„Sieć” stała się „koniecznością” dla większości współczesnych ludzi.
Powodem, dla którego może nadejść tak wygodna era sieci, jest „technologia komunikacji światłowodowej”, którą można uznać za niezbędną.
W 1966 roku brytyjskie chińskie sorgo zaproponowało koncepcję światłowodu, co zapoczątkowało kulminacyjny rozwój komunikacji światłowodowej na całym świecie. Pierwsza generacja systemów fal świetlnych działających na długości fali 0,8 μm w 1978 roku została oficjalnie wprowadzona do użytku komercyjnego, a druga generacja systemów fal świetlnych Pierwsze systemy komunikacji wykorzystujące światłowód wielomodowy zostały szybko wprowadzone na początku lat 80. XX wieku. Do 1990 r. system fal optycznych trzeciej generacji działający z szybkością 2,4 Gb/s i 1,55 μm był w stanie świadczyć komercyjne usługi komunikacyjne.
Sorgo „ojciec światłowodu”, który wniósł przełomowy wkład w „przenoszenie światła w światłowodzie na potrzeby komunikacji optycznej”, otrzymał w 2009 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Komunikacja światłowodowa stała się obecnie jednym z głównych filarów współczesnej komunikacji, odgrywając kluczową rolę we współczesnych sieciach telekomunikacyjnych. Postrzegany jest także jako ważny symbol nowej światowej rewolucji technologicznej i główny środek przekazu informacji w przyszłym społeczeństwie informacyjnym.
W ostatnich latach rynek zastosowań big data, cloud computingu, 5G, Internetu rzeczy i sztucznej inteligencji rozwija się dynamicznie. Nadchodzący rynek aplikacji bezzałogowych spowoduje gwałtowny wzrost ruchu danych. Wzajemne połączenia centrów danych stopniowo przekształciły się w badania nad komunikacją optyczną. gorące miejsce.
Wewnątrz dużego centrum danych Google
Obecne centrum danych to już nie jedna czy kilka sal komputerowych, ale zbiór klastrów centrów danych. Aby zapewnić normalną pracę różnych rynków usług internetowych i aplikacji, centra danych muszą ze sobą współpracować. Czas rzeczywisty masowa interakcja informacji między centrami danych stworzyła zapotrzebowanie na sieci połączeń między centrami danych, a komunikacja światłowodowa stała się niezbędnym środkiem do osiągnięcia wzajemnych połączeń.
W przeciwieństwie do tradycyjnych urządzeń do transmisji sieci telekomunikacyjnej, wzajemne połączenia centrów danych muszą zapewniać więcej informacji i gęstszą transmisję, co wymaga, aby sprzęt przełączający miał większą prędkość, mniejsze zużycie energii i większą miniaturyzację. Jednym z głównych czynników decydujących o możliwości tych możliwości osiągnięto optyczny moduł nadawczo-odbiorczy.
Podstawowa wiedza na temat optycznych modułów nadawczo-odbiorczych
Sieć informacyjna wykorzystuje głównie światłowód jako medium transmisyjne, ale obliczenia i analizy prądu muszą również opierać się na sygnałach elektrycznych, a optyczny moduł nadawczo-odbiorczy jest podstawowym urządzeniem realizującym konwersję fotoelektryczną.
Podstawowymi elementami modułu optycznego są nadajnik (podmoduł emitujący światło)/odbiornik (podmoduł odbierający światło) lub nadajnik-odbiornik (optyczny moduł nadawczo-odbiorczy), układ elektryczny, a także elementy pasywne, takie jak soczewki, rozdzielacze i łączniki. Skład obwodów peryferyjnych.
Po stronie nadawczej: sygnał elektryczny jest przekształcany na sygnał optyczny przez Transimitter, a następnie wprowadzany do światłowodu za pomocą adaptera optycznego; Po stronie odbiorczej: sygnał optyczny w światłowodzie jest odbierany przez odbiornik przez adapter optyczny i konwertowany na sygnał elektryczny i wysyłany do jednostki obliczeniowej w celu przetworzenia.
Schemat modułu nadawczo-odbiorczego optycznego
Wraz z rozwojem technologii integracji optoelektronicznej, zmianie uległa także forma opakowania optycznego modułu nadawczo-odbiorczego. Zanim powstał przemysł modułów optycznych, był on rozwijany na początku przez głównych producentów sprzętu telekomunikacyjnego. Interfejsy były zróżnicowane i nie mogły być stosowane powszechnie. To spowodowało, że optyczne moduły nadawczo-odbiorcze nie były wymienne. Dla rozwoju branży powstała ostateczna „Umowa Multi Source (MSA)”. Wraz ze standardem MSA zaczęły pojawiać się firmy, które niezależnie skupiały się na rozwoju urządzeń nadawczo-odbiorczych, a branża się rozwinęła.
Optyczny moduł nadawczo-odbiorczy można podzielić na SFP, XFP, QSFP, CFP itp. zgodnie z formą opakowania:
· SFP (Small Form-Factor Pluggable) to kompaktowy, wtykany standard modułu nadawczo-odbiorczego do zastosowań telekomunikacyjnych i transmisji danych, obsługujący szybkość transferu do 10 Gb/s.
XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) to podłączany moduł nadawczo-odbiorczy o przepustowości 10G, obsługujący wiele protokołów komunikacyjnych, takich jak 10G Ethernet, 10G Fibre Channel i SONETOC-192. Transceivery XFP mogą być używane w transmisji danych i rynkach telekomunikacyjnych i oferują lepszą charakterystykę zużycia energii niż inne transceivery 10 Gb/s.
QSFP (Quad Small Form-Factor Pluggable) to kompaktowy, wtykowy standard transceivera do zastosowań związanych z szybką transmisją danych. Ze względu na prędkość moduł QSFP można podzielić na moduły optyczne 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28. Obecnie QSFP28 jest szeroko stosowany w globalnych centrach danych.
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) opiera się na ustandaryzowanym module komunikacyjnym z optycznym podziałem fali gęstej i szybkości transmisji 100-400 Gbps. Rozmiar modułu CFP jest większy niż moduł SFP/XFP/QSFP i jest powszechnie używany do transmisji na duże odległości, np. w sieci metropolitalnej.
Optyczny moduł nadawczo-odbiorczy do komunikacji w centrum danych
Komunikację w centrum danych można podzielić na trzy kategorie w zależności od rodzaju połączenia:
(1) Centrum danych dla użytkownika jest generowane na podstawie zachowań użytkownika końcowego, takich jak przeglądanie strony internetowej, wysyłanie i odbieranie wiadomości e-mail oraz strumieni wideo poprzez dostęp do chmury;
(2) Połączenie między centrami danych, wykorzystywane głównie do replikacji danych, aktualizacji oprogramowania i systemów;
(3) Wewnątrz centrum danych wykorzystywane jest głównie do przechowywania, generowania i wydobywania informacji. Według prognoz Cisco komunikacja wewnętrzna w centrach danych stanowi ponad 70% komunikacji w centrach danych, a rozwój konstrukcji centrów danych zaowocował rozwojem szybkich modułów optycznych.
Ruch danych stale rośnie, a tendencja do zachodzenia na dużą skalę i spłaszczania się centrów danych napędza rozwój modułów optycznych w dwóch aspektach:
· Zwiększone wymagania dotyczące szybkości transmisji
· Wzrost popytu ilościowego
Obecnie wymagania dotyczące modułów optycznych w globalnych centrach danych zmieniły się z modułów optycznych 10/40G na moduły optyczne 100G. Chińska promocja Alibaba Cloud będzie pierwszym rokiem zastosowania na dużą skalę modułów optycznych 100G w 2018 roku. Oczekuje się aktualizacji Moduły optyczne 400G w 2019 r.
Ścieżka ewolucji modułu Ali Cloud
Trend w zakresie dużych centrów danych doprowadził do wzrostu wymagań dotyczących odległości transmisji. Zasięg transmisji włókien wielomodowych jest ograniczony wzrostem szybkości sygnału i oczekuje się, że będzie stopniowo zastępowany światłowodami jednomodowymi. Koszt łącza światłowodowego składa się z dwóch części: modułu optycznego i światłowodu. Istnieją różne rozwiązania stosowane w przypadku różnych odległości. W przypadku połączeń międzysieciowych na średnie i duże odległości wymagane do komunikacji w centrum danych istnieją dwa rewolucyjne rozwiązania opracowane przez firmę MSA:
· PSM4 (Równoległy tryb pojedynczy, 4 linie)
· CWDM4 (Multiplekser zgrubnego podziału długości fali, 4 linie)
Wśród nich zużycie światłowodu PSM4 jest czterokrotnie większe niż w przypadku CWDM4. Gdy odległość łącza jest duża, koszt rozwiązania CWDM4 jest stosunkowo niski. W poniższej tabeli możemy zobaczyć porównanie rozwiązań modułów optycznych 100G dla centrów danych:
Obecnie w branży koncentruje się technologia wdrażania modułów optycznych 400G. Główną funkcją modułu optycznego 400G jest poprawa przepustowości danych oraz maksymalizacja przepustowości i gęstości portów centrum danych. Jego przyszłym trendem jest osiągnięcie szerokiego zysk, niski poziom szumów, miniaturyzacja i integracja, aby sprostać potrzebom sieci bezprzewodowych nowej generacji i zastosowań komunikacyjnych w centrach danych na bardzo dużą skalę.
Wczesny moduł optyczny 400G wykorzystywał 16-kanałową metodę modulacji sygnału 25G NRZ (Non-Returnto Zero) w pakiecie CFP8. Zaletą jest to, że technologię modulacji sygnału 25G NRZ opracowaną w module optycznym 100G można wypożyczyć, ale wadą jest to, że że 16 sygnałów musi być przesyłanych równolegle, a pobór mocy i głośność są stosunkowo duże, co nie jest odpowiednie dla zastosowań w centrach danych. W obecnym module optycznym 400G, 8-kanałowy 53G NRZ lub 4-kanałowy 106G PAM4 (4 impulsy Modulacja amplitudy) modulacja sygnału jest używana głównie do realizacji transmisji sygnału 400G.
Jeśli chodzi o opakowanie modułów, używany jest OSFP lub QSFP-DD, a oba pakiety mogą zapewnić 8 interfejsów sygnałów elektrycznych. Dla porównania pakiet QSFP-DD jest mniejszy i bardziej odpowiedni do zastosowań w centrach danych; pakiet OSFP jest nieco większy i zużywa więcej energii, dzięki czemu jest bardziej odpowiedni do zastosowań telekomunikacyjnych.
Przeanalizuj moc „rdzenia” modułów optycznych 100G/400G
Pokrótce przedstawiliśmy realizację modułów optycznych 100G i 400G. Na schematach rozwiązania 100G CWDM4, rozwiązania 400G CWDM8 i rozwiązania 400G CWDM4 można zobaczyć, co następuje:
Schemat 100G CWDM4
Schemat 400G CWDM8
Schemat 400G CWDM4
W module optycznym kluczem do realizacji konwersji sygnału fotoelektrycznego jest fotodetektor. Aby w końcu zrealizować te plany, jakie potrzeby trzeba zaspokoić od „rdzenia”?
Rozwiązanie 100G CWDM4 wymaga implementacji 4λx25GbE, rozwiązanie 400G CWDM8 wymaga implementacji 8λx50GbE, a rozwiązanie 400G CWDM4 wymaga implementacji 4λx100GbE. Odpowiednio do metody modulacji, schematy 100G CWDM4 i 400G CWDM8 przyjmują modulację NRZ, która odpowiednio odpowiada szybkości modulacji Urządzenia 25 Gbd i 53 Gbd. Schemat 400G CWDM4 przyjmuje schemat modulacji PAM4, który również wymaga, aby urządzenie miało szybkość modulacji 53 Gbd lub większą.
Szybkość modulacji urządzenia odpowiada przepustowości urządzenia. W przypadku modułu optycznego 100G w paśmie 1310 nm wystarczający jest detektor lub układ detektorów InGaAs o szerokości pasma 25 GHz.