Opóźnienie sieci światłowodowej: gdzie tak naprawdę idą Twoje nanosekundy

Otwórz kilkanaście poradników na temat opóźnień w sieci światłowodowej, a większość z nich podaje to samo równanie: odległość podzielona przez prędkość światła w szkle. Jest poprawny, schludny i opisuje tę część budżetu, z którą prawie nic nie możesz zrobić. Światłowód jednomodowy-przemieszcza się z szybkością około 4,9 mikrosekundy na kilometr, określoną przez współczynnik załamania światła w pobliżu 1,47, a żadne zamówienie nie zmienia tej wartości. Zatem użytecznym pytaniem nigdy nie było, jak szybko światło przechodzi przez szkło. Właśnie dlatego łącze, które powinno odczytywać 25 mikrosekund czasu przejścia, w zestawie testowym wskazuje na wartość bliższą 40 i miejsce, w którym ukryte są brakujące mikrosekundy.

 

Ta luka jest powodem istnienia tego przewodnika. Budujemy i wysyłamytransceivery optyczne, więc spędzamy całe dnie na komponentach znajdujących się pomiędzy światłowodem a przełącznikiem ASIC i to właśnie te komponenty pomija-artykuł dotyczący standardowego opóźnienia w światłowodzie.

 

 

Liczba odległości to podłoga, a nie kondygnacja

 

Od początku do końca opóźnienie jest zwykle zgłaszane jako-czas podróży w obie strony, chociaż-opóźnienie w jedną stronę ma większe znaczenie, gdy budżetujesz w jednym kierunku, a zespoły aplikacyjne zazwyczaj obserwują czas do pierwszego bajtu pod kątem rzeczywistych objawów odczuwanych przez użytkowników. Za wszystkimi trzema kryje się propagacja: czas przelotu impulsu optycznego. W przypadku standardowego światłowodu G.652 o długości 100 km długość ta wynosi około 489 mikrosekund w jedną stronę, a pomiędzy 1310 nm a 1550 nm przesuwa się tylko ułamkowo. Dobrze-zaprojektowane sieci produkcyjne często charakteryzują się całkowitym opóźnieniem w ścieżce światłowodowej wynoszącym-jednocyfrowe milisekundy po zliczeniu każdego urządzenia.

 

Posiedź przez chwilę z implikacją. Opóźnienie propagacji dominuje na trasach-długodystansowych i jest to element, którego nie można odzyskać bez skrócenia trasy fizycznej lub zmiany samego nośnika. Na łączu kampusowym o długości 5 km jest to błąd zaokrąglania. Wszędzie tam, gdzie opóźnienie światłowodu jest faktycznie możliwe do odzyskania, żyje ono gdzie indziej niż szkło, czyli dokładnie tam, gdzie większość przewodników przestaje czytać i kończy pisać.

 

Opóźnienie łącza światłowodowego to stos, a nie kabel

 

Traktowanie opóźnień jako właściwości kabla to pierwszy błąd, a łatwo go popełnić, bo kabel to jedyna część, którą widać. W praktyce opóźnienie w łączu światłowodowym jest sumą co najmniej pięciu warstw, każda z własnym rzędem wielkości i własnymi regulatorami.

 

Składnik opóźnienia	Skąd to pochodzi	Typowa wielkość	Czy możesz to dostroić?
Propagacja	Przejście światła przez szkło	~4,9–5 µs/km (SMF)	Tylko przez długość trasy lub pusty-rdzeń
Serializacja	Taktowanie bitów na linii	Nanosekundy, skalują się z prędkością	Wyższa szybkość linii obniża ją
Transceiver O-E / E-O	Zamiana elektryki na optykę i odwrotnie	Dziesiątki nanosekund do mikrosekund	Wybór architektury modułu
DSP + FEC	Przetwarzanie sygnału i korekcja błędów	Dziesiątki nanosekund do mikrosekund	Wybór modułu i FEC
Przełącz przekazywanie	Zachowaj-i-przekaż dalej lub-przetnij decyzję	Sub-µs do kilku µs na przeskok	Zmień tryb i liczbę poziomów

 

Umieść liczby rzeczywiste na aktywnych warstwach, a argument sam się zrobi. Dostarczany przez nas zespół AEC dodaje 85 do 110 nanosekund. Spójny procesor DSP dodaje mikrosekundy. Przełącznik Store-i-forward buforuje całą ramkę przed przesłaniem jej pojedynczego bitu. Połącz je w stosy z szybkością około 5 mikrosekund na kilometr szkła, a na każdym łączu w odległości mniejszej niż kilka kilometrów podłogę ustala elektronika, a nie światłowód. Abudżet opóźnieńzbudowana na podstawie samego kalkulatora propagacji będzie za każdym razem zaniżać rzeczywistość, dlatego też umowa dotycząca poziomu usług-spisująca szacunkową odległość nie jest jedynie optymistyczna. Jest to niewłaściwy kierunek, który generuje bilety pomocy technicznej.

 

 

Uruchamianie liczb na łączu, które faktycznie wdrożysz

 

Warto dobrze wykonać obliczenia propagacyjne, choćby po to, by wiedzieć, jak mały jest to kawałek tortu na krótkich dystansach. Weź współczynnik załamania ośrodka, oblicz prędkość światła wewnątrz światłowodu i podziel przez nią długość swojej ścieżki. Pojedynczy-zakres trybu przy indeksie 1,47 daje znane 4,9 mikrosekundy na kilometr, więc trasa o długości 100 km zapewnia około 490 mikrosekund w jedną stronę przed dodaniem pojedynczego aktywnego urządzenia. Zaokrąglenie do 5 mikrosekund na kilometr jest wystarczające do oszacowania-pierwszego przejścia opóźnienia światłowodu na kilometr.

 

Dwie zmienne sabotują tę czystą figurę w terenie. Pierwszą z nich jest inflacja ścieżki, ponieważ włókno podąża za prawami-drogi-, a nie liniami prostymi, więc granica między dwoma punktami często znacznie przekracza odległość na mapie. Drugi to temperatura. Opóźnienie propagacji światłowodu jednomodowego-dryfuje wraz z jego współczynnikiem załamania światła, a współczynnik załamania światła dryfuje wraz z ciepłem; thewspółczynnik opóźnienia temperaturowegotypowego światłowodu jedno-modowego wynosi około 7 × 10⁻⁶ na Kelvina, co jest wystarczające, aby precyzyjne łącza taktujące musiały monitorować i kompensować je, zamiast traktować opóźnienie jako stałą (arXiv). W przypadku protokołów synchronizacji, które tolerują tylko kilka nanosekund asymetrii na rozpiętość, dryf ten nie jest akademicki.

 

Zatem uczciwą formułą jest propagacja plus zmierzone opóźnienie urządzenia, a nie sama propagacja. Zaakceptuj to, a prawdziwa praca zajmie się urządzeniami, gdzie największym i najmniej-zrozumianym urządzeniem na łączu jest nadajnik-odbiornik.

 

Transceiver, DSP i opóźnienia FEC, których nikt nie umieszcza w arkuszu kalkulacyjnym

 

Największy możliwy do odzyskania fragment opóźnienia sieci światłowodowej w nowoczesnym łączu zwykle ma miejsce w cyfrowym przetwarzaniu sygnału wewnątrz układu optycznego, a nie w światłowodzie, i możemy to raczej pokazać niż twierdzić. Nasze własne zespoły AEC mierzą od 85 do 110 nanosekund dodatkowego opóźnienia. Z kolei spójny procesor DSP poświęca mikrosekundy na kompensację dyspersji chromatycznej, śledzenie polaryzacji i korekcję błędów w przód, a każdy blok jest wykonywany w czasie rzeczywistym. Moduły-bezpośredniego wykrywania pomijają większość przetwarzania i płacą za nie w zasięgu ręki. To jest cały kompromis pomiędzy wykrywaniem spójnym a bezpośrednim-w jednym zdaniu, a odruch określania wszędzie spójności, ponieważ wygląda lepiej technicznie, polega na tym, że krótkie łącza przenoszą mikrosekundy opóźnienia DSP, którego nigdy nie potrzebowały.

 

Korekta błędów forward zasługuje na osobny akapit, gdyż większość inżynierów traktuje ją jako podatek stały, podczas gdy w rzeczywistości jest to tarcza. FEC dodaje nadmiarowe bity do nadajnika, dzięki czemu odbiornik może odbudować uszkodzone dane bez proszenia o retransmisję, a im silniejszy kod, tym dłuższe dekodowanie. Dlatego AŁącze Ethernet 400Gnie działa z szybkością 400 gigabitów. Działa bliżej 425, aby obsługiwać kodowanie RS-544, co stanowi mniej więcej 12,5% narzutu opóźnienia FEC, który zapewnia odporność na błędy kosztem zarówno przepustowości, jak i czasu przetwarzania. W przypadku czystego, krótkiego łącza często można przejść do lżejszego kodu i bezpośrednio odzyskać opóźnienia.

 

Dwóch kolejnych autorów-na poziomie urządzenia ukrywa się w projektach-długodystansowych. Moduły kompensacji dyspersji, zbudowane w tradycyjny sposób, w naszych własnych pomiarach laboratoryjnych dodają co najmniej 60 nanosekund każdy na odcinku 80 km 1550 nm, a te dziesiątki nanosekund kumulują się na każdym odcinku trasy; światłowodowe siatki Bragga wykonują to samo zadanie niemal bez dodatkowego opóźnienia, dlatego też wybierają je operatorzy mający obsesję na punkcie opóźnień. Optyczna-elektryczna-konwersja optyczna w transponderach i multiplekserach to druga metoda, często kosztująca kilka mikrosekund na konwersję, więc każdy niepotrzebny punkt regeneracji na ścieżce to opóźnienie, na które zgodziłeś się niezauważenie. Żadna z tych liczb nie pojawia się w kalkulatorze odległości i każdą z nich możesz zaprojektować.

 

 

Kiedy nanosekundy są warte miliony

 

Nigdzie taka księgowość nie jest bardziej bezwzględna niż handel-o wysokiej częstotliwości, w którym firmy spędziły dziesięć lat na udowadnianiu, że opóźnienia są jednym z głównych elementów rachunku zysków i strat. Często-cytowane szacunki branżowe, według których jedna milisekunda przewagi może być warta setki milionów dolarów rocznie w przypadku dużej operacji handlowej, to liczba, która reorganizuje całą strategię dotyczącą infrastruktury.

 

Ze względów ekonomicznych firmy handlowe kolokują, wynajmując przestrzeń w szafach wewnątrz giełdy, aby skrócić okablowanie między swoimi serwerami a silnikiem dopasowującym do kilku nanosekund. To dlatego-w przypadku długodystansowych tras HFT zastosowano technologię mikrofal, która przebiega w powietrzu--prostszej linii wzroku niż w przypadku jakiegokolwiek zakopanego światłowodu, i dlatego mikroskopijne wibracje gruntu pochodzące z odległej konstrukcji, wystarczające do spowodowania setek nanosekund opóźnienia, są traktowane jako awaria operacyjna. I właśnie dlatego ostatnia mila po cichu zamieniła się w włókno-z pustym rdzeniem, w którym światło przemieszcza się z prędkością bliską swojej-przestrzeni swobodnej wynoszącej około 300 000 kilometrów na sekundę, a nie prawie 200 000, jakie osiąga w stałej krzemionce, co powoduje opóźnienie propagacji, które w przeciwnym razie narzuca współczynnik załamania światła.

 

Zmniejszenie opóźnień światłowodu bez kupowania prostszej trasy

 

Załóżmy, że nie możesz przesuwać budynków ani-ponownie wykopywać trasy. Nadal istnieją znaczne opóźnienia w naprawie i prawie w całości wynika to z decyzji o wyborze, a nie projektu budowlanego. Dźwignie, w przybliżonej kolejności wypłaty:

 

• Dopasuj klasę modułu do zasięgu, a nie do specyfikacji.Bezpośrednie-wykrywanie tam, gdzie pozwala na to odległość, spójność tylko tam, gdzie naprawdę tego potrzebujesz, ponieważ nadmierne-określenie spójnej optyki na krótkim łączu importuje mikrosekundy opóźnienia DSP bez korzyści.

 

• Dostosuj FEC do łącza, a nie do przyzwyczajenia.Czyste, krótkie łącze rzadko wymaga najcięższego kodu, a lżejsze bezpośrednio zwraca czas przetwarzania.

 

• Zaprojektuj nadmiarowe O-E-O.Każdy punkt regeneracji transpondera, który możesz wyeliminować, pozwala zaoszczędzić kilka mikrosekund.

 

• Preferuj kompensację dyspersji z małym-opóźnieniem.Siatki Bragga z włókna nad modułami dyspersyjnymi, wszędzie tam, gdzie pozwala na to konstrukcja.

 

• Szanuj warstwę fizyczną.Pojedyncze zagięcie poza minimalny promień lub zanieczyszczone złącze może wymusić przejście łącza w wolniejszy i bardziej skorygowany tryb, cicho wykorzystując opóźnienie, za które już zapłaciłeś.

 

Na co zwrócić uwagę w arkuszu danych transiwera-o niskim opóźnieniu

 

Gdy wymagane jest opóźnienie, arkusz danych powie Ci więcej niż tylko zasięg i długość fali, jeśli wiesz, które linie przeczytać. Nadaj priorytet jitterowi modułu, jego bitowej stopie błędów i przejrzystości diagnostycznej w stosunku do prędkości nagłówkowej. Liczby te mają znaczenie dopiero wtedy, gdy wiesz, jak zostały zmierzone i czy utrzymują się na roślinie włóknistej.

 

Jitter to pierwsza linia. Sub-pikosekundowe drgania i diagramy „czystego oka” na każdym pasie zapobiegają cichemu przejściu łącza w wolniejszy, silniej poprawiony stan, a moduł podający współczynnik błędów bitowych poniżej 10⁻¹² przy pełnym zasięgu informuje, że ma margines do wykorzystania, a nie margines już wykorzystany. Standardy-warstwy fizycznej znajdują się na tej samej liście kontrolnej: dopasowane złącza trzymane razemIEC 61300-3-35standard czystości powierzchni czołowej i klasy zasięgu 800G utrzymywane wewnątrzIEEE 802.3ckwstawienie-budżetu strat, ponieważ łącze, które ulegnie awarii, po cichu płaci za to dodatkową pracą FEC i dodatkowym opóźnieniem.

 

Często zadawane pytania