40|100G-Multimode-Verbindungen im Rechenzentrum | Corning

Von Doug Coleman

Die Multimode-Faser bleibt ein wichtiges optisches Medium im Rechenzentrum für kurze Entfernungen von bis zu 150 Metern. 40G- und 100G Multimode-Glasfaser-Backbones werden eingesetzt, um 10G- und 25G-Serververbindungen für Rechenzentren zu ermöglichen. Multimode-Fasern ermöglichen die Verwendung von Oberflächenemittern (VCSEL), um synergetische, kostengünstige optische Verbindungen und elektronische Lösungen zu ermöglichen. OM3 und OM4 laseroptimierte 50/125-μm-Multimode-Fasern sind die bevorzugten Fasern, doch vor kurzem genehmigte die TIA eine 50/125-μm-Breitband-Multimode-Faser (WB MMF) für eine mögliche industrielle Anwendung. ISO/IEC JTC 1/SC 25 hat die OM5-Bezeichnung zur Aufnahme in die Norm ISO/IEC 11801-1 genehmigt, und TIA führte eine Harmonisierung mit der Norm ISO/IEC 11801-1 durch und implementierte die OM5-Nomenklatur. Die Industrie schreitet zügig voran, da 40G- und 100G-Ethernet-Standards und proprietäre Multimode-Glasfaser-Übertragungsvarianten im Handel erhältlich sind und eine Übertragung auf Standard-Multimode-Glasfasern bis 300 Meter und darüber hinaus problemlos möglich ist.

Ethernet-Übertragungsstandards entwickeln Leitlinien basierend auf spezifischen Kriterien, einschließlich der technischen und kommerziellen Umsetzbarkeit. Ein primäres Ziel ist die Bereitstellung wirtschaftlicher Lösungen, die den Entfernungszielen entsprechen, die repräsentativ für die Übertragungskanallängen (Channel) der eingesetzten Multimode-Glasfaserverbindungen sind. Corning hat über einen längeren Zeitraum die Kanallängen von Multimode- und Singlemode-Glasfaserverbindungen in Rechenzentren überwacht und modelliert. Trends zeigen, dass mit dem Anstieg der Datenraten von 10G über 40G auf 100G die Distanz von 100 Metern etwa 95 bis 90 Prozent der eingesetzten OM3/OM4-Kanallängen ausmacht, wie in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Mit anderen Worten: Für die überwiegende Mehrheit der Verbindungen innerhalb von Rechenzentren ist eine Kanaldistanz von 100 Metern mehr als ausreichend, um die Anforderungen zu erfüllen.

Ein weiterer Beitrag zum höheren Multimode-Faseranteil auf 100 Metern war die Kannibalisierung der Kupferverkabelung. Bei Rechenzentren, die mit 10G und höheren Datenraten arbeiten, werden Kupferleitungen für Serververbindungen verwendet, in denen meist Twinaxial-Kupferkabel verwendet werden. Es wird erwartet, dass Twinaxial-Kupferkabel als primäre Serververbindung bis 50G beibehalten werden, wobei optische Verbindungen aufgrund von Entfernungsbeschränkungen in der Kupferverkabelung bevorzugt werden. Server mit 50G I/O werden für 2018 erwartet.

Parallel-Optische Übertragung 

Als sich die Arbeitsgruppe für Ethernet-Standard 802.3ba erstmals mit der 40G-Multimode-Glasfaserübertragung befasste, konnte die 850-nm-VCSEL-Modulationsfähigkeit keine einzige 40G-Wellenlängenvariante liefern. Das IEEE entschied sich für die parallel-optische Übertragung aufgrund der einfacheren Entwicklung und der Fähigkeit, eine zuverlässige und kostengünstige Lösung anzubieten. Die parallel-optische Übertragung unterscheidet sich von der traditionellen seriellen Kommunikation über zwei Fasern dadurch, dass Daten gleichzeitig über mehrere Glasfasern übertragen und empfangen werden. Die 40GBASE-SR4 parallel-optische Anwendung benötigt acht OM3- oder OM4-Fasern mit 10G-Übertragung auf jeder Faser: vier Fasern (vier Fasern x 10G/Faser) zum Senden (Tx) und vier Fasern (vier Fasern x 10G/Faser) zum Empfangen (Rx). Der Standard 802.3ba legt eine maximale Entfernung von 100/150 Metern fest (OM3/OM4). Proprietäre parallel-optische Transceiver 40GeSR4 mit erweiterter Reichweite sind jetzt erhältlich und unterstützen Entfernungen von bis zu 300/400 Metern (OM3/OM4). Mit vorkonfektionierten MTP®-EDGE™-Lösungskomponenten ermöglicht der 40GeSR4-Transceiver mit erweiterter Reichweite bis zu 330/550 Meter (OM3/OM4).

Ethernet 802.3ba 100GBASE-SR10 verwendete ebenfalls 10G pro Faser und benötigte zwanzig OM3- oder OM4-Fasern (10 Fasern x 10G/Faser Tx und 10 Fasern x 10G/Faser Rx), allerdings war die Nachfrage aus der auf dem Markt begrenzt. Mit der Weiterentwicklung der VCSEL-Technologie wurden 25G-Modulationsraten verfügbar, so dass es jetzt die Ethernet 802.3bm 100GBASE-SR4-Übertragungsvariante mit identischen Verbindungsanforderungen wie bei 40GBASE-SR4 gibt. Siehe Abbildung 3. Der Standard 802.3bm legt eine Reichweite von bis zu 70/100 Metern fest (OM3/OM4). Proprietäre 100GeSR4-Transceiver mit erweiterter Reichweite unterstützen jetzt auch Reichweiten von bis zu 200/300 Metern (OM3/OM4).

Die parallele Optik ermöglicht Breakout-Eigenschaften, bei denen die MTP-Schnittstelle des Transceivers in mehrere Duplex-LC-Verbindungen aufgeteilt werden kann. Zum Beispiel 40GBASE-SR4- bis 4 x 10GBASE-SR-Duplex-Verbindungen.s.

Wellenlängen-Multiplexing (WDM)   

Die Ethernet-Multimode-Glasfaserübertragung beruhte auf einer zwei-Faser-basierten Übertragung bis zu 10GBASE-SR. Jenseits von 10G waren die VCSEL nicht in der Lage, eine serielle 40G-Duplexfaserlösung zu ermöglichen. Die Arbeitsgruppe Ethernet 802.3ba bewertete WDM- und parallel-optische Technologien für 40/100G und wählte die parallele Übertragungsform für die Norm aus, da dies in naher Zukunft zu schnelleren und wirtschaftlicheren 40/100G-Implementierungen führen würde.

10GBASE-SR ist eine weit verbreitete, auf Normen basierende Technologie, die OM3/OM4 verwendet. Die 10GBASE-SR-Variante umfasst auch die Optionen OM1 und OM2, jedoch mit minimaler Verbreitung. 10G-Verkabelung unter Verwendung von Cornings EDGE8® (Base-8) MTP®-Trunks und einem MTP-zu-LC-Modul mit Universal-Polarity und/oder einem MTP-zu-LC-Aufteilkabel (Harness) mit universeller Polarität ermöglicht problemlos vier Breakout-Duplex-LC-Verbindungen pro 8-Faser-MTP-Steckverbinder. Der Duplex-LC-Steckverbinder wird an die 10GBASE-SR SFP-Transceiver angeschlossen. 10GBASE-SR-Implementierungen, die MTP-Trunks verwenden, können problemlos auf 40GBASE-SR4 parallel-optische Anwendungen migriert werden.

Die Migration von installierten 10GBASE-SR-Lösungen auf 40G in Verkabelungsumgebungen ohne MTP-Verbindungstechnik im optischen Backbone führte dazu, dass Transceiverhersteller proprietäre 40G-Transceiver mit einer Duplex-Multimode-Glasfaserschnittstelle anboten. Zwei proprietäre Varianten können in Betracht gezogen werden, 40G BiDi und 40G SWDM, die nun beide im Handel erhältlich sind.

Der 40G-BiDi-Transceiver verfügt über zwei optische 20G-Kanäle, die bidirektional über jede Faser übertragen und empfangen werden. Diese Funktion führt zu einer Gesamtbandbreite von 40 Gbps mit einem Duplex-LC-Kabel. Der 40G-BiDi-Transceiver ist für bis zu 100/150/200 Meter bei OM3/OM4/OM5 ausgelegt. Mit EDGE- und EDGE8-Lösungen von Corning liefert der 40G-BiDi-Transceiver bis zu 100/200/200 Meter bei OM3/OM4/OM5-Verkabelungen. 100G-BiDi-Transceiver sind seit kurzem im Handel erhältlich und verwenden die gleiche optische Verbindung wie der 40G-BiDi-Transceiver. Der 100G-BiDi verfügt über zwei optische 50G-Kanäle, die bidirektional über jede Faser übertragen werden, und ist für Entfernungen bis zu 70/100/150 Meter auf OM3/OM4/OM5 ausgelegt.

Der 40G-SWDM-Transceiver multiplext vier 10G-Wellenlängen, die kodirektional über jede Simplexfaser übertragen werden, um eine Gesamtbandbreite von 40G bereitzustellen. Siehe Abbildung 5. Der 40G-SWDM-Transceiver ist für bis zu 240/350/440 Meter bei OM3/OM4/OM5 ausgelegt. Der SWDM-Transceiver wurde so gestaltet, dass er in erster Linie über OM3/OM4-Glasfaser in bestehenden Rechenzentrumsinfrastrukturen betrieben werden kann. 100G-SWDM-Transceiver sind seit kurzem im Handel erhältlich und für Entfernungen von 70/100/150 Metern bei OM3/OM4/OM5 ausgelegt. Die 100G-SWDM4-Transceiver erreichen eine Gesamtdatenrate von 100G unter Verwendung von vier 25G-Wellenlängen. Weder SWDM noch BiDi sind in der Lage, Port-Breakout-Funktionalitäten zu realisieren, die von parallel-optischen Transceivern unterstützt werden.

Multimode-Glasfaserverbindungen stellen weiterhin zuverlässige und kostengünstige Lösungen für Rechenzentren dar. Basierend auf der erwarteten Wirtschaftlichkeit von Glasfaserverbindungen und Transceivern wird davon ausgegangen, dass die Anwendungsfälle für Multimode-Glasfaser/-Transceivern bei 40G- und 100G-Installationen wie in der unten dargestellten Tabelle 1 aussehen werden. Wie die historischen Einsatzdaten zeigen, sind 90 Prozent der OM3/OM4-Übertragungskanäle im Rechenzentrum weniger als 100 Meter lang. Für die wenigen Kunden, die über Kanallängen von bis zu 300 Metern verfügen, wird es jedoch mehrere Glasfaser- und Transceiver-Kombinationen geben, um die erforderliche Reichweite zu erzielen und sicherzustellen, dass die heute im Rechenzentrum eingesetzten Multimode-Verbindungen auch noch weit in der Zukunft ihren Nutzen beibehalten werden.