Приветствую, коллеги! Это опять @ProstoKirReal. В прошлых статьях я с вами обсуждал работу и историю развития SFP-модулей, их альтернативы в виде DAC и AOC, а также оптические кабели и пассивные компоненты:

• Сложно о простом. Все, что бы вы хотели знать о SFP модулях. Часть 1. Эволюция модулей и базовые понятия.

• Сложно о простом. Все, что бы вы хотели знать о SFP модулях. Часть 2. Оптические кабели.

• Сложно о простом. Все, что бы вы хотели знать о SFP модулях. Часть 3. Принцип работы, скорости и методы передачи.

• Сложно о простом. Все, что бы вы хотели знать о SFP модулях. Часть 4. Альтернатива SFP (DAC AOC) и пассивные компоненты.

В данной статье я бы хотел обсудить вместе с вами SFP-модули с технологиями уплотнения.

❯ Зачем нужна эта статья?

Данная статья нам нужна для того, чтобы разобраться в базовых понятиях и разобрать:

• что такое WDM;

• что такое CWDM;

• что такое DWDM;

• как выбрать DWDM/CWDM SFP-модуль;

• как работают мультиплексоры и демультиплексоры;

• на что смотреть при выборе WDM-системы.

❯ Зачем вообще нужна технология уплотнения?

Классическая схема подключения SFP-модулей между собой выглядит так:

SFP-модуль TX → одно волокно дуплексного патч-корда → SFP-модуль RX
SFP-модуль RX ← одно волокно дуплексного патч-корда ← SFP-модуль TX

По каждому волокну передается свой световой импульс на одной длине волны, тем самым объем передаваемой информации ограничен.

Для стандартных сетей это не проблема, можно добавить еще модулей и увеличить пропускную способность. А что если у вас есть кабель на 8 волокон, который закопан в землю, а нужно организовать 16 независимых каналов между кампусами/ЦОДами или подключить десятки базовых станций? Прокладывать новую оптику дорого и долго.

Что тогда делать?

На помощь приходят технологии уплотнения или WDM.

❯ Что такое WDM и зачем он нужен?

WDM (Wavelength Division Multiplexing) – это технология, которая позволяет передавать по одному оптическому волокну множество независимых сигналов, каждый на своей длине волны.

Простая аналогия. Представьте обычную проселочную дорогу с одной полосой. По ней могут двигаться машины (данные) только друг за другом. Тем самым скорость передачи данных ограничена. Теперь мы заменим проселочную дорогу на многополосное шоссе.  Вот сейчас трафик может двигаться параллельно, тем самым увеличивая скорость передачи данных.

WDM как раз позволяет из обычной проселочной дороги сделать многополосный автобан.

Зачем это нужно?

1. Первоочередная задача – это экономия волокон. В одном оптоволокне вместо одного сигнала можно передать десятки отдельных независимых каналов, используя для каждого свою длину световой волны;

2. Увеличение пропускной способности без прокладки новых волокон. Особенно критично для магистральных линий, где каждый километр новой оптики стоит огромных денег.

❯ Как работает WDM?

Есть несколько способов организации дуплексного канала связи по одному (симплексному) оптическому волокну.

Они все основаны на втором законе оптики, который говорит, что световые лучи распространяются независимо друг от друга. То есть лучи не влияют друг на друга, и распространяются так, как будто других лучей не существует.

Bidirectional (BiDi)

Технология BiDi – это частный случай WDM, при котором используются две длины волны для организации дуплексного канала по одному волокну.

Суть BiDi проста – организация высокоскоростных дуплексных каналов со скоростью передачи данных на разных длинах волн, например 1270 и 1310 нм 

В модуль встроен WDM-фильтр (мультиплексор/демультиплексор), который физически разделяет две длины волны. Лазер излучает на одной длине волны (например, 1310 нм), а фотодиод принимает только на другой (1550 нм). Оба сигнала передаются по одному и тому же волокну одновременно, но не мешают друг другу, потому что оптические фильтры на приеме и передаче настроены на «свои» волны.

Ключевой момент. Когда используются «одноглазый» WDM  модуль, на противоположном конце должен быть установлен парный модуль с зеркальными длинами волн, например, TX 1550 нм / RX 1310 нм.

Чтобы было проще найти парный модуль, в артикулах производителей часто меняют местами цифры, обозначающие длины волн, например: XX-YY35ZZZZ и XX-YY53ZZZZ.

Или такие модули сразу идут комплектом

Например этот.

❯ Передача по оптическому волокну WDM

Собственно говоря а как это выглядит на самом деле?

С обычными SFP-WDM модулями все просто. Эти модули обычно «одноглазые» с коннекторами SC или LC (Для Bidi на скорости от 10GE и выше идут только LC разъемы). Они подключаются обычными патч-кордами между собой. В промежутке могут быть оптические кроссы, которые коммутируют обычную линию в магистральную.

Для того, чтобы кратно увеличить пропускную способность каналов используют мультиплексирование CWDM или DWDM.

Об этих технологиях расскажу чуть ниже, а сейчас как это все выглядит.

Множество SFP-модулей с разными длинами волн подключаются к одному мультиплексору, который объединяет все каналы от этих модулей и направляет в оптическое волокно. На другой стороне стоит демультиплексор, который разделяет каналы и направляет потоки в конкретные модули с конкретными длинами волн.

Для DWDM используются оптические усилители, для того, чтобы увеличить протяженность магистрального канала.

Интересно, что передатчик (TX) работает на строго заданной длине волны, а приемник (RX) обычно выполняется широкополосным, что позволяет принимать и детектировать сигнал на различных длинах волн.

Примерные схемы на картинках.

Теперь поговорим конкретно по каждому компоненту отдельно.

❯ Что такое CWDM?

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – технология грубого спектрального уплотнения. Название «грубое» связано с тем, что используется относительно широкий шаг между каналами – 20 нм.

Почему именно «грубое»? Исторически CWDM использует диапазон длин волн, несовместимый с оптическими усилителями EDFA. Это ограничило применение технологии в сверхдальних магистралях, но для задач «до 60–80 км» она оказалась идеальной.

Технология CWDM основана на особенности распространения светового излучения на различных длинах волн. Излучение на различных длинах волн в среде с постоянным показателем преломления имеет разную скорость распространения и, при условии достаточного удаления длин волн, не взаимодействует.

В 2002 году международный институт ITU в документе G.694.2 стандартизировал сетку длин волн для технологии CWDM . В сетке длин волн CWDM используются длины волн от 1270 до 1610 нм, разница между каналами составила 20 нм.

Данная сетка была пересмотрена в 2003 году, в результате чего она сдвинулась на 1 нм (1271-1611 нм), однако большинство производителей оборудования CWDM и пользователей систем CWDM используют в обозначениях длин волн значения из старой сетки 1270-1610 нм.

На практике разница в 1 нм не критична, но знать об этом стоит, чтобы не путаться в спецификациях.

Характеристики CWDM:

• рабочий диапазон: примерно 1270-1610 нм;

• шаг между каналам – 20 нм;

• максимальное число каналов – 18. На практике чаще используют 8 или 16, поскольку часть диапазона может попадать в «окна» повышенного затухания.

Естественно 18 каналов – это симплексные каналы, которые позволяют организовать до 9 дуплексных каналов связи. Каждый из этих 9 каналов может быть организован по любому из существующих протоколов передачи данных, будь то Fibre Channel, STM , GE, Ethernet или аналоговый сигнал кабельного телевидения.

Плюсы CWDM:

• простые и дешевые компоненты (лазеры, MUX/DEMUX);

• меньше требований к точности длин волн – проще в настройке и дешевле в эксплуатации;

• отлично подходит для «коротких» сетей (городских, корпоративных, операторских на дистанции до 80 км).

Минусы CWDM:

• ограниченное число каналов;

• не подходит для сверхдлинных магистралей.

❯ Что такое «окна» с повышенным затуханием?

Выше я писал про «окно» с повышенным затуханием. Давайте немного разберем что это такое.

«Окно» с повышенным затуханием или по другому «пик воды» (water peak) – это место с высокими потерями в области 1300 нм волокна, которая влияет на каналы CWDM от 1370 до 1430 нм. В этой области потери доходят до 1,2 дБ/км, а в регионе 1550 - 0,25 дБ/км.

Но эти каналы все равно используются, правда нужно заранее просчитать какое затухание оно вносит.

Но есть и специализированные кабели с нулевым водяным пиком, к примеру OWP (Zero Water Peak Fiber), позволяющие расширить рабочий диапазон волн.

CWDM решает задачу «увеличить емкость волокна в N раз» самым прямым и экономичным способом. Когда же нужны сотни километров и десятки каналов, на сцену выходит DWDM.

❯ Что такое DWDM?

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – плотное волновое мультиплексирование. Системы DWDM основаны на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн без взаимного влияния друг на друга. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал.

Именно на этой технологии держатся магистральные сети по всему миру.

Что такое DWDM:

• это «плотное» уплотнение, где в различных реализациях используются сетки длин волн с расстояниями между соседними несущими в 12.5, 25, 50, 100 и 200 ГГц;

• в отличие от CWDM, DWDM работает в связке с оптическими усилителями EDFA, что позволяет строить линии на тысячи километров;

• число каналов – до 96, но на практике используется не более 40 (стандартная сетка C-band и L-band).

При работе на больших расстояниях и высокой плотности каналов требуется компенсация затухания оптического сигнала. Для этого используются EDFA усилители, которые усиливают сигнал в сетке C-band.

Почему DWDM актуален сегодня?

• рост трафика, облачные сервисы, видео, ИИ – все это требует огромной пропускной способности. DWDM позволяет увеличивать емкость без прокладки новых волокон, просто добавляя новые длины волн.

• современное оборудование стало более доступным. Появились компактные OTN-платформы, транспондеры с auto-tuning, поддержка современных стандартов. Все это снижает порог входа, делая DWDM ближе к сетям операторов и крупных ЦОД;

• DWDM легко масштабируется вместе с сетью. Новые каналы можно добавлять без глобальной перестройки магистрали;

• с появлением ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) управление такой сетью становится похоже на программно-определяемую (SDN) инфраструктуру.

На что стоит смотреть при проектировании сети на DWDM?

•  есть ли поддержка усилителей и стабилизированных лазеров? Без этого дальние трассы не будут стабильными;

• какие скорости требуется? 100G, 400G и выше? Важно, чтобы оборудование поддерживало современные интерфейсы и протоколы;

• планируется расширение? Необходимо всегда брать «с запасом» по каналам, так как всегда есть вероятность расширения;

• управление сетью – желательно, чтобы была поддержка современных систем мониторинга, создания виртуальных каналов, резервирования, защиты.

Сравнение CWDM и DWDM. Что выбрать?

На первый взгляд обе эти системы делают одно и тоже, позволяя передавать несколько независимых каналов по одному волокну. Но главное отличие это плотность размещения каналов, отсюда возникает различие в сложности оборудования и его стоимости.

Разберу кратко ключевые отличия в таблице.

❯ Что выбрать?

Когда CWDM лучший выбор?

Несмотря на ограничение по дальности и количеству каналов, CWDM остается одной из самых популярных технологий уплотнения. Она отлично подходит, в ситуациях, когда необходимо относительно дешево увеличить ёмкость волокна.

CWDM применяется в сценариях:

• соединение нескольких зданий кампуса или предприятия;

• соединение небольших дата-центров;

• агрегация трафика GPON или Ethernet;

• подключение районных узлов связи;

• городские сети операторов.

Главное преимущество это низкий порог входа. Сеть можно начать с 2-4 каналов, постепенно добавляя новые по мере необходимости.

Кроме того, CWDM-систем работают полностью пассивно, без активного оборудования между узлами. Это снижает энергопотребление и упрощает эксплуатацию.

Когда DWDM лучший выбор?

Многие думают, что  DWDM используют только крупные операторы связи, но это не совсем так. Есть множество заказчиков, с которыми я встречался, которые используют DWDM, когда нужно организовать линии связи между разными филиалами. Особенно это любят делать банковский сектор, помешанный на защите собственных сетей.

Также DWDM  используют в следующих сценариях:

• магистральные линии между городами;

• соединения между крупными дата-центрами;

• операторские backbone-сети (опорные сети интернета объединяющие трафик);

• подводные линии связи;

• высоконагруженные сегменты сети операторов.

Главное преимущество это масштабируемость. Даже если изначально используется небольшое количество каналов, DWDM позволяет добавлять все новые и новые длины волн, тем самым оставляя резерв на будущее.

Гибридные сети

Интересно, что в реальных сетях эти технологии используются вместе.

Например, оператор может построить магистраль на DWDM, а в городских сегментах использовать CWDM для агрегации трафика.

Такая архитектура позволяет:

• снизить стоимость инфраструктуры;

• сохранить высокую емкость магистрали;

• гибко масштабировать сеть.

Фактически CWDM становится уровнем агрегации, а DWDM – магистральным уровнем сети.

❯ Как выбрать DWDM/CWDM SFP-модуль?

Ну и теперь то, зачем мы тут все собрались. Как собственно выбрать эти самые модули.

На первый взгляд все просто. Взяли модуль нужной длины и подключаем к оборудованию. Но на практике есть несколько важных параметров, которые нужно проверять заранее.

Длина волны

Это главный параметр WDM-модуля.

Для CWDM длина волны выбирается из стандартной сетки частот.

Каждый канал в системе должен использовать свою уникальную длину волны, иначе сигналы будут конфликтовать.

Важно! Каждый модуль подключается к соответствующему каналу мультиплексора. Если длина волны не совпадает, сигнал просто не пройдет через фильтр.

Для DWDM ситуация немного сложнее. Там используется не длина волны в нанометрах, а номер канала ITU-сетки.

Поэтому при выборе DWDM-модуля нужно убедиться, что номер канала совпадает с конфигурацией MUX/DEMUX или транспондера.

Скорость передачи данных

Самый важный параметр это – поддерживаемая скорость интерфейса.

WDM-модули выпускаются для разных скоростей:

• 1Ge (SFP);

• 10Ge (SFP+);

• 25Ge (SFP28);

• 40Ge (QSFP+);

• 100Ge (QSFP28).

Важно понимать, что мультиплексор не ограничивает скорость канала. Он лишь объединяет длины волн.

Поэтому через CWDM или DWDM можно передавать практически любые протоколы:

• Ethernet;

• Fibre Channel;

• OTN;

• SDH / SONET;

• GPON.

Самое главное чтобы модуль и сетевое оборудование поддерживали нужный интерфейс.

Дальность передачи

У каждого SFP-модуля есть параметр максимальной дальности передачи.

Типичные значения:

• 10 км;

• 20 км;

• 40 км;

• 80 км;

• 120 км и более.

Этот параметр зависит от:

• мощности лазера;

• чувствительности фотоприемника;

• типа оптического волокна;

• наличия усилителей.

Тип волокна

Все современные WDM-системы работают на одномодовом (SMF)  волокне. В основном используют следующие стандарты:

• G.652;

• G.655;

• G.657.

Для DWDM-магистралей часто используют обычное волокно G652.D с выраженным пиком воды, поэтому необходимо учитывать дополнительные потери на определенных CWDM-каналах.

Волокно с нулевой дисперсией очень дорогое и на практике его используют... почти не используют.

Лучше всего в голове откладывается, когда приводишь примеры.

Пример 1. Линия 2x10G между двумя зданиями на расстоянии 10 км

Необходимо соединить два коммутатора между зданиями компании, при этом доступно только одно оптическое волокно. В этом случае можно использовать CWDM-решение.

Например:

Каждый трансивер CWDM имеет передатчик, который работает на определенной длине волны, и приемник, который может детектированить любой сигнал в спектре длин волн от 1270 до 1610 нм. 

Для решения данной задачи можно прибегнуть к такому выбору оборудования:

Сторона А
SFP+ трансивер с длиной волны 1270
SFP+ трансивер с длиной волны 1290
CWDM мультиплексор 

Сторона Б
SFP+ трансивер с длиной волны 1310
SFP+ трансивер с длиной волны 1330
CWDM мультиплексор  

Схема подключения на стороне А:

CWDM SFP TX 1270 нм → MUX порт 1270 нм

CWDM SFP RX → MUX порт 1310 нм

CWDM SFP TX 1290 нм → MUX порт 1290 нм

CWDM SFP RX → MUX порт 1330 нм

Схема подключения на стороне Б:

CWDM SFP TX 1310 нм → MUX порт 1310 нм

CWDM SFP RX → MUX порт 1270 нм

CWDM SFP TX 1330 нм → MUX порт 1330 нм

CWDM SFP RX → MUX порт 1290 нм

Для удобства на мультиплексорах подписаны необходимые длины волн на коннекторах. 

Таким образом по одному волокну можно передавать сразу несколько 10G-каналов, используя разные длины волн.

Пример 2. Подключение узлов сети на расстоянии до 80 км

Если требуется построить более протяженную линию, можно использовать CWDM-модули с увеличенной дальностью передачи (40–80 км).

В этом случае схема остается такой же:

CWDM SFP → порт соответствующей длины волны на MUX → магистральное волокно → DEMUX → SFP.

При необходимости можно постепенно добавлять новые каналы, просто устанавливая дополнительные CWDM-модули с другими длинами волн.

Пример 3. Магистральная DWDM-линия

Для более сложных операторских или магистральных сетей используется технология DWDM. В таких системах каждый модуль соответствует конкретному каналу ITU-сетки.

Например, модуль DWDM на 17-м канале ITU:

При проектировании линии важно, чтобы:

• номер канала DWDM-модуля совпадал с каналом мультиплексора;

• оптический бюджет линии соответствовал дальности модуля;

• оборудование поддерживало требуемую скорость интерфейса.

Такие решения позволяют организовывать десятки каналов передачи данных по одному волокну на расстояния в сотни километров.

❯ Что такое мультиплексоры и демультиплексоры

Любая система с уплотнением строится вокруг двух ключевых устройств – мультиплексора (MUX) и демультиплексора (DEMUX).

Мультиплексор объединяет несколько оптических сигналов с разными длинами волн в одно волокно.

Демультиплексор разделяет сигналы обратно на отдельные длины волн.

Хоть и эти понятия различают, но на практике оба этих устройства объединены в одно. Их называют MUX/DEMUX или просто оптическим мультиплексором.

Существует несколько технологий реализации таких устройств. Одной из самых распространённых является AWG.

❯ Arrayed Waveguide Grating

Если пропустить белый свет через призму, он разделится на спектр цветов. 

 AWG (Arrayed Waveguide Grating) работает на принципе такой обычной призмы, только вместо стеклянной призмы используется микросхема с системой волноводов.

Свет проходит через массив волноводов разной длины. Из-за различий в длине пути возникает интерференция сигналов, которая позволяет разделить или объединить разные длины волн.

AWG-модули широко используются в:

• DWDM системах;

• магистральных сетях;

• оптических транспортных платформах.

❯ FOADM и ROADM

В реальных сетях не всегда требуется передавать все каналы через каждую точку сети.

Иногда нужно передать пару линков на промежуточный пункт связи, а все остальные пропустить дальше по магистрали. Для этого используются специальные устройства – модули OADM.

Эти модули предназначены для организации ввода/вывода сигнала на заданной длине волны из оптического группового сигнала на промежуточных пунктах.

Модуль OADM, изготовлен из последовательно включенных TTF фильтров, при прохождении через которые выделяется сигнал определенной длины волны, при этом остальные длины волн группового сигнала проходят устройство прозрачно.

Различают однонаправленные и двунаправленные OADM модули:

• однонаправленные используют для извлечения/добавления сигнала из линии одного направления.

• двунаправленные используют для извлечения/добавления сигнала из линии одного направления и извлечения/добавления сигналов в линию другого направления. Причем добавленные длины волн второго направления могут совпадать с длинами волн первого.

Существуют два основных типа.

FOADM (Fixed Optical Add-Drop Multiplexer) – это фиксированная конфигурация.

Заранее определяется:

• какие каналы добавляются;

• какие каналы извлекаются.

Если требуется изменить конфигурацию сети, оборудование обычно нужно переподключать физически.

ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) – более современный вариант.

Он позволяет динамически управлять каналами без физического вмешательства.

С помощью ROADM можно:

• перенаправлять каналы между различными направлениями;

• добавлять новые длины волн;

• изменять маршруты оптического трафика.

Фактически такие системы превращают оптическую сеть в гибкую программно-управляемую инфраструктуру.

❯ На что смотреть при выборе WDM-системы

Когда речь заходит до полноценного проектирования WDM-линии, появляются еще дополнительных факторов.

Оптический бюджет

Самый важный фактор. Он показывает, хватит ли мощности сигнала, чтобы пройти всю линию.

В расчет входят:

• затухание волокна (дБ/км);

•  потери на сварках;

•  потери на коннекторах;

•  потери на MUX/DEMUX;

•  потери на OADM.

Модуль должен иметь запас мощности, чтобы компенсировать эти потери

Количество каналов и масштабирование

Всегда нужно брать каналы с запасом. Всегда кажется, что все рассчитали и каналов хватит. Но через год появляются пачка новых сервисов, еще один кампус и новые требования, а свободных каналов остается впритык.

Также нужно закладывать запас на масштабирование, если сеть будет расти.

Поэтому WDM-системы всегда проектируют с большим запасом по каналам.

❯ Заключение

Раньше технологии CWDM и DWDM использовались в основном крупными операторами связи и магистральными провайдерами. Сегодня оборудование стало значительно доступнее, и такие решения все чаще применяются в корпоративных сетях, дата-центрах и инфраструктуре крупных компаний.

Для небольших и средних сетей CWDM остается одним из самых экономичных способов увеличить пропускную способность существующего оптического канала. DWDM, в свою очередь, обеспечивает значительно большую масштабируемость и используется там, где требуется высокая плотность каналов и передача данных на большие расстояния.

Интересно, что многие инженеры используют WDM-технологии даже не задумываясь об этом. Например, модули QSFP+ IR4, QSFP+ LR4, QSFP28 CWDM4 и QSFP28 LR4 применяют принципы спектрального мультиплексирования для объединения нескольких оптических каналов в одном волокне.

Именно благодаря технологиям WDM современные оптические сети способны передавать сотни гигабит и даже терабиты данных по одному оптоволокну.

Немного важной информации

Я создал Telegram‑канал от сетевика для сетевиков.

Без воды, с практикой, реальными кейсами и нормальным человеческим языком. Если ты сетевой инженер, системный администратор, айтишник, студент или просто любишь разбираться, как все работает тебе сюда.

Что тебя ждет?

➖ Простые объяснения сложных сетевых технологий. От VLAN, BGP и DWDM до дата-центров, оптики и магистралей.

➖ Разборы аварий, крупных сбоев и странных проблем, которые случаются в реальных сетях.

➖ Практика из жизни инженеров. Ошибки, решения, полезные мелочи и то, чему обычно не учат.

➖ Мини-статьи и заметки, которые можно прочитать за пару минут и сразу применить в работе.

---