Hur man använder optiska sammankopplingar för att optimera prestanda i datacenter

Behovet av robusta fiberoptiska kopplingar med hög hastighet och låg strömförbrukning ökar för att tillgodose kraven på tillförlitlig kommunikation med låg latens i moln och andra datacenter. Fiberoptiska transceivrar kan optimeras för att uppfylla specifika datacenters behov för överföringshastigheter på upp till 400 Gb/s. Modulstandarder som är viktiga för fiberoptisk datacenterkommunikation är SPF (Small Form Factor Pluggable), SPF+ och QSFP (Quad Small Form Factor Pluggable). En av skillnaderna mellan SPF, SPF+ och QSPF är överföringshastigheten. Men, det är bara en faktor att ta i beaktande vid val av transceiver. Strömförbrukning och värmehantering, erforderligt sändningsavstånd, drifttemperaturområde, integrerad diagnostik och andra faktorer måste vägas in. Nätverkstekniker behöver utöver detta ett effektivt sätt för att testa sändningsräckvidd och mottagarkänslighet hos optiska transceivrar.

Artikeln börjar med en genomgång av viktiga överväganden vid val av transceivrar för fiberoptik, jämför alternativen för de hårdvarugränssnitt som tillhandahålls av SPF, SPF+, QSFP och QSFP-DD (dubbel densitet) och presenterar transceivermoduler från Intel Silicon Photonics, II-VI och Cisco Systems. Artikeln avslutas med en titt på testning av fiberoptiska enheter, inklusive en återkopplingsmodul från ColorChip för 400 G-enheter och ett utvärderingskretskort från Multilane för nästa generations 800 G-transceivrar.

Jämförelse mellan singelmode och multimode

Optisk fiber för datakommunikation består av en glaskärna omsluten av en glaskapsling, var och en med olika brytningsindex. Typisk multimodefiber (MM-fiber) har en kärna på 50 μm och arbetar med våglängder på 750 till 850 nm, medan en singelmodefiber (SM-fiber) har en kärna på 9 μm och arbetar vanligtvis med våglängder på 1310 till 1550 nm. När det gäller multimodefiber är ljusets våglängd kortare än våglängdens brytfrekvens, vilket medför i att flera olika ljusformer sprids i fibern. Den mindre kärnan i singelmodefiber medger endast ett spridningssätt vid en specifik våglängd (figur 1).

Figur 1: Den lilla kärnan i singelmodefiber begränsar dess förmåga att överföra ljus i mer än ett läge. (Bildkälla: Cisco)

Spridningens och brusets typvärde begränsar bandbredden hos multimodefiber till skillnad mot singelmodefiber som inte utsätts för dessa effekter. Dessutom kan singelmodefiber stödja mycket längre överföringsavstånd jämfört med multimodefiber. Optisk överföring av data uppnås genom att använda olika våglängder i varje kommunikationsriktning. En uppsättning optiska transceivrar använder exempelvis en kombination av våglängder på 1330 och 1270 nm. Den ena transceivern sänder en signal på 1330 nm och tar emot en signal på 1270 nm medan den andra transceivern sänder en signal på 1270 nm och tar emot en signal på 1330 (figur 2).

Figur 2: Optiska transceivrar använder olika våglängder för att skicka och ta emot data. (Bildkälla: Cisco)

Ström och värmeutveckling

Ägare till datacenter är känsliga för el- och värmekostnader. Samtidigt som oskärmade nätverkskablar (UTP) är billiga kan en UTP-transceiver förbruka cirka 5 W jämfört med en fibertransceiver som kräver 1 W eller mindre.

Den extra värme som genereras av UTP-transceivrar måste ledas bort från datacentret vilket ökar den totala energikostnaden med nästan tio gånger. Med undantag för mycket korta kabellängder och låga datahastigheter har fibertransceivrar nästan alltid lägre driftskostnader sett över tid jämfört med UTP-lösningar.

Oskärmade nätverkskablar (UTP) är också större i diameter jämfört med fiberkablar. De kan vara för stora för att rymmas i vissa kabeldiken som installeras under golvet i datacenter med hög täthet. För Cat 6A-kablar som överför med 10 G-hastigheter kan det dessutom vara svårt att hantera överhörningen mellan oskärmade nätverkskablar. Multimodefiber använder billigare transceivrar, men kabeldragningen blir dyrare när parallell optik används för 40- eller 100 G-överföringar. Eftersom kostnaderna för datahastighet fortsätter att öka kan singelmodefiber erbjuda den bästa kombinationen av låg effekt, låg kostnad och småskaliga lösningar.

Valbara temperaturområden

Datacenter finns i olika miljöer, allt ifrån dedikerade anläggningar till lager, fabriker och garderober på kontor. Fiberoptiska transceivrar finns i tre standardiserade temperaturområden för att möta behoven i särskilda miljöer:

• 0 °C till +70 °C, kallad C-temp eller COM, är utformade för kommersiella och normala datacentermiljöer.
• -5 °C till +85 °C, kallad E-temp eller EXT, för användning i mer krävande miljöer.
• -40 °C till +85 °C, kallad I-temp eller IND, för användning i industriella installationer.

En typisk optisk transceiver förväntas fungera med en kapsling som är cirka 20 grader varmare än omgivningstemperaturen. I miljöer där omgivningstemperaturen överstiger +50 °C eller sjunker under -20 °C används IND-klassificerade transceivrar. Vissa tillämpningar kräver transceivrar som kan ”kallstarta”. Vid ”kallstart” kan nätverket få tillgång till I²C-gränssnittet i transceivrarna och andra låghastighetsgränssnitt, men datatrafiken startar inte förrän temperaturen i kapslingen når -30 °C. För att säkerställa tillförlitlig nätverksdrift är det viktigt att övervaka drifttemperaturen för fiberoptiska transceivrar.

Digital optisk övervakning

Digital optisk övervakning (DOM), även kallad digital diagnostisk övervakning (DDM), definieras i SFF-8472, en del av MSA (Multi Source Agreement) med fokus på digital övervakning av fiberoptiska transceivrar. Den innehåller följande funktioner:

• Övervakning av modulens drifttemperatur
• Övervakning av modulens driftspänning
• Övervakning av modulens driftström
• Övervakning av optisk sändnings- och mottagningseffekt
• Aktivera larm om parametrar överskrider säkra nivåer
• Tillhandahålla modulens fabriksinformation på begäran

Digital optisk övervakning enligt specifikationen i SFF-8472, definierar specifika larmflaggor eller larmvillkor. Digital optisk övervakning hjälper nätverksadministratörer att övervaka modulernas prestanda och identifiera moduler som kan behöva bytas ut innan de går sönder.

Optiska transceivermoduler på upp till 100 G har hanterats via ett I²C-styrgränssnitt med hjälp av ett grundläggande minnesmappat kommandosystem som definieras i SFF 8636. Moduler med högre hastigheter är mer komplicerade att hantera eftersom de innehåller ett gränssnitt med PAM-4 som kräver komplicerad utjämning. CMIS (Common Management Interface Specification) utvecklades för att ersätta eller komplettera SFF-8472/8636 i höghastighetsmoduler.

Format och modulationsscheman

SFP-transceivrar finns för koppar- och fibernätverk. Användningen av SFP-moduler gör det möjligt för enskilda kommunikationsportar att fyllas med olika typer av transceivrar. Formatet SFP och det elektriska gränssnittet specificeras i MSA. En vanlig SFP-transceiver kan stödja datahastigheter på upp till 4 G för Fibre Channel. Den nyare specifikationen SFP+ stöder upp till 10 G och den senaste specifikationen SFP28 stöder upp till 25 G.

Den större QSFP-transceivern stöder överföringshastigheter som är fyra gånger snabbare än motsvarande SFP-enheter. Varianten QSFP28 levererar upp till 100 G medan QSFP56 fördubblar det upp till 200 G. En transceiver med QSFP innehåller fyra kanaler för sändning och fyra för mottagning, "28" innebär att respektive kanal (eller spår) kan stödja datahastigheter på upp till 28 G. En QSFP28 kan därmed stödja en 4 x 25 G-konfiguration (breakout), 2 x 50 G breakout eller 1 x 100 G beroende på transceiver. Eftersom QSFP-portar är större än SFP-portar finns det adaptrar som gör det möjligt att placera en SFP-transceiver i en QSFP-port.

Den senaste modellen är QSFP-DD som fördubblar antalet gränssnitt jämfört med en vanlig QSFP28-modul. Dessutom innehåller den nya specifikationen stöd för PAM-4 (pulsamplitudmodulering) som kan leverera 50 G, vilket ger en ytterligare fördubbling av överföringshastigheten och resulterar i en total ökning med fyra gånger porthastigheten jämfört med en QSFP28-modul.

Traditionell modulering utan återgång till noll (NRZ-modulering) som används i fibertransceivrar modulerar ljusstyrkan i två nivåer. PAM använder fyra nivåer av ljusstyrka för att koda två bitar i respektive optisk pulsperiod, i stället för en, vilket gör det möjligt att nästan fördubbla mängden data på samma bandbredd (figur 3).

Figur 3: Mer komplicerade PAM-4 överföringar som innehåller mycket mer data än NRZ-modulering. (Bildkälla: Cisco)

QSFP-DD för stora datacenter

Konstruktörer av storskaliga moln och företagsdatacenter kan använda sig av den optiska transceivern SPTSHP3PMCDF QSFP-DD från Intel Silicon Photonics. Modulen har en överföringskapacitet på 2 km, är specificerad för drift från 0 °C till +70 °C och stöder optiska länkar på 400 G via singelmodefiber eller fyra optiska länkar på 100 G för breakout-tillämpningar (figur 4). Funktionerna i QSFP-DD-transceivern inkluderar:

• Överensstämmelse med specifikationen för det optiska gränssnittet Lambda MSA på 4 x 100 G och standarden IEEE 400GBASE-DR4 för optiska gränssnitt.
• Överensstämmelse med standarden IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) för elektriska gränssnitt
• Överensstämmelse med standarden CMIS för administrationsgränssnitt med fullständig moduldiagnostik och kontroll via I²C.

Figur 4: Transceivern QSFP-DD, har en räckvidd på 2 km.(Bildkälla: Intel)

SFP+ Multimode

Den optiska transceivern SFP+ FTLF8538P5BCz från II-VI har integrerade digitala diagnostiska övervakningsfunktioner och är konstruerad för användning med multimodefiber för datahastigheter på 25 G (figur 5). Den är konstruerad för drift från 0 °C till +70 °C. Övriga funktioner inkluderar:

• 850 nm VCSEL-sändare (vertical cavity side emitting laser transmitter)
• 100 m överföring via 50/125 μm OM4, M5F MMF-kabel.
• 70 m överföring via 50/125 μm OM3, M5E MMF-kabel.
• 1E-12 bitfelsfrekvens (BER) över 30 m med OM3-kabel och 40 m med OM4-kabel.
• Maximal effektförbrukning 1 W

Figur 5: SFP+ transceivern är dimensionerad för 25 G och använder multimodefiber. (Bildkälla: II-VI)

SPF singelmode

SFP-10G-BXD-I och SFP-10G-BXU-I från Cisco arbetar med singelmodefiber som stöder överföringsavstånd på upp till 10 km. En SFP-10G-BXD-I är alltid ansluten till en SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I sänder på en kanal med 1330 nm och tar emot en signal på 1270 nm och SFP-10G-BXU-I sänder på våglängden 1270 nm och tar emot en signal på1330 nm. Transceivrarna innehåller även funktioner för digital optisk övervakning för att realtidsövervaka prestanda.

Återkoppling vid testning

Nätverksingenjörer, testtekniker och tekniker kan använda fiberoptiska återkopplingar och återkopplingsmoduler för att testa den optiska nätverksutrustningens överföringskapacitet och mottagarkänslighet. ColorChip tillhandahåller en återkopplingsmodul som stöder scenarier med hög användning, 2000 cykler vid -40 °C till +85 °C (figur 6). Återkopplingsmodulen innehåller flera mjukvarudefinierade strömförbrukningar för att efterlikna den optiska modulens effekt och karakteristiken för de inbyggda inkopplingsförlusterna och emulerar verklig kabeldragning för 200/400 G Ethernet, Infiniband och Fibre Channel. Det inbyggda överströmsskyddet minskar riskerna för att skada den testade enheten. Återkopplingsmodulens användningsområden inkluderar testning av portar, testning av fältinstallationer och felsökning av utrustning.

Figur 6: Återkopplingsmodulen är konstruerad för att testa prestanda hos optiska transceivrar. (Bildkälla: DigiKey)

Utvecklingsutrustning för QSFP med 800 G

För nätverkstekniker som förbereder sig för nästa generation av transceivrar för 800 G erbjuder Multilane ML4062-MCB, en effektiv och lättanvänd plattform för programmering och testning av QSFP-DD800-transceivrar och aktiva optiska kablar (figur 7). Det grafiska användargränssnittet stöder alla funktioner som definieras av QSFP-DD MSA och förenklar konfigurationen. Den kan användas för att simulera en verklig miljö för testning, karakterisering och tillverkning av QSFP-DD-transceivermoduler och uppfyller specifikationerna OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 och OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Figur 7: Utvecklingsplattformen är konstruerad för användning med nästa generations transceivrar för 800 G. (Bildkälla: DigiKey)

Sammanfattning

Fiberoptiska transceivrar stöder behovet av snabba, kompakta och energisnåla lösningar för nätverkstekniker vid datacenter. Transceivrarna finns i olika format och för tre standardiserade temperaturområden, med singelmode- eller multimodefiber. Återkopplingsmoduler kan användas för att validera prestandan hos fiberoptiska nätverkselement. Utvecklingsplattformar kan användas för att utforska kapaciteten hos transceivrar för 800 G och bereda väg för nästa generations fiberbaserade nätverk.