„Netzwerk“ ist für die meisten modernen Menschen zu einer „Notwendigkeit“ geworden.
Der Grund, warum ein so komfortables Netzwerkzeitalter kommen kann, ist die „Glasfaser-Kommunikationstechnologie“, die man als unverzichtbar bezeichnen kann.
1966 schlug die britisch-chinesische Sorghumhirse das Konzept der optischen Faser vor, das den Höhepunkt der weltweiten Entwicklung der Glasfaserkommunikation auslöste. Die erste Generation von Lichtwellensystemen mit einer Wellenlänge von 0,8 μm wurde 1978 offiziell kommerziell genutzt und die zweite Generation von Lichtwellensystemen Kommunikationssysteme mit Multimode-Glasfaser wurden in den frühen 1980er Jahren schnell eingeführt. 1990 war das optische Wellensystem der dritten Generation mit 2,4 Gbit/s und 1,55 μm in der Lage, kommerzielle Kommunikationsdienste bereitzustellen.
Der „Vater der Faser“ Sorghumhirse, der einen bahnbrechenden Beitrag zur „Übertragung von Licht in Fasern für die optische Kommunikation“ leistete, wurde 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Die Glasfaserkommunikation ist mittlerweile zu einem der Grundpfeiler der modernen Kommunikation geworden und spielt in modernen Telekommunikationsnetzen eine zentrale Rolle. Es gilt auch als wichtiges Symbol der neuen technologischen Revolution der Welt und als wichtigstes Mittel zur Informationsübertragung in der zukünftigen Informationsgesellschaft.
In den letzten Jahren hat sich der Anwendungsmarkt für Big Data, Cloud Computing, 5G, Internet der Dinge und künstliche Intelligenz rasant entwickelt. Der kommende Markt für unbemannte Anwendungen sorgt für ein explosionsartiges Wachstum des Datenverkehrs. Die Vernetzung von Rechenzentren hat sich nach und nach zur optischen Kommunikationsforschung entwickelt. Hotspot.
Im großen Rechenzentrum von Google
Das aktuelle Rechenzentrum besteht nicht mehr nur aus einem oder mehreren Computerräumen, sondern aus einer Reihe von Rechenzentrumsclustern. Um die normale Arbeit verschiedener Internetdienste und Anwendungsmärkte zu erreichen, müssen Rechenzentren zusammenarbeiten. Die Echtzeit und die massive Informationsinteraktion zwischen Rechenzentren hat die Nachfrage nach Verbindungsnetzwerken für Rechenzentren geschaffen, und die Glasfaserkommunikation ist zu einem notwendigen Mittel zur Erreichung der Verbindung geworden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Übertragungsgeräten für Telekommunikationszugangsnetze muss die Verbindung von Rechenzentren mehr Informationen und eine dichtere Übertragung ermöglichen, was eine höhere Geschwindigkeit, einen geringeren Stromverbrauch und eine stärkere Miniaturisierung der Vermittlungsgeräte erfordert. Einer der Kernfaktoren, die bestimmen, ob diese Fähigkeiten möglich sind Dies wird durch das optische Transceiver-Modul erreicht.
Einige Grundkenntnisse über optische Transceiver-Module
Das Informationsnetzwerk verwendet hauptsächlich Glasfasern als Übertragungsmedium, die aktuelle Berechnung und Analyse muss jedoch auch auf elektrischen Signalen basieren, und das optische Transceivermodul ist das Kerngerät zur Realisierung der fotoelektrischen Umwandlung.
Die Kernkomponenten des optischen Moduls sind Transimitter (Licht emittierendes Submodul)/Empfänger (Licht empfangendes Submodul) oder Transceiver (optisches Transceiver-Modul), elektrischer Chip und umfassen auch passive Komponenten wie Linsen, Splitter und Combiner. Zusammensetzung der Peripherieschaltung.
Auf der Sendeseite: Das elektrische Signal wird vom Transimitter in ein optisches Signal umgewandelt und dann vom optischen Adapter in die Glasfaser eingegeben. Auf der Empfangsseite: Das optische Signal in der Glasfaser wird vom Empfänger über den optischen Adapter empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt und zur Verarbeitung an die Recheneinheit gesendet.
Schematische Darstellung des optischen Transceivermoduls
Mit der Entwicklung der optoelektronischen Integrationstechnologie hat sich auch die Verpackungsform des optischen Transceivermoduls geändert. Bevor die optische Modulindustrie entstand, wurde sie in den Anfängen von den großen Herstellern von Telekommunikationsgeräten entwickelt. Die Schnittstellen waren vielfältig und nicht universell einsetzbar. Dies machte die optischen Transceiver-Module nicht austauschbar. Für die Entwicklung der Branche entstand das endgültige „Multi Source Agreement (MSA)“. Mit dem MSA-Standard entstanden Unternehmen, die sich unabhängig auf die Entwicklung von Transceivern konzentrierten, und die Branche wuchs.
Das optische Transceivermodul kann je nach Verpackungsform in SFP, XFP, QSFP, CFP usw. unterteilt werden:
· SFP (Small Form-factor Pluggable) ist ein kompakter, steckbarer Transceiver-Modulstandard für Telekommunikations- und Datenkommunikationsanwendungen, der Übertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s unterstützt.
Das XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) ist ein steckbares Transceivermodul mit 10G-Rate und kleinem Formfaktor, das mehrere Kommunikationsprotokolle wie 10G Ethernet, 10G Fibre Channel und SONETOC-192 unterstützt. XFP-Transceiver können in der Datenkommunikation und verwendet werden Telekommunikationsmärkten und bieten bessere Stromverbrauchseigenschaften als andere 10-Gbit/s-Transceiver.
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) ist ein kompakter, steckbarer Transceiver-Standard für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsanwendungen. Je nach Geschwindigkeit kann das QSFP in 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28 optische Module unterteilt werden. Derzeit ist QSFP28 in globalen Rechenzentren weit verbreitet.
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) basiert auf einem standardisierten optischen Dense-Wave-Split-Kommunikationsmodul mit einer Übertragungsrate von 100–400 Gbit/s. Die Größe des CFP-Moduls ist größer als die des SFP/XFP/QSFP und wird im Allgemeinen für die Übertragung über große Entfernungen, beispielsweise in einem Stadtgebietsnetzwerk, verwendet.
Optisches Transceivermodul für die Kommunikation im Rechenzentrum
Je nach Art der Anbindung lässt sich die Kommunikation im Rechenzentrum in drei Kategorien einteilen:
(1) Das Rechenzentrum für den Benutzer wird durch das Endbenutzerverhalten wie das Surfen auf der Webseite, das Senden und Empfangen von E-Mails und Videostreams durch den Zugriff auf die Cloud generiert.
(2) Verbindung von Rechenzentren, hauptsächlich für Datenreplikation, Software- und System-Upgrades;
(3) Im Rechenzentrum wird es hauptsächlich zur Informationsspeicherung, -generierung und zum Mining verwendet. Laut der Prognose von Cisco macht die interne Kommunikation von Rechenzentren mehr als 70 % der Kommunikation von Rechenzentren aus, und die Entwicklung des Rechenzentrumsbaus hat die Entwicklung von optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen hervorgebracht.
Der Datenverkehr nimmt weiter zu, und der Trend zur Größe und Verflachung von Rechenzentren treibt die Entwicklung optischer Module in zweierlei Hinsicht voran:
· Erhöhte Anforderungen an die Übertragungsrate
· Erhöhung der Mengennachfrage
Derzeit haben sich die Anforderungen an optische Module für globale Rechenzentren von 10/40G-Optikmodulen zu 100G-Optikmodulen geändert. Chinas Alibaba Cloud Promotion wird 2018 das erste Jahr der groß angelegten Anwendung von 100G-Optikmodulen sein. Es wird ein Upgrade erwartet 400G optische Module im Jahr 2019.
Entwicklungspfad des Ali-Cloud-Moduls
Der Trend zu großen Rechenzentren hat zu einem Anstieg der Anforderungen an die Übertragungsentfernung geführt. Die Übertragungsentfernung von Multimode-Fasern ist durch die steigende Signalrate begrenzt und wird voraussichtlich schrittweise durch Singlemode-Fasern ersetzt. Die Kosten für die Glasfaserverbindung setzen sich aus zwei Teilen zusammen: dem optischen Modul und der optischen Faser. Für unterschiedliche Entfernungen gibt es unterschiedliche anwendbare Lösungen. Für die Mittel- bis Fernverbindung, die für die Kommunikation im Rechenzentrum erforderlich ist, gibt es zwei revolutionäre Lösungen von MSA:
· PSM4 (Parallel Single Mode 4 Spuren)
· CWDM4 (Grobwellenlängenmultiplexer 4 Spuren)
Unter ihnen ist die PSM4-Fasernutzung viermal so hoch wie die von CWDM4. Wenn die Verbindungsentfernung groß ist, sind die Kosten für die CWDM4-Lösung relativ niedrig. In der folgenden Tabelle sehen wir einen Vergleich der optischen 100G-Modullösungen für Rechenzentren:
Heutzutage ist die Implementierungstechnologie von optischen 400G-Modulen zum Schwerpunkt der Branche geworden. Die Hauptfunktion des optischen 400G-Moduls besteht darin, den Datendurchsatz zu verbessern und die Bandbreite und Portdichte des Rechenzentrums zu maximieren. Sein zukünftiger Trend besteht darin, große Reichweite zu erzielen Verstärkung, geringes Rauschen, Miniaturisierung und Integration, um den Anforderungen von drahtlosen Netzwerken der nächsten Generation und Kommunikationsanwendungen für extrem große Rechenzentren gerecht zu werden.
Das frühe optische 400G-Modul verwendete eine 16-Kanal-25G-NRZ-Signalmodulationsmethode (Non-Returnto Zero) in einem CFP8-Paket. Der Vorteil besteht darin, dass die auf dem optischen 100G-Modul ausgereifte 25G-NRZ-Signalmodulationstechnologie ausgeliehen werden kann, der Nachteil jedoch besteht dass 16 Signale parallel übertragen werden müssen und der Stromverbrauch und die Lautstärke relativ groß sind, was für Rechenzentrumsanwendungen nicht geeignet ist. Im aktuellen optischen 400G-Modul sind 8-Kanal 53G NRZ oder 4-Kanal 106G PAM4 (4 Pulse) vorhanden Die Signalmodulation (Amplitudenmodulation) wird hauptsächlich zur Realisierung der 400G-Signalübertragung verwendet.
Was die Modulverpackung betrifft, wird OSFP oder QSFP-DD verwendet, und beide Pakete können 8 elektrische Signalschnittstellen bereitstellen. Im Vergleich dazu ist das QSFP-DD-Paket kleiner und besser für Rechenzentrumsanwendungen geeignet; Das OSFP-Paket ist etwas größer und verbraucht mehr Strom, wodurch es besser für Telekommunikationsanwendungen geeignet ist.
Analysieren Sie die „Kernleistung“ optischer 100G/400G-Module
Wir haben die Implementierung von optischen 100G- und 400G-Modulen kurz vorgestellt. In den schematischen Diagrammen der 100G CWDM4-Lösung, der 400G CWDM8-Lösung und der 400G CWDM4-Lösung ist Folgendes zu sehen:
100G CWDM4-Schema
400G CWDM8-Schema
400G CWDM4-Schema
Im optischen Modul ist der Fotodetektor der Schlüssel zur Umsetzung der fotoelektrischen Signalumwandlung. Um diese Pläne endlich umzusetzen, welche Bedürfnisse müssen Sie von Grund auf erfüllen?
Die 100G CWDM4-Lösung erfordert eine 4λx25GbE-Implementierung, die 400G CWDM8-Lösung erfordert eine 8λx50GbE-Implementierung und die 400G CWDM4-Lösung erfordert eine 4λx100GbE-Implementierung. Entsprechend der Modulationsmethode verwenden die 100G CWDM4- und 400G CWDM8-Schemata eine NRZ-Modulation, die jeweils der Modulationsrate von entspricht 25-Gbd- und 53-Gbd-Geräte. Das 400G-CWDM4-Schema übernimmt das PAM4-Modulationsschema, das außerdem eine Modulationsrate des Geräts von 53 Gbd oder mehr erfordert.
Die Gerätemodulationsrate entspricht der Gerätebandbreite. Für ein optisches 1310-nm-Band-100G-Modul ist ein InGaAs-Detektor oder Detektorarray mit einer Bandbreite von 25 GHz ausreichend.