Jak działa najnowszy standard zarządzania modułami optycznymi?

Nieustająco wzrasta zapotrzebowanie na pobór danych. Gdy transmisja 400G staje się powoli standardem, 800G jest w fazie testów, nasze plany wybiegają w kierunku 1,6 TG.

‍Zarządzanie pamięcią i organizacja danych w modułach optycznych o tak wysokich przepływnościach wymusiło powstanie nowego systemu: Common Management Interface Specification (CMIS).

‍‍Co różni moduły do 100G od tych wysokoprzepustowych (200G, 400G i więcej)?  Pierwsza odpowiedź jest oczywista: prędkość przepływu danych. Jednak różnic w sposobie pracy tych urządzeń jest znacznie więcej.

100G jest umowną granicą skoku technologicznego. Aż do tej wartości przepływności, moduły były zarządzane przez interfejs sterowania, przy użyciu podstawowego systemu poleceń mapowanego w pamięci SFF-8636. Wraz ze wzrostem prędkości, ten historyczny system miał coraz większe problemy z nadążaniem.

‍Moduły wysokoprzepustowe QSFP-DD/QSFP112G/QSFP-DD800 są znacznie bardziej zaawansowane technologicznie, niż moduły o niższych przepływnościach, takich jak 100G. Posiadają do 8 ścieżek elektrycznych i 8 ścieżek optycznych. Ponadto, wykorzystują technikę modulacji sygnału PAM4, która wymaga złożonej korekcji błędów.

Dla przykładu, moduł 400G QSFP-DD SR8 wykorzystuje w pełni zarówno 8 torów elektrycznych jak i 8 torów optycznych. Jeszcze bardziej wymagający jest tunowalny moduł koherentny 400G QSFP-DD ZR. Protokół ten jest przygotowany do obsługi dodatkowych parametrów, takich jak długość fali, czy dyspersji chromatycznej.

Jak widać, im bardziej zaawansowany moduł, tym więcej funkcyjnych komponentów i elastycznych konfiguracji, którymi wewnętrzny system musi zarządzać. Potrzebowaliśmy więc więcej miejsca w pamięci i lepszej organizacji danych. Odpowiedź na te wyzwania pojawiła się w 2018 roku. QSFP-DD MSA opublikował nowy system obsługi modułów Common Management Interface Specification (CMIS).

Czym jest CMIS?

CMIS to interfejs do komunikacji hosta z modułem optycznym. Jak już wspomnieliśmy, CMIS obejmuje takie moduły jak QSFP-DD/OSFP/ QSFP112/QSFP-DD800. Jest również w pełni przygotowany pod obsługę technologii, które dopiero mają pojawić się na rynku, jak chociażby moduł o przepływnościach sięgających 1,6 TB.

Pierwsza, oficjalna specyfikacja CMIS pojawiła się 18 września 2018 roku w rewizji 3.0.  Rewizję tę oznacza się numerem 3.0, ponieważ wcześniejsze publikacje dotyczące tego systemu nie były oficjalnym dokumentem.

Pracę nad CMIS zainicjowała organizacja QSFP-DD MSA w 2017 roku. Od 2022 roku rozwój systemu kontynuowany jest przez Optical Internet working Forum. OIF to organizacja pracująca nad interoperacyjnością w sieciach optycznych, która ma wpływ na ułatwienie łączności w świecie sieci. Na stronie OIF opublikowane są specyfikacje OIF-C-CMIS, która jest rozszerzeniem „zwykłego" CMIS o cechy charakterystyczne dla modułów koherentnych.

Jak działa CMIS?

CMIS wprowadza zupełnie nowe pojęcia jak Application, Data Path, maszyna stanów, Control Sets, Signal Integrity. W dokumencie CMIS zawarta jest również cała mapa pamięci EEPROM, która w jasny sposób opisuje aktualizacje firmware (oprogramowania układowego) modułu.

Mapa pamięci modułów QSFP28  jest zgodna ze standardem  SFF-8636. Zawiera tylko cztery strony pamięci, co jest wystarczające do obsłużenia wszystkich funkcjonalności modułów QSFP28.

Moduły nowych generacji 400G/800Gsą dużo bardziej złożone niż standardowe QSFP28, stąd też sama mapa jest obszerniejsza. Zawiera znacznie więcej informacji w stosunku do starszych wersji.

W oprogramowaniu pojawiły się także obszary pamięci zwane „Bank Pages”, które zapewniają obsługę 8 linii przesyłu danych oraz i ich wielokrotność.

W przypadku modułów QSFP-DD mamy możliwość dostosowywania modułu do wymaganej konfiguracji pracy. Są to tzw. aplikacje udostępniane przez moduł. Najbardziej zaawansowane moduły mogą udostępniać nawet 15 aplikacji. Przykładowo: 1x400G, 2x200G, 1x100G, 2x100G, 3x100G, 4x100G.

Aplikacja określa wiele warunków takich jak: liczba torów elektrycznych pomiędzy modułem a hostem, liczba torów optycznych, rodzaje modulacji użytych po stronie elektrycznej i po stronie optycznej oraz mapowanie analogicznych torów po stronie elektrycznej i optycznej.

Jeśli tylko pozwalają na to zasoby sprzętowe modułu, to może on jednocześnie udostępniać kilka instancji tej samej aplikacji. Przykładowo, moduł może pracować jako 1 x 400GBASE-DR4 (8 torów elektrycznych oraz 4 torów optycznych), ale także jako niezależne od siebie 4 x 100GBASE-DR (2 tory elektryczne; 1 tor optyczny).

Ogrom tych możliwości doprowadził do wprowadzenia pojęcia tzw. Data Path. Jest to sposób agregowania i mapowania torów transmisyjnych (lane) po stronie optycznej i elektrycznej oraz zasobów sprzętowych modułu przeznaczonych dla jednej aplikacji. Poniżej, przedstawiamy przykład czterech niezależnych Data Path dla rozważanego powyżej modułu, pracującego jako 4 niezależne instancje aplikacji 100GBASE-DR. Każda z nich używa 2 torów elektrycznych, 1 toru optycznego i zasobów znajdujących się pomiędzy stroną elektryczną a optyczną.

Aby dobrze zarządzać pracą Data Path, wprowadzono tzw. maszynę stanów, czyli algorytm odpowiedzialny za konfigurację poszczególnych elementów modułu. Przed rozpoczęciem pracy, moduł otrzymuje od hosta polecenie ich inicjalizacji. Jeżeli inicjalizacja przebiegła prawidłowo, to Data Path może następnie zostać aktywowana, co m.in. oznacza włączenie lasera bądź laserów.

Host steruje pracą maszyny stanów za pomocą zestawu rejestrów nazywanego Control Set. Oprócz wybrania określonej lub określonych aplikacji, przed aktywacją Data Path, muszą zostać także skonfigurowane używane przez nie tory elektryczne. Do ich poprawnej pracy, wymagane jest podanie dla każdego z nich konfiguracji bloków Tx CDR, Rx CDR oraz parametrów tzw. Signal Intergrity. Przy tak dużych prędkościach transmisji, konieczna jest kompensacja charakterystyki częstotliwościowej tłumienia sygnałów elektrycznych pomiędzy modułem a hostem, czyli tzw. equalizacja.

GBC Photonics Simple Recode Device (SRD)

Stopień skomplikowania struktury pamięci modułów QSFP-DD oraz liczba możliwych do zmiany parametrów ich pracy jest ogromna. Mamy jednak dobrą wiadomość! Użytkownik modułów GBC Photonics nie musi się tym martwić. Za pomocą urządzenia GBC Photonics SRD udostępnimy mu łatwy sposób konfigurowania tych modułów za pomocą kilku kliknięć, tak jak robimy to do tej pory z wszystkimi innymi generacjami modułów.

Zorientowany na rozwój

Dzięki faktycznej unifikacji i standaryzacji, moduły QSFP-DD 400G wchodzą na rynek dużo szybciej niż moduły 100G. Nie ma w tym przypadku obaw o to, czy w czasie rozwoju sieci wciąż będą dostępne moduły pasujące do portów w kupowanym aktualnie sprzęcie, bo funkcjonuje jeden ustandaryzowany typ interfejsu. Ponadto, jego specyfikacja jest na tyle elastyczna, że będzie współpracować również z nowymi modułami, które mogą pojawić się na rynku.