Glasfaser, Kupfer, Stecker und Transceiver
Physical-Layer-Messtechnik für 100G
Bei dem vorliegenden Text handelt es sich um den zweiten Beitrag einer Artikelserie zu den Aufgaben der Messtechnik in 100G-Netzen. Er beschäftigt sich mit der Physical-Layer-Messtechnik bei 100G. Im ersten Teil (LANline 6/2018, Seite 23) ging es um die Entwicklung hin zu 100G und den damit verbundenen allgemeinen Herausforderungen für die Messtechnik. Weitere Beiträge werden sich mit Übertragungsmessungen bei Layer 2, 3 und 4 und mit der Fehlersuche bei der 40G/100G-Übertragung befassen.
100G ist nicht gleich 100G. Denn 100G auf der Long Distance und Line Side bedienen sich verschiedener Übertragungsverfahren: als OTN (Optical Transport Network), DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) und als natives Ethernet. Verständlicherweise erfordert jedes dieser Techniken auf der physikalischen Ebene andere Messungen.
Basiswissen
Im Weitverkehrsnetz konkurrieren zwei Übertragungstechniken miteinander: die herkömmliche Multi-Wellenlängen-DW-DM-Technik (n × 10 GBit/s, n × 40 GBit/s) und die Single-Wavelength-Full-Rate-40G/100G-Technik. Auf der Client-Seite übertragen Multi-?-Signale (ähnlich wie CWDM) das 100G-Signal in vier Teildatenströmen. Für die Long-Distance-Netzwerkseite sind proprietäre 100G-Verfahren entstanden. Diese benötigen mit herstellerspezifischer Modulation und Signalaufbereitung nur eine Wellenlänge zur Übertragung. Aktuell geschieht die 100G-Übertragung jedoch auch im Metro-Umfeld bereits auf breiter Front mit nur einer Wellenlänge kohärent. Zum Einsatz kommt dabei ein Verfahren namens "Polarization Multiplex-QPSK".
Keine Neuheit ist es, via DWDM im Weitverkehr das 100G-Signal auf zehn oder vier Wellenlängen zu übertragen (10 × 10 GBit/s oder 4 × 25 GBit/s). In Bezug auf PMD (Polarisationsmodendispersion) stellt die DWDM-Technik mit n × 10 GBit/s höhere Anforderungen an eine Glasfaser als das kohärente Single-Wavelength-Übertragungsverfahren PM-QPSK. Via FFT (Fast Fourier Transformation) und mit schnellen Signalprozessoren ist es möglich, dass ein kohärenter 100G-Transponder die PMD-Verzerrungen herausrechnet und kompensiert. Bei inkohärenter 10G-Übertragung (DWDM) ist dies nicht möglich.
100G-Ethernet auf der Client-Seite wird oft mit CFP2 oder QSFP28 (Version LR4) übertragen. Dies geschieht mit einer Faser auf vier Wellenlängen, die je 25 GBit/s übertragen. Heutige BERT-Geräte (Bit Error Rate Tester) zeigen die Einzelpegel sowie den daraus resultierenden Summenpegel am Transceiver-Ausgang an. Die vier Wellenlängen im Bild unten, die im zweiten optischen Fenster liegen, entsprechen nicht dem CWDM- oder DWDM-Raster, sondern starten in einem Abstand von 2.0 GHz/4.5 nm, beginnend bei etwa 1295 nm.
Der in 100G-Übertragungstester integrierte Transceiver-Selbsttest gibt Anwendern die Möglichkeit, Transceiver-Eigenschaften und -funktionen auszutesten und ermöglicht zudem die automatische Pegelprüfung einzelner Laser.
Zur Untersuchung zählen der Summenpegel am Ausgang, das Verhalten bei Taktversatz, das Skewing (Laufzeitunterschiede der Lanes) und das Bitfehlerverhalten bei Hochlast. All dies mit wählbarem BERT-Muster (etwa 231-1, 223-1?). In Bild 2 ist ein Beispielmessergebnis zu sehen. Der Nutzen des Tests besteht darin, schadhafte Transceiver zu identifizieren, ohne lange bei der Glasfaser oder einer vermeintlich falschen Systemkonfiguration nach Fehlern suchen zu müssen.
Bei LAN-Backbone-Anwendungen und in Rechenzentren geschieht die 100G-Übertragung oft via Ethernet auf Multimode. Die 100G-Transceiver CFP2, CFP4 und QSFP28 verwenden entweder mehrere Fasern (100GBase-SR10, 100GBase-SR4) oder mehrere Wellenlängen (100GBase-SWDM4). Neben den Multimode-Standards existieren auch für Singlemode Parallelfaserstandards, etwa PSM4. Gemäß MLG-Standard (Multi-Link Gearbox) übertragen die Systeme dann 10 × 10 GBit/s über 4 × 25 GBit/s. Dieser Standard des OIF-Gremiums (Optical Internetworking Forum) ist entstanden, da kaum noch 10-Lane-Übertragungen bei 100G installiert werden. Das MLG-Verfahren verfügt über Mappings und Kontrollfunktionen auf dazu geeigneten Transceivern und dem System-Host (System-Interface-Karte).
Der Bändchenfaser-MPO/MTP-Connector hat mit den SR4- und SR10-Interfaces neben dem Duplex LC-Steckverbinder in den neu entstehenden Rechenzentren eine weite Verbreitung gefunden. Bei dem Stecker sind zwölf oder 24 (oder 16 oder mehr) Fasern in einem Steckvorgang ohne Luftspalt und ohne Schmutzpartikel physikalisch zu verbinden. Daher ist die Reinigung und optische Kontrolle des Steckers vor dem Steckvorgang nachdrücklich zu empfehlen.
Darauf, dass bei MPO-Multimode-Verbindungen eine RS-FEC (Reed-Solomon Forward Error Correction) die Fehler korrigiert, die bei geringer Verschmutzung und bei geringem Dämpfungsanstieg auftreten, sollte man sich nicht verlassen. Die Stirnfläche sollte ein Betreiber gründlich prüfen, denn schon beim einmaligen erneuten Stecken kann die Verschmutzung so ungünstig wandern, dass eine Faser blind wird und auch RS-FEC nicht mehr hilft. Um auf Nummer sicher zu gehen, sollten Installateure MPO-Stecker mit einem vollautomatischen MPO-Videomikroskop prüfen.
Da die Distanzen im Rechenzentrum überschaubar sind, kann ein Betreiber völlig konform zu EN-50173 mit Kupferleitungen verkabeln. Die EN-50173 schreibt zwar für die Primär- und Sekundärebene die Verlegung von Glasfaserkabeln vor, in der Tertiärebene, etwa auf einem Flur oder bei der Horizontalverkabelung, sind dagegen Kupfer und Glasfaser zulässig. Stehen Server nebeneinander im Rack oder im gleichen Raum, lassen sie sich bei 100G bis zu einer Länge von sieben Metern (100GBase-CR10) mit Kupferkabeln verbinden. Dazu dienen Twinax-Kabel, die auch DAC-Kabel (Direct Attach Copper) heißen. Sie sind beidseitig mit QSFP28 oder QSFP+ abgeschlossen und direkt in die Switch-Ports eingesteckt.
100GBase-CR10 und 100GBase-CR4 sind die bekanntesten Standards. Kommt eine Verbindung nicht zustande, könnte das DAC-Kabel beschädigt sein. Bei der Prüfung kommen 100-GBit/s-Übertragungsmessgeräte mit Dual-Port-Funktion zum Einsatz, sodass sich ein unnötiger Kabeltausch vermeiden lässt. Messgeräte sollten auch über ein sogenanntes Optical-Selftest-Menü verfügen, über das man auswählen kann, ob der Test für ein AOC-Kabel, ein DAC-Kabel oder einen optischen Transceiver erfolgen soll.
Kabeltester und Kabelzertifizierer aus der 1G/10G Welt stoßen in immer höhere Frequenzregionen vor (bis 2.500 MHz). Abhängig vom Gerätetyp und bei Genauigkeitsklasse Level V sind sie auch für Katagorie-7A- und Katagorie-8-Verkabelungen einsetzbar. Damit sind sie in der Lage, zu beurteilen, ob sich eine Twisted-Pair-Verkabelung für 40G oder 100G eignet. Dies gilt allerdings nur dann, wenn die zu prüfende Strecke über passende Anschlusstechnik sowie hochwertige Test- und Referenzkabelanschaltungen verfügt.
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Bekanntermaßen nutzen die Lösungen bei 100G auf Multimode-Fasern sowie bei CWDM4 und PSM4 auch für Singlemode knapp unterhalb von Layer 2 im Interface-Chipset auf dem Physical-Media-Dependent-Sublayer ein RS-FEC-Fehlerkorrekturverfahren. Es soll sicherstellen, dass die Übertragung die gewünschte maximale Längenausdehnung aufweist. Denn Dämpfungsbudgets werden bei steigender Bandbreite immer kleiner, und Verschmutzungen bei MPO-Steckern sind keine Seltenheit. Der Techniker im Feld ist natürlich daran interessiert, zu wissen, wie viele Fehler mit RS-FEC korrigiert werden. Im Bild links ist zu sehen, wie heutige Tester die Fehlerrate vor und nach der FEC anzeigen.
Fazit
Ein neuralgischer Punkt in der Übertragungsstrecke im 40G/100G-Umfeld sind die Transceiver und die im Rechenzentrum verwendeten AOC-, DAC- oder MPO-Breakout-Kabel. Da diese Komponenten sehr teuer sind, ist ein unnötiger Austausch zu vermeiden. Aus diesem Grund sind heute nicht nur Übertragungsmessfunktionen, sondern auch physikalische Komponententests in die Übertragungstester integriert.
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