400G数据中心光纤网络架构总体成本分析

  基于光纤传输的基础架构的总体拥有成本分析

  现存的IEEE标准以及MSA所定义的400G传输方案，在传输介质、传输距离以及封装形式上具有很大的差异，除了400G-CR4铜缆方案通常只能用于柜内传输，其余的光模块方案均可在一定距离范围内支持数据中心各层级交换机-服务器、交换机-交换机之间的连接。

  400G传输方案在150m内同时可选多模或单模传输方案，超过500m距离的传输，只能选择单模传输方案。由于每个数据中心的架构、平均通道长度以及长度分布的不同，对光模块的选择也不能一概而论。因此，本文试图采用一种基于成本分析的方法来提出一种数据中心光模块选择的思路。

  01 成本分析法

  光收发器方面：

  根据市场调研和各种收发器制造商提供的信息，同时参考了100G收发器的大致成本水平。根据推断，当400G收发器达到市场成熟度时，其成本将比现在的100G收发器高出300%。400G收发器的定价可能随市场容量及工艺水平的成熟而变化，故在本文中的推论仅做参考。

  我们先推断多模收发器与单模收发器的价格差异的大概如下表：

  表中价格排序星数越少，表示相对价格越便宜。

  因此，当距离允许的情况下，仅考虑收发器的价格，用户当然会优先选择多模收发器。同时， 400G-DR4的收发器成本会优于400G-FR8或400G-FR4。

  布线通道方面：

  接着我们来评估布线通道成本。我们考量依据基于结构化布线，结构化布线支持100G到400G升级的方式参考之前的400G网络布线链路设计原则，直连方式不在讨论范围内。结构化布线基础设施有三个组件：跳线、预端接光缆、适配器面板/或MPO/MTP-LC模块，和配线架。针对每一种400G传输的PMD，对应的连接器类型和光纤选型、光纤芯数均不同，因此相对的布线成本也会有较大差异。下图显示了基于两连接点和四连接点的结构化布线基础架构的典型配置。跳线和预端接主干光缆的数量，我们使用基于结构化布线分段的简单数学，如下图所示：

  假设N是中继分段数，那么跳线数= N + 1;适配器面板数量= 2N;主干光缆数量= N.

  通常在结构化布线基础设施中，光纤配线架拥有特定的端口密度设计。在计算中，读者应考虑每机架单元(1U)的光纤连接器密度，通常为24端口、48端口，和72端口，并计算了布线通道的总成本(包括结构化布线的所有组件)，然后折算成每端口成本。

  以单模CWDM与PSM4为例，下图显示了针对不同数量的“中继分段”和“端口密度”的结构化布线的相对成本，这表明与双工LC基础设施相比，基于MPO/MTP的基础架构与其相关的成本增加较多。与基于2芯光纤的双工LC基础设施相比，基于MPO/MTP的PSM4基础设施的较高成本显然来自于光纤芯数的4倍增长。随着中继分段的数量增加，连接器的数量也增加，这进一步增加了成本差异。下图中所示的数据表示看出每个端口的通道成本不随端口密度而变化，而是随着中继段的数量而变化。

  总体拥有成本：

  在前面的内容里已经讨论了CWDM4与PSM4的收发器和光缆/连接器件方面的相对成本差异。在这一节中，我们将讨论包含光收发器和结构化布线基础设施连接的通道的总成本。

  我们需要考虑两种不同的构建方案的总体成本：

  1、全新部署的通道的总成本，并比较100G和400G的Gbps成本

  2、从100G升级到400G时的总成本

  对于全新部署的场景，上图(a)分别表示了基于CWDM4和PSM4架构的100G通道的相对总体拥有成本。结果表明，在应用于100G传输时CWDM4是构建100G通道的经济高效的解决方案，而100G-PSM4通道可能比CWDM4通道成本高出约30-40%。如果CWDM4通道的成本基数为1，则PSM4通道的成本约为1.36。另一点值得注意的是，对于基于CWDM4的通道，80%的成本为光收发器，20%为布线基础设施，而PSM4通道，收发器成本占60%，布线基础设施占40%。当用户考虑在原有的布线基础设施上做升级时，此成本分配分析可能会有所帮助。

  在比较两个400G选项时，我们得出了不同的结论。在400G的情况下，采用PSM4架构的光通道可能比采用CWDM便宜。这主要是由于收发器成本与100G相比增加了3倍。在400G情况下，CWDM4收发器占了近90%的总体成本，而基于PSM4的收发器占60%的总体成本。如果数据中心基础设施仅针对特定速度构建，那么对于100G，CWDM4是经济高效的选择，而400G则是PSM4更有性价比。

  100G到400G的升级方案有两种可能性的选择

  2.a 布线基础设施保持不变。

  2.b布线架构改变，即100G布线架构与400G布线架构在光纤数量、连接器类型上有变化。

  在2.a情况下，从100G升级到400G的成本差异仅来自于收发器，因为不需要新的光缆布线/连接器件(如果现有的100G布线基础设施满足400G的插入损耗预算和回波损耗限要求)。在2.b情况下，100G往400G迁移基于整体架构的变化，光缆布线和连接器件的额外成本可能会比新增的收发器的成本更多。例如，当用户考虑从CWDM4到PSM4的迁移时，由于PSM4架构的光纤数量的增加而导致额外的光缆布线/连接器件成本;而在从PSM4到CWDM4的情况下，需要把MPO/MTP连接器转换为双工LC连接器。

  考虑到所有这些并根据各种可能的设计方式，我们计算了100G和400G的总体拥有成本。如果100G-CWDM4通道成本基数为1，则迁移到400G -FR4将产生约1.4的额外成本，100G和400G物理连接的总成本将为2.4。如果将相同的100G-CWDM4布线更改为通过从双工LC更改为基于MPO/MTP接口来运行，则所需的额外成本为1.47，比使用双工LC多出约5%。从双工LC切换到基于MPO/MTP的布线基础设施时，光纤数量增加了4倍，但基于PSM4的光收发器的低成本将抵消总成本。

  在第二种情况下，我们假设初始基础设施基于100G-PSM4并迁移到400G-DR4(PSM4)。在这种情况下，产生的额外成本(与100G-CWDM4链接的参考成本基数1相比)为0.68。从100G的PSM4迁移到400G-FR4(CWDM4)架构时，额外成本为1.64。对于这种特定的结构化布线设计，根据表和表中列出的合理假设，总成本分析表明选择基于PSM4的收发器和基于MPO/MTP的结构化布线基础设施对于未来的应用最具备成本效益。

  2、对各类布线架构成本的推论

  以上情况针对100G到400G单模的升级，相对容易比较出两种方案的差异性。目前的数据中心400G连接通常位于Spine-Leaf以及Spine-Core层级，在通道较长的情况下，我们将采用单模模块，而未来的数据中心的ToR-Leaf连接，400G多模方案与单模方案都将承担一定的份额，因此，我们还得考虑多模光收发器及布线对成本的影响。

  当比较多模方案，如400G-SR8与400G-SR4.2或400G-DR4方案时，我们可以采用同样的方法进行比较。现行的数据中心建设，用户普遍接受MPO/MTP作为多模通道的接口，采用MPO/MTP-LC盒子将MPO/MTP端口转换成LC双工端口(具体的升级路径请参考第四章相关内容)。

  我们将不同布线等级、不同连接器的大致成本排列情况汇总如下：

  从连接器类型看单模与多模的成本差异：

  从光缆种类看单模与多模的成本差异：

  400G-SR8将采用MPO/MTP-16或MPO/MTP-24连接器，采用16芯光纤传输;而400G-SR4.2依然保持MPO/MTP-12的连接器，采用8芯光纤传输。从以上大概价格排序进行通道的排列组合时，我们发现布线通道的成本与长度有直接联系，与连接器类型也有直接联系，比如，虽然400G-SR8的成本比400G-SR4.2要低，但是采用这种方案时， MPO/MTP-16连接器的成本比MPO/MTP-12连接器的成本高出不少，对于连接点较多的通道(如四/六连接点通道)，MPO/MTP-16连接器的成本与MPO/MTP-12连接器的成本相差不小。

  如果从光缆成本的角度出发，400G-SR4.2方案在平均长度超过100m的情况下将要用到OM5光缆，OM5光缆比OM3/OM4光缆的成本要高，光缆与连接器的整体成本，在到达长度拐点后，会有不同的结论，再将单模MPO/MTP连接器加入考虑时，情况会更复杂。

  由此可知，仅考虑建设成本时，我们可以通过以上成本分析法的原则，将400G通道的整体成本分析应同时考虑收发器的成本和综合布线光缆及收发器成本。本文所引用的成本相对性仅是对市场的一种推断，不同器件的成本随市场的成熟度可能会有较大变化，当进行实际分析时，用户应自行进行判断。

  摘自：数据中心400G网络布线技术白皮书