Cum se utilizează interconexiunile optice pentru a optimiza performanța centrelor de date

Nevoia de interconexiuni de fibră optică de mare viteză, cu consum redus de energie și robuste este în creștere pentru susținerea cererilor de comunicații fiabile și cu latență redusă în cloud și în alte centre de date. Emițătoarele-receptoarele de fibră optică pot fi optimizate pentru a satisface nevoile specifice ale centrelor de date pentru viteze de transmisie de până la 400 Gigabiți/secundă (G). Standardele de module importante pentru comunicațiile prin fibră optică din centrele de date includ modulele cu factor de formă mic (SPF), SPF+ și cele conectabile cu factor de formă mic tip quad (QSFP). Una dintre diferențele dintre SPF, SPF+ și QSPF este viteza nominală de transmisie. Totuși, acesta este doar unul dintre factorii care trebuie luați în considerare atunci când se alege un emițător-receptor; consumul de energie și managementul termic, distanța de transmisie necesară, intervalul temperaturii de funcționare, diagnosticele integrate și alți factori trebuie să fie luați în considerare. În plus, inginerii de rețea au nevoie de o modalitate eficientă de a testa raza de transmisie și sensibilitatea receptorului pentru emițătoare-receptoare optice.

Acest articol începe prin a trece în revistă considerentele importante de luat în calcul atunci când se selectează emițătoare-receptoare de fibră optică, compară opțiunile de interfață hardware oferite de SPF, SPF+, QSFP și QSFP-DD (densitate dublă) și prezintă modulele de emițătoare-receptoare de la Intel Silicon Photonics, II-VI și Cisco Systems. Se încheie cu o privire asupra testării dispozitivelor de fibră optică, inclusiv un modul loopback de la ColorChip pentru dispozitive de 400 G și o placă de evaluare de la Multilane pentru emițătoarele-receptoarele de 800 G din generația următoare.

Monomodal vs. multimodal

Fibra optică pentru comunicarea de date este alcătuită dintr-un miez de sticlă învelit într-un strat de sticlă, fiecare cu indici de refracție diferiți. Fibrele multimodale (MM) tipice au un miez de 50 μm și funcționează cu lungimi de undă de la 750 nm până la 850 nm, în timp ce o fibră monomodală (SM) are un miez de 9 μm și funcționează de obicei cu lungimi de undă de la 1310 nm până la 1550 nm. În cazul fibrelor MM, lungimea de undă a luminii este mai mică decât lungimea de undă de întrerupere, ceea ce duce la apariția mai multor moduri de propagare a luminii în fibră. Miezul mai mic din fibra SM poate propaga un singur mod pentru o anumită lungime de undă (Figura 1).

Figura 1: miezul mic din fibrele SM le limitează capacitatea de a transmite lumina în mai multe moduri. (Sursa imaginii: Cisco)

Dispersia modală și zgomotul modal limitează lățimea de bandă a fibrelor MM în comparație cu fibrele SM, care nu sunt supuse acestor efecte. În plus, fibrele SM pot suporta distanțe de transmisie mult mai mari în comparație cu fibrele MM. Transmiterea optică a datelor se realizează prin utilizarea unei lungimi de undă diferite pentru fiecare direcție de comunicare. De exemplu, un set de emițătoare-receptoare optice utilizează o combinație de lungimi de undă de 1330 nm și 1270 nm. Unul dintre emițătoare-receptoare transmite un semnal de 1330 nm și primește un semnal de 1270 nm, în timp ce celălalt emițător-receptor transmite un semnal de 1270 nm și primește un semnal de 1330 nm (Figura 2).

Figura 2: emițătoarele-receptoarele optice utilizează lungimi de undă diferite pentru transmiterea și recepționarea datelor. (Sursa imaginii: Cisco)

Putere și căldură

Operatorii centrelor de date sunt sensibili la costurile de energie și cele legate de căldură. În timp ce perechea torsadată neecranată (UTP) pentru cablarea comunicațiilor de date este ieftină, un emițător-receptor UTP poate consuma aproximativ 5 W de energie, în comparație cu valoarea de 1 W sau mai mică necesară pentru un emițător-receptor cu fibră optică.

Căldura suplimentară generată de emițătoarele-receptoarele UTP trebuie eliminată din centrul de date, ceea ce dublează costul total al energiei, ajungând până la valori de aproape zece ori mai mari. Cu excepția traseelor foarte scurte și a vitezelor de date mici, emițătoarele-receptoarele de fibră optică sunt aproape întotdeauna mai puțin costisitoare în ceea ce privește costurile totale de operare pe durata de viață, în comparație cu soluțiile UTP.

De asemenea, cablurile UTP au un diametru mai mare în comparație cu cablurile din fibră optică. Acestea pot fi prea mari pentru a încăpea în unele suporturi de cabluri instalate sub podea în centrele de date de mare densitate. În plus, în cazul cablurilor Cat 6A care transmit la 10 G, diafonia între cablurile UTP poate fi dificil de gestionat. Fibra MM utilizează emițătoare-receptoare mai puțin costisitoare, dar cablarea este mai scumpă atunci când se utilizează optica paralelă pentru transmisii de 40 sau 100 G. Pe măsură ce ratele de transfer de date continuă să crească, fibra SM poate oferi cea mai bună combinație de putere redusă, costuri reduse și soluții de dimensiuni mici.

Opțiunile pentru intervalul de temperaturi

Centrele de date se găsesc în diverse medii, de la facilități dedicate la dulapuri în birouri, depozite și fabrici. Emițătoarele-receptoarele cu fibră optică sunt disponibile în trei intervale de temperatură standard pentru a satisface nevoile unor medii specifice:

• De la 0 °C până la +70 °C, denumite C-temp sau COM, sunt concepute pentru mediile comerciale și mediile standard ale centrelor de date.
• De la -5 °C până la +85 °C, denumite E-temp sau EXT, pentru utilizarea în medii mai dificile.
• De la -40 °C până la +85 °C, denumite I-temp sau IND, pentru utilizare în instalații industriale.

Se așteaptă ca un emițător-receptor optic tipic să funcționeze cu o carcasă cu aproximativ 20 de grade mai fierbinte decât temperatura ambiantă. În mediile în care temperatura ambiantă depășește +50 °C sau scade sub -20 °C, se utilizează emițătoare-receptoare cu clasificare IDN. Unele aplicații necesită emițătoare-receptoare care pot „porni la rece”. În timpul funcționării cu pornire la rece, rețeaua poate accesa I²C și alte interfețe de viteză redusă ale emițătoarelor-receptoarelor, dar traficul de date nu începe până când temperatura carcasei nu atinge -30 °C. Pentru a asigura o funcționare fiabilă a rețelei, este important să monitorizați temperatura de funcționare a emițătoarelor-receptoarelor de fibră optică.

Monitorizare optică digitală

Monitorizarea optică digitală (DOM), denumită și monitorizare digitală de diagnosticare (DDM), este definită în SFF-8472, parte a acordului multisursă (MSA) axat pe monitorizarea digitală a emițătoarelor-receptoarelor de fibră optică. Acesta include următoarele capacități:

• Monitorizarea temperaturii de funcționare a modulului
• Monitorizarea tensiunii de funcționare a modulului
• Monitorizarea curentului de funcționare a modulului
• Monitorizarea puterii optice de emisie și recepție
• Emiterea unei alarme în cazul în care parametrii depășesc nivelurile de siguranță
• Oferă informații despre fabrica modulului la cerere

DOM, așa cum este specificat în SFF-8472, definește indicatori de alarmă sau condiții de alarmă specifice. DOM îi ajută pe administratorii de rețea să monitorizeze performanța modulelor și să identifice modulele care ar putea fi înlocuite înainte de a se defecta.

Până la 100 G, modulele de emisie-recepție optică au fost gestionate prin intermediul unei interfețe de control I²C, utilizând un sistem de comenzi de bază cu memorie mapată definit de SFF 8636. Modulele de viteză mai mare sunt mai complexe de gestionat din cauza includerii interfețelor PAM-4 care necesită o egalizare complexă. Common Management Interface Specification (CMIS) a fost dezvoltată pentru a înlocui sau completa SFF-8472/8636 în modulele de mare viteză.

Factori de formă și scheme de modulare

Emițătoarele-receptoarele SFP sunt disponibile pentru rețelele de cupru și de fibră optică. Utilizarea modulelor SFP permite ca porturile de comunicații individuale să fie populate cu diferite tipuri de emițătoare-receptoare. Factorul de formă SFP și interfața electrică sunt specificate în MSA. Un emițător-receptor SFP de bază poate accepta viteze de transfer de date de până la 4 G pentru Fibre Channel. Cea mai nouă specificație SFP+ acceptă până la 10 G, iar cea mai recentă specificație SFP28 acceptă până la 25 G.

Standardul mai mare de emițător-receptor QSFP acceptă viteze de transmisie de patru ori mai mari decât unitățile SFP corespunzătoare. Varianta QSFP28 oferă până la 100 G, în timp ce QSFP56 dublează această valoare, până la 200 G. Un emițător-receptor QSFP integrează patru canale de transmisie și patru canale de recepție, „28” înseamnă că fiecare canal (sau culoar) poate accepta viteze de transfer de date de până la 28 G.; prin urmare, un QSFP28 poate accepta o configurație de 4 x 25 G (breakout), 2 x 50 G breakout sau 1 x 100 G, în funcție de emițător-receptor. Deoarece porturile QSFP sunt mai mari decât cele SFP, sunt disponibile adaptoare care permit plasarea unui emițător-receptor SFP într-un port QSFP.

Cea mai recentă variantă este QSFP-DD, care dublează numărul de interfețe în comparație cu un modul QSFP28 obișnuit. În plus, noua specificație include suport pentru modularea amplitudinii pulsului 4 (PAM4), care poate furniza 50 G, oferind o dublare suplimentară a vitezei de transmisie și rezultând într-o creștere globală de 4 ori a vitezei portului în comparație cu un modul QSFP28.

Modulația tradițională fără întoarcere la zero (NRZ) utilizată în emițătoarele-receptoarele de fibră optică modulează intensitatea luminii la două niveluri. PAM utilizează patru niveluri de intensitate a luminii pentru a codifica doi biți în fiecare perioadă de impuls optic în loc de unul, permițând aproape dublarea datelor în aceeași lățime de bandă (Figura 3).

Figura 3: transmisiunile PAM4 mai complexe transportă mult mai multe date decât NRZ. (Sursa imaginii: Cisco)

QSFP-DD pentru centrele de date mari

Proiectanții centrelor de date cloud și ai întreprinderilor de mari dimensiuni pot utiliza emițătorul-receptorul optic SPTSHP3PMCDF QSFP-DD de la Intel Silicon Photonics. Acest modul are o capacitate de transmisie de 2 km, este specificat pentru funcționare la temperaturi cuprinse între 0 °C și +70 °C și acceptă legături optice de 400 G pe fibră SM sau patru legături optice de 100 G pentru aplicații breakout (Figura 4). Caracteristicile acestui emițător-receptor QSFP-DD includ:

• Conformitate cu specificația interfeței optice 4 x 100 G Lambda MSA și cu standardul de interfață optică IEEE 400GBASE-DR4
• Conformitate cu standardul de interfață electrică IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• Conformitate cu standardul de interfață de management CMIS cu diagnosticare și control complet al modulului prin I²C

Figura 4: acest emițător-receptor QSFP-DD are o rază de acțiune de 2 km. (Sursa imaginii: Intel)

SFP+ multimodal

Emițătorul-receptorul optic SFP+ FTLF8538P5BCz de la II-VI are funcții DDM integrate și este proiectat pentru utilizare în cazul vitezei de transfer de date de 25 G pe fibră MM (Figura 5). Este proiectat să funcționeze de la 0 °C la +70 °C. Alte caracteristici includ:

• Transmițător cu laser cu emisie laterală cu cavitate verticală (VCSEL) de 850 nm
• 100 m de transmisie pe cablu 50/125 μm OM4, M5F MMF 50/125 μm
• 70 m de transmisie pe cablu 50/125 μm OM3, M5E MMF 50/125 μm
• 1E-12 rata de eroare pe bit (BER) pe 30 m cu cablu OM3 și 40 m cu cablu OM4
• Consum maxim de energie de 1 W

Figura 5: acest emițător-receptor SFP+ are o capacitate nominală de 25 G și utilizează fibra MM. (Sursa imaginii: II-VI)

SPF monomodal

SFP-10G-BXD-I și SFP-10G-BXU-I de la Cisco funcționează cu fibră SM care acceptă distanțe de transmisie de până la 10 km. Un SFP-10G-BXD-I este întotdeauna conectat la un SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I transmite un canal de 1330 nm și primește un semnal de 1270 nm, iar SFP-10G-BXU-I transmite la o lungime de undă de 1270 nm și primește un semnal de 1330 nm. Aceste emițătoare-receptoare includ, de asemenea, funcții DOM care monitorizează performanța în timp real.

Loopback-uri pentru testare

Inginerii și tehnicienii de rețea și de testare pot utiliza loopback-uri și module de loopback pentru a testa capacitatea de transmisie a echipamentelor de rețea optică și sensibilitatea receptorului. ColorChip oferă un modul loopback care acceptă scenarii de utilizare ridicată cu 2000 de cicluri la temperaturi cuprinse între -40 °C și +85 °C (Figura 6). Acest modul loopback include un consum de energie multiplă definit prin software pentru a emula puterea modulului optic și caracteristicile de pierdere prin inserție încorporate care emulează cablarea din lumea reală pentru 200/400 G Ethernet, Infiniband și Fibre Channel. Protecția încorporată împotriva supratensiunilor reduce riscurile de deteriorare a dispozitivului testat. Utilizările acestui modul de buclă includ testarea porturilor, testarea implementării pe teren și depanarea echipamentelor.

Figura 6: acest modul loopback este conceput pentru a testa performanța emițătorului-receptorului optic. (Sursa imaginii: DigiKey)

Kit de dezvoltare QSFP 800 G

Pentru inginerii de rețea care se pregătesc pentru următoarea generație de emițătoare-receptoare 800 G, Multilane oferă ML4062-MCB, care pune la dispoziție o platformă eficientă și ușor de utilizat pentru programarea și testarea emițătoarelor-receptoarelor QSFP-DD800 și a cablurilor optice active (Figura 7). GUI acceptă toate caracteristicile definite de QSFP-DD MSA și simplifică procesul de configurare. Acesta poate fi utilizat pentru a simula un mediu real pentru testarea, caracterizarea și fabricarea modulelor emițătoarelor-receptoarelor QSFP-DD și este conform cu specificațiile OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 și OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Figura 7: această platformă de dezvoltare este concepută pentru a fi utilizată cu emițătoare-receptoare 800 G din generația următoare. (Sursa imaginii: DigiKey)

Rezumat

Emițătoarele-receptoarele de fibră optică sprijină nevoile inginerilor de rețele de centre de date în ceea ce privește soluțiile de mare viteză, compacte și cu consum redus de energie. Aceste emițătoare-receptoare sunt disponibile în diferite formate și în trei intervale standard de temperatură de funcționare, cu fibre SM sau MM. Modulele loopback pot fi utilizate pentru a valida performanța elementelor rețelei de fibră optică. Platformele de dezvoltare pot fi utilizate pentru a explora capacitățile emițătoarelor-receptoarelor 800 G și pentru a pregăti calea pentru următoarea generație de rețele bazate pe fibră optică.