Optisten liitäntöjen käyttö palvelinkeskusten suorituskyvyn optimointiin

Nopeita ja kestäviä vähävirtaisia kuituoptiikkaliitäntöjä tarvitaan entistä enemmän luotettavan ja lyhyen viiveen tiedonsiirron mahdollistamiseksi pilvipalveluissa ja muissa palvelinkeskuksissa. Kuituoptiset lähetin-vastaanottimet voidaan optimoida täyttämään palvelinkeskuksen tiedonsiirtotarpeet nopeudella 400 gigabittiä sekunnissa (G). Palvelinkeskusten kuituoptiikkatiedonsiirron tärkeitä moduulistandardeja ovat muun muassa SFP (Small Form-factor Pluggable), SFP+ ja QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable). Yksi SFP:n, SFP+:n ja QSFP:n välisistä eroista on nimellinen tiedonsiirtonopeus. Se on kuitenkin vain yksi lähetin-vastaanottimen valintatekijöistä, joita ovat myös muun muassa virrankulutus, lämmönhallinta, vaadittu tiedonsiirtoetäisyys, käyttölämpötila-alue ja integroitu diagnostiikka. Lisäksi verkkoinsinöörit tarvitsevat tehokkaan tavan testata optisten lähetin-vastaanotinten kantamaa ja vastaanotinten herkkyyttä.

Tässä artikkelissa tutustutaan kuituoptisten lähetin-vastaanotinten tärkeisiin valintakriteereihin, verrataan SFP:n, SFP+:n, QSFP:n ja QSFP-DD:n (kaksinkertainen tiheys) laitteisto-ominaisuuksia ja esitellään Intel Silicon Photonicsin, II-VI:n ja Cisco Systemsin lähetin-vastaanotinmoduuleita. Lopuksi artikkelissa tehdään katsaus kuituoptiikkalaitteiden testaukseen ColorChip-silmukkamoduulilla 400 G:n laitteille ja Multilanen arviointikortilla uuden sukupolven 800 G:n lähetin-vastaanottimille.

Yksimuoto ja monimuoto

Optiset tiedonsiirtokuidut koostuvat lasikuorilla päällystetyistä lasiytimistä, joilla molemmilla on eri taitekertoimet. Tyypillisissä monimuotoisissa (Multi-Mode, MM) kuiduissa ydin on 50 μm ja käytettävä aallonpituus 750–850 nm, kun taas yksimuotoisissa (Single-Mode, SM) kuiduissa ydin on 9 μm ja tyypillisesti käytettävä aallonpituus 1310 – 1550 nm. Monimuotokuiduissa valon aallonpituus on lyhyempi kuin raja-aallonpituus, joten kuidussa voidaan siirtää useampia valomuotoja yhtä aikaa. Yksimuotokuidun pienempi ydin voi siirtää vain yhtä määritetyn aallonpituuden muotoa (kuva 1).

Kuva 1: Yksimuotokuidun pieni ydin rajoittaa sen kykyä siirtää valoa useammassa kuin yhdessä muodossa. (Kuvan lähde: Cisco)

Muotodispersio ja muotokohina rajoittavat monimuotokuitujen kaistanleveyttä verrattuna yksimuotokuituihin, joihin nämä tekijät eivät vaikuta. Lisäksi yksimuotokuidut voivat tukea paljon pidempiä tiedonsiirtoetäisyyksiä monimuotokuituihin verrattuna. Optinen tiedonsiirto saavutetaan käyttämällä tiedonsiirrossa eri aallonpituutta eri suunnissa. Esimerkiksi lähetin-vastaanotinpari voi käyttää aallonpituuksien 1330 nm ja 1270 nm yhdistelmää. Yksi lähetin-vastaanotin lähettää 1330 nm:n signaalin ja vastaanottaa 1270 nm:n signaalin, kun taas toinen lähettää 1270 nm:n signaalin ja vastaanottaa 1330 nm:n signaalin (kuva 2).

Kuva 2: Optiset lähetin-vastaanottimet käyttävät eri aallonpituuksia tietojen lähettämiseen ja vastaanottamiseen. (Kuvan lähde: Cisco)

Virrankulutus ja lämpö

Sähkö- ja lämpökustannukset ovat merkittäviä kysymyksiä palvelinkeskusten ylläpitäjille. Suojaamattomat kierretyt parikaapelit (Unshielded Twisted Pair, UTP) ovat edullisia tiedonsiirtokaapeleita, mutta UTP-lähetin-vastaanotin voi kuluttaa noin 5 W tehoa, kun kuitulähetin-vastaanotin tarvitsee vain 1 W.

UTP-lähetin-vastaanotinten synnyttämä lisälämpö täytyy poistaa palvelinkeskuksesta, mikä nostaa kokonaisenergiakustannukset lähes kymmenkertaisiksi. Kuitulähetin-vastaanotinten kokonaiselinkaarikustannukset ovat lähes aina alhaisemmat kuin UTP-ratkaisujen, paitsi hyvin pienillä tiedonsiirtoetäisyyksillä ja -nopeuksilla.

UTP-kaapeleilla on myös suurempi halkaisija kuin kuitukaapeleilla. Ne voivat olla liian suuria joihinkin tiheiden palvelinkeskusten lattioiden alle asennettuihin kaapelihyllyihin. Lisäksi 10 G:n tiedonsiirtonopeuden Cat 6A ‑kaapeleissa UTP-kaapeleiden välisen ylikuulumisen ehkäiseminen voi olla vaikeaa. Monimuotokuidut käyttävät edullisia lähetin-vastaanottimia, mutta rinnakkaisoptiikkaa 40 tai 100 G:n tiedonsiirtonopeudella hyödyntävät kaapelit ovat kalliimpia. Tiedonsiirtonopeudet kasvavat jatkuvasti, joten yksimuotokuitujen matala virrankäyttö, alhaiset kustannukset ja pieni koko saattavat tarjota parhaan kokonaisuuden.

Lämpötila-alueen valinta

Palvelinkeskuksia on eri ympäristöissä aina tarkoitukseen rakennetuista tiloista toimistojen, varastojen ja tehtaiden kaappeihin. Kuituoptisia lähetin-vastaanottimia on saatavilla kolmella vakiolämpötila-alueella ympäristötarpeiden mukaan:

• 0…70 °C eli C-temp tai COM on suunniteltu kaupallisiin ja tavallisiin palvelinkeskusympäristöihin.
• −5…+85 °C eli E-temp tai EXT on tarkoitettu haastavimpiin ympäristöihin.
• −40…+85 °C eli I-temp tai IND on tarkoitettu teollisiin asennuskohteisiin.

Tyypillistä optista lähetin-vastaanotinta odotetaan käytettävän kotelossa, jonka lämpötila on noin 20 astetta kuumempi kuin ympäristön lämpötila. IDN-luokiteltuja lähetin-vastaanottimia käytetään ympäristöissä, joissa lämpötila ylittää +50 °C tai alittaa −20 °C. Joissain sovelluksissa lähetin-vastaanotinten täytyy tukea ”kylmäkäynnistystä”. Kylmäkäynnistystoiminnan aikana verkko voi käyttää lähetin-vastaanotinten I²C-osoitetta ja muita hitaita rajapintoja, mutta varsinainen tiedonsiirto voi alkaa vasta, kun kotelon lämpötila on vähintään −30 °C Kuituoptisten lähetin-vastaanotinten käyttölämpötilan valvonta on tärkeää verkon luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

Digitaalinen optiikan valvonta

Digitaalinen optiikan valvonta (Digital Optical Monitoring, DOM), joka tunnetaan myös digitaalisena diagnostisena valvontana (Digital Diagnostic Monitoring, DDM), on Multi-Source Agreement (MSA) ‑sopimuksen SFF-8472-osassa määritelty kuituoptisten lähetin-vastaanotinten digitaaliseen valvontaan keskittyvä standardi. Se kattaa seuraavat ominaisuudet:

• moduulin käyttölämpötilan valvonta
• moduulin käyttöjännitteen valvonta
• moduulin käyttövirran valvonta
• lähetyksen ja vastaanoton optisen tehon valvonta
• hälytys parametrien turvallisen tason ylityksestä
• moduulin tehdastietojen tarjoaminen pyynnöstä.

SFF-8472-standardi määritelty DOM määrittää tietyt hälytysindikaattorit ja -olosuhteet. DOM auttaa verkkojen järjestelmänvalvojia valvomaan moduulien suorituskykyä ja tunnistamaan moduulit, jotka tulee vaihtaa ennen niiden vioittumista.

Jopa 100 G:n optisia lähetin-vastaanotinmoduuleita on hallittu I²C-ohjainrajapinnan kautta käyttämällä SFF 8636 -standardissa määriteltyä perustason muistiavaruudessa näkyvää komentojärjestelmää. Nopeampien moduuleiden hallinta on mutkikkaampaa, sillä niissä käytetään monimutkaista ekvivalisointia vaativia PAM-4-rajapintoja. Common Management Interface Specification (CMIS) kehitettiin standardien SFF-8472/8636 korvaamiseksi tai täydentämiseksi nopeita moduuleita varten.

Laitemuodot ja modulointityypit

SFP-lähetin-vastaanottimia on saatavana kupari- ja kuituverkkoihin. SFP-moduulien avulla yksittäisissä tiedonsiirtoporteissa voidaan käyttää erityyppisiä lähetin-vastaanottimia. SFP:n laitemuoto ja sähköiset rajapinnat on määritetty MSA-sopimuksessa. Perustason SFP-lähetin-vastaanotin voi tukea jopa 4 G:n tiedonsiirtonopeutta Fibre Channel ‑tekniikalla. Uudempi SFP+ -spesifikaatio tukee jopa 10 G:n ja uusin SFP28-spesifikaatio 25 G:n tiedonsiirtoa.

Korkeampi QSFP-lähetin-vastaanotin-standardi tukee vastaaviin SFP-laitteisiin nähden nelinkertaisia tiedonsiirtonopeuksia. Sen QSFP28-versio mahdollistaa 100 G:n tiedonsiirtonopeuden ja QSFP56 taas 200 G:n. QSFP-lähetin-vastaanottimeen on integroitu neljä lähetys- ja vastaanottokanavaa. Numero 28 merkitsee, että kukin kanava (eli kaista) tukee jopa 28 G:n tiedonsiirtoa. Näin ollen QSFP28 voi lähetin-vastaanottimesta riippuen tukea 4 x 25 G:n (breakout) tai 2 x 50 G:n breakout-konfiguraatiota tai 1 x 100 G:n konfiguraatiota. Koska QSFP-portit ovat SFP-portteja suurempia, saatavilla on sovittimia SFP-lähetin-vastaanottimen kytkemiseksi QSFP-porttiin.

Uusin versio QSFP-DD kaksinkertaistaa rajapintojen määrän tavalliseen QSFP28-moduuliin nähden. Lisäksi uusi spesifikaatio sisältää tuen 50 G:n tiedonsiirtoa tukevalle PAM-4-pulssiamplitudimodulaatiolle, eli tiedonsiirtonopeus kaksinkertaistuu jälleen, jolloin saadaan yhteensä nelinkertainen porttinopeus QSFP28-moduuliin verrattuna.

Kuitulähetin-vastaanottimissa käytetty perinteinen NRZ (Non-Return to Zero) ‑modulaatio moduloi valon intensiteettiä kahdella tasolla. PAM käyttää neljää valointensiteettitasoa kahden bitin koodaamiseen kuhunkin optiseen pulssiin yhden sijaan, mikä mahdollistaa lähes kaksinkertaisen tiedonsiirron samalla kaistanleveydellä (kuva 3).

Kuva 3: Monimutkaisempaan PAM-4-tiedonsiirtoon sisältyy huomattavasti enemmän tietoa kuin NRZ-signalointiin. (Kuvan lähde: Cisco)

QSFP-DD suuriin palvelinkeskuksiin

Suuren mittakaavan pilvipalveluiden ja suuryritysten palvelinkeskusten suunnittelijat voivat kääntyä Intel Silicon Photonicsin optisten QSFP-DD-teknologiaa käyttävien SPTSHP3PMCDF-lähetin-vastaanotinten puoleen. Tämän moduulin tiedonsiirtoetäisyys on jopa 2 km, sen käyttölämpötila-alue on 0…70 °C ja se tukee 400 G:n optisia linkkejä yksimuotokuidulla tai neljää 100 G:n optista linkkiä breakout-sovelluksissa (kuva 4). Tämän QSFP-DD-lähetin-vastaanottimen ominaisuuksiin sisältyvät seuraavat:

• tukee optisten rajapintojen 4 x 100 G Lambda MSA ‑spesifikaatiota ja IEEE 400GBASE-DR4 ‑standardia
• täyttää sähköisen rajapintojen IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) ‑standardin
• täyttää CMIS-hallintarajapintastandardin vaatimukset, mukaan lukien moduulin täysi diagnostiikka ja ohjaus I²C-väylän kautta.

Kuva 4: Tämä QSFP-DD-lähetin-vastaanotin tukee 2 km:n tiedonsiirtoetäisyyttä.(Kuvan lähde: Intel)

Monimuoto ja SFP+

II-VI-yrityksen optisessa FTLF8538P5BCz SFP+ ‑lähetin-vastaanottimessa on integroidut DDM-toiminnot, ja se on suunniteltu käyttöön 25 G:n tiedonsiirrossa monimuotokuidulla (kuva 5). Sen suunniteltu käyttölämpötila-alue on 0…70 °C. Muita ominaisuuksia ovat mm.:

• 850 nm:n VCSEL (Vertical Cavity Side Emitting Laser) ‑lähetin
• 100 m:n tiedonsiirtoetäisyys 50/125 μm:n OM4 M5F MMF ‑kaapelilla
• 70 m:n tiedonsiirtoetäisyys 50/125 μm:n OM3 M5E MMF ‑kaapelilla
• 1E-12:n bittivirhesuhde (BER) 30 metrillä OM3-kaapelilla tai 40 metrillä OM4-kaapelilla
• Maksimi virrankulutus 1 W.

Kuva 5: Tämä SFP+ -lähetin-vastaanotin tukee 25 G:n tiedonsiirtoa monimuotokuidulla. (Kuvan lähde: II-VI)

Yksimuoto ja SPF

Ciscon SFP-10G-BXD-I ja SFP-10G-BXU-I käyttävät yksimuotokuitua, joka tukee jopa 10 km:n tiedonsiirtoetäisyyksiä. SFP-10G-BXD-I kytketään aina SFP-10G-BXU-I:hin. SFP-10G-BXD-I lähettää 1330 nm:n kanavalla ja vastaanottaa 1270 nm:n signaalin, kun taas SFP-10G-BXU-I lähettää 1270 nm:n aallonpituudella ja vastaanottaa 1330 nm:n signaalin. Näissä lähetin-vastaanottimissa on myös DOM-toiminnot suorituskyvyn reaaliaikaiseen valvontaan.

Testaussilmukat

Verkko- ja testi-insinöörit ja -teknikot voivat käyttää kuituoptiikan silmukkamoduuleita optisten verkkolaitteiden lähetysominaisuuksien ja vastaanottimen herkkyyden testaamiseen. ColorChipin silmukkamoduuli tukee 2000 syklin korkean käyttöasteen skenaarioita lämpötilavälillä −40…+85 °C (kuva 6). Tämä silmukkamoduuli mahdollistaa useiden tehonkulutustasojen määrittämisen ohjelmistollisesti. Näin voidaan emuloida optisen moduulin tehoa ja reaalimaailman 200/400 G:n Ethernet-, Infiniband- ja Fibre Channel ‑kaapeleiden kytkentähäviöominaisuuksia. Sisäänrakennettu virtapiikkisuojaus laskee testattavan laitteen vaurioitumisriskiä. Tämän silmukkamoduulin käyttökohteisiin kuuluvat porttien testaus, käyttöönoton testaus kentällä ja laitteiston vianmääritys.

Kuva 6: Tämä silmukkamoduuli on suunniteltu optisen lähetin-vastaanottimen suorituskyvyn testaukseen. (Kuvan lähde: DigiKey)

800 G:n QSFP-kehityssarja

Multilane tarjoaa uuden sukupolven 800 G:n lähetin-vastaanottimiin valmistautuville verkkoinsinööreille ML4062-MCB-kehityssarjaa, joka on tehokas ja helppokäyttöinen alusta QSFP-DD800-lähetin-vastaanotinten ja aktiivisten optisten kaapeleiden ohjelmointiin ja testaukseen (kuva 7). Graafinen käyttöliittymä tukee kaikkia QSFP-DD MSA ‑spesifikaatiossa määriteltyjä ominaisuuksia ja yksinkertaistaa konfigurointia. Sitä voi käyttää QSFP-DD-lähetin-vastaanotinten todellisen käyttöympäristön simulointiin, moduulien testaukseen, luokitteluun sekä valmistukseen, ja se täyttää OIF-CEI-112G-VSR-PAM4- ja OIF-CEI-56G-VSR-NRZ-spesifikaatiot.

Kuva 7: Tämä kehitysalusta on suunniteltu käyttöön uuden sukupolven 800 G:n lähetin-vastaanotinten kanssa. (Kuvan lähde: DigiKey)

Yhteenveto

Kuituoptiset lähetin-vastaanottimet tarjoavat palvelinkeskusten verkkoinsinööreille heidän tarvitsemansa kompaktit, vähävirtaiset ja nopeat tiedonsiirtoratkaisut. Näitä lähetin-vastaanottimia on saatavilla eri muodoissa kolmella standardisoidulla käyttölämpötila-alueella käyttöön yksi- tai monimuotokuitujen kanssa. Silmukkamoduuleita voidaan käyttää verkon kuituoptiikkaelementtien suorituskyvyn validointiin. Kehitysalustojen avulla voidaan tutustua 800 G:n lähetin-vastaanotinten ominaisuuksiin ja valmistautua uuden sukupolven kuituoptiikkaverkkoja varten.