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Herausforderungen und Möglichkeiten bei 400G-Transceiver-Tests

Larry

Übersetzer*in Felix
23. Dezember 2019

Höhere Anforderungen an die Bandbreite und höhere Geschwindigkeit erhöhen den Bedarf an 400G-Ethernet und optischen Modulen in den großen Rechenzentrumsverbindungen. Zahlreiche Netzwerkausrüstungshersteller, Cloud-Service-Anbieter und Anbieter von optischen Transceivern haben sich schnell und leidenschaftlich auf den 400G-Markt gestürzt. Eine enorme Menge neuer Produkte wird auf den Markt kommen, um den Bedarf an Bandbreite in den nächsten Jahren zu decken. Es ist jedoch nicht einfach, sicherzustellen, dass ein qualitativ hochwertiges Produkt angeboten wird. Dieser Artikel wird sich auf die Herausforderungen des 400G-Transceiver-Tests und die wichtigsten Punkte des Tests für optische Module der 400G-Klasse konzentrieren.

Herausforderungen des 400G-Transceiver-Tests

Sowohl 200G- als auch 400G-Ethernet haben mehrere neue optische Transceivertypen hervorgebracht, und die IEEE und MSA (Multi-Source-Abkommen) haben die spezifischen Formfaktoren definiert: QSFP-DD, OSFP und CFP8. Die elektrischen Schnittstellen dieser Transceiver verwenden entweder 16 elektrische Bahnen von 28 Gb/s pro Bahn mit NRZ-Modulation (Non-Return-To-Null) oder die neueren 4- oder 8-Bahnen von 56 Gb/s pro Bahn mit PAM4-Modulation (4-stufige Pulsamplituden).

Physikalisches Medium Host Electrical I/F Modus Anzahl der Fasern Reichweite Kodierungsverfahren
400GBASE-SR16 16x 25Gb/s Singlemode 16 100m NRZ
400GBASE-DR4 8x 50Gb/s Singlemode 4 500m PAM4
400GBASE-FR8 8x 50Gb/s
16x 25Gb/s
Singlemode 8 WDM 2km PAM4
400GBASE-LR8 8x 50Gb/s
16x 25Gb/s
Singlemode 8 WDM 10km PAM4
200GBASE-DR4 8x 50Gb/s Singlemode 4 500m PAM4
200GBASE-FR4 8x 50Gb/s Singlemode 4 WDM 2km PAM4
200GBASE-LR4 8x 50Gb/s Singlemode 4 WDM 10km PAM4

Höhere Geschwindigkeiten und die Nutzung der PAM4-Modulation bringen zwar große Verbesserungen im Durchsatz, führen aber auch zu einer hohen Komplexität auf der physikalischen Ebene und verursachen leicht Fehler bei der Signalübertragung.

Das erste Problem ist, dass die höhere Lane-Geschwindigkeit in elektrischen 400G-Schnittstellen mehr Rauschen (auch Signal-Rausch-Verhältnis genannt) bei der Signalübertragung bedeutet. Und das hohe Signal-Rausch-Verhältnis verursacht eine erhöhte Bitfehlerrate (Bit Error Rate/BER), was wiederum die Signalqualität beeinträchtigt.

Darüber hinaus umfassen die Hochgeschwindigkeitsschnittstellen für optische 400G-Module auf der physischen Erscheinungsebene mehr elektrische Eingangsschnittstellen, elektrische Ausgangsschnittstellen, optische Eingangsschnittstellen, optische Ausgangsschnittstellen und andere Schnittstellen für das Leistungs- und Niedergeschwindigkeitsmanagement. Die gesamte Leistung dieser Schnittstellen sollte auf eine Beanstandung der 400G-Normen zurückgeführt werden. Die Größe der 400G-Transceiver ist jedoch ähnlich wie bei den bestehenden 100G-Transceivern, die Integration dieser Schnittstellen erfordert eine ausgefeiltere Fertigungstechnologie sowie entsprechende Leistungstests, um die Qualität dieser Module zu gewährleisten.

Gleichzeitig bringt der Komplex des 400G-Transceiver-Tests auch neue Herausforderungen für die Anbieter von optischen Modulen mit sich. Um die Qualität der Transceiver für die Anwender zu gewährleisten, müssen die Hersteller den Transceiver-Testgeräten und der F&E-Technik große Bedeutung beimessen. Sie sollten sich damit befassen, wie sie sicherstellen können, dass die neuen Produkte die 400G-Aufrüstung unterstützen und gleichzeitig die damit verbundenen Entwicklungs- und Fertigungstestkosten, die wettbewerbsfähige Preismodelle behindern können, gedämpft werden.

Schlüsselelemente im 400G-Transceiver-Test

Obwohl die 400G-Ethernet-Standards seit Jahren anerkannt sind, befasst sich die gesamte Branche, einschließlich OEMs und Netzwerk-/Rechenzentrumsbetreiber, immer noch mit grundlegenden Konnektivitätsproblemen und versucht, Probleme von der Zuverlässigkeit der Transceiver bis zur Link-Flap, von übermäßigen Rahmenfehlern bis hin zu übermäßigen Paketverlusten zu lösen. Für Transceiveranbieter sind Produktqualitätsprüfungen von grundlegender Bedeutung, um zuverlässige Beziehungen zu Kunden aufzubauen. Werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Hauptaufgaben im Testprozess für 400G-Transceiver.

Tests zur ER-Leistung und zum optischen Leistungspegel

ER (Extinktionsrate) ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Leistung der optischen 400G-Sender, und auch der schwierigste. ER ist das Verhältnis der optischen Leistungslogarithmen, wenn der Laser den hohen und den niedrigen Pegel ausgibt, nachdem die elektrischen Signale zu optischen Signalen moduliert wurden. Der ER-Test kann zeigen, ob ein Laser am besten Vorspannungspunkt und innerhalb des optimalen Modulationseffizienzbereichs arbeitet. OMA (Outer Optical Modulation Amplitude/Äußere Optische Modulationsamplitude) kann die Leistungsunterschiede beim Ein- und Ausschalten des Transceiver-Lasers messen, wodurch die Arbeitsleistung des Transceivers in einem anderen Aspekt getestet wird. Sowohl die ER als auch die durchschnittliche Leistung können mit herkömmlichen optischen Oszilloskopen gemessen werden.

Test der Weiterleitungsperformance

Der 400G-Transceiver weist im Vergleich zu den bestehenden Modulen QSFP28 und QSFP+ eine kompliziertere Integration auf, die auch höhere Anforderungen an die Prüfung seiner Weiterleitungsleistung stellt. RFC 2544 definiert den folgenden Basisleistungs-Testindikator für Netzwerke und Geräte: Durchsatz, Verzögerung und Paketverlustrate. Bei diesem Testverfahren werden die elektrischen und optischen Schnittstellen getestet und es wird sichergestellt, dass die Signalqualität, die sie übertragen und empfangen, nicht verzerrt wird.

Blickdiagramm-Test

Anders als das einzelne Blickdiagramm der NRZ-Modulation bei optischen 100G-Transceivern hat das PAM4-Blickdiagramm drei Augen. Und PAM4 verdoppelt die Bitlagereffizienz im Vergleich zu NRZ, aber es hat immer noch Probleme mit Rauschen, Linearität und Empfindlichkeit. Das IEEE schlägt vor, PRBS13Q zum Testen des optischen Augendiagramms von PAM4 zu verwenden. Die wichtigsten Testindikatoren sind Augenhöhe und -breite. Durch die Überprüfung der Augenhöhe und -breite im Testergebnis kann der Benutzer erkennen, ob die Signallinearitätsqualität des 400G-Transceivers gut oder schlecht ist.

Comparison of waveforms and eye diagrams between NRZ and PAM4 signals.png

Zitter-Test (Jitter-Tests)

Zitter-Test (Jitter-Tests) sind hauptsächlich für den Ausgangs-Jitter von Sendern und die Jitter-Toleranz von Empfängern ausgelegt. Der Jitter umfasst zufälliges Zittern und deterministischen Jitter. Da der deterministische Jitter im Vergleich zum zufälligen Jitter vorhersehbar ist, können Sie Ihren Sender und Empfänger so konfigurieren, dass er eliminiert wird. In einer realen Testumgebung wird der Jitter-Test zusammen mit dem Blickdiagramm-Test durchgeführt, um die Leistung des 400G-Senders und -Empfängers zu überprüfen.

Bitfehlerratentest unter realen Betriebsbedingungen

Bei diesem Testverfahren wird ein optischer 400G-Transceiver in die 400G-Schalter eingesteckt, um seine Arbeitsleistung, BER und Fehlertoleranz in einer realen Umgebung zu testen. Wie bereits erwähnt, ist die erhöhte BER in den Spuren der optischen 400G-Transceiver aufgrund der höheren Geschwindigkeit höher, was in den meisten 400G-Verbindungen zu Übertragungsproblemen führt. Daher wird die FEC-Technologie (Forward Error Correction/Vorwärtsfehlerkorrektur) zur Verbesserung der Signalübertragungsqualität eingesetzt.

Bei der FEC wird eine vorgegebene Anzahl redundanter Bits in eine Datenübertragung eingefügt, bei denen es sich um Fehlerprüfbits handelt (diese werden mit den Daten kodiert). Die Fehlerprüfungsbits werden dann vom Empfänger der Datenübertragung zur Dekodierung und Korrektur fehlerhafter Bits verwendet. Die FEC bietet eine Möglichkeit, Daten in extrem verrauschten Signalumgebungen zu senden und zu empfangen, wodurch eine möglichst fehlerfreie Datenübertragung in einer 400G-Verbindung möglich ist.

Daher sollten bei diesem Testprozess unter realen Bedingungen die ursprüngliche BER des optischen Transceivers und die korrigierte BER durch FEC geprüft werden, um zu verifizieren, ob die gesamte Verbindungsleistung beeinträchtigt wird, wenn ein vorbestimmtes zufälliges Fehlersymbol oder eine Frequenzabweichung auftritt.

Entwicklungsmöglichkeiten beim 400G-Transceiver-Test

Angetrieben von 5G, künstlicher Intelligenz (KI), virtueller Realität (VR), Internet der Dinge (IoT) und autonomen Fahrzeugen gibt es eine Vielzahl technischer Probleme bei den Transceiver-Tests, die gelöst werden müssen. Der boomende Trend des 400G-Ethernet-Marktes kann nicht gestoppt werden. Viele Hersteller wie Cisco, Arista, Fisinar usw. und Anbieter von Testlösungen wie Keysight und Ixia haben ihre eigenen 400G-Produktlösungen auf den Markt gebracht. In dieser Situation ist für einige kleinere Anbieter von optischen Modulen der 400G-Transceiver-Test einer der wichtigsten Punkte, die sie in Betracht ziehen sollten, denn wie die Qualität der 400G-Produkte und die Liefergeschwindigkeit verbessert werden können, wird darüber entscheiden, wie viel Gewinn sie aus dem 400G-Markt erzielen. Erfahren Sie mehr über den aktuellen und zukünftigen 400G-Ethernet-Markt , um sich auf die kommende Hochgeschwindigkeits-Ära vorzubereiten.

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