Cómo utilizar interconexiones ópticas para optimizar el rendimiento del centro de datos

La necesidad de interconexiones de fibra óptica de alta velocidad, bajo consumo y resistencia es cada vez mayor para satisfacer la demanda de comunicaciones fiables y de baja latencia en la nube y otros centros de datos. Los transceptores de fibra óptica pueden optimizarse para satisfacer las necesidades específicas de los centros de datos y alcanzar velocidades de transmisión de hasta 400 Gigabits/segundo (G). Entre los estándares de módulos importantes para las comunicaciones de fibra óptica en centros de datos se incluyen el factor de forma conectable pequeño (SPF), SPF+ y el factor de forma conectable cuádruple pequeño (QSFP). Una de las diferencias entre SPF, SPF+ y QSPF es la velocidad nominal de transmisión. Aun así, ese es solo uno de los factores que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar un transceptor; hay que sopesar el consumo de energía y la gestión térmica, la distancia de transmisión necesaria, el rango de temperaturas de funcionamiento, los diagnósticos integrados y otros factores. Además, los ingenieros de redes necesitan una forma eficaz de probar el alcance de transmisión y la sensibilidad de recepción de los transceptores ópticos.

Este artículo comienza repasando consideraciones importantes a la hora de seleccionar transceptores de fibra óptica, compara las opciones de interfaz de hardware que ofrecen SPF, SPF+, QSFP y QSFP-DD (doble densidad) y presenta módulos transceptores de Intel Silicon Photonics, II-VI y Cisco Systems. Por último, analiza las pruebas de dispositivos de fibra óptica, incluido un módulo de bucle de retorno de ColorChip para dispositivos de 400 G y una placa de evaluación de Multilane para transceptores de 800 G de próxima generación.

Monomodo frente a multimodo

Las fibras ópticas para la transmisión de datos están formadas por un núcleo de vidrio envuelto en un revestimiento de vidrio, cada uno con diferentes índices de refracción. Las fibras multimodo (MM) típicas tienen un núcleo de 50 μm y funcionan con longitudes de onda de 750 nm a 850 nm, mientras que una fibra monomodo (SM) tiene un núcleo de 9 μm y suele funcionar con longitudes de onda de 1310 nm a 1550 nm. En el caso de las fibras MM, la longitud de onda de la luz es más corta que la longitud de onda de corte, lo que da lugar a múltiples modos de luz que se propagan por la fibra. El núcleo más pequeño de la fibra SM solo puede propagar un modo para una longitud de onda determinada (Figura 1).

Figura 1: El pequeño núcleo de las fibras SM limita su capacidad de transmitir luz en más de un modo. (Fuente de la imagen: Cisco)

La dispersión modal y el ruido modal limitan el ancho de banda de las fibras MM en comparación con las fibras SM, que no están sujetas a esos efectos. Además, las fibras SM pueden soportar distancias de transmisión mucho mayores que las fibras MM. La transmisión óptica de datos se consigue utilizando una longitud de onda distinta para cada dirección de la comunicación. Por ejemplo, un juego de transceptores ópticos utiliza una combinación de longitudes de onda de 1330 nm y 1270 nm. Uno de los transceptores transmite una señal de 1330 nm y recibe una señal de 1270 nm, mientras que el otro transceptor transmite una señal de 1270 nm y recibe una señal de 1330 (figura 2).

Figura 2: Los transceptores ópticos utilizan distintas longitudes de onda para transmitir y recibir datos. (Fuente de la imagen: Cisco)

Potencia y térmicas

Los operadores de centros de datos son sensibles a los costos energéticos y térmicos. Aunque el par trenzado sin protección (UTP) para el cableado de las comunicaciones de datos es barato, un transceptor UTP puede consumir unos 5 W de potencia frente a 1 W o menos que necesita un transceptor de fibra.

El calor adicional generado por los transceptores UTP debe eliminarse del centro de datos, lo que duplica el aumento global del coste energético hasta casi diez veces. Excepto en tramos muy cortos y velocidades de datos bajas, los transceptores de fibra son casi siempre menos caros en costes operativos totales durante la vida útil en comparación con las soluciones UTP.

Los cables UTP también tienen un diámetro mayor que los de fibra. Pueden ser demasiado grandes para caber en algunas bandejas de cables instaladas bajo el suelo en centros de datos de alta densidad. Además, para los cables Cat 6A que transmiten a 10 G, la diafonía entre cables UTP puede ser difícil de gestionar. La fibra MM utiliza transceptores de menor coste, pero el cableado es más caro cuando se utilizan ópticas paralelas para transmisiones de 40 o 100 G. Como las velocidades de datos siguen aumentando, la fibra SM puede ofrecer la mejor combinación de bajo consumo, bajo costo y soluciones de pequeño tamaño.

Rango de temperatura elegido

Los centros de datos se encuentran en diversos entornos, desde instalaciones dedicadas hasta armarios en oficinas, almacenes y fábricas. Los transceptores de fibra óptica están disponibles en tres rangos de temperatura estándar para satisfacer las necesidades de entornos específicos:

• 0 °C a +70 °C, denominados C-temp o COM, están diseñados para entornos comerciales y de centros de datos estándar.
• -5 °C a +85 °C, denominado E-temp o EXT, para su uso en entornos más exigentes.
• -40 °C a +85 °C, denominado I-temp o IND, para uso en instalaciones industriales.

Se espera que un transceptor óptico típico funcione con una carcasa unos 20 grados más caliente que la temperatura ambiente. En entornos en los que la temperatura ambiente supere los +50 °C o descienda por debajo de los -20 °C, se utilizan transceptores con clasificación IDN. Algunas Aplicaciones requieren transceptores que puedan "arrancar en frío". Durante el funcionamiento en frío, la red puede acceder al I²C de los transceptores y a otras interfaces de baja velocidad, pero el tráfico de datos no se inicia hasta que la temperatura de la carcasa alcanza los -30 °C. Para garantizar un funcionamiento fiable de la red, es importante controlar la temperatura de funcionamiento de los transceptores de fibra óptica.

Control óptico digital

La monitorización óptica digital (DOM), también denominada monitorización de diagnóstico digital (DDM), se define en SFF-8472, parte del acuerdo multifuente (MSA) centrado en la monitorización digital de transceptores de fibra óptica. Incluye las siguientes funciones:

• Temperatura de funcionamiento del módulo de vigilancia
• Tensión de funcionamiento del módulo de vigilancia
• Corriente de funcionamiento del módulo de vigilancia
• Control de la potencia óptica de transmisión y recepción
• Emitir una alarma si los parámetros superan los niveles de seguridad
• Facilite la información de fábrica del módulo previa solicitud

DOM, según lo especificado por SFF-8472, define indicadores de alarma específicos o condiciones de alarma. DOM ayuda a los administradores de red a supervisar el rendimiento de los módulos e identificar aquellos que pueden necesitar ser sustituidos antes de que fallen.

Los módulos transceptores ópticos de hasta 100 G se han gestionado a través de una interfaz de control I²C mediante un sistema básico de comandos mapeados en memoria definido por SFF 8636. Los módulos de mayor velocidad son más complejos de gestionar debido a la inclusión de interfaces PAM-4 que necesitan una ecualización compleja. La especificación de interfaz de gestión común (CMIS) se desarrolló para sustituir o complementar la SFF-8472/8636 en módulos de alta velocidad.

Factores de forma y esquemas de modulación

Los transceptores SFP están disponibles para redes de cobre y fibra. El uso de módulos SFP permite poblar los puertos de comunicaciones individuales con distintos tipos de transceptores. El factor de forma de SFP y la interfaz eléctrica se especifican en el MSA. Un transceptor SFP básico puede soportar velocidades de datos de hasta 4 G para canal de fibra. La especificación SFP+ más reciente admite hasta 10 G, y la especificación SFP28 más reciente admite hasta 25 G.

El estándar de transceptores QSFP de mayor tamaño admite velocidades de transmisión cuatro veces más rápidas que las unidades SFP correspondientes. La variante QSFP28 ofrece hasta 100 G, mientras que la QSFP56 duplica esa cifra hasta 200 G. Un transceptor QSFP integra cuatro canales de transmisión y cuatro de recepción, "28" significa que cada canal (o carril) puede soportar velocidades de datos de hasta 28 G.; como resultado, un QSFP28 puede soportar una configuración de 4 x 25 G (breakout), 2 x 50 G breakout, o 1 x 100 G dependiendo del transceptor. Dado que los puertos QSFP son más grandes que los SFP, existen adaptadores que permiten colocar un transceptor SFP en un puerto QSFP.

La última variación es el QSFP-DD, que duplica el número de interfaces en comparación con un módulo QSFP28 normal. Además, la nueva especificación incluye compatibilidad con la modulación de amplitud de impulsos 4 (PAM4) que puede ofrecer 50 G, lo que proporciona una duplicación adicional de la velocidad de transmisión y da como resultado un aumento general de 4 veces en la velocidad del puerto en comparación con un módulo QSFP28.

La modulación tradicional sin retorno a cero (NRZ) utilizada en los transceptores de fibra modula la intensidad de la luz en dos niveles. PAM utiliza cuatro niveles de intensidad luminosa para codificar dos bits en cada periodo de impulso óptico en lugar de uno, lo que permite casi duplicar los datos en el mismo ancho de banda (Figura 3).

Figura 3: Las transmisiones PAM4 más complejas transportan muchos más datos que las NRZ. (Fuente de la imagen: Cisco)

QSFP-DD para grandes centros de datos

Los diseñadores de centros de datos empresariales y en la nube a gran escala pueden recurrir al transceptor óptico SPTSHP3PMCDF QSFP-DD de Intel Silicon Photonics. Este módulo tiene una capacidad de transmisión de 2 km, está especificado para funcionar entre 0 °C y +70 °C, y admite enlaces ópticos de 400 G sobre fibra SM o cuatro enlaces ópticos de 100 G para aplicaciones breakout (Figura 4). Características de este transceptor QSFP-DD:

• Cumplimiento de la especificación de interfaz óptica 4 x 100 G Lambda MSA y del estándar de interfaz óptica IEEE 400GBASE-DR4
• Cumplimiento de la norma de interfaz eléctrica IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• Cumplimiento del estándar de interfaz de gestión CMIS con diagnóstico y control completos del módulo a través de I²C

Figura 4: Este transceptor QSFP-DD tiene un alcance de 2 km. (Fuente de la imagen: Intel)

SFP+ multimodo

El transceptor óptico SFP+ FTLF8538P5BCz de II-VI tiene funciones DDM integradas y está diseñado para su uso en fibra MM con velocidad de datos de 25 G (Figura 5). Está diseñado para funcionar entre 0 °C y +70 °C. Otras características son:

• Transmisor láser de emisión lateral de cavidad vertical (VCSEL) de 850 nm
• Transmisión de 100 m a través de cable 50/125 μm OM4, M5F MMF.
• Transmisión de 70 m a través de cable 50/125 μm OM3, M5E MMF.
• 1E-12 tasa de error de bits (BER) en 30 m con cable OM3 y 40 m con cable OM4
• Consumo máximo de 1 A

Figura 5: Este transceptor SFP+ está homologado para 25 G y utiliza fibra MM. (Fuente de la imagen: II-VI)

SPF monomodo

El SFP-10G-BXD-I y el SFP-10G-BXU-I de Cisco funcionan con fibra SM que admite distancias de transmisión de hasta 10 km. Un SFP-10G-BXD-I siempre está conectado a un SFP-10G-BXU-I. El SFP-10G-BXD-I transmite un canal de 1330 nm y recibe una señal de 1270 nm, y el SFP-10G-BXU-I transmite a una longitud de onda de 1270 nm y recibe una señal de 1330 nm. Estos transceptores también incluyen funciones DOM que supervisan el rendimiento en tiempo real.

Bucle de retorno para TEST

Los técnicos e ingenieros de redes y pruebas pueden utilizar bucles de retorno de fibra óptica y módulos de bucle de retorno para probar la capacidad de transmisión y la sensibilidad de recepción de los equipos de redes ópticas. ColorChip proporciona un módulo de bucle de retorno que soporta escenarios de alto uso con 2000 ciclos a -40 °C a +85 °C (Figura 6). Este módulo de bucle de retorno incluye un consumo de energía múltiple definido por software para emular la potencia del módulo óptico y las características de pérdida de inserción integradas que emulan el cableado real para Ethernet 200/400 G, Infiniband y Canal de fibra. La protección contra sobretensiones integrada reduce el riesgo de dañar el dispositivo sometido a prueba. Los usos de este módulo de bucle de retorno incluyen pruebas de puertos, pruebas de despliegue en campo y solución de problemas de equipos.

Figura 6: Este módulo de bucle de retorno está diseñado para probar el rendimiento de los transceptores ópticos. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Kit de desarrollo QSFP de 800 G

Para los ingenieros de redes que se preparan para la próxima generación de transceptores de 800 G, Multilane ofrece el ML4062-MCB, que proporciona una plataforma eficaz y fácil de usar para programar y probar transceptores QSFP-DD800 y cables ópticos activos (Figura 7). La GUI soporta todas las características definidas por QSFP-DD MSA y simplifica el proceso de configuración. Puede utilizarse para simular un entorno real de pruebas, caracterización y fabricación de módulos transceptores QSFP-DD y cumple las especificaciones OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 y OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Figura 7: Esta plataforma de desarrollo está diseñada para su uso con transceptores de 800 G de nueva generación. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Resumen

Los transceptores de fibra óptica satisfacen las necesidades de los ingenieros de redes de centros de datos en cuanto a soluciones de alta velocidad, compactas y de bajo consumo. Estos transceptores están disponibles en varios formatos y tres rangos de temperatura de funcionamiento estándar, con fibras SM o MM. Los módulos de bucle de retorno pueden utilizarse para validar el rendimiento de los elementos de red de fibra óptica. Las plataformas de desarrollo pueden utilizarse para explorar las capacidades de los transceptores de 800 G y preparar el camino para la próxima generación de redes basadas en fibra.