Fiber-technologie in het datacenter: MPO is uitgegroeid tot dé standaard connector

De vaststelling dat dankzij de enorme groei van de informatietechnologie ongekende hoeveelheden data verstuurd worden is natuurlijk niet nieuw. Wél nieuw is dat een oude technologie als Ethernet steeds beter in staat blijkt om deze vloedgolf aan data via Multi-Mode Fiber (MMF) te verwerken. Ab Vingerling van Rosenberger-OSI legt in dit artikel uit hoe dit in zijn werk gaat. Hij gaat daarbij onder andere in op de ‘Roadmap to the Terabit Mountains’ die is opgesteld door de Ethernet Alliance. Opvallend is de overheersende rol die de MPO-connector is gaan spelen - een positie die de komende jaren gehandhaafd zal blijven.

Van 1995 tot 2010 verliep de ontwikkeling van Ethernet over Multi-Mode Fiber (MMF) in feite heel rustig (zie figuur 1). Ethernet-snelheden ontwikkelden zich in die periode lineair: van 10 Mb/s naar Fast Ethernet ofwel 100 Mb/s naar 1Gb/s en 10 Gb/s. Rond 2010 zag de eerste 100G Ethernet-versie het licht: 100GBASE SR10.

Figuur 1: Roadmap to the Terabit Mountains

Snellere LED’s en lichtbronnen

Onder 1G werd de snelheidsverhoging van Ethernet multi mode transceivers gerealiseerd door enerzijds snellere LED’s toe te passen en anderzijds snellere lichtbronnen in de vorm van VCSEL ofwel ‘vertical cavity surface emitting lasers’. Daardoor kon de gewenste hoeveelheid data serieel verstuurd worden via twee MMF-vezels (één per richting) met gebruik van fiber optic (FO) duplex-connectoren.

Met de komst van 40GBASE-SR4 en 100GBASE-SR10 voldeed deze aanpak niet meer. Met de komst van deze standaarden werd het noodzakelijk om de data in vier of tien data streams op te splitsen, waarbij iedere stream met een snelheid van 10 Gb/s wordt verwerkt. Multi-mode lichtbronnen sneller dan 10G zijn niet geschikt om data serieel te versturen, vandaar de noodzaak om de datastroom te verdelen over meerdere streams die parallel aan elkaar worden verzonden. Er is wederom sprake van één vezel per richting, zodat 40 Gb/s acht vezels vereist, terwijl voor 100 Gb/s twintig bidirectionele vezels nodig zijn. Daarmee begon ook het tijdperk van de passieve parallelle optics over MMF.

Niet goed

40GBASE-SR4 paste echter niet goed in de snelheidsverbeteringen die we bij Ethernet gewend zijn. De reden hiervoor is dat de gewenste Short Reach 4 (SR4) transceivers in de QSFP-form factor al tegen aantrekkelijke kosten en bovendien in de vorm van zeer betrouwbare producten beschikbaar waren. Deze waren namelijk oorspronkelijk ontwikkeld voor de multi-mode parallelle optics-versie van Infiniband 4x elektrische interface. Een product dat uit het begin van deze eeuw stamt. Deze transceivers maken gebruik van een push-on connector (ook wel multifiber push-on of MPO genoemd) en zijn aangepast om met acht vezels uit de voeten te kunnen. Tegenwoordig noemen we dit ook wel ‘SR4 polarity’ (zie figuur 2).

Figuur 2: MPO met SR4 polariteit

De eerste transceivers voor 100GBASE-SR10 kenden een zogeheten ‘C form factor pluggable‘ module (CFP). Deze vereiste een nieuwe versie van de MPO-connectorinterface waarbij twintig MMF-vezels in twee rijen van tien zijn ‘gestapeld’. De zogeheten 2x10-configuratie.

Defacto standaard

De MPO-standaard als transceiver connectorinterface werd voor het eerst gebruikt bij 40GBASE-SR4 en 100GBASE-SR10 en is in de loop van de jaren uitgegroeid tot de defacto standaard voor passieve bekabeling. De oorspronkelijke MTP-merknaam voor fiber optic is ontwikkeld door US Conec in de jaren negentig. Het was echter IBM dat in nauwe samenwerking met Rosenberger-OSI de MTP breed in de markt zette. De kernfunctionaliteit van MTP is in het jaar 2000 als MPO opgenomen in een formele standaard, de IEC 61754-7. US Conec heeft de kwaliteit en de prestaties van de MTP verder ontwikkeld, maar heeft er daarbij wel altijd voor gezorgd dat voldaan wordt aan de MPO-standaard (zie figuur 3). Overigens is MPO dus een merknaam.

Figuur 3: Multi-Mode Fibre

De standaardisatieprojecten richten zich met name op de doelstelling om een minimale transmissielengte over MMF te realiseren van 100 meter. De definitie van MMF gaat uit van een zogeheten ‘graded index’ van 50m diameter van de kern van de vezel bij een 125m mantel (50/125m) OM4 fiber conform de ISO-standaard 11801. Kortere lengtes over OM3 kunnen eveneens toegepast worden, waarbij echter van geval tot geval onderzocht moet worden in hoeverre bestaande OM3-bekabeling kan worden gebruikt.

Overheersende positie

Uit meerdere marktonderzoeken is inmiddels duidelijk geworden dat 100G transceivers de komende tijd de toon gaan zetten in datacenters en daar zelfs een dominante positie zullen gaan innemen. Deze verwachtingen sluiten goed aan op de vraag die vanuit de markt op leveranciers afkomt. Dat is dan ook meteen de verklaring voor het feit dat binnen de Ethernet Alliance nieuwe 100G Ethernet-varianten worden ontwikkeld. De eerste daarvan was dus 100GBASE-SR10 die in 2010 werd gepubliceerd. In 2015 volgde 100GBASE-SR4, terwijl naar verwachting in 2018 100GBASE-SR2 zal verschijnen. Alle deze standaarden gaan uit van passieve parallelle opties op basis van de MPO-connector.

Figuur 4: De interfaces van vandaag en morgen

Zoals weergegeven in figuur 4 is MPO de standaard connector voor MMF transceivers sinds 40GBASE-SR4. Bij toekomstige MMF Ethernet-standaarden met hogere data rates zal deze positie ook zo blijven. Let echter wel op dat er meerdere soorten en typen MPO-connectoren zullen ontstaan. Deze zullen speciale polariteiten kennen voor de diverse vezels, zodat voor goede ondersteuning voor verschillende toepassingen kan worden zorggedragen.

Whitepaper downloaden

Rosenberg heeft een whitepaper getiteld ‘Roadmap to 400 Gigabit Ethernet over Multimode Fiber’ opgesteld waarin dieper op deze ontwikkelingen wordt ingegaan. Dit document kan hier worden gedownload.

De ontwikkeling van nieuwe IEEE 802.3 Ethernet-standaarden 

• 25GBASE-SR
  • Door de ontwikkeling van 100GBASE-SR4 in 2015 werd het noodzakelijk een nieuwe standaard te ontwikkelen voor een lagere snelheid in de vorm van 25GBASE-SR. Deze is in 2016 formeel vastgelegd als IEEE 802.3by
  • Ontwikkeld voor het aggregeren van vier 25G server-poorten naar één 100G switch-poort
  • De transceiver gebruikt de bekende SFP+ form factor met LC-Duplex connectorinterface, maar dan met 25Gb/s snelheden

• 50GBASE-SR
  • Om naar 200GBASE-SR4 te kunnen groeien verricht momenteel een taskforce binnen IEEE 802.3cd een studie naar de ontwikkeling van een voor lagere snelheden bedoelde 50GBASE-SR-standaard
  • Deze is ontworpen voor het aggregeren van vier 50G server-poorten naar één 200G switch-poort
  • Geplande introductie: 2018
  • Vermoedelijk zal de transceiver gebruik maken van de SFP+ form factor met LC-Duplex als connectorinterface, maar dan met 50 Gb/s als snelheid

• 100GBASE-SR2
  • IEEE 8023.cd doet momenteel ook onderzoek naar 100GBASE-SR2
  • Bedoeling van dit project is om twee 50G server-poorten te kunnen aggregeren naar één 100G switch-poort.
  • Deze Ethernet-versie staat gepland voor 2018 en zal samen met 50GBASE-SR worden gepubliceerd
  • Het ziet er naar uit dat de transceiver de QSFP forma factor zal gebruiken met een MPO connectorinterface. Er zal vermoedelijk sprake zijn van een polariteit die hetzelfde is als SR4 maar waarbij dan alleen de twee buitenste vezels aan iedere zijde van een 120-vezels MPO worden benut 

• 200GBASE-SR4
  • IEEE 802.3cd doet momenteel onderzoek naar deze derde Ethernet-snelheid
  • De planning voor publicatie is 2018, samen met 50GBASE-SR en 100GBASE-SR2
  • De configuratie zal vermoedelijk vergelijkbaar zijn met de eerdere Ethernet SR4-devices: QSFP transceivers met 4x 50G MPO-connectorinterface en de bestaande SR4-polariteit

Ab Vingerling, Rosenberger-OSI