400G核心技术解析：企业如何实现平滑升级

400G时代：数据中心高速网络的演进

在当今数字浪潮中，企业数据中心刚刚开始在交换机上行链路中采用100G速率，然而行业标准已经为400G应用铺平道路，相关网络设备也已投入市场。尽管对多数企业而言，实现这一高速率仍需一些时间过度，但超大规模云服务提供商已经加速推进，不仅定义了市场方向，推动技术进步，更将在未来几年内将高速应用渗透至企业领域。

事实上，这些行业引领者正将目光投向800G，并致力于发展光通信技术，为未来1.6T乃至3.2T速率铺路。

驱动因素与趋势

数据中心已成为组织核心运营的基石。全球数字化进程持续推动对更高带宽的需求，以支持日益增长的数据流量。据预测，到2025年，数据中心流量将突破180ZB (注：1 ZB的数据相当于10亿TB或1万亿GB)。为应对这一增长，Frost & Sullivan预计到2025年，数据中心市场的投资将达4320亿美元。

以下关键因素正推动400G需求上升：

• 数字化转型与新兴应用：企业数字化进程及新兴应用的普及，推动云数据中心对400G的需求。远程办公、在线交易和视频流媒体等应用显著增加了云服务使用量。2020年第一季度云支出增长25%，而传统IT市场则下降3%。据思科预测，到2021年底，94%的工作负载将在云环境中运行；Gartner则预计，到2025年，公共云服务支出将接近7000亿美元。

• 新兴应用对数据的需求：传媒行业采用未压缩的高分辨率视频格式（如RedCode Raw），使文件大小急剧增加。智能建筑和工业4.0计划推动物联网设备数量在2025年超过300亿台。虚拟现实、人工智能、机器学习、自动驾驶及高频交易等应用要求极低延迟和高速连接。医疗影像、远程医疗及金融科技进一步增加对带宽的依赖。5G移动技术、边缘计算、虚拟化和软件定义网络（SDN）正重塑数据中心架构，要求高性能连接。

架构演进：从三层到Spine-Leaf

为适应东西向数据流和低延迟需求，数据中心也从传统的三层架构向Spine-Leaf架构演进。在Spine-Leaf架构中，每一台leaf交换机都连接到每一台spine交换机，减少了数据过程中虚拟服务器间的交换机跳数，并显著降低了延迟，同时当服务器A需要与服务器B“通讯”时，还可提供下图所示更好的冗余性。

进一步地，超级Spine架构通过二级Spine互联多个Spine-Leaf网络，实现模块化扩展，支持数据中心互联（DCI），满足大规模云服务需求。同时，边缘数据中心的兴起为5G和实时应用提供本地数据处理，推动对400G连接的需求，以聚合数据并回传至核心云数据中心。

技术进展：推动400G实现

多项技术进步为400G提供了技术与经济可行性

• PAM4编码：比传统NRZ编码比特率翻倍，支持每通道25G、50G和100G速率，为25G至800G的演进提供高效路径。
• 可插拔收发器：QSFP-DD和OSFP等接口支持8通道50G传输，实现400G应用，并兼容多种多模和单模光纤。
• 光通信技术：短波分复用（SWDM）等技术可在单芯多模光纤上以多个波长传输数据，减少光纤数量。新型低功耗单模收发器则支持500米传输，适应数据中心短距离需求。

网卡速率也从10G逐步升级至25G、50G乃至100G，支持高度虚拟化、低延迟的环境需求。

400G应用标准与部署方案

IEEE已制定多种400G标准，涵盖多模和单模应用，如下表所示：

在查阅表格时，理解以下几个核心概念能帮你更好地做出选择：

• 接口命名规则：后缀中的字母代表传输距离（如SR：短距，DR：500米，FR：2公里，LR：10公里），数字代表光通道数量。例如，FR4表示传输距离2公里、有4个光通道。
• PAM4调制技术：这是实现400G速率的关键。与传统的NRZ（非归零）编码相比，PAM4每个信号周期可以传输2个比特，使有效数据速率翻倍，但也对链路质量要求更高。
• 扇出（Breakout）功能：这是400G收发器的一个重要特性，允许将一个高速端口拆分为多个低速端口使用。例如，一个400G-SR8端口可以拆分为4个独立的100G链路，这对于网络平滑升级和连接不同速率的设备非常有用。

为优化端口利用率和交换机密度，扇出设计可将400G端口拆分为4个100G或8个50G连接。Base-8 MTP连接系统支持即插即用部署，替代传统的模块盒与跳线方案。

在企业数据中心中，交换机至服务器链路可通过DAC（直连铜缆）、AOC（有源光缆）或结构化布线实现。

成本考量与未来展望

400G部署需根据具体需求权衡，多模方案通常成本较低，但短距离单模方案因大规模应用已显著降价，在某些场景下更具吸引力。

尽管400G已成为现实，但技术演进并未止步。IEEE Beyond 400Gb/s研究组正致力于800G标准，目标包括在8对多模光纤上支持100米传输，在单模光纤上支持500米至2千米传输。1.6T标准也在制定中，超大规模云服务商正通过多源协议（MSA）推动相关技术发展。

每一项新技术都伴随挑战与选择，无论数据中心的规模与类型如何，星融元作为开放网络先行者与推动者，提供从10G到400G及更高速率的全面解决方案与专业服务，助力企业网络实现平滑演进。

本文基于西蒙白皮书《通往400G之路》整理，内容仅供参考。