應對800G以太網挑戰：數據中心遷移

在過去幾年中，雲基礎設施和服務的大規模使用推動了對更多帶寬、更快速度和更低延遲性能的需求。交換機和服務器技術的改進要求布線和架構隨之調整。因此，800G以太網對數據中心遷移的需求，特別是對速率（包括帶寬、光纖密度和通道速度）的需求急劇增加。

擁抱400G/800G以太網變革

應用方面，交換機端口的分線應用技術正受到積極推廣；通常，400G和800G的高速網絡連接常被拆分為4×100G或8×100G。容量方面，目前支持64×400G端口，帶寬為25Tb/s，博通的Tomahawk 4交換芯片未來有可能支持32×800G端口。在物理層，2017年IEEE 802.3bs標準的批准為200G和400G以太網的發展鋪平了道路。因此，400G的應用迅速增加。可以想象，800G以太網的應用預計會在不久的將來以更快的速度實現擴展。為了改高每比特的功耗和成本，業界正在合作推出800G數據中心，並開始向1.6T及更高速率邁進。

800G以太網網絡遷移的關鍵要素

1. 增加交換機端口密度

隨着技術的進步和市場需求的變化，SERDES（串行器/解串器）和ASIC（專用集成電路）的設計和製造技術不斷進步。SERDES技術具有將並行數據轉換為串行信號的功能，在相對較少的物理引腳和電路資源的基礎上實現高速數據傳輸。這使得交換機能夠以有限的硬件資源支持更多端口。此外，作為專門設計的專用集成電路，ASIC可以提供高度集成的硬件解決方案。通過使用ASIC，交換機可以在單個芯片上集成多個端口或接口，從而減少物理空間佔用，提高交換機端口密度。

因此，相應減少了400/800G網絡所需的交換機總數，這進一步增加了對新光模組和結構化布線的需求。

2. 光模組技術

新一代光模組封裝

CFP封裝最早由CFP MSA協會發布，應用於早期100G光模組。隨着芯片技術的發展，MSA還推出了CFP2、CFP4和CFP8標準。CFP8封裝於2017年推出，應用於早期的400G光模組，可支持16路25G NRZ信號進行400G傳輸。後來逐漸被尺寸更小的QSFP-DD（雙密度四通道）小型可插拔格式和OSFP封裝所取代。OSFP封裝支持八組高速電光模組通道，可提供高達400Gbps(8x50G PAM-4)的連接接口。現在QSFP-DD和OSFP已經成為大多數廠商的首選封裝技術。

總體而言，隨着光模組封裝技術的升級，光模組功耗越來越低，體積越來越小，這對400G/800G數據中心遷移具有重要意義。如果您想了解各種光模組封裝的更多信息，請查看800G光模組概述：QSFP-DD和OSFP封裝。

更高速的調製方案

長期以來，1G、10G和25G光模組一直採用不歸零（NRZ）調製技術。與NRZ不同，PAM4使用四個信號電平，每個符號周期可以代表兩個比特。在相同波特率下，PAM4的吞吐量是NRZ的兩倍，有效減少了傳輸通道的損耗，提高了帶寬利用率。

在400G/800G數據中心中，NRZ調製方案需要大量光纖。此外，光模組芯片的時間裕度、傳輸鏈路損耗和尺寸也無法滿足400G/800G以太網的要求。隨着大數據和雲計算的發展，PAM4作為目前最高效的調製技術，已成為400G高速端口發展的必然趨勢。目前，4*100G PAM4和8*50G PMA4的400G接口標準已由IEEE工作組正式提出，並應用於200G/400G/800G光模組。在不久的將來，PAM4將以其自身的優勢（如高性能等）成為高速以太網信號調製的主流方式。隨着以太網的遷移，信號調製技術將繼續向更複雜的方向發展和創新。

有關調製技術的更多詳細信息，請查看此文章：400G以太網中的PAM4是什麼？與NRZ有什麼區別？

3. 連接器選項

MPO和雙工連接器廣泛用於400G和800G光模組。MPO連接器通常用於多模光纖傳輸——該連接器具有高密度設計，允許同時連接多根光纖。MPO方案中，400G以太網通常通過8根光纖傳輸，每根光纖的速率為50Gbps；通過16根光纖的800G以太網，每根光纖的速率為50Gbps。

雙工連接器一般用於單模光纖傳輸，每個連接器連接兩根光纖。為了增加通道數和通道速率，佔地面積更小的雙工連接器可以為高速模塊提供更靈活的分線選項。400G連接方案使用四個雙工連接器；800G則使用八個雙工連接器。通過使用雙工連接器，單模光纖可以實現高帶寬和長距離傳輸。同時，單模光纖具有良好的隔離能力，提高了信號的傳輸質量。

總之，MPO連接器和雙工連接器在400G/800G以太網的高速、帶寬傳輸中都發揮着重要作用。目前，這兩類連接器的選擇已經不再單一由速率決定的，而是受到更多因素的影響，例如支持的數據通道數、佔用的空間以及光模組和交換機的價格等。此外，為了適應不同場景的需求，光模組連接器的選擇也呈現出越來越多元化的趨勢。未來，還將為更大的800G數據中心生產更多定製化的光模組連接器設計。組織也將提出新的標準來滿足800G以太網帶來的市場需求。

4. 布線技術的進步

為應對800G以太網遷移變革的挑戰，光纖布線在以下幾個方面帶來了機遇：OM5光纖類型；波分復用（WDM）；超低損耗（ULL）元件；減少服務器葉交換機（TOR）的數量；更高光纖數的布線；單模光纖和多模光纖應用的正確組合。

• OM5光纖：與前代產品相比，OM5光纖有兩大優勢——衰減（3dB/km）低於OM3和OM4（3.5dB/km）；將有效模式帶寬（EMB）規格從850nm擴展至953nm，更有利於SWDM技術的應用。

• WDM：目前數據中心主要採用兩種WDM技術：粗波分復用（CWDM）和密集波分復用（DWDM）。它們可以提供更多的波長並擴大每根光纖的容量，適合更長距離的應用並節省成本。

• ULL：該技術包括低損耗連接器、插座、光纖和分路器等高質量組件。採用ULL組件，光模組具有更低的插入損耗和回波損耗，可以提供更穩定和高質量的信號傳輸。

如何實現800G以太網遷移

1. 設計更高速的基礎設施

為了重新設計800G以太網的數據中心，我們需要考慮上一部分中提到的要點。

• 交換機端口密度：增加每個交換機的端口密度或分層交換機框架以減少交換機結構層的數量。

• 光模組技術：QSFP-DD和OSFP封裝（向後兼容QSFP+和QSFP28）。

• 光纖布線：新的布線設計，如200µm和可捲曲帶狀光纖，可最大限度地減少佔地面積，或葉脊架構，可優化服務器到服務器通信的直接路徑。

2. 現有基礎設施的安排

• 光纖芯：使用現有的8/12/24光纖子單元幹線，同時在新的高速基礎設施中採用基於16光纖的設計。

• 儀器測試和驗證：使用手持式測試設備測試通道性能（包括IL和RL）。

800G以太網網絡遷移的挑戰與前景

邁向以太網800G

隨着科技的進步，調製格式和光纖傳輸系統不斷升級，800G數據中心遷移逐漸提上日程。IEEE（電氣和電子工程師協會）制定了支持800G以太網的標準，例如IEEE 802.3ck和IEEEP 802.3cn。此外，多源協議（MSA）相繼提出了800G Pluggable MSA、100G Lambda MSA、QSFP-DD800 MSA等。這些標準推動了800G以太網的實施和應用。

追求高速以太網

儘管800G以太網遷移仍處於相對早期階段，但市場需求推動了1.6T和3.2T的探索。目前，更高速的以太網仍缺乏鏈路容量、標準等技術支持，面臨諸多挑戰。然而，共封裝光學(CPO)和OSFP-XD MSA提議的16通道數為更高以太網提供了機會。

結論

隨着技術不斷發展和商業需求的推動，預計在未來幾年內，800G以太網將進入商用階段。未來高速以太網的技術創新和改進將不斷提高其性能和應用範圍，為人們帶來更多便利和機會。