数据中心向 224Gbps 演进的以太网技术
应用指南
目录
- 引言 - 3
- 数据中心互连 - 4
- 数据中心互连技术的发展 -6
- 迈向 800G 以太网 - 8
- 数据速率术语 - 10
- 800G 以太网面临的技术挑战 - 11
- 测试解决方案 - 14
- 112 Gbps 测试解决方案 - 14
- 224 Gbps 测试解决方案 - 16
- 信号生成 - 17
- 器件级测试 - 18
- 波形测试 - 20
- 比特误码率测试 - 21
- 测试解决方案总结 - 23
引言
数字业务（5G、物联网等）的发展对带宽提出了越来越高的需求，数据中心必须升级基础设施才能跟上这一潮流。业界针对 800G 和 1.6T 展开了如火如荼的研究，其中，单通道的接口速度高达 224 Gbps 成为了主要的研究方向之一。本应用指南重点介绍了现代化数据中心内部高速以太网链路的最新发展态势，以及是德科技针对高达 224 Gbps 接口推出的高速测试解决方案。
数据中心互连
大型互联网数据中心是光互连技术和创新增长最快的市场——由于机器对机器通信快步增长，70% 的互联网流量发生在数据中心内部。图 1 展示了基于 CLOS11 架构（也称为叶脊）的典型数据中心网络结构。
数据中心内部网络从下到上通常分为三到四层。服务器到核心网的各层级之间存在各种互连，它们的长度短则几米，长则数千米，因此需要采用不同的技术和接口标准。服务器机柜/机架顶部（TOR）交换机：最下面一层的服务器机架与机柜顶部的 TOR 交换机相连。当今的数据中心通常部署 25G 网络，其中部分人工智能（AI）应用采用 50G 速度。在未来几年，100G、200G 和 400G 速度的互连技术有望得到采用。连接要么位于机柜内部，要么是在相邻的机柜之间，其距离通常不超过 5 米。目前使用的典型接口技术包括直连铜缆（DAC）和有源光缆（AOC）。随着速度向着 400G和 800G 升级，DAC 的传输距离太短，需要改用有源电缆（AEC）。
TOR 到叶交换机：第二层互连是 TOR 交换机与叶交换机之间的连接。这种互连的传输距离高达约 50 米，目前采用的是 100G 互连技术，并且正在向着 200G 和 400G 升级，在几年后有望达到 800G。结合了多模光纤的 100GBASE-SR4 或 200GBASE-SR4 等光模块目前通常与 NRZ（非归零）信令配合使用。对于这一层级和更高层级的互连，升级到 200G 和 400G 速度会导致信令变为 PAM4（四电平脉冲幅度调制）。
叶到脊：叶到脊连接的连接距离高达 500 米，可以在单个园区或是相邻的多个园区中使用。这种连接采用的接口速率与 TOR 到叶交换机连接类似，目前正在从 100G 向着 200/400G 升级，到 2023 年左右会达到800G。随着传输距离逐步扩大，互连会转向采用单模光纤，通常是多条并行光纤使用 100G-PSM4、100G-CDWM4 等模块，并且会向着 200GBASE-DR4 和 400GBASE-DRI4 升级。
脊到核心网：当传输距离进一步增加到 2 千米时，用户开始考虑光纤成本，因此通常会采用波分复用技术在一根光纤上通过不同的光波长发送数据，目前使用的模块包括 100GBASE-LR4、100G-CWDM4 和400GBASE-ER4/-LR4/-FR4 等。
数据中心互连（DCI）：相邻的几个数据中心通常采用这种方式来建立连接，从而实现负载平衡或灾难恢复备份。传输距离可能从几十千米到一百千米不等。更长距离的传输采用的是密集波分复用技术，并在近年用相干通信替代了直接检测技术。多年以来，电信运营商在远距离（数百千米）应用中部署的是 100G 相干技术。他们也在研究如何提高到 200、400、800G 技术的速度。DCI 的传输距离并不像电信应用那么远，主要是点对点传输，因此可以使用外形和功耗都比较小的可插拔模块（如 400G-ZR）来进行相干传输。
数据中心互连技术的发展
接口的速度可以通过多种方法或接口标准来实现，每种方法或标准在性能、传输距离、功耗和成本方面都有不同的折中。以下三种技术方法可以提高互连接口的速度（图 2）：第一种方法是直接提高通道的数据速率或波特率，例如 SDH/SONET 时代的速率就从 155 Mb/s 发展到了622 Mb/s，以太网端口速率则从 100 Mb/s 一路发展到 10 Gb/s。波特率的提升需求可能往往超出当时的技术水平，因此会采用其他方法。第二种方法是增加通道数量。这种方法的优势在于能保持恒定的波特率，但接口设计较为复杂，成本也更高。例如，以太网接口从 10 Gb/s 升级到 40 Gb/s 时采用了 4 x 10 Gb/s 通道方法，而没有采用单通道 40Gb/s 链路，实施成本很高。升级到 100G 以太网同样采用了这种方法，最开始是使用 10 x 10 Gb/s 通道，后来改用 4 x 25 Gb/s 通道，这也是 100G 以太网接口的主流实现方式。对于电气接口而言，这种方法意味着器件和电路板要有更多通道，因此在设计时要把串扰纳入考虑。
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