«Сеть» стала «необходимостью» для большинства современных людей.
Причиной, по которой может наступить такая удобная сетевая эра, можно назвать незаменимую «технологию оптоволоконной связи».
В 1966 году британско-китайское сорго предложило концепцию оптического волокна, которая положила начало развитию волоконно-оптической связи во всем мире. Первое поколение световолновых систем, работающих на длине волны 0,8 мкм, в 1978 году было официально введено в коммерческое использование, а второе поколение световолновых систем Системы связи, использующие многомодовое волокно, были быстро внедрены в начале 1980-х годов. К 1990 году оптическая система третьего поколения, работающая со скоростью 2,4 Гбит/с и 1,55 мкм, была способна предоставлять коммерческие услуги связи.
«Отец волокна» сорго, внесший прорывной вклад в «передачу света по оптоволокну для оптической связи», был удостоен Нобелевской премии по физике 2009 года.
Оптоволоконная связь в настоящее время стала одной из основных опор современной связи, играя ключевую роль в современных телекоммуникационных сетях. Он также рассматривается как важный символ новой мировой технологической революции и главное средство передачи информации в будущем информационном обществе.
В последние годы быстро развивается рынок приложений больших данных, облачных вычислений, 5G, Интернета вещей и искусственного интеллекта. Грядущий рынок беспилотных приложений приведет к взрывному росту трафика данных. Взаимосвязь центров обработки данных постепенно переросла в исследования в области оптической связи. горячая точка.
Внутри большого дата-центра Google
Нынешний дата-центр – это уже не один или несколько компьютерных залов, а набор кластеров дата-центров. Чтобы добиться нормальной работы различных интернет-сервисов и рынков приложений, дата-центры должны работать вместе. В режиме реального времени Массовое взаимодействие информации между центрами обработки данных создало спрос на сети межсетевого взаимодействия центров обработки данных, а оптоволоконная связь стала необходимым средством достижения взаимосвязи.
В отличие от традиционного передающего оборудования сети доступа к телекоммуникациям, межсетевое соединение центров обработки данных должно обеспечивать больший объем информации и более плотную передачу, что требует, чтобы коммутационное оборудование имело более высокую скорость, более низкое энергопотребление и большую миниатюризацию. Один из основных факторов, определяющих, могут ли эти возможности быть реализованы достигнутым является модуль оптического приемопередатчика.
Некоторые базовые знания о модулях оптических приемопередатчиков.
Информационная сеть в основном использует оптическое волокно в качестве среды передачи, но текущие расчеты и анализ также должны быть основаны на электрических сигналах, а модуль оптического приемопередатчика является основным устройством для реализации фотоэлектрического преобразования.
Основными компонентами оптического модуля являются передатчик (светоизлучающий субмодуль)/приемник (светоприемный субмодуль) или приемопередатчик (модуль оптического приемопередатчика), электрический чип, а также пассивные компоненты, такие как линзы, разветвители и сумматоры. Состав периферийных цепей.
На передающей стороне: электрический сигнал преобразуется в оптический сигнал передатчиком, а затем вводится в оптическое волокно с помощью оптического адаптера; на приемной стороне: оптический сигнал в оптическом волокне принимается приемником через оптический адаптер. преобразуется в электрический сигнал и отправляется на обработку в вычислительный блок.
Схема модуля оптического приемопередатчика
С развитием технологий оптоэлектронной интеграции некоторые изменения претерпела и форма упаковки модуля оптического приемопередатчика. До того, как была сформирована индустрия оптических модулей, она разрабатывалась крупными производителями телекоммуникационного оборудования. Интерфейсы были разнообразны и не могли использоваться универсально. Это сделало модули оптических приемопередатчиков невзаимозаменяемыми. Для развития отрасли было принято окончательное «Соглашение о нескольких источниках (MSA)». Благодаря стандарту MSA начали появляться компании, которые самостоятельно занимались разработкой трансиверов, и отрасль росла.
Модуль оптического приемопередатчика можно разделить на SFP, XFP, QSFP, CFP и т. д. в зависимости от формы упаковки:
· SFP (подключаемый модуль малого форм-фактора) — это стандартный компактный подключаемый модуль приемопередатчика для телекоммуникационных приложений и приложений передачи данных, который поддерживает скорость передачи данных до 10 Гбит/с.
XFP (10-гигабитный подключаемый модуль малого форм-фактора) — это подключаемый модуль приемопередатчика малого форм-фактора со скоростью 10G, который поддерживает несколько протоколов связи, таких как 10G Ethernet, 10G Fibre Channel и SONETOC-192. Трансиверы XFP можно использовать для передачи данных и телекоммуникационные рынки и предлагают лучшие характеристики энергопотребления, чем другие трансиверы 10 Гбит/с.
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) — это стандартный компактный сменный приемопередатчик для приложений высокоскоростной передачи данных. В зависимости от скорости QSFP можно разделить на оптические модули 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28. В настоящее время QSFP28 широко используется в глобальных центрах обработки данных.
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) основан на стандартизированном модуле связи с оптическим расщеплением плотных волн со скоростью передачи 100–400 Гбит/с. Размер модуля CFP больше, чем у SFP/XFP/QSFP, и он обычно используется для передачи на большие расстояния, например, в городской сети.
Модуль оптического приемопередатчика для связи центра обработки данных
Коммуникации дата-центра можно разделить на три категории по типу подключения:
(1) Центр обработки данных для пользователя создается в результате поведения конечного пользователя, такого как просмотр веб-страницы, отправка и получение электронных писем и видеопотоков при доступе к облаку;
(2) Соединение центров обработки данных, в основном используемое для репликации данных, обновления программного обеспечения и систем;
(3) Внутри центра обработки данных он в основном используется для хранения, генерации и добычи информации. По прогнозу Cisco, внутренняя связь центров обработки данных составляет более 70% связи центров обработки данных, а развитие строительства центров обработки данных породило разработку высокоскоростных оптических модулей.
Трафик данных продолжает расти, а тенденция масштабирования и сглаживания центров обработки данных стимулирует разработку оптических модулей в двух аспектах:
· Повышенные требования к скорости передачи данных
· Увеличение объемного спроса
В настоящее время требования к оптическим модулям глобальных центров обработки данных изменились с оптических модулей 10/40G на оптические модули 100G. Китайская акция Alibaba Cloud Promotion станет первым годом крупномасштабного применения оптических модулей 100G в 2018 году. Ожидается, что она будет обновлена. Оптические модули 400G в 2019 году.
Путь эволюции облачного модуля Али
Тенденция создания крупномасштабных центров обработки данных привела к увеличению требований к дальности передачи. Дальность передачи по многомодовому волокну ограничена увеличением скорости сигнала, и ожидается, что оно будет постепенно заменено одномодовым волокном. Стоимость оптоволоконной линии состоит из двух частей: оптического модуля и оптического волокна. Для разных расстояний существуют разные применимые решения. Для соединения на средние и большие расстояния, необходимого для связи в центре обработки данных, MSA предлагает два революционных решения:
· PSM4 (4 параллельных одномодовых канала)
· CWDM4 (4-полосный мультиплексор с грубым разделением по длине волны)
Среди них использование волокна PSM4 в четыре раза превышает использование CWDM4. Когда расстояние соединения велико, стоимость решения CWDM4 относительно невелика. В таблице ниже мы можем увидеть сравнение оптических модулей 100G для центров обработки данных:
Сегодня технология внедрения оптических модулей 400G стала в центре внимания отрасли. Основная функция оптического модуля 400G заключается в повышении пропускной способности данных и максимизации пропускной способности и плотности портов центра обработки данных. Его будущая тенденция заключается в достижении широкого коэффициент усиления, низкий уровень шума, миниатюризация и интеграция для удовлетворения потребностей беспроводных сетей нового поколения и сверхкрупномасштабных коммуникационных приложений в центрах обработки данных.
В раннем оптическом модуле 400G использовался 16-канальный метод модуляции сигнала 25G NRZ (без возврата к нулю) в корпусе CFP8. Преимущество заключается в том, что технология модуляции сигнала 25G NRZ, разработанная в оптическом модуле 100G, может быть заимствована, но недостатком является то, что что 16 сигналов необходимо передавать параллельно, а потребляемая мощность и объем относительно велики, что не подходит для приложений центров обработки данных. В текущем оптическом модуле 400G используется 8-канальный 53G NRZ или 4-канальный 106G PAM4 (4 импульсный Амплитудная модуляция) модуляция сигнала в основном используется для реализации передачи сигнала 400G.
Что касается упаковки модулей, используется OSFP или QSFP-DD, и оба пакета могут обеспечивать 8 интерфейсов электрических сигналов. Для сравнения, пакет QSFP-DD меньше по размеру и больше подходит для приложений центров обработки данных; Пакет OSFP немного больше по размеру и потребляет больше энергии, что делает его более подходящим для телекоммуникационных приложений.
Анализ «основной» мощности оптических модулей 100G/400G
Мы кратко представили реализацию оптических модулей 100G и 400G. На принципиальных схемах решения 100G CWDM4, решения 400G CWDM8 и решения 400G CWDM4 можно увидеть следующее:
Схема 100G CWDM4
Схема 400G CWDM8
Схема 400G CWDM4
В оптическом модуле ключом к реализации фотоэлектрического преобразования сигнала является фотодетектор. Чтобы наконец реализовать эти планы, какие потребности вам необходимо удовлетворить «ядро»?
Для решения 100G CWDM4 требуется реализация 4λx25GbE, для решения 400G CWDM8 требуется реализация 8λx50GbE, а для решения 400G CWDM4 требуется реализация 4λx100GbE. В соответствии с методом модуляции схемы 100G CWDM4 и 400G CWDM8 используют модуляцию NRZ, которая соответственно соответствует скорости модуляции Устройства 25 Гбит и 53 Гбит. Схема 400G CWDM4 использует схему модуляции PAM4, которая также требует, чтобы устройство имело скорость модуляции 53 Гбит или более.
Скорость модуляции устройства соответствует полосе пропускания устройства. Для оптического модуля 100G с полосой 1310 нм достаточно детектора InGaAs или матрицы детекторов с полосой пропускания 25 ГГц.