Zu den drei Techniken, mit denen sich die Datenraten auf die n\u00e4chste Stufe heben lassen, geh\u00f6ren:<\/p>\n
- \n
- Hinzuf\u00fcgen optischer Spuren<\/li>\n
- Vorw\u00e4rtsfehlerkorrektur<\/li>\n
- Pulsamplitudenmodulation 4<\/li>\n<\/ol>\n
Hinzuf\u00fcgen optischer Spuren<\/b><\/p>\n
![\"Abb.](\"https:\/\/www.precisionot.com\/wp-content\/uploads\/Screen-Shot-2022-06-09-at-4.05.01-PM-300x122.png\")
Abb. 1 MPO-12-Stecker<\/figcaption><\/figure>\n Eine der einfachsten M\u00f6glichkeiten, die Daten\u00fcbertragung zu beschleunigen, ist die Erweiterung optischer Leitungen. Beginnend mit den fr\u00fchen Formfaktoren wie GBIC und SFP Ende der 90er Jahre konnten Transceiver Datenraten von 1 bis 2,5 Gbit\/s \u00fcber eine einzige optische Leitung \u00fcbertragen. Anfang der 2000er Jahre wurden die Standards f\u00fcr 10G entwickelt, und daraus entstanden verschiedene Formfaktoren. Letztendlich setzte sich SFP+ aufgrund des geringsten Stromverbrauchs und seines schlanken Profils, das eine h\u00f6here Portdichte erm\u00f6glichte, durch. 10G war das erste Mal, dass mehrere optische Signale in einem steckbaren Transceiver implementiert wurden \u2013 diese Art von Design sollte sich sp\u00e4ter bei h\u00f6heren Datenraten deutlich durchsetzen. Bis 2007 konnten Hersteller kosteng\u00fcnstige L\u00f6sungen f\u00fcr 40G entwickeln.
\nQSFP+-L\u00f6sung. Beim QSFP+ handelt es sich im Wesentlichen um 4 SFP+s in einer Einheit. Diese Hardware nutzt 4 optische Signale, die 10G \u00fcbertragen, aber es gibt zwei Arten von optischen Anschlussschnittstellen, die daraus entstanden sind.<\/p>\nEine Methode zum Erreichen von 40G ist die \u00dcbertragung von vier dedizierten Spuren derselben Wellenl\u00e4nge \u00fcber parallele Fasern. Jede Spur am MPO-TX-Ausgang \u00fcbertr\u00e4gt eine separate 10G-Datenrate. Dieses in Abbildung 2a dargestellte Design eignet sich f\u00fcr Breakout-Verbindungen \u2013 mit dem QSFP \u00fcber einen MPO-12 k\u00f6nnen Sie ihn mit 4 SFP+s am anderen Ende der Verbindung verbinden.<\/p>\n
Alternativ k\u00f6nnen anstelle von vier separaten dedizierten Spuren die vier optischen 10G-Signale alle intern im Transceiver \u00fcber einen Duplex-LC-Anschluss gemuxt\/demultiplext werden, wie in Abbildung 2b dargestellt. Diese Designentwicklung half Netzwerkbetreibern, eine Menge Geld zu sparen, da sie bei der Migration auf QSFP+ dieselbe LC-Duplex-Faser wiederverwenden konnten, die sie f\u00fcr ihr SFP+ verwendet hatten.<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.precisionot.com\/wp-content\/uploads\/Screen-Shot-2022-06-09-at-4.11.01-PM-1024x661.png\")
Abb. 2a QSFP-PLR4 vs. Abb. 2b QSFP-LR4<\/figcaption><\/figure>\n Durch die kontinuierliche Erh\u00f6hung der Anzahl der Lanes folgte auf 40G schnell 100G. Abbildung 3 zeigt die erste 100G-Implementierung: 10 Lanes mit 10G.<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.precisionot.com\/wp-content\/uploads\/Screen-Shot-2022-06-09-at-4.16.05-PM-1024x519.png\")
Abb. 3 Rate pro Spur (Gbit\/s)<\/figcaption><\/figure>\n Kurz darauf wurden TOSAs und ROSAs entwickelt, die 25G unterst\u00fctzen. Durch die Kombination von vier davon in demselben Formfaktor war 100G (4x25G) m\u00f6glich und die Entwicklung wurde auf \u00e4hnliche Weise fortgesetzt. Das Hinzuf\u00fcgen optischer Spuren bringt uns jedoch nur begrenzt weiter. Um h\u00f6here Datenraten auf l\u00e4ngeren Verbindungen voranzutreiben, sind zus\u00e4tzliche Techniken erforderlich.<\/p>\n
Vorw\u00e4rtsfehlerkorrektur (FEC)<\/b><\/p>\n
In einer perfekten Welt w\u00fcrden die Daten, die wir \u00fcber verschiedene Kommunikationskan\u00e4le \u00fcbermitteln, immer vollst\u00e4ndig und unver\u00e4ndert ankommen \u2013 genau so, wie wir sie senden. Realistisch gesehen ist dies nicht der Fall. Verschiedene Faktoren k\u00f6nnen das Signal verzerren oder sogar verhindern, dass Daten ihr Ziel erreichen. Hier kommt die Vorw\u00e4rtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) ins Spiel.<\/p>\n
Bei FEC wird ein Teil der Bandbreite f\u00fcr Fehlerkorrekturcode reserviert, der den Empf\u00e4nger bei der Interpretation verrauschter oder unzuverl\u00e4ssiger Daten unterst\u00fctzt. In der Praxis funktioniert FEC, indem es den erforderlichen optischen Signal-Rausch-Abstand (OSNR) senkt, was dazu beitragen kann, dass ein ansonsten unbrauchbares Signal normal funktioniert. Indem Netzbetreiber die urspr\u00fcnglichen Daten\/Nachrichten vor der \u00dcbertragung mit redundanten Daten kodieren, k\u00f6nnen sie die OSNR-Anforderungen reduzieren und die Wellenl\u00e4ngen-Reichweite deutlich erh\u00f6hen. FEC f\u00fcgt der \u00dcbertragung zus\u00e4tzliche\/redundante Informationen hinzu, sodass der Empf\u00e4nger etwaige Fehler rechnerisch beheben kann. Nehmen wir zum Beispiel ein 10G-Signal (das tats\u00e4chlich 10,325 Gbit\/s mit Overhead \u00fcbertr\u00e4gt) und stockt es auf 11 Gbit\/s (7% Overhead) auf. Damit haben Sie aus einem Signal, das normalerweise 80 km weit reicht, eine Reichweite von 120 km oder mehr gemacht, da Sie sich von einem schw\u00e4cheren Signal (d. h. einem mit st\u00e4rkerer Dispersion und geringerem OSNR) erholen k\u00f6nnen.<\/p>\n
Beachten Sie, dass FEC normalerweise vom Hostger\u00e4t durchgef\u00fchrt und unterst\u00fctzt wird. In einigen F\u00e4llen, beispielsweise bei bestimmten PAM4-Technologien (Pulsamplitudenmodulation 4), ist FEC jedoch im Transceiver selbst implementiert. Wenn Sie sich nicht im Transceiver befinden, ist es Sache des von Ihnen verwendeten Host-Switches oder Routers, diesen FEC zu aktivieren. Gl\u00fccklicherweise ist FEC weit verbreitet und hat sich im Laufe der Jahre zu einem Bestandteil nahezu aller Standards entwickelt. Es gibt verschiedene Arten von FEC, die alle Fehlerkorrekturcode senden:<\/p>\n
- \n
- 1. Generation \u2013 RS-FEC \u2013 6%-Overhead f\u00fcr ~6 dB Netto-Codierungsgewinn. (RS = Reed Solomon)<\/li>\n
- 2. Generation \u2013 EFEC \u2013 7%-Overhead f\u00fcr ca. 8\u20139 dB Netto-Codierungsgewinn. (E = Erweitert)<\/li>\n
- 3. Generation \u2013 SD-FEC \u2013 20\u201325% Overhead f\u00fcr 10\u201311 dB Codierungsgewinn. (SD = SoftDecision)<\/li>\n<\/ul>\n
Ein weiterer wichtiger Punkt in Bezug auf FEC ist, dass es \u201ebookended\u201c sein muss. Mit anderen Worten: Die FEC muss auf beiden Seiten der Verbindung genau gleich sein, sonst ist sie funktionsunf\u00e4hig. Sehen FEC in 100G-Netzwerken und dar\u00fcber hinaus<\/a> Erfahren Sie mehr \u00fcber Arten von Fehlerkorrekturcodes und wie diese effektiv eingesetzt werden, um die Bitfehlerrate (BER) zu reduzieren und die Netzwerkzuverl\u00e4ssigkeit zu erh\u00f6hen.<\/p>\n
Pulsamplitudenmodulation 4 (PAM4)<\/b><\/p>\n
Modulation ist in der Kommunikation eine Technik, um Informationen (Sprache, Musik, Bilder oder Daten) auf eine Hochfrequenztr\u00e4gerwelle aufzupr\u00e4gen, indem eine oder mehrere Eigenschaften der Welle entsprechend dem Informationssignal variiert werden. Die einfachste Form der Modulation ist die Intensit\u00e4tsmodulation mit direkter Detektion (IM-DD), die g\u00e4ngigste Variante ist die Non-Return-to-Zero-Modulation (NRZ). Sie bedeutet im Wesentlichen \u201ehell f\u00fcr eine 1, dunkel f\u00fcr eine 0\u201c. Historisch betrachtet basierten Glasfasersysteme ausschlie\u00dflich auf NRZ. NRZ ist ein typischer Bin\u00e4rcode, und die meisten, wenn nicht sogar alle optischen Technologien der 10G- und niedrigeren Bandbreiten basieren auf NRZ. Eine andere Beschreibung von NRZ, wie in Abbildung 4 dargestellt, ist PAM2 (Pulsamplitudenmodulation 2).<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.precisionot.com\/wp-content\/uploads\/Screen-Shot-2022-06-09-at-4.18.28-PM.png\")
Abb. 4 NRZ = Non Return to Zero, im Wesentlichen ist dies eine bin\u00e4re Ein-\/Aus-Umtastung (PAM2)<\/figcaption><\/figure>\n PAM4 ist ein Modulationsverfahren, das zwei Bits zu einem einzigen Symbol mit vier Amplitudenstufen kombiniert. Dadurch verdoppelt sich die Datenrate eines Netzwerks effektiv. Die 4 gibt die Anzahl der \u201eStufen\u201c an, wie in Abbildung 5 unten dargestellt.<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.precisionot.com\/wp-content\/uploads\/Screen-Shot-2022-06-09-at-4.19.44-PM-1024x246.png\")
Abb. 5 PAM4 = Pulsamplitudenmodulation 4<\/figcaption><\/figure>\n In den letzten Jahren konnten wir beobachten, dass PAM4 immer h\u00e4ufiger vorkommt. Wie unterscheidet es sich also von dem, was wir bei Hardware mit niedrigeren Datenraten wie 1G und 10G sehen? Mit PAM4 k\u00f6nnen wir Einschr\u00e4nkungen in der Kanaltechnologie \u00fcberwinden. Wir k\u00f6nnen den Durchsatz bei etwa halber Bandbreite verdoppeln. PAM4 erm\u00f6glicht die weitere Nutzung bestehender Kanaltechnologien bei gleichzeitiger Erh\u00f6hung des Durchsatzes.<\/p>\n
Aber wenn PAM4 so gro\u00dfartig ist, warum haben wir dann nicht die ganze Zeit \u00fcber 2 Datenbits pro 1 optischen Impuls \u00fcbertragen? Vereinfacht gesagt sind die TOSAs (Transmitter Optical Sub Assembly) und ROSAs (Receiver Optical Sub Assembly), die PAM4 verarbeiten k\u00f6nnen, viel komplexer als die typischen OSAs mit NRZ \/ Manchester Phase Encoding (MPE) \/ 8B\/10B-Codierung. Und w\u00e4hrend PAM4 die Anzahl der Bits bei seriellen Daten\u00fcbertragungen verdoppelt, indem es die Anzahl der Stufen der Pulsamplitudenmodulation erh\u00f6ht, f\u00fchrt es auch zu einer Beeintr\u00e4chtigung des Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnisses (SNR). Aus diesem Grund eignet sich PAM4 besser f\u00fcr Kurzstreckenanwendungen mit hoher Bandbreite, z. B. 400G \u00fcber Entfernungen von bis zu 40 km. PAM4 und eine noch h\u00f6here Modulation werden der Schl\u00fcssel sein, um in Zukunft h\u00f6here Datenraten voranzutreiben.<\/p>\n
Eine bemerkenswerte Implementierung von PAM4 findet sich in 100G-Transceivern. Bei den QSFP28-DR\/FR\/LR-Transceivern handelt es sich um Single-Lambda-100G-PAM4-Transceiver, was bedeutet, dass es eine Wellenl\u00e4nge gibt, die bis zu 112 Gbit\/s \u00fcbertragen kann. Der Unterschied zwischen DR, FR und LR ist die maximale Entfernung, die jeder Transceiver erreichen kann. DR ist f\u00fcr Verbindungen bis 500 m, FR bis 2 km und LR bis 10 km. Der Hauptunterschied bei diesen neueren 100G-Transceivern ist das interne Getriebe im PRE-QSFP28-DR\/FR\/LR, das von 4x25G NRZ elektrischen Spuren auf 1x100G PAM4 optische Spur umwandelt. Diese neuen Transceiver implementieren FEC auch im digitalen Signalprozessor (DSP) des Transceivers (hostunabh\u00e4ngig). Abbildung 6a zeigt eine schematische Darstellung des einzelnen Lambda-Transceivers QSFP28-DR\/FR\/LR im Vergleich zu Abbildung 6b, der 100G LR4-Optik (4x25G Optical NRZ). Weitere Informationen finden Sie im 100G Lambda MSA<\/a> welches die optische 100G PAM-4-Signalisierung und -Kodierung definiert.<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.precisionot.com\/wp-content\/uploads\/Screen-Shot-2022-06-09-at-4.24.00-PM-1024x640.png\")
Abb. 6a 1x100G optischer PAM4 vs. Abb. 6b 4x25G optischer NRZ<\/figcaption><\/figure>\n Unser obiger \u00dcberblick \u00fcber die chromatische Dispersion und die Einf\u00fchrung in drei Techniken zur Bew\u00e4ltigung von Datenraten- und Entfernungsproblemen vermitteln uns ein besseres Verst\u00e4ndnis der Hardware-\/Software\u00e4nderungen, die f\u00fcr die Erreichung von 40G- bis 400G-Netzwerken und dar\u00fcber hinaus erforderlich sind. Das Hinzuf\u00fcgen optischer Spuren hilft uns, die Daten weiter voranzutreiben und gleichzeitig die Auswirkungen der chromatischen Dispersion zu reduzieren. FEC hilft Empf\u00e4ngern bei der Interpretation unzuverl\u00e4ssiger oder verrauschter Daten und vergr\u00f6\u00dfert so effektiv die Entfernung, die wir f\u00fcr h\u00f6here Datenraten nutzen k\u00f6nnen. Und PAM4 hilft uns im Wesentlichen, die Daten eines einzelnen optischen Signals zu verdoppeln. Diese drei im selben Transceiver implementierten Funktionen erm\u00f6glichen den Sprung von 10G auf 400G und h\u00f6her (800G ist in der Entwicklung, 1,6 Tbit\/s sind auf der Roadmap).<\/p>\n