Характерный для современных ЦОДов рост скорости передачи данных обусловливает постоянное обновление используемой аппаратуры. Как свидетельствует статистика, объемы внедрения сетевых интерфейсов 10 и 40 Гбит/с уже сравнялись, а в ближайшие два-три года следует ожидать начала массового распространения 100-гигабитной техники.

Переход на схему параллельной передачи при наращивании скорости свыше 10 Гбит/с вынуждает пересматривать всю схему организации связи. Существующие схемы основаны на разработках IEEE и вполне работоспособны. Соответствующее серийное оборудование выпускается множеством производителей, однако стандартная техника имеет ряд серьезных недостатков. Стремление устранить их привело к появлению многочисленных фирменных решений, которые позволяют:

  • сохранить двухволоконную схему организации информационного обмена;
  • увеличить дальность действия интерфейсов свыше значения 100–150 м, гарантируемого стандартной техникой.

Ниже представлены наиболее интересные — с технической точки зрения — решения, доступные для заказа и коммерческого использования.

ТЕХНОЛОГИЯ BIDI

«Двунаправленная» технология BiDi (от англ. Bi-Directional) разрабатывалась по заказу компании Cisco и была официально анонсирована в июне 2012 года. В течение первых двух лет с момента завершения разработки Cisco как заказчик имела эксклюзивные права на коммерческое использование этого решения. По окончании срока действия лицензионного договора технологию стали активно предлагать другие производители.

Разработчики BiDi стремились предельно упростить процедуру миграции от 10-гигабитных каналов связи к 40-гигабитным. Эта цель была достигнута за счет применения следующих мер:

  • использование оптических несущих экономически выгодного спектрального диапазона 850 нм;
  • обеспечение возможности работы по двухволоконным трактам передачи информации, аналогичным по структуре и параметрам линиям для 10-гигабитной передачи и реализуемым на основе световодов категорий ОМ3 или ОМ4 с 50-микронной сердцевиной;
  • исполнение приемопередатчика с тем же форм-фактором QSFP+, что и у модуля 40GBase-SR4 с типовым дизайном оптического интерфейса, реализованного на основе розетки MPO/MTP.

Поставленная задача была успешно решена благодаря применению технологических приемов, используемых при построении линий абонентского доступа в сетях связи общего пользования.

Как элемент сетевых интерфейсов пара модулей BiDi представляет собой полный функциональный аналог стандартных 40-гигабитных модулей, в основе которых лежит технология 40GBase-SR4. Визуально модули BiDi отличаются от них лишь реализацией оптического интерфейса на основе розетки LC вместо MPO/MTP. Применение розетки иного типа является эффективным средством механической защиты от некорректного подключения несовместимых типов интерфейсов.

Обеспечиваются типовые для 40GBase-SR4 дальности связи в 100 м на волокне категории ОМ3 и 150 м на волокне категории ОМ4. Лабораторное тестирование линий, собранных с использованием волокна категории ОМ5, показало, что гарантированная дальность связи составляет 200 м за счет контролируемого коэффициента широкополосности световода на верхней по спектру рабочей длине волны 900 нм.

При формировании канала связи используются два волокна с одновременной двунаправленной (встречной) передачей двух информационных потоков по каждому из них (рис. 1). Подобная технология уникальна для техники локальных сетей на базе Ethernet, что дополнительно подчеркивается фирменным наименованием изделия.

Рис. 1. Структурная схема одного плеча модуля BiDi (второе имеет аналогичную конструкцию, но с иным направлением передачи несущих 850 и 900 нм)
Рис. 1. Структурная схема одного плеча модуля BiDi (второе имеет аналогичную конструкцию, но с иным направлением передачи несущих 850 и 900 нм)

 

Чтобы упростить цепи развязки прямого и обратного направлений передачи данных, в них используются оптические несущие с центральными длинами волн 850 и 900 нм. Таким образом, они разнесены одна от другой заметно дальше, чем в типовой схеме коротковолнового спектрального уплотнения SWDM. Таким образом, двухканальная передача реализуется методом спектрального уплотнения волокна в коротковолновом диапазоне первого окна прозрачности.

По аналогии с остальными разновидностями WDM данный вариант спектрального мультиплексирования можно назвать двухволновым первого окна прозрачности. Столь длинное название помогает отличать этот вид мультиплексирования от классического двухволнового спектрального уплотнения на длинах волн 1310 и 1550 нм, которое применяется на сетях доступа. Основные параметры систем WDM приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры различных систем спектрального уплотнения
Таблица 1. Параметры различных систем спектрального уплотнения


Для излучателей, которые устанавливаются в модулях BiDi, дополнительно введено ограничение на ширину линии излучения в 0,5 нм. Это объясняется стремлением ограничить влияние хроматической дисперсии на частотные свойства многомодового тракта передачи информации, при формировании которого используются стандартные световоды. Кроме того, данное ограничение упрощает выполнение норм в отношении развязки отдельных спектральных каналов — необходимость такого контроля вызвана неизбежными вариациями центральной длины волны оптической несущей.

Дополнительным стимулом для использования в проектах модулей BiDi стала сравнительно небольшая мощность потребления: для 40-гигабитных устройств она составляет примерно 3,5 Вт.

В настоящее время выпуском модулей по технологии BiDi занимаются многие компании, в их числе Avago Technologies, Arista и AscentOptics. Среди производителей активного оборудования, помимо Cisco, модули BiDi активно использует Brocade.

Область действия технологии BiDi предлагалось распространить и на скорость 100 Гбит/с, увеличив при этом канальную скорость в 2,5 раза (до 50 Гбит/c) без изменения длин оптических несущих. Идея не получила дальнейшего развития, так как достижение сопоставимой дальности связи, как в случае стандартизованных схем параллельной передачи, оказалось очень сложным.

СРЕДНЕВОЛНОВОЙ ВАРИАНТ СХЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО УПЛОТНЕНИЯ

Полномасштабное решение на базе средневолнового варианта схемы пространственного уплотнения для окна прозрачности 1300 нм было анонсировано в начале сентября 2013 года компаниями Intel и Corning. Решение интересно в первую очередь большим количеством новых разработок, использованных в процессе его создания.

Вклад Intel в новый продукт заключается в разработке оптоэлектронного модуля по КМОП-технологиям Silicon Photonics и Silicon Laser. Corning предоставила специально созданное для этой цели изгибостойкое многомодовое волокно ClearCurve LX с 50-микронной сердцевиной и числовой апертурой 0,2, которое оптимизировано для передачи на длине волны 1310 нм.

Необходимость применения изгибостойкого волокна с допустимым радиусом изгиба 7,5 мм обусловлена ограниченностью пространства ЦОДа. Выбор указанных значений диаметра сердцевины и числовой апертуры обеспечивает полную обратную совместимость ClearCurve LX с существующими типами оптических волокон.

В качестве полноправного компонента тракта передачи использован появившийся к этому времени 64-канальный разъемный соединитель MXC линзового типа. В решениях Corning-Intel применяются отдельные оптические несущие с теми же длинами волн, что и в системе 100G-CLR4.

Выбор рабочей длины волны из второго окна прозрачности и ее близость к области нулевой дисперсии позволяют эффективно минимизировать величину дисперсионного штрафа, столь значимого для многомодовой техники, и заметно снизить затухание тракта передачи. Все это позволяет значительно увеличить предельную дальность связи, довести ее паспортное значение до 300 м, а при необходимости существенно превысить его. Экспериментально подтверждена возможность достижения дальности связи в 820 м при скорости в отдельном субканале 25 Гбит/с. Предельная пропускная способность системы в полнодуплексном режиме составляет 1,6 Тбит/с.

ТЕХНОЛОГИЯ SWDM4

Аббревиатура SWDM4 представляет собой зарегистрированную торговую марку компании Finisar. Техника, реализующая эту технологию, впервые была анонсирована в 2015 году сразу в двух вариантах — для скоростей 40 и 100 Гбит/с. Решение SWDM4 можно рассматривать как полномасштабный функциональный аналог BiDi.

Использование SWDM4, как и BiDi, привлекательно в первую очередь тем, что не требует внесения изменений в структуру кабельной системы при переходе от скорости 10 Гбит/с к 40 Гбит/с, а впоследствии к 100 Гбит/с. От своего прямого конкурента SWDM4 выгодно отличается следующим:

  • более широкими возможностями в части наращивания скорости, то есть не только поддержкой 40 Гбит/с, но и возможностью достижения 100 Гбит/с с очень умеренными ограничениями на предельную протяженность тракта;
  • отсутствием необходимости выполнения масштабных НИОКР, что потенциально ускоряет и облегчает вывод продукта на рынок;
  • реализацией на базе простых серийных компонентов, удешевляющей решение в целом.

Указанные преимущества определяются выбранной схемой организации связи, в основу которой положено применение технологии коротковолнового спектрального уплотнения SWDM (Shortwave WDM) в первом окне прозрачности, что прямо отражается в названии торговой марки. При передаче задействуются все четыре стандартизованные длины волны. Обращение к такому решению не требует переработки оптической части интерфейса и позволяет воспользоваться уже доступной техникой.

40-гигабитный вариант решения реализован в виде модуля в корпусе QSF+, который имеет стандартный электрический 38-контактный двухрядный интерфейс и использует те же два волокна существующей многомодовой проводки. 100-гигабитные интерфейсные модули, разработанные совместно с компанией Lumentum, выполнены в форм-факторе QSFP28.

Достижение 40 Гбит/с обеспечивается в том случае, если скорость отдельных субканалов составляет 10 Гбит/с; увеличение скорости передачи до 100 Гбит/с требует наращивания пропускной способности отдельного субканала до 25 Гбит/с и перехода на линейное кодирование РАМ-4. Обе скорости являются стандартной величиной для волоконно-оптических телекоммуникационных систем, поэтому для их поддержки можно заимствовать имеющиеся схемные решения в части электроники.

Де-факто технология SWDM4 представляет собой обычную SWDM, в которой граница внедрения техники спектрального мультиплексирования сдвинута в сторону меньших скоростей. Преимущество такого подхода состоит в том, что необходимость применения схемы пространственного уплотнения возникает при превышении 100 Гбит/с. Тем самым введение неудобной в эксплуатации схемы пространственного мультиплексирования пока откладывается.

Уменьшение скорости передачи в отдельных субканалах положительно сказалось на дальности действия устройств: для 40 Гбит/с она составляет 400 м в случае волокон категории ОМ4, а при увеличении скорости до 100 Гбит/с гарантированная дальность действия по стандартным световодам уменьшается вдвое, значительно превышая, тем не менее, те 100–150 м, которые являются типовыми для первого окна прозрачности.

Как сильную сторону техники SWDM4 следует рассматривать довольно низкую потребляемую мощность (до 1,5 Вт на скорости 40 Гбит/с и не свыше 3,5 Вт в 100-гигабитном варианте).

Отметим, что решение Finisar, несмотря на очевидные технические преимущества, менее популярно, чем BiDi. В качестве возможных назовем две причины:

  • высокая стоимость модулей формата QSFP+ из-за необходимости применения дорогих оптических фильтров;
  • запоздалый вывод решения на рынок.

ТЕХНОЛОГИЯ QSFP-40G-UNIV

Технология QSFP-40G-UNIV активно продвигается с начала 2017 года ее создателем — американской компанией Arista Networks в содружестве с компанией Corning. Основной задачей разработки было упрощение перехода со скорости 10 Гбит/с на 40 Гбит/с. Поставленная цель достигнута благодаря реализации следующих возможностей:

  • сохранение двухволоконной структуры тракта при увеличении скорости информационного обмена;
  • поддержка работы активного сетевого оборудования как по многомодовому, так и по одномодовому тракту.

В свою очередь, инвариантность по отношению к разновидности волокна обеспечена:

  • обращением к четырехволновой схеме неплотного спектрального уплотнения LAN CWDM (рабочие длины волн 1270, 1290, 1310 и 1330 нм), что позволило сохранить дуплексную структуру тракта при увеличении скорости (рис. 2);
  • использованием в составе передающей части интерфейсных модулей одномодовых лазерных излучателей, которые достаточно эффективны при работе как по многомодовому, так и по одномодовому кабелю.
Рис. 2. Возможные сценарии наращивания скорости информационного обмена с 10 до 40 Гбит/с: а — схема 40GBase-SR4 (традиционная); б — схема QSFP-40G-UNIV
Рис. 2. Возможные сценарии наращивания скорости информационного обмена с 10 до 40 Гбит/с: а — схема 40GBase-SR4 (традиционная); б — схема QSFP-40G-UNIV

 

Последнее свойство предопределило введение в фирменное название технологии сокращения UNIV (от англ. universal).

Модуль QSFP-40G-UNIV выполнен в стандартном форм-факторе QSFP, в канале связи всегда устанавливается пара таких модулей. В качестве физического интерфейса использована дуплексная розетка LC. В каждом из четырех спектральных субканалов обеспечивается независимая дуплексная передача с информационной скоростью 10 Гбит/с (фактическое значение скорости составляет 10,3125 Гбит/с).

Работа в диапазоне длин волн нулевой дисперсии 1310 нм в сочетании с использованием одномодового излучателя позволяет заметно улучшить частотные свойства формируемого тракта передачи и добиться гарантированного увеличения дальности передачи. Это происходит за счет того, что одномодовые излучатели, установленные в передатчиках модуля QSFP-40G-UNIV, обеспечивают направленный ввод излучения в многомодовое ОВ. В результате на передающем конце тракта передачи излучение не заполняет всю сердцевину, что сопровождается уменьшением разброса задержек наиболее «быстрых» и «медленных» мод, то есть наблюдаются улучшение частотных свойств тракта и снижение дисперсионного штрафа.

В многомодовых волокнах для лазерной передачи процессы модовой конверсии выражены достаточно слабо благодаря тщательной проработке профиля показателя преломления сердцевины и области перехода от сердцевины к оболочке. В сочетании со снижением хроматической дисперсии за счет работы в окрестности длины волны 1300 нм это приводит к достижению гарантированной дальности связи в 150 м по волокнам «лазерных» категорий ОМ3 и ОМ4 (табл. 2).

Преимущество модуля QSFP-40G-UNIV состоит в том, что при реализации информационной проводки на многомодовой элементной базе не требуется обязательно применять многомодовые оптические кабели категории ОМ5. Между тем их использование критически важно в случае обращения к схеме коротковолнового разреженного спектрального уплотнения SWDM.

При переходе на одномодовую кабельную технику минимальная дальность связи определяется характеристиками стандартной пары излучатель-светодиод и составляет не менее 500 м.

Поскольку дисперсионный штраф у QSFP-40G-UNIV меньше, чем у модуля 40GBase-SR4, увеличивается и допустимое затухание в тракте (табл. 2).

Таблица 2. Гарантированная дальность действия и энергетический потенциал интерфейсов QSFP-40G-UNIV
Таблица 2. Гарантированная дальность действия и энергетический потенциал интерфейсов QSFP-40G-UNIV

 

Таким образом, в случае использования технологии QSFP-40G-UNIV для повышения скорости передачи требуется только заменить интерфейсные модули. Конфигурация физического уровня информационной системы не меняется.

ТЕХНОЛОГИИ 40GBASE-CSR И 40GBASE-ESR

Технологии 40GBase-CSR4 и 40GBase-ESR4 были призваны увеличить дальность действия стандартных коротковолновых 40-гигабитных сетевых интерфейсов IEEE 802.3ba, при этом разработчики стремились сохранить экономическую привлекательность прототипа. Цель была достигнута за счет применения следующих приемов:

  • сохранение схемы четырехканального пространственного уплотнения и рабочей длины волны 850 нм для отдельных субканалов;
  • увеличение энергетического потенциала интерфейса;
  • уменьшение хроматической составляющей дисперсии за счет 1,5-кратного уменьшения ширины линии излучения.

Параметры стандартных по IEEE 802.3ba интерфейсов 40GBase-SR4 и новых разработок приведены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры 40-гигабитных параллельных модулей IEEE 802.3ba и 40GBase-CSR4 (40GBase-еSR4)
Таблица 3. Параметры 40-гигабитных параллельных модулей IEEE 802.3ba и 40GBase-CSR4 (40GBase-еSR4)

 

Предлагаемые решения, хотя и базируются на типовой технике, относятся к проприетарным. Реализующие их трансиверы имеют форм-фактор QSFP, причем ключевые спецификационные параметры одинаковы. Компания Cisco обозначает подобные «дальнобойные» изделия как 40GBase-CSR4, а Juniper Network и Huawei пользуются обозначениями 40GBase-ESR4 или 40GBase-еSR4 (символ «е» в данном случае является сокращением от extended).

Приведенные в табл. 3 значения для максимальной протяженности линии связи достигаются только в случае работы модулей в паре. Энергетический потенциал модулей 40GBase-CSR4 и 40GBase-еSR4 составляет 2,6 дБ, что на 0,7 дБ превышает аналогичный параметр стандартных интерфейсов IEEE 802.3ba. Полученный выигрыш направляется на увеличение дальности связи.

С учетом того, что Pперmaх < Pпрmax, модули 40GBase-CSR4 и 40GBase-еSR4 не требуют использования аттенюаторов, то есть по эксплуатационным характеристикам они не отличаются от изделий стандарта IEEE 802.3ba.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, основными направлениями расширения функциональных возможностей 40- и 100-гигабитных волоконно-оптических сетевых интерфейсов являются обеспечение возможности работы по двухволоконным кабельным трактам и наращивание гарантированной дальности действия.

Двухволновая схема мультиплексирования по длинам волн применима на скорости 40 Гбит/с, но не пригодна для 100 Гбит/с из-за слишком сильных дисперсионных искажений стандартных типов многомодовых световодов. Обращение же к технике спектрального уплотнения позволяет эффективно осуществить бесшовный переход от скорости 10 Гбит/с к 40 Гбит/с с перспективой дальнейшего увеличения до 100 Гбит/с при сохранении двухволоконной структуры тракта.

Основной способ упрощения перехода — использование недавно стандартизированной схемы четырехволнового спектрального уплотнения SWDM. Поэтому при проектировании информационной проводки во вновь создаваемых ЦОДах имеет смысл закладывать оптические кабели на основе волокон категории ОМ5 с учетом последующего применения схемы SWDM.

Дальность связи наращивается за счет применения в сетевых интерфейсах более качественной оптоэлектронной элементной базы и работы в окрестности длины волны 1300 нм.

Андрей Семенов, директор по развитию СУПР, профессор МТУСИ

Купить номер с этой статьей в PDF