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数据中心三大变革:传输速度、 连接链路、数据存储

发布时间:2019-06-07 04:34 来源:未知 编辑:admin

  在爱荷华州小镇阿尔图纳,有一个Facebook的数据中心。相比其它数据中心,这个数据中心的内部结构有些不一样。它没有采用典型的分级汇聚的层次型网络结构,而采用了“Data Center Fabric”这种全新架构,放弃了传统的分层结构以及昂贵的网络设备,而是在整个网络全面部署标准化的架顶交换机,利用一种全新的连接方式极大地改进数据中心的通信效率。与此同时,Facebook将架顶交换机的上行链路全面提升到了40G。

  大数据、云计算、视频流媒体服务和移动带宽网络连接等,数据密集型应用等,让数据中心规模的扩大已经难以遏制,数据中心之间、数据中心内部、服务器/存储内部的流量和容量需求是一个庞大到令人恐怖的数字。不仅是互联网巨头,也是其它企业级数据中心都面临的挑战。

  凭借在全球无线通信,有线基础设施,企业级存储等市场的多年领先优势,Avago可以从以下三大方面,与数据中心运营者共同应对变革中的挑战,让数据中心实现更快传输速度、扩展数据链路、高密集型连接,以及更大存储容量。

  不断涌入的数据流量促使互联网巨头重新审视数据中心内数据传输速度的升级。在庞大的建筑物内,数据中心内部的流量是一个庞大的数字,其规模往往是数据中心流出流量的上千倍,越来越多的数据中心正在经历数据传输速度的改变。

  在现代数据中心,采用更高速的以太网上行链路已经是主流,主机(服务器)连接已经从1G网络过渡到10G网络,并在朝着25G网络继续演进;交换机之间的连接则从10G向着40G乃至100G演进,就像上述Facebook的数据中心所建设的那样,每台10G带宽的架顶交换机分别以一条40G的上行链路与光纤交换机互联,向下则接入底层的服务器。

  这些转变给芯片、封装、光学元件、模块和系统等不同的电子和光学设计层面带来了巨大的技术挑战,特别是在客户对光纤收发器、连接器的低成本、易维护性等方面的要求越来越苛刻的情况下。

  凭借在光纤市场良好的质量声誉、成熟的工艺保证以及良好的客户服务,以及垂直整合激光和集成电路功能以确保产品最优异的性能和稳定性,Avago公司在光纤产品领域针对1G、10G、25G、40G、100G提供了多样化光纤收发器以及收发器和接收模块解决方案的综合产品组合。

  同时,Avago公司提供独特的 SerDes ASIC 解决方案,可解决在 10G、25G、28G、50G 及以上的网络背板和中板应用中的芯片之间、芯片与模块之间接口的难题。

  值得一提的是,Avago公司的40G-SR-BiDi MMF全双工光纤解决方案,允许数据中心能够通过使用现有的全双工多模光纤基础架构无缝地从10G升级到40G,而不需要额外支付建设新的基础设施的成本。此外,专为100G短程数据中心互联设计的QSFP28 SR4是业内第一款100G QSFP SR4 器件,在使用QSFP 模块时可实现从 40G 到100G 的无缝转型。

  交换机和服务器以太网上行链接的速度提升只是数据中心传输速度变革的一部分,渗透到每个数据中心机柜中去,服务器/存储的连接也正在发生翻倍的提升,原有的6Gb/s速率正在飞速被12Gb/s的SAS连接所替换。

  这一替换是全方位的,从I/O控制器(IOC)、片上RAID(RoC)、SAS扩展器(SAS Expander),到主机总线适配器(HBA)、RAID控制器卡,服务器/存储的SAS连接以端到端的方式在进行12Gb/s化的进程,以2013年对LSI公司的收购为基础,Avago公司的SAS系列产品拥有无可比拟的IOPS性能、绝佳的可靠性并可无缝扩展,特别是在RAID控制器卡领域,MegaRAID绝对是市场上最为响亮的品牌。

  在SAS走出服务器/存储系统外部之后,PCIe也开始了“走出来”的趋势。在大容量的NVMe存储以及机架扩展架构(Rack Scale Fabrics)领域,得益于英特尔将PCIe控制器整合到至强处理器中以及闪存技术在数据中心的广泛使用,PCIe来到机箱外的势头正引来越来越多供应商的关注。

  在数据中心传输速度变革同时,数据中心也变得更大了。直到2011年,Facebook才决定修建自有数据中心,第一个Facebook数据中心位于美国俄勒冈州的普林维尔数据中心,这一数据中心当时肩负起社交网络巨头全部大约3万台服务器的承载量,其占地面积就已经有13万平米,建筑面积80.9万平米,相当于113个足球场的大小。

  如今,Facebook据信已经拥有超过20万台服务器,服务器“疯涨”的代价是新建的数据中心越来越大,且旧有数据中心扩建的计划也被提上议事日程,Facebook况且如此,可想而知拥有上百万台服务器的网络巨头Google的数据中心的规模又会是多么庞大。

  这样的情况即便是IEEE(电气和电子工程师协会)也没有预料到,以IEEE所规定的QSFP+(SR4)规格(Form Factor)40G网络连接为例,其所规定的最大链路距离只有150米,这对于许多数据中心来说,很可能只是所需链路长度的一半随着数据中心规模的不断扩展,ToR 交换机与核心交换机之间有许多长距离光纤链路特别是在超大型 40G/100G 分支与主干式网络中,需要的许多光纤链路都超出了 IEEE 规定的最大链路距离。

  为了解决距离上的限制,Avago公司提供众多高度差异化的并行光纤收发器模块解决方案,可将数据链路延长至行业标准以上,使数据中心运营商能够保持其现有的有线基础设施并且节省数据中心升级所需的额外资本支出。

  比如Avago所提供的4x10G和(QSFP+,eSR4;IEEE只规定了10G SFP+,SR)和40GQSFP+(SR4)的最大链路距离都能够达到400米,通过与生态环境中的合作伙伴紧密合作,Avago还能够将这一距离双双提高到550米。

  此外,高速网络背板或交换机、高级 SerDes ASIC 中需要在电路板级确保长距离铜线背板或电缆连接中的信号完整性。针对这一需求,Avago公司提供独特的 SerDes ASIC 解决方案,可在长距离下实现芯片之间、芯片与模块之间的互联。

  Avago公司所拥有的SerDes 核心不仅是业内连接距离最长的,而且可以承受高达 35dB 的通道损耗(比如说,结合延长距离的传输功能以及无可比拟的低功耗优势,Avago的 32G NRZ 和 56G PAM4 SerDes核心可提高系统的链路余量,同时又降低了客户的总体拥有成本)。

  高密度是现代数据中心的另一大特点,英特尔推动的机架级架构(Rack Scale Architecture,RSA)、Facebook推行的OCP(开放计算项目)以及中国供应商和互联网用户共同创立的天蝎2.0整机柜服务器技术规范,都是以机架扩展架构(RackScaleArchitecture)为目标的,核心的诉求都是更进一步的提高数据中心的密度。

  在机架级解决方案中,其设计思路都是通过实现设备之间高密集型的连接不论是从存储器到服务器、从服务器到 ToR 交换机,抑或是从ToR 交换机到核心交换机最大限度地减少所需的设备并提高系统的效率。

  在这一领域,Avago 为高密集型光学、芯片级和电路板级连接提供了众多解决方案,借助高密度设计的组件、微型化的引脚、先进的ASIC工艺让数据中心构建者和 IT 部门节省成本支出,实现大规模连接最大化以及效率最大化。

  比如,Avago提供的Express Lane PEX8796 产品,使用户能够通过可扩展的高带宽非阻塞互联将多个主机连接至大量终端;MicroPOD 和 MiniPOD 嵌入式模块为电路板级和系统级互连提供无与伦比的通道密度、带宽和设计灵活性。

  不可忽略的是,Avago公司在ASIC的领域拥有超过30年设计经验,这不仅帮助这家公司能够提供例如“配有超过 400 个高速 SerDes 通道的深亚微米ASIC”这样先进复杂的领导性产品,还为这家公司从16FF+(标准 16nm FinFET的增强版本)逐步顺利过渡到10nm制程工艺提供了可靠的保障,这是进一步提高密度的绝对基础。

  在存储方面,Avago公司的16 端口 12Gb/s SAS 93xx HBA是当前密度领先的SAS HBA产品,它配有高密集型存储端口,最大限度地提高服务器存储连接,使数据中心的构建者和 IT 部门能够部署更少的服务器,并充分发挥服务器的处理性能。

  数据中心传输速度的变革来自于数据中心流量的激增,数据中心流量的激增的根本则是数据中心数据量膨胀,受到数据中心数据量膨胀影响最大的,自然是数据中心的存储。

  仅从数据存储量爆炸式增长的角度来说,数据中心需要更大的存储容量,作为存储系统“最细颗粒度”的硬盘(HDD)自然是“春江水暖鸭先知”,基于阵列读取器的磁记录(ARMR - Array Reader Magnetic Recording)等新型 HDD 记录技术应运而生,可增加HDD 中的记录容量以满足人们对存储日益增长的需求。

  与其他磁性记录技术相比,ARMR 的面密度增加了 25%,实现了 HDD 存储容量的巨大增长,将企业存储作为发展核心之一的Avago公司,利用独特的模拟技术、12Gb/s SAS、6Gb/s SATA SerDes 以及 DDR 存储输入/输出技术,为下一代基于 ARMR 的 HDD 提供了多种高级 HDD 前置放大器和读取通道 SoC 的产品组合,以满足市场对高容量、高性能存储的需求。

  在HDD的“另一面”,是全新的非易失性存储介质,目前常见的就是SSD(固态盘),而Avago公司也是业内数据中心 SSD SoC 的领军企业。

  在SSD领域,原有的6Gb/s SATA SSD已经不能满足NAND FLASH芯片释放性能的需求,在这一背景下,Avago定制的SSD SoC基于特定的SSD IP和闪存控制器系统设计,帮助业界的合作伙伴向着多通道 8Gb/s PCIe 和 12Gb/s SASSSD转型,从而在I/O层面充分“解锁”非易失性的介质的性能。

  但需要指出的是,之所以存储是数据中心变革的核心,并呈现越来越活跃的状态,并不仅仅因为HDD或SSD等介质层面的变化,而是在数据中心运营者对存储平台的融合、统一的需求之下,结合软件定义存储、机架级解决方案以及FLASH/NVMe技术等多重因素,从而产生的在应用型态和架构设计上的变化。

  比如,许多规模化数据中心(特别是互联网和大型企业)的运营者正在寻找比传统SAN的成本和复杂性更低的解决方案,在满足可用性、可靠性、共享池化以及存储容量的需求之外,简化数据中心的存储及存储网络架构,特别是在分布式的环境中,提供可靠的存储资源。

  2012年起,Avago的Syncro高可用共享存储解决方案(Syncro High-Availability Shared Storage Solutions)就得到了市场的广泛关注,这一方面为规模化数据中心、中小型企业、远程数据中心等机构,提供了一种与SAN存储同样可靠和高性能,但成本更低、管理更简单的共享式DAS(直连存储)方式。

  仅需要两张Avago MegaRAID控制卡,就可以构建高可用的、共享式存储方案,保证企业在虚拟化和传统商业业务环境下的存储资源供给,就在前不久,Avago将这一解决方案升级到了全新的12Gb/s版本,Syncro 9380-8e和Syncro 9380-8i两个交付模型都能够提供两倍于前一代解决方案的性能表现。

  Avago认为,更加快速、简单、高效率的统一存储资源架构方式,一定会是未来数据中心的趋势,这不仅涉及到统一存储适配器(HBA、SDS HBS、RAID及SATA、SAS、NVMe多功能、多协议的整合),也将会引导市场朝着统一存储托架(Universal Storage Bay)的架构方向发展:这一架构将有效利用PCIe及NVMe技术,以PCIe Switch和Tri-Mode Roc为连接,基于SFF-8639(或SFF-8680)接口,实现面向下一代数据中心的高效(闪存)存储架构。

  作为一家拥有超过50年历史的IT企业,Avago公司持续不断的在数据中心领域保持着积极、前沿的创新步伐,仅在数据中心领域,其技术及产品业务就涉及定制化ASIC、PCIe交换机、存储连接(及RAID)、HDD/SSD SoC以及光纤等领域,并在诸多领域处于市场的领先地位。

  在过去的几年,数据中心的架构发生了重大的变化,以互联网数据中心、机架级解决方案、软件定义数据中心等为代表的趋势,正在深刻的影响数据中心的设计以及应用架构。在此期间,Avago通过优秀的技术研发和行业收购,为这些趋势不断的积蓄力量、优化自身,并保持了数据中心产品解决方案领导者的行业地位。

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