用“OTN处理器+相干DSP”实现1.6Tbps+ 数据中心互联平台

　　数据中心离不开光传输网络(OTN)，而芯片则是OTN底层的硬件。从芯片角度如何实现数据中心互联(DCI)?日前，在北京举行的“2016中国光网络研讨会”上，Microsemi公司产品市场经理Kevin So和ClariPhy亚太区高级总监Andrew Qiu介绍了从器件角度看的DCI挑战，并推出以OTN处理器和相干DSP为核心技术开发出的新一代平台设备。

DCI快速增长

　　针对中国互联网用户的数据显示，每分钟有大量的数据产生。实际上，消费者和企业的云业务时时刻刻都在推动着数据中心的发展。

　　数据中心(DC)的架构包括存储设备、服务器以及大量的交换设备。和外界互联主要有两种通道：1.去互联网;2.去另一个数据中心，即数据中心的互联(DCI)。DCI是本文关注的内容。

　　Facebook(脸书)曾观测了数据中心24小时流量，统计表明，其中58%是内部交换，18%是数据中心之间的交换(如图1)。这18%是很可观的。一般超大规模数据中心(DC之间 / 东-西向互联)约有20万服务器，相当于960Tbps DCI带宽。而传统的电信运营商/服务商的两个局端设备之间流量只有25Tbps。相比之下，数据中心的流量是普通电信流量的40倍!这说明数据中心之间的流量激增剧烈。

　　推动DCI发展的因素主要是分布式数据中心的崛起。数据中心的演进分为三步。1.传统数据中心，一般建在大楼里;2.大型仓库规模数据中心，例如这两年贵州正在兴建的大型数据中心;3.下一步是城域范围的分布式数据中心，其逻辑上是单个巨无霸数据中心。而分布式数据中心的网络构架需要大量的光传输带宽。

　　那么，ICP(网络内容服务商)DCI的市场到底有多大?据Ovum等公司分析，到2019年，光传输设备市场规模预计在150亿美元市场规模。其中数据中心会占到15%。所以DCI会占可观的比例(如图2)。

DCI的需求

　　1.DC内部的冷却要求。

　　数据中心(DC)的规模动辄上万、几十万服务器/交换机，功耗越来越高，因此，散热非常重要。数据中心大多遵循“热通道和冷通道”的结构布局。为此，DC机架上的光传输设备必须与散热结构对应。

　　2.数据中心的连接通常有两种方法：暗光纤和租用线。

　　暗光纤相当于利用光纤电缆线构建私有专网，因此ICP(互联网内容提供商)需要自己购买光传输设备，ICP也需要运行维护自己的网络。不过，暗光纤并非随处可得，与地区/环境有关，例如在北美，城域和长距离均有稳定的保障;在中国，城域有可能，长距离基本没戏。

　　租用线相当于向传统CSP(通信服务提供商)购买波长或以太网传输服务。

　　通常情况下，ICP会同时兼用暗光纤和租用线两种方式。

　　3.DC间需要物理层加密。

　　自从斯诺登“棱镜门”事件以后，ICP强制推出新的加密政策以防止数据外泄，即数据在离开DC的任何时候要进行物理层加密，这驱动了DWDM平台的加密需求。

　　另一个要求是SDN的控制与管理。当前每个设备商会有网管系统，都有特殊的接口。普通电信运营商用自己的网管系统。互联网ICP客户不仅有北向接口，还有南向接口。这要求设备内部之间支持开放性的标准。因此对DCI端口协议和端口速率提出要求，预测如图3所示。10G以太网会继续成为连接DC交换机的主流速率和协议;40GE仅限于少数ICP(比如Microsoft/Azure);100G端口今年才在市场出现，因为QSFP28模块的供给困难限制了早期的推广;不同垂直市场的DC要求更多的协议，例如金融/政府偏向光纤通道，因此会喜欢采用光模块;海底电缆采用OTU4，中小企业采用POS/STM-64。因此，要求针对DCI优化的光传输设备需要支持DC光模块。

相干光传输是100G及以上传输的首选

　　目前，业界一致公认相干光是100G及以上传输的首选，可以在100G和超100G上实现最低总拥有成本(TCO)。方法是关键器件采用DSP，因为基于CMOS的DSP可对光纤噪声损耗进行数字补偿;可免去昂贵的色散补偿模块(DCM);而且可以方便网络管理，支持多种传输方式，灵活的架构适合光纤长度的变化;采用新DSP可扩展到每波长400G或更高，用更大的容量来降低每比特成本;另外，可以节省成本，和电信网络用的是同样的技术;未来是单光纤(L+C波段)从10Tbps升级到70Tbps的唯一选择。 相干WDM光模块演进趋势如图4所示。

　　超大规模DC的趋势和要求促使OEM(原始设备生产商)开发出新一代DCI优化平台，其特点是：支持DC客户端光模块(QSFP、QSFP28等);支持由前向后的空气流通;支持交直流供电;控制层软件最小化甚至没有;开放的API和OS(Linux、SDN北向API等)。

　　在产品规格方面，客户端速率有10G、40G和100G。WDM线路侧速率：相干100G和200G。尺寸是与服务器类似的1~2RU。另外，DCI特殊性能是加密和便于SDN控制的LLDP。

OTN是DCI首选的网络协议

　　为何数据中心互联选择OTN做网络协议?好处是可以从1G扩展到100G或更高;具有针对波长的OAM管理(快速故障隔离和保护倒换);低延时，透明承载所有业务;用汇聚高效地利用100G波长;节省成本(因为和电信运营商采用的是同样的技术);让线速/满带宽加密成为可能。

　　DCI流量在运营商网络传输时可利用OTN交换的好处是：1.给运营商带来创收机会;2.可带来新的应用，例如数据中心之间的带宽点播;3.白天，DC间开启最小带宽(保证业务支持)，夜间，DC间开启最大带宽(缓存数据库镜像等)，以享受更低电费的带宽费。

　　OTN交换是如何做到这些的?主要是用G.HAO动态调整ODUflex的大小。Microsemi公司的DIGI系列芯片是支持G.Hao方案的OTN 处理器。

相干DSP + OTN 处理器可以满足DCI要求

　　由于ICP对传输的要求与运营商不同，因此OEM需要以OTN处理器和相干DSP为核心技术开发出为DCI优化的新一代平台设备。Microsemi和ClariPhy可助力1.6Tbps+ 优化的DCI平台。Microsemi有高密度的单芯片Nx10/40/100G OTN处理器——DIGI4，不仅每端口功耗减半，还具备OTN加密功能。ClariPhy公司的LightSpeed II作为业界第一款40/100/200G FlexCoherent DSP已经量产。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第77页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。