Mezclando cobre y fibra

Apr 27, 2023

Los cables de cobre y fibra están evolucionando para satisfacer las necesidades de los centros de datos, pero ambos tendrán un lugar en el futuro de las redes

No pasa una semana sin que se abra un nuevo centro de datos en algún lugar, o sin que un gran proveedor de alojamiento amplíe sus instalaciones existentes. Investigaciones recientes de iXConsulting respaldan esa tendencia. Su 14.ª Encuesta de centros de datos encuestó a empresas que controlan alrededor de 25 millones de pies cuadrados de espacio de centros de datos en Europa, incluidos propietarios, operadores, desarrolladores, inversores, consultores, especialistas en diseño y construcción, grandes corporaciones, empresas de telecomunicaciones, integradores de sistemas, empresas de colocación y servicios en la nube. proveedores

Todos expresaron el deseo y la intención de desarrollar su espacio de centro de datos actual, tanto internamente como a través de terceros, y el 60 % dijo que aumentaría la capacidad interna en 2017 y el 38 % en 2018. Más de un tercio (35 %) dijo que expandiría su capacidad de alojamiento de terceros para 2019.

Más que cualquier otra parte del mercado, son los proveedores de servicios en la nube a hiperescala los que parecen estar impulsando actualmente esa expansión. Canalys sugiere que los cuatro grandes jugadores de la nube por sí solos (Amazon Web Services (AWS), Google, IBM y Microsoft) representaron el 55 por ciento del mercado de servicios de infraestructura en la nube (incluidos IaaS y PaaS) por valor en el segundo trimestre de 2017, en total con un valor de US$14.000mn y un crecimiento del 47 % año tras año.

Independientemente del tamaño de las instalaciones de alojamiento que se posean y se mantengan, el crecimiento incesante del volumen de datos y las cargas de trabajo virtualizadas que se almacenan, procesan y transmiten a medida que esos centros de datos se expanden ejercerán una presión significativa sobre la infraestructura del centro de datos subyacente. Y eso es especialmente cierto para las redes internas y los sistemas de cableado subyacentes que enfrentan una grave falta de ancho de banda y capacidad para una expansión futura con la tecnología y los enfoques arquitectónicos actuales.

En cada centro de datos individual, la elección del cableado dependerá de varios factores diferentes más allá de la capacidad, incluida la compatibilidad con el cableado existente, las distancias de transmisión, las restricciones de espacio y el presupuesto.

El cableado de cobre de par trenzado sin blindaje (UTP) y blindado (STP) se ha implementado ampliamente en los centros de datos durante los últimos 40 años, y muchos propietarios y operadores seguirán reacios a desechar por completo las inversiones existentes.

Además de ser más barato de comprar, el cableado de cobre tiene costos de implementación relativamente bajos porque no hay necesidad de comprar hardware adicional, y los ingenieros pueden terminarlo rápida y fácilmente en el sitio.

La fibra necesita transceptores adicionales para conectarse a los conmutadores y también requiere una terminación especializada. Por el contrario, los cables de cobre utilizan las mismas interfaces RJ-45, compatibles con versiones anteriores de cableado de cobre, lo que simplifica la instalación y la migración gradual durante un período de tiempo más prolongado. Los estándares para el cableado de cobre han evolucionado para asegurar esta continuidad (ver cuadro: los estándares de cobre evolucionan).

Es probable que las redes de centros de datos que actualmente dependen de una combinación de conexiones de 1 Gbps y/o 10 Gbps en el servidor, el conmutador y las capas superiores o de rack consideren 25/40 Gbps como la próxima actualización lógica. Pero para evitar cuellos de botella en la capa de agregación y de red troncal, también deberán considerar el mejor enfoque para aumentar la capacidad en otros lugares, y en particular en distancias más largas para las que los cables de cobre (incluso Cat8) no están bien equipados.

Muchos operadores de centros de datos y empresas de alojamiento tienen planes para implementar redes capaces de admitir velocidades de datos de 100 Gbps y más en las capas de agregación y núcleo, por ejemplo.

Esa capacidad tendrá que hacer frente a los requisitos de transmisión de datos internos creados por cientos de miles o millones de máquinas virtuales, que se espera que se ejecuten en servidores de centros de datos en 2018/2019, y la mayoría busca activamente soluciones que sentarán las bases para la migración a 400 Gbps. en el futuro.

Cuando se requiere ese tipo de ancho de banda en tramos de cable más largos, la única opción realista es la fibra, ya sea fibra multimodo (MMF) o fibra monomodo (SMF). MMF es más barato y permite anchos de banda más bajos y recorridos de cable más cortos. Se implementó por primera vez en redes de telecomunicaciones a principios de la década de 1980 y avanzó rápidamente a redes empresariales de área amplia y local (LAN/WAN), redes de área de almacenamiento (SAN) y enlaces troncales dentro de granjas de servidores y centros de datos que requerían más capacidad que el cableado de cobre. podría apoyar.

Mientras tanto, las redes de telecomunicaciones pasaron a fibra monomodo, que es más costosa y permite un mayor rendimiento y distancias más largas. La mayor parte de la fibra en edificios sigue siendo multimodo, y la industria de redes ha creado una serie de desarrollos en los estándares de fibra para maximizar la capacidad de datos de esas instalaciones (consulte el cuadro: hacer que multimodo haga más).

Sin embargo, a medida que los centros de datos continúan expandiéndose, las limitaciones de distancia de las especificaciones MMF actuales han resultado restrictivas para algunas empresas. Esto es particularmente cierto para los proveedores de servicios en la nube a hiperescala y aquellos que almacenan volúmenes masivos de datos como Facebook, Microsoft y Google, que han construido grandes instalaciones de campus que abarcan varios kilómetros. El gigante de las redes sociales Facebook, por ejemplo, ejecuta varios grandes centros de datos en todo el mundo, cada uno de los cuales vincula cientos de miles de servidores en una sola estructura virtual que abarca un sitio. Lo mismo es cierto para Microsoft, Google y otros proveedores de servicios en la nube para quienes los requisitos de tráfico de red de este a oeste (es decir, entre diferentes servidores en el mismo centro de datos) son particularmente altos.

Lo que estas empresas querían idealmente era fibra monomodo en una forma que fuera compatible con las necesidades y el presupuesto de los centros de datos: una especificación de cableado de fibra de 100 Gbps con una interfaz monomodo que fuera competitiva en cuanto a costos con las alternativas multimodo existentes, con un mínimo de fibra óptica pérdida de señal y soporta distancias de transmisión de entre 500m y 2km. Diferentes grupos de proveedores de redes crearon cuatro especificaciones posibles. Facebook respaldó la especificación 100G de CWDM4-MSA, que se envió al Open Compute Project (OCP) y se adoptó como parte de OCP en 2011.

Facebook cambió a modo único porque diseñó y construyó su propia estructura de centro de datos patentada y estaba enfrentando limitaciones significativas con las soluciones de cableado existentes. Sus ingenieros calcularon que para alcanzar los 100 m a 100 Gbps utilizando transceptores ópticos estándar y fibra multimodo, tendría que volver a cablear con OM4 MMF. Esto era factible dentro de centros de datos más pequeños, pero no brindaba flexibilidad para longitudes de enlace más largas en instalaciones más grandes, y no era una prueba de futuro: no había posibilidad de actualizaciones de ancho de banda más allá de 100 Gbps.

Si bien Facebook quería un cableado de fibra que durara la vida útil del propio centro de datos y admitiera múltiples ciclos de vida de tecnología de interconexión, los transceptores monomodo disponibles que admitían longitudes de enlace de más de 10 km eran excesivos. Proporcionaron un alcance innecesario y eran demasiado caros para sus propósitos.

Por lo tanto, Facebook modificó la especificación 100G-CWDM4 MSA según sus propias necesidades de alcance y rendimiento. También disminuyó el rango de temperatura, ya que el entorno del centro de datos está más controlado que los entornos al aire libre o subterráneos a los que se enfrenta la fibra de telecomunicaciones.

También estableció expectativas más adecuadas para la vida útil de los cables instalados al alcance de los ingenieros.

El OCP ahora tiene casi 200 miembros, incluidos Apple, Intel y Rackspace. Facebook también continúa trabajando con Equinix, Google, Microsoft y Verizon para alinear los esfuerzos en torno a un estándar de interconexión óptica que utiliza SMF dúplex, y ha lanzado la especificación CWDM4-OCP que se basa en el esfuerzo de CWDM4-MSA y está disponible para descargar desde OCP. sitio web.

La llegada de una mejor fibra multimodo (OM5 MMF) y la fibra monomodo de menor costo impulsada por Facebook podría cambiar el juego significativamente y provocar que algunos proveedores a gran escala opten exclusivamente por fibra en sus instalaciones de alojamiento, especialmente donde pueden usar su poder adquisitivo para reducir el costo de los transceptores.

En realidad, es probable que pocos centros de datos dependan exclusivamente del cableado de fibra o de cobre: ​​la solución óptima para la mayoría seguirá dependiendo inevitablemente de una combinación de ambos en diferentes partes de la infraestructura de la red en el futuro previsible.

El uso de convertidores de medios de fibra también agrega un grado de flexibilidad, interconectando diferentes formatos de cableado y extendiendo el alcance de los equipos Ethernet basados ​​en cobre a través de enlaces SMF/MMF que abarcan distancias mucho más largas.

Por lo tanto, si bien las actualizaciones futuras del estado actual de Cat6/7 incluirán cableado Cat8 compatible con velocidades de datos de 25/40 Gbps que manejarán los requisitos de mayor capacidad en las conexiones de corto alcance en el servidor, el conmutador y la parte superior del nivel del rack durante algunos años, los operadores del centro de datos pueden luego agregue ese tráfico a través de redes troncales de fibra MMF/SMF de capacidad mucho mayor para interconexión central y enlaces entre campus.

La mayoría de las instalaciones actualmente se basan en una combinación de cableado de cobre de Categoría 6 (Cat6) y Cat7 que admite un ancho de banda de 10 Gbps en 100 m y velocidades de datos más altas de hasta 40 Gbps en distancias mucho más cortas. Pero la evolución de esas especificaciones de cableado de cobre ahora es fundamental para cumplir con los requisitos no solo de los proveedores de servicios en la nube de hiperescala, sino también de las empresas más grandes y las empresas de telecomunicaciones con grandes ambiciones de expandir su uso o entrega de aplicaciones y servicios alojados en la nube privada o híbrida.

En 2016, el Comité de Ingeniería de Sistemas de Cableado de Telecomunicaciones TR-42 de la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones (TIA) aprobó la siguiente etapa en esa evolución: Cat8, compatible con 25/40GBase-T en tramos cortos de 5 a 30 m de cableado de par trenzado blindado con un RJ estándar -45 Interfaz Ethernet. Debido a su alcance relativamente corto, Cat8 está, por el momento, dirigido a cambiar a conexiones de servidor en topologías de la parte superior del bastidor o al final de la fila.

Definidos por sus diámetros de núcleo y revestimiento, los tipos de fibra multimodo están designados por IEC como OM1 a OM4. Cuando los requisitos de ancho de banda de OM1 superaron los 100 Mbps, su diámetro de 62,5 µm se redujo a 50 µm (OM2) para mejorar la capacidad a 1 Gbps e incluso a 10 Gbps en longitudes de enlace más cortas de 82 m.

Eso se impulsó nuevamente con OM3 (o fibra multimodo optimizada por láser - LOMMF) en la década de 1990. OM3 usó un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) en lugar de un equipo basado en LED para aumentar el alcance de OM2, que ahora admite velocidades de transmisión de 10 Gbps en 300 m.

Varias mejoras en OM3 aumentaron el ancho de banda y alcanzaron 40/100 Gbps en distancias de hasta 100 m, pero la llegada de OM4 (que usa el mismo diámetro de 50 µm y equipo VCSEL) extendió el ancho de banda de 10 Gbps a 550 m y permitió velocidades de datos de 100 Gbps en 150 m. Los cuatro tipos de cableado MMF todavía se encuentran en muchos de los centros de datos actuales, pero predominan los OM3/4 debido a su mayor ancho de banda, mayor alcance y compatibilidad con VCSEL.

Una quinta implementación, OM5, anteriormente conocida como MMF de banda ancha (WBMMF), utiliza multiplexación por división de onda corta (SWDM) y se publicó como estándar TIA-492AAAE en 2016. Utiliza el mismo diámetro de 50 µm y equipo VCSEL que OM3/4 y es totalmente compatible con versiones anteriores de sus predecesores, pero aumenta la capacidad de cada fibra en un factor de cuatro para admitir velocidades de datos mucho más altas, hasta 100 Gbps sobre conexiones de fibra dúplex y, en el futuro, 400 Gbps sobre las mismas interfaces MPO de 8 fibras.

Ha habido poca implementación de OM5 en los centros de datos hasta la fecha, en gran parte porque pocos fabricantes han producido transceptores apropiados en cualquier volumen. Los proveedores solo formaron el grupo SWDM MSA en marzo de 2017, mientras que Finisair anunció que comenzó a producir transceptores QSFP28 SWDM que admiten 100 Gbps en un solo par de fibras en noviembre siguiente. No hay duda de que OM5 se convertirá rápidamente en la implementación de MMF de facto para los nuevos centros de datos en 2018, mientras que los operadores también comenzarán a actualizar las instalaciones existentes con nuevo cableado y equipo de transmisión según sea necesario.

Reconociendo la brecha en la provisión y el tamaño potencial de la oportunidad de mercado, varios proveedores de cableado de red formaron acuerdos de múltiples fuentes (MSA) para colaborar en la entrega de fibra monomodo en una forma utilizable en los centros de datos. En los últimos años han surgido cuatro candidatos potenciales para una especificación adecuada.

La alianza 100G CLR4 encabezada por Intel y Arista Networks tenía como objetivo crear una solución 100G-CWDM de bajo consumo en factor de forma QSFP que admitiera un ancho de banda de 100 Gbps sobre SMF dúplex a distancias de hasta 2 km.

El OpenOptics 100 Gigabit Ethernet MSA fue fundado conjuntamente por Mellanox Technologies y la empresa emergente óptica Raniovus. Propuso una especificación de 100 GbE y un transceptor óptico QSFP28 de 1550 nm con un alcance de 2 km utilizando una combinación de SMF y fotónica de silicio para ofrecer una capacidad de 100 G/400 G y más basada en WDM. Los partidarios incluyen Ciena, Vertilas, MultiPhy y el proveedor de servicios en la nube Oracle.

El CWDM4-MSA también tiene como objetivo interfaces ópticas de 100 G para tendidos de cable de 2 km utilizando 4 carriles de SMF dúplex de 25 Gbps. Los cinco miembros fundadores fueron Avago Technologies, Finisar, Oclaro, JDSU y Sumitomo Electric, con miembros adicionales que incluyen a Brocade, Juniper Networks y Mitsubishi Electric. Aunque el consorcio no especificó una interfaz, se espera que se aplique el factor de forma QSFP28.

El MSA Parallel Single Mode 4-Lane (PSM4) definió una especificación con un alcance mínimo de 500 m que transmite 100 Gbps a través de ocho fibras monomodo (cuatro de transmisión y cuatro de recepción), cada una de las cuales transmite a 25 Gbps y admite transceptores ópticos QSFP28. Los miembros originales incluyeron a Avago, Brocade, Finisar JDSU, Juniper Networks, Luxtera, Microsoft, Oclaro y Panduit.

Este artículo apareció en la edición de diciembre/enero de DCD Magazine. Suscríbete a las ediciones digital e impresa aquí: