Что такое оптический модуль
Виды SFP модулей
Съемный приемо-передающий модуль форм-фактора SFP (Small Form factor Pluggable) представляет собой компактное устройство в металлическом корпусе. С одной стороны, SFP модуль оснащен контактной группой для подключения к SFP-порту активного сетевого устройства, а с другой стороны оптическим интерфейсом для подключения к линии передачи. Оптические модули стандарта SFP предназначены для передачи и приёма оптических сигналов между сетевыми устройствами, соединенными между собой волоконно-оптическими линиями связи. Приемо-передатчики форм-фактора SFP поддерживают передачу данных на скоростях от 100 Мбит/с до 4.25 Гбит/с, наибольшей популярностью обладает модификация SFP модулей со скоростью передачи 1.25 Гб/с.
Спецификация INF-8074i впервые, опубликованная MSA в 2001 году, подробно описывает конструкцию и размеры корпуса, устройство электрического интерфейса SFP трансиверов, а так же конструкцию и размеры SFP-порта. Существует ряд спецификаций, которые описывают отдельные модификации и скорости передачи, основные документы можно найти на этой странице.
В спецификации INF-8074i, есть не большой пункт указывающий на необходимость цветовой маркировки на язычках толкателей модулей. В самой спецификации есть указания лишь на два варианта этой маркировки: черный цвет – многомодовой трансивер, синий цвет – одномодовый; в дальнейшем модификаций SFP трансиверов стало значительно больше и новые модели получали свою цветовую маркировку. Цветовая маркировка SFP модулей необходима для облегчения идентификации типа установленного в сетевое оборудование трансивера. Маркировка SFP модулей реализуется одним из двух способов в зависимости от особенностей корпуса трансивера:
Каждой длине волны присвоен свой цвет см. таблицу ниже. Сама идея подобной маркировки очень хороша и удобна для пользователей, но в реализации этой идеи есть определенные сложности, а именно производители SFP модулей используют не стандартизированные цвета, как следствие в некоторых случаях цвета маркировки от производителя к производителю сильно отличаются.
Наиболее ярким примером являются CWDM трансиверы, у которых каждая «пара» волн маркируется своим цветом, но цвета в зависимости от производителей не всегда совпадают.
Примеры цветовой маркировки
Самым простым выходом из подобного положения было бы закрепление за определенными моделями SFP трансиверов определенных цветовых маркеров на уровне спецификации или рекомендации, но к сожалению, подобного документа нет.
Таблица цветовых маркировок трансиверов
Принцип работы SFP модулей
Оптические модули SFP состоят из нескольких основных компонентов:
Устройство SFP модуля
Получая информацию от коммутатора в виде электрических сигналов, трансивер преобразует её в оптический сигнал, который излучает лазер. И наоборот, принимаемый фотодиодом оптический сигнал преобразуется в электрический. Таким образом, информация проходит через съемный оптический приемо-передетчик в современных ВОЛС.
Одной из основных характеристик оптических модулей является оптический бюджет трансивера, именно от неё зависит максимальная дальность передачи. Оптический бюджет зависит от чувствительности приёмника и мощности излучения лазера, его легко вычислить по формуле:
где AR – оптический бюджет, Pmin — минимальная выходная мощность передатчика, Smax — максимальное значение чувствительности фотоприемника. Чем выше значения Pmin и Smax, тем больше оптический бюджет, а значит больше дальность работы данного трансивера. Этот параметр крайне важен при выборе трансиверов для систем уплотнения или на протяжённых участках.
Мониторинг рабочих параметров SFP (DDM)
Для контроля рабочих параметров в SFP модулях, как и в трансиверах других форм-факторов используют систему цифрового мониторинга – DDM. Digital Diagnostics Monitoring сокращенно DDM — функция цифрового контроля параметров производительности трансиверов форм-фактора SFP, SFP+ и XFP. Позволяет отслеживать в реальном времени рабочие параметры трансивера, такие как: подаваемое напряжение, температура трансивера, ток смещения лазера, и сходящая оптическая мощность TX, принимаемая оптическая мощность RX.
Устройство и работа этой системы описаны в спецификации SFF-8472. Более подробное описание DDM можно найти по ссылке.
Отличия от других форм-факторов
Трансиверы форм-фактора SFP пришли на смену промышленному стандарту съемных приемо-передатчиков GBIC. Вначале трансиверы форм-фактора SFP в профессиональной среде называли miniGBIC. Основным преимуществом по сравнению с аналогичными модулями GBIC являются его малые размеры и как следствие малая занимаемая площадь на лицевой панели сетевого устройства. Вследствие этого со временем SFP вытеснили GBIC, так как именно на их основе можно было делать активные сетевые устройства с высокой плотностью портов. На данный момент это наиболее компактный форм-фактор, обеспечивающий наибольшую плотность размещения портов на лицевой панели устройства. Благодаря этому качеству форм-фактор SFP получил развитие в виде SFP+ (10G), SFP28 (25G) SFP DD (100G).
Виды модулей SFP модулей
С момента публикации первой версии спецификации INF-8074i в 2001 году появилось множество видов и модификаций трансиверов на базе форм-фактора SFP. Ниже мы рассмотрим основные типы и разновидности:
SFP MSA – наиболее распространённый вид трансиверов. Они изготавливаются в соответствии с соглашениями MSA. Это означает, что они соответствуют всем требованиям спецификации и удовлетворяют требованиям стандарта.
Оптические модули SFP можно разделить по технологии передачи на следующие типы:
Подавляющее большинство используемых сейчас модулей использует двухволоконную схему работы – выделенные порты передатчика и приемника. При этом наибольшую востребованность в Metro-сетях получили CWDM SFP трансиверы, в связи с тем, что при значительно малых первоначальных вложениях при помощи CWDM можно создать достаточно большую и в тоже время отказоустойчивую сеть в рамках города. В то время как, одноволоконные модули прочно заняли позицию в городских сетях на уровне доступа в условиях дефицита волокон и сетях FTTx, одними из самых популярных моделей WDM SFP трансиверов можно назвать одноволоконные модули с дальностью работы 3 км (арт. MT-SFP-G-WDM-03) и дальностью 20 км (арт. MT-SFP-G-WDM-20).
SFP CWDM-BIDI – это одноволоконный трансивер предназначенный для использования в CWDM системах. Приём и передача, в котором осуществляется по одному волокну на одной волне. Такое решение позволяет вдвое увеличить пропускную способность системы CWDM. Эти модули всегда просто отличить, т.к. вместо разъёма Duplex LC-мама из корпуса выходит пигтэйл с коннектором LC/APC. Дело в том, что внутри модуля установлен оптический циркулятор, для его нормальной работы необходима косая полировка – APC, линейного порта.
Большого распространения данный вид модулей не получил, ввиду сложности изготовления и ограниченности сферы применения – максимальный оптический бюджет таких модулей не превышал 24 дБ.
VideoSFP (SDI-SFP) – решение для передачи видео сигналов. Используется в студийном и вещательном оборудовании.
SDI (последовательный цифровой интерфейс) – это стандарт цифрового видеоинтерфейса, разработанный организацией SMPTE. Два основных вида 3G-SDI, 6G-SDI, 12G-SDI отличаются скоростью передачи, соответственно это 3 Гбит/с, 6 Гбит/с и 12 Гбит/с. Модули 3G-SDI разработаны для паттернов SMPTE 259M, SMPTE 344M, SMPTE 292M и SMPTE 424M, они используются в телевещании и реже в видеонаблюдении. Тогда как 6G-SDI поддерживает паттерн SMPTE 2081 и используется для сервисов 4K/HDTV.
Передача видеоизображения для широкого вещания — это однонаправленная связь. Ввиду этой особенности передаваемого трафика, отличают VideoSFP transmitter (передатчик) и VideoSFP receiver (приёмник). Для организации соединения необходима пара разных модулей. Кроме того, модули VideoSFP могут оснащаться двумя приёмниками или двумя передатчиками, в зависимости от задачи.
Зная эти особенности необходимо подбирать VideoSFP очень внимательно. Ввиду специфичной области применения данный вид SFP мало распространён.
SmartSFP – данный вид модулей отличается не стандартной функциональностью. Обычные трансиверы предназначены для приёма и передачи информации, на этом их функционал заканчивается. Название SmartSFP означает, что модуль несёт дополнительный функционал, либо вообще не предназначен для передачи информации, а выполняет специфические функции. Например это может быть, измерение оптических характеристик линии или измерение качественных характеристик канала передачи. Необходимо отметить, что подобные решения достаточно нишевые и узкоспециализированные, но могут стать идеальным решением задачи.
На нашем сайте представлены модули SmartSFP семейства «Network Migration», они позволяют передавать SDH трафик по IP/MPLS сетям. К примеру, можно перенести каналы STM-1/4/16 в сеть пакетной коммутации или агрегировать потоки Е1 в единый STM-1 канал. Преимуществами использования данного семейства модулей, является возможность освободить оптические волокна, активное оборудование и сократить затраты на электроэнергию.
Copper SFP – широко распространённый вид SFP модулей. Отличительной особенностью является оснащение электрическим интерфейсом RJ45, вместо оптического. Благодаря этому к порту коммутатора можно подключить обычную витую пару. «Медные» SFP изготавливаются с использованием двух интерфейсов SGMII (10/100/1000M) и SerDes (1000M). Соответственно при выборе модуля нужно учитывать особенности сетевого оборудования.
CSFP (compactSFP) – необычный вид трансиверов. По сути, это два одноволоконных WDM трансивера в стандартном корпусе SFP. Такой трансивер позволяет организовать два канала по 1G по двум волокнам, используя при этом только один порт в коммутаторе. Разумеется, сам коммутатор должен поддерживать трансиверы такого типа.
Принцип работы SFP модулей
SGMII – данные оптические модули называются в честь интерфейса на котором построены. Они разработаны для согласования портов по скорости. SGMII-SFP позволяют конвертировать порт GigabitEthernet (GE) в порт FastEthernet (FE). Таким образом, к коммутатору порты которого поддерживают только гигабитное подключение можно подключить устройства работающие на меньшей скорости – 100Мбит/с.
xPON – специализированные трансиверы предназначенные для работы в пассивных оптических сетях, с топологией «дерево». Их можно разделить на два вида: OLT (Optical Line Terminal) и ONU (Optical Network Unit). Модули OLT используются в головном оборудовании, до абонентских устройств сигнал передаётся на волне 1490нм (2.5G) и принимается на волне 1310нм (1.25G). Существует несколько классов: B+, C+, C++, которые отличаются оптическим бюджетом.
ONU – трансивер для абонентских устройств, предназначен для установки в пакетные Ethernet коммутаторы и бытовые роутеры оснащенные SFP портом. Для согласованной работы класс ONU должен соответствовать классу OLT. Трансиверы SFP ONU не отличаются большой популярностью, т.к. технология PON рассчитана на массовое применение, в то время как бытовые устройства редко оснащаются SFP портами. В основном ONU это отдельно стоящее устройство, работающее от сети 220В.
Как выбрать SFP (SFP+) модуль
SFP (Small Form-factor Pluggable) и SFP+ (Enhanced Small Form-factor Pluggable) – стандарты компактных оптических приемо-передатчиков. Они наиболее востребованы при построении оптоволоконных сетей, по сравнению с трансиверами других типов, поэтому в нашей сегодняшней статье мы будем говорить именно о них.
Что такое SFP (SFP+) модули?
Это позволяет сделать слоты для них универсальными. Большинство устоявшихся производителей сетевого оборудования на сегодняшний день в своих устройствах размещают порты формата SFP+, и предусматривают обратную совместимость, так что в эти слоты чаще всего можно вставлять модули формата SFP. При этом, конечно, SFP трансивер будет работать согласно своим параметрам, а не характеристикам SFP+. Но нужно уточнять, есть ли такая возможность, например, в устройствах MikroTik зачастую поддерживается только SFP+.
Наличие порта для SFP-модулей в концевых маршрутизаторах или коммутаторах позволяет:
Размер разъема стандартного SFP-модуля по габаритам соответствует разъему RJ45, что позволяет в устройстве размером в один юнит (1U) разместить до 48 SFP-разъемов. Большинство производителей в профессиональных устройствах размещают один, два или четыре SFP-разъема, иногда совмещенных попарно с разъемами RJ45 (комбо-порты) для большей универсальности. В последнем случае, одновременная работа обоих портов не допускается, работает тот, который был задействован первым.
Виды SFP и SFP+ модулей
Оптические SFP и SFP+ модули различаются по многим параметрам, основными из которых являются:
Знать основные параметры модуля необходимо для того, чтобы корректно подобрать его под существующую (или строящуюся) сеть.
На более тонких характеристиках, таких, как тип лазера, мощность излучателя, ширина спектральной линии и тому подобных, мы пока останавливаться не будем, хотя при построении сети и подборе совместимых пар модулей они также могут иметь значение.
Пропускная способность оптических модулей
Однако, так как у нас чаще всего используются оптические Ethernet модули, принято говорить о скорости 1 Гбит/сек для SFP и 10 Гбит/сек для SFP+.
На рынке также представлено некоторое количество 100-мегабитных SFP трансиверов, но их востребованность в последнее время все меньше.
Многомодовые и одномодовые
Центральное различие между SFP модулями заключается в том, какого типа оптоволоконный кабель используется – многомодовый (MM, MMF) или одномодовый (SM, SMF). В практическом плане это имеет значение при подборе модулей с учетом типа кабеля в вашей сети, дальности ее пролетов, а также сумм, которые выделяются на ее проведение.
Многомодовый кабель имеет более толстую сердцевину и лучше собирает свет от излучателя. За счет этого многомодовые соединения значительно терпимее к качеству материала, компонентов, излучателей и оборудования. Однако, их серьезным недостатком является ограниченная максимальная длина сегмента кабеля – около 550 метров. Поэтому многомодовые SFP и SFP+ модули используются сравнительно редко, хотя обычно дешевле одномодовых.
Многомодовые и одномодовые SFP и SFP+ модули несовместимы.
Дальность передачи
Многомодовые оптические модули, как мы уже сказали, поддерживают передачу только на расстояние до 550 метров. В маркировке SFP трансиверов это обычо обозначается цифрой 0,5 (к примеру, 0,5LC), есть многомодовые модули с поддержкой еще меньшей дальности.
Максимальная дальность одномодовых оптических трансиверов зависит от форм-фактора:
При этом использование технологий спектрального уплотнения на скоростях до 10 Гбит/сек дополнительно снижает дальность передачи. Для модулей SFP+ WDM, CWDM и т. д. максимальная дальность уже не превышает 60 км.
Д вухволоконные и одноволоконные
SFP и SFP+ модули выпускаются двухволоконные (или «двуглазые» в простонародье) и одноволоконные («одноглазые»).
Существуют и Bi-Di (двунаправленные, одноволоконные) SFP CWDM модули, однако в продаже на украинском рынке их найти проблематично.
Для оптики и для RJ-45
Следует также упомянуть, что помимо оптических, большинство поставщиков SFP-модулей выпускают также варианты модулей SFP и SFP+ с гигабитными портами 1000Base-T (под медный кабель) для увеличения возможностей расширения сетевых устройств с подобными разъемами. Такой модуль позволяет использовать слот под SFP для создания разъема RJ-45 под витую пару, а не под оптику.
Длина волны
SFP-модули осуществляют прием и передачу сигнала на разных длинах волны. Поэтому при подборе пар приемо-передатчиков нужно учитывать этот фактор, не все они будут совместимы между собой.
В обычных и WDM модулях SFP и SFP+:
В модулях CWDM/DWDM:
Здесь используемых длин волн гораздо больше, как раз за счет этого и реализуется спектральное уплотнение и достигается высокая емкость передачи данных по одному волокну. Но об этом подробнее в следующей статье.
На поддерживаемых стандартах Ethernet, типах коннекторов и технологиях спектрального уплотнения мы подробно остановимся в следующей публикации.
Цветовая маркировка модулей
Для того, чтобы визуально отличать разные типы модулей, была придумана цветовая маркировка защелок. Их пластиковые оболочки делают красного, зеленого, желтого, бирюзового и других цветов.
Цветовая маркировка защелок различна у разных производителей
Пример маркировки
К примеру, типичная маркировка модуля выглядит так:
Коротко о совместимости разных типов SFP и SFP+
Стабильная совместная работа непарных модулей не гарантирована, даже если они совпадают по реализуемому стандарту, длине волны и количеству коннекторов. Возможны проблемы даже с совмещением двух модулей от одного производителя из разных линеек либо выпущенных в разные годы. Не исключено повреждение модулей, ошибки приема/передачи, ошибки согласования дуплекса и даже повреждения кабеля.
Крупные производители оборудования, такие как Cisco, HP, Alcatel-Lucent, 3com, Juniper, Dell и прочие во многих случаях искусственно блокируют работу своих маршрутизаторов/коммутаторов с SFP-модулями сторонних производителей, хотя нередко под своей торговой маркой продают модули сторонней разработки.
Для соединения устройств в стойке и стоек между собой выпускаются готовые оптические кабели стекирования, укомплектованные совместимыми SFP-модулями для соединения. Еще одна возможность, реализуемая при помощи стекирующего кабеля – подключение высокопроизводительных сетевых хранилищ.
Обзор оптических трансиверов. Какие и для чего.
Часто у системных администраторов, не сталкивавшихся раньше с оптическим волокном, возникают вопросы, как и какое оборудование необходимо для организации соединения. Почитав информацию об оптоволоконных сетях, становится понятно, что для преобразования электрического сигнала сетевого устройства в оптический сигнал, нужен оптический трансивер. В этой статье мы приведём основные характеристики оптических модулей для приема/передачи информации, основные моменты, связанные с их использованием. Картинка представленная ниже, демонстрирует внешний вид различных оптических модулей.
Различные трансиверы
Что и зачем
Коммутатор с оптическими портами и инсталлированными в них оптическими модулями
Виды оптических модулей
У тех кто еще не встречался с оптическими модулями возникают вопросы, какой же оптический приемопередатчик нужен в конкретной ситуации. Рынок предлагает огромное количество модулей с разными характеристиками. Попробуем прояснить какие модули необходимы для той или иной ситуации, при построении оптоволоконной сети. Оптические модули различаются:
Различные формфакторы
GigaBit Interface Converter, активно использовался в 2000-х. Самый первый промышленно стандартизованный формат модулей. Применялся при передачи через многомодовые волокна. В настоящее время практически не применяется по причине своих габаритов.
GBIC трансиверы
Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC. Практически самый распространенный в настоящее время формат модулей благодаря своим размерам. Эти модули, благодаря своим небольшим габаритам, позволили значительно увеличить плотность портов на сетевом оборудовании. Например, стало возможно размещать 52 порта на одном коммутаторе. Возможная скорость передачи данных 100 и 1000 Mbits
SFP трансиверы
Enhanced Small Form-factor Pluggable. Размер сопоставим с модулями SFP. Одинаковый размер позволил создавать оборудование поддерживающее оптические модули SFP и SFP+. Такие порты могут работать в режимах 1000Base/10Gbase. Лишь дальнобойные CWDM-модули имеют большую длину из-за радиатора. Однако такие модули могут работать только на расстоянии не более 80 км, иначе наблюдается сильный перегрев. На картинке снизу модуль SFP+
SFP+ трансиверы
10 Gigabit Small Form Factor Pluggable. Также, как модули SFP+, используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits, но размер немного шире. Увеличенный размер позволил этим модулям работать на большее расстояние по сравнению со стандартным SFP.
XFP трансиверы
XENPAK
Модули, используемые преимущественно в оборудовании Cisco. Они способны работать на скорости 10 Gbits, но в нынешнее время практически не применяются и встречаются только в старых линейках маршрутизаторов. Также такие модули бывают для подключения медного провода 10GBase-CX4.
XENPAK трансиверы
Дальнейшее развитие модулей формата XENPAK. Часто в разъемы X2 можно установить модуль Twingig, в который уже можно установить два модуля SFP. Такой способ применяется в случае если оборудование не обладает портами 1GE. В продаже существуют адаптеры X2-SFP+ (XENPACK-TO-SFP+). Интересно, что такой комплект (адаптер+SFP+ модуль) выходит дешевле одного X2 модуля.
X2 трансиверы
Такие форм-факторы как QSFP, QSFP+, CFP не были затронуты в этой статье по причине их невысокой распространенности на данный момент.
Различные стандарты
Как известно, комитетом 802.3 принято множество разных стандартов Ethernet.
В основном сейчас распространены следующие типы:
Существуют модули и под другие стандарты, в том числе и 40GE и 100GE. Обычно, производитель указывает на модели модуля информацию по какому стандарту он будет работать. Но важно еще посмотреть, поддерживает ли оборудование тот порт который указан в характеристиках оптического модуля. Например, 100BASE-LX не заведется в порту коммутатора, поддерживающего только 1000BASE-LX.
С использованием спектрального уплотнения
Модули про которые было рассказано выше, передают сигнал в основном на длине волны 1310 нм или 1550 нм на двух волокнах (одно для передачи, другое для приема). Они имеют широкополосный фотоприемник (принимают все) и лазер, излучающий на определенной длине волны. Но имеется возможность использовать уплотнение по длине волны. Это дает возможность использовать меньшее количество волокон для организации нескольких каналов тем самым увеличивая пропускную способность одного волокна.
Такие модули работают в паре, с одной стороны сигнал передается на длине волны 1310 нм, с другой 1550 нм. Это позволяет вместо двух волокон для организации одного канала использовать одно. Приемник на таких модулях так и остается широкополосным. Бывают как для 1GE, так и для 10GE. Снизу фотографии пары WDM-модулей с различными разъемами для подключения патчкордов LC и SC.
WDM модули
Зачастую предпочтительнее использовать WDM-модули для малых расстояний. Их цена не очень большая. Причина — вы экономите целое волокно, на нем можно будет потом еще один такой же канал прогнать. Хотя конечно есть и другие способы экономии волокон.
Дальнейшее продолжение технологии WDM. Возможно добиться 8 дуплексных каналов по одному волокну. Для этих целей используются CWDM-мультиплексоры (пассивные устройства с призмой внутри, дающая возможность делить сигнал по цветам с шагом 20нм в диапазоне от 1270нм до 1610нм). Для таких целей используют специальные CWDM-модули, обычно различающиеся по цветам дужек и передающие сигнал на определенной длине волны. В то же время приемник на них широкополосный. Одним из преимуществ таких модулей является большое расстояние для передачи данных (до 160 км). На рисунке ниже представлен малый комплект CWDM-SFP, на котором с использованием мультиплексоров можно поднять 2GE на одном волокне.
Как можно заметить, дужки у всех разные. В зависимости от длины волны модуль имеет свою раскраску. К сожалению разные производители по разному окрашивают модули.
CWDM модули
Разъемы
Это место на модуле для подключения вашего патчкорда. На оптических модулях сейчас используются преимущественно два типа разъемов — SC и LC. Выглядят как квадраты и бывают большими и поменьше. Из этого следует, что на практике вы не сможете вставить патчкорд с разъемом SC в модуль с разъемом LC. В этом случае нужно будет менять патчкорд либо ставить переходник-адаптер. В большинстве случаев SFP-модули имеют разъем LC, в то время как X2/XENPAK — SC. Выше на изображениях уже были модули с различными разъемами.
Патчкорды для разъёмов трансиверов
Некоторые особенности
Все оптические модули потребляют электроэнергию и выделяют тепло. Это нужно учитывать в случае если все порты коммутатора будут забиты модулями. В этом случае нужно будет подумать о дополнительном охлаждении.
Так же не стоит недооценивать технику безопасности при работе с оптическими лазерами, в особенности стоит обращать внимание на дальнобойные мощные модули 10GE, которые могут выжечь сетчатку глаза. Такие случае редки, но имеют место быть.
Ряд вендоров создают свои трансиверы таким образом, что они не будут работать на оборудовании стороннего производителя. Вставив модуль одного производителя, например Cisco, в коммутатор другой компании, модуль просто не стал бы работать. Однако в последнее время производители стали меньше уделять времени на несовместимость оборудования. К тому же, появилась возможность разблокировать модули специальными командами, для их совместимости.
Про мощность сигнала. Мощность может быть не только слабой. Если сигнал приходит слишком сильный, можно сжечь фотоприемник. Обычно это относится к дальнобойными мощным модулям с дистанцией > 80 км. Для уменьшения мощности используют специальные аттенюаторы.