100G находится на полном этапе перехода в мейнстрим. В настоящее время существует четыре наиболее распространенных типа оптических приемопередатчиков 100G QSFP28 для приложений центров обработки данных:  QSFP28 SR4 ,  QSFP28 LR4 ,  QSFP28 PSM4 и  QSFP28 CWDM4 . Сравнение последних трех будет обсуждаться в этом отрывке, чтобы помочь вам правильно выбрать режим приложения 10 0 G.

1.  Обзор  оптического  приемопередатчика 100G QSFP28 CWDM4  

Требования к скорости передачи данных становятся все выше и выше, а рынок оптических приемопередатчиков 100G QSFP28 быстро расширяется. Организация IEEE разработала два стандарта оптических приемопередатчиков для сетей 100G: 100G QSFP28 SR4 и 100G QSFP28 LR4. Но на практике из-за разнообразия длин волоконно-оптических линий эти два стандарта не могут развернуть центры обработки данных наиболее экономичным способом. Поэтому организация CWDM4 MSA разработала стандарт 100G QSFP28 CWDM4 с дальностью передачи 2 км.

100G QSFP28 CWDM4 — это стандарт, опубликованный организацией CWDM4 MSA в 2014 году. Это режим передачи 100G, основанный на одномодовой технологии грубого мультиплексирования с разделением по длине волны (CWDM). Оптический приемопередатчик 100G QSFP28 CWDM4, соответствующий этому стандарту, использует дуплексный интерфейс LC. Четыре центральные длины волн: 1271 нм, 1291 нм, 1311 нм и 1331 нм используются для передачи оптического сигнала (как показано в таблице ниже), и каждый диапазон передает 25G.

Благодаря технологии CWDM оптический приемопередатчик 100G QSFP28 CWDM4 может мультиплексировать вышеуказанные четыре центральные длины волн в одномодовое волокно для передачи. Следует отметить, что для обеспечения стабильности системы передачи по оптоволоконному кабелю необходимо использовать оптический приемопередатчик 100G QSFP28 CWDM4 для оптоволоконной линии связи с функцией прямого исправления ошибок (FEC).

Применение 100G  QSFP28  CWDM4:

100G QSFP28 CWDM4 можно применять в центрах обработки данных 100G CWDM4 Ethernet, высокопроизводительной вычислительной сети InfiniBand EDR и сети хранения данных.

Форм-фактор 100G QSFP28 CWDM4  : 

Оптический трансивер 100G CWDM4 использует форм-фактор QSFP28, который представляет собой оптический трансивер, который можно использовать для поддержки передачи 100G. Это идеальное решение для удовлетворения текущих потребностей в увеличении скорости передачи данных в сверхбольших центрах обработки данных. Размер форм-фактора QSFP28 меньше, чем у оптических трансиверов CFP4, а это означает, что оптические трансиверы QSFP28 имеют более высокую плотность портов на коммутаторе.

Функция цифрового диагностического мониторинга (DDM)  100G QSFP28 CWDM4:  

Оптический приемопередатчик 100G QSFP28 CWDM4 имеет встроенную функцию DDM, которая может эффективно контролировать важные параметры работы оптического приемопередатчика, такие как передаваемая оптическая мощность, получаемая оптическая мощность, температура и напряжение источника питания, ток смещения лазера и предупреждающая информация. .

Стоимость 100G  QSFP28 CWDM4:  

Оптический приемопередатчик 100G QSFP28 CWDM4 можно напрямую модернизировать с 25G до 100G без перехода на 40G, что значительно снижает стоимость системы проводки.

Особенности  100G QSFP28 CWDM4 : 

В качестве примера возьмем оптический трансивер 100G QSFP28 CWDM4 от 3Coptics (QSFP28-100G-IR4):

1 Гбит/с, скорость передачи данных на каждой полосе 25,78 Гбит/с

Передача до 2 км по одномодовому оптоволокну (SMF) с FEC

Лазер LAN WDM DFB и PIN-приемник

Интерфейс I2C со встроенным цифровым диагностическим мониторингом

Пакет QSFP28 MSA с дуплексным разъемом LC

Одиночный источник питания +3,3 В

4-полосный CWDM дизайн MUX/DEMUX

Технические характеристики 100G CWDM4 MSA, версия 1.1

Максимальная потребляемая мощность 3,5 Вт

Температура рабочего корпуса: от 0 до +70°C

Соответствует Директиве ЕС 2011/65/EU (RoHS 6/6)

Приложение:

Соединение центров обработки данных

100G Ethernet

Соединение Infiniband QDR и DDR

Корпоративная сеть

Каковы преимущества 100G CWDM4 QSFP28 по сравнению с другими оптическими  трансиверами 100G ?

Оптические трансиверы 100G QSFP28 CWDM4 в приложениях центров обработки данных имеют больше ценовых преимуществ, чем оптические трансиверы 100G QSFP28 PSM4 при передаче на средние и большие расстояния; по сравнению с оптическими приемопередатчиками 100G QSFP28 LR4, с более широкой областью применения, поэтому спрос также будет больше; ценовое преимущество является выдающимся по сравнению с оптическими трансиверами 100G QSFP28 LR4.

В условиях постоянного роста трафика данных тенденция создания крупномасштабных и плоских центров обработки данных способствует развитию оптических приемопередатчиков в двух аспектах: повышение требований к скорости передачи и увеличение требований к количеству. Для большого количества оптических трансиверов, используемых в центрах обработки данных, в центре внимания, несомненно, находятся низкая стоимость и дальность передачи. Таким образом, CWDM4 стал основным направлением в центрах обработки данных облачных вычислений 100G.

2. Обзор оптического приемопередатчика 100G QSFP28 LR4

Давным-давно цепочка производства оптических трансиверов была очень хаотичной. У каждого производителя была своя структура упаковки с различными интерфейсами и разными размерами. Чтобы решить эту проблему, было создано соглашение с участием нескольких источников (MSA). Все производители следуют стандарту, предложенному MSA для унификации структуры корпуса и связанных с ним интерфейсов оптических трансиверов, который аналогичен стандартизации портов для зарядки мобильных телефонов. Для 100G стандарты, определенные MSA, включают 100G PSM4 MSA, 100G CWDM4 MSA и 100G Lambda MSA.

Почему в дополнение к стандартам серии 100GBASE, предложенным в IEEE, MSA также предложила стандарты PSM4 и CWDM4? 100GBASE-SR4 и 100GBASE-LR4 — наиболее часто используемые спецификации интерфейса 100G, определенные IEEE. Однако для сценариев межсетевого соединения крупномасштабных центров обработки данных расстояние, поддерживаемое 100GBASE-SR4, слишком короткое, чтобы удовлетворить все требования к межсетевому соединению, а стоимость 100GBASE-LR4 слишком высока. Таким образом, MSA выводит на рынок решения для межсетевого взаимодействия на средних расстояниях, а PSM4 и CWDM4 являются продуктами этой революции. Конечно, возможности 100GBASE-LR4 полностью перекрывают возможности CWDM4, но в сценарии передачи на расстояние 2 км решение CWDM4 имеет меньшую стоимость и более конкурентоспособно.

100G QSFP28 LR4 и 100G QSFP28 CWDM4 в принципе схожи. Оба они используют оптические устройства MUX и DEMUX для мультиплексирования по длине волны 4 параллельных каналов 25G в оптоволокно 100G. Однако между ними есть несколько различий.

В названии 100G QSFP28 LR4 LR означает большую дальность действия, то есть 10 км; 4 означает четыре канала, то есть 4*25G, которые объединяются вместе, образуя оптический приемопередатчик 100G, способный передавать на расстояние 10 км.

2.1 Оптические устройства MUX/DEMUX, используемые 100G QSFP28 LR4, более дорогие

CWDM4 определяет интервал CWDM 20 нм, поскольку температурный дрейф длины волны лазера составляет около 0,08 нм/°C, изменение длины волны в рабочем диапазоне 0–70°C составляет около 5,6 нм, а сам канал также должен оставить некоторые изоляционные полосы.

Канал 1: 1264,5~1277,5 нм

Канал 2: 1284,5~1297,5 нм

Канал 3: 1304,5~1317,5 нм

Канал 4: 1324,5~1337,5 нм

А 100G QSFP28 LR4 определяет интервал LAN-WDM 4,5 нм.

Канал 1: 1294,53~1296,59 нм

Канал 2: 1299,02~1301,09 нм

Канал 3: 1303,54~1305,63 нм

Канал 4: 1308,09~1310,19 нм

Чем больше расстояние между каналами, тем ниже требования к оптическому устройству MUX/DEMUX, что позволяет сэкономить средства.

2.2 Лазер, используемый в 100G QSFP28 LR4, дороже и потребляет больше энергии

100G QSFP28 CWDM4 использует DML (лазер с прямой модуляцией), а 100G QSFP28 LR4 использует EML (модулированный лазер с электроабсорбцией). DML — это один лазер, а EML состоит из двух устройств: одно — DML, а другое — модулятор EAM. Принцип DML заключается в достижении модуляции сигнала путем модуляции инжекционного тока лазера. Поскольку величина инжекционного тока изменит показатель преломления активной области лазера, что приведет к сдвигу длины волны (чип) и дисперсии, что очень сложно реализовать высокоскоростную модуляцию сигнала и передачу на большие расстояния. 10км мало для DML, поэтому могу ездить только на EML.

Примечание. Под «чириканием» понимается сигнал, частота которого меняется (увеличивается или уменьшается) с течением времени и который похож на щебетание пения птиц.

2.3 100G QSFP28 LR4  Требуется дополнительный TEC (термоэлектрический охладитель )

Из-за того, что интервал между соседними каналами 100G QSFP28 LR4 составляет всего 4,5 нм, лазер необходимо разместить на TEC для контроля температуры. Микросхему драйвера TEC необходимо разместить в схеме, а лазер также необходимо интегрировать в материал TEC, что приводит к более высокой стоимости LR4, чем CWDM4.

Исходя из трех вышеизложенных пунктов, оптические трансиверы стандарта 100G QSFP28 LR4 стоят дороже, поэтому стандарт 100G CWDM4, предложенный MSA, хорошо дополняет разрыв, вызванный высокой стоимостью 100GBASE-LR4 в пределах 2 км.

3.  100G QSFP28 CWDM4  против  LR4

● Возможности 

100G QSFP28 CWDM4 соответствует стандарту, специально разработанному для развертывания  каналов передачи данных 100G  в пределах 2 км от центра обработки данных. Интерфейс оптического модуля QSFP28 CWDM4 соответствует спецификации дуплексного одномодового оптического интерфейса 2 км 100G, а расстояние передачи может достигать 2 км. Это наиболее широко используемый оптический модуль серии 100G QSFP28 в центрах обработки данных.

Для сравнения,  100G QSFP28 LR4 обладает всеми характеристиками QSFP28 CWDM и является более экономичным и конкурентоспособным при передаче на расстояние 2 км.

● Принцип работы

100G QSFP LR4 и CWDM4 принципиально схожи по принципу работы. Оба они мультиплексируют 4 параллельных канала 25G в оптоволокно 100G через оптические устройства MUX и DEMUX. QSFP  LR4 передает  сигнал 100G Ethernet на четырех центральных длинах волн, т.е.  1295,56 нм,  1300,05 нм,  1304,58 нм и  1309,14 нм. Две модели  интерфейса проиллюстрированы  следующим образом  : 

◮ Принципиальная схема QSFP28 LR4

◮ Принципиальная  схема CWDM4

Разница в стоимости

Хотя оба они являются основными оптическими приложениями 100G QSFP28 для IDC, стоимость этих двух модулей различна, что отражается в следующих аспектах:

◇  Оптические устройства MUX/DEMUX,  используемые QSFP  CWDM4  ,  дешевле,  чем  100G   QSFP28 LR4.

◇ Лазер в модуле LR4 дороже и потребляет больше энергии.

◇ LR4 требует дополнительного TEC (полупроводникового термоэлектрического охладителя)

Судя по приведенному выше  сравнению , оптические модули , соответствующие  стандарту QSFP28 LR4  , стоят дороже ,  в то время как стандарт  100G  QSFP28 CWDM4, предложенный MSA, хорошо  дополняет  разрыв, вызванный высокой стоимостью QSFP28 LR4 в пределах  передачи на расстояние 2 км .

4. 100G  КСФП28 ПСМ4  против  КСФП28 КВДМ4

Функции для 100G PSM4 и CWDM4

В дополнение к трансиверу QSFP28 CWDM4,  100G QSFP28  PSM4  является одним из альтернативных решений на промежуточном расстоянии передачи. Но каковы плюсы и минусы PSM4 по сравнению с  CWDM4 ?

Оптический приемопередатчик QSFP28 PSM4 представляет собой четырехканальное решение для межсоединения 100G через параллельный SMF и в основном используется для связи на расстоянии 500 м. 8-ядерный SMF строит четыре независимых канала (4 для передачи и 4 для приема) для оптических соединений со скоростью 100 Гбит/с, а скорость передачи каждого канала составляет 25 Гбит/с.

В каждом направлении сигнала используются четыре независимых канала с одинаковой длиной волны 1310 нм. Поэтому два трансивера обычно обмениваются данными через 8-волоконный  одномодовый оптоволоконный кабель MTP/MPO .  Максимальное расстояние передачи PSM4 составляет 500 м .

● Принцип работы 100G PSM4.

Функциональную теорию 100G QSFP28 PSM4 см. на следующем рисунке, чтобы узнать, как он передает сигналы.

◮ Принципиальная схема QSFP28  PSM4  

Разница в стоимости и технологиях

Короче говоря, оптический модуль 100G QSFP28 CWDM4 оснащен встроенным мультиплексором с разделением по длине волны, что делает его более дорогим, чем оптические модули QSFP28 PSM4. Однако трансиверам CWDM4 для двунаправленной передачи требуется только два одномодовых волокна, что намного меньше, чем 8 одномодовых волокон PSM4. QSFP28  CWDM4 передает сигнал 100G Ethernet на  4 длинах волн:  1271 нм,  1291 нм, 1311 нм и 1331 нм соответственно.

По мере увеличения расстояния соединения общая стоимость решения PSM4 быстро возрастает. Таким образом, выбор решения для межсоединения PSM4 или CWDM4 должен определяться вашими фактическими потребностями в приложении. На следующей диаграмме показаны некоторые технологические различия между двумя модулями.

◮ CWDM4 против PSM4

Заключение

Что касается выбора взаимосвязанных оптических трансиверов в центре обработки данных 25G/100G, рекомендуется руководствоваться следующими стандартами:

∙Для сценариев соединения 100G на короткие расстояния (TOR-LEAF), не превышающих 100 метров, используйте оптические приемопередатчики 100GBASE-SR4 QSFP28;

∙Для сценариев соединения среднего радиуса действия 100G (LEAF-SPINE) на расстоянии от 100 до 500 метров используйте оптические приемопередатчики 100G PSM4 QSFP28;

∙Для сценариев межсетевого соединения 100G на средние и большие расстояния (LEAF-SPINE, SPINE-CORE) от 500 метров до 2 км используйте оптические приемопередатчики 100G CWDM4 QSFP28;

∙Для сценариев межсетевого соединения на большие расстояния (CORE-MAN), превышающих 2 км, используйте оптические приемопередатчики 100GBASE-LR4 QSFP28.

Для поставщиков оптических трансиверов высокая скорость, низкое энергопотребление и низкая стоимость являются основными критериями будущих требований к оптическим трансиверам для центров обработки данных. Существуют различные решения с точки зрения расстояния передачи, режима модуляции, рабочей температуры и форм-фактора, которые необходимо выбирать на основе таких факторов, как сценарии применения и стоимость.