Sådan bruger du optiske samkøringslinjer til at optimere datacentrets ydeevne

Behovet for hurtige, strømbesparende og robuste fiberoptiske sammenkoblinger vokser for at imødekomme kravene om pålidelig kommunikation med lav latenstid i cloud- og andre datacentre. Fiberoptiske transceivere kan optimeres til at opfylde specifikke datacenterbehov for transmissionshastigheder på op til 400 gigabit/sekund (G). Vigtige modulstandarder for fiberoptisk datacenterkommunikation omfatter SPF (Small Form Factor Pluggable), SPF+ og QSFP (Quad Small Form Factor Pluggable). En af forskellene mellem SPF, SPF+ og QSPF er den nominelle transmissionshastighed. Det er dog kun én faktor, der skal tages i betragtning, når man vælger en transceiver; strømforbrug og termisk styring, den nødvendige transmissionsafstand, driftstemperaturområde, integreret diagnose og andre faktorer skal afvejes. Desuden har netværksingeniører brug for en effektiv måde at teste optiske transceivers' transmissionsrækkevidde og modtagerfølsomhed på.

Denne artikel begynder med en gennemgang af vigtige overvejelser ved valg af fiberoptiske transceivere, sammenligner de hardwareinterface-muligheder, der tilbydes af SPF, SPF+, QSFP og QSFP-DD (dobbelt tæthed), og præsenterer transceivermoduler fra Intel Silicon Photonics, II-VI og Cisco Systems. Den afsluttes med et kig på test af fiberoptiske enheder, herunder et loopback-modul fra ColorChip til 400 G-enheder og et evalueringskort fra Multilane til næste generation af 800 G-transceivere.

Single- vs. multimode

Optiske fibre til datakommunikation består af en glaskerne omsluttet af en glaskappe, der hver især har forskellige brydningsindeks. Typiske multimode (MM)-fibre har en kerne på 50 μm og opererer med bølgelængder på 750 nm til 850 nm, mens en singlemode (SM)-fiber har en kerne på 9 μm og typisk opererer med bølgelængder på 1310 nm til 1550 nm. I tilfælde af MM-fibre er lysets bølgelængde kortere end cutoff-bølgelængden, hvilket resulterer i flere lysmodes, der udbreder sig ned gennem fiberen. Den mindre kerne i SM-fibre kan kun udbrede én mode for en bestemt bølgelængde (figur 1).

Figur 1: Den lille kerne i SM-fibre begrænser deres evne til at transmittere lys i mere end én tilstand. (Billedkilde: Cisco)

Modal dispersion og modal støj begrænser båndbredden for MM-fibre sammenlignet med SM-fibre, som ikke er udsat for disse virkninger. Desuden kan SM-fibre klare meget længere transmissionsafstande sammenlignet med MM-fibre. Optisk transmission af data opnås ved at anvende en forskellig bølgelængde for hver kommunikationsretning. Et sæt optiske transceivere anvender f.eks. en kombination af bølgelængder på 1330 nm og 1270 nm. En af transceiverne sender et 1330 nm-signal og modtager et 1270 nm-signal, mens den anden transceiver sender et 1270 nm-signal og modtager et 1330-signal (figur 2).

Figur 2: Optiske transceivere bruger forskellige bølgelængder til at sende og modtage data. (Billedkilde: Cisco)

Effekt og termik

Datacenteroperatører er følsomme over for strøm- og varmeomkostninger. UTP (unshielded twisted pair) til datakommunikationskabler er ganske vist billigt, men en UTP-transceiver kan forbruge ca. 5 W strøm sammenlignet med 1 W eller mindre, som en fibertransceiver har brug for.

Den ekstra varme, der genereres af UTP-transceivere, skal fjernes fra datacenteret, hvilket fordobler den samlede stigning i energiomkostningerne til næsten ti gange. Med undtagelse af meget korte strækninger og lave datahastigheder er fibertransceivere næsten altid billigere i de samlede driftsomkostninger i hele levetiden sammenlignet med UTP-løsninger.

UTP-kabler er også større i diameter sammenlignet med fiberkabler. De kan være for store til at passe ind i nogle kabelbakker, der er installeret under gulvet i datacentre med høj tæthed. For Cat 6A-kabler, der sender med 10 G, kan det desuden være vanskeligt at håndtere krydstale mellem UTP-kabler. MM-fibre anvender billigere transceivere, men kabler er dyrere, når der anvendes paralleloptik til 40- eller 100 G-transmissioner. Da datahastighederne fortsat stiger, kan SM-fibre tilbyde den bedste kombination af lav effekt, lave omkostninger og små løsningsstørrelser.

Valg af temperaturområde

Datacentre findes i forskellige miljøer, lige fra dedikerede faciliteter til skabe på kontorer, lagerhaller og fabrikker. Fiberoptiske transceivere fås i tre standard temperaturintervaller for at opfylde behovene i specifikke miljøer:

• 0 °C til +70 °C, kaldet C-temp eller COM, er designet til kommercielle og standard datacentermiljøer.
• -5 °C til +85 °C, kaldet E-temp eller EXT, til brug i mere udfordrende miljøer.
• -40°C til +85°C, kaldet I-temp eller IND, til brug i industrielle installationer.

En typisk optisk transceiver forventes at fungere med en kasse, der er ca. 20 grader varmere end den omgivende temperatur. I miljøer, hvor omgivelserne overstiger +50 °C eller falder til under -20 °C, anvendes IDN-klassificerede transceivere. Nogle applikationer kræver transceivere, der kan "koldstarte". Under koldstart kan netværket få adgang til transceivernes I²C- og andre lavhastighedsgrænseflader, men datatrafikken starter ikke, før temperaturen i kabinettet når -30 °C. For at sikre pålidelig netværksdrift er det vigtigt at overvåge driftstemperaturen for fiberoptiske transceivere.

Digital optisk overvågning

Digital optisk overvågning (DOM), også kaldet digital diagnostisk overvågning (DDM), er defineret i SFF-8472, som er en del af multi-source-aftalen (MSA) med fokus på digital overvågning af fiberoptiske transceivere. Det omfatter følgende funktioner:

• Overvågningsmodulets driftstemperatur
• Overvågningsmodulets driftsspænding
• Overvågningsmodulets driftsstrøm
• Overvågning af optisk effekt ved transmission og modtagelse
• Udsender en alarm, hvis parametrene overstiger sikre niveauer
• Oplysning om modulfabrikken efter anmodning

DOM, som specificeret i SFF-8472, definerer specifikke alarmflag eller alarmbetingelser. DOM hjælper netværksadministratorer med at overvåge modulernes ydeevne og identificere moduler, der muligvis skal udskiftes, før de svigter.

Optiske transceivermoduler på op til 100 G er blevet styret via en I²C-styringsgrænseflade ved hjælp af et grundlæggende hukommelseskortet kommandosystem, der er defineret i SFF 8636. Moduler med højere hastighed er mere komplekse at administrere på grund af PAM-4-interfaces, som kræver kompleks udligning. Common Management Interface Specification (CMIS) blev udviklet til at erstatte eller supplere SFF-8472/8636 i højhastighedsmoduler.

Formfaktorer og modulationsordninger

Der findes SFP-transceivere til kobber- og fibernetværk. Ved hjælp af SFP-moduler kan de enkelte kommunikationsporte udfyldes med forskellige typer transceivere. SFP-formfaktoren og den elektriske grænseflade er specificeret i MSA'en. En grundlæggende SFP-transceiver kan understøtte datahastigheder på op til 4 G for Fibre Channel. Den nyere SFP+-specifikation understøtter op til 10 G, og den nyeste SFP28-specifikation understøtter op til 25 G.

Den større QSFP-transceiverstandard understøtter transmissionshastigheder, der er fire gange hurtigere end de tilsvarende SFP-enheder. QSFP28-varianten leverer op til 100 G, mens QSFP56 fordobler dette til 200 G. En QSFP-transceiver integrerer fire sende- og fire modtagekanaler, "28" betyder, at hver kanal (eller lane) kan understøtte datahastigheder på op til 28 G.; som følge heraf kan en QSFP28 understøtte en 4 x 25 G-konfiguration (breakout), 2 x 50 G breakout eller 1 x 100 G afhængigt af transceiveren. Da QSFP-porte er større end SFP-porte, findes der adaptere, som gør det muligt at placere en SFP-transceiver i en QSFP-port.

Den seneste variant er QSFP-DD-modulet, som fordobler antallet af grænseflader i forhold til et almindeligt QSFP28-modul. Desuden omfatter den nye specifikation understøttelse af PAM4 (pulse amplitude modulation 4), der kan levere 50 G, hvilket giver en yderligere fordobling af transmissionshastigheden og resulterer i en samlet firedobbelt stigning i porthastigheden sammenlignet med et QSFP28-modul.

Traditionel NRZ-modulation (non-return to zero), der anvendes i fibertransceivere, modulerer lysets intensitet på to niveauer. PAM anvender fire lysintensitetsniveauer til at kode to bits i hver optisk pulsperiode i stedet for én, hvilket giver mulighed for næsten dobbelt så mange data i den samme båndbredde (figur 3).

Figur 3: Mere komplekse PAM4-transmissioner bærer langt flere data end NRZ. (Billedkilde: Cisco)

QSFP-DD til store datacentre

Designere af store cloud- og virksomhedsdatacentre kan henvende sig til SPTSHP3PMCDF QSFP-DD optisk transceiver fra Intel Silicon Photonics. Dette modul har en transmissionskapacitet på 2 km, er specificeret til drift fra 0 °C til +70 °C og understøtter 400 G optiske forbindelser over SM-fibre eller fire 100 G optiske forbindelser til breakout-applikationer (Figur 4). Funktionerne i denne QSFP-DD-transceiver omfatter:

• Overholdelse af specifikationen for 4 x 100 G Lambda MSA-optiske grænseflader og IEEE 400GBASE-DR4-standarden for optiske grænseflader
• Overholdelse af IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) standard for elektrisk grænseflade
• Overholdelse af CMIS-styringsgrænsefladestandard med fuld moduldiagnostik og -styring via I²C

Figur 4: Denne QSFP-DD-transceiver har en rækkevidde på 2 km. (Billedkilde: Intel)

Multi-mode SFP+

Den optiske SFP+ transceiver FTLF8538P5BCz SFP+ fra II-VI har integrerede DDM-funktioner og er designet til brug i 25 G datahastighed over MM-fiber (figur 5). Den er designet til at fungere fra 0 °C til +70 °C. Andre funktioner omfatter:

• 850 nm VCSEL-sender (vertikal cavity side emitting laser)
• 100 m transmission over 50/125 μm OM4, M5F MMF-kabel
• 70 m transmission over 50/125 μm OM3, M5E MMF-kabel
• 1E-12 bitfejlrate (BER) over 30 m med OM3-kabel og 40 m med OM4-kabel
• 1 W maksimalt strømforbrug

Figur 5: Denne SFP+ transceiver er klassificeret til 25 G og bruger MM-fibre. (Billedkilde: II-VI)

SPF single-mode

SFP-10G-BXD-I og SFP-10G-BXU-I fra Cisco fungerer med SM-fibre, der understøtter transmissionsafstande på op til 10 km. En SFP-10G-BXD-I er altid forbundet med en SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I sender en 1330-nm-kanal og modtager et 1270-nm-signal, og SFP-10G-BXU-I sender ved en 1270-nm-bølgelængde og modtager et 1330-nm-signal. Disse transceivere omfatter også DOM-funktioner, der overvåger ydeevnen i realtid.

Loopbacks til testning

Netværks- og testingeniører og teknikere kan bruge fiberoptiske loopbacks og loopback-moduler til at teste optisk netværksudstyrs transmissionskapacitet og modtagerfølsomhed. ColorChip tilbyder et loopback-modul, der understøtter scenarier med høj brug med 2000 cyklusser ved -40 °C til +85 °C (figur 6). Dette loopback-modul omfatter softwaredefineret multipel strømforbrug for at emulere det optiske moduls strøm og de indlejrede indsættelsestabsegenskaber, der emulerer den virkelige kabelføring for 200/400 G Ethernet, Infiniband og Fibre Channel. Den indbyggede beskyttelse mod overspænding mindsker risikoen for at beskadige den testede enhed. Dette loopback-modul anvendes bl.a. til porttest, test af implementering i marken og fejlfinding af udstyr.

Figur 6: Dette loopback-modul er beregnet til at teste optiske transceiveres ydeevne. (Billedkilde: DigiKey)

800 G QSFP-dev kit

Til netværksingeniører, der forbereder sig på den næste generation af 800 G-transceivere, tilbyder Multilane ML4062-MCB, som er en effektiv og brugervenlig platform til programmering og test af QSFP-DD800-transceivere og aktive optiske kabler (Figur 7). GUI'en understøtter alle de funktioner, der er defineret af QSFP-DD MSA, og forenkler konfigurationsprocessen. Det kan bruges til at simulere et reelt miljø til testning, karakterisering og fremstilling af QSFP-DD-transceivermoduler og er i overensstemmelse med OIF-CEI-112G-VSR-PAM4- og OIF-CEI-56G-VSR-NRZ-specifikationerne.

Figur 7: Denne udviklingsplatform er designet til brug med næste generation af 800 G-transceivere. (Billedkilde: DigiKey)

Sammenfatning

Fiberoptiske transceivere understøtter datacenter-netværksingeniørers behov for højhastigheds-, kompakte og strømbesparende løsninger. Disse transceivere fås i forskellige formater og tre standard driftstemperaturintervaller med enten SM- eller MM-fibre. Loopback-moduler kan bruges til at validere ydeevnen af fiberoptiske netværkselementer. Udviklingsplatforme kan bruges til at udforske mulighederne for 800 G-transceivere og forberede vejen for den næste generation af fiberbaserede netværk.