Khối lượng traffic kỹ thuật số đổ vào Trung tâm dữ liệu (TTDL) ngày càng tăng; trong khi đó, một thế hệ những ứng dụng mới đang được thúc đẩy bởi những công nghệ tiên tiến như nền tảng 5G, AI và sự giao tiếp giữa máy với máy, điều này đang đưa ra các yêu cầu về độ trễ cao và khắt khe hơn vào phạm vi 1/1000 giây. Những xu hướng này và những xu hướng khác đang được hội tụ trong cơ sở hạ tầng của TTDL, buộc các nhà quản lý mạng cần phải suy nghĩ lại về cách họ làm trước đây và thay đổi nó.
Theo truyền thống, hệ thống mạng có 4 cấp độ chính để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về yêu cầu độ trễ thấp hơn và lưu lượng truy cập tăng hơn.
- Giảm mất tín hiệu trong link
- Rút ngắn khoảng cách trong link
- Tăng tốc độ tín hiệu
- Tăng kích thước của đường truyền tải
Trong khi các TTDL đang sử dụng cả 4 phương pháp tiếp cận ở một mức độ nào đó, thì trọng tâm chính là cần tăng số lượng cáp quang. Trong lịch sử, hệ thống cáp mạng lõi chứa 24, 72, 144 hoặc 288 sợi quang. Ở các cấp độ này, TTDL có thể chạy các sợi quang rời rạc giữa phần cáp trục chính và các thiết bị chuyển mạch hoặc các thiết bị Servers, sau đó sử dụng các phụ kiện đấu nối cáp để cài đặt một cách hiệu quả. Ngày nay, cáp quang được triển khai nhiều gấp 20 lần số lượng core quang trên mỗi sợi cáp.
Số lượng sợi quang nhiều hơn kết hợp với cấu trúc cáp nhỏ gọn đặc biệt rất hữu ích khi kết nối các TTDL với nhau (Data Center Interconnection – DCI). Hệ thống cáp trunk kết nối giữa các TTDL lên tới hơn 3000 sợi quang là khá phổ biến để kết nối hai hệ thống TTDL lớn, và các nhà vận hành cũng cần có kế hoạch để tăng gấp đôi công suất thiết kế đó trong tương lai gần. Bên trong các TTDL, các khu vực cần đấu nối sẽ bao gồm phần cáp trục chính (Backbone Trunk Cable) kết nối giữa hai hệ thống Core Switch hoặc từ các phòng tiêu chuẩn tới hệ thống Switch trên các tủ Rack.
Cho dù cấu hình TTDL được gọi là các kết nối Point – to – Point (điểm tới điểm) hoặc Switch tới Switch, việc số lượng sợi cáp quang tăng lên cũng là một thách thức không nhỏ cho các TTDL về việc cung cấp băng thông lớn và dung lượng cao là cần thiết.
Số lượng cáp quang khổng lồ tạo ra hai thách thức lớn cho TTDL. Đầu tiên là làm thế nào để triển khai nó một cách nhanh và hiệu quả nhất, làm thế nào để đi cáp trong ống, làm thế nào để bạn lấy nó ra khỏi ống, làm thế nào để bạn chạy nó giữa các tuyến cáp qua các con đường? Sau khi cài đặt xong, thử thách thứ hai là làm thế nào để bạn có thể quản lý nó, làm thế nào để đấu nối nó tới hệ thống Switch và Server Rack?
Cáp quang dạng sợi ruy băng (ribbon fiber)
Sự phát triển của thiết kế sợi cáp quang là một đáp ứng liên tục cho nhu cầu về các đường truyền dữ liệu nhiều hơn và nhanh hơn. Khi những nhu cầu đó tăng lên, các cách thức mà sợi quang được thiết kế và đóng gói nó trong một sợi cáp cũng đã phát triển hơn, việc này cho phép các TTDL tăng số lượng sợi quang và không nhất thiết phải tăng số lượng sợi cáp, hay kích thước của sợi cáp. Cáp quang Ribbon có thể gộp nhiều sợi quang trong một dải giúp cải tiến hơn.
Cáp quang sợi Ribbon có thể cuộn được một phần dựa trên sự phát triển trước đó của cáp quang dạng ống lỏng ribbon. Nó dược giới thiệu vào giữa những năm 1990, chủ yếu sử dụng cho các mạng OSP, cáp Ribbon dạng ống trung tâm có các dải ruy băng lên tới 864 sợi quang trong một ống đệm trung tâm. Các sợi quang được nhóm lại và liên tục liên kết với nhau dọc theo chiều dài của sợi cáp giúp tăng độ cứng của nó. Mặc dù điều này ít bị ảnh hưởng khi triển khai cáp trong ứng dụng OSP trong TTDL, cáp cứng là không mong muốn vì nó hạn chế việc kéo và đi cáp.
Trong cáp quang Ribbon các sợi quang được gắn xen kẽ tạo thành một mạng lưới không chắc chắn. Thiết kế này làm cho dải băng linh hoạt hơn, cho phép các nhà sản xuất thiết kế lên tới 3.456 sợi quang trong một dải ruy băng 2 inch, mật độ cao gấp đôi so với sợi cáp quang được sản xuất theo cách thông thường. Cấu trúc này làm giảm bán kính uốn cong, làm cho các sợi quang này dễ dàng hoạt động hơn bên trong những không gian chật trội của các TTDL.
Bên trong sợi cáp, các sợi quang liên kết không liên tục đảm nhận các đặc tính vật lý của cáp quang lỏng lẻo dễ uốn cong, giúp quản lý trong không gian hẹp một cách dễ dàng. Ngoài ra, cáp quang sợi ruy băng có thể cuộn sử dụng thiết kế hoàn toàn không có Gel giúp giảm thời gian cần thiết để chuẩn bị hàn nối, do đó giúp giảm chi phí nhân công. Liên kết không liên tục giúp duy trì sự liên kết sợi cần thiết cho việc hàn nối theo dải ruy băng điển hình.
Giảm thiểu đường kính cáp
Trong nhiều thập kỷ qua, gần như tất cả các sợi cáp quang viễn thông đã có đường kính lớp phủ danh nghĩa là 250um. Với nhu cầu ngày càng tăng đối với các loại cáp có kích thước nhỏ hơn, điều này đã bắt đầu thay đổi. Nhiều thiết kế cáp đã đạt tới giới hạn thực tế để giảm đường kính của sợi cáp quang tiêu chuẩn. Nhưng một sợi cáp quang có kích thước nhỏ hơn và cho phép giảm thêm. Sợi cáp quang với lớp phủ 200 um hiện đang được sử dụng trong cáp quang Ribbon và cáp Micro-duct.
Điều quan trọng là phải nhấn mạnh rằng lớp đệm là phần duy nhất của sợi quang đã bị thay đổi. Sợi 200 um vẫn giữ lại đường kính lớp cladding là 125 um của một sợi cáp quang thông thường để duy trì việc tương thích các thành phần đấu nối. Khi lớp phủ đệm đã bị loại bỏ, quy trình hàn nối của sợi 200 um và 250 um là tương như nhau.
Chipset mới đang làm phức tạp thêm thách thức
Tất cả các máy chủ trong cùng hang được cung cấp để hỗ trợ tốc dộ kết nối nhất định. Nhưng ngày nay, các hệ thống mạng siêu hội tụ (hyper-Converged Fabric Networks) là rất hiếm khi các máy chủ này cần chạy ở tốc độ truyền tải tối đa của chúng trong cùng một thời điểm. Sự khác biệt giữa yêu cầu khả năng băng thông upstream và downstream được biết đến gọi là tỉ lệ cạnh tranh. Trong một vài vị trí mạng, chẳng hạn như liên kết chuyển mạch giữa các switch (Inter-Switch Link – ISL) tỉ lệ cạnh tranh này có thể lên tới 7:1 hoặc 10:1. Tỉ lệ cao hơn được chọn để giảm chi phí chuyển đổi nhưng dẫn tới khả năng tắc nghẽn mạng cũng tăng lên với các thiết kế này.
Tỉ lệ này trở nên quan trọng hơn khi xây dựng hệ thống mạng máy chủ lớn. Như chuyển đổi khả năng tăng trưởng băng thông switch tới switch, các kết nối tới switch thì giảm. Điều này đòi hỏi nhiều lớp mạng Leaf-Spine được kết hợp để đáp ứng được số lượng kết nối yêu cầu của hệ thống máy chủ. Mỗi lớp Switch thêm chi phí, năng lượng, chi phí, độ trễ là đương nhiên. Công nghệ chuyển mạch đã được tập trung vào vấn đề này thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng trong các hệ thống Switch ASIC. Vào ngày 9/12/2019 Broadcom đã bắt đầu vận chuyển hệ thống Switch StrataXGS Tomahawk 4 mới nhất cho công suất chuyển mạch Ethernet lên tới 25,6 Terabits/giây trong một chipset ASIC duy nhất. Điều này xuất hiện chưa đầy hai năm khi mà Tomahawk 3 được giới thiệu trước đó với tốc độ lên tới 12,8 Tb/s trên một thiết bị.
Những Chipset ASIC này không chỉ giúp tăng tốc độ theo làn, mà còn tăng số lượng cổng trên chúng. Các TTDL có thể giữ tỉ lệ cạnh tranh (Upstream và Downstream) trong việc kiểm tra. Một switch được dựng với một chipset TH3 ASIC duy nhát hỗ trợ 400G và 32 ports. Mỗi port có thể chia ra thành 8 cổng 50GE ports kết nối tới máy chủ. Những cổng này có thể nhóm lại để tạo thành các kết nối lên tới 100G, 200G và 400G. Mỗi cổng Switch có thể thay đổi giữa cáp quang loại 1 đôi, 2 đôi, 4 đôi hoặc 8 đôi trong cùng một module quang QSFP.
Mặc dù điều này có vẻ phức tạp nhưng nó rất hữu ích để giúp loại bỏ tỉ lệ Downstream và Upstream quá mức. Các thiết bị chuyển mạch dạng này hiện có thể kết nối lên tới 192 Servers trong khi vẫn duy trì tỉ lệ cạnh tranh là 3:1 và 8 cổng kết nối leaf-spine lên tới 400G. Switch này hiện thay thế cho loại 6 cổng của thế hệ trước.
Các thiết bị chuyển mạch TH4 sẽ có 32 cổng và up tới 800Gb. Chipset ASIC tăng tốc độ kết nối lên tới 100G. Thông số kỹ thuật điện và quang học đang được phát triển để hỗ trợ truyền tải 100G trên 1 kết nối. Hệ sinh thái 100G sẽ cung cấp một cơ sở hạ tầng được tối ưu hóa phù hợp hơn với khối lượng công việc của hệ thống máy chủ đòi hỏi tốc độ cao và hệ thống AI trong tương lai gần.
Vai trò phát triển của nhà cung cấp cáp
Trong môi trường đầy phức tạp và chuyển mình này, vai trò của nhà cung cấp cáp đang đảm nhận một tầm quan trọng mới. Trong khi cáp quang có thể được coi là một sản phẩm hàng hóa thay vì một giải pháp kỹ thuật, điều này không còn là vấn đề nữa. Với rất nhiều điều cần biết tới với nhiều lợi ích, các nhà cung cấp đã chuyển sang các đối tác công nghệ, điều quan trọng đối với thành công của các TTDL là các nhà tích hợp hệ thống và nhà thiết kế hệ thống đấu nối.
Chủ sở hữu và nhà điều hành của các TTDL đang ngày càng phụ thuộc vào các đối tác cáp của họ về chuyên môn trong việc đấu nối hệ thống cáp quang, hiệu suất thu phát, thiết bị đấu nối và thử nghiệm, v..v.. Do đó vai trò này đòi hỏi các đối tác cáp phải phát triển quan hệ làm việc chặt chẽ hơn với những người liên quan tới cơ sở hạ tầng cũng như các bộ phận tiêu chuẩn.
Khi các tiêu chuẩn xung quanh tăng lên như tốc độ truyền tải đa luồng nhà cung cấp cáp đóng vai trò lớn hơn trong việc kích hoạt lộ trình công nghệ của TTDL. Hiện tại, các tiêu chuẩn liên quan đến 100GE hay 400GE và 800GE liên quan đến một loạt những lựa chọn đang được thay thế chóng mặt. Trong mỗi tùy chọn, có nhiều cách để tiếp cận, bao gồm ghép kênh song song và phân chia theo bước sóng – mỗi phương pháp đều có một ứng dụng được tối ưu hóa. Thiết kế cơ sở hạ tầng cáp cần phải dược cho phép tất cả các lựa chọn thay thế.
Tất cả trở lại cân bằng
Khi số lượng cáp quang tăng lên, lượng không gian có sẵn trong TTDL sẽ bị thu hẹp lại. Việc tìm kiếm các thành phần khác, cụ thể như Server, Tủ Rack để cung cấp nhiều với kích thước nhỏ hơn để thay thế. Không gian đã là quan trọng và duy nhất để tối đa hóa trong các TTDL. Kết hợp với thiết kế sợi cáp quang mới dạng Ribbon giúp kích thước cáp giảm, kỹ thuật điều chế tiên tiến giúp chiếm ít không gian trong TTDL làm hài long các nhà quản lý hệ thống mạng và các đối tác.
Nếu tăng trưởng công nghệ là bất kỳ dấu hiệu nào ở phía trước, các TTDL, đặc biệt là ở cấp độ Cloud Hyperscale. Khi nhu cầu băng thông và dịch vụ cung cấp tăng lên, độ trễ trở nên quan trọng hơn đối với người dùng cuối, sẽ có nhiều sợi quang hơn được đẩy sâu vào trong hạ tầng mạng.
Các cơ sở mạng Cloud-base và hyperscale đang chịu áp lực ngày càng tăng để cung cấp kết nối cực kỳ đáng tin cậy cho người dùng cuối, thiết bị và ứng dụng cũng ngày càng tăng theo. Khả năng triển khai và quản lý số lượng cáp sợi quang cũng tăng cao hơn bao giờ hết để đáp ứng nhu cầu đó. Mục tiêu là đạt được sự cân bằng bằng cách cung cấp đúng số lượng sợi quang tới đúng thiết bị, đồng thời cho phép việc bảo trì và quản lý tốt và hỗ trợ sự phát triển trong tương lai. Bởi vậy, hãy tạo dựng khóa học của bạn và có một niềm tin vững chắc với CommScope.
(Tin từ anh Trương Quốc Sự, Kỹ sư Hệ Thống của CommScope Việt Nam, ngày 11/5/2020)
Thông tin tham khảo:
- Bài viết được dịch từ CommScope Blog (đường link): https://www.commscope.com/blog/2020/adapting-to-higher-fiber-counts-in-the-data-center/
- Thông tin về tác giả:
- Jason Bautista: Là kiến trúc sư giải pháp cho các trung tâm dữ liệu Hyperscale và Multi-thuê, Jason chịu trách nhiệm cho phát triển thị trường dữ liệu cho CommScope. Ông đang theo dõi các xu hướng trong thị trường trung tâm dữ liệu để giúp thúc đẩy chiến lược lộ trình sản phẩm, các giải pháp và cho khách hàng Trung tâm dữ liệu cho Hyperscale và nhiều người thuê. Trước khi gia nhập nhóm giải pháp Cloud và Hyperscale ở 2019, ông đã từng chịu trách nhiệm phát triển thị trường doanh nghiệp toàn cầu cho giải pháp Workspace của CommScope. Jason đã có hơn 19 năm kinh nghiệm trong ngành công nghiệp mạng đã tổ chức khách hàng khác nhau đối mặt với các vị trí trong phát triển sản phẩm, tiếp thị và hỗ trợ cho một phạm vi đa dạng của các mạng và khách hàng trên toàn cầu.
- Ken Hall: là kiến trúc sư Trung tâm dữ liệu cho Bắc Mỹ tại CommScope, chịu trách nhiệm về công nghệ và tư tưởng lãnh đạo, cũng như lập kế hoạch di chuyển tốc độ cao cho doanh nghiệp và các trung tâm dữ liệu liên quan. Ken đã được với CommScope và các công ty mua lại khác trong 32 năm trong chương trình toàn cầu và quản lý dự án, bán hàng kỹ thuật, tiếp thị và các tiêu chuẩn công nghiệp.
- Một số thông tin về sản phẩm liên quan bài viết (Link tham khảo phía dưới)
Ribbon portfolio: https://www.commscope.com/globalassets/digizuite/3228-rollable-ribbon-osp-fiber-cable-family-pa-113170-en.pdf?r=1
Ribbon Order Guide: https://www.commscope.com/globalassets/digizuite/2993-mtdc-rollable-ribbon-ordering-guide-co-113243-en.pdf?r=1
Outside Plant Fiber Cables: https://www.commscope.com/globalassets/digizuite/3109-osp-fiber-cable-guide-co-112925-en.pdf?r=1
E-Catalog CommScope: https://www.commscope.com/product-type/cables/fiber-cables/
