大數(shù)據(jù)時代的核心：超高速短距離光互聯(lián)

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨

大數(shù)據(jù)在前幾年還是一個帶有科幻色彩的時髦名詞，近年來隨著云計算、虛擬化、高清視頻、電子商務、社交網(wǎng)絡以及飛速發(fā)展的高速無線網(wǎng)絡等等各種新興業(yè)務的不斷涌現(xiàn)，當初的預言已經(jīng)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。據(jù)Cisco Visual Networking Index(可視網(wǎng)絡指數(shù)，簡稱VNI)預測，全球互聯(lián)網(wǎng)總流量將在2016年跨過1ZB大關，并將在2019年再翻一倍。IEEE稱，網(wǎng)絡需要支持帶寬平均需求每年以58%的增長率遞增。用戶數(shù)量、訪問技術、接入速度以及視頻點播和社交媒體等服務增長的同時將推動帶寬的需求。

圖1 近幾年流量增長圖(數(shù)據(jù)來源:Cisco VNI)

云計算的部署，更加速了業(yè)務對網(wǎng)絡帶寬的需求。海量的數(shù)據(jù)在不斷的交互。更強大的數(shù)據(jù)中心、更高的網(wǎng)絡帶寬是實現(xiàn)這一切的物理基礎。云計算廣泛采用虛擬化技術來進行計算資源的調(diào)度服務，同時服務器多核技術迅速發(fā)展，服務器的網(wǎng)卡進一步向高速萬兆接口演進，使得云計算在服務器接入的IO處理層面不僅帶寬擴大，而且流量激增;同時，用戶對網(wǎng)絡質(zhì)量和速度的要求也在不斷提高。使得向100G帶寬過渡、并繼續(xù)提出高密40G/100G端口的挑戰(zhàn)需求是大勢所趨。在此趨勢下, 標準制定機構,基礎設施設備商與運營商開始加速研發(fā)與部署新一代互聯(lián)網(wǎng)——即40G/100G網(wǎng)絡技術。

圖2 802.3ba時間表

目前，包括IEEE的多個光互聯(lián)標準組織已為40G/100G制定了一整套規(guī)范。與標準制定幾乎同時進行，設備商目前已經(jīng)推出了40G/100G的產(chǎn)品或者升級方案。比較有代表性的有：中興的ZXWM M920骨干OTN產(chǎn)品，H3C的SR8800-X系列，CR16000系列，阿朗的XRS 7950系列，Cisco的CRS-3系列，華為的LPUF-200等等。

新一代互聯(lián)網(wǎng)絡的物理層傳輸媒介

如下表所示，新一代互聯(lián)網(wǎng)絡的物理層有背板、銅纜和光纖等多種傳輸媒介。

表1 40G/100G物理層媒介

短距離通信互聯(lián)的技術與標準

伴隨著整個網(wǎng)絡飛速的發(fā)展，高帶寬的需求使得短距互聯(lián)成了系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。數(shù)據(jù)顯示，80%的流量是發(fā)生在數(shù)據(jù)中心的機房內(nèi)，也就是交換機,防火墻,路由器這些設備之間。這種機房內(nèi)的通信一般稱之為短距離互聯(lián)(Short Reach Interconnection)或者甚短距離互聯(lián)(Very Short Reach Interconnection)。

圖3 幾種短距離互聯(lián)方式

光通信得到大規(guī)模應用之前，短距離通信一般使用銅纜進行電互聯(lián)。受損耗和串擾等因素的影響，基于銅線的電互聯(lián)的高帶寬情況下的傳輸距離受到了限制，成本也隨之上升。而且過多的電纜也會增加系統(tǒng)的重量和布線的復雜度。電互聯(lián)傳輸帶寬小、時延大、高速信號之間串擾大、功耗大等缺點，已經(jīng)成為電互聯(lián)進一步發(fā)展的巨大障礙。與電互聯(lián)相比，基于多模光纖的光互聯(lián)具有高帶寬、低損耗、無串擾和匹配及電磁兼容等問題，而開始廣泛地應用于機柜間、框架間和板間的高速互聯(lián)。光互聯(lián)作為一種新的互聯(lián)方式，具有極高的通信帶寬，極小的功耗，能夠很好地解決電互聯(lián)發(fā)展受限的問題。

在短距離通信中,光互聯(lián)相比于電通信,有顯著優(yōu)點：

· 單位功耗明顯低于電通信

· 低失真, 低串擾

· 總體擁有成本(Total Own Cost)低

· 升級改造便捷

· 集成度高,向前兼容性高

· 器件少，接口少

· 體系靈活度高,更加簡化

· 部署靈活

· 模塊化程度高

· 尺寸小，密度高

據(jù)調(diào)查，光互聯(lián)的發(fā)展將在未來的五年內(nèi)由機架間向板間互聯(lián)普及，十年內(nèi)成本也會接近甚至低于電互聯(lián)。

圖4 容量為10 Tbps的電和光互聯(lián)功耗對比

對于如何規(guī)范、加速板間以及芯片間的通信，國際機構在標準制定上也做了很多工作。之前已經(jīng)有了一個標準802.3ap針對此問題，該標準規(guī)定了在企業(yè)級網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心的基于機箱的模塊化平臺中，網(wǎng)絡設備廠商如何在背板最遠1米的范圍內(nèi)進行千兆和萬兆以太網(wǎng)的傳輸。新一代互聯(lián)網(wǎng)標準制定以來,為適應新的網(wǎng)絡標準，IEEE又制定了802.3bj來對高速網(wǎng)絡的短距離通信進行規(guī)范。除此之外, 802.3ba定義的CAUI-10, 802.3bm定義的CAUI-4也對芯片至芯片, 芯片至模塊接口也是短距離通信的規(guī)范。

光互聯(lián)所用的基礎技術-激光

光互聯(lián)從光源大致分為兩種: 有源(Active optical network, AON)/無源(Passive optical network, PON)。所謂有源,就是在數(shù)據(jù)的傳輸過程中加入若干有源的中繼,用單獨的光纖牽到終端.而無源則只使用分光器,僅僅需要在數(shù)據(jù)的源頭與接收端使用光源與電源。日常所見的EPON,GPON都是無源通信。

光源類型有三種: LED，EEL(Edge emitting Laser)，VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)。其中LED是自發(fā)輻射，EEL與VCSEL是兩種激光光源。多模光纖可以使用LED,單模光纖必須使用激光。由于VCSEL相對于EEL的顯著優(yōu)勢，是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。

與LED類似,VCSEL是從晶圓的表面發(fā)射光.而EEL從邊緣發(fā)射。

除了生產(chǎn)與成本上的優(yōu)點, VCSEL相對于LED與EEL還有如下優(yōu)點：

· 溫漂小

· 低門限電流(用TTL電平即可驅(qū)動,放大器設計大大簡化,功耗降低

· 垂直表面發(fā)射,光路耦合性能提高

· 易于集成,封裝

· 高速(上升下降在100ps級別)

表2 三種光源參數(shù)對比

領先的光學半導體器件商MACOM近日推出新器件MALD-37345，MATA-37344。其中MALD-37345為4組帶有輸入均衡器的28G VCSEL驅(qū)動，MATA-37344為一個28G的跨阻放大器。這個系列與前面的一個系列(MALD-37045/MATA-37044)兼容，由于可以省去外接CDR，設計人員在進行系統(tǒng)設計時的成本功耗實現(xiàn)了進一步降低。這個產(chǎn)品組合主要面向板級光互聯(lián)與短距離互聯(lián)，也可以用在光收發(fā)器與有源光互聯(lián)領域。

下圖是一個VCSEL用于數(shù)據(jù)中心短距離通信的示例，關鍵器件有VCSEL驅(qū)動器、CDR、TIA、激光源和激光接收二極管等等。

圖5 VCSEL用于短距離通信示例

高速光信號的傳輸過程中由于不帶時鐘信號，會產(chǎn)生相位偏移。CDR是用來補償光路中的相位偏移的。

圖6 典型的時鐘恢復電路

TIA是用來補償傳輸中的幅度衰減的。TIA是放大器類型的一種。光電傳輸通訊系統(tǒng)中跨阻放大器的作用是將電流信號轉換成電壓信號，用于接收光電二極管從光纖感應的弱電流并且進行一定強度低噪聲放大。其工作原理是：PIN的光敏面受探測光照射時，由于PN結處于反向偏置，光生載流子在電場的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流;光電流通過跨阻放大器放大輸出，這樣就實現(xiàn)了光信號轉換成電信號進而將電信號初步放大的功能。在光互聯(lián)系統(tǒng)中，OSNR(信號和噪聲的比值)是衡量整個系統(tǒng)傳輸性能的重要指標之一。TIA能將電信號進行一定強度的低噪放大。信號在經(jīng)過光纖傳輸后，光功率和色散必然在一定程度上有所衰減，光放大器將光信號轉化為電信號來進行放大處理時，TIA能有效地抑制噪聲信號的放大。

圖7 典型的TIA電路

另外，在硅光子集成高速光互聯(lián)解決方案上，MACOM的MAOP-L284CN：將激光器集成在硅光子集成電路(L-PIC™)中，包括四個高帶寬Mach-Zehnder調(diào)制器，與四個CWDM O band激光器和一個CWDM多路復用器集成在一起，每個信道支持高達28 Gb/s。L-PIC工作在標準的單模光纖上，MACOM也提供集成了CDR的MASC-37053A調(diào)制器驅(qū)動器，與L-PIC匹配合作實現(xiàn)更加優(yōu)化的性能和功耗，適用于100G CWDM4和CLR4高速傳輸解決方案。