Digitale optische Module funktionieren in modernen Systemen

 

Was ist eigentlich in dem Ding drin?

 

Öffnen Sie einen Transceiver (tun Sie das eigentlich nicht; die Laserbelichtung allein macht es zu einer schlechten Idee) und Sie werden eine überraschend dichte Anordnung von Komponenten vorfinden, deren Architektur sich seit den späten 1990er Jahren nicht grundlegend verändert hat. Der Senderabschnitt beherbergt die Lichtquelle-typischerweise ein VCSEL für Multimode-Anwendungen mit kurzer-Reichweite, einen DFB-Laser für alles Ernsthafte über Singlemode-Fasern. Die Empfängerseite enthält eine Fotodiode und einen Transimpedanzverstärker. Dazwischen liegt die Signalkonditionierung, die die Datenrate erfordert.

Der VCSEL verdient besondere Erwähnung, da er gleichzeitig Held und Bösewicht der Rechenzentrumsoptik ist. Vertikale -Kavitätsoberflächen-emittierende Laser lösten das Herstellungsproblem, das kantenemittierende-Geräte plagte: Sie können sie vor dem Würfeln auf-Wafern testen, was bedeutet, dass Sie tatsächlich wissen, was Sie versenden. Sie sind billig. Sie sind zuverlässig genug. Sie laufen cool.

Aber VCSELs haben Entfernungsbeschränkungen, die wichtig sind.

850-nm-Licht durch Multimode-Faser trifft auf modale Dispersionswände, die kein cleverer DSP vollständig überwinden kann. Bei 25G kommt man vielleicht auf 100 Meter, bevor das Augendiagramm wie moderne Kunst aussieht. Die OM4-Faser in Ihrem Doppelboden wurde nicht für die Leistung entwickelt, die wir von ihr erwarten, und die Einführung von OM5 bleibt in den meisten Unternehmensimplementierungen, die ich gesehen habe, irgendwo zwischen „vielversprechend“ und „theoretisch“.

 

Die Wellenlängenfrage, die niemand richtig stellt

1310 nm senkt die Dämpfung im Single---Modus auf etwa 0,4 dB/km. Dies ist das O--Band, in dem die chromatische Dispersion ein praktisches Minimum erreicht und Sie Signale ohne Verstärkung über 10 km übertragen können. Die meisten LR-Module leben hier.

Mit 1550 nm erreicht man etwa 0,3 dB/km-das C-Band-„Null--Verlustfenster“, das jeder in der Telekommunikation verehrt. DWDM-Systeme drängen Dutzende von Kanälen in dieses Band, weil mit Erbium-dotierte Faserverstärker hier hervorragend funktionieren. Aber diese EDFAs kosten Geld, und bei Entfernungen unter 40 km machen die zusätzlichen Kosten selten Sinn.

Der Fehler, den ich immer wieder sehe: Jemand spezifiziert 1550-nm-Module für eine 2 km lange Campus-Verbindung, weil „geringere Verluste besser sein müssen“. Es ist nicht besser. Es ist teurer, bringt aber keinen Nutzen, und jetzt haben Sie eine Bestandskomplexität, die Sie nicht brauchten.

 

Signalintegrität und das Problem der Taktwiederherstellung

 

Hier wird es wirklich interessant und hier beginnen auch junge Ingenieure, teure Fehler zu machen.

Serielle Hochgeschwindigkeitsdaten werden nicht mit einem Taktsignal übertragen. Die Zeitinformationen müssen aus dem Datenstrom selbst wiederhergestellt werden-das ist es, was Takt- und Datenwiederherstellungsschaltungen tun. Eine Phasenregelschleife im Modul überwacht den eingehenden Bitstrom auf Übergänge, generiert aus diesen Übergängen einen lokalen Takt und verwendet diesen wiederhergestellten Takt, um nachfolgende Bits am optimalen Punkt im Auge abzutasten.

Das funktioniert erstaunlich gut, bis es nicht mehr funktioniert.

CDR-Sperren erfordern ausreichende Übergänge in den Daten. Die in 10G-Ethernet verwendete 64B/66B-Kodierung garantiert genügend Kanten, um die PLL zufrieden zu stellen. Wenn jedoch jemand ein pathologisches Muster sendet-oder schlimmer noch, eine lange Folge identischer Symbole von einem sich schlecht verhaltenden Upstream-Gerät-kann der CDR die Sperre verlieren. Wenn die Sperre verloren geht, wird der LOL-Alarm (Loss of Lock) ausgelöst, die Verbindung wird unterbrochen und Sie starren auf die Fehlerzähler und fragen sich, was schief gelaufen ist.

Das Frustrierende daran: Das CDR-Verhalten variiert je nach Anbieter. Ich habe Module von Hersteller A gesehen, die die Sperre durch Mustersequenzen aufrechterhielten, die Module von Hersteller B sofort abschalteten. Beide entsprachen den Spezifikationen. Beide haben die Konformitätsprüfung bestanden. Einer arbeitete im tatsächlichen Verkehrsumfeld des Kunden, einer nicht.

 

DDM hat die Fehlerbehebung für immer verändert (wenn es funktioniert)

 

Bevor die digitale Diagnoseüberwachung zum Standard wurde, bedeutete die Fehlerbehebung bei einer Glasfaserverbindung, Module zu ziehen, Kabel auszutauschen und zu der Gottheit zu beten, die Ihren Änderungskontrollprozess regelte. Wenn der Link nicht funktionierte, wussten Sie, dass etwas nicht stimmte. Du hattest keine Ahnung, was.

DDM-manchmal auch DOM genannt, weil die Branche redundante Akronyme liebt-hat das geändert. Jeder moderne Transceiver meldet Echtzeit-Telemetriedaten über eine I²C-Schnittstelle: Temperatur, Versorgungsspannung, Laser-Vorspannungsstrom, Sendeleistung, Empfangsleistung. Die SFF-8472-Spezifikation definiert die Speicherzuordnung. Ihr Switch liest es automatisch.

Das klingt nach reinem Aufwärtstrend, und im Großen und Ganzen ist es das auch. Aber ich habe mich oft genug mit DDM-Daten beschäftigt, um eine gesunde Skepsis zu entwickeln.

Der TX-Leistungswert? Es wird von einer Monitor-Fotodiode abgeleitet, die einen Bruchteil der Laserleistung abtastet. Die Kopplungseffizienz zwischen Laser und MPD variiert mit der Temperatur. Die im EEPROM des Moduls gespeicherten Kalibrierungsdaten wurden bei 25 Grad auf einer Bank irgendwo in Shenzhen gemessen. Ihre tatsächliche Betriebsumgebung beträgt 47 Grad, da das Modul zwischen zwei anderen heißen Transceivern in einem voll-ausgelasteten Switch sitzt.

Die Zahl auf Ihrem Bildschirm ist ein Näherungswert. Normalerweise ist es eine gute Annäherung. Aber ich habe gelernt, den Sieg nicht nur auf der Grundlage normal aussehender DDM-Werte zu erklären. Schnappen Sie sich den optischen Leistungsmesser. Messen Sie das tatsächliche Licht, das auf die Faser trifft.

 

 

Temperatur ist alles

 

Ich kann nicht genug betonen, wie sehr die Temperatur das Verhalten des optischen Moduls dominiert. Jeder wichtige Parameter verändert sich mit der Temperatur.

Der Schwellenstrom des Lasers steigt, wenn sich die Module erwärmen.{0}}Das Gerät benötigt mehr Antriebsstrom, um die gleiche optische Leistung zu erzielen. Die Steigungseffizienz nimmt ab, was bedeutet, dass jedes zusätzliche Milliampere Vorspannung weniger Licht erzeugt. Wellenlängendrift, was in CWDM- und DWDM-Systemen mit engen Kanalabständen von enormer Bedeutung ist. Die Reaktionsfähigkeit der Fotodiode ändert sich. Sogar die Referenzspannungen innerhalb der Überwachungsschaltungen driften.

Hersteller spezifizieren Betriebsbereiche-typischerweise 0 Grad bis 70 Grad für gewerbliche Zwecke, -40 Grad bis 85 Grad für industrielle Zwecke. Was sie nicht ausreichend vermitteln, ist, wie viel schlechter das Modul an den Rändern dieses Bereichs im Vergleich zur Mitte abschneidet.

Ich habe gemessen, dass Module im Feld 15 Grad heißer betrieben wurden, als im Umgebungstemperaturbericht des Switches angegeben. Der Gehäusetemperatursensor am Transceiver zeigte 63 Grad an, während das Switch-Chassis in seiner Umgebungsüberwachung „Luftstrom normal“ und „Temperatur 38 Grad“ meldete. Die Diskrepanz bestand darin, dass der Switch die Lufttemperatur an seinem Einlass maß, während der Transceiver im thermischen Schatten eines benachbarten QSFP-DD kochte, das mit kohärenter Optik bei 14 Watt betrieben wurde.

Niemand hat Benachrichtigungen erhalten. Der Link funktionierte immer noch -kaum-mit erhöhten Prä-FEC-Fehlern, die gelegentlich zu Frame-Verlusten führten. Es dauerte drei Monate, um herauszufinden, warum diese bestimmte Verbindung höhere Neuübertragungsraten aufwies als identische Verbindungen an anderer Stelle in der Struktur.

 

Die Third--Party-Frage

 

Jeder möchte mehr über Transceiver von Drittanbietern erfahren-. Das Preisdelta ist schwer zu ignorieren: 3x bis 5x günstiger als OEM-Module bei scheinbar identischen Spezifikationen.

Die Multi-Source-Vereinbarung dient speziell der Ermöglichung der Interoperabilität. Ein konformer SFP-10G-LR von Unternehmen X sollte funktional einem von Unternehmen Y entsprechen. Die optischen Parameter sind definiert. Die mechanischen Abmessungen sind genormt. Die elektrische Schnittstelle folgt den von Industriekonsortien veröffentlichten Spezifikationen.

Die Realität weicht wie üblich von der Spezifikation ab.

Switch-Anbieter kodieren Transceiver-EEPROMs mit Hersteller-ID-Strings. Cisco prüft diese Zeichenfolgen und führt einen Fehler aus: -Deaktiviert Ports, die nicht mit der genehmigten Liste übereinstimmen. Die neueren Plattformen von Juniper protokollieren Warnungen und lehnen Supportanrufe ab. HPE hat bei der Durchsetzung je nach Produktlinie und Firmware-Version hin und her gegangen.

Es gibt Problemumgehungen. Der Cisco-Befehl „service unsupported-transceiver“ hat unzählige Bereitstellungspläne gespeichert. Drittanbieter-programmieren ihre EEPROMs so, dass sie kompatible Herstellercodes melden. Mit Geräten wie der FS Box können Sie Module vor Ort neu programmieren.

Aber eines sagt Ihnen niemand: Wenn etwas schief geht-und irgendwann-wird die Unterstützung kontrovers. Rufen Sie TAC mit einem Verbindungsproblem an, erwähnen Sie die Optik von Drittanbietern und beobachten Sie das Ende des Gesprächs. „Durch unterstützte Transceiver ersetzen und zurückrufen, wenn das Problem weiterhin besteht.“ Aus Support-Sicht liegen sie nicht falsch. Sie sind auch um 2 Uhr morgens nicht hilfreich, wenn Ihr Stoff beschädigt ist.

Meine persönliche Regel, die sich aus harter Erfahrung entwickelt hat: Drittanbieter im Labor, OEM in der Produktion – die entscheidenden Pfade. Die Kosteneinsparungen erscheinen weniger überzeugend, wenn Sie derjenige sind, der zeitweilige CRC-Fehler behebt, die möglicherweise am Transceiver, an der Glasfaser oder an der Firmware liegen und Sie nichts ausschließen können.

 

 

Kontamination wird Sie finden

 

Die häufigste Ursache für Probleme mit der optischen Verbindung hat nichts mit dem Modul selbst zu tun. Es ist Dreck.

Ein Staubkorn auf einer Glasfaserendfläche kann das Signal so stark dämpfen, dass eine Verbindung ihre Fehlerschwelle überschreitet. Bei 100G und mehr ist die Marge nicht mehr so ​​groß wie früher. Sie arbeiten näher an den Empfindlichkeitsgrenzen des Empfängers. Dieses Staubkorn, das bei 1G-Ethernet unsichtbar gewesen wäre, verursacht jetzt Paketverlust bei 400G.

Der Kern einer Singlemode-Faser hat einen Durchmesser von 9 Mikrometern. Ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer groß. Kontaminationspartikel, die kleiner sind als alles, was Sie ohne Vergrößerung sehen können, können den optischen Pfad vollständig blockieren.

Vor dem Anschließen prüfen. Stets. Verwenden Sie ein Glasfaserendoskop, keine Sichtprüfung. Es ist mir egal, ob das Patchkabel vor fünf Sekunden aus einem versiegelten Beutel kam-der Beutel ist nicht sauber, Ihre Finger haben etwas berührt, die Luft in Ihrem Rechenzentrum enthält Partikel. Inspizieren, bei Bedarf reinigen, erneut inspizieren und dann anschließen.

Die Reinigung selbst birgt Risiken. Beim Trockenwischen entsteht eine statische Aufladung, die weitere Verunreinigungen anzieht. Die Nassreinigung mit Isopropylalkohol kann Rückstände hinterlassen, wenn Sie ihn verdunsten lassen, anstatt ihn sofort trocken zu wischen. Ein-Klick-Reiniger funktionieren gut, bis sie aufgebraucht sind und trotzdem jemand weiter klickt, wodurch die Verunreinigungen über die Zwinge verteilt werden.

Ich habe zugesehen, wie ein Techniker vier Stunden damit verbracht hat, eine unterbrochene Verbindung zu beheben. Module zweimal ausgetauscht. Kabelführung überprüft. Überprüfte Konfiguration. Schließlich holte ich das Inspektionsfernrohr heraus und entdeckte etwas, das wie Fingerabdruckrückstände auf dem Schottadapter aussah. Habe es richtig gereinigt. Link blieb sauber und blieb oben.

Vier Stunden. Für einen Fingerabdruck.

 

Worauf es bei der Modulauswahl wirklich ankommt

 

Nach all den technischen Details kommt es bei der Auswahl meist auf ein paar praktische Überlegungen an, die in keinem Datenblatt auftauchen.

Was ist Ihre Switch-Plattform? Wenn Sie ein Cisco-Shop sind, ist die Frage nach dem Formfaktor weitgehend für Sie beantwortet. Wenn Sie Arista oder Juniper auf den Blättern und etwas anderes auf den Blättern verwenden, haben Sie möglicherweise Optionen-aber die Ausübung dieser Optionen führt zu einer Komplexität des Inventars. Konsistenz hat Wert.

Welche Distanz müssen Sie eigentlich zurücklegen? Messen Sie Ihre Kabelwege. Fügen Sie Spielraum für Patchpanels und Spleiße hinzu. Wählen Sie dann den günstigsten Modultyp aus, der diese Abstandsanforderung erfüllt und noch Platz übrig lässt. LR-Module für 50-Meter-Läufe zu spezifizieren, weil „wir die Reichweite vielleicht später brauchen“ ist Geldverschwendung.

Was ist Ihre Faserpflanze? Multimode innerhalb von Gebäuden, Singlemode zwischen Gebäuden-das ist immer noch das gängige Muster. Die Bekämpfung dieses Musters kostet mehr, als damit zu arbeiten.

Wie sehr vertrauen Sie Ihrer Installationsqualität? 400G hat weniger Spielraum als 100G. Verschmutzte Anschlüsse, die bei niedrigeren Geschwindigkeiten einwandfrei funktionierten, verursachen Probleme. Wenn Ihre strukturierte Verkabelung aus der Zeit stammt, als Cat5e noch als zukunftssicher galt, müssen Sie mit Problemen rechnen.

Der langweilige Rat ist meist richtig: Passen Sie die Technologie an die tatsächlichen Anforderungen an, kaufen Sie bei Anbietern, die Sie unterstützen, wenn etwas kaputt geht, und reinigen Sie jeden Stecker jedes Mal, wenn Sie ihn berühren. Die Module selbst sind bemerkenswert zuverlässig geworden. Die Probleme liegen fast immer woanders.