Verwendung optischer Verbindungen zur Optimierung der Leistung von Rechenzentren

Der Bedarf an schnellen, stromsparenden und robusten Faseroptik-Verbindungen wächst, um die Anforderungen an eine zuverlässige Kommunikation mit geringen Latenzzeiten in Clouds und anderen Rechenzentren zu erfüllen. Glasfaser-Transceiver können für die spezifischen Anforderungen von Rechenzentren optimiert werden, um Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 400 Gigabit/Sekunde (G) zu erreichen. Wichtige Modulstandards für die Glasfaserkommunikation in Rechenzentren sind Small Form Factor Pluggable (SPF), SPF+ und Quad Small Form Factor Pluggable (QSFP). Einer der Unterschiede zwischen SPF, SPF+ und QSPF ist die Nennübertragungsgeschwindigkeit. Das ist jedoch nur ein Faktor, der bei der Auswahl eines Transceivers berücksichtigt werden muss: Stromverbrauch und Wärmemanagement, erforderliche Übertragungsdistanz, Betriebstemperaturbereich, integrierte Diagnose und andere Faktoren müssen abgewogen werden. Darüber hinaus benötigen Netzwerkingenieure eine effektive Methode, um die Übertragungsreichweite und Empfängerempfindlichkeit optischer Transceiver zu testen.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über wichtige Überlegungen bei der Auswahl von Glasfaser-Transceivern, vergleicht die Hardware-Schnittstellenoptionen von SPF, SPF+, QSFP und QSFP-DD (doppelte Dichte) und stellt Transceiver-Module von Intel Silicon Photonics, II-VI und Cisco Systems vor. Abschließend wird ein Blick auf das Testen von Glasfasergeräten geworfen, darunter ein Loopback-Modul von ColorChip für 400-G-Geräte und ein Evaluierungsboard von Multilane für 800-G-Transceiver der nächsten Generation.

Single- vs. Multimode

Optische Fasern für die Datenübertragung bestehen aus einem Glaskern, der von einem Glasmantel umhüllt ist, der jeweils unterschiedliche Brechungsindizes aufweist. Typische Multimode-Fasern (MM) haben einen 50μm-Kern und arbeiten mit Wellenlängen von 750 nm bis 850 nm, während Singlemode-Fasern (SM) einen 9μm-Kern haben und in der Regel mit Wellenlängen von 1310 nm bis 1550 nm arbeiten. Bei MM-Fasern ist die Wellenlänge des Lichts kürzer als die Grenzwellenlänge, was dazu führt, dass sich mehrere Lichtmoden in der Faser ausbreiten. Der kleinere Kern einer SM-Faser kann nur einen Modus für eine bestimmte Wellenlänge übertragen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der kleine Kern von SM-Fasern schränkt ihre Fähigkeit ein, Licht in mehr als einem Modus zu übertragen. (Bildquelle: Cisco)

Modaldispersion und modales Rauschen begrenzen die Bandbreite von MM-Fasern im Vergleich zu SM-Fasern, die diesen Effekten nicht ausgesetzt sind. Darüber hinaus können SM-Fasern im Vergleich zu MM-Fasern wesentlich längere Übertragungsstrecken ermöglichen. Bei der optischen Datenübertragung wird für jede Richtung der Kommunikation eine andere Wellenlänge verwendet. Ein Satz optischer Transceiver verwendet beispielsweise eine Kombination aus Wellenlängen von 1330 nm und 1270 nm. Einer der Transceiver sendet ein 1330nm-Signal und empfängt ein 1270nm-Signal, während der andere Transceiver ein 1270nm-Signal sendet und ein 1330nm-Signal empfängt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Optische Transceiver verwenden unterschiedliche Wellenlängen für das Senden und Empfangen von Daten. (Bildquelle: Cisco)

Versorgung und Wärmeeigenschaften

Die Betreiber von Rechenzentren sind empfindlich gegenüber Strom- und Wärmekosten. Ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitungen (UTP) für Datenübertragungskabel sind zwar kostengünstig, aber ein UTP-Transceiver kann etwa 5 W Strom verbrauchen, während ein Glasfaser-Transceiver nur 1 W oder weniger benötigt.

Die von den UTP-Transceivern erzeugte zusätzliche Wärme muss aus dem Rechenzentrum abgeführt werden, wodurch sich die Gesamtenergiekosten auf fast das Zehnfache erhöhen. Außer bei sehr kurzen Strecken und niedrigen Datenraten sind Glasfaser-Transceiver im Vergleich zu UTP-Lösungen fast immer kostengünstiger, was die Gesamtbetriebskosten während der Lebensdauer betrifft.

UTP-Kabel haben im Vergleich zu Glasfaserkabeln auch einen größeren Durchmesser. Sie können zu groß sein, um in einige Kabelkanäle zu passen, die in Rechenzentren mit hoher Dichte unter dem Boden installiert sind. Darüber hinaus kann bei Cat6A-Kabeln, die mit 10 G übertragen, das Übersprechen zwischen UTP-Kabeln schwierig zu handhaben sein. MM-Glasfaser verwendet kostengünstigere Transceiver, aber die Verkabelung ist teurer, wenn parallele Optiken für 40- oder 100-G-Übertragungen verwendet werden. Da die Datenübertragungsraten weiter steigen, bieten SM-Glasfasern möglicherweise die beste Kombination aus geringem Stromverbrauch, niedrigen Kosten und kleinen Lösungsgrößen.

Auswahl des Temperaturbereichs

Rechenzentren sind in verschiedenen Umgebungen zu finden, von speziellen Einrichtungen bis hin zu Schränken in Büros, Lagerhäusern und Fabriken. Glasfaser-Transceiver sind in drei Standard-Temperaturbereichen erhältlich, um den Anforderungen bestimmter Umgebungen gerecht zu werden:

• 0°C bis +70°C, genannt C-temp oder COM, sind für kommerzielle und Standard-Rechenzentrumsumgebungen konzipiert.
• -5°C bis +85°C, genannt E-Temp oder EXT, für den Einsatz in schwierigeren Umgebungen.
• -40°C bis +85°C, genannt I-Temp oder IND, für den Einsatz in industriellen Umgebungen.

Ein typischer optischer Transceiver wird in einem Gehäuse betrieben, das etwa 20 Grad wärmer ist als die Umgebungstemperatur. In Umgebungen, in denen die Umgebungstemperatur +50°C überschreitet oder unter -20°C fällt, werden IDN-zertifizierte Transceiver verwendet. Einige Anwendungen erfordern Transceiver, die „kalt starten“ können. Während des Kaltstartbetriebs kann das Netzwerk auf die I²C- und andere Niedergeschwindigkeits-Schnittstellen der Transceiver zugreifen, aber der Datenverkehr beginnt erst, wenn die Gehäusetemperatur -30°C erreicht. Um einen zuverlässigen Netzbetrieb zu gewährleisten, ist es wichtig, die Betriebstemperatur von Glasfasertransceivern zu überwachen.

Digitale optische Überwachung

Digitales optisches Monitoring (DOM), auch als digitales Diagnose-Monitoring (DDM) bezeichnet, ist in SFF-8472 definiert, einem Teil des Multi-Source-Agreements (MSA), das sich auf die digitale Überwachung von Glasfasertransceivern konzentriert. Es umfasst die folgenden Funktionen:

• Überwachung der Betriebstemperatur des Moduls
• Überwachung der Betriebsspannung des Moduls
• Überwachung des Betriebsstroms des Moduls
• Überwachung der optischen Sende- und Empfangsleistung
• Ausgabe eines Alarms, wenn Parameter sichere Grenzwerte überschreiten
• Informationen zum Modulhersteller auf Anfrage bereitstellen

DOM, wie durch SFF-8472 spezifiziert, definiert spezifische Alarmflags oder Alarmzustände. DOM hilft Netzwerkadministratoren bei der Überwachung der Modulleistung und bei der Identifizierung von Modulen, die möglicherweise ausgetauscht werden müssen, bevor sie ausfallen.

Optische Transceivermodule bis zu 100 G werden über eine I²C-Steuerungsschnittstelle verwaltet, wobei ein grundlegendes, durch SFF 8636 definiertes Befehlssystem mit Speicherzuordnung verwendet wird. Module mit höheren Geschwindigkeiten sind aufgrund der Einbeziehung von PAM-4-Schnittstellen, die eine komplexe Entzerrung erfordern, komplexer zu verwalten. Die Common Management Interface Specification (CMIS) wurde entwickelt, um SFF-8472/8636 in Highspeed-Modulen zu ersetzen oder zu ergänzen.

Formfaktoren und Modulationsverfahren

SFP-Transceiver sind für Kupfer- und Glasfasernetze erhältlich. Die Verwendung von SFP-Modulen ermöglicht die Bestückung einzelner Kommunikationsports mit verschiedenen Transceivertypen. Der SFP-Formfaktor und die elektrische Schnittstelle sind in der MSA festgelegt. Ein einfacher SFP-Transceiver kann Datenraten von bis zu 4 G für Fibre Channel unterstützen. Die neuere SFP+-Spezifikation unterstützt bis zu 10 G, und die neueste SFP28-Spezifikation unterstützt bis zu 25 G.

Der größere QSFP-Transceiver-Standard unterstützt viermal höhere Übertragungsgeschwindigkeiten als die entsprechenden SFP-Einheiten. Die QSFP28-Variante liefert bis zu 100 G, während die QSFP56-Variante diese Leistung auf 200 G verdoppelt. Ein QSFP-Transceiver verfügt über vier Sende- und vier Empfangskanäle, wobei '28' bedeutet, dass jeder Kanal (oder jede Spur) Datenraten von bis zu 28 G unterstützen kann. Folglich kann ein QSFP28 je nach Transceiver eine 4x25G-Konfiguration (Breakout), 2x50G-Breakout oder 1x100G unterstützen. Da QSFP-Ports größer sind als SFP-Ports, gibt es Adapter, die es ermöglichen, einen SFP-Transceiver in einen QSFP-Port zu stecken.

Die neueste Variante ist das QSFP-DD, das die Anzahl der Schnittstellen im Vergleich zu einem normalen QSFP28-Modul verdoppelt. Darüber hinaus unterstützt die neue Spezifikation die Puls-Amplituden-Modulation 4 (PAM4), die 50 G liefern kann, was eine zusätzliche Verdopplung der Übertragungsgeschwindigkeit bedeutet und zu einer insgesamt 4-fachen Steigerung der Port-Geschwindigkeit im Vergleich zu einem QSFP28-Modul führt.

Die herkömmliche NRZ-Modulation (Non-Return-to-Zero), die in Glasfaser-Transceivern verwendet wird, moduliert die Lichtintensität auf zwei Ebenen. PAM verwendet vier Lichtintensitätsstufen, um in jeder optischen Pulsperiode zwei Bits statt einem zu kodieren, was fast die doppelte Datenmenge bei gleicher Bandbreite ermöglicht (Abbildung 3).

Abbildung 3: Komplexere PAM4-Übertragungen übertragen viel mehr Daten als NRZ. (Bildquelle: Cisco)

QSFP-DD für große Rechenzentren

Entwickler von großen Cloud- und Unternehmensrechenzentren können den optischen QSFP-DD-Transceiver SPTSHP3PMCDF von Intel Silicon Photonics verwenden. Dieses Modul hat eine Übertragungsfähigkeit von 2 km, ist für den Betrieb von 0°C bis +70°C spezifiziert und unterstützt 400 G optische Verbindungen über SM-Faser oder vier 100 G optische Verbindungen für Breakout-Anwendungen (Abbildung 4). Zu den Merkmalen dieses QSFP-DD-Transceivers gehören:

• Einhaltung der Spezifikation für optische 4 x 100 G Lambda MSA-Schnittstellen und des IEEE-Standards für optische 400GBASE-DR4-Schnittstellen
• Entspricht dem Standard IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) für die elektrische Schnittstelle
• CMIS Management Interface Standardkonformität mit vollständiger Moduldiagnose und Steuerung über I²C

Abbildung 4: Dieser QSFP-DD-Transceiver hat eine Reichweite von 2 km. (Bildquelle: Intel)

Multimode-SFP+

Der optische SFP+-Transceiver FTLF8538P5BCz von II-VI verfügt über integrierte DDM-Funktionen und ist für den Einsatz in 25-G-Datenraten über MM-Glasfaser ausgelegt (Abbildung 5). Er ist für einen Betrieb von 0°C bis +70°C ausgelegt. Weitere Merkmale sind:

• 850 nm VCSEL-Sender (Vertical Cavity Side Emitting Laser)
• 100 m Übertragung über 50/125 μm OM4, M5F MMF-Kabel
• 70 m Übertragung über 50/125 μm OM3, M5E MMF-Kabel
• 1E-12 Bitfehlerrate (BER) über 30 m mit OM3-Kabel und 40 m mit OM4-Kabel
• Maximale Leistungsaufnahme von 1 W

Abbildung 5: Dieser SFP+-Transceiver ist für 25 G ausgelegt und verwendet MM-Glasfaser. (Bildquelle: II-VI)

SPF-Singlemode

Der SFP-10G-BXD-I und der SFP-10G-BXU-I von Cisco arbeiten mit SM-Glasfasern, die Übertragungsdistanzen von bis zu 10 km unterstützen. Ein SFP-10G-BXD-I ist immer mit einem SFP-10G-BXU-I verbunden. Der SFP-10G-BXD-I sendet ein 1330nm-Signal und empfängt ein 1270nm-Signal, und der SFP-10G-BXU-I sendet mit einer Wellenlänge von 1270nm und empfängt ein 1330nm-Signal. Diese Transceiver enthalten auch DOM-Funktionen, die die Leistung in Echtzeit überwachen.

Rückführungsschleifen (Loopbacks) für Diagnosezwecke

Netzwerk- und Testingenieure und -techniker können Glasfaser-Loopbacks und Loopback-Module verwenden, um die Übertragungsfähigkeit und Empfängerempfindlichkeit von optischen Netzwerkkomponenten zu testen. ColorChip bietet ein Loopback-Modul an, das hohe Nutzungsszenarien mit 2000 Zyklen bei -40°C bis +85°C unterstützt (Abbildung 6). Dieses Loopback-Modul umfasst einen softwaredefinierten Mehrfachstromverbrauch, um die Leistung des optischen Moduls und die eingebetteten Einfügungsdämpfungseigenschaften zu emulieren, die eine reale Verkabelung für 200/400 G Ethernet, Infiniband und Fibre Channel nachbilden. Der eingebaute Überlastschutz mindert das Risiko einer Beschädigung der geprüften Komponente. Dieses Loopback-Modul wird u. a. zum Testen von Anschlüssen, zum Testen des Einsatzes vor Ort und zur Fehlersuche verwendet.

Abbildung 6: Dieses Loopback-Modul ist für die Prüfung der Leistung optischer Transceiver konzipiert. (Bildquelle: DigiKey)

Entwicklungskit für 800 G QSFP

Für Netzwerkingenieure, die sich auf die nächste Generation von 800-G-Transceivern vorbereiten, bietet Multilane mit dem ML4062-MCB eine effiziente und einfach zu bedienende Plattform für die Programmierung und den Test von QSFP-DD800-Transceivern und aktiven optischen Kabeln (Abbildung 7). Die GUI unterstützt alle von QSFP-DD MSA definierten Funktionen und vereinfacht den Konfigurationsprozess. Es kann zur Simulation einer realen Umgebung für die Prüfung, Charakterisierung und Herstellung von QSFP-DD-Transceivermodulen verwendet werden und entspricht den Spezifikationen OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 und OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Abbildung 7: Diese Entwicklungsplattform ist für die Verwendung mit 800-G-Transceivern der nächsten Generation konzipiert. (Bildquelle: DigiKey)

Zusammenfassung

Glasfaser-Transceiver erfüllen die Anforderungen von Netzwerkingenieuren in Rechenzentren an hohe Geschwindigkeit, Kompaktheit und Stromeinsparungen. Diese Transceiver sind in verschiedenen Formaten und drei Standard-Betriebstemperaturbereichen mit SM- oder MM-Fasern erhältlich. Loopback-Module können verwendet werden, um die Leistung von Glasfasernetzelementen zu überprüfen. Mit Hilfe von Entwicklungsplattformen können die Möglichkeiten von 800-G-Transceivern erforscht und der Weg für die nächste Generation von glasfaserbasierten Netzen bereitet werden.