大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨

大數(shù)據(jù)在前幾年還是一個(gè)帶有科幻色彩的時(shí)髦名詞，近年來(lái)隨著云計(jì)算、虛擬化、高清視頻、電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)以及飛速發(fā)展的高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等等各種新興業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，當(dāng)初的預(yù)言已經(jīng)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。據(jù)Cisco Visual Networking Index(可視網(wǎng)絡(luò)指數(shù)，簡(jiǎn)稱VNI)預(yù)測(cè)，全球互聯(lián)網(wǎng)總流量將在2016年跨過(guò)1ZB大關(guān)，并將在2019年再翻一倍。IEEE稱，網(wǎng)絡(luò)需要支持帶寬平均需求每年以58%的增長(zhǎng)率遞增。用戶數(shù)量、訪問(wèn)技術(shù)、接入速度以及視頻點(diǎn)播和社交媒體等服務(wù)增長(zhǎng)的同時(shí)將推動(dòng)帶寬的需求。

圖1 近幾年流量增長(zhǎng)圖(數(shù)據(jù)來(lái)源:Cisco VNI)

云計(jì)算的部署，更加速了業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。海量的數(shù)據(jù)在不斷的交互。更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬是實(shí)現(xiàn)這一切的物理基礎(chǔ)。云計(jì)算廣泛采用虛擬化技術(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算資源的調(diào)度服務(wù)，同時(shí)服務(wù)器多核技術(shù)迅速發(fā)展，服務(wù)器的網(wǎng)卡進(jìn)一步向高速萬(wàn)兆接口演進(jìn)，使得云計(jì)算在服務(wù)器接入的IO處理層面不僅帶寬擴(kuò)大，而且流量激增;同時(shí)，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和速度的要求也在不斷提高。使得向100G帶寬過(guò)渡、并繼續(xù)提出高密40G/100G端口的挑戰(zhàn)需求是大勢(shì)所趨。在此趨勢(shì)下, 標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu),基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備商與運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始加速研發(fā)與部署新一代互聯(lián)網(wǎng)——即40G/100G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖2 802.3ba時(shí)間表

目前，包括IEEE的多個(gè)光互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)組織已為40G/100G制定了一整套規(guī)范。與標(biāo)準(zhǔn)制定幾乎同時(shí)進(jìn)行，設(shè)備商目前已經(jīng)推出了40G/100G的產(chǎn)品或者升級(jí)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(luò)的物理層傳輸媒介

如下表所示，新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

伴隨著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jī)房?jī)?nèi)，也就是交換機(jī),防火墻,路由器這些設(shè)備之間。這種機(jī)房?jī)?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(yīng)用之前，短距離通信一般使用銅纜進(jìn)行電互聯(lián)。受損耗和串?dāng)_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(guò)多的電纜也會(huì)增加系統(tǒng)的重量和布線的復(fù)雜度。電互聯(lián)傳輸帶寬小、時(shí)延大、高速信號(hào)之間串?dāng)_大、功耗大等缺點(diǎn)，已經(jīng)成為電互聯(lián)進(jìn)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(wú)串?dāng)_和匹配及電磁兼容等問(wèn)題，而開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于機(jī)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(wèn)題。

在短距離通信中,光互聯(lián)相比于電通信,有顯著優(yōu)點(diǎn)：

· 單位功耗明顯低于電通信

· 低失真, 低串?dāng)_

· 總體擁有成本(Total Own Cost)低

· 升級(jí)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(jiǎn)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(lái)的五年內(nèi)由機(jī)架間向板間互聯(lián)普及，十年內(nèi)成本也會(huì)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(duì)比

對(duì)于如何規(guī)范、加速板間以及芯片間的通信，國(guó)際機(jī)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)制定上也做了很多工作。之前已經(jīng)有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)802.3ap針對(duì)此問(wèn)題，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的基于機(jī)箱的模塊化平臺(tái)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商如何在背板最遠(yuǎn)1米的范圍內(nèi)進(jìn)行千兆和萬(wàn)兆以太網(wǎng)的傳輸。新一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定以來(lái),為適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE又制定了802.3bj來(lái)對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)的短距離通信進(jìn)行規(guī)范。除此之外, 802.3ba定義的CAUI-10, 802.3bm定義的CAUI-4也對(duì)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(chǔ)技術(shù)-激光

光互聯(lián)從光源大致分為兩種: 有源(Active optical network, AON)/無(wú)源(Passive optical network, PON)。所謂有源,就是在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中加入若干有源的中繼,用單獨(dú)的光纖牽到終端.而無(wú)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(jiàn)的EPON,GPON都是無(wú)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(duì)于EEL的顯著優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)。

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(diǎn), VCSEL相對(duì)于LED與EEL還有如下優(yōu)點(diǎn)：

· 溫漂小

· 低門(mén)限電流(用TTL電平即可驅(qū)動(dòng),放大器設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)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(jí)別)

表2 三種光源參數(shù)對(duì)比

領(lǐng)先的光學(xué)半導(dǎo)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(dòng)，MATA-37344為一個(gè)28G的跨阻放大器。這個(gè)系列與前面的一個(gè)系列(MALD-37045/MATA-37044)兼容，由于可以省去外接CDR，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的成本功耗實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步降低。這個(gè)產(chǎn)品組合主要面向板級(jí)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(lǐng)域。

下圖是一個(gè)VCSEL用于數(shù)據(jù)中心短距離通信的示例，關(guān)鍵器件有VCSEL驅(qū)動(dòng)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(hào)的傳輸過(guò)程中由于不帶時(shí)鐘信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生相位偏移。CDR是用來(lái)補(bǔ)償光路中的相位偏移的。

圖6 典型的時(shí)鐘恢復(fù)電路

TIA是用來(lái)補(bǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，用于接收光電二極管從光纖感應(yīng)的弱電流并且進(jìn)行一定強(qiáng)度低噪聲放大。其工作原理是：PIN的光敏面受探測(cè)光照射時(shí)，由于PN結(jié)處于反向偏置，光生載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流;光電流通過(guò)跨阻放大器放大輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)而將電信號(hào)初步放大的功能。在光互聯(lián)系統(tǒng)中，OSNR(信號(hào)和噪聲的比值)是衡量整個(gè)系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)之一。TIA能將電信號(hào)進(jìn)行一定強(qiáng)度的低噪放大。信號(hào)在經(jīng)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)進(jìn)行放大處理時(shí)，TIA能有效地抑制噪聲信號(hào)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(gè)高帶寬Mach-Zehnder調(diào)制器，與四個(gè)CWDM O band激光器和一個(gè)CWDM多路復(fù)用器集成在一起，每個(gè)信道支持高達(dá)28 Gb/s。L-PIC工作在標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖上，MACOM也提供集成了CDR的MASC-37053A調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器，與L-PIC匹配合作實(shí)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。