Тестування мереж 40G, 100G, 200G та 400G

Короткий вступ

Швидкості передачі даних безперервно зростають і якщо зовсім недавно лінки зі швидкістю 40G вважалися екзотикою, то зараз вони досить поширені по всьому світу в датацентрах та в опорних мережах мобільних операторів та інтернет-провайдерів. Але прогрес у цій галузі не зупиняється і вже стандартизовано та випускається обладнання для передачі даних зі швидкостями 100G, 200G та 400G.

Істотне підвищення швидкості зажадало розробки нових протоколів передачі інформації (наприклад, IEEE 802.3bs, IEEE 802.3ba, OTU4), нових видів модуляції оптичних сигналів (NRZ-DP-QPSK), введення обов'язкової перевірки та корекції помилок (FEC) та безлічі інших технічних інновацій. .

Всі ці новинки та удосконалення значно ускладнюють процедуру будівництва та запуску таких мереж, а також висувають підвищені вимоги до персоналу та вимірювального обладнання, необхідного для підтримки їхньої працездатності в процесі експлуатації.

На цій сторінці наводиться основна інформація з докладного посібника, складеного фахівцями компанії EXFO, що узагальнює всі важливі відомості щодо технологій сучасних високошвидкісних мереж. Також у цьому посібнику наводяться моделі приладів щодо всіх типів вимірів і описані методики їх правильного застосування. Повний текст посібника можна завантажити у форматі PDF:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Огляд технологій від 40G до 400G

На малюнку нижче показана дорожня карта (за даними Ethernet Alliance) збільшення швидкості передачі Ethernet від 10 Мбіт/с на початку вісімдесятих до 400 Гбіт/с, що впроваджуються в даний час. Жовтими колами позначені стандартизовані швидкості, сірими колами позначені швидкості, що тестуються на даний момент у пілотних проектах (800 Гбіт/с та 1,6 Тбіт/с).

При розробці та впровадженні швидкості 40G ринок зіткнувся з парадоксальною ситуацією, коли різними виробниками одночасно було випущено кілька реалізацій, включаючи несумісні між собою види модуляцій оптичного сигналу: NRZ, RZ, DPSK і DQPSK. Щоб уникнути подібного сценарію при впровадженні 100G і враховуючи, що інвестиції в розробку цієї технології дуже значні, Форум оптичних міжмережевих з'єднань (Optical Internetworking Forum - OIF) опублікував групу документів, що стандартизують її ключові аспекти.

Враховуючи кількість вже працюючих реалізацій 10G і 40G, було вирішено, що технологія 100G повинна функціонувати у тих самих фізичних каналах, що й повільніші стандарти. Крім того, існуючі мережі вже мали велику кількість встановлених оптичних мультиплексорів введення-виводу (ROADM), що реконфігуруються, а також повсюдно використовувалося рознесення оптичних каналів на 50 ГГц в системах DWDM. Тому було вирішено зберегти сумісність 100G також із цими технологіями.

В результаті як основний вид модуляції оптичного сигналу була рекомендована модуляція NRZ-DP-QPSK, здатна забезпечити до 112 Гбіт/с по одному оптичному каналу, шириною 50 ГГц. Швидкість 112 Гбіт/с достатня для того, щоб трафік 100G Ethernet передавався за допомогою оптичної транспортної мережі (OTN), яка є найефективнішою технологією реалізації опорної мережі. На малюнку нижче показано як трафік 40G і 100G впроваджується у структуру кадру OTU і далі розбивається лише на рівні OTL кілька довжин хвиль для фізичної передачі оптоволокну.

Стандартом IEEE 802.3ba передбачається передача потоку 100G Ethernet однимодовим волокном на чотирьох довжинах хвиль (по 25G на кожній). Якщо в якості середовища передачі використовується багатомодове волокно, то розбивка потоку 100G Ethernet виконується на чотири окремі волокна (по 25G в кожному). Якщо трафік 100G Ethernet передається по оптичної транспортної мережі OTN, він також розбивається чотирма довжини хвилі (але вже з 28G - збільшення потрібно роботи OTN). При цьому протокол OTN може забезпечувати автоматичне визначення та корекцію помилок (FEC).

На цьому малюнку показано внутрішній пристрій перетворювача CFP4 з LC-конектором, який використовується для передачі 100G по одномодовому волокну, а також перетворювача QSFP28 з конектором MPO-12, який використовується для передачі 100G по групі багатомодових волокон.

Специфікації для швидкостей 200G та 400G описані у стандарті IEEE 802.3bs. Ключовими відмінностями від 100G є: змінені вимоги до фізичного рівня та обов'язкове використання алгоритму корекції помилок FEC. Як приймач стандартизований модуль CFP8, з дальністю передачі по одномодовому волокну до 10 км. Модуль CFP8 може використовувати два види модуляції оптичного сигналу (NRZ або PAM-4) і три варіанти розбиття швидкості по довжинах хвиль або окремих волокон: 16 х 25 Гбіт/с, 8 х 50 Гбіт/с або 4 х 100 Гбіт/с. Структурна схема та зовнішній вигляд модуля CFP8 показані на цьому малюнку.

Це був стислий огляд розвитку технологій передачі даних зі швидкостями від 40G до 400G. Повний текст огляду дивіться на сторінках 2 - 15 цього документа:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Технологія Flex Ethernet

Технологія Flex Ethernet (гнучкий Ethernet) або скорочено FlexE була розроблена в 2016 консорціумом Optical Internetworking Forum (OIF). Ця технологія дозволяє ефективно передавати по стандартним каналам Ethernet потоки даних зі швидкостями, відмінними від стандартних Ethernet швидкостей. Наприклад, можна по одному каналу 100G Ethernet передати чотири потоки, зі швидкістю 25G.

Технологія Flex Ethernet дозволяє об'єднувати декілька стандартних каналів 100G Ethernet в один більш швидкісний (наприклад 400G) із призначенням цього об'єднаного каналу індивідуальної MAC адреси. Цей механізм називається Склеювання.

Другим важливим механізмом Flex Ethernet є можливість передавати по стандартному каналу 100G Ethernet потоки даних з меншими швидкостями, наприклад, два потоки 40G або три потоки 25G. Цей механізм називається Підрейтинг.

Третій компонент технології Flex Ethernet, який називається Каналізація дозволяє створювати транспортні канали з різними швидкостями, які прозоро передаються через фізичні канали 100G Ethernet. Приклад реалізації можливостей технології Flex Ethernet показано на цьому малюнку.

Це коротка інформація про Flex Ethernet. Повний текст огляду Flex Ethernet, а також нового розширення OTUCn технології оптичних транспортних мереж OTN дивіться на сторінках 16 - 22 цього документа:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Вимірювання, що проводяться при введенні в експлуатацію та обслуговуванні мереж 40G, 100G, 200G та 400G

Перед запуском та в процесі експлуатації мереж зі швидкістю 40 Гбіт/с та вище, необхідно виконувати комплекс вимірювань та тестів. Кожен вид вимірювання перевіряє окремі частини мережевої інфраструктури на відповідність стандартам та специфікаціям та дозволяє своєчасно виявити та замінити дефектні компоненти.

Перед запуском в експлуатацію необхідно:
- перевірити якість конекторів за допомогою оптичного мікроскопа;
- Виконати рефлектометрію окремих волокон за допомогою рефлектометра;
- виміряти втрати волокон, що вносяться за допомогою рефлектометра або оптичних тестерів;
- Виміряти зворотне відображення волокон за допомогою рефлектометра або оптичних тестерів;
- виміряти хроматичну дисперсію за допомогою аналізатора ХД і, якщо необхідно, виконати компенсацію;
- Виміряти поляризаційну модову дисперсію за допомогою аналізатора ПМД;
- виміряти спектральні параметри та відношення сигнал/шум за допомогою аналізатора оптичного спектру;
- Виконати набір необхідних тестів за допомогою аналізатора протоколів телекомунікацій.

У процесі експлуатації необхідно:
- Виконувати набір стандартних тестів за допомогою аналізатора протоколів телекомунікацій
- вимірювати спектральні параметри та відношення сигнал/шум за допомогою аналізатора оптичного спектру.

Як бачите, у процесі експлуатації працюючої мережі основними засобами діагностики є: аналізатор протоколів і аналізатор оптичного спектра. Грамотне застосування цих двох приладів здатне на ранній стадії виявити ненадійні компоненти, що дозволяє в плановому режимі виконати їхню заміну. Нижче на цій сторінці ми коротко розглянемо основні можливості.

Однак, якщо причину несправності або погіршення якості мережі не вдається визначити за допомогою аналізатора протоколів та аналізатора спектра, необхідно використовувати додаткові прилади: рефлектометр, вимірювач дисперсії, мікроскоп.

Детальна інструкція з тестування швидкісних мереж наведена на сторінках 82 - 133 цього документа:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Застосування аналізатора протоколів телекомунікацій

Регулярну перевірку працездатності мережі та пошук несправностей виконують за допомогою аналізатора протоколів. Зазвичай аналізатори протоколів випускаються у вигляді модульних приладів, таких як EXFO FTB-4-Pro з FTBx-88400NGE (для швидкостей до 400G) або EXFO FTB-2-Pro з модулем FTBx-88200NGE (Для швидкостей до 100G). Але також є компактні, немодульні прилади, наприклад серія аналізаторів EXFO MAX-800.

На цій фотографії показано зовнішній вигляд модуля FTBx-88400NGE для тестування мереж до 400G.

На цій фотографії показано зовнішній вигляд модуля FTBx-88200NGE для тестування мереж до 100G.

Аналізатор протоколів дозволяє перевірити різні елементи мережної інфраструктури, починаючи від якості приймачів (CFP, QSFP та ін.) та закінчуючи декодуванням та перевіркою пакетів Ethernet, OTN, SDH, CPRI-OBSAI, Fibre Channel та ін. Також аналізатор протоколів може генерувати різні типи трафіку і таким чином проводити стрес-тести мережі для визначення стійкої швидкості передачі, оптимальних параметрів запуску різних сервісів та безлічі інших параметрів, за допомогою яких можна тонко налаштувати мережу для безвідмовної роботи.

На цьому скріншоті показаний набір тестів, які можуть виконувати модуль аналізатора протоколів EXFO FTBx-88200NGE. Крім класичних тестів RFC 2544 і BERT, варто особливо наголосити на підтримці прогресивних методик тестування EtherSAM (Y.1564) та RFC 6349, які дозволяють ефективно тестувати та оптимізувати мережевий рівень IP та рівень TCP.

Оскільки аналізатор протоколів є складним приладом, його ефективне використання потребує глибоких теоретичних знань та практичного досвіду. Детальна інструкція щодо застосування аналізаторів протоколів наводиться на стор. 103 - 133 цього документа:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Застосування аналізатора оптичного спектра

Аналізатор оптичного спектру часто застосовується спільно з аналізатором протоколів для пошуку джерел несправностей, що знаходяться на фізичному рівні мережної інфраструктури. Аналізатор оптичного спектра дозволяє виявити несправні оптичні передавачі, оптичні підсилювачі, мультиплексори вводу-виводу, оптичні фільтри та інші елементи.

Зазвичай аналізатори оптичного спектру випускаються у вигляді модульних приладів, таких як EXFO FTB-2-Pro з модулем FTBx-5245. Але також є немодульні прилади у настільному виконанні. На цій фотографії показаний зовнішній вигляд одного з найдосконаліших на сьогоднішній день модуля аналізатора оптичного спектру EXFO FTBx-5245.

Аналізатор оптичного спектра дозволяє побачити розподіл потужності сигналу в оптоволокні залежно від довжини хвилі. Ця інформація є дуже важливою для оцінки коректності роботи основних елементів фізичного рівня мережі, таких як мультиплексори ROADM, що реконфігуруються, підсилювачі EDFA, лазери оптичних передавачів SFP, CFP, QSFP та ін.

На цьому скріншоті показаний спектр реальної мережі, в якій використовується ROADM. Десять активних каналів зі швидкістю 10G розташовані в центральній частині графіка між 1545 нм та 1553 нм. У правій частині графіка, починаючи з довжини хвилі 1553 нм, розташовано кілька активних каналів зі швидкістю 40G.

Окрім графічного відображення форми спектра, за якою можна швидко оцінити стан мережі, аналізатор оптичного спектру автоматично вимірює основні параметри кожного з активних каналів та порівнює результати з вимогами відповідного стандарту.

На скріншоті нижче показано спектр типової DWDM системи з рознесенням каналів 100 ГГц (близько 0,8 нм). Швидкість передачі в кожному каналі 10G, плюс використовуються оптичні мультиплексори вводу-виводу (ROADM), що реконфігуруються. У верхній частині знаходиться графік спектра (залежність оптичної потужності дБм від довжини хвилі в нм). На графіці наочно представлені всі активні канали (30 прим.) та близько десятка неактивних каналів.

Під графіком знаходиться таблиця з докладними даними щодо кожного каналу: центральна довжина хвилі каналу, потужність каналу, відношення сигнал/шум (OSNR), рівень шуму в кожному каналі, ширина каналу за рівнем -3 дБ і ширина каналу за рівнем -20 дБ. Для фахівця ця інформація дає можливість швидко оцінити працездатність мережі та заздалегідь виявити та замінити проблемні елементи, такі як підсилювачі EDFA та мультиплексори введення-виведення каналів.

Аналізатор оптичного спектра, як і аналізатор протоколів, є досить складним приладом. Щоб ефективно його використовувати, потрібна теоретична та практична підготовка. Детальна інструкція щодо застосування аналізаторів оптичного спектру наведена на сторінці 82 - 100 цього документа:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Рекомендовані вимірювальні прилади

На цій сторінці наведено перелік вимірювань, які необхідно виконувати при введенні в експлуатацію та обслуговуванні мереж 40G, 100G та більш швидкісних. У цьому розділі ми наводимо конкретні моделі приладів, які призначені для проведення необхідних вимірювань та тестів.

Перелік рекомендованих приладів та обладнання:
- перевірка якості оптичних конекторів: EXFO FIP-400B;
- рефлектометрія оптичних волокон: EXFO FTB-700C або EXFO FTBx-700C;
- Вимір внесених втрат і зворотного відображення: EXFO FTB-3930;
- Вимірювання хроматичної дисперсії та ПМД: EXFO FTB-5700;
- Вимірювання параметрів оптичного спектру: EXFO FTBx-52x5 або EXFO FTB-5235;
- аналіз протоколів: EXFO FTB-1 Pro або EXFO FTB-2 Pro.

Додаткова інформація на цю тему

На цій сторінці наводиться основна інформація з докладного посібника, складеного фахівцями компанії EXFO, що узагальнює всі важливі відомості щодо технологій сучасних високошвидкісних мереж. Також у цьому посібнику наводяться моделі приладів щодо всіх типів вимірів і описані методики їх правильного застосування. Повний текст посібника можна завантажити у форматі PDF:

Посібник із тестування мереж 100G та 400G (англійською) (138 стор; 18 МБ)

Також Вам може бути цікава ця стаття:

Методика тестування ITU-T Y.1564 для активації сервісів Ethernet

Якщо Вам потрібна докладна інформація щодо цін або технічна консультація щодо вибору оптимального вимірювального обладнання для Вашого завдання, просто зателефонуйте нам або напишіть нам по Електронна пошта і ми з радістю відповімо на Ваші запитання.