Jak používat optická propojení k optimalizaci výkonu datových center

Potřeba vysokorychlostních a robustních optických propojení s nízkou spotřebou energie roste, aby podpořila požadavky na spolehlivou komunikaci s nízkou latencí v cloudu a dalších datových centrech. Optické transceivery lze optimalizovat tak, aby splňovaly specifické potřeby datových center pro přenosové rychlosti až 400 gigabitů za sekundu (G). Mezi důležité standardy modulů pro optickou komunikaci datových center patří formát SPF („small form factor pluggable“), SPF+ a QSFP („quad small form-factor pluggable“). Jedním z rozdílů mezi moduly SPF, SPF+ a QSPF je jmenovitá přenosová rychlost. Přesto je to pouze jeden faktor, který je třeba brát při výběru transceiveru v úvahu. Je třeba zvážit spotřebu energie a regulaci tepla, požadovanou přenosovou vzdálenost, rozsah provozních teplot, integrovanou diagnostiku a další faktory. Síťoví inženýři potřebují navíc účinný způsob, jak otestovat přenosový dosah optických transceiverů a citlivost přijímače.

Tento článek začíná přehledem důležitých aspektů při výběru optických transceiverů, jsou v něm porovnány možnosti hardwarového rozhraní poskytované formáty SPF, SPF+, QSFP a QSFP-DD („double density“) a představeny moduly transceiverů od společností Intel Silicon Photonics, II-VI a Cisco Systems. Článek je uzavřen pohledem na testování optických zařízení, včetně modulu zpětné smyčky od společnosti ColorChip pro zařízení 400 G a vyhodnocovací desky od společnosti Multilane pro transceivery nové generace 800 G.

Jednovidová vs. mnohovidová

Optická vlákna pro datovou komunikaci se skládají ze skleněného jádra obaleného skleněným pláštěm a každá z těchto vrstev má jiný index lomu. Typická mnohovidová („multi-mode“, MM) vlákna mají 50μm jádro a pracují s vlnovými délkami 750 nm až 850 nm, zatímco jednovidové („single-mode“, SM) vlákno má 9μm jádro a typicky pracuje s vlnovými délkami 1 310 nm až 1 550 nm. V případě MM vláken je vlnová délka světla kratší než mezní vlnová délka, což má za následek více vidů šíření světla vláknem. Menší jádro v SM vláknu může pro specifikovanou vlnovou délku šířit pouze jeden vid (obrázek 1).

Obrázek 1: Malé jádro v SM vláknech omezuje jejich schopnost přenášet světlo ve více než jednom vidu. (Zdroj obrázku: společnost Cisco)

Vidová disperze a vidový šum omezují šířku pásma MM vláken ve srovnání s SM vlákny, která těmto vlivům nepodléhají. Navíc SM vlákna mohou ve srovnání s MM vlákny podporovat mnohem delší přenosové vzdálenosti. Optického přenosu dat se dosahuje tak, že se pro každý směr komunikace použije jiná vlnová délka. Například jedna sada optických transceiverů používá kombinaci vlnových délek 1 330 nm a 1 270 nm. Jeden z transceiverů vysílá signál o vlnové délce 1 330 nm a přijímá signál o vlnové délce 1 270 nm, zatímco druhý transceiver vysílá signál o vlnové délce 1 270 nm a přijímá signál o vlnové délce 1 330 nm (obrázek 2).

Obrázek 2: Optické transceivery používají různé vlnové délky pro vysílání a příjem dat. (Zdroj obrázku: společnost Cisco)

Výkon a tepelné vlastnosti

Pro provozovatele datových center je otázka nákladů na energii a teplo citlivá. Nestíněná kroucená dvoulinka („unshielded twisted pair“, UTP) pro datové komunikační kabely je sice levná, transceiver UTP může spotřebovat přibližně 5 W energie ve srovnání s 1 W nebo méně, který potřebuje optický transceiver.

Dodatečné teplo generované transceivery UTP musí být z datového centra odebíráno, čímž se dvojnásobné celkové zvýšení nákladů na energii vyšplhá na téměř desetinásobek. Kromě velmi krátkých tras a nízkých přenosových rychlostí jsou optické transceivery z hlediska celkových provozních nákladů po celou dobu životnosti ve srovnání s řešeními UTP téměř vždy levnější.

Kabely UTP mají ve srovnání s optickými kabely také větší průměr. Mohou být příliš velké na to, aby se vešly do některých kabelových žlabů instalovaných pod podlahou v datových centrech s vysokou hustotou. Navíc pro kabely Cat 6A přenášející rychlostí 10 G může být obtížné řídit přeslechy mezi kabely UTP. MM vlákno využívá levnější transceivery, ale kabeláž je při použití paralelní optiky pro přenosy 40 nebo 100 G dražší. Vzhledem k tomu, že rychlost přenosu dat neustále stoupá, SM vlákno může nabídnout nejlepší kombinaci nízké spotřeby, nízkých nákladů a malých rozměrů řešení.

Volba teplotního rozsahu

Datová centra se nacházejí v různých prostředích, od vyhrazených závodů až po skříně v kancelářích, skladech a továrnách. Optické transceivery jsou k dispozici ve třech standardních teplotních rozsazích, aby vyhovovaly potřebám konkrétních prostředí:

• 0 °C až +70 °C, označované jako C-temp nebo COM, jsou určeny pro komerční a standardní prostředí datových center.
• −5 °C až +85 °C, označované jako E-temp nebo EXT, pro použití v náročnějších prostředích.
• −40 °C až +85 °C, označované jako I-temp nebo IND, pro použití v průmyslových instalacích.

U typického optického transceiveru se očekává, že bude pracovat s pouzdrem asi o 20 stupňů teplejším, než je okolní teplota. V prostředích, kde okolní teplota přesahuje +50 °C nebo klesá pod −20 °C, se používají transceivery s označením IDN. Některé aplikace vyžadují transceivery, které mohou mít „studený start“. Během studeného startu může síť přistupovat k I²C a dalším rozhraním transceiveru s nízkou rychlostí, ale datový provoz se nespustí, dokud teplota pouzdra nedosáhne −30 °C. K zajištění spolehlivého provozu sítě je důležité sledovat provozní teplotu optických transceiverů.

Digitální optické monitorování

Digitální optické monitorování („digital optical monitoring“, DOM), také označované jako digitální diagnostické monitorování („digital diagnostic monitoring“, DDM), je definováno v normě SFF-8472 v části vícezdrojové dohody („multi-source agreement“, MSA) zaměřené na digitální monitorování optických transceiverů. Monitorování zahrnuje následující funkce:

• Monitorování provozní teploty modulu
• Monitorování provozního napětí modulu
• Monitorování provozního proudu modulu
• Monitorování vysílání a příjmu optického výkonu
• Hlášení alarmu, pokud parametry překročí bezpečné úrovně
• Na vyžádání poskytnutí továrních informací o modulu

DOM, jak je uvedeno v normě SFF-8472, definuje specifické příznaky alarmu nebo podmínky alarmu. DOM pomáhá správcům sítě monitorovat výkon modulů a identifikovat moduly, které může být nutné vyměnit dříve, než selžou.

Moduly optického transceiveru až do 100 G byly spravovány přes řídicí rozhraní I²C pomocí systému základních příkazů mapovaných v paměti, který definuje norma SFF 8636. Vysokorychlostní moduly jsou složitější na správu díky začlenění rozhraní PAM-4, která vyžadují komplexní vyrovnávání. Specifikace CMIS („Common Management Interface Specification“, specifikace společného rozhraní pro správu) byla vyvinuta s cílem nahradit nebo doplnit normu SFF-8472/8636 v oblasti vysokorychlostních modulů.

Tvarové faktory a modulační schémata

Pro měděné a optické sítě jsou k dispozici transceivery SFP. Použití modulů SFP umožňuje osazení jednotlivých komunikačních portů různými typy transceiverů. Tvarový faktor SFP a elektrické rozhraní jsou specifikovány v dohodě MSA. Základní transceiver SFP může pro protokol Fibre Channel podporovat datové rychlosti až 4 G. Novější specifikace SFP+ podporuje až 10 G a nejnovější specifikace SFP28 podporuje dokonce až 25 G.

Standard většího transceiveru QSFP podporuje přenosové rychlosti čtyřikrát vyšší než odpovídající jednotky SFP. Varianta QSFP28 poskytuje až 100 G, zatímco varianta QSFP56 ji zdvojnásobuje na 200 G. Transceiver QSFP obsahuje čtyři vysílací a čtyři přijímací kanály, „28“ znamená, že každý kanál (nebo pruh) může podporovat rychlosti přenosu dat až 28 G. Výsledkem je, že varianta QSFP28 může v závislosti na transceiveru podporovat konfiguraci 4 × 25 G (breakout), 2 × 50 G breakout nebo 1 × 100 G. Vzhledem k tomu, že porty QSFP jsou větší než SFP, jsou k dispozici adaptéry, které umožňují umístění transceiveru SFP do portu QSFP.

Nejnovější variantou je QSFP-DD, která ve srovnání s běžným modulem QSFP28 zdvojnásobuje počet rozhraní. Nová specifikace navíc zahrnuje podporu pulzní amplitudové modulace 4 („pulse amplitude modulation 4“, PAM4), která dokáže poskytovat přenosovou rychlost 50 G, což přináší další zdvojnásobení přenosové rychlosti a vede k celkovému čtyřnásobnému zvýšení rychlosti portu ve srovnání s modulem QSFP28.

Tradiční modulace NRZ („non-return to zero“) používaná v optických transceiverech moduluje intenzitu světla ve dvou úrovních. PAM používá čtyři úrovně intenzity světla ke kódování dvou bitů v každé periodě optického impulzu namísto jednoho, což umožňuje téměř dvojnásobné množství dat ve stejné šířce pásma (obrázek 3).

Obrázek 3: Složitější přenosy PAM4 přenášejí mnohem více dat než NRZ. (Zdroj obrázku: společnost Cisco)

QSFP-DD pro velká datová centra

Konstruktéři rozsáhlých cloudových a firemních datových center mohou využít optický transceiver QSFP-DD SPTSHP3PMCDF od společnosti Intel Silicon Photonics. Tento modul má přenosový dosah 2 km, je určen pro provoz od 0 °C do +70 °C a podporuje optické spoje 400 G přes SM vlákno nebo čtyři optické spoje 100 G pro breakout aplikace (obrázek 4). Mezi vlastnosti tohoto transceiveru QSFP-DD patří:

• Soulad se specifikací optického rozhraní 4 × 100 G Lambda MSA a standardem optického rozhraní IEEE 400GBASE-DR4
• Shoda se standardem elektrického rozhraní IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• Soulad se standardem rozhraní pro správu CMIS s úplnou diagnostikou a ovládáním modulu prostřednictvím I²C

Obrázek 4: Tento transceiver QSFP-DD má dosah 2 km. (Zdroj obrázku: společnost Intel)

Vícevidová specifikace SFP+

Optický transceiver SFP+ FTLF8538P5BCz od společnosti II-VI má integrované funkce DDM a je navržen pro použití s přenosovou rychlostí 25 G přes MM vlákno (obrázek 5). Je určen k provozu od 0 °C do +70 °C. Mezi další funkce patří:

• 850nm vysílač s laserovou diodou emitující světlo z boku („vertical cavity side emitting laser“, VCSEL)
• Přenos na 100 m přes kabel OM4, M5F MMF kabel 50/125 μm
• Přenos na 70 m přes kabel OM3, M5E MMF kabel 50/125 μm
• Bitová chybovost („bit error rate“, BER) 1E-12 přes 30 m s kabelem OM3 a 40 m s kabelem OM4
• Maximální spotřeba energie 1 W

Obrázek 5: Tento transceiver SFP+ je dimenzován na 25 G a využívá MM vlákno. (Zdroj obrázku: společnost II-VI)

Jednovidová specifikace SPF

Zařízení SFP-10G-BXD-I a SFP-10G-BXU-I od společnosti Cisco pracují s SM vláknem, které podporuje přenosové vzdálenosti až 10 km. Model SFP-10G-BXD-I je vždy připojen k zařízení SFP-10G-BXU-I. Model SFP-10G-BXD-I vysílá kanál na vlnové délce 1 330 nm a přijímá signál 1 270 nm. Model SFP-10G-BXU-I vysílá na vlnové délce 1 270 nm a přijímá signál 1 330 nm. Tyto transceivery obsahují také funkce DOM, které monitorují výkon v reálném čase.

Zpětné smyčky pro testování

K testování přenosové schopnosti zařízení optické sítě a citlivosti přijímače mohou síťoví inženýři, testeři a technici používat optické zpětné smyčky a moduly zpětné smyčky. Společnost ColorChip poskytuje modul zpětné smyčky, který podporuje scénáře vysokého využití s 2 000 cykly při −40 °C až +85 °C (obrázek 6). Tento modul zpětné smyčky obsahuje softwarově definovanou vícenásobnou spotřebu energie pro emulaci výkonu optického modulu a vestavěné charakteristiky vložného útlumu emulující skutečnou kabeláž pro protokoly ethernet 200/400 G, Infiniband a Fibre Channel. Vestavěná přepěťová ochrana snižuje rizika poškození testovaného zařízení. Tento modul zpětné smyčky se používá k testování portů, testování nasazení v terénu a k odstraňování problémů se zařízením.

Obrázek 6: Tento modul zpětné smyčky je navržen k testování výkonu optického transceiveru. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Vývojová sada 800 G QSFP

Pro síťové inženýry, kteří se připravují na novou generaci transceiverů 800 G, nabízí společnost Multilane produkt ML4062-MCB, který poskytuje účinnou a snadno použitelnou platformu pro programování a testování transceiverů QSFP-DD800 a aktivních optických kabelů (obrázek 7). GUI podporuje všechny funkce definované dohodou MSA QSFP-DD a zjednodušuje proces konfigurace. Platforma může být použita k simulaci skutečného prostředí pro testování, charakterizaci a výrobu modulů transceiverů QSFP-DD a vyhovuje specifikacím OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 a OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Obrázek 7: Tato vývojová platforma je určena k používání s transceivery nové generace 800 G. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Shrnutí

Optické transceivery podporují potřeby síťových inženýrů datových center na vysokorychlostní a kompaktní řešení s nízkou spotřebou energie. Tyto transceivery jsou k dispozici v různých formátech a třech standardních rozsazích provozních teplot, buď s SM, nebo MM vlákny. K ověření výkonu prvků optické sítě lze použít moduly zpětné smyčky. K prozkoumání možností transceiverů 800 G a k přípravě cesty pro další generaci optických sítí lze použít vývojové platformy.