Тестирование сетей 40G, 100G, 200G и 400G

Краткое вступление

Скорости передачи данных непрерывно растут и если совсем недавно линки со скоростью 40G считались экзотикой, то сейчас они достаточно широко распространены по всему миру в датацентрах и в опорных сетях мобильных операторов и интернет провайдеров. Но прогресс в этой области не останавливается и уже стандартизировано и выпускается оборудование для передачи данных со скоростями 100G, 200G и 400G.

Существенное повышение скорости потребовало разработки новых протоколов передачи информации (например, IEEE 802.3bs, IEEE 802.3ba, OTU4), новых видов модуляции оптических сигналов (NRZ-DP-QPSK), введения обязательной проверки и коррекции ошибок (FEC) и множества других технических инноваций.

Все эти новинки и усовершенствования значительно усложняют процедуру строительства и запуска таких сетей, а также выдвигают повышенные требования к персоналу и измерительному оборудованию, необходимому для поддержания их работоспособности в процессе эксплуатации.

На этой странице приводится основная информация из подробного руководства, составленного специалистами компании EXFO, обобщающего все важные сведения по технологиям современных высокоскоростных сетей. Также в этом руководстве приводятся модели приборов для проведения всех типов измерений и описаны методики их правильного применения. Полный текст руководства можно скачать в формате PDF:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Обзор технологий от 40G до 400G

На рисунке ниже показана дорожная карта (по данным Ethernet Alliance) увеличения скорости передачи Ethernet от 10 Мбит/с в начале восьмидесятых до внедряемых в настоящее время 400 Гбит/с. Жёлтыми кругами обозначены стандартизированные скорости, серыми кругами обозначены скорости, тестируемые в данный момент в пилотных проектах (800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с).

При разработке и внедрении скорости 40G рынок столкнулся с парадоксальной ситуацией, когда разными производителями одновременно было выпущено несколько отличающихся реализаций, включая несовместимые между собой виды модуляций оптического сигнала: NRZ, RZ, DPSK и DQPSK. Чтобы избежать подобного сценария при внедрении 100G, и учитывая что инвестиции в разработку этой технологии очень значительны, Форум Оптических Межсетевых соединений (Optical Internetworking Forum - OIF) опубликовал группу документов, стандартизирующих её ключевые аспекты.

Учитывая количество уже работающих реализаций 10G и 40G, было решено, что технология 100G должна функционировать в тех же физических каналах, что и более медленные стандарты. Кроме того, существующие сети уже имели большое количество установленных реконфигурируемых оптических мультиплексоров ввода-вывода (ROADM), а также повсеместно использовалось разнесение оптических каналов на 50 ГГц в системах DWDM. Поэтому было решено сохранить совместимость 100G также и с этими технологиями.

В результате в качестве основного вида модуляции оптического сигнала была рекомендована модуляция NRZ-DP-QPSK, способная обеспечить до 112 Гбит/с по одному оптическому каналу, шириной 50 ГГц. Скорость 112 Гбит/с достаточна для того, чтобы трафик 100G Ethernet передавался с помощью оптической транспортной сети (OTN), которая в данный момент является самой эффективной технологией реализации опорной сети. На рисунке ниже показано как трафик 40G и 100G внедряется в структуру кадра OTU и далее разбивается на уровне OTL на несколько длин волн для физической передачи по оптоволокну.

Стандартом IEEE 802.3ba предусматривается передача потока 100G Ethernet по одномодовому волокну на четырёх длинах волн (по 25G на каждой). Если в качестве среды передачи используется многомодовое волокно, то разбивка потока 100G Ethernet выполняется на четыре отдельных волокна (по 25G в каждом). В случае если трафик 100G Ethernet передаётся по оптической транспортной сети OTN, то он также разбивается на четыре длины волны (но уже по 28G - увеличение необходимо для работы OTN). При этом протокол OTN может обеспечивать автоматическое определение и коррекцию ошибок (FEC).

На этом рисунке показано внутреннее устройство преобразователя CFP4 с коннектором LC, который используется для передачи 100G по одномодовому волокну, а также преобразователя QSFP28 с коннектором MPO-12, который используется для передачи 100G по группе многомодовых волокон.

Спецификации для скоростей 200G и 400G описаны в стандарте IEEE 802.3bs. Ключевыми отличиями от 100G являются: изменённые требования к физическому уровню и обязательное использование алгоритма коррекции ошибок FEC. В качестве приёмопередатчика стандартизирован модуль CFP8, с дальностью передачи по одномодовому волокну до 10 км. Модуль CFP8 может использовать два вида модуляции оптического сигнала (NRZ или PAM-4) и три варианта разбиения скорости по длинам волн или отдельным волокнам: 16 х 25 Гбит/с, 8 х 50 Гбит/с или 4 х 100 Гбит/с. Структурная схема и внешний вид модуля CFP8 показаны на этом рисунке.

Это был краткий обзор развития технологий передачи данных со скоростями от 40G до 400G. Полный текст обзора смотрите на страницах 2 - 15 этого документа:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Технология Flex Ethernet

Технология Flex Ethernet (гибкий Ethernet) или сокращённо FlexE была разработана в 2016 году консорциумом Optical Internetworking Forum (OIF). Эта технология позволяет эффективно передавать по стандартным Ethernet каналам потоки данных со скоростями, отличными от стандартных Ethernet скоростей. Например, можно по одному каналу 100G Ethernet передать четыре потока, со скоростью 25G.

Технология Flex Ethernet позволяет объединять несколько стандартных каналов 100G Ethernet в один более скоростной (например 400G) с назначением этому объединённому каналу индивидуального MAC адреса. Этот механизм называется Bonding.

Вторым важным механизмом Flex Ethernet является возможность передавать по стандартному каналу 100G Ethernet потоки данных с меньшими скоростями, например два потока 40G или три потока 25G. Этот механизм называется Sub-rating.

Третий компонент технологии Flex Ethernet, который называется Channelization, позволяет создавать транспортные каналы с различными скоростями, которые прозрачно передаются через физические каналы 100G Ethernet. Пример реализации возможностей технологии Flex Ethernet показан на этом рисунке.

Это краткая информация о Flex Ethernet. Полный текст обзора Flex Ethernet, а также нового расширения OTUCn технологии оптических транспортных сетей OTN, смотрите на страницах 16 - 22 этого документа:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Измерения, проводимые при вводе в эксплуатацию и обслуживании сетей 40G, 100G, 200G и 400G

Перед запуском и в процессе эксплуатации сетей со скоростью 40 Гбит/с и выше, необходимо выполнять комплекс измерений и тестов. Каждый вид измерения проверяет отдельные части сетевой инфраструктуры на соответствие стандартам и спецификациям и позволяет своевременно выявить и заменить дефектные компоненты.

Перед запуском в эксплуатацию необходимо:
- проверить качество коннекторов с помощью оптического микроскопа;
- выполнить рефлектометрию отдельных волокон с помощью рефлектометра;
- измерить вносимые потери волокон с помощью рефлектометра или оптических тестеров;
- измерить обратное отражение волокон с помощью рефлектометра или оптических тестеров;
- измерить хроматическую дисперсию с помощью анализатора ХД и если необходимо, выполнить компенсацию;
- измерить поляризационную модовую дисперсию с помощью анализатора ПМД;
- измерить спектральные параметры и отношение сигнал/шум с помощью анализатора оптического спектра;
- выполнить набор необходимых тестов с помощью анализатора протоколов телекоммуникаций.

В процессе эксплуатации необходимо:
- выполнять набор стандартных тестов с помощью анализатора протоколов телекоммуникаций
- измерять спектральные параметры и отношение сигнал/шум с помощью анализатора оптического спектра.

Как вы видите, в процессе эксплуатации работающей сети основными средствами диагностики являются: анализатор протоколов и анализатор оптического спектра. Грамотное применение этих двух приборов способно на ранней стадии выявить ненадёжные компоненты, что позволяет в плановом режиме выполнить их замену. Ниже на этой странице мы кратко рассмотрим их основные возможности.

Однако, если причину неисправности или ухудшения качества сети не удаётся определить с помощью анализатора протоколов и анализатора спектра, то необходимо использовать дополнительные приборы: рефлектометр, измеритель дисперсии, микроскоп.

Подробная инструкция по тестированию скоростных сетей приводится на страницах 82 - 133 этого документа:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Применение анализатора протоколов телекоммуникаций

Регулярную проверку работоспособности сети, а также поиск неисправностей выполняют с помощью анализатора протоколов. Обычно анализаторы протоколов выпускаются в виде модульных приборов, таких как EXFO FTB-4-Pro с модулем FTBx-88400NGE (для скоростей до 400G) или EXFO FTB-2-Pro с модулем FTBx-88200NGE (для скоростей до 100G). Но также существуют компактные, немодульные приборы, например серия анализаторов EXFO MAX-800.

На этой фотографии показан внешний вид модуля FTBx-88400NGE для тестирования сетей до 400G.

На этой фотографии показан внешний вид модуля FTBx-88200NGE для тестирования сетей до 100G.

Анализатор протоколов позволяет проверить различные элементы сетевой инфраструктуры, начиная от качества приёмопередатчиков (CFP, QSFP и др.) и заканчивая декодированием и проверкой пакетов Ethernet, OTN, SDH, CPRI-OBSAI, Fibre Channel и др. Также анализатор протоколов может генерировать различные типы трафика и таким образом проводить стресс-тесты сети для определения устойчивой скорости передачи, оптимальных параметров запуска различных сервисов и множества других параметров, с помощью которых можно тонко настроить сеть для её безотказной работы.

На этом скриншоте показан набор тестов, которые может выполнять модуль анализатора протоколов EXFO FTBx-88200NGE. Кроме классических тестов RFC 2544 и BERT, стоит особо подчеркнуть поддержку прогрессивных методик тестирования EtherSAM (Y.1564) и RFC 6349, которые позволяют эффективно тестировать и оптимизировать сетевой уровень IP и уровень TCP.

Поскольку анализатор протоколов является сложным прибором, его эффективное использование требует глубоких теоретических знаний и практического опыта. Подробная инструкция по применению анализаторов протоколов приводится на стр. 103 - 133 этого документа:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Применение анализатора оптического спектра

Анализатор оптического спектра часто применяется совместно с анализатором протоколов для поиска источников неисправностей, которые находятся на физическом уровне сетевой инфраструктуры. Анализатор оптического спектра позволяет обнаружить неисправные оптические передатчики, оптические усилители, мультиплексоры ввода-вывода, оптические фильтры и другие элементы.

Обычно анализаторы оптического спектра выпускаются в виде модульных приборов, таких как EXFO FTB-2-Pro с модулем FTBx-5245. Но также существуют немодульные приборы в настольном исполнении. На этой фотографии показан внешний вид одного из самых совершенных на сегодняшний день модуля анализатора оптического спектра EXFO FTBx-5245.

Анализатор оптического спектра позволяет увидеть распределение мощности сигнала в оптоволокне в зависимости от длины волны. Эта информация является очень важной для оценки корректости работы основных элементов физического уровня сети, таких как реконфигурируемые мультиплексоры ROADM, усилители EDFA, лазеры оптических передатчиков SFP, CFP, QSFP и др.

На этом скриншоте показан спектр реальной сети, в которой используется ROADM. Десять активных каналов со скоростью 10G расположены в центральной части графика между 1545 нм и 1553 нм. В правой части графика, начиная с длины волны 1553 нм, расположено несколько активных каналов со скоростью 40G.

Помимо графического отображения формы спектра, по которой можно быстро оценить состояние сети, анализатор оптического спектра автоматически измеряет основные параметры каждого из активных каналов и сравнивает результаты с требованиями соответствующего стандарта.

На скриншоте ниже показан спектр типичной DWDM системы с разнесением каналов 100 ГГц (около 0,8 нм). Скорость передачи в каждом канале 10G, плюс используются реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода-вывода (ROADM). В верхней части находится график спектра (зависимость оптической мощности в дБм от длины волны в нм). На графике наглядно представлены все активные каналы (30 шт.) и около десятка неактивных каналов.

Под графиком находится таблица с подробными данными по каждому каналу: центральная длина волны канала, мощность канала, отношение сигнал/шум (OSNR), уровень шума в каждом канале, ширина канала по уровню -3 дБ и ширина канала по уровню -20 дБ. Для специалиста эта информация даёт возможность быстро оценить работоспособность сети и заранее обнаружить и заменить проблемные элементы, такие как усилители EDFA и мультиплексоры ввода-вывода каналов.

Анализатор оптического спектра, также как и анализатор протоколов, является достаточно сложным прибором. Чтобы эффективно его использовать, необходима теоретическая и практическая подготовка. Подробная инструкция по применению анализаторов оптического спектра приводится на стр. 82 - 100 этого документа:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Рекомендуемые измерительные приборы

Выше на этой странице приводился перечень измерений, которые необходимо выполнять при вводе в эксплуатацию и обслуживании сетей 40G, 100G и более скоростных. В этом разделе мы приводим конкретные модели приборов, которые предназначены для проведения требуемых измерений и тестов.

Перечень рекомендуемых приборов и оборудования:
- проверка качества оптических коннекторов: EXFO FIP-400B;
- рефлектометрия оптических волокон: EXFO FTB-700C или EXFO FTBx-700C;
- измерение вносимых потерь и обратного отражения: EXFO FTB-3930;
- измерение хроматической дисперсии и ПМД: EXFO FTB-5700;
- измерение параметров оптического спектра: EXFO FTBx-52x5 или EXFO FTB-5235;
- анализ протоколов: EXFO FTB-1 Pro или EXFO FTB-2 Pro.

Дополнительная информация по этой теме

На этой странице приводится основная информация из подробного руководства, составленного специалистами компании EXFO, обобщающего все важные сведения по технологиям современных высокоскоростных сетей. Также в этом руководстве приводятся модели приборов для проведения всех типов измерений и описаны методики их правильного применения. Полный текст руководства можно скачать в формате PDF:

Руководство по тестированию сетей 100G и 400G (на английском) (138 стр.; 18 МБ)

Также Вам может быть интересна эта статья:

Методика тестирования ITU-T Y.1564 для активации сервисов Ethernet

Если Вам необходима подробная информация по ценам или техническая консультация по выбору оптимального измерительного оборудования для Вашей задачи, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.