Name: Les centres de données Notions fondamentales (normes, fibres optiques, connectique, émetteurs-récepteurs, protocoles...)
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Introduction

Les émetteurs-récepteurs optiques ou transmetteurs-récepteurs (transmitter-receiver) ou encore transcepteurs (transceiver) sont des composants capables d’émettre des signaux lumineux - fonction transmission - et de les récupérer - fonction réception.

Ils permettent la connexité entre la carte-mère d’un équipement de communication - commutateur, routeur, convertisseur de média, etc. - et le support de transmission : câble en cuivre ou fibre optique. Il en existe plusieurs familles qui ont évolué au fil du temps en fonction des protocoles - Ethernet, Fibre Channel, InfiniBand, etc. - et de leurs augmentations de débits de transmission des données ainsi que du mode de codage desdites données.

Codage et modulation des signaux

1. Où il est question du gigabaud

Dans les spécifications des émetteurs-récepteurs, le débit de la liaison est souvent exprimé en gigagbauds (Gbaud ou GBd), soit 10⁹ bauds (Bd).

Rappelons que le baud (Bd) est une unité de mesure du débit d’une transmission. Un nombre de bauds exprime le nombre de signaux transmis en une seconde. Or, un signal (un symbole) peut transporter un ou plusieurs bits selon le format de modulation utilisé, comme la modulation d’impulsions en amplitude (Amplitude-Shift Keying - ASK), la modulation par déplacement de phase (Phase-Shift Keying - PSK), la modulation d’amplitude en quadrature (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), etc. Par exemple, un débit de 25 GBd avec une modulation à 4 bits par symbole permet la transmission d’un débit de 25 x 4 = 100 Gbit/s.

Ce nom a été donné en l’honneur d’Émile Baudot (1845-1903), créateur du code Baudot, premier codage d’éléments binaires qui était alors employé dans les téléscripteurs.

2. Codages 8B/10B, 64B/66B et 256B/257B

Codage 8B/10B

Le codage 8B/10B (parfois écrit 8b/10b) est un mode d’encodage orienté octet. Il transcrit tout symbole de 8 bits en un symbole codé sur 10 bits, d’où...

Émetteurs-récepteurs optiques SFP

La famille d’émetteurs-récepteurs optiques SFP (Small-Form Factor Pluggable) est une famille de modules à dimensions réduites.

Small Form-Factor (SF ou, parfois, SFF) veut signifier une taille réduite. Ce terme générique indique qu’un nouveau produit fait la même chose que celui qu’il va remplacer mais dans un encombrement réduit. Il est fréquemment rencontré dans le nom des nouveaux composants et équipements des réseaux de communication, des centres de données et des centres informatiques. Il est souvent accolé au sigle MSA (Multisource Agreement) qui signale qu’un groupe d’industriels ou d’opérateurs décide de les développer et de les installer avec des nouvelles dimensions en dehors des normes existantes et va essayer de les imposer via l’interopérabilité desdits composants. En quelque sorte, on retrouve le concept de norme de facto, norme qui va être imposée, par rapport à la norme de jure.

1. Famille SFP

Les modules ont évolué et constituent une famille d’émetteurs-récepteurs assez large.

SFP, première génération pour des débits de 100 Mbit/s à 4 Gbit/s, qui remplace l’ancien GBIC (GigaBit Interface Converter). Il y a une première...

Émetteurs-récepteurs optiques CXP

Famille CXP

L’émetteur-récepteur CXP (C pour 12 en base hexadécimale, X pour eXtended capability, soit un débit amélioré, et P pour Pluggable, c’est-à-dire enfichable "à chaud’’) existe en version cuivre et en version fibres optiques multimodales dont la connectique optique est un MPO-12 fibres deux rangées. D’où deux modèles : CXP 100G-SR10, utilisant 10 fibres pour les transmissions, et CXP 100G-SR12, utilisant 12 fibres.

Émetteurs-récepteurs CXP

Domaines d’applications

Le CXP assure des transmissions, dans la fenêtre des 850 nm, sur un maximum de 12 canaux à 10 Gbit/s par canal afin de fournir une bande passante totale de 120 Gbit/s en théorie et de 96 Gbit/s en réel.

Il est présent dans des applications des centres de données telles Ethernet à 100 Gbit/s, avec le CXP 100G-SR10, ou InfiniBand à 120 Gbit/s, avec le CXP 100G-SR12. Il est utilisé soit en cordon optique actif (AOC), soit en lien plus long. Dans ce cas, la distance couverte est fonction de la fibre multimodale : 100 m sur A1-OM3, 150 m sur A1-OM4 et jusqu’à 500 m sur A1-OM5.

Émetteurs-récepteurs optiques QSFP

1. Famille QSFP

Pour suivre les nouveautés des divers protocoles, les émetteurs-récepteurs SFP10 révoluent afin de pouvoir transmettre sur quatre liaisons en parallèle. C’est l’arrivée, en 2010, des QSFP (Quad Small Form-Factor Pluggable).

Comme la famille des SFP, au fil du temps, les émetteurs-récepteurs QSFP ont évolué, d’une part, pour tenir compte de la montée en débit des protocoles de transmission des données et, d’autre part, pour diminuer leurs tailles et donc l’encombrement dans les centres de données.

QSFP10 (nouveau nom du QSFP d’origine). Il a pour spécification un débit de 10 GBd en codage NRZ par lien, soit 10 Gbit/s par lien, et donc, sur les quatre liaisons, le débit est de 4 x 10 Gbit/s. On le rencontre dans les applications 10GbE, 8GFC et DDR d’InfiniBand.
QSFP14, évolution du QSFP. Le nombre 14 correspond à l’interface électrique qui peut supporter un débit de 14,5 GBd par lien, donc des émetteurs-récepteurs dédiés aux transmissions de 4 x 14,5 Gbit/s, comme des applications à 58 Gbit/s pour InfiniBand ou 16GFC.
QSFP28, évolution du QSFP créée en mai 2013. Le nombre 28 correspond à l’interface électrique qui peut supporter un débit de 28 GBd en codage NRZ par lien, donc des émetteurs-récepteurs dédiés aux transmissions de 4 x 28 Gbit/s, comme des applications à 100 Gbit/s telles que le 100GbE, le 32GFC et EDR d’InfiniBand. Il existe en deux versions.

QSFP28-SR4 (SR pour Short Reach ou distance courte), soit une centaine de mètres sur fibres multimodales à 850 nm, avec une connectique de type MPO ou MTP.
QSFP28-LR4 (LR pour Long Reach ou distance longue), soit jusqu’à 10 km sur fibres unimodales à 1 310 nm, avec une connectique de type LC duplex.

Émetteur-récepteur QSFP28

QSFP56, évolution du QSFP28. Cet émetteur-récepteur normalisé en 2019 est doté d’une interface électrique qui supporte 58 GBd en codage PAM-4, d’où un débit de 4 x 58 Gbits/s, utile pour les applications à 200 Gbit/s comme le 200GbE...

Émetteurs-récepteurs optiques µQSFP

1. Famille µQSFP

L’émetteur-récepteur µQSFP ou micro QSFP est un module qui a le format d’un SFP à un simple lien à 28 Gbit/s, mais qui apporte les fonctionnalités d’un QSFP, soit 4 x 28 Gbit/s. Cela représente ainsi une diminution de l’encombrement d’environ 33 %.

La première version des spécifications a été publiée en janvier 2016 et complétée par la deuxième version en mars 2016 pour des débits de 28 Gbit/s par lien, avec des distances de 100 m en fibres optiques multimodales et jusqu’à 10 km en fibres unimodales. Une version récente offre la possibilité de monter jusqu’à 50 Gbit/s par lien, en modulation PAM-4.

Différence de tailles entre QSFP et µQSFP

2. Association µQSFP MSA

µQSFP MSA (micro Quad Small Form-Factor MultiSource Agreement) est un consortium d’une vingtaine d’industriels créé en 2015. Ils œuvrent pour le développement des µQSFP.

Adresse Internet : http://www.microqsfp.com/

Émetteurs-récepteurs optiques BiDi

1. Famille BiDi

BiDi (pour BiDirectionnel) désigne ici l’emploi de la capacité des fibres optiques à transmettre des signaux lumineux simultanément dans les deux sens, sur deux longueurs d’onde différentes - 850 nm et 910 nm - et en modulation PAM-4. Cela permet de "doubler" la capacité de transport desdites fibres et, ainsi, de rentabiliser les systèmes de câblage déjà installés dans les centres de données.

Les caractéristiques sont détaillées dans le document "400G-BD4.2 Multimode Fiber 8x50Gbps Technical Specifications" publié en septembre 2018 par l’association 400G BiDi MSA.

Le débit de 8 x 50 Gbit/s, soit 400 Gbit/s, est transmis sur des fibres optiques multimodales A1-OM3 (jusqu’à 70 m), A1-OM4 (jusqu’à 100 m) et A1-OM5 (jusqu’à 150 m).

Il existe des émetteurs-récepteurs SFP BiDi. On peut aussi noter les QSFP BiDi et les QSFP-DD BiDi avec différentes interfaces optiques : LC duplex, SN, MDC… Mais la plus fréquente est l’interface MPO-12 avec une rangée de 12 fibres, les 4 fibres centrales étant inoccupées.

Interface optique d’un QSFP-DD BiDi

2. Association 400G BiDi MSA

400G BiDi MSA (400 Gbit/s BiDirectional Multisource...

Émetteurs-récepteurs optiques CFP

1. Famille CFP

Les industriels appartenant au CFP MSA ont défini les caractéristiques des modules émetteurs-récepteurs CPF (C pour 100 en chiffres romains et FP pour Form-Factor Pluggable) pour les débits de 100 Gbit/s, puis les ont étendues aux débits des Ethernet 40GbE, 100GbE et 400GbE. Leurs objectifs sont la diminution de l’encombrement de ces modules, leur interopérabilité, une consommation électrique modérée et l’insertion-extraction à chaud.

Après le premier CFP, le CFP MSA a conçu des variantes de tailles encore plus réduites et/ou plus performantes, comme les CFP2, CFP4 et CFP8.

CFP2, évolution du CFP. En divisant l’encombrement par deux, il supporte 4 x 25 Gbit/s ou 10 x 10 Gbit/s.
CFP2-ACO (ACO pour Analog Coherent Optics), pour les transmissions cohérentes analogiques sur fibres optiques. Cette version est poussée par l’OIF (Optical Internetworking Forum) qui a donné son agrément d’installation dans les réseaux métropolitains SDN à 100 Gbit/s et à 200 Gbit/s.
CFP2-DCO (DCO pour Digital Coherent Optics), pour les transmissions cohérentes numériques sur fibres optiques.

Famille de modules émetteurs-récepteurs CFP

CFP4, évolution du CFP2. Il supporte 4 x 25 Gbit/s...

Émetteurs-récepteurs CDFP

1. Famille CDFP

Les CDFP (CD pour 400 en chiffres romains et FP pour Form-Factor Pluggable)sont des émetteurs-récepteurs conçus pour les débits de 400 Gbit/s via la transmission en parallèle sur 16 liens à 25 Gbit/s par lien, ou bien sur 4 liens à 100 Gbit/s par lien. On les rencontre essentiellement dans les applications à 400 Gbit/s des centres de données. Les distances couvertes sont de l’ordre de 100 m pour les fibres multimodales et 2 km pour les fibres unimodales.

Modules CDFP

2. Association CDFP MSA

CDFP MSA (CDFP Multisource Agreement) est un consortium d’une douzaine de fournisseurs œuvrant pour le développement des modules CDFP. Cette association a défini les caractéristiques des CDFP et les a révisées en mars 2015 (Rév. 3.0). Depuis, elle est quasiment en sommeil.

Adresse Internet : http://cdfp-msa.org/

Émetteurs-récepteurs à 800 Gbit/s

Divers concurrents participent à la course au débit pour la transmission de 800 Gbit/s :

OSFP (Octal Small Form-Factor Pluggable), avec des produits opérationnels.
QSFP-DD800 (Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density 800), dont les spécifications ont été publiées en mars 2020.
QSFP-112, aussi appelé 800G pluggable et dont les spécifications sont attendues fin 2020.

1. Émetteurs-récepteurs OSFP

a. Famille OSFP

Les émetteurs-récepteurs OSFP ont été créés pour répondre aux montées en débit dans les centres de données.

Ils doivent assurer, dans un premier temps, les transmissions de 400 Gbit/s via 8 liens en parallèle à 50 Gbit/s par lien, soit 8 x 50 Gbit/s. Dans un second temps, les évolutions des spécifications autorisent les transmissions à 800 Gbit/s via 8 x 100 Gbit/s.

Outre les débits, ils se caractérisent par leurs dimensions beaucoup plus faibles que celles des QSFP. Il est à noter qu’il existe un adaptateur permettant la rétrocompatibilité entre les modules OSFP et QSFP.

Modules OSFP

En mars 2020, la révision 3.0 des spécifications OSFP a été publiée. Quelques éléments clés sur les fibres optiques...

Évolution et marché des émetteurs-récepteurs

Évolution des émetteurs-récepteurs optiques

La course au débit dont il est très (ou trop ?) souvent fait mention dans les centres de données est bien réelle. Exemples de transmission dans le volume de 1U : en 2013, c’était 1,28 Tbit/s avec 40 Gbit/s par lien sur 128 liens, et, en 2019, c’était 12,8 Tbit/s avec 400 Gbit/s par lien sur 256 liens.

Évolution du débit des émetteurs-récepteurs optiques

Marché des émetteurs-récepteurs optiques

D’après le cabinet d’études de marché Lightcounting, le marché mondial des émetteurs-récepteurs optiques, qui est supérieur à 6 milliards de dollars en 2020, devrait continuer à croître les prochaines années.

Les évolutions qui vont "tirer" ce marché sont, d’une part, les protocoles des centres de données, tels Ethernet, Fibre Channel et le multiplexage par répartition en longueurs d’onde (SWDM/CWDM/DWDM), les nouvelles infrastructures des réseaux de communication sans fil dont celles servant au déploiement de la 5G, les centres de calcul à hautes performances (High Performance Computing - HPC), et d’autre part, la croissance des débits demandés dans les réseaux...