高速連接系統設計在云計算中面臨的挑戰

已經(jīng)大規模普遍使用的互聯(lián)網(wǎng)增加云服務(wù)（例如：蘋(píng)果iCloud）以后，數據中心的純計算與存儲要求正經(jīng)歷史無(wú)前例的增長(cháng)。這種增長(cháng)直接影響到了能耗。隨著(zhù)它的不斷增長(cháng)，工程師們也正在尋找控制功耗的解決方案。由于聯(lián)網(wǎng)系統所使用的連接器傳輸速度超出了每秒10Gb （Gbps），因此，本文中我們將專(zhuān)門(mén)研究連接器功率預算，以及降低這些高速通道功耗的解決方案。

　　引言

　　今天，毫無(wú)疑問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)數據傳輸正迅速增長(cháng)。思科公司的最新（2011年6月）視覺(jué)網(wǎng)絡(luò )指數（VNI）預測報告清楚地顯示了這一趨勢，其預測興趣點(diǎn)為移動(dòng)空間的增長(cháng)情況（請參見(jiàn)圖1）。 “云”計算與存儲引入以后，在這種新穎模式的推動(dòng)下，帶寬消耗越來(lái)越大。移動(dòng)用戶(hù)從簡(jiǎn)單的文本數據傳輸轉向高清照片和視頻傳輸，用戶(hù)迫切需要將這些內容復制到云存儲，將視頻轉碼發(fā)布，并將多媒體數據復制到各種各樣的設備中（更不必說(shuō)在社交網(wǎng)絡(luò )上發(fā)布）。這種性能壓力最終要求提高處理和通信能力。

　　圖1：2010-2015年互聯(lián)網(wǎng)帶寬趨勢

　　但是，這些增長(cháng)是有代價(jià)的——不僅僅是費用，還包括功耗方面。新一代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )的設計人員已經(jīng)在同功耗做斗爭——在購置成本（CoO）和實(shí)用熱設計兩方面。怎樣構建系統才能既提高性能又降低功率呢？在信息爆炸式增長(cháng)的時(shí)代，這是一場(chǎng)永無(wú)止境的戰斗。

　　首先研究什么

　　同所有系統設計一樣，新一代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )首先應提高性能。在云計算架構中，服務(wù)通常會(huì )隨加載變化而變化。已不再是一臺“服務(wù)器”，而是一種離散式硬件設備。在大多數情況下，提供服務(wù)的實(shí)際硬件可以放置在服務(wù)提供商基礎設施內部的任何地方，其位置具有“不確定性”，隨時(shí)變化。這種性能提升被稱(chēng)為軟件框架內的服務(wù)“虛擬化”或者封裝，其允許服務(wù)在硬件主機之間自由移動(dòng)。這樣便讓服務(wù)提供商可以根據需求改變資源，從而降低基礎設施的功耗。

　　由于服務(wù)得到控制，就有了大量的“機器到機器”（M2M）活動(dòng)。在大多數數據中心，大多數數據傳輸都在機器之間進(jìn)行，而不用連接外部世界。虛擬化的加入，推動(dòng)了從1 Gbps連接（許多老舊服務(wù)器上的標準）轉向10 Gbps連接的需求。今天，這種需求正推動(dòng)轉向使用25 Gbps連接。這些連線(xiàn)中的許多長(cháng)度不到5米，而大多數的長(cháng)度都在1米以?xún)?。出現這種情況的原因是服務(wù)器集群的構架。單個(gè)機架會(huì )放置許多刀片式服務(wù)器，其連接至機架頂部（或者底部）的開(kāi)關(guān)。機架成行放置，通過(guò)集線(xiàn)器整合，然后將信息發(fā)送至其他服務(wù)器行或者網(wǎng)絡(luò )存儲器。

　　使用1Gb連接時(shí)，小型標準線(xiàn)可以在信號完整性丟失相當小的情況下輕松傳輸數據。這很重要，原因是：1）由于線(xiàn)路阻塞氣流外流使服務(wù)器以外的氣流減少；2）決定你在機架中能夠布置多少條連線(xiàn)的彎曲半徑（參見(jiàn)圖2）。

　　圖2：機架內部布線(xiàn)

　　轉向使用10G以太網(wǎng)以后，信號完整性問(wèn)題更加突出，無(wú)源線(xiàn)纜開(kāi)始使用更大標準線(xiàn)來(lái)補償。氣流/彎曲半徑問(wèn)題開(kāi)始顯現，安裝人員/設計人員開(kāi)始想要使用光纖連接來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。轉向使用光纖帶來(lái)了一些問(wèn)題，例如：高成本和高功耗等。典型單個(gè)10G以太網(wǎng)SFP+模塊的功耗為1瓦左右。使用數以萬(wàn)計的端口時(shí)，光纖連接的功耗需求量便急劇增加，并且功耗增加帶來(lái)的一些問(wèn)題也隨之出現（機架溫度上升）。