أصبحت "الشبكة" "ضرورة" بالنسبة لمعظم الناس المعاصرين.
السبب وراء قدوم مثل هذا العصر المريح للشبكات هو أن "تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية" لا غنى عنها.
في عام 1966، اقترحت الذرة الصينية البريطانية مفهوم الألياف الضوئية، مما أشعل ذروة تطوير اتصالات الألياف الضوئية في جميع أنحاء العالم. تم وضع الجيل الأول من أنظمة الموجات الضوئية التي تعمل بسرعة 0.8 ميكرومتر في عام 1978 رسميًا في الاستخدام التجاري، والجيل الثاني من الموجات الضوئية تم تقديم أنظمة الاتصالات التي تستخدم الألياف متعددة الأوضاع في الأيام الأولى بسرعة في أوائل الثمانينيات. وبحلول عام 1990، كان نظام الموجات الضوئية من الجيل الثالث الذي يعمل بسرعة 2.4 جيجابت / ثانية و1.55 ميكرومتر قادرًا على توفير خدمات الاتصالات التجارية.
حصل "أبو الألياف" الذي قدم مساهمة رائعة في "نقل الضوء في الألياف للاتصالات الضوئية"، على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2009.
أصبحت اتصالات الألياف الضوئية الآن أحد الركائز الأساسية للاتصالات الحديثة، حيث تلعب دورًا محوريًا في شبكات الاتصالات الحديثة. ويُنظر إليه أيضًا على أنه رمز مهم للثورة التكنولوجية الجديدة في العالم والوسيلة الرئيسية لنقل المعلومات في مجتمع المعلومات المستقبلي.
في السنوات الأخيرة، تطور سوق تطبيقات البيانات الضخمة والحوسبة السحابية والجيل الخامس وإنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي بسرعة. يجلب سوق التطبيقات غير المأهولة القادم نموًا هائلاً في حركة البيانات. لقد تطور الاتصال البيني لمراكز البيانات تدريجيًا إلى أبحاث الاتصالات البصرية. نقطة ساخنة.
داخل مركز بيانات Google الكبير
لم يعد مركز البيانات الحالي مجرد غرفة كمبيوتر واحدة أو عدة غرف، بل مجموعة من مجموعات مراكز البيانات. من أجل تحقيق العمل الطبيعي لمختلف خدمات الإنترنت وأسواق التطبيقات، تحتاج مراكز البيانات إلى العمل معًا. وقد أدى التفاعل الهائل للمعلومات بين مراكز البيانات إلى خلق الطلب على شبكات الربط البيني لمراكز البيانات، وأصبح اتصال الألياف الضوئية وسيلة ضرورية لتحقيق التوصيل البيني.
على عكس معدات نقل شبكة الوصول إلى الاتصالات التقليدية، يحتاج التوصيل البيني لمراكز البيانات إلى تحقيق المزيد من المعلومات ونقل أكثر كثافة، الأمر الذي يتطلب تحويل المعدات إلى سرعة أعلى، واستهلاك أقل للطاقة، ومزيد من التصغير. أحد العوامل الأساسية التي تحدد ما إذا كان من الممكن استخدام هذه القدرات تم تحقيقه بواسطة وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية.
بعض المعرفة الأساسية حول وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية
تستخدم شبكة المعلومات بشكل أساسي الألياف الضوئية كوسيلة نقل، ولكن يجب أن يعتمد الحساب والتحليل الحالي أيضًا على الإشارات الكهربائية، ووحدة الإرسال والاستقبال الضوئية هي الجهاز الأساسي لتحقيق التحويل الكهروضوئي.
المكونات الأساسية للوحدة البصرية هي جهاز الإرسال (وحدة فرعية باعثة للضوء)/جهاز الاستقبال (وحدة فرعية لاستقبال الضوء) أو جهاز الإرسال والاستقبال (وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية)، والرقاقة الكهربائية، وتتضمن أيضًا مكونات سلبية مثل العدسات، والمقسمات، والمجمعات. تكوين الدائرة المحيطية.
في طرف الإرسال: يتم تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية بواسطة جهاز الإرسال، ثم يتم إدخالها إلى الألياف الضوئية بواسطة المحول البصري؛ عند طرف الاستقبال: يتم استقبال الإشارة الضوئية في الألياف الضوئية بواسطة جهاز الاستقبال من خلال المحول البصري وتحويلها إلى إشارة كهربائية وإرسالها إلى وحدة الحوسبة للمعالجة.
مخطط وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية
مع تطور تكنولوجيا التكامل الإلكتروني البصري، خضع شكل التغليف لوحدة الإرسال والاستقبال الضوئية أيضًا لبعض التغييرات. قبل تشكيل صناعة الوحدات البصرية، تم تطويرها من قبل الشركات المصنعة الكبرى لمعدات الاتصالات في الأيام الأولى. كانت الواجهات متنوعة ولا يمكن استخدامها عالميًا. وهذا جعل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية غير قابلة للتبديل. ومن أجل تطوير الصناعة، ظهرت "اتفاقية المصادر المتعددة (MSA)" النهائية إلى حيز الوجود. مع معيار MSA، بدأت الشركات التي تركز بشكل مستقل على تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال في الظهور، وارتفعت الصناعة.
يمكن تقسيم وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية إلى SFP، وXFP، وQSFP، وCFP، وما إلى ذلك وفقًا لنموذج الحزمة:
· SFP (عامل الشكل الصغير القابل للتوصيل) عبارة عن وحدة إرسال واستقبال مدمجة وقابلة للتوصيل قياسية لتطبيقات الاتصالات والبيانات التي تدعم معدلات نقل تصل إلى 10 جيجابت في الثانية.
XFP (10 جيجابت صغير الحجم قابل للتوصيل) عبارة عن وحدة إرسال واستقبال صغيرة الحجم قابلة للتوصيل بمعدل 10 جيجا تدعم بروتوكولات اتصال متعددة مثل 10G Ethernet و10G Fiber Channel وSONETOC-192. يمكن استخدام أجهزة الإرسال والاستقبال XFP في اتصالات البيانات و أسواق الاتصالات وتوفر خصائص استهلاك طاقة أفضل من أجهزة الإرسال والاستقبال الأخرى بسرعة 10 جيجابت في الثانية.
QSFP (رباعي الشكل صغير الحجم قابل للتوصيل) هو جهاز إرسال واستقبال مدمج وقابل للتوصيل لتطبيقات اتصالات البيانات عالية السرعة. وفقاً للسرعة، يمكن تقسيم QSFP إلى وحدات بصرية 4×1G QSFP، 4×10GQSFP+، 4×25G QSFP28. حاليًا، يتم استخدام QSFP28 على نطاق واسع في مراكز البيانات العالمية.
· يعتمد CFP (Centum gigabit Form Pluggable) على وحدة اتصالات تقسيم بصري ذات موجة كثيفة موحدة بمعدل نقل يتراوح بين 100 و400 جيجابت في الثانية. حجم وحدة CFP أكبر من حجم SFP/XFP/QSFP، ويستخدم بشكل عام للإرسال لمسافات طويلة مثل شبكة المناطق الحضرية.
وحدة الإرسال والاستقبال الضوئية للاتصالات مركز البيانات
يمكن تقسيم اتصالات مركز البيانات إلى ثلاث فئات حسب نوع الاتصال:
(1) يتم إنشاء مركز البيانات للمستخدم من خلال سلوك المستخدم النهائي مثل تصفح صفحة الويب وإرسال واستقبال رسائل البريد الإلكتروني وتدفقات الفيديو عن طريق الوصول إلى السحابة؛
(2) التوصيل البيني لمراكز البيانات، والذي يستخدم بشكل أساسي لنسخ البيانات وتحديث البرامج والنظام؛
(3) داخل مركز البيانات، يتم استخدامه بشكل أساسي لتخزين المعلومات وتوليدها والتعدين. وفقًا لتوقعات سيسكو، يمثل الاتصال الداخلي لمركز البيانات أكثر من 70% من اتصالات مركز البيانات، وقد أدى تطوير بناء مركز البيانات إلى تطوير وحدات بصرية عالية السرعة.
تستمر حركة البيانات في النمو، ويؤدي الاتجاه الواسع النطاق والمسطح لمركز البيانات إلى تطوير الوحدات الضوئية في جانبين:
· زيادة متطلبات معدل الإرسال
· زيادة الطلب الكمي
في الوقت الحاضر، تغيرت متطلبات الوحدات الضوئية لمراكز البيانات العالمية من الوحدات الضوئية 10/40 جيجا إلى الوحدات الضوئية 100 جيجا. سيصبح ترويج Alibaba Cloud في الصين هو العام الأول للتطبيق واسع النطاق للوحدات الضوئية 100 جيجا في عام 2018. ومن المتوقع ترقيته وحدات بصرية 400G في عام 2019.
مسار تطور الوحدة السحابية علي
أدى اتجاه مراكز البيانات واسعة النطاق إلى زيادة متطلبات مسافة الإرسال. مسافة الإرسال للألياف متعددة الأوضاع محدودة بسبب الزيادة في معدل الإشارة ومن المتوقع أن يتم استبدالها تدريجيًا بألياف أحادية الوضع. وتتكون تكلفة وصلة الألياف من جزأين: الوحدة الضوئية والألياف الضوئية. بالنسبة للمسافات المختلفة، هناك حلول مختلفة قابلة للتطبيق. بالنسبة للتوصيل البيني للمسافات المتوسطة إلى الطويلة المطلوب لاتصالات مركز البيانات، هناك حلان ثوريان ولدا من MSA:
· PSM4 (الوضع الفردي المتوازي 4 ممرات)
· CWDM4 (مضاعف بتقسيم الطول الموجي الخشن 4 ممرات)
ومن بينها، يبلغ استخدام ألياف PSM4 أربعة أضعاف استخدام ألياف CWDM4. عندما تكون مسافة الارتباط طويلة، تكون تكلفة حل CWDM4 منخفضة نسبيًا. من الجدول أدناه، يمكننا أن نرى مقارنة بين حلول الوحدات الضوئية لمركز البيانات 100G:
اليوم، أصبحت تكنولوجيا تنفيذ الوحدات الضوئية 400G هي محور الصناعة. وتتمثل الوظيفة الرئيسية للوحدة الضوئية 400G في تحسين إنتاجية البيانات وزيادة عرض النطاق الترددي وكثافة المنفذ لمركز البيانات إلى أقصى حد. واتجاهها المستقبلي هو تحقيق نطاق واسع الكسب والضوضاء المنخفضة والتصغير والتكامل، لتلبية احتياجات شبكات الجيل التالي اللاسلكية وتطبيقات اتصالات مراكز البيانات واسعة النطاق.
استخدمت الوحدة الضوئية 400G المبكرة طريقة تعديل إشارة 25G NRZ (عدم العودة إلى الصفر) ذات 16 قناة في حزمة CFP8. والميزة هي أن تقنية تعديل الإشارة 25G NRZ الناضجة على الوحدة الضوئية 100G يمكن استعارتها، ولكن العيب هو أن 16 إشارة يجب أن يتم إرسالها بالتوازي، واستهلاك الطاقة والحجم كبير نسبيًا، وهو غير مناسب لتطبيقات مركز البيانات. في الوحدة الضوئية الحالية 400G، 8 قنوات 53G NRZ أو 4 قنوات 106G PAM4 (4 نبضات) تعديل السعة) يستخدم تعديل الإشارة بشكل أساسي لتحقيق إرسال إشارة 400G.
فيما يتعلق بتغليف الوحدة النمطية، يتم استخدام OSFP أو QSFP-DD، ويمكن أن توفر كلا الحزمتين 8 واجهات للإشارة الكهربائية. وبالمقارنة، فإن حزمة QSFP-DD أصغر حجمًا وأكثر ملاءمة لتطبيقات مراكز البيانات؛ حزمة OSFP أكبر قليلاً في الحجم وتستهلك المزيد من الطاقة، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتطبيقات الاتصالات.
تحليل الطاقة "الأساسية" للوحدات الضوئية 100G/400G
لقد قدمنا بإيجاز تنفيذ الوحدات الضوئية 100G و400G. يمكن رؤية ما يلي في المخططات التخطيطية لحل 100G CWDM4 وحل 400G CWDM8 وحل 400G CWDM4:
100G CWDM4 التخطيطي
400G CWDM8 التخطيطي
400G CWDM4 التخطيطي
في الوحدة الضوئية، المفتاح لتحقيق تحويل الإشارة الكهروضوئية هو الكاشف الضوئي. من أجل تلبية هذه الخطط أخيرًا، ما نوع الاحتياجات التي تحتاج إلى تلبيتها من "الأساس"؟
يتطلب حل 100G CWDM4 تنفيذ 4×25GbE، ويتطلب حل 400G CWDM8 تنفيذ 8×50GbE، ويتطلب حل 400G CWDM4 تنفيذ 4×100GbE. وبالتوافق مع طريقة التعديل، يعتمد مخططا 100G CWDM4 و400G CWDM8 تعديل NRZ، والذي يتوافق على التوالي مع معدل التعديل أجهزة 25 جيجا بايت و53 جيجا بايت. يعتمد نظام 400 جيجا بايت CWDM4 نظام تعديل PAM4، والذي يتطلب أيضًا أن يكون للجهاز معدل تعديل يبلغ 53 جيجا بايت أو أكثر.
يتوافق معدل تعديل الجهاز مع النطاق الترددي للجهاز. بالنسبة للوحدة الضوئية 100G ذات النطاق 1310 نانومتر، يكون كاشف InGaAs بعرض النطاق الترددي 25 جيجا هرتز أو صفيف الكاشف كافيًا.