绿色数据中心布线浅谈——绿色世界的一角
 

前言
  首先我们来看几个数据,1)根据Gartner的报告,全球二氧化碳排放中有 2% 是由IT活动造成的。2)根据美国环保署(EPA)的报告,2006年全美数据中心消耗电力占总消耗的1.5% ,3)2007年欧洲数据中心的电能消耗是57T千瓦时。所以数据中心的能源消耗已经是一个日益突出的问题。而且现在大众对数据流量的需求仍在不断加大,如视频,搜索服务,还有金融活动的电子化等活动都迫使服务商提供更高的带宽,更快的处理速度和更大的存储容量。这更加推动了现有数据中心的扩容和新数据中心的需求和建设。所以建设绿色数据中心,降低数据中心的单位能耗已经是迫在眉睫。
  国外研究机构和组织对绿色环保的关注早于国内,比如美国绿色建筑委员会(USGBC)作为第三方的认证机构,在90年代就发布了LEED(The Leadership in Energy and Environmental Design), 对建筑物的水和能源的用量,材料的使用,环境和空气质量进行了规范。在其中的第二十七章也对建筑物的通讯系统做出了要求。还有美国环境保护署推动的“Energy Star”认证,减少建筑物中电子设备的能源消耗和环境污染。
  在通讯业,TIA的TR42委员会已经成立了研究小组,发展绿色通讯系统的基础建设,TIA在2009年近期发布了名为"TIA's ICT Green Report"的报告。收集了大量的案例,说明了通讯业未来绿色环保发展的趋势。具体到建设绿色数据中心,就必须减少单位能源消耗和二氧化碳排放量。有很多通讯企业和组织,比如Green Grid,正致力于这个目标。
  综合布线作为通讯系统的基础也是数据中心的一个重要组成部分,综合布线的绿色环保也发挥着自己的作用。比如Green Grid组织中就有很多的综合布线企业。LEED规范中第二十七章也规定了综合布线系统所使用的材料要求和设计要求。综合布线系统的绿色环保可以分为两个方面,一,材料本身的要求,二,通过对各个方面的节约,降低整个大系统的消耗和排放。
1. 综合布线系统的材料
  数据中心的综合布线目前不外乎铜缆和光纤,铜缆有双绞线和同轴,铜缆一般由铜芯,护套等部件组成,所以在材料方面不含铅等重金属和卤素等是最基本的要求,像ROHS规范就对材料的成分作出了要求。还有数据中心必然会大量使用的光纤。光纤本身在材料方面可以说是非常环保的,但是必须要注意光纤护套的材料,和铜缆的护套材料一样必须达到ROHS的要求。
2. 网络传输速度与节约资源
  首先,数据中心有大量的服务器,交换机等有源设备,单位面积的能耗非常大,一般在普通建筑的10-15倍,将来最高可能会到100倍之多。所以散热要求非常高,冷热通道的设计也直接影响到数据中心的能源利用率。设计冷热通道的时候肯定阻碍是越少越好,尽量减少气流的阻滞,增强冷却的效果。但因为数据中心必须采用有线系统做通讯基础,所以综合布线如何能够尽可能的减少对散热的影响,是综合布线系统首先要考虑的问题。
  网络速度的提升能够提高资源的利用率。可以从两个方面来考虑,首先是更快的传输速度可以简化网络。减少布线系统和网络设备占用的空间。比如从1000Base-T升级到10GBase-T,传输线缆的尺寸仅仅增加15%,但是传输速率快了10倍。因为数据中心的流量特别大,有的在运营初期就达到了极限流量。像目前阿姆斯特丹和东京互联网核心交换节点的流量已经突破600Gbps, 所以数据中心对传输速率要求极高,始终走在网络发展的最前沿,新技术也往往最早得到应用。
 
                                                 核心交换机采用100G,汇聚采用10G交换,底层采用1000M
 
  
                                                          核心交换采用10G,汇聚与底层采用1000M
  从上面的网络拓扑对比可以看到,在支持相同数量的终端用户和终端网络传输速率的同时,核心网络采用更高的传输速率能够减少连接的数量和交换机数量。提高空间利用率和降低能耗。同时也能减少网络初期建设的整体成本。
  有一个指标用来衡量传输速率与能耗的关系:Power/Gbps, 就是每Gbps的流量所消耗的能量。网络交换的能耗效率直接可以从这个指标中反映出来。网络速度的提升的另一个效果是能够降低单位Gbps的能耗

 
  从上面的图表可以看出,无论是光纤传输还是双绞线传输的万兆网络,单位Gbps功耗都大大低于千兆网络。所以采用更高的网络传输速度不但能够节约空间,也能够大量节省能耗。所以建设绿色数据中心必须采用高速率的网络传输。目前更快的下一代网络正在讨论当中,希望明年能够出台40G与100G的网络标准,目前已经有交换机厂家的背板能够支持100G的交换。空间利用率和单位能耗更优于目前的10G网络。
  所以目前数据中心综合布线优选应该是支持万兆系统的6A类双绞线和OM3光缆,同时考虑服务于下一代网络。
4.光纤与铜缆

  目前的数据中心综合布线大量采用光纤与铜缆,铜缆中目前常用的是双绞线。采用相同的传输速率,从节约空间和能耗的角度来看,哪个选择更好呢?
  最近笔者遇到一个项目,项目采用24口角型配线架,1个42U的机柜安放了40个1U角型配线架,全部满配,共40*24=960根线缆,每根线缆直径7mm, 600*300的桥架占用率在30%左右。如果采用144芯预连接室内光缆,只需要14根。只有不到0.4%的占用率,节省了99%的空间。所以光纤能够显著的节约空间。减少占用空间对散热系统的影响。
  再来看能耗方面。综合布线是无源系统,本身不消耗能量,但是综合布线系统仅仅是基础,传输信息必须要通过收发器,采用不同的传输介质,直接影响到收发器的能耗。



 

  
  从上面的图表可以看出,光纤在传输距离和功耗上都优于铜缆。不要小看这么几瓦的差距。我们来做个计算。说到绿色,碳排放是一个重要的指标。EPA指出,1KWh等于0.73公斤的CO2排放。假设数据中心的PUE在2.8,那么24个(1个配线架) 10GBase-T端口1年产生的碳排放大约是2.2吨,的这个是什么概念呢?我们知道1公升汽油燃烧大约能产生2.26公斤的CO2 排放,2.2顿大约相当于970升汽油,可以够一辆普通小汽车开1万公里左右。想必而言基于光纤的10GBase-SR节省了85%左右的能耗。差不多减少了1.8吨/年的碳排放。
  所以无论是能耗还是空间占用率和对散热的影响,光纤都具有明显的优势。绿色数据中心的布线应该更多的考虑采用光纤布线而不是铜缆。

5,预连接光缆,MPO与下一代网络
  预连接光缆就是在现有的普通光缆的基础上,由厂家在产品出厂前就根据客户的要求在光纤的两端预先安装好客户需要的各种形式的连接器,同时增加高强度的保护附件。预连接系统的第一个好处是能够大量节约时间,减少数据中心的部署时间。下图做了一个预连接和熔接的对比。预连接比熔接节约了80%以上的时间。预连接的另一个好处是节约材料,工厂根据客户的实际情况定制长度,避免了现场安装造成的浪费。
 
  MPO连接器是一种多芯的光纤连接器,像IEC 61754-7,TIA/EIA 568C.3等标准中都有MPO连接器的规定。MPO最近几年也广泛应用于数据中心。数据中心采用MPO的好处在于密度特别高,至少是普通LC连接器的3倍以上。
  预连接加MPO的方案最大的好处是考虑了将来的网络应用,避免了网络设备升级时原有布线系统无法使用的情况。一般来讲数据中心里的综合布线系统的寿命至少在10-15年,但是一来交换机的寿命没有那么长,其次随着流量需求的不断加大,经常需要对系统进行升级。所以为了能够尽量的节约材料,减少浪费,就需要对综合布线系统留有一定的余量,否则将来的升级就没有了空间,目前我们的系统已经在万兆了,那下一代会是什么样子呢?目前来看,下一代网络将是40G或者100G的传输速度,这样高的传输速度如果使用铜缆已经非常不经济了,比如100GBase-CX10 铜缆传输只能支持10米的距离,并且功耗高达50W。所以下一代网络将是光纤的世界。但是目前的OM3仅能支持EMB 2000Mhz•KM, 更先进的OM4 也只有4700M•KM, 不可能将网速提高10倍。所以目前来看,下一代40G/100G网络将是并行系统。比如1个100G的双工链路就需要24根光纤。
 


                                                                     100G Base 的传输

  所以就必须采用内含多芯光纤的MPO型连接器,同时必须采用预连接的方式,传统的熔接方式将成为不可能的任务。
  如果现在新建的数据中心,仍然采用熔接或者预连接普通LC连接器的方式,那将来升级的时候就面临要么将原来的布线完全废弃掉,要么采用分支盒将原来的连接器转换成MPO,但这样的方法一是增加了链路衰减,二来需要空间来安装分支盒,带来更多的问题。
  所以绿色数据中心的布线为了考虑将来网络升级,减少材料方面的浪费,应该是预连接系统加MPO型连接器,即满足现有的需求,量体裁衣,节约时间和布线材料。同时又保留了升级未来更高级网络的能力。

  下一代数据中心必然是绿色的数据中心,降低能耗将始终被放在非常重要的位置上。综合布线做虽然作为无源系统,但是并不意味着不需要重视。作为网络的基础,良好设计的综合布线系统显然能够降低数据中心的能耗并为将来的升级和扩容打下良好的基础。同时却不会带来明显的成本增加。
  为了可持续性发展,为了给我们的子孙后代留下一个美好的地球。我们必须从所有的方面一起努力。

 更新时间:2010-11-27 15:23:02 

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