Интеллектуальные многоканальные оптоволоконные соединения

Проблемы высокоскоростной передачи данных


С ростом объёмов передаваемой по сети информации становится всё более актуальной проблема высокоскоростной передачи данных. Высокоскоростная передача данных, как правило, предполагает наличие между узлами сети канала связи с высокой пропускной способностью. При разработке канала с высокой пропускной способностью могут использоваться, как решения на основе медных электрических проводников, так и решения на основе оптических соединений. Любое соединение состоит из передатчика, передающего сигнал, и приёмника, принимающего сигнал. Сигнал по соединению может передаваться, как в одном, так и в двух направлениях. Так оптическое соединение может состоять, например, из оптического передатчика, оптического канала и оптического приёмника. В дуплексном режиме оптический приёмопередатчик обеспечивает, как передачу сигнала, так и приём сигнала по раздельным оптическим волокнам, находящимся, как правило, в одном оптоволоконном кабеле.

На сегодняшний день уже широко применяются каналы, обеспечивающие связь со скоростью более чем 1 гигабит в секунду (1 Гб/с), так называемые «1G-соединения». 1G-соединения хорошо стандартизованы (например, существует общедоступный стандарт Gigabit Ethernet). Оптические 1G-соединения, как правило, используются для передачи данных на дальние расстояние (более чем 100 метров).

Для высокоскоростной передачи данных применяются каналы, обеспечивающие связь со скоростью порядка 10 гигабит в секунду (10 Гб/с), так называемые «10G-соединения». При решении сложных технических задач предъявляются высокие требования к каналам передачи данных, которые становится всё труднее удовлетворять, особенно с помощью медных электрических проводников. Тем не менее, 10G-соединения на основе медных электрических проводников применяются (например, стандарт 10GBASE-CX4). 10GBASE-CX4 обеспечивает передачу данных по четырём экранированным витым парам в каждом направлении (всего восемь витых пар). Такой кабель получается достаточно громоздким (около 10 мм в диаметре) и дорогим в производстве. Кроме того, 10GBASE-CX4 может применяться только для передачи данных не далее, чем на 15 метром. Общим недостатком для всех 10G-соединений, базирующихся на медных проводниках, является высокий уровень потребления энергии. Например, стандарт 10GBASE-T обеспечивает передачу данных на расстояния от 55 до 100 метров, но из-за сложной обработки сигналов потребляет от 8 до 15 ватт на каждый порт. Если рассмотреть стандарт, обеспечивающий передачу данных на расстояния порядка 30 метров, то такое соединение будет потреблять не менее 4 ватт на каждый порт. Применение таких стандартов с высоким потреблением энергии приводит к существенному увеличению стоимости обслуживания соединений, а также вынуждает разработчиков уменьшать плотность размещения портов на передних панелях интерфейсов. Например, потребление энергии порядка 8-15 ватт на каждый порт ограничивает плотность размещения портов до 8 штук (или даже менее) на той же площади, на которой можно разместить до 48 портов, применяя стандарт 1000 BASE-T или 1G-соединение на базе оптоволокна.

Таким образом, исследования рынка электроники показывают, что при разработке каналов с высокой пропускной способностью (10G) всё чаще применяются решения на основе оптических соединений. Так на рисунке ниже представлен график из отчёта компании Luxtera, демонстрирующий изменение во времени зависимости дальности и скорости передачи данных от используемого физического канала передачи данных. График показывает, что к 2014 году произойдёт полный отказ от решений на основе медных проводников в пользу решений на основе оптических и гибридных соединений.

image

Многоканальные оптоволоконные соединения


Для построения высокопроизводительных систем передачи данных предлагается использовать многоканальные оптоволоконные соединения. Они обеспечивают необходимую низкую плотность оптических волокон, приемлемые размеры кабелей и решают проблему «затора каналов» (duct congestion problem), характерную для одноканальных соединений.

Разработчики многоканальных оптоволоконных соединений стремятся получить высокую плотность каналов при низком уровне потерь и перекрёстных помех. Уровень перекрёстных помех, т.е. максимальная сила влияния каналов друг на друга, определяется характеристиками оптических волокон, а также расстояниями между ними (волокнами). Очевидно, что чем больше расстояние между оптическими волокнами, тем меньше плотность многоканального оптоволоконного соединения. Уровень потерь зависит от характеристик оптических волокон и дальности передачи сигнала. Таким образом, при проектировании многоканального оптоволоконного соединения важно учитывать и оптимизировать все перечисленные выше параметры.

Из существующих средств передачи данных по многоканальным оптоволоконным соединениям можно выделить активный оптический кабель, как наиболее распространённое средство.

Активный оптический кабель

AOC, Electrical-optical active optical cable, US Patent № 2007/0237464 A1 (11 октября, 2007).

Активный оптический кабель (АОК) включает в себя, с одной стороны, встроенный электрический коннектор, а с другой – оптический коннектор. Между ними располагаются несколько оптических волокон, обеспечивающих связь внутри оптического кабеля. Связь может осуществляться, как в одном, так и в двух направлениях.

image

Предполагается, что хотя бы на одном из концов активного оптического кабеля находится электрический коннектор, но передача сигнала по оставшейся части кабеля осуществляется через оптоволокно. Таким образом, проектировщик сети не обязан предварительно делать выбор между соединением по медным проводникам и оптическим соединением. Вместо этого достаточно, чтобы узлы сети имели специальные порты, поддерживающие либо соединения по медным проводникам, либо оптические соединения.
Дуплексный режим передачи данных реализуется размещением на обоих концах кабеля передающих оптических компонентов (TOSA, transmit optical sub-assembly) и принимающих оптических компонентов (ROSA, receive optical sub-assembly). За управление передающими и принимающими оптическими компонентами отвечают микросхемы. Микросхемы могут размещаться внутри корпусов TOSA и ROSA либо могут быть вынесены за их пределы. При необходимости дуплексный режим может быть отключен. В этом случае передача данных будет осуществляться только в одном направлении (на одном конце кабеля будут размещаться только передатчики, на другом – только приёмники).

Когда электрический сигнал поступает на соответствующие выводы электрического коннектора (через электрический порт), он преобразовывается драйвером лазера и электронно-оптическим преобразователем TOSA в оптический сигнал. Оптический сигнал передаётся по оптоволокну к ROSA, где преобразуется оптико-электронным преобразователем ROSA в соответствующий электрический сигнал. Полученный электрический сигнал поступает на соответствующий вывод электрического коннектора и далее в электрический порт.

Рекомендуемая дальность передачи сигнала по активному оптическому кабелю составляет 30 метров. Увеличение дальности до 100 метров приводит к существенному удорожанию кабеля.

Особенностью АОК является необходимость высокоточного монтажа и юстировки передатчиков сигнала (лазеров) и приёмников сигнала (светочувствительных фотодиодов) относительно физических каналов (оптических волокон). Разработчики таких соединений решают, в основном, технологические проблемы высокоточного монтажа, стремясь разместить как можно больше каналов в корпусах небольших размеров. В качестве альтернативы АОК предлагается технология передачи данных по интеллектуальному многоканальному оптоволоконному соединению (ИМКС).

Интеллектуальные многоканальные оптоволоконные соединения

Патент РФ № 2270493, 2007 г.

Применение технологии ИМКС предполагает, что в случае частичного повреждения нескольких оптических волокон или смещения оптических волокон относительно коннектора соединение может быть оперативно восстановлено без нарушения целостности данных. Таким образом, соединение, построенное на базе технологии ИМКС, обладает свойством регенеративности (самовосстановления).

image

1 – активированный источник света; 2 – неактивированный источник света; 3 – мат-рица излучателей; 4 – незадействованные волокна оптошины; 5 – задействованные волокна оптошины; 6 –волокна оптошины, в которые были направлены несколько лучей света; 7 – активированные фотодиоды; 8 – неактивированные фотодиоды; 9 – активированные фото-диоды, принявшие сигнал и волокон 6; 10 – матрица фотоприёмников.

На входы лазерной матрицы – источника информации подают электрические импульсы от управляющей микросхемы источника, которые модулируют излучение лазеров. Это излучение по оптошине поступает к матрице фотодиодов, расположенной в приемнике информации, и активирует часть фотодиодов. Активированные фотодиоды генерируют поток электрических импульсов к управляющей микросхеме приёмника.

При соединении оптошину подключают к матрицам передатчика и приемника достаточно произвольно, совмещая лишь оптические области матриц и оптошины путем установки концов оптошины в оптические разъемы микросхем приемника и передатчика. Поэтому, зная только множество активированных фотодиодов матрицы-приемника, невозможно определить, каким из лазеров был испущен активировавший эти фотодиоды сигнал. Один из основных принципов работы ИМКС заключается в том, чтобы до начала передачи данных установить соответствие между каждым лазером и активируемыми этим лазером фотодиодами. Соответствующая процедура коммутации должна быть реализована в протоколе канального уровня. В ходе коммутации определяются каналы для передачи данных, т.е. устанавливается соответствие между лазером и множеством активируемых им фотодиодов.

Процедура коммутации каналов производится однократно до начала передачи данных и никак не влияет на скорость передачи в дальнейшем. При нарушении связи (частичном повреждении части оптических волокон или смещении оптошины относительно матриц приёмника и передатчика) необходимо оперативно обнаружить это нарушение и провести повторную процедуру коммутации каналов. При этом количество каналов может сократиться, т.е. уменьшится пропускная способность соединения, но связь будет восстановлена.

Заключение


Данная статья – попытка рассказать о проблеме высокоскоростной передачи данных и о возможных путях её решения, в частности о многоканальных оптоволоконных соединениях.

Чтобы было понятно моё место в этой истории, скажу, что я являюсь участником группы разработчиков, занимающейся реализацией представленной здесь технологии ИМКС. Если данная тема будет интересна читателям, то готов рассказать о нашей работе подробнее, плюс подготовить заметки на темы:
  • аппаратная часть
  • программная часть
  • разработка, моделирование и верификация протоколов передачи данных

Спасибо за внимание, надеюсь было интересно.
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 21

    0
    1. В ИМКС применяется обычный многоволоконный кабель или какой-то особенный?
    2. При прокладке линии кроссировать и сваривать каждое волокно все равно нужно отдельно?
      0
      1. Для разработки первого опытного образца использовали многоволоконный телевизионный кабель, а какой кабель выберем в дальнейшем — ещё не решили.
      2. Да, пожалуй, от этого пока никуда не деться.
      0
      Спасибо за интересную информацию. жаль не универе так не раскрывали данную тему.
        0
        Странно, что в обзорной статье не упомянута технология WDM, в частности DWDM. В сочетании с многоканальными средами плотность данных достигает немаленьких цифр, да и в стандартном оптоволокне та же DWDM позволяет уместить 64 канала (или 32 дуплексных).
        Предвижу возражение — статья-то про многоканальные соединения. Отвечаю — о других базовых технологиях-то в ней рассказано.
          0
          Никаких возражений не будет. Вы правы, о WDM наверно стоило упомянуть.
          Тут скорее дело в том, что я в статье неправильно расставил акценты. По большому счёту, статья не задумывалась как обзорная. Я хотел таким образом начать рассказ про технологию ИМКС, реализацией которой мы занимаемся.
            0
            Да я в общем-то тоже в основном ради порядка поинтересовался. А то непонятно, выходит то ли «оптика и мультиплексирование для начинающих», то ли «знакомьтесь с нашей крутой технологией». Но это сущие пустяки, а за статью спасибо, было интересно.
          +3
          На мой взгляд, существование AOC совершенно бессмысленно, ибо такой симбиоз активного и пассивного оборудования ведёт лишь к существенному удорожанию и усложнению администрирования. Уже долгое время существуют и широко используются разьёмы SFP/SFP+/XFP/XENPACK, каждый из которых как раз и предназначен для оптических или медных модулей, в зависимости от желания. Таким образом кабели остаются простыми, пассивными и дешёвыми, а уровень абстрации физического уровня возложен на модули для для данных разьёмов.
            0
            На мой взгляд, существование AOC совершенно бессмысленно

            Вы тут забываете про одну вещь. AOC нацелен больше на потребительский рынок. Оптика плохо переносит многократные подключения отключения. Неизбежно накопится пыль. В случае же электрического соединения подключать отключать можно много раз без каких либо последствий.
              0
              Потребительский рынок великолепно работает с существующими оптическими кабелями, например SPDIF — на «пользовательских» расстояниях можно вообще не заморачиватся этим.
                0
                SPDIF не подразумевает гигабитных скоростей и его довольно редко туда сюда дергают.
                  0
                  Потребительский рынок также до сих пор не подразумевает гигабитных скоростей и уж точно частых дёрганий.
                    0
                    Да ви шо? Вы что никогда не видели такую вещь как SOHO роутер с гигабитными портами и 802.11n? Между прочим такие уже давно продаются. В скором времени может появиться такая вещь как 10Gbit у клиента. И да последний стандарт thunderbolt подразумевает таки гигабитные скорости частое дерганье и о ужас именно AOC кабель как один из вариантов подключения.
                      0
                      Да я как бы сам пользуюсь гигабитом дома (Dlink DIR-655) и по работе, знаете ли, прекрасно знаком с тем, что ставится домой. Поэтому и смею утверждать, что гигабит до сих пор крайне редок. А про 10Гбит в скором времени у клиента так вообще оптимистично, до сих пор вон даже для провайдерского уровня не могу найти коммутатора на 6-12 10Гбитных портов, всё 2-4, а потом уже сразу на 24 и более.
                      Информацию по использованию AOC в Thunderbolt не смог найти, кроме как «есть такая идея». Подскажите, где вы нашли?
                        0
                        en.wikipedia.org/wiki/Thunderbolt_(interface)
                        В данный момент существует только медный вариант, насколько помню там разница между кабелями только что в AOC заведена медь, а не оптика.

                        Кабель в разрезе:
                          0
                          Не знаю, сколько будет стоить вышеприведённый кабель, но для сравнения, существующие 10Gbase:
                          — Direct Attach Copper кабели, которые используются для подключения медью в SFP+ и расстояния не более 7 метров, стоят порядка 250 долларов.
                          — CX4-кабели, которые используются для подключения медью в CX-порты и предназначены для расстояний не более 15 метров, стоят порядка 200 долларов.

                          Обратите внимание, что эти кабели медные и в них нет необходимости преобразовывать физику.
                          Отдельно SFP+ модули (преобразующие, напомню, электрику в оптику и обратно) стоят минимум 200 долларов (китайские, 10Gbase-SR на 300 метров), так что итоговое решение соединения будет 200+200+стоимость оптики = ~400 долларов за короткий кабель. И это стоимость того, что уже давно в производстве и отлажено!
                            0
                            store.apple.com/us/product/MC913ZM/A?fnode=MTY1NDA3Ng
                            50 долларов. И там два канала 10Gbit. И это у Apple. Значит у других производителей это будет стоить порядка 25 долларов

                            Опять же то что вы приводите это другое. У cisco к примеру и консольный кабель может 20 баксов стоить.

                            SFP+ модули одномодовые как правило рассчитаны не на соединять две соседние стойки. А соединять две стойки разнесенные на несколько километров.
                              +1
                              Тогда аминь и алилуйя, похоже, мы наконец дождались нормального скоростного решения по приемлимой цене. Собственно, как только появлся Thunderbolt, я именно на это и надеялся. ;)

                              Решения я привёл специально с упоминанием, что это самые дешёвые и китайские цены, циско и компанию я даже не стал и писать. И про SFP+ тоже специально написал стандарт — 10Gbase-SR, который как раз является мультимодовым и самым дешёвым из оптических.
                                0
                                Мультимод сейчас как-то нифига не дешевый :) Его производят меньше чем одномода.
                                  +1
                                  По модулям — всё ещё существенно дешевле.
                                  image
                                  10GBase-SR

                                  2 600 рублей

                                  image
                                  10GBase-LR

                                  5 500 рублей
            0
            Откуда вы взяли первую картинку? На tineye.com не нашел. Хочу вставить её в свою дипломную работу :)
              0
              Вот в этой презенташке на 8 слайде посмотрите ;)

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое