数据中心光互联技能开展及400G光模块测试

2021-01-07 20:41:01 深圳市乐鱼电子有限公司 385

一、数据中心的网络布局

  随着云盘算和大数据的广泛使用,数据中心作为云盘算的中心底子设置,其盘算才能和外部数据互换才能也出现出指数级的开展。

  关于数据中心来说,其外部办事器以及互换机间广泛接纳光模块或AOC电缆举行互联。古代新一代的数据中心为了应对数据流量的增加以及分身更机动的扩容晋级和冗余备份才能,广泛开端接纳以Facebook公司倡议的Spine-Leaf的网络架构,数据中心外部的数据互换和吞吐才能更强,同时网络布局也愈加扁平化和麋集。

  因而,古代大范围数据中心关于光模块的需求量及光纤资源的需求量十分大,光互联的本钱占了网络本钱的很大比例,怎样选择符合的技能同时分身技能开展和建立及运维本钱是宏大的应战。

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从技能需求来说,数据中心的光模块选择次要思索的是传输间隔、速率、密度和功耗。

  从传输间隔来说,其使用场景次要分为以下几个方面:

  <20m,次要用于机柜外部的办事器和TOR互换机互联,现在数据速率以10G、25G为主,正在向50G或100G过渡。完成方法以DAC(间接毗连的铜线电缆)或AOC(有源光缆)电缆为主。

  <500m,次要用于数据中心统一机房内Leaf到Spine互换机的互联。现在数据速率以40G、100G为主,正在向400G过渡。此中100m以下的短间隔次要以850nm的多模(MM)光纤为主;100m~500m间隔多接纳1310nm波长的单模(SM)光纤,出于本钱思索次要接纳并行单模(PSM)技能。

  <10km,次要用于数据中心楼宇间互换机或路由器的互联。现在数据速率以100G为主,正在向400G过渡。这个间隔上光纤的本钱占比曾经较大,因而多接纳波分复用技能在单根光纤上传输更多路信号,以1310nm波长的粗波分复用(CWDM)技能为主,局部短间隔(500m~2km)场所仍可以利用PSM技能。

  >10km,次要用于多个数据中心间的互联(DCI)。现在完成方法以100G+DWDM(麋集波分复用为主),将来80km以上次要接纳400G干系通讯+DWDM,80km以下也有接纳PAM4+DWDM的完成方法。传输波长以1550nm波长为主,经过DWDM方法在单根光纤上完成40~80个波长的复用来到达4T~32T的传输速率。局部短间隔(10km~40km)、速率要求不高的场所仍可以利用1550nm波长的CWDM技能。

  二、400G光模块的分类

  光模块是完成数据中心外部光网络互联的要害硬件设置装备摆设,随着端口数和密度的提拔,光模块的本钱会占到数据中心光网络本钱的靠近一半。现在各大互联网公司新建的数据中心曾经广泛接纳100G的互联技能,并会在将来2~3年内大范围商用400G的互联技能。因而,400G光模块的完成技能成为业界存眷的重点。

   从光波长上区分,400G光模块可以分为多模(MM)、单模(SM);从信号调制方法上,分为NRZ和PAM4调制(现在以PAM4为主);从传输间隔上区分,400G光模块可以分为SR、DR、FR、LR;从封装情势上,400G光模块可以分为CDFP、CFP8、OSFP、QSFP-DD等。下图是400G光模块的技能分类。

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晚期的400G光模块利用的是16路*25Gbps NRZ的完成方法(如400G-SR16),接纳CDFP或CFP8的封装。其好处是可以借用在100G光模块上成熟的25G NRZ技能,但缺陷是必要16路信号举行并行传输,功耗和体积都比力大,不太合适数据中心的使用。

  现在的400G光模块中,在光口侧次要是利用8路*53Gbps PAM4(400G-SR8,FR8,LR8)大概4路*106Gbps PAM4(400G-DR4,FR4,LR4)完成400G的信号传输,在电口侧利用8路*53Gbps PAM4电信号,接纳OSFP或QSFP-DD的封装情势。OSFP和QSFP-DD封装都可以提供8路电信号接口。相比力来说,QSFP-DD封装尺寸更小(和传统100G光模块的QSFP28封装相似),更合适数据中心使用;OSFP封装尺寸稍大一些,由于可以提供更多的功耗,以是更合适电信使用。

  下图辨别是400G-FR8/LR8以及400G-FR4的完成方法(Reference:OSFP MSA Specification for OSFP OCTAL SMALL FORM FACTOR PLUGGABLE MODULE)。可以看到,其电口侧都是8路53Gbps PAM4信号。

  光口侧状况略微庞大一些,关于400G-SR8/FR8/LR8等模块来说,光模块外部只是做CDR(时钟规复)以及电/光或光/电转换,因而光口侧与电口测一样,也是8路53Gbps PAM4信号;关于400G-DR4/FR4/LR4等模块来说,光模块外部另有Gearbox(变速箱)芯片把两路电口输出复用成一起信号再调制到光上,因而光口侧的速率是电口侧速率的2倍,即4路106Gbps PAM4信号。

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别的,由于多模光纤在短间隔传输上的本钱上风,以是IEEE也在2018年3月份建立了802.3cm事情组,把之前在业界讨论的用8路(SR8)乃至4路(SR4.2)多模光纤完成400G传输的技能归入标准讨论中。

  从将来来说,出于本钱的思索,用4路光信号完成400G传输的方法大概会成为主流;同光阴模块的电接口也大概会渐渐晋级到4路*106Gbps PAM4的情势,以省去Gearbox芯片从而节流功耗和本钱。在超远间隔(>80km)传输上,以OIF构造正在订定的400G-ZR标准为例,会接纳干系通讯+DWDM方法完成。

  三、400G光模块次要测试项目

  很久以前一章的介绍可以看到,400G的光模块广泛接纳了PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation:4电平脉冲幅度调制)的信号调制技能,即接纳4个差别的信号电平来举行信号传输,每个标记周期可以表现2个bit的逻辑信息(0、1、2、3)。

  因而,要完成异样的信号传输才能,PAM4信号的标记速率只必要到达NRZ信号的一半即可,传输通道对其形成的消耗大大减小,但支付的价钱是信噪比会比NRZ信号好转许多,丈量办法也会有比力大的差别。下图是典范的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的比拟。


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关于400G光模块来说,其次要的高速接口包括电输出接口、光输入接口、光输出接口、电输入接口,以及别的的电源和低速办理接口。

  因而,关于400G光模块的电气功能验证来说,其次要测试项目分为光口发射机目标、光口吸收机容限、电口发射机目标、电口吸收机容限、体系测试。

  3.1 发射机测试

  光发射机、电发射机电气特征测试情况如下。

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发射机的丈量项目又分为光发射机的丈量项目和电发射机的丈量项目,次要用于验证光口及电口输入信号的质量。

  3.1.1 光发射机测试办法

  次要用于验证被测光模块收回光信号的质量。测试办法如下:被测光模块插在MCB夹具上,上电并设置装备摆设正常事情;误码仪发生PAM4电鼓励信号送给光模块一起电输出端,使得被测光模块输入SSPRQ的光信号,模块的相邻电通道上输出PAM4的串扰信号。输入光信号经时钟规复进采样示波器举行光发射机参数测试。改换别的通道顺次丈量一切通道光发射机目标。

  TDECQ (Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)即发射机色散眼图闭合价钱,是权衡光发射机颠末一个典范的光通道后PAM4信号功率裕量的丧失。正常用于光信号传输的激光器都有肯定的谱线宽度,颠末一段间隔传输后,色散效应就会形成信号中差别波长身分的传输时延的变革。这些差别传输时延的信号在吸收端叠加在一同就会形成信号质量的好转,从而招致吸收真个敏捷度降落。

  在10G以太网IEEE 802.3ae尺度里,这个目标界说为TDP (Transmitter and Dispersion Penalty) ;在100G以太网IEEE 802.3bm尺度里,这个目标界说为TDEC(Transmitter and Dispersion Eye Closure) ;而在针对200G/400G以太网IEEE 802.3bs尺度里,这个目标便是TDECQ(Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)。

  TDECQ通常用dB表现,关于PAM4信号来说,TDECQ值越小,表现这个信号绝对于抱负信号的功率裕量丧失越小,大概说能在光纤里传输更远的间隔。依据802.3bs里的界说,TDECQ的参考测试办法如下图所示:

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在测试中,被测件发生SSPRQ码型的光信号,然后颠末测试光纤举行传输。被测信号经光纤传输落伍入丈量用的采样示波器,采样示波器一方面经过切合标准的CRU(Clock Data Recovery)电路举行时钟规复,另一方面把被测光信号颠末参考滤波器落伍行采样。采样后的波形要举行5阶FFE的信号平衡,然后以CRU规复时钟为基准构成PAM4信号眼图。

  眼图构成当前,再依据信号眼图的光调制幅度(OMA)、信号幅度噪声(R)、以及和误码率要求对应的外推系数(Qt)依据公式盘算TDECQ的值。

  下图是在采样示波器里对平衡后光信号的参数举行OMA、ER、TDECQ等参数测试的例子。乐鱼可以看到,只管许多丈量参数的界说十分繁琐,但基于示波器里的PAM4丈量选件,利用者不必要繁琐的操纵,就可以疾速失掉必要的丈量后果。

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3.1.2 电发射机测试办法

  次要用于验证被测光模块电口输入的质量。测试办法如下:被测光模块插在MCB夹具上,上电并设置装备摆设正常事情;误码仪发生PAM4电鼓励信号送给光模块一起电输出端,光模块相邻电通道上输出PAM4的串扰信号。输入光信号环回到光吸收机,并测试其电通道输入的PRBS13Q信号参数。

  眼高(Eye Height)和眼宽(Eye Width)是400G光模块电信号质量测试的紧张参数。在IEEE 802.3bs标准中,界说眼图测试时利用PRBS13Q的PAM4码型。被测点输入的信号颠末参考平衡器和时钟规复后叠加构成眼图。因而,符合带宽的示波器、准确的平衡器以及牢靠的时钟规复关于PAM4信号的眼图测试至关紧张。而关于Module输入真个测试来说,还必要模仿出信号颠末Host外部走线消耗关于信号的影响,以是测试中示波器还必要在捕捉到的信号上叠加上约6.4dB的传输通道消耗。

  由于PAM4信号会构成3层眼图,以是对每层眼图要辨别丈量。在IEEE 802.3bs标准里,界说以两头层眼图的中心地位为参考点盘算眼高和眼宽。在测试历程中要改换差别的平衡器的值,并依据信号的噪声和发抖概率散布来盘算等效的眼高和眼宽,这是一个十分庞大的盘算历程,这里不做详细叙述。

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3.2 吸收机及误码率测试

  发射机的测试项目次要用于包管光模块的光口和电口输入信号的质量。严厉来说,还必要验证光模块的光口和电口吸收信号的才能。

  光模块吸收到的光信号通常颠末很长间隔的光纤传输,吸收到的光信号上大概叠加了种种发抖和噪声,以是光吸收机测试可以用于验证被测光模块关于恶劣光信号的容忍才能。

  同时,光模块必要从电口吸收互换机或办事器发送过去的电信号并转成光信号收回去。由于电信号经PCB、毗连器传输会发生较大的消耗和发射,以是电吸收机测试项目可以验证被测光模块关于恶劣电信号的容忍才能。

  3.2.1 光吸收机测试办法

  IEEE 802.3bs标准中关于光吸收机的压力容限测试办法形貌如下:经过参考的PAM4信号源与发抖、噪声、码间搅扰注入源,以及参考的光发射机发生所需的光压力信号。

  对光压力信号由核心消光比OER,外光调制幅度OOMA和压力眼图闭合价钱SECQ来表征。PAM4光压力信号起首由一个参考光吸收机举行校准,以确保其参数切合标准要求。这个吸收机包括切合标准要求的抱负4阶贝塞尔-汤姆逊低通滤波器,标准要求的FIR平衡器以实时钟规复功效。

  校准后的光压力信号输出被测吸收机的一个通道,被测吸收机其他通道输出正常通讯的光信号。最初由被测光模块环回电信号到误码仪的误码检测口,或经过吸收机外部的误码统计功效举行误码和压力敏捷度等测试。下图是400G-DR4光模块的光压力眼图测试框图,以及各局部对应的测试仪表。

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3.2.2 电吸收机测试办法

  IEEE 802.3bs标准中关于光模块的电输出口的压力容限测试办法形貌如下:经过参考电发射机(通常是码型产生器)以及发抖注入源、码间搅扰源和串扰源,将压力电信号输出MCB夹具。之后将参考吸收机(通常是示波器)经过HCB夹具与MCB夹具毗连在一同,对压力电信号举行校准。

  参考吸收机包括切合标准要求的抱负4阶贝塞尔-汤姆逊滤波器,标准要求的CTLE平衡器以实时钟规复功效。PAM4电压力信号由眼图对称模板宽度ESMW,眼宽EW,眼高EH和附加正弦发抖SJ的频率和幅度来表征。颠末校准的电压力信号接入被测模块电输出口被测通道,并由模块内的FEC误码检测功效举行误码与吸收容限测试,或将信号环回输入至内部的误码剖析仪举行剖析。

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下图是测试中用到的实践测试仪器。

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3.3 体系测试

  体系测试的次要目标是验证被测光模块共同互换机事情时,在真实的商业流量状况下的误码率以及错误容忍才能。400G的光模块广泛接纳了PAM4(4电平调制)技能,固然增加了高速信号传输必要的带宽,但由于信噪比的好转,使得其原始误码率很难到达传统2电平调制时1e-12的程度,以是其原始误码率的要求比力低,好比IEEE 802.3bs中关于光口误码率的要求仅仅为2.4e-4。

  许多通讯历程在这么高的误码率状况下是无法正常事情的,以是FEC(前向纠错)技能被广泛接纳。FEC是经过在数据块里拔出一些冗余的校验bit,可以对随机发生的错误bit举行修正,从而包管终极数据包的丢包率在可以承受的范畴之内(<6.2e-11)。

  因而,体系测试中必要对光模块的原始误码率以及颠末FEC修正后的丢包率都举行测试,并验证在呈现已定随机错误标记大概频率偏向时体系功能能否遭到影响。典范的体系测试情况如下:

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其测试办法如下:在数据流量测试仪上发送64字节长度一连数据帧,FEC修正前的BER值应小于2.4e-4;在流量测试仪上运转以太网流量测试软件,并发送64字节长度、100%线速率的数据帧,累积至多1e+12个数据帧后,读取端口的Frame Loss Ratio值应小于6.2e-11;在流量测试仪上举行FEC后单个或多个(<15个)的误码注入,并验证经FEC后的误包率满意802.3bs的标准要求;在流量测试仪上对速率举行100ppm的调解,并验证误码率和误包率满意802.3bs的标准要求。

  下图是举行FEC修正前的误码率及FEC修正后的丢包率测试的例子。

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四、测试仪器

  4.1 高功能采样示波器(光/电眼图仪)实时钟规复

  高速采样示波器次要用于光发射机的光眼图测试、光模块以及AOC的电眼图测试等,也可以用于将来电吸收机以及光吸收机容限测试中的信号校准。眼图仪的测试必要和信号同步的事情时钟,当被测件无法提供同步参考时钟时,必要光/电时钟规复模块从被测件规复时钟才干举行测试。

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Keysight N1000A系列是在原86100D底子之上再续经典的采样示波器系列,它可向下兼容原有86100D平台上的模块,与高带宽并内置CDR, PTB功效的N1060A模块组合利用是研发阶段的调试利器。N1092系列光/电采样示波器和N1077A/N1078A光/电时钟规复模块是市道市情上集成度最高、功效最机动的高速光/电眼图测试仪器。其次要目标及特征如下:

  单模/多模光口测试:事情波长范畴830 至 1600 nm

  光通道速率:支持25G/28Gbps NRZ、53G/56Gbps PAM4、106G/112Gbps PAM4光信号测试

  敏捷度:-11dbm @850nm;-12.>###

  差分电口测试:集成差分50GHz带宽电口,支持32Gbps NRZ和64Gbps PAM4的电眼图测试

  固有发抖:≤200fs rms

  时钟规复:支持32Gbps NRZ和64Gbps PAM4的光/电时钟规复

  多通道扩展:经过电脑USB口控制,可毗连多个模块;测试软件支持最多8个丈量模块、共32个光或电通道的并行眼图测试。

  软件功效壮大:支持100GE 802.3 发射机种种参数的测试,包罗发抖TJ, DJ, RJ, PJ, DDJ, ISI, BUJ, J1~J9, UJ, F/2, TI, DI, RI, OMA, Q值及 RIN, RIN&OMA 等测试,还包罗802.3bm尺度中对多模信号的TDEC测试,以及400G PAM4 信号波形参数的测试以及TDECQ测试等。

  和Keysight 误码仪以及其他光学仪表共同,可以测试100G或400G光吸收机的压力容限,是业界独一可以提供一切压力容限测试方案的厂家,包管了将来测试体系的腻滑晋级。

  4.2 高速PAM4误码仪

  高速误码仪次要用于光发射机(光眼图)测试中发生高质量的电信号鼓励以及误码率测试,也可以用于电吸收机以及光吸收机容限测试中发生带发抖和压力的电信号验证吸收容限。假如仅仅举行光眼图或电眼图测试,可以用颠末验证的高质量的流量测试仪发生电信号鼓励。

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Keysight M8040A误码仪是市道市情上功能最高、最机动、毗连最复杂的NRZ及PAM4误码仪,其次要特征和目标如下:

  高速电信号发生:单机箱内可以发生1~2路32Gbps的NRZ信号发生,可以晋级64Gbps的PAM4信号或128Gbps的PAM4信号功效用于400G模块测试。

  高速电信号误码检测:单机箱内可以支持1~2路32Gbps的NRZ信号误码率检测,可以晋级64Gbps的PAM4信号或128Gbps的PAM4误码率检测功效用于400G模块测试。

  光压力眼测试:可以晋级100G、400G光模块的光压力眼测试及主动校准功效。

  预减轻:可选内置4阶NRZ/PAM4信号预减轻。

  发抖注入:可选内置NRZ/PAM4信号的PJ、RJ、BUJ等发抖注入

  线性度调解:对PAM4信号3个眼高可独立调解。

  吸收机平衡:内置可调CTLE平衡器,用于优化误码吸收。

  主动发抖容限测试:可依据事前设定参数主动调解注入到信号上的发抖频率和巨细,并依据误码率变革主动扫描出发抖容限曲线。

  PRBS码范例:2n-1, n=7, 10, 11, 13, 15, 23, 31等。

  自界说码型长度(每通道):2Gbit(NRZ)或1G 标记(PAM4) 。

  4.3 数据流量测试仪

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Keysight公司的数据测试仪表经过测试仪机框拔出测试商业板卡的方法完成组装,并依据拔出的差别测试商业板卡提供差别的测试才能。

  Novus测试商业板卡提供QSFP28接口,K400测试商业卡提供QSFP_DD测试接口。

  QSFP28测试商业板卡支持依据IEEE协议,提供扇出(即FAN-OUT) 才能,每个QSFP28接口支持扇出成4个25GE速率SFP28接口,相干协议尺度为IEEE 802.3 100GBASE-R、IEEE P802.3bj、IEEE P802.3bm、IEEE P802.3by。

  K400测试商业板卡支持400G、200G、100G PAM4速率转换。基于QSFP_DD支持前向纠错(FEC)端口统计,详细的包罗: Total Bit Errors, Max Symbol Errors, Corrected Codewords, Total Codewords, Uncorrectable Codewords, Frame Loss Ratio, Pre-FEC Bit Error Rate, and Codeword error distribution analysis;协议以为KP4 RS-544。

  支持对400G前向纠错(FEC)注入不对。

  支持L1 BERT测试。

  五、总结

  综上可见,数据中心的光互联网络正面对从100G到400G的过渡,针对差别使用场景的技能也在相互竞争。400G光模块作为将来数据中心外部光网络互联的要害硬件设置装备摆设,也面对速率、功耗、体积、本钱等方面的应战。同时,PAM4、FEC技能的普遍接纳也使得400G光模块的测试和评价办法与传统的100G光模块有比力大的区别。为了包管其在有限本钱和功耗下的功能,必要对其光口、电口的输入质量、吸收容限,以及承载真实商业数据下的误码率等体现举行细致的测试,以包管设置装备摆设间精良的互联互通及牢靠数据传输。


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