数据中心互联为什么需要光传输？

易飞扬通信

近年来随着物联网、人工智能的兴起，“云”概念得到了快速发展。数据中心作为支撑着“云”系统能够进行快速数据处理不可缺失的一部分，也正在试图向更快更安全的数据传输中过度。而这一设想巧遇光传输，于是光通信成为了实现数据中心互联突破100G甚至是超100G技术大关的关键所在。

ICP DCI市场规模超过电信运营商

由于互联网和云计算的发展，光纤通信的应用主体已经从电信运营商的中心机房转向了数据中心。2008年美国互联网公司数据中心对光纤通信的需求就已经超过了电信运营商，数据中心已经初显为光纤通信的最大市场。不只是国外市场开始爆发出这种市场趋势，自2012年起我国开放因特网数据中心（IDC）市场，使IDC市场得到了迅速扩张。根据Ovum的估计，数据中心对于光器件的需求在2016年将增长到29.5亿美元，占电信市场51%，平均复合增长率达17%，光器件市场又多了一个强劲的引擎。到2019年全球范围内ICP在光传输的花费将会占到20%。
  
    加之国内近年来计算机、互联网、智能终端的普及，视频、游戏等大流量应用的迅速发展，由此而带来的数据量也开始呈现指数上升的趋势。数据量的持续爆发也推动着云计算和数据中心快速发展。
    而单纯只是数据中心数据流量的增长并不能让物联网真正受益，只有众多的数据中心之间形成互联互通才有可能造福于物联网下的数据传输。可扩展DC 架构满足了现代化超大规模数据中心架构东西向流量的增长，使得数据中心互联成为可能。彼时，大量的数据流量将利用光传输进入到数据中心，数据中心之间共享信息云端数据，使得光传输将不止仅用于数据中心内部的数据传输，也将用于数据中心之间的互联，由此光传输在DCI市场上的规模将远远超过电信运营商。
数据中心互联对光传输的要求
网络速率的提高，光通信技术几乎用在数据中心的所有链路中。从距离几米的服务器互连到连接位于世界各地数据中心的跨洋广域网，作为高带宽、高密度和长距离的信息传输载体，光通信技术将直接影响未来数据中心的发展。

光通信具有大带宽、长距离传输信息的优点，它的主要应用场景是在两点之间提供大带宽的信息传输通道，所以在诞生之初，主要应用领域是长途干线网。长距离、大容量的干线传输网技术一直是光通信技术的前沿研究领域，致力于解决噪声、光纤线性损伤和光纤非线性损伤对传输容量和距离的限制，提高单信道速率、单根光纤的容量和无电中继的传输距离。
    数据量的爆发和网络流量的提升，为解决带宽需求、拓展传输容量，传输网向40G/100G迈进已成为趋势。据预测，2013年-2018年40G/100G市场的年均复合增长率将高达27.5%，今明两年40G和100G光器件将以20-30%的速度同步增长，2016年开始100G将占主导，增速将超过40%并持续三年以上，光传输与数据中心相结合的发展势头已经开始了。

    光传输用于数据中心内网互联每个数据中心内部有成千上万台服务器，这些服务器通过数据中心内网相互连接。早在2009年，英特尔就将硅光子技术用在了光传输上，致力于多核处理器技术的快速发展，提升计算机的运算性能。这种技术是指在倍增区施加电场，通过吸收层一个光子激发一个电子来到倍增区，在经过系统列电离化后产生10倍~100倍的电子，以放大信号。雪崩探测器这个特别的结构可以让它在光信号接受这一过程，要么缩短传输距离N倍，要么节能N倍。对于未来的处理器来说，硅光电系列在传输的信息量不变的情况下可以节能数十倍或是上百倍，如果在同样的功耗下则可以增加数十倍或上百倍的传输距离。通过提高光调制器的编码速度以及增加每块芯片上激发起的数量，来让数据的传输速度达到1Tbps，以便应对未来的数据密集型应用，这会给数据中心和云计算中心的架构带来全新的改变。

    数据中心内网有几个重要的参数：可连接的服务器的数量(可扩张性)、对分带宽和时延。可扩展性指在增加服务器数量时不需要改变网络架构。最理想的情况是在一个大型数据中心内的任何两个服务器之间都能以很小的时延和服务器的全部带宽进行通信，但在实际的网络设计中必须考虑成本，网络架构设计和技术选择必须在成本和性能之间进行平衡。今天的数据中心内网大多采用多层结构，但随着技术的发展，网络架构有走向扁平化的趋势。
针对于数据中心内网互联的对于光传输的要求，数据中心通过采用多模光纤布线系统，以减少能源消耗和二氧化碳的排放。基于10G/40G/100G甚至更高要求的光纤连接，可以使得数据中心采用端口高密度的网络设备，降低电力和制冷要求。与铜缆连接相比，光纤布线可以减少占用的通道空间，从而提高制冷效果;与UTP铜缆设备相比，光纤交换网络设备和服务器适配卡消耗的电能更少;在同等带宽下，光系统比铜系统需要的交换机和板卡线卡更少，减少了网络设备和制冷能耗;高密度光纤和小半径线缆，提高了桥架底板通道空间的利用率，有利于布线和冷却，如果是架空路由，使用光缆也能优化通道使用;光缆可以提供更好的系统密度和线缆管理，使得空气流通阻塞降至最小，提高制冷效率。总的来说，光纤连接可以降低电力和制冷方面的能耗，优化通道空间占用，从而支持更加绿色的数据中心建设。
光传输用于数据中心之间的互联
信息流量的增大，让数据中心不止满足于内部的数据高速传输，人们也开始追求数据中心之间的互联。

从硬件上来看，数据中心互联对于光传输的特殊要求在于独立数据中心的散热处理以及DCI对客户端特殊的光模块。将传统数据中心进行模块化处理，把机柜、供配电、制冷、布线、安防等基础设施集成为一体 ，有利于数据中心快速部署、灵活扩容、降低功耗，同时解决了散热和灵活性架构的问题。

    从软件角度上来看，数据中心互联对于光传输的要求则在于SDN应该如何应用到光传输中去，以及利用光传输数据的网络协议。OTN凭借其高达100G的可扩展性，针对波长的OAM管理，拥有低延时等等特点让数据中心互联选择其做为数据中心互联中光传输的网络协议。
    综上所述，数据中心要实现互联互通需要软硬件的相互结合，正因如此也催生出了数据中心互联平台的开发和使用。

相干技术成为关键技术
    众所周知，随着传输距离和数据容量的加大，在光传输过程中的损耗也就越大，数据中心互联需要克服远距离上的信息传输问题，于是相干技术就成为了实现数据中心互联中相当重要的一个环节。相干技术是业界一致公认的100G及以上传输的首选，也是单光纤（L+C波段）从10Tbps升级到70Tbps的唯一选择。将相干技术用于数据中心互联能够极大地降低每比特光传输中损耗，从而提高数据传输效率。
    数字相干光传输技术是新一代光传输方法，组合了使设在接收端的光源与接收到的光信号发生干扰的“相干接收”和数字信号处理。在光收发装置上采用该技术，就可以利用原来的光纤实现通信量达到原来4倍的光传输。现在，采用该技术的每通道100Gbit/秒级的光传输系统正在逐渐普及，但随着数据越来越多样化，需要更高速、更大容量的数据传输。
不仅如此，相干技术也可以在100G和超100G上实现最低总体拥有成本，弃用传统昂贵的色散补偿模块（DCM），使用基于CMOS的DSP芯片对光纤噪声损耗进行数字补偿。利用相干技术能够灵活地调整光纤长度，同时也能够保障数据传输量可扩展到每波长400G，即用更大的容量来降低每比特成本。
    数据中心走向互联是物联网发展的必然要求，同时大数据流量实现远距离数据传输也在推动着物联网的发展。从目前形势上看，光传输会伴随着数据中心互联需求的增长而发生新一轮的应用热潮。