400G時代：數(shù)據(jù)中心高速網絡的演進

在當今數(shù)字浪潮中，企業(yè)數(shù)據(jù)中心剛剛開始在交換機上行鏈路中采用100G速率，然而行業(yè)標準已經為400G應用鋪平道路，相關網絡設備也已投入市場。盡管對多數(shù)企業(yè)而言，實現(xiàn)這一高速率仍需一些時間過度，但超大規(guī)模云服務提供商已經加速推進，不僅定義了市場方向，推動技術進步，更將在未來幾年內將高速應用滲透至企業(yè)領域。

事實上，這些行業(yè)引領者正將目光投向800G，并致力于發(fā)展光通信技術，為未來1.6T乃至3.2T速率鋪路。

驅動因素與趨勢

數(shù)據(jù)中心已成為組織核心運營的基石。全球數(shù)字化進程持續(xù)推動對更高帶寬的需求，以支持日益增長的數(shù)據(jù)流量。據(jù)預測，到2025年，數(shù)據(jù)中心流量將突破180ZB (注：1 ZB的數(shù)據(jù)相當于10億TB或1萬億GB)。為應對這一增長，F(xiàn)rost & Sullivan預計到2025年，數(shù)據(jù)中心市場的投資將達4320億美元。

以下關鍵因素正推動400G需求上升：

• 數(shù)字化轉型與新興應用：企業(yè)數(shù)字化進程及新興應用的普及，推動云數(shù)據(jù)中心對400G的需求。遠程辦公、在線交易和視頻流媒體等應用顯著增加了云服務使用量。2020年第一季度云支出增長25%，而傳統(tǒng)IT市場則下降3%。據(jù)思科預測，到2021年底，94%的工作負載將在云環(huán)境中運行；Gartner則預計，到2025年，公共云服務支出將接近7000億美元。

• 新興應用對數(shù)據(jù)的需求：傳媒行業(yè)采用未壓縮的高分辨率視頻格式（如RedCode Raw），使文件大小急劇增加。智能建筑和工業(yè)4.0計劃推動物聯(lián)網設備數(shù)量在2025年超過300億臺。虛擬現(xiàn)實、人工智能、機器學習、自動駕駛及高頻交易等應用要求極低延遲和高速連接。醫(yī)療影像、遠程醫(yī)療及金融科技進一步增加對帶寬的依賴。5G移動技術、邊緣計算、虛擬化和軟件定義網絡（SDN）正重塑數(shù)據(jù)中心架構，要求高性能連接。

架構演進：從三層到Spine-Leaf

為適應東西向數(shù)據(jù)流和低延遲需求，數(shù)據(jù)中心也從傳統(tǒng)的三層架構向Spine-Leaf架構演進。在Spine-Leaf架構中，每一臺leaf交換機都連接到每一臺spine交換機，減少了數(shù)據(jù)傳輸過程中虛擬服務器間的交換機跳數(shù)，并顯著降低了延遲，同時當服務器A需要與服務器B“通訊”時，還可提供下圖所示更好的冗余性。

進一步地，超級Spine架構通過二級Spine互聯(lián)多個Spine-Leaf網絡，實現(xiàn)模塊化擴展，支持數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI），滿足大規(guī)模云服務需求。同時，邊緣數(shù)據(jù)中心的興起為5G和實時應用提供本地數(shù)據(jù)處理，推動對400G連接的需求，以聚合數(shù)據(jù)并回傳至核心云數(shù)據(jù)中心。

技術進展：推動400G實現(xiàn)

多項技術進步為400G提供了技術與經濟可行性

• PAM4編碼：比傳統(tǒng)NRZ編碼比特率翻倍，支持每通道25G、50G和100G速率，為25G至800G的演進提供高效路徑。
• 可插拔收發(fā)器：QSFP-DD和OSFP等接口支持8通道50G傳輸，實現(xiàn)400G應用，并兼容多種多模和單模光纖。
• 光通信技術：短波分復用（SWDM）等技術可在單芯多模光纖上以多個波長傳輸數(shù)據(jù)，減少光纖數(shù)量。新型低功耗單模收發(fā)器則支持500米傳輸，適應數(shù)據(jù)中心短距離需求。

網卡速率也從10G逐步升級至25G、50G乃至100G，支持高度虛擬化、低延遲的環(huán)境需求。

400G應用標準與部署方案

IEEE已制定多種400G標準，涵蓋多模和單模應用，如下表所示：

在查閱表格時，理解以下幾個核心概念能幫你更好地做出選擇：

• 接口命名規(guī)則：后綴中的字母代表傳輸距離（如SR：短距，DR：500米，F(xiàn)R：2公里，LR：10公里），數(shù)字代表光通道數(shù)量。例如，F(xiàn)R4表示傳輸距離2公里、有4個光通道。
• PAM4調制技術：這是實現(xiàn)400G速率的關鍵。與傳統(tǒng)的NRZ（非歸零）編碼相比，PAM4每個信號周期可以傳輸2個比特，使有效數(shù)據(jù)速率翻倍，但也對鏈路質量要求更高。
• 扇出（Breakout）功能：這是400G收發(fā)器的一個重要特性，允許將一個高速端口拆分為多個低速端口使用。例如，一個400G-SR8端口可以拆分為4個獨立的100G鏈路，這對于網絡平滑升級和連接不同速率的設備非常有用。

為優(yōu)化端口利用率和交換機密度，扇出設計可將400G端口拆分為4個100G或8個50G連接。Base-8 MTP連接系統(tǒng)支持即插即用部署，替代傳統(tǒng)的模塊盒與跳線方案。

在企業(yè)數(shù)據(jù)中心中，交換機至服務器鏈路可通過DAC（直連銅纜）、AOC（有源光纜）或結構化布線實現(xiàn)。

成本考量與未來展望

400G部署需根據(jù)具體需求權衡，多模方案通常成本較低，但短距離單模方案因大規(guī)模應用已顯著降價，在某些場景下更具吸引力。

盡管400G已成為現(xiàn)實，但技術演進并未止步。IEEE Beyond 400Gb/s研究組正致力于800G標準，目標包括在8對多模光纖上支持100米傳輸，在單模光纖上支持500米至2千米傳輸。1.6T標準也在制定中，超大規(guī)模云服務商正通過多源協(xié)議（MSA）推動相關技術發(fā)展。

每一項新技術都伴隨挑戰(zhàn)與選擇，無論數(shù)據(jù)中心的規(guī)模與類型如何，星融元作為開放網絡先行者與推動者，提供從10G到400G及更高速率的全面解決方案與專業(yè)服務，助力企業(yè)網絡實現(xiàn)平滑演進。

本文基于西蒙白皮書《通往400G之路》整理，內容僅供參考。