Wykorzystanie połączeń światłowodowych do optymalizacji parametrów działania ośrodków przetwarzania danych

Zapotrzebowanie na solidne łącza światłowodowe o dużej prędkości i niskiej mocy rośnie, aby sprostać wymaganiom dotyczącym niezawodnej komunikacji o niskiej latencji w zastosowaniach chmurowych i innych ośrodkach przetwarzania danych. Nadajniko-odbiorniki światłowodowe można zoptymalizować tak, aby spełniały określone potrzeby ośrodków przetwarzania danych w zakresie prędkości transmisji do 400 gigabitów na sekundę (G). Ważne standardy modułów do komunikacji światłowodowej w ośrodkach przetwarzania danych obejmują moduły wtykowe o małym współczynniku kształtu (SPF), SPF+ oraz moduły czterokanałowe (QSFP). Jedną z różnic między SPF, SPF+ i QSPF jest znamionowa prędkość transmisji. Jest to jednak tylko jeden z czynników do uwzględnienia przy wyborze nadajniko-odbiornika. Konieczne jest uwzględnienie poboru mocy i odprowadzania ciepła, wymaganej odległości transmisji, zakresu temperatur roboczych, zintegrowanej diagnostyki i innych czynników. Ponadto projektanci sieci potrzebują skutecznego sposobu na badanie zasięgu transmisji nadajniko-odbiorników światłowodowych i czułości odbiorników.

Artykuł rozpoczyna się od przeglądu czynników istotnych przy wyborze nadajniko-odbiorników światłowodowych, porównuje opcje interfejsów sprzętowych SPF, SPF+, QSFP i QSFP-DD (podwójna gęstość) oraz przedstawia moduły nadajniko-odbiorników firmy Intel Silicon Photonics, II-VI i Cisco Systems. Pod koniec artykułu omówiono próby urządzeń optycznych, w tym moduł pętli zwrotnej firmy ColorChip do urządzeń o prędkości transmisji 400G oraz płytkę ewaluacyjną firmy Multilane do nadajniko-odbiorników następnej generacji, osiągających prędkości 800G.

Jednomodowe kontra wielomodowe

Włókna światłowodowe do transmisji danych składają się ze szklanego rdzenia zamkniętego w szklanej koszulce, które mają różne współczynniki załamania światła. Typowe światłowody wielomodowe (MM) mają rdzeń o średnicy 50μm i działają w zakresie długości fal od 750nm do 850nm, podczas gdy światłowód jednomodowy (SM) ma rdzeń 9μm i zwykle działa w zakresie długości fal od 1310nm do 1550nm. W przypadku włókien wielomodowych długość fali optycznej jest mniejsza od długości odcięcia, co powoduje, że światło jest przesyłane przez światłowód w wielu trybach. Mniejszy rdzeń w światłowodach jednomodowych (SM) może przesyłać impulsy świetlne tylko w jednym trybie i o jednej długości fali (ilustracja 1).

Ilustracja 1: mały rdzeń światłowodów jednomodowych (SM) ogranicza zdolność przesyłania światła w wielu trybach. (Źródło ilustracji: Cisco)

Dyspersja modalna i szum modalny ograniczają szerokość pasma włókien wielomodowych w porównaniu z włóknami jednomodowymi, w których nie występują te zjawiska. Ponadto włókna jednomodowe (SM) mogą obsługiwać znacznie większe odległości transmisji w porównaniu ze światłowodami wielomodowymi (MM). Optyczną transmisję danych uzyskuje się poprzez zastosowanie innej długości fali dla każdego kierunku komunikacji. Na przykład jeden zestaw nadajniko-odbiorników optycznych wykorzystuje kombinację długości fal 1330nm i 1270nm. Jeden z nadajniko-odbiorników przesyła sygnał o długości fali 1330nm i odbiera sygnał o długości fali 1270nm, podczas gdy drugi nadajniko-odbiornik przesyła sygnał o długości fali 1270nm i odbiera sygnał o długości fali 1330 (ilustracja 2).

Ilustracja 2: nadajniko-odbiorniki światłowodowe wykorzystują różne długości fal do nadawania i odbierania danych. (Źródło ilustracji: Cisco)

Moc i ciepło

Operatorzy ośrodków przetwarzania danych są wrażliwi na koszty energii elektrycznej i cieplnej. Chociaż nieekranowana skrętka dwużyłowa (UTP) stosowana w okablowaniu teleinformatycznym jest niedroga, nadajniko-odbiornik UTP może zużywać około 5W mocy w porównaniu z mocą nie przekraczającą 1W w nadajniko-odbiorniku światłowodowym.

Dodatkowe ciepło generowane przez nadajniko-odbiorniki UTP musi być usuwane z ośrodków przetwarzania danych, co zwiększa ogólny wzrost kosztów energii prawie dziesięciokrotnie. Z wyjątkiem bardzo krótkich odcinków i niskich prędkości transmisji danych, nadajniko-odbiorniki światłowodowe są prawie zawsze tańsze w całkowitych kosztach operacyjnych w całym okresie eksploatacji w porównaniu z rozwiązaniami UTP.

Kable UTP mają również większą średnicę w porównaniu z okablowaniem światłowodowym. Mogą one być zbyt duże, aby zmieścić się w niektórych korytkach kablowych instalowanych pod podłogą w ośrodkach przetwarzania danych o dużej gęstości. Ponadto w przypadku kabli Cat 6A umożliwiających transmisję z prędkością 10G, przesłuch pomiędzy kablami UTP może być trudny do opanowania. Światłowód wielomodowy (MM) wykorzystuje tańsze nadajniko-odbiorniki, ale okablowanie jest droższe, gdy do transmisji 40 lub 100G wykorzystywane są równoległe układy optyczne. W miarę wzrostu szybkości przesyłania danych światłowody jednomodowe (SM) mogą stanowić najlepszą kombinację niskiej mocy, , niskich kosztów i niewielkich rozmiarów rozwiązania.

Opcje zakresów temperatur

Ośrodki przetwarzania danych funkcjonują w różnych środowiskach, od specjalnych obiektów po szafy w biurach, magazynach i fabrykach. Nadajniko-odbiorniki światłowodowe są dostępne na trzy standardowe zakresy temperatur odpowiednie dla poszczególnych środowisk:

• 0°C do +70°C, czyli C-temp lub COM, są przeznaczone do komercyjnych i standardowych środowisk ośrodków przetwarzania danych.
• -5°C do +85°C, czyli E-temp lub EXT, stosowany w bardziej wymagających środowiskach.
• -40°C do +85°C, czyli I-temp lub IND, stosowany w instalacjach przemysłowych.

Typowy nadajniko-odbiornik światłowodowy ma pracować przy temperaturze w obudowie o około 20 stopni wyższej od temperatury otoczenia. W środowiskach, w których temperatura otoczenia przekracza 50°C lub spada poniżej -20°C, stosuje się nadajniko-odbiorniki klasy IDN. W niektórych zastosowaniach wymagane są nadajniko-odbiorniki z możliwością „zimnego startu”. Podczas pracy w trybie zimnego startu, sieć może uzyskać dostęp do interfejsu komunikacyjnego I²C i innych interfejsów nadajniko-odbiorników o małej szybkości działania, ale przesył danych rozpoczyna się dopiero gdy temperatura w obudowie osiągnie -30°C. Aby zapewnić niezawodne działanie sieci, ważne jest monitorowanie temperatury pracy nadajniko-odbiorników światłowodowych.

Cyfrowe monitorowanie optyczne

Cyfrowe monitorowanie optyczne (DOM), nazywane również cyfrowym monitorowaniem diagnostycznym (DDM), zostało zdefiniowane w specyfikacji SFF-8472, stanowiącej część umowy wielostronnej (MSA) skoncentrowanej na cyfrowym monitorowaniu nadajniko-odbiorników światłowodowych. Obejmuje ono następujące funkcje:

• monitorowanie temperatury roboczej modułu
• monitorowanie napięcia roboczego modułu
• monitorowanie prądu roboczego modułu
• monitorowanie mocy optycznej nadawania i odbioru
• emitowanie alarmów w przypadku przekroczenia przez parametry poziomów bezpiecznych
• podawanie danych fabrycznych modułu na żądanie

Cyfrowe monitorowanie optyczne (DOM) określone w specyfikacji SFF-8472 definiuje określone flagi alarmowe lub warunki alarmu. Cyfrowe monitorowanie optyczne (DOM) pomaga administratorom sieci w monitorowaniu parametrów działania modułów, aby zidentyfikować moduły do wymiany, zanim ulegną awarii.

Do prędkości 100G, moduły nadajniko-odbiorników optycznych były zarządzane przez interfejs sterowania I²C z wykorzystaniem podstawowego systemu poleceń mapowanych w pamięci, zdefiniowanego przez specyfikację SFF 8636. Moduły o wyższych prędkościach są bardziej skomplikowane w zarządzaniu ze względu na włączenie interfejsów PAM-4, które wymagają złożonej korekcji. Specyfikacja wspólnego interfejsu zarządzania (CMIS) została opracowana w celu zastąpienia lub uzupełnienia specyfikacji SFF-8472/8636 w szybkich modułach.

Rozmiary i schematy modulacji

Nadajniko-odbiorniki SFP są dostępne dla sieci miedzianych i światłowodowych. Zastosowanie modułów SFP umożliwia wypełnienie poszczególnych portów komunikacyjnych różnymi typami nadajniko-odbiorników. Rozmiary modułu SFP i jego interfejs elektryczny określono w umowie MSA. Podstawowy nadajniko-odbiornik SFP może obsługiwać szybkość transmisji danych do 4G w standardzie Fibre Channel. Nowsza specyfikacja SFP+ obsługuje szybkości transmisji do 10G, a najnowsza specyfikacja SFP28 - do 25G.

Norma dla większych nadajniko-odbiorników QSFP obsługuje szybkości transmisji czterokrotnie wyższe niż moduły SFP. Wariant QSFP28 zapewnia prędkości do 100G, podczas gdy QSFP56 podwaja tę wartość do 200G. Nadajniko-odbiornik QSFP zawiera cztery kanały nadawcze i cztery kanały odbiorcze, „28” oznacza, że każdy kanał (lub tor) może obsługiwać szybkości transmisji danych do 28G; w związku z czym QSFP28 może obsługiwać konfigurację 4 x 25G (breakout), 2 x 50G breakout lub 1 x 100G w zależności od nadajniko-odbiornika. Ponieważ porty QSFP są większe niż SFP, dostępne są adaptery pozwalające na umieszczenie nadajniko-odbiornika SFP w porcie QSFP.

Najnowszą odmianą jest QSFP-DD, która podwaja liczbę interfejsów w porównaniu ze zwykłym modułem QSFP28. Ponadto nowa specyfikacja obejmuje obsługę modulacji amplitudy impulsów 4 (PAM4), która umożliwia uzyskanie prędkości transmisji 50G, zapewniając dodatkowe podwojenie prędkości transmisji i skutkując ogólnym 4-krotnym wzrostem prędkości portu w porównaniu z modułem QSFP28.

Tradycyjna modulacja bez powrotu do zera (NRZ) stosowana w nadajniko-odbiornikach światłowodowych moduluje natężenie światła na dwóch poziomach. Modulator amplitudy impulsów (PAM) wykorzystuje cztery poziomy natężenia światła do kodowania dwóch bitów zamiast jednego w każdym okresie impulsu optycznego, co umożliwia prawie podwojenie danych przesyłanych w tej samej szerokości pasma (ilustracja 3).

Ilustracja 3: bardziej złożone transmisje PAM4 przenoszą znacznie więcej danych niż w przypadku modulacji bez powrotu do zera (NRZ). (Źródło ilustracji: Cisco)

QSFP-DD dla dużych ośrodków przetwarzania danych

Projektanci wielkoskalowych systemów chmurowych i korporacyjnych ośrodków przetwarzania danych mogą skorzystać z nadajniko-odbiornika światłowodowego SPTSHP3PMCDF QSFP-DD firmy Intel Silicon Photonics. Ten moduł ma zasięg transmisji do 2km, jest przeznaczony do pracy w temperaturach od 0°C do +70°C i obsługuje łącza optyczne 400G przez światłowód jednomodowy lub cztery łącza optyczne 100G do zastosowań typu breakout (ilustracja 4). Charakterystyka tego nadajniko-odbiornika QSFP-DD obejmuje:

• zgodność ze specyfikacją interfejsu optycznego 4 x 100G Lambda MSA oraz standardem interfejsu optycznego IEEE 400GBASE-DR4
• zgodność ze standardem interfejsu elektrycznego IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• zgodność ze standardem interfejsu zarządzania CMIS z pełną diagnostyką modułu i sterowaniem przez I²C

Ilustracja 4: nadajniko-odbiornik QSFP-DD o zasięgu 2km.(Źródło ilustracji: Intel)

Wielomodowa specyfikacja SFP+

Nadajniko-odbiornik światłowodowy FTLF8538P5BCz SFP+ firmy II-VI oferuje funkcje cyfrowego monitorowania diagnostycznego (DDM) i jest przeznaczony do użytku z prędkością transmisji danych 25G przez światłowód wielomodowy (ilustracja 5). Jest on przeznaczony do pracy w zakresie temperatur od 0°C do +70°C. Pozostałe funkcje:

• nadajnik z laserem 850nm o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL)
• transmisja 100m przez kabel 50/125μm OM4, M5F MMF
• transmisja 70m przez kabel 50/125μm OM3, M5E MMF
• bitowa stopa błędów (BER) 1E-12 na 30m dla kabla OM3 i 40m dla kabla OM4
• maksymalny pobór mocy 1W

Ilustracja 5: nadajniko-odbiornik SFP+ osiągający prędkość 25G i wykorzystujący światłowód wielomodowy. (Źródło ilustracji: II-VI)

Jednomodowa specyfikacja SPF

Nadajniko-odbiorniki SFP-10G-BXD-I i SFP-10G-BXU-I firmy Cisco współpracują ze światłowodami jednomodowymi, które umożliwiają transmisje na odległość do 10km. Nadajniko-odbiornik SFP-10G-BXD-I jest zawsze połączony z urządzeniem SFP-10G-BXU-I. Urządzenie SFP-10G-BXD-I nadaje na kanale o długości fali 1330nm i odbiera sygnał o długości fali 1270nm, natomiast urządzenie SFP-10G-BXU-I nadaje sygnał o długości fali 1270nm i odbiera sygnał o długości fali 1330nm. Wspomniane nadajniko-odbiorniki zawierają również funkcje cyfrowego monitorowania optycznego (DOM), które monitorują parametry działania w czasie rzeczywistym.

Pętle zwrotne do testowania

Inżynierowie i technicy zajmujący się sieciami i testami mogą używać światłowodowych pętli zwrotnych i modułów pętli zwrotnej do testowania zdolności transmisji urządzeń sieci światłowodowych i czułości odbiornika. Firma ColorChip oferuje moduł pętli zwrotnej, który obsługuje scenariusze intensywnego użytkowania 2000 cykli w temperaturze od -40°C do +85°C (ilustracja 6). Wspomniany moduł pętli zwrotnej zawiera definiowane programowo wielokrotne zużycie energii w celu emulacji mocy modułu światłowodowego oraz wbudowaną charakterystykę tłumienności wtrąceniowej emulującą rzeczywiste okablowanie dla sieci Ethernet, Infiniband i Fibre Channel o prędkości transmisji 200/400G. Wbudowane zabezpieczenie przed prądami udarowymi ogranicza ryzyko uszkodzenia testowanego urządzenia. Zastosowania omawianego modułu pętli zwrotnej obejmują testowanie portów, testowanie rozmieszczenia w terenie oraz rozwiązywanie problemów ze sprzętem.

Ilustracja 6: moduł pętli zwrotnej przeznaczony do testowania parametrów działania nadajniko-odbiorników światłowodowych. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zestaw rozwojowy 800G QSFP

Inżynierom sieciowym przygotowującym się do pracy z następną generacją nadajniko-odbiorników 800G firma Multilane oferuje zestaw ML4062-MCB, który stanowi wydajną i łatwą w użyciu platformę do programowania i testowania nadajniko-odbiorników QSFP-DD800 oraz aktywnych kabli optycznych (ilustracja 7). Graficzny interfejs użytkownika (GUI) obsługuje wszystkie funkcje zdefiniowane przez umowę QSFP-DD MSA i upraszcza proces konfiguracji. Zestawu można używać do symulacji rzeczywistego środowiska testowania modułów nadajniko-odbiorników QSFP-DD, określania ich charakterystyki i produkcji. Jest on zgodny ze specyfikacjami OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 i OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Ilustracja 7: platforma rozwojowa przeznaczona do nadajniko-odbiorników 800G nowej generacji. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Podsumowanie

Nadajniko-odbiorniki światłowodowe odpowiadają na potrzeby projektantów sieci w ośrodkach przetwarzania danych w dziedzinie szybkich, kompaktowych i energooszczędnych rozwiązań. Nadajniko-odbiorniki są dostępne w różnych formatach i trzech standardowych zakresach temperatur pracy, ze światłowodami jednomodowymi (SM) lub wielomodowymi (MM). Do walidacji wydajności elementów sieci światłowodowej można stosować moduły pętli zwrotnej. Platformy rozwojowe służą do badania możliwości nadajniko-odbiorników 800G i przygotowania gruntu dla sieci światłowodowych nowej generacji.