Slik bruker du optiske sammenkoblinger til å optimalisere ytelsen til datasentre

Behovet for høy hastighet, lav effekt og robuste fiberoptiske sammenkoblinger er i vekst for å kunne støtte kravene til pålitelig kommunikasjon med lav latenstid i skydatasentre og andre tradisjonelle datasentre. Fiberoptiske transceivere kan optimaliseres for å møte spesifikke datasenterbehov for overføringshastigheter på 400 Gigabit/sekund (Gb/s også referert til som G). Viktige modulstandarder for fiberoptisk datasenterkommunikasjon omfatter SFP (small form factor pluggable), SFP+ og QSFP (quad small form-factor pluggable – firedobbel pluggbar med liten formfaktor). En av forskjellene mellom SFP, SFP+ og QSFP er nominell overføringshastighet. Dette er likevel bare én av faktorene som må tas i betraktning når du velger en transceiver. Strømforbruk og termisk styring, påkrevet overføringsavstand, driftstemperaturområde, integrert diagnostikk og andre faktorer må også vurderes. I tillegg trenger nettverksteknikere en effektiv metode for testing av overføringsområdet og mottakerfølsomheten til optiske transceivere.

Denne artikkelen begynner med å gjennomgå viktige faktorer som må tas hensyn til når fiberoptiske transceivere skal velges, den sammenligner de ulike maskinvaregrensesnittene som tilbys av SFP, SFP+, QSFP og QSFP-DD (DD – dual density – dobbel tetthet), og presenterer transceivermoduler fra Intel Silicon Photonics, II-VI og Cisco Systems. Den avslutter med en titt på testing av fiberoptiske enheter, inkludert en loopback-modul fra ColorChip for 400 G-enheter og et evalueringskort fra Multilane for neste generasjons 800 G-transceivere.

Enkelmodus kontra flermodus

Optiske fibre for datakommunikasjon består av en glasskjerne innkapslet i en glasskledning, der hver av disse har forskjellige brytningsindekser. Typiske fibre i flermodus (MM – multi-mode) har en kjerne på 50 μm og fungerer med bølgelengder på 750 nm til 850 nm, mens fiber i enkelmodus (SM – single-mode) har en kjerne på 9 μm og vanligvis fungerer med bølgelengder på 1310 nm til 1550 nm. Når det kommer til MM-fibre, er lysets bølgelengde kortere enn grensefrekvensen, noe som resulterer i flere lysmoduser som forplanter seg nedover fiberkabelen. Den mindre kjernen i SM-fibre kan bare forplante én modus for en bestemt bølgelengde (figur 1).

Figur 1: Den lille kjernen i SM-fibre begrenser evnen de har til å overføre lys i mer enn én modus. (Bildekilde: Cisco)

Modal dispersjon og modal støy begrenser båndbredden til MM-fibre sammenlignet med SM-fibre som ikke er utsatt for disse virkningene. I tillegg kan SM-fibre støtte mye lengre overføringsavstander sammenlignet med MM-fibre. Optisk overføring av data oppnås ved å bruke forskjellige bølgelengder for hver retning med kommunikasjon. For eksempel bruker et sett med optiske transceivere en kombinasjon av bølgelengdene 1330 nm og 1270 nm. En av transceiverne sender et signal på 1330 nm og mottar et signal på 1270 nm, mens den andre transceiveren sender et signal på 1270 nm og mottar et signal på 1330 nm (figur 2).

Figur 2: Optiske transceivere bruker forskjellige bølgelengder for å sende og motta data. (Bildekilde: Cisco)

Wattforbruk og termiske egenskaper

Datasenteroperatører er veldig oppmerksomme på kostnader relatert til wattforbruk og varme. Selv om datakommunikasjon over uskjermet kabling med tvunnet par (UTP – unshielded twisted pair) er billig, kan en UTP-transceiver forbruke ca. 5 W, sammenlignet med en fiber-transceiver som kun trenger 1 W eller mindre.

Den ekstra varmen som genereres av UTP-transceivere må fjernes fra datasenteret, noe som øker den totale energikostnaden nesten ti ganger. Hvis vi ser bortsett fra svært korte kabelløp og lave datahastigheter, er fibertransceivere nesten alltid billigere å ha i drift over enhetens totale levetid sammenlignet med UTP-løsninger.

UTP-kabler har også større diameter enn fiberkabler. De kan være for store til å passe i noen kabelskuffer som er installert under gulvet i datasentre med høy tetthet. For Cat 6A-kabler som sender med 10 G, kan krysstale mellom UTP-kabler være vanskelig å håndtere. MM-fiber bruker billigere transceivere, men kablingen er dyrere når parallell optikk brukes for overføringer på 40 eller 100 G. Etter hvert som datahastighetene fortsetter å stige, kan SM-fiber tilby den beste kombinasjonen av lavt energiforbruk, lave kostnader og små løsningsstørrelser.

Valg av temperaturområde

Datasentre finnes i mange ulike miljøer, fra dedikerte anleggskompleks til skap i kontorer, lagre og fabrikker. Fiberoptiske transceivere er tilgjengelige i tre standard temperaturområder for å møte behovene til bestemte miljøer:

• 0 °C til +70 °C, kalt C-temp eller COM, er utviklet for kommersielle og standard datasenteromgivelser.
• –5 °C til +85 °C, kalt E-temp eller EXT, er for bruk i mer utfordrende omgivelser.
• –40 °C til +85 °C, kalt E-temp eller IND, er for bruk i industrielle installasjoner.

En typisk optisk transceiver forventes å være virksom med et kabinett som er ca. 20 grader varmere enn omgivelsestemperaturen. I miljøer der omgivelsestemperaturen overskrider +50 °C eller faller under –20 °C, brukes IDN-klassifiserte transceivere. Noen konstruksjoner krever transceivere som kan håndtere «kaldstart». Under kaldstartdrift kan nettverket få tilgang til transceiverens I²C-grensesnitt og andre lavhastighetsgrensesnitt, men datatrafikken starter ikke før kabinettemperaturen når –30 °C. For å sikre pålitelig nettverksdrift, er det viktig å overvåke driftstemperaturen til fiberoptiske transceivere.

Digital optisk overvåking

Digital optisk overvåking (DOM – digital optical monitoring), også referert til som digital diagnostisk overvåking (DDM – digital diagnostic monitoring), er definert i SFF-8472, en del av MSA-avtalen (MSA – multi-source agreement) som er fokusert på digital overvåking av fiberoptiske transceivere. Den tilbyr følgende muligheter:

• Overvåkingsmodul for driftstemperatur
• Overvåkingsmodul for driftsspenning
• Overvåkingsmodul for driftsstrøm
• Overvåking av optisk energi for sending og mottak
• Utstede en alarm hvis parametrene overskrider sikre nivåer
• Gi informasjon om modulfabrikken ved forespørsel

DOM, som spesifisert av SFF-8472, definerer bestemte alarmflagg eller alarmtilstander. DOM gjør det enklere for nettverksadministratorer å overvåke modulytelsen og identifisere moduler som må byttes ut før de svikter.

Optiske transceivermoduler på opptil 100 G har blitt administrert over et I²C-styringsgrensesnitt ved å bruke et grunnleggende minnekartlagt kommandosystem definert av SFF 8636. Moduler med høyere hastighet er mer komplekse å administrere på grunn av inkluderingen av PAM-4-grensesnitt som trenger kompleks utjevning. CMIS (Common Management Interface Specification) ble utviklet for å erstatte eller supplere SFF-8472/8636 i høyhastighetsmoduler.

Formfaktorer og modulasjonsmetoder

SFP-transceivere er tilgjengelige for kobber- og fibernettverk. Ved å bruke SFP-moduler kan individuelle kommunikasjonsporter fylles med forskjellige typer transceivere. SFP-formfaktoren og det elektriske grensesnittet er spesifisert i MSA-en. En grunnleggende SFP-transceiver kan støtte datahastigheter på opptil 4 G for fiberkanal (Fibre Channel). Den nyere SFP+-spesifikasjonen støtter opptil 10 G, og den nyeste SFP28-spesifikasjonen støtter opptil 25 G.

Den større QSFP-transceiverstandarden støtter overføringshastigheter som er fire ganger raskere enn de korresponderende SFP-enhetene. QSFP28-varianten leverer opptil 100 G, mens QSFP56 dobler dette til 200 G. En QSFP-transceiver integrerer fire sendekanaler og fire mottakerkanaler, «28» betyr at hver kanal (eller bane) kan støtte datahastigheter på opptil 28 G. Som et resultat kan en QSFP28 støtte en 4 x 25 G-konfigurasjon (breakout – utbrytning), 2 x 50 G breakout eller 1 x 100 G avhengig av transceiveren. QSFP-porter er større enn SFP-porter, så adaptere er tilgjengelige slik at en SFP-transceiver kan plasseres i en QSFP-port.

Den nyeste varianten er QSFP-DD som dobler antall grensesnitt sammenlignet med en vanlig QSFP28-modul. I tillegg inkluderer den nye spesifikasjonen støtte for pulsamplitudemodulasjon 4 (PAM4 – pulse amplitude modulation 4) som kan levere 50 G, noe som gir en ytterligere dobling av overføringshastigheten og resulterer i en total firedobbel økning av porthastigheten sammenlignet med en QSFP28-modul.

Tradisjonell NRZ-modulasjon (NRZ – non-return to zero) som brukes i fibertransceivere, modulerer lysintensiteten på to nivåer. PAM bruker fire lysintensitetsnivåer for å kode to bits i hver optiske pulsperiode i stedet for én, noe som muliggjør nesten dobbelt så mye data i samme båndbredde (figur 3).

Figur 3: Mer komplekse PAM4-overføringer kan bære mye mer data enn NRZ. (Bildekilde: Cisco)

QSFP-DD for store datasentre

Konstruktører av store sky- og bedriftsdatasentre kan bruke den optiske QSFP-DD-transceiveren SPTSHP3PMCDF fra Intel Silicon Photonics. Denne modulen har en overføringskapasitet på 2 km, er spesifisert for drift fra 0 °C til +70 °C og støtter optiske forbindelser på 400 G over SM-fiber eller fire optiske forbindelser på 100 G for breakout-konstruksjoner (figur 4). Funksjonene til denne QSFP-DD-transceiveren omfatter følgende:

• Samsvar med 4 x 100 G optisk Lambda MSA-grensesnittspesifikasjon og optisk IEEE 400GBASE-DR4-grensesnittstandard
• IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) samsvar med elektrisk grensesnittstandard
• Samsvar med CMIS-styringsgrensesnittstandard med full moduldiagnostikk og styring gjennom I²C

Figur 4: Denne QSFP-DD-transceiveren har en rekkevidde på 2 km. (Bildekilde: Intel)

SFP+ med flere moduser

Den optiske SFP+-transceiveren FTLF8538P5BCz fra II-VI har integrerte DDM-funksjoner og er konstruert for bruk i MM-fiber med 25 G-datahastighet (figur 5). Konstruert for å være virksom i temperaturer fra 0 °C til +70 °C. Andre funksjoner omfatter:

• VCSEL-sender (VCSEL – vertical cavity side emitting laser) på 850 nm
• 100 m overføring over OM4, M5F MMF-kabel på 50/125 μm
• 70 m overføring over OM3, M5E MMF-kabel på 50/125 μm
• 1E-12 bitfeilrate (BER – bit error rate) over 30 m med OM3-kabel og 40 m med OM4-kabel
• Maksimalt strømforbruk på 1 W

Figur 5: Denne SFP+-transceiveren er klassifisert for 25 G og bruker MM-fiber. (Bildekilde: II-VI)

SPF-enkeltmodus

SFP-10G-BXD-I og SFP-10G-BXU-I fra Cisco fungerer med SM-fiber som støtter overføringsavstander på opptil 10 km. En SFP-10G-BXD-I er alltid tilkoblet en SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I sender på en kanal på 1330 nm og mottar et signal på 1270 nm, og SFP-10G-BXU-I sender på en bølgelengde på 1270 nm og mottar et signal på 1330 nm. Disse transceiverne inkluderer også DOM-funksjoner som overvåker ytelsen i sanntid.

Loopback for testing

Nettverks- og testteknikere kan bruke fiberoptisk loopback og loopback-moduler til å teste overføringsevnen og mottakerfølsomheten til optisk nettverksutstyr. ColorChip tilbyr en loopback-modul som støtter scenarier med hyppig bruk med 2000 sykluser ved –40 °C til +85 °C (figur 6). Denne loopback-modulen inkluderer programvaredefinert flerstrømsforbruk (multiple power consumption) for å emulere strømmen til den optiske modulen og tapskarakteristikkene for de iboende innsettingstapene som emulerer kabler i den virkelige verden for 200/400 G Ethernet, Infiniband og Fibre Channel. Den innebygde overspenningsbeskyttelsen reduserer risikoen for å skade den testede enheten. Bruksområder for denne loopback-modulen inkluderer porttesting, testing av feltdistribusjon og feilsøking på utstyr.

Figur 6: Denne loopback-modulen er utviklet for å teste ytelsen til optiske transceivere. (Bildekilde: DigiKey)

800 G QSFP-utviklingssett

For nettverksteknikere som gjør forberedelser for neste generasjon av 800 G-transceivere, tilbyr Multilane ML4062-MCB, som tilbyr en effektiv og brukervennlig plattform for programmering og testing av QSFP-DD800-transceivere og aktive optiske kabler (figur 7). GUI-en støtter alle funksjoner som er definert av QSFP-DD MSA og forenkler konfigurasjonsprosessen. Den kan brukes til å simulere et faktisk miljø for modultesting, karakterisering og produksjon for QSFP-DD-transceivere, og den er i samsvar med OIF-CEI-112G-VSR-PAM4- og OIF-CEI-56G-VSR-NRZ-spesifikasjonene.

Figur 7: Denne Multilane-utviklingsplattformen er utviklet for bruk med neste generasjons 800 G-transceivere. (Bildekilde: DigiKey)

Sammendrag

Fiberoptiske transceivere støtter behovene til teknikerne i datasenternettverk slik at de får kompakte løsninger med høy hastighet og lavt strømforbruk. Disse transceiverne er tilgjengelige i forskjellige formater og tre standard driftstemperaturområder, med enten SM- eller MM-fibre. Loopback-moduler kan brukes til å validere ytelsen til fiberoptiske nettverkselementer. Utviklingsplattformer kan brukes til å utforske egenskapene til 800 G-transceivere og gjøre forberedelser for neste generasjon av fiberbaserte nettverk.