Hoe optische interconnecties te gebruiken om datacenterprestaties te optimaliseren

De behoefte aan snelle, energiezuinige en robuuste glasvezelinterconnecties groeit om de vraag naar betrouwbare communicatie met lage latentie in cloud- en andere datacenters te ondersteunen. Glasvezelzendontvangers kunnen worden geoptimaliseerd om te voldoen aan specifieke datacenterbehoeften voor transmissiesnelheden tot 400 Gigabit/seconde (G). Belangrijke modulenormen voor glasvezeldatacentercommunicatie zijn small form factor pluggable (SPF), SPF+ en quad small form factor pluggable (QSFP). Een van de verschillen tussen SPF, SPF+ en QSPF is de nominale transmissiesnelheid. Toch is dat slechts één factor waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een zendontvanger; stroomverbruik en thermisch beheer, vereiste transmissieafstand, bedrijfstemperatuurbereik, geïntegreerde diagnostiek en andere factoren moeten worden afgewogen. Bovendien hebben netwerkingenieurs een doeltreffende manier nodig om het zendbereik en de ontvangstgevoeligheid van optische zendontvangers te testen.

Dit artikel begint met een overzicht van belangrijke overwegingen bij de keuze van glasvezelzendontvangers, vergelijkt de hardware-interfaceopties van SPF, SPF+, QSFP en QSFP-DD (dubbele dichtheid) en presenteert zendontvangermodules van Intel Silicon Photonics, II-VI en Cisco Systems. Er wordt afgesloten met een blik op het testen van glasvezelapparaten, met inbegrip van een loopback-module van ColorChip voor 400 G apparaten en een evaluatiebord van Multilane voor de volgende generatie 800 G-zendontvangers.

Single- vs. multi-mode

Optische vezels voor datacommunicatie bestaan uit een glazen kern omgeven door een glazen bekleding, elk met een verschillende brekingsindex. Typische multi-mode (MM) vezels hebben een kern van 50 μm en werken met golflengten van 750 nm tot 850 nm, terwijl een single-mode (SM) vezel een kern van 9 μm heeft en gewoonlijk werkt met golflengten van 1310 nm tot 1550 nm. In het geval van MM-vezels is de golflengte van het licht korter dan de cutoff golflengte, waardoor er meerdere lichtmodi in de vezel ontstaan. De kleinere kern in SM-vezel kan slechts één modus voor een bepaalde golflengte propageren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De kleine kern in SM-vezels beperkt hun vermogen om licht in meer dan één modus door te geven. (Bron afbeelding: Cisco)

Modale dispersie en modale ruis beperken de bandbreedte van MM-vezels in vergelijking met SM-vezels die niet onderhevig zijn aan deze effecten. Bovendien kunnen SM-vezels veel langere transmissieafstanden aan dan MM-vezels. Optische transmissie van gegevens wordt bereikt door voor elke richting van de communicatie een andere golflengte te gebruiken. Eén reeks optische zendontvangers gebruikt bijvoorbeeld een combinatie van 1330 nm en 1270 nm golflengten. Een van de zendontvangers zendt een 1330 nm signaal uit en ontvangt een 1270 nm signaal, terwijl de andere zendontvanger een 1270 nm signaal uitzendt en een 1330 signaal ontvangt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Optische zendontvangers gebruiken verschillende golflengten voor het zenden en ontvangen van gegevens. (Bron afbeelding: Cisco)

Vermogen en thermiek

Datacenterbeheerders zijn gevoelig voor stroom- en thermische kosten. Hoewel niet-afgeschermd getwist paar (UTP) voor datacommunicatiebekabeling goedkoop is, kan een UTP-zendontvanger ongeveer 5 W stroom verbruiken in vergelijking met 1 W of minder die een vezelzendontvangers nodig heeft.

De extra warmte die door UTP-zendontvangers wordt gegenereerd, moet uit het datacenter worden afgevoerd, waardoor de totale energiekosten verdubbelen tot bijna het tienvoudige. Behalve voor zeer korte runs en lage datasnelheden zijn glasvezelzendontvangers bijna altijd minder duur in de totale bedrijfskosten gedurende de levensduur in vergelijking met UTP-oplossingen.

UTP-kabels hebben ook een grotere diameter dan glasvezelbekabeling. Ze kunnen te groot zijn om te passen in sommige kabelgoten die onder de vloer zijn geïnstalleerd in datacenters met hoge dichtheid. Bovendien kan voor Cat 6A-kabels die met 10 G verzenden, overspraak tussen UTP-kabels moeilijk te beheersen zijn. MM-vezel maakt gebruik van goedkopere zendontvangers, maar de bekabeling is duurder wanneer parallelle optiek wordt gebruikt voor 40 of 100 G-transmissies. Aangezien de datasnelheden blijven stijgen, biedt SM-vezel wellicht de beste combinatie van laag vermogen, lage kosten en kleine oplossingsgrootten.

Keuzes in het temperatuurbereik

Datacenters bevinden zich in verschillende omgevingen, van speciale faciliteiten tot kasten in kantoren, magazijnen en fabrieken. Glasvezelzendontvangers zijn verkrijgbaar in drie standaard temperatuurbereiken om te voldoen aan de behoeften van specifieke omgevingen:

• 0 °C tot +70 °C, C-temp of COM genoemd, zijn ontworpen voor commerciële en standaard datacenteromgevingen.
• -5 °C tot +85 °C, E-temp of EXT genoemd, voor gebruik in meer veeleisende omgevingen.
• -40 °C tot +85 °C, I-temp of IND genoemd, voor gebruik in industriële installaties.

Een typische optische zendontvangers zal naar verwachting werken met een behuizing die ongeveer 20 graden warmer is dan de omgevingstemperatuur. In omgevingen waar de omgeving meer dan +50 °C of minder dan -20 °C bedraagt, worden zendontvangers met IDN-classificatie gebruikt. Sommige toepassingen vereisen zendontvangers die "koud kunnen starten". Tijdens de koude start heeft het netwerk toegang tot de I²C en andere lage snelheid interfaces van de zendontvangers, maar het gegevensverkeer begint pas als de behuizingstemperatuur -30 °C bereikt. Voor een betrouwbare werking van het netwerk is het belangrijk de bedrijfstemperatuur van glasvezelzendontvangers te controleren.

Digitale optische bewaking

Digitale optische bewaking (DOM), ook wel digitale diagnostische bewaking (DDM) genoemd, is gedefinieerd in SFF-8472, een onderdeel van de multisource-overeenkomst (MSA) die gericht is op de digitale bewaking van glasvezelzendontvangers. Het omvat de volgende mogelijkheden:

• Bewaking van de bedrijfstemperatuur van de module
• Bewaking van de bedrijfsspanning van de module
• Bedrijfsstroom bewakingsmodule
• Bewaking van het optische zend- en ontvangstvermogen
• Geef een alarm af als de parameters veilige niveaus overschrijden
• Verstrek op verzoek informatie over de modulefabriek

DOM, zoals gespecificeerd door SFF-8472, definieert specifieke alarmvlaggen of alarmvoorwaarden. DOM helpt netwerkbeheerders de prestaties van modules te controleren en modules te identificeren die mogelijk moeten worden vervangen voordat ze uitvallen.

Tot 100 G zijn optische zendontvangermodules beheerd via een I²C-besturingsinterface met behulp van een basissysteem met geheugenkaarten, gedefinieerd door SFF 8636. Hogere snelheidsmodules zijn moeilijker te beheren door de opname van PAM-4 interfaces die een complexe egalisatie vereisen. De Common Management Interface Specification (CMIS) is ontwikkeld ter vervanging of aanvulling van SFF-8472/8636 in hogesnelheidsmodules.

Vormfactoren en modulatieschema's

SFP-zendontvangers zijn beschikbaar voor koper- en glasvezelnetwerken. Door het gebruik van SFP-modules kunnen afzonderlijke communicatiepoorten worden bezet met verschillende soorten zendontvangers. De SFP-vormfactor en de elektrische interface worden gespecificeerd in de MSA. Een standaard SFP-zendontvanger kan datasnelheden tot 4 G voor Fibre Channel ondersteunen. De nieuwere SFP+ specificatie ondersteunt tot 10 G, en de nieuwste SFP28 specificatie ondersteunt tot 25 G.

De grotere QSFP-zendontvangerstandaard ondersteunt transmissiesnelheden die vier keer sneller zijn dan de overeenkomstige SFP-units. De QSFP28-variant levert tot 100 G en de QSFP56 verdubbelt dat tot 200 G. Een QSFP-zendontvanger integreert vier zend- en vier ontvangstkanalen, "28" betekent dat elk kanaal (of lane) datasnelheden tot 28 G kan ondersteunen; bijgevolg kan een QSFP28 een 4 x 25 G-configuratie (breakout), 2 x 50 G breakout, of 1 x 100 G ondersteunen, afhankelijk van de zendontvanger. Aangezien QSFP-poorten groter zijn dan SFP, zijn er adapters beschikbaar waarmee een SFP-zendontvanger in een QSFP-poort kan worden geplaatst.

De nieuwste variant is de QSFP-DD die het aantal interfaces verdubbelt ten opzichte van een gewone QSFP28-module. Bovendien omvat de nieuwe specificatie ondersteuning voor Pulse Amplitude Modulation 4 (PAM4) die 50 G kan leveren, wat een extra verdubbeling van de transmissiesnelheid oplevert en resulteert in een algemene viervoudige toename van de poortsnelheid in vergelijking met een QSFP28-module.

De traditionele NRZ-modulatie (non-return to zero) die in vezelzendontvangers wordt gebruikt, moduleert de intensiteit van het licht op twee niveaus. PAM gebruikt vier lichtintensiteitsniveaus om twee bits te coderen in elke optische pulsperiode in plaats van één, waardoor bijna het dubbele aan gegevens in dezelfde bandbreedte mogelijk is (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Complexere PAM4-transmissies dragen veel meer gegevens dan NRZ. (Bron afbeelding: Cisco)

QSFP-DD voor grote datacenters

Ontwerpers van grootschalige cloud en enterprise datacenters kunnen zich wenden tot de SPTSHP3PMCDF QSFP-DD optische zendontvangers van Intel Silicon Photonics. Deze module heeft een transmissiecapaciteit van 2 km, is gespecificeerd voor gebruik van 0 °C tot +70 °C, en ondersteunt 400 G optische verbindingen over SM-vezel of vier 100 G optische verbindingen voor breakout-toepassingen (Afbeelding 4). Kenmerken van deze QSFP-DD-zendontvanger zijn onder meer:

• Overeenstemming met 4 x 100 G Lambda MSA optische interface specificatie en de IEEE 400GBASE-DR4 optische interface standaard
• IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) elektrische interface standaard compliance
• CMIS management interface standaard naleving met volledige module diagnostiek en controle via I²C

Afbeelding 4: Deze QSFP-DD-zendontvanger heeft een bereik van 2 km. (Bron afbeelding: Intel)

Multi-mode SFP+

De FTLF8538P5BCz SFP+ optische zendontvanger van II-VI heeft geïntegreerde DDM-functies en is ontworpen voor gebruik in 25 G datasnelheid over MM-vezel (Afbeelding 5). Hij is ontworpen om te werken van 0 °C tot +70 °C. Andere kenmerken zijn:

• 850 nm verticale holte zijdelingse emitterende laser (VCSEL) zender
• 100 m transmissie over 50/125 μm OM4, M5F MMF-kabel
• 70 m transmissie over 50/125 μm OM3, M5E MMF-kabel
• 1E-12 bit error rate (BER) over 30 m met OM3-kabel en 40 m met OM4-kabel
• 1 W maximaal stroomverbruik

Afbeelding 5: Deze SFP+ zendontvanger is berekend op 25 G en gebruikt MM-vezel. (Bron afbeelding: II-VI)

SPF single-mode

De SFP-10G-BXD-I en de SFP-10G-BXU-I van Cisco werken met SM-vezel die transmissieafstanden tot 10 km ondersteunt. Een SFP-10G-BXD-I is altijd verbonden met een SFP-10G-BXU-I. De SFP-10G-BXD-I zendt een kanaal van 1330-nm uit en ontvangt een signaal van 1270-nm, en de SFP-10G-BXU-I zendt op een golflengte van 1270-nm uit en ontvangt een signaal van 1330-nm. Deze zendontvangers bevatten ook DOM-functies die de prestaties in real time controleren.

Loopbacks voor testen

Netwerk- en testingenieurs en technici kunnen glasvezel-loopbacks en loopback-modules gebruiken om de transmissiecapaciteit en ontvangstgevoeligheid van optische netwerkapparatuur te testen. ColorChip biedt een loopback-module die hoge gebruiksscenario's ondersteunt met 2000 cycli bij -40 °C tot +85 °C (Afbeelding 6). Deze loopback-module omvat software-gedefinieerd meervoudig stroomverbruik om het vermogen van de optische module en de ingebedde insertion loss-kenmerken te emuleren die echte bekabeling emuleren voor 200/400 G Ethernet, Infiniband en Fibre Channel. De ingebouwde overspanningsbeveiliging beperkt het risico van beschadiging van het geteste apparaat. Deze loopback-module wordt onder meer gebruikt voor het testen van poorten, het testen van veldtoepassingen en het oplossen van problemen met apparatuur.

Afbeelding 6: Deze loopback-module is ontworpen om de prestaties van optische zendontvangers te testen. (Bron afbeelding: DigiKey)

800 G QSFP-ontwikkelingskit

Voor netwerktechnici die zich voorbereiden op de volgende generatie 800 G zendontvangers, biedt Multilane de ML4062-MCB die een efficiënt en gebruiksvriendelijk platform biedt voor het programmeren en testen van QSFP-DD800-zendontvangers en actieve optische kabels (Afbeelding 7). De GUI ondersteunt alle door de QSFP-DD MSA gedefinieerde functies en vereenvoudigt het configuratieproces. Hij kan worden gebruikt om een werkelijke omgeving te simuleren voor het testen, karakteriseren en vervaardigen van QSFP-DD-zendontvangermodules en voldoet aan de OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 en OIF-CEI-56G-VSR-NRZ-specificaties.

Afbeelding 7: Dit ontwikkelingsplatform is ontworpen voor gebruik met de volgende generatie 800 G zendontvangers. (Bron afbeelding: DigiKey)

Samenvatting

Glasvezelzendontvangers voorzien in de behoefte van datacenternetwerkingenieurs aan snelle, compacte en energiezuinige oplossingen. Deze zendontvangers zijn verkrijgbaar in verschillende formaten en drie standaard bedrijfstemperatuurbereiken, met SM- of MM-vezels. Loopback-modules kunnen worden gebruikt om de prestaties van glasvezelnetwerkelementen te valideren. Ontwikkelingsplatforms kunnen worden gebruikt om de mogelijkheden van 800 G zendontvangers te onderzoeken en de weg te bereiden voor de volgende generatie glasvezelnetwerken.