Интерфейсы и СКС для поддержки 400 Gigabit Ethernet — первые шаги

Процесс стандартизации 400 Gigabit Ethernet стартовал в марте 2013 года, когда при IEEE была сформирована соответствующая исследовательская группа IEEE 802.3BWA. Через год начала свою деятельность уже полноценная рабочая группа IEEE 802.3bs, в зоне ответственности которой находятся конкретные вопросы системного и компонентного плана. Срок завершения проекта — февраль 2017 года.

Одно из главных требований к современному ЦОДу — быстрота реакции на поступающие запросы. Для этого системы хранения и обработки различных данных должны быть связаны быстродействующими каналами внутриобъектовой связи. В распоряжении проектировщиков телекоммуникационной части ЦОДа уже сейчас имеется полный набор средств для построения линий со скоростью передачи 100 Гбит/с — сетевые интерфейсы и соответствующая кабельная проводка. Согласно прогнозам, это оборудование получит массовое распространение еще до конца текущего десятилетия, то есть уже в ближайшие два-три года. Тем не менее при наблюдаемых темпах роста объемов передаваемых данных даже столь совершенная элементная база и высокая пропускная способность в скором времени могут оказаться недостаточными. Поэтому уже сейчас организациям по стандартизации приходится задумываться о разработке следующего поколения технических средств для создания телекоммуникационной структуры ЦОДа.

ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К НОВОЙ ТЕХНИКЕ

До недавнего времени при переходе к следующему уровню иерархии быстродействие сетевых интерфейсов локальной сети увеличивалось на порядок. Ситуация поменялась сравнительно недавно, после преодоления рубежа в 10 Гбит/с: наряду с устройствами, обеспечивающими скорость 100 Гбит/с, были предложены сетевые интерфейсы с пропускной способностью 40 Гбит/с. Последние оказались очень хорошо востребованными на рынке.

Ограничить шаг наращивания быстродействия планируется и на следующем этапе повышения скорости: перспективная техника изначально рассчитана на 400 Гбит/с, в связи с чем можно смело говорить о тенденции. Весьма умеренное наращивание пропускной способности дало возможность заметно снизить остроту возникающих технических проблем. Прямым следствием стали уменьшение времени выполнения разработки (четыре года вместо обычных шести), а также ожидаемое сокращение затрат на НИОКР. В данном случае в качестве прототипа была взята техника стандарта 802.3ba. Формирование необходимого задела на перспективу достигается опережающим запуском процедур разработки еще до начала массового внедрения техники предшествующего поколения.

Освоение нового скоростного диапазона традиционно начато с оптической техники. При этом сразу же предусматриваются как многомодовый, так и одномодовый варианты исполнения сетевых интерфейсов, причем функционирующих только в полнодуплексном режиме. Для одномодовой техники, рассчитанной на дальность действия 500 м, дополнительно должна поддерживаться опция энергоэффективного Ethernet.

Возможности использования электропроводных интерфейсов пока не рассматриваются даже на уровне прогнозов и предположений. Причина, по всей видимости, не в технических ограничениях, а в отсутствии достоверных прогнозов о том, каковы будут господствующие принципы построения верхних уровней информационных систем в ближайшее десятилетие. Это обстоятельство не позволяет сформулировать четкие требования к бюджетным приемопередатчикам малого радиуса действия, но передача со скоростью 400 Гбит/с предусматривается в части междублочного соединения аппаратуры.

Достигнутые на сегодняшний день результаты позволяют констатировать, что в окончательных эталонных спецификациях будут зафиксированы обычные для оптических сетевых интерфейсов требования к качественным показателям канала связи. Так, вероятность ошибки — не хуже 10-13 для наиболее жестких условий: при максимальной протяженности тракта, сформированного из волокна с минимально допустимыми дисперсионными характеристиками, и при наибольших вносимых потерях в его элементах. Сама линия рассматривается как комплексный объект. Аналогичной стратегии разработчики придерживаются и в части фиксации параметров оптоэлектронной элементной базы. Кроме того, с целью улучшения эффективного отношения сигнала к шуму и снижения вероятности битовой ошибки предусматривается комплекс дополнительных мер по предварительной обработке сигнала на входе решающего устройства приемника. К таковым относятся, например, управляемая коррекция общей АЧХ тракта и введение упреждающей коррекции FEC.

Ультравысокая по современным меркам производительность канала связи не позволяет передавать информационный поток в одном моноканале. Иначе говоря, разработчики вынуждены прибегнуть к параллельной передаче линейного сигнала со скоростью не менее 25 Гбит/с в одном субканале, причем для формирования отдельно взятого субканала могут быть использованы разнообразные технические средства (табл. 1). В рамках реализации подобной стратегии применяются как традиционные, так и новые решения.

Таблица 1. Варианты реализации одномодовых оптических интерфейсов 400 Gigabit Ethernet

Для совместимости с техникой предыдущих поколений предполагается обеспечить высокий уровень преемственности. Реализация подобной стратегии осуществляется по двум независимым, зачастую взаимодополняющим направлениям. Во-первых, максимально полное заимствование техники предшествующих поколений, хорошо зарекомендовавшей себя в процессе серийного производства и нормально воспринятой на практике. Во-вторых, распространение на локальную сеть инноваций, которые были реализованы в сетях масштаба города и шире. В необходимых случаях осуществляется их более или менее глубокая адаптация на новую область применения. Подобный подход сокращает общее время выполнения НИОКР и минимизирует технические риски достижения требуемого результата.

МНОГОМОДОВЫЕ РЕШЕНИЯ

Многомодовая техника — основной кандидат на построение линий небольшой протяженности. В этой области проявляются такие ее достоинства, как заметно лучшие стоимостные характеристики, меньшая чувствительность к загрязнениям и изгибам с недопустимо малым радиусом линейных кабелей и шнуров.

Cерьезным аргументом в пользу обращения к многомодовым трансиверам, весьма значимым для фокусной области применения в ЦОДе, становится низкое энергопотребление: по различным оценкам, 5 Вт против 12 Вт (последние рассматриваются как типовые в одномодовой технике). При этом предполагается, что управляющая электроника подобных трансиверов реализуется с привлечением 20-нанометровой технологии. Для дополнительного улучшения термических параметров оптоэлектронных модулей линейка передатчиков располагается в верхней части корпуса при ориентации интерфейса ключом вверх.

Многомодовая техника в традиционном варианте ее исполнения, в отличие от менее скоростных аналогов, представлена единственной разновидностью 400GBase-SR16. Специфицированная дальность действия равна 100 м по волокну категории ОМ4. Для реализации оптической части передатчика привлекаются VCSEL-лазеры, изначально рассчитанные на номинальную скорость линейного сигнала 25,78125 Гбит/с. Центральная длина волны излучателя нормируется в пределах 840–860 нм при допустимой ширине линии 0,6 нм, что заметно удешевляет передатчик.

Одно из потенциально перспективных решений — увеличение канальной скорости передачи данных до 50 Гбит/с (второе поколение интерфейсов). Это даст возможность применять групповые оптические соединители с однорядной схемой выравнивания волокон, благодаря чему добиться требуемых параметров вносимых потерь станет намного проще.

Другим перспективным направлением считается реализация четырехканальной схемы неплотного спектрального уплотнения CWDM в окне прозрачности 850–950 нм. Данная схема получила даже специальное наименование: коротковолновое спектральное мультиплексирование (Short Wavelength Division Multiplexing, SWDM).

При таком подходе скорость в отдельном субканале можно оставить на уровне 25 Гбит/с, что с точки зрения электроники является достаточно комфортной величиной. Ширина спектрального канала выбрана равной 30 нм (у CWDM она составляет 20 нм), скорее всего, из стремления к упрощению конструкции оптических фильтров. Смещение рабочего диапазона в сторону волн большей длины обосновано соображениями минимизации хроматической составляющей дисперсии. При этом необходимым условием для реализации спектрального мультиплексирования становится применение в линейной части так называемых широкополосных волокон WBMMF (см. далее).

Количество каналов многомодового CWDM выбрано таким образом, чтобы при формировании тракта передачи можно было использовать существующие групповые разъемные соединители с однорядной схемой расположения отдельных световодов. Схема распределения сигналов по отдельным волокнам повторяет решение 40GbE.

Перспективы коммерческого использования еще одной разновидности многомодовых оптических трансиверов полностью зависят от результатов отработки многосердцевинных световодов и соответствующей коммутационной техники. Основное достоинство такого подхода состоит в заметном улучшении массогабаритных характеристик, а также большей гибкости линейных кабелей и коммутационных шнуров. Подробные сведения об этом решении, его свойствах, преимуществах и особенностях изложены в статье автора «Новое решение для сверхскоростной оптической параллельной передачи», опубликованной в июньском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2012 год.

Таблица 2. Распределение отдельных субканалов по волокнам дуплексных и групповых разъемных соединителей при различных скоростях и схемах передачи

ОДНОМОДОВАЯ ТЕХНИКА

Фокусная область применения одномодовой техники — линии протяженностью свыше 100 м. Выбор именно такого значения определяется не техническими ограничениями волоконных световодов различных типов, а соображениями экономической выгоды при реализации линии оптической связи в одномодовом исполнении.

Перечень возможных вариантов оптических сетевых интерфейсов 400 Gigabit Ethernet весьма обширен (см. табл. 1). В основу разработок в этой области положены следующие базовые положения. Во-первых, вся совокупность интерфейсов делится на три группы в соответствии с гарантированно обеспечиваемой ими дальностью действия. Во-вторых, широко применяется технология спектрального уплотнения. С целью улучшения стоимостных характеристик системы в целом используются стандартный вариант CWDM и спектральные каналы в окрестности длины волны 1310 нм. Это дает возможность не только ввести разумные требования к быстродействию электронной и оптоэлектронной элементной базы, но и воспользоваться преимуществами унификации с ранее разработанной техникой. При реализации этой концепции задействуются наработки из области сетей дальней связи.

На линиях средней длины (максимальная протяженность не более 500 м) тоже применяется пространственное уплотнение с передачей по четырем волокнам.

Интересным вариантом реализации схемы пространственного уплотнения может стать обращение к многосердцевинным волокнам. При этом, благодаря заметно меньшему диаметру одномодовой сердцевины, их количество может быть увеличено до восьми в оболочке со стандартным диаметром 125 мкм (рис. 2). Таким образом, в отличие от многомодовой техники, применение такого световода не требует разработки новой электроники. Взаимное влияние цепей передачи подавляется до безопасного уровня применением дополнительного запирающего слоя, формируемого вокруг каждой сердцевины. Образцы таких волокон были продемонстрированы весной 2015 года компанией Sumitomo.

Рис. 2. Многосердцевинные световоды: а — многомодовый; б — одномодовый

МЕТОДЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ШИРИНЫ СПЕКТРА ЛИНЕЙНОГО СИГНАЛА

При конструировании оптических сетевых интерфейсов 400 Gigabit Ethernet используется достаточно большое количество приемов с целью ограничения ширины спектра сигнала, подаваемого на излучатель. Данное утверждение справедливо в отношении не только многомодовых, но и одномодовых устройств, для которых, как известно, характерны заметно меньшие скоростные ограничения. Главными побудительными мотивами применения такого подхода становятся определенные возможности:

• использование для построения электронной части схем оптических приемопередатчиков менее скоростной и поэтому более дешевой и надежной элементной базы;
• широкое применение в приемопередатчиках отдельных узлов техники предшествующего поколения, что не только удешевляет изделие в целом за счет стандартизации, но и заметно сокращает время выполнения разработки.

Комплекс таких мер включает в себя следующие основные приемы:

• спектральное уплотнение по четырем или восьми длинам волн;
• пространственное уплотнение по нескольким волокнам;
• сложные виды кодирования линейного сигнала.

Из данных, представленных в табл. 1, следует, что в перечне кандидатов на использование в одномодовых сетевых интерфейсах 400 Gigabit Ethernet, наряду с традиционным NRZ-кодированием и кодом PAM-4, который заимствуется из электропроводных линий, появляется ранее не применявшийся в Ethernet вид модуляции линейного сигнала, а именно дискретная мультитоновая модуляция (Discrete Multi-Tone, DMT). Это решение и привлекательно своей технической эффективностью, и достаточно со схемотехнической точки зрения. Положение дел заметно улучшается наличием серьезного задела: алгоритмы формирования и обработки линейного сигнала в соответствии со схемой DMT в свое время были серьезно проработаны при создании сетевых интерфейсов xDSL. Таким образом, они в значительной мере просто заимствуются оттуда с естественной коррекцией на более высокие скорости передачи.

ШИРОКОПОЛОСНОЕ МНОГОМОДОВОЕ ВОЛОКНО И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Для более полного использования потенциальной пропускной способности современных многомодовых волоконных световодов имеет смысл использовать неплотное спектральное уплотнение. Такой подход предполагает, что дисперсионные характеристики волокна должны нормироваться в спектральном диапазоне 850–950 нм вместо одной длины волны. Это дает возможность добиться при скорости 400 Гбит/с гарантированной дальности передачи на 100 м в сочетании с четырехкратным уменьшением требуемого количества волокон.

Спектральная характеристика ?F(λ) волокна новой разновидности несколько отличается от традиционной (см. рис. 1): минимум межмодовой дисперсии целенаправленно сдвигается на такую длину волны, чтобы характеристика общей широкополосности была максимально плоской в заданном спектральном диапазоне. С учетом этой особенности компания CommScope предложила обозначать волокна данной разновидности как широкополосные (Wide-Band Fiber, WBMMF).

Рис. 1. Спектральные характеристики коэффициента широкополосности обычных  ?F′общ и WBMMF-волокон (?Fобщ)

Помимо поддержки стабильного функционирования CWDM-приемопередатчика, соответствующие световоды обеспечивают нормальную работоспособность менее скоростной многомодовой аппаратуры без ограничений, то есть обладают свойством обратной совместимости. Таким образом, широкополосное многомодовое волокно обладает весьма ценным свойством — полной взаимозаменяемостью с обычным, специфицированным

для работы только на одной длине волны.

НОВАЯ РАЗНОВИДНОСТЬ СОЕДИНИТЕЛЯ МТР

Схема построения 400-гигабитных оптических сетевых интерфейсов потребовала создания новых типов оптических соединителей. Работы велись по двум направлениям. Первое предполагало модернизацию известных типов разъемов с целью их максимально полной адаптации к требованиям техники следующего поколения в случае возникновения такой необходимости.

В основу второго положено выполнение новой разработки, где специфика схемного построения 400-гигабитных интерфейсов учитывалась бы изначально.

С целью более полного использования возможностей групповых разъемов MTP/MPO количество отдельных волокон в ряду увеличивается до 16 в рамках реализации первого подхода. Соответствующая разработка выполнена компанией US Conec. Новый образец наконечника как ключевого компонента соединителя получил код Х-16. Изделие MT Х-16 в настоящее время доступно в одно- и двухрядном исполнении и обеспечивает сращивание 16 и 32 волокон одновременно. Гарантируемые параметры, в первую очередь по вносимому затуханию и его долговременной стабильности, достаточны для нормальной эксплуатации.

Для механической блокировки ошибочного подключения нового изделия к традиционному предусматривается целый комплекс мер. К таковым относятся увеличение расстояния между выравнивающими штифтами с обычных 4,6 до 5,3 мм (см. рис. 3), а также уменьшение их диаметра до 0,5 мм (у прототипа 0,7 мм). Кроме того, у вилки разъема направляющий выступ смещен вправо — относительно продольной оси симметрии вилки при ориентации выступа вверх. Последний достаточно эффективно выполняет также функции элемента визуальной идентификации.

Рис. 3. Схемы размещения световодов и выравнивающих штифтов в однорядных 12- и 16-волоконных наконечниках МТ

Появление новой разновидности соединителя MTP позволяет создать оптические интерфейсные модули для 400-гигагерцевых линий связи в форм-факторе CDFP, которые вполне адекватны современному уровню техники и имеют достаточные запасы на перспективу.

СОЕДИНИТЕЛЬ MXC

MXC относится к групповым оптическим разъемам рядного типа и может соединять одновременно до 64 световодов (4 ряда по 16 волокон в каждом из них). С учетом типовой скорости передачи по отдельному световоду такие изделия могут применяться в линиях, потенциально обеспечивающих скорость передачи свыше 1 Тбит/с.

В соединителе MXC реализовано второе магистральное направление развития специализированной техники для сетевых интерфейсов 400 Gigabit Ethernet. Его главной отличительной особенностью является применение линзового расширителя луча для уменьшения влияния осевых смещений механизма центрирования на величину вносимых потерь (см. далее).

В соединителях MXC использована уникальная гермафродитная схема реализации механизма выравнивания элементов разъема в розетке. Ее суть состоит в том, что вилка содержит направляющий выступ и гнездо (рис. 6). Такой подход устраняет существенный недостаток разъема MTP/MPO, который предполагает применение двух вилок с различным форм-фактором.

Поскольку соединение вилок с гермафродитной схемой юстировки требует их взаимного разворота на 180° в собранном состоянии, схема раскладки отдельных волокон по приемникам и передатчикам сетевого интерфейса отличается от той, что принята в случае изделий MTP/MPO (рис. 4).

Рис. 4. Схема распределения световодов по приемникам и передатчикам в 32-волоконном соединителе MXC

Мидель розетки составляет всего 8,8 x 15,8 мм (13,3 x 10,9 мм у прототипа). Кроме того, механизм фиксации вилки реализован в форме внешней защелки рычажного типа, которая расположена на узкой стороне корпуса. Такой дизайн позволяет уменьшить до 5 мм величину бокового зазора между розетками на лицевой пластине корпуса коммутационного устройства без ущерба для удобства эксплуатации. По оценкам разработчиков, благодаря всем этим особенностям обеспечивается достижение большей плотности конструкции группового коммутационного устройства (по известным оценкам, от 10 до 40%).

Одновременно новый тип соединителя отличается заметно меньшей установочной глубиной как с линейной (69 против 101 мм), так и с пользовательской (15 против 37 мм) стороны коммутационного устройства.

За счет реализации в новой разработке комплекса конструктивных усовершенствований в 19-дюймовых оптических панелях высотой 1U, которые пользуются очень высокой популярностью на рынке, вполне может быть размещено до 132 соединителей типа MXC.

ТЕХНОЛОГИЯ РАСШИРЕНИЯ ЛУЧА

Технология расширения луча, положенная в основу оптических соединителей 400-гигабитных систем, предполагает увеличение диаметра луча с 50 до 150–180 мкм, что в схематической форме представлено на рис. 5. В зависимости от основной схемы реализации эта технология продвигается под различными торговыми марками. Так, компания US Conec обозначает ее как PRIZM MT, а компания Molex — VersaBeam.

Рис. 5. Схема функционирования линзового расширителя луча соединителя MXC (до образования физического контакта)

Рассматриваемая конструкция не является абсолютной новинкой в технике оптической связи. Еще в конце 80-х годов прошлого столетия линзовые разъемные соединители использовались при реализации межвагонных соединений внутрипоездной информационной системы европейских железнодорожных экспрессов ICE. В начале нового века расширители применялись в соединителях систем дальней связи со спектральным уплотнением в качестве средства защиты от термических повреждений торцевых поверхностей сращиваемых волокон. В настоящее время соединители линзового типа очень популярны при разработке конструкций промышленных оптических соединителей специального назначения.

Особенностью современной технологии применительно к 400-гигабитной технике является то, что в собранном состоянии в разъеме сохраняется физический контакт, столь важный для современных оптических соединителей.

Технология расширения луча не привязана к конкретному типу разъема. Компания Sumitomo использовала ее при разработке 32-волоконного одномодового соединителя MPO.

Рис. 6. Один из вариантов исполнения вилки линзового группового оптического соединителя MXC

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По состоянию на середину второго десятилетия XXI века имеются все технические предпосылки для создания сетевых интерфейсов следующего поколения, предназначенных для формирования каналов связи различной протяженности с пропускной способностью 400 Гбит/с.

Освоение нового скоростного диапазона не предполагает глубокой модернизации существующей элементной базы и расширения перечня нормируемых параметров.

Затраты на разработку и плановое время ее выполнения в интервале 4–5 лет минимизируются за счет максимально полного использования решений, которые ранее были отработаны на менее скоростной технике и в смежных областях.

Наиболее существенными заимствованиями стали 25-гигагерцевая схема построения отдельных субканалов, а также 4- и 8-канальное неплотное спектральное уплотнение CWDM.

Создание коннектора MCX для 400-гигабитных систем позволяет говорить о появлении нового класса оптических соединителей — многоканальных групповых оптических разъемов линзового типа.

Андрей Семенов — директор по развитию RdM Distribution.