Optikai összeköttetések használata az adatközpontok teljesítményének optimalizálására

Egyre nagyobb az igény a nagy sebességű, kis fogyasztású és strapabíró száloptikás összeköttetésekre, amelyek képesek támogatni a felhőkben és egyéb adatközpontokban szükséges megbízható és kis késleltetésű kommunikációra vonatkozó követelményeket. A száloptikás adó-vevő egységek optimalizálhatók az adott adatközpontok igényeinek megfelelően, akár 400 Gb/s (gigabit/másodperc) átviteli sebességre is. Az adatközpontok száloptikás kommunikációjának fontos modulszabványai közé tartoznak a kis méretű, dugaszolható (SPF), az SPF+ és a négycsatornás, kis méretű, dugaszolható (QSFP) modulok. Az SPF, az SPF+ és a QSPF közötti egyik különbség a névleges átviteli sebesség. Ez azonban csak az egyik olyan tényező, amelyet figyelembe kell venni az adó-vevő kiválasztásakor. Mérlegelni kell a fogyasztást és a hűtést, a szükséges átviteli távolságot, az üzemi hőmérséklet-tartományt, a beépített diagnosztikát és egyéb tényezőket is. Ezenkívül a hálózati mérnököknek hatékony módszerre van szükségük az optikai adó-vevő készülékek átviteli tartományának és vevőérzékenységének tesztelésére is.

Ez a cikk a száloptikás adó-vevő egységek kiválasztásakor lényeges szempontok áttekintésével kezdődik, összehasonlítja az SPF, SPF+, QSFP és QSFP-DD (dupla sűrűségű, double density) hardveres csatlakozótípusokat, és bemutatja az Intel Silicon Photonics, az II-VI és a Cisco Systems néhány adó-vevő modulját. A cikk a száloptikás eszközök tesztelésével zárul, beleértve a ColorChip cég 400 Gb/s átviteli sebességű eszközökhöz készült visszahurkoló modulját és a Multilane következő generációs, 800 Gb/s átviteli sebességű adó-vevőkhöz készült fejlesztőkártyáját.

Egymódusú vagy többmódusú

Az adatkommunikációra használt optikai szálakat egy üvegmag alkotja, amelyet üvegburkolat vesz körül, és a kettőnek különböző a törésmutatója. A tipikus többmódusú (MM, multi-mode) szálak 50 μm-es maggal vannak ellátva, és 750 nm és 850 nm közötti hullámhosszon működnek, míg az egymódusú (egymódusú, single-mode) szálak magja 9 μm-es, és jellemzően 1310 nm és 1550 nm közötti hullámhosszon használhatóak. A többmódusú optikai szálak esetében a fény hullámhossza rövidebb, mint a határhullámhossz, így a fény többféle módusban tud terjedni a szálban. Az egymódusú optikai szál kisebb magjában csak egy adott hullámhosszon, egy módusban képes terjedni a fény (1. ábra).

1. ábra: Az egymódusú optikai szálak kis magja korlátozza a fény egynél több módusban történő továbbításának képességét (kép: Cisco)

A módusdiszperzió és a modális zaj korlátozza a többmódusú optikai szálak sávszélességét az egymódusú optikai szálakhoz képest, amelyek nincsenek kitéve ezeknek a hatásoknak. Ezenkívül az egymódusú optikai szálak a többmódusú szálaknál sokkal nagyobb átviteli távolságokat tesznek lehetővé. Az optikai adatátvitel úgy valósul meg, hogy a két kommunikációs irányban eltérő hullámhosszt használnak. Egy két készülékből álló optikai adó-vevő készlet például az 1330 nm-es és az 1270 nm-es hullámhossz kombinációját használja. Az egyik adó-vevő az 1330 nm-es hullámhosszon ad, és 1270 nm-es jelet fogad, míg a másik 1270 nm-es hullámhosszon ad, és 1330 nm-es jelet fogad (2. ábra).

2. ábra: Az optikai adó-vevők különböző hullámhosszokat használnak az adatok küldésére és fogadására (kép: Cisco)

Fogyasztás és hűtés

Az adatközpontok üzemeltetőit érzékenyen érintik az energia- és hűtési költségek. Bár az adatkommunikációs kábelezéshez használt árnyékolatlan sodrott érpár (UTP, unshielded twisted pair) olcsó, egy árnyékolatlan sodrott érpáros adó-vevő körülbelül 5 W-ot fogyaszt, míg egy száloptikás adó-vevő 1 W-ot vagy annál is kevesebbet.

Az árnyékolatlan sodrott érpáros adó-vevő egységek által termelt többlethőt is el kell távolítani az adatközpontból, ami a teljes energiaköltséget közel a tízszeresére növeli. A teljes élettartamra vetített üzemeltetési költségek tekintetében – a nagyon rövid működési idők és a kis adatátviteli sebességek kivételével – az üvegszálas adó-vevők szinte mindig olcsóbbak az árnyékolatlan sodrott érpáros megoldásoknál.

Az árnyékolatlan sodrott érpáros kábelek átmérője is nagyobb az üvegszálas kábelekénél. Akár túl vastagok is lehetnek ahhoz, hogy elférjenek a nagy sűrűségű adatközpontokban a padló alá rejtett kábelcsatornákban. Ezenkívül a 10 Gb/s adatátviteli sebességű árnyékolatlan sodrott érpáros Cat 6A kábelek esetében nehezen kezelhető a kábelek közötti áthallás. A többmódusú optikai szálakhoz való adó-vevő egységek olcsóbbak, de párhuzamos optikai összeköttetést használva a 40 Gb/s vagy 100 Gb/ sebességű átvitelhez a kábelezés drágább. Az adatátviteli sebességek további növekedésével az egymódusú optikai szálak kínálják a kis fogyasztás, az alacsony költségek és a kis méretű eszközök legjobb kombinációját.

Választható hőmérséklet-tartományok

Az adatközpontok különböző környezetekben találhatók, a kimondottan ilyen célra készült létesítményektől kezdve az irodákban, raktárakban és gyárakban található szekrényekig. A száloptikai adó-vevők három szabványos üzemi hőmérséklet-tartománnyal kaphatóak, hogy megfeleljenek az adott környezet igényeinek:

• 0 °C és +70 °C közötti hőmérséklet-tartományhoz, C-temp vagy COM (commercial = kereskedelmi) minősítésmegnevezéssel, kereskedelmi és szabványos adatközponti környezetekbe tervezve.
• –5 °C és +85 °C közötti hőmérséklet-tartományhoz, E-temp vagy EXT (extended = bővített) minősítésmegnevezéssel, nagyobb kihívást jelentő környezetekben való használatra.
• –40°C és +85 °C közötti hőmérséklet-tartományhoz, I-temp vagy IND (industrial = ipari) minősítésmegnevezéssel, ipari létesítményekben való használatra.

Egy jellegzetes optikai adó-vevő burkolata működés közben várhatóan mintegy 20 °C-kal melegebb a környezeti hőmérsékletnél. Olyan felhasználási területeken, ahol a környezeti hőmérséklet meghaladja a +50 °C-ot, vagy –20°C alá csökken, IND minősítésű adó-vevő egységeket kell használni. Egyes berendezésekben olyan adó-vevőkre van szükség, amelyek képesek a „hidegindításra”. A hidegindítás során a hálózat hozzá tud férni az adó-vevő I²C és más kis átviteli sebességű csatlakozóihoz, de az adatforgalom nem indul meg, amíg a készülékház hőmérséklete el nem éri a –30 °C-ot. A hálózat megbízható működésének biztosítása érdekében fontos a száloptikás adó-vevő készülékek üzemi hőmérsékletének figyelése.

Digitális optikai felügyelet

A digitális optikai felügyeletet (DOM, digital optical monitoring), más néven digitális diagnosztikai felügyeletet (DDM, digital diagnostic monitoring) az SFF-8472 előírás határozza meg, amely a száloptikás adó-vevő készülékek digitális felügyeletére vonatkozó – de facto szabványként működő – gyártói megállapodás (MSA, multi-source agreement) része. A digitális optikai felügyelet a következő képességeket tartalmazza:

• A modul üzemi hőmérsékletének figyelése
• A modul üzemi feszültségének figyelése
• A modul üzemi áramerősségének figyelése
• Az optikai adás- és vételi teljesítmény figyelése
• Riasztás kiadása, ha a paraméterek meghaladják a biztonságos szintet
• Kérésre a modul gyári adatainak megadása

A digitális optikai felügyelet az SFF-8472 előírásban meghatározottak szerint egyedi riasztási jelölőket vagy riasztási feltételeket határoz meg. A digitális optikai felügyelet segít a hálózati rendszergazdáknak figyelni a modulok teljesítményét, és még a meghibásodásuk előtt azonosítani azokat a modulokat, amelyeket esetleg ki kell cserélni.

Az optikai adó-vevő modulokat 100 Gb/s átviteli sebességig I²C vezérlőcsatlakozón keresztül felügyelik az SFF 8636 előírásban meghatározott alapszintű memórialeképezéses parancsrendszer segítségével. A nagyobb átviteli sebességű modulok felügyelete összetettebb a PAM-4 csatlakozók beépítése miatt, amelyek bonyolult kiegyenlítést igényelnek. A Common Management Interface Specification (CMIS, közös felügyeleticsatlakozó-szabvány) az SFF-8472/8636 előírásnak megfelelő eszközök nagy sebességű modulokban való helyettesítésére vagy kiegészítésére lett kifejlesztve.

Méretek és modulációs sémák

Rézvezetékes és üvegszálas hálózatokhoz egyaránt kaphatók SFP adó-vevők. Az SFP-modulok használata lehetővé teszi, hogy az egyes kommunikációs portokhoz különböző típusú adó-vevő egységek legyenek csatlakoztatva. Az SFP méretét és a villamos csatlakozóit az MSA gyártói megállapodás határozza meg. Egy alapszintű SFP adó-vevő a Fibre Channel protokollt használva akár 4 Gb/s adatátviteli sebességet is lehetővé tehet. Az SFP szabványnál újabb SFP+ szabvány 10 Gb/s, a legújabb SFP28 szabvány pedig 25 Gb/s legnagyobb adatátviteli sebesség elérését teszi lehetővé.

A nagyobb fizikai méretű QSFP adó-vevőkre vonatkozó szabvány négyszer akkora adatátviteli sebességre ad módot, mint az azonos jelű SFP-egységek. A QSFP28 változat legnagyobb adatátviteli sebessége 100 Gb/s, míg a QSFP56 megduplázza ezt 200 Gb/s-re. A QSFP adó-vevő négy adó- és négy vételi csatornát tartalmaz, a 28 azt jelenti, hogy minden csatorna (vagy sáv) legfeljebb 28 Gb/s adatátviteli sebességre képes. Ennek eredményeképpen a QSFP28 az adó-vevőktől függően 4 × 25 Gb/s, 2 × 50 Gb/s vagy 1 × 100 Gb/s sebességű kialakítást (más néven lebontást) tesz lehetővé. Mivel a QSFP portok nagyobbak, mint az SFP portok, kaphatóak olyan adapterek, amelyek lehetővé teszik az SFP adó-vevők QSFP portba csatlakoztatását.

A legújabb változat a dupla sűrűségű QSFP-DD, amely a hagyományos QSFP28 modulhoz képest megduplázza a csatlakozók számát. Ezen túlmenően az új szabvány támogatja a 4. szintű impulzusamplitúdó-modulációt (PAM4), amellyel 50 Gb/s átviteli sebesség érhető el, ami az átviteli sebesség további megduplázását és így a portok sebességének négyszeresre növelését eredményezi a QSFP28 modulokéhoz képest.

Az üvegszálas adó-vevő készülékekben használt hagyományos NRZ (non-return to zero, nullára vissza nem térő) moduláció két szinten modulálja a fény erősségét. A PAM négy fényerőszintet használ, hogy egy helyett két bitet kódoljon minden egyes optikai impulzusperiódusban – így ugyanakkora sávszélességen csaknem kétszer annyi adatot lehet átvinni (3. ábra).

3. ábra: A bonyolultabb PAM4 átvitel sokkal több információ átvitelére képes, mint az NRZ (kép: Cisco)

QSFP-DD nagy adatközpontokba

A nagy méretű vállalati és felhőben lévő adatközpontok tervezői használhatják az Intel Silicon Photonics cég SPTSHP3PMCDF jelű QSFP-DD optikai adó-vevőjét. Ez a modul 2 km-es hatótávolságú átvitelre képes, 0 °C és +70 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartománya, és támogatja a 400 Gb/s sebességű optikai kapcsolatokat egymódusú optikai szálon keresztül vagy lebontott kialakítású eszközök esetén négy 100 Gb/s sebességű optikai kapcsolatot (4. ábra). Az SPTSHP3PMCDF QSFP-DD adó-vevő jellemzői:

• Megfelel az optikai csatlakozókra vonatkozó 4 × 100G Lambda MSA előírásoknak és IEEE 400GBASE-DR4 szabványnak
• Megfelel a villamos csatlakozókra vonatkozó IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) szabványnak
• Megfelel a CMIS felügyeleticsatlakozó-szabványnak, teljes moduldiagnosztikával és I²C illesztőfelületen keresztül történő vezérléssel

4. ábra: Ennek a QSFP-DD adó-vevőnek 2 km a hatótávolsága (kép: Intel)

Többmódusú SFP+

Az II-VI cég FTLF8538P5BCz jelű SFP+ optikai adó-vevője beépített digitális diagnosztikai felügyeleti (DDM) funkciókkal van ellátva, és többmódusú optikai szálon keresztüli, 25 Gb/s adatátviteli sebességű használatra tervezték (5. ábra). Az üzemi hőmérséklet-tartománya 0 °C – +70 °C. Egyéb jellemzői:

• 850 nm-es VCSEL ([e.: vikszel], függőleges üregű, oldalra sugárzó lézer) jeladó
• 100 m átvitel 50/125 μm-es OM4, M5F MMF kábellel
• 70 m átvitel 50/125 μm-es OM3, M5E MMF kábellel
• 1E-12 bithibaarány (BER, bit error rate) OM3 kábellel 30 m, OM4 kábellel 40 m távolságig
• 1 W legnagyobb fogyasztás

5. ábra: Ez az SFP+ adó-vevő 25 Gb/s névleges átviteli sebességű, és többmódusú optikai szálat használ (kép: II-VI)

Egymódusú SPF

A Cisco SFP-10G-BXD-I és SFP-10G-BXU-I jelű eszközei egymódusú optikai szálakkal használhatók, és akár 10 km-es átviteli távolságot is lehetővé tesznek. Egy SFP-10G-BXD-I mindig egy SFP-10G-BXU-I-hez van csatlakoztatva. Az SFP-10G-BXD-I 1330 nm-es hullámhosszon ad, és 1270 nm-es jelet fogad, az SFP-10G-BXU-I pedig 1270 nm-es hullámhosszon ad, és 1330 nm-es jelet fogad. Ezek az adó-vevő készülékek digitális optikai felügyeleti (DOM) funkciókat is tartalmaznak, amelyek valós időben figyelik a teljesítményt.

Visszahurkolások teszteléshez

A hálózati és tesztelő mérnökök és technikusok száloptikai visszahurkolásokat és visszahurkoló modulokat használhatnak az optikai hálózati berendezések átviteli képességének és vevőérzékenységének tesztelésére. A ColorChip egy olyan visszahurkoló modult kínál, amely –40 °C és +85 °C közötti hőmérsékleten 2000 ciklussal támogatja a nagy igénybevételek tesztelését (6. ábra). Ez a visszahurkoló modul többféle fogyasztás szoftveres beállítására ad módot az optikai modul teljesítményének emulálása céljából, és beágyazott beiktatásiveszteség-jelleggörbéket tartalmaz a 200/400 Gb/s sebességű Ethernet, Infiniband és Fibre Channel valós kábelezésének emulálásához. A beépített túláramvédelem csökkenti a vizsgált eszköz károsodásának kockázatát. Ennek a visszahurkoló modulnak a felhasználási területei közé tartozik a portok tesztelése, a telepített rendszer helyszíni ellenőrzése és a berendezések hibakeresése.

6. ábra: Ez a visszahurkoló modul az optikai adó-vevő teljesítményének tesztelésére szolgál (kép: DigiKey)

A 800 G QSFP fejlesztőkészlet

A 800 Gb/s átviteli sebességű adó-vevő egységek következő generációjára felkészülő hálózati mérnökök számára a Multilane az ML4062-MCB fejlesztőkészletet kínálja, amely hatékony és könnyen használható platformot biztosít a QSFP-DD800 adó-vevő egységek és az aktív optikai kábelek programozásához és teszteléséhez (7. ábra). A grafikus felhasználói felület támogatja a QSFP-DD MSA gyártói megállapodás által meghatározott összes funkciót, és egyszerűsíti a beállítási folyamatot. A fejlesztőkészlettel valós környezetet lehet szimulálni a QSFP-DD adó-vevő modulok teszteléséhez, jellemzőinek meghatározásához és gyártásához, és megfelel az OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 és az OIF-CEI-56G-VSR-NRZ szabvány előírásainak.

7. ábra: Ezt a fejlesztőplatformot a következő generációs, 800 Gb/s átviteli sebességű adó-vevő egységekkel való használatra tervezték (kép: DigiKey)

Összegzés

A száloptikás adó-vevő egységek támogatják az adatközponti hálózatokat fejlesztő mérnökök nagy sebességű, kis méretű és kis fogyasztású megoldások iránti igényeit. Ezek az adó-vevő egységek különböző méretekben, három szabványos üzemi hőmérséklet-tartománnyal, egymódusú vagy többmódusú optikai szálakkal való használtra alkalmas változatokban kaphatóak. A visszahurkoló modulok az optikai hálózatot alkotó elemek teljesítményének értékelésére szolgálnak. A fejlesztőplatformok a 800 Gb/s átviteli sebességű adó-vevő készülékek képességeinek feltárására és a száloptikai hálózatok következő generációjának előkészítésére használhatók.