400Gトランシーバーを知る
400 ギガビットイーサネット(400G)トランシーバは、400Gbps のデータレートを処理できる光モジュールです。最大400Gbps の伝送速度を備えた400Gトランシーバーは、従来の2倍の容量(200Gトランシーバー)を提供します。ジュニパーの400Gトランシーバは、QSFP-DDフォームファクタを使用しています。400Gトランシーバーは、以下の用途に最適です。
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400Gポートを備えた任意のホストプラットフォーム
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400Gbpsのデータ伝送を備えたネットワーク
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データセンターへの導入
400Gトランシーバーは、複数のレーンの光信号と高度な変調技術を使用して、より高い容量を実現します。400Gトランシーバーは、複数のファイバー、パラレル光インターフェイス、または光多重技術を使用した多重化を採用することができます。多くの実装では、光信号を効率的に送信するために波長多重化が採用されています。
400ギガビットイーサネット(400G)光トランシーバは、一般的に8レーンアーキテクチャを特徴とし、各レーンは50Gbpsで動作します。400Gトランシーバーは、パルス振幅変調4レベル(PAM4)を使用します。この変調方式では、従来のNRZと比較してレーンあたりのデータレートを2倍にすることができ、その結果、より少ないレーンとファイバーで400G伝送が可能になります。
400Gトランシーバーは、複数の伝送速度とブレークアウトモードをサポートし、さまざまなネットワークトランスポート要件との互換性を確保します。この柔軟性により、単一の物理トランシーバを複数の低速イーサネットポートに論理的に分割して、さまざまな導入シナリオに適応させることができます。
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4x100G-トランシーバは4つの個別の100Gポートに分割できます。400GAUI-8電気インターフェースを備えた400G光インターフェイスの場合、ギアボックスデジタルシグナルプロセッサ(DSP)を使用して変換を管理します。ギアボックスは、50Gbps(2x50Gbps )の電気レーンのペアを単一の100Gbps(1x100Gbps )電気レーンに変換します。変換は完全に電気レベルで行われます。これは、光変調器で発生する光レーン変換とは異なります。DSPは通常、独立したクロックおよびデータ復旧(CDR)回路を備えた複数のギアボックスを備えています。これにより、完全な信号分配を効率的に処理できるため、8x50Gレーンすべてを4x100Gレーンに変換できます。
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2 x 200G:ブレークアウト ケーブルは、ポートを 2 つの独立した 200G ポートとして提供し、合計容量 400 Gbps を実現します。
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1x400G—トランシーバーは単一の400Gポートとして機能し、8つの50Gレーンすべてを組み合わせて合計400Gbpsの容量を提供します。
ビットレートとシンボルレート
400G光技術がどのように機能するかを理解するには、ビットレートとシンボルレートの基本的な概念を理解する必要があります。
ビットレート—毎秒送信されるビットの総数を指します。業界の400G光インターフェイスは、常に400Gイーサネットビットレートで動作します。400G光インターフェイスの場合、IEEE 802.3標準で定義されているオーバーヘッドを考慮すると、実効ビットレートは425Gbpsです。
シンボルレート(ボーレート)—シンボル(信号変化または変調イベント)が送信されるレート。PAM4変調を使用する400G光インターフェイスでは、各シンボルは2ビットを表します。したがって、53.125Gbaud レートは、4 レーンを使用する構成のレーンあたり 106.25 Gbps ビット レートと相関します。26.5625 Gbaud レートは、8 レーンを使用する構成のレーンあたり 53.125 Gbps ビットレートと相関します。
わかりやすくするために、『ジュニパー400ギガビット光トランシーバおよびケーブルガイド』では、50G、100G、200G、400Gのビットレートについて言及しています。これは、毎回特定のオーバーヘッドを含めることを暗示することなく、標準的な業界用語に合わせることを意図しています。
400G光トランシーバーフレーバー
電気インターフェイスと光インターフェイスの構成に応じて、さまざまな400G光トランシーバーフレーバーを使用できます。
電気的インターフェース
- 4 レーン電気インターフェース (400GAUI-4)
- 400GAUI-4の電気インターフェースは、4つの高速レーンを利用しています。
- Express-5(BX)、Tomahawk-5、近日発売予定のTrio-7(XT)などのPFE ASICでサポートされています。
- これらのASICsは、ネイティブ800Gサポートに100G SERDESを使用します。ただし、ホストとプラガブル光インターフェイス間の電気的インターフェイスとして4x100Gを使用することで、400Gもサポートします。
- 通常、QSFP112光インターフェイスで使用されます。
- 8レーン電気インターフェース(400GAUI-8)
- データ伝送を処理するために8つの電気レーンを組み込んでいます。
- Trio-6(YT)、Express-4(BT)、Tomahawk-3、4などのPFE ASICsでサポートされています。
- これらのASICsはすべて、ネイティブ400Gサポート用に50G SERDESを採用しています。したがって、ホストとプラガブル光インターフェイスの間に8x50Gの電気的インターフェースが必要です。
- 通常、QSFP56-DDまたはQSFP-DD光インターフェイスで使用されます。
光インターフェイス
- シングルレーン光インターフェイス(400ZRや400ZR+など)
- アプリケーション—長距離データセンターの相互接続、メトロおよび地域ネットワーク向けに設計されています。
- 特性
- 長距離通信にチューナブルDWDM光テクノロジーを利用します。
- 通常、最大80 kmの距離をサポートします。
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400ZR(特に400G ZR+)光インターフェイスは、定期的な光増幅を使用してDWDM伝送プラットフォームと組み合わせることで、かなり長い距離(数百キロメートル)で使用できます。
- 4レーン光インターフェイス(DR4、FR4、LR4、ER4-30など)
- アプリケーション:データセンター環境やキャンパスネットワーク内のアプリケーションなど、中距離のアプリケーションに適しています。
- 特性
- DR4—8 ファイバーのパラレル シングルモード ケーブルを使用し、最大リーチは 500 m です。DR4はデータセンター環境で使用されます。
- FR4—二重シングルモードファイバーを使用し、最大リーチは最大 2 キロメートルです。
- LR4—二重シングルモード光ファイバーを使用し、最大リーチは最大 10 キロメートルです。
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ER4-30—二重シングルモード光ファイバーを使用し、最大リーチは最大 30 キロメートルです。
- 8 レーン光インターフェイス(SR8 や LR8 など)
- アプリケーション:高密度環境や、広範なデータ集約と範囲を必要とするアプリケーションに最適です。8レーンの光インターフェイスは、主にコスト感応が懸念され、特定のアプリケーション向けに高速レーン速度が十分に成熟していない場合に適しています。
- 特性
- SR8 - 主にマルチモード光ファイバーを使用する短距離アプリケーションに焦点を当てています。400G SR4のテクノロジーは比較的新しいため、SR8は現在の市場でより人気があり、費用対効果の高い選択肢です。
- LR8 - 最大 10 km まで範囲を延長し、より長いリンクに適しています。ただし、現在はレガシーテクノロジーと見なされています。
手記：より優れたパフォーマンスを提供し、業界に関連する400G LR4光インターフェイスに移行することをお勧めします。
| 機能 | :800G | 、400G |
|---|---|---|
| オプティカルレーン速度 |
8レーン、それぞれ100 Gbps、53.125 Gbaud、PAM4 |
各100 Gbpsで4レーン、PAM4スルーギアボックスを使用してレーンあたり53.125 Gbaud
手記：50Gbpsで8レーン(PAM4、直接変調によるレーンあたり26.5625Gbaud)の構成は、ジュニパーの400G光トランシーバの標準構成ではありません。400G SR8 光トランシーバーは例外です。
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| 電気レーン速度/インターフェース |
800GAUI-8(8レーン)、レーンあたり106.25Gbps、PAM4を使用したレーンあたり53.125Gbaud |
400GAUI-8(8レーン)、レーンあたり53.125Gbps、PAM4を使用したレーンあたり26.5625Gbaud 400GAUI-4(4レーン)、レーンあたり106.25Gbps、PAM4を使用したレーンあたり53.125Gbaud |
| 総帯域幅 |
800Gbps |
400Gbps |
| ファイバー数 |
16 Tx+Rxファイバー(8 Tx、8 Rx)、パラレルシングルモード(MPO-16)用
手記：各光レーンは、PAM4変調を使用して100Gbps で動作します。
2 Tx+Rx ファイバー(1 Tx、1 Rx)、4 波長 WDM(デュアル二重 LC)用
手記：800G の場合、各波長が 200 Gbps を伝送するため、ファイバーごとに 4 つの波長が伝送されます。
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16 Tx+Rxファイバー(8 Tx、8 Rx)、パラレルシングルモード(MPO-16)用
注:400G SR8トランシーバーはMPO-16コネクタを使用し、400G LR8トランシーバーはデュプレックスLCコネクタを使用します。
パラレルシングルモード(MPO-12)用の8Tx+Rxファイバー(4Tx、4Rx)
手記：MPO-12 コネクターを備えた 400G トランシーバーの場合、12 個のファイバーチャネルのうち 8 個が使用され、4 個は未使用のままです。
2 Tx+Rx ファイバー(1 Tx、1 Rx)、4 波長 WDM(デュアル二重 LC)用
手記：400G の場合、各波長は 100 Gbps を伝送するため、ファイバーごとに 4 つの波長が適用されます。
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| コネクタータイプ |
デュアルデュプレックスLC デュアルMPO-12 デュアルデュプレックスCS MPO-16型 |
デュプレックスLC MPO-12型 MPO-16 (400G SR8 光トランシーバーをサポート) |
| フォームファクター |
QSFP-DDまたはOSFP |
QSFP-DD |
| スタンダーズ |
IEEE 802.3DF-2024 |
IEEE 802.3-2022 IEEE 802.3cd(PAM4変調を使用した50Gbps シグナリング用) |
| シンボルレート(ボーレート) |
~53.125 GBD(100G PAM4レーン) |
~26.5625 GBD(50G PAM4レーン)~53.125 GBD(100G PAM4レーン) |
変調方式
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パルス振幅変調 4 レベル(PAM4):PAM4 は 4 レベルの変調フォーマットです。電気的または光学的なデータレーンまたはチャネルには4つの異なる振幅レベルがあり、各振幅レベルは2ビットのデータを表します。その結果、PAM-4変調は、光学部品の速度を大幅に向上させることなく、2倍のデータ量を送信できます。ただし、4つの信号レベルを使用するPAM4変調を使用すると、信号対雑音比(SNR)が大幅に低下します。2つの信号レベル間の距離がバイナリNRZ変調と比較してわずか3分の1であるため、S/N比は低減されます。この結果、理論上の SNR 差は ~10 dB、正確には 20 x log10(1/3) になります。このSNRの違いにより、PAM4変調と組み合わせてDSPとFECの両方が必須になります。
前方誤り訂正(FEC)は、シグナルインテグリティを処理するためのチャネル符号化技術です。FECはデータを冗長化して送信します。これは、リンクの受信側で検出されたエラーを修正するために情報を再送信する必要がないように設計されています。ジュニパーの光トランシーバでは、FECはデフォルトで有効になっています。
FECは、FECアルゴリズムによって実装されます。FECアルゴリズムは、特定の数学的手法またはコーディングスキームです。FECアルゴリズムは、再送信を必要とせずに送信されたデータのエラーを検出して修正します。FEC プロセスには 2 つのステップが含まれます。
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エンコーディング(Txまたはトランスミッター)—FECアルゴリズムは、元のデータを処理し、特定の数学的ルールに基づいて冗長ビットまたはパリティビットを追加します。エンコードされたデータは、通信チャネルを介して送信されます。
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デコード(Rxまたは受信側)—受信側はFECアルゴリズムを使用して、冗長ビットを含む受信データを分析します。エラーが検出された場合、アルゴリズムは冗長性に基づいてエラーの修正を試みます。
FEC の誤り訂正機能は、使用される特定のアルゴリズムと追加される冗長性の量によって異なります。400G光トランシーバーの場合、業界標準のFECコードはFEC119またはRS(544、514)として知られています。この符号は IEEE 802.3-2022 Clause 119 で定義されており、1 つの符号語内で最大 15 個のシンボル誤りを訂正できるリード・ソロモン (RS) 符号ファミリーの前方誤り訂正符号で構成されています。このFECコードは、100GBASE-KP4として知られる銅線バックプレーンの100G規格で最初に使用されたため、 KP4 と呼ばれることもあります。1 つの符号語でシンボル誤りの数が 15 を超えると、FEC 復号化アルゴリズムで訂正できなくなり、未訂正符号語 (UCW) になります。
図1:400G光インターフェイス
のFEC 119
400G光トランシーバーを使用する通信リンクの送信側と受信側の両方にFECがあります。FECアルゴリズムは、送信前にデータをエンコードし、受信時にデータのエラーをデコードして修正します。要約すると、PAM4は効率的な短距離データ伝送を可能にしますが、より多くの信号処理とエラー訂正が必要です。
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ノンリターン・トゥ・ゼロ(NRZまたはPAM2)変調—NRZは2レベルのバイナリ変調フォーマットです。電気的または光的データ チャネル内には、2 つの異なる振幅レベルがあります。信号はビット間のベースライン休止に戻りません。代わりに、高い電力値を表す 1 と低い値を表す 0 の間で変動します。
の比較
400G光インターフェイスで使用されるその他の技術には、次のようなものがあります。
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高度なデジタル信号処理(DSP)技術—シグナルインテグリティを強化し、光ファイバーを介して400Gトランシーバの到達範囲を拡張します。すべての400G光トランシーバーはDSPを使用します。すべての400G光インターフェイスで、フィードフォワードイコーライゼーション(FFE)、ディシジョンフィードバックイコライゼーション(DFE)、クロックデータリカバリー(CDR)などの機能が使用されています。チューナブルDWDM光インターフェイス(ZRおよびZR+)は、高度なDSP機能を使用します。DSPには、次のようないくつかのコンポーネントが含まれます。
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SerDes(シリアライザ/デシリアライザ)—SerDesは、シリアル形式とパラレル形式間でデータを変換し、光インターフェイス内での効率的かつ高速なデータ転送を可能にします。DSPと緊密に連携して、データフローと変換を管理します。詳細については、「 シリアライザー/デシリアライザー (SerDes)」を参照してください。
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FFE(フィードフォワード・イコライゼーション)とDFE(ディシジョン・フィードバック・イコライゼーション)—FFEとDFEは、シンボル間干渉(ISI)を軽減し、信号の明瞭さを高めます。FFE は、決定を下す前に線形歪みに対処します。DFEは、以前に受信したシンボルに基づいてエラーを修正し、ダイナミックに動作して全体的な信号品質を向上させます。
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CDR(クロックデータ復旧)—データ信号からタイミング情報を抽出し、光ネットワークでの正確なデータ取得と送信を保証します。
トランシーバのリスト、仕様、およびトランシーバがサポートするデバイスのリストについては、 ハードウェア互換性ツール を参照してください。
主な特徴
以下は、400Gトランシーバの設計上の主な考慮事項です。
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フォームファクター—ジュニパーの400G光トランシーバは、Quad Small Form-factor Pluggable Double Density(QSFP-DD)フォームファクターを採用しており、400Gbpsデータ伝送用の高電力および熱要件を満たします。QSFP-DDは、業界で400G光インターフェイスの主要なフォームファクターです。
手記：400G光トランシーバーの場合、ジュニパーは現在OSFPフォームファクターをサポートしていません。
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ファイバータイプとリーチ—ファイバータイプは、400Gトランシーバーと互換性のある光ファイバーのタイプ(シングルモードまたはマルチモード)を指定します。リーチは、光トランシーバでサポートされる最大距離または範囲を提供します。データセンター間、データセンター内、長距離ネットワークなど、さまざまなアプリケーションに適した光トランシーバを選択するのに役立ちます。
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レーン分配:IEEE 802.3baはレーン分配を定義します。レーン分配はPCSで行われ、レーンは正確な光学タイプに応じてPMDで1、4、または8レーンに多重化されます。車線配分のタイプには、次のものがあります。
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シングルレーン—シングルレーン設定では、イーサネット信号全体が1つの光レーンまたはチャネルを介して伝送されます。
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複数レーン—複数レーン分配では、イーサネット信号を複数の低レートレーンに取り除くことで、並列光伝送を活用します。低レート レーンは、光レーンまたはチャネルにマッピングされます。これにより、ビットあたりのコストがより最適化され、障害点とインターフェイスが減少し、消費電力と発熱が低減されます。
400G光インターフェイスは、400Gレーンレートのみをサポートします。ただし、ブレークアウトを使用すると、ジュニパーの400G光インターフェイスを複数のサブインターフェイスに分割できるため、合計帯域幅を400Gにすることができます。低速のブレークアウト・ポートは完全に独立しており、別々の時間領域で動作できるため、より高密度のアプリケーションが可能になります。
図3:4つの波長を使用した4x100Gソリューション
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ジュニパーオプティカル製品番号
トランシーバー、ケーブル、コネクターなどのジュニパーの光コンポーネントは、命名規則に従います。製品名の各要素は仕様に対応しています。これは、必要な光学部品をよりよく理解し、選択するのに役立ちます。例えば：
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JCO400-QDD-ZR
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JCO—ジュニパーコヒーレント光(JCO)トランシーバーまたはチューナブルDWDM光トランシーバーを示します。JCOは、ジュニパーのCORA(統合型光ルーティングアーキテクチャ)のコアコンポーネントです。業界をリードする電力効率性、運用の簡素化、オープンアーキテクチャ、統合DWDM設計を提供します。JCO400の400は、トランシーバが400Gbpsの伝送速度を処理できることを示しています。
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QDD—QSFP-DDの略。トランシーバーのフォームファクターを識別します。
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ZR—ZRは、OIF(Optical Internetworking Forum)により開発された規格です。ZR仕様とZR+仕様のいずれかで提供されます。JCO400-QDD-ZRは、最大120kmの距離でデータを伝送できるZRをサポートしています。
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QDD-400G-DR4
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QDD—QSFP-DDの略。トランシーバーのフォームファクターを識別します。
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400G—トランシーバが 400 Gbps のデータ転送速度に対応していることを示します。
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DR4—400GBase-DR4 の略です。これは、100Gbps の4つのパラレルレーンを使用して400Gbps を提供する特定の規格です。
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製品番号を使用すると、ジュニパー光ケーブルとトランシーバを区別できます。例えば、QDD-400G-AOC-3MおよびQDD-8x50G-1M(ジュニパー製ケーブル)は、製品名でケーブルのタイプ(AOCまたはDAC)と距離範囲(3メートルまたは1メートル)を指定します。
400G(x8)トランシーバアーキテクチャ
400Gトランシーバーの業界標準で最も広く展開されている設計では、ホスト側に8レーン8x50G PAM4電気インターフェイス(400GAUI-8)を使用しています。X8 は 8 レーンの電気的インターフェースを示します。ホスト側は、スイッチ、ルーター、またはその他のホストデバイスに接続するトランシーバーの部分を表します。回線側では、400G トランシーバーは 4 レーンの 4x100G PAM4 光インターフェイス(400G-DR4)を使用します。回線側は、ファイバーケーブルを介してネットワークにデータを送受信するトランシーバーの部分を表します。
このアーキテクチャは、QSFP-DDなどの400Gトランシーバーフォームファクターで使用されています。400Gトランシーバアーキテクチャのさまざまなコンポーネントを以下に示します。
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400Gプラットフォーム—400Gアーキテクチャをサポートするジュニパーのデバイス(スイッチまたはルーター)。
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8x50Gbps電気—スイッチとトランシーバコンポーネント間の電気的インターフェイス。8つの独立した50Gbps 電気レーンを介してデータを送信できます。
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4x100Gbps 光—トランシーバとネットワーク間の光インターフェイス。4つの独立した100Gbps 光レーンを介してデータを送信できます。
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デジタル信号プロセッサ(DSP)—400G DSP(デジタル信号プロセッサ)は、8x50G電気レーンと4x100G光レーン間の信号調整と変換を実行します。PAM4は、送信できるデータ量を効果的に2倍にします。CDR は、ジッターを低減するために、着信データのタイミングをリタイミングする役割を担っています。DSPは、イコライゼーション、エラー訂正、その他の信号処理タスクなどの機能を処理します。
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ドライバー - ドライバーは、電気信号を増幅する電子部品です。x8 トランシーバー アーキテクチャには 8 つのドライバーがあります。各ドライバーは50Gレーンに対応しています。
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直接変調レーザー—変調レーザーは、増幅された電気信号を光信号に変換します。これには、マルチモードアプリケーション用の垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)と、シングルモードアプリケーション用の直接変調レーザー(DML)が含まれます。
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トランスインピーダンス増幅器(TIA)—TIAは光伝送の受信端です。フォトダイオードの電流出力を特定の電圧レベルに変換します。長距離光通信で一般的な非常に低い信号レベルで動作できます。
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光検出器—TIAと連携して動作し、光情報を電気的形式に変換します。
SR8モジュールなどの一部の400G光トランシーバーは、それぞれ50G PAM4で動作する8つのパラレルレーンを使用して、電気信号を光信号に直接変換します。一部の 400G 光トランシーバーは、ギアボックスを使用して 8×50G 電気レーンを 4×100G 光レーンに変換します。たとえば、FR4 および LR4 モジュールは 8:4 ギアボックスを使用しており、50G PAM4 の 8 つの電気レーンが 100G PAM4 の 4 つの光レーンに変換されます。これにより、必要な光レーンと光ファイバーの数が減り、ケーブルとコネクターが簡素化されます。例えば、8×100Gアーキテクチャでは、8つのレーンに8本のファイバーが必要となり、多くの場合、MPOコネクターや複数の二重LCコネクターを使用します。ただし、4×100G光レーンを使用するFR4やLR4などの400Gモジュールでは、信号の送受信に必要なファイバーは4本(2つのデュプレックスLCコネクター)のみです。
シリアライザ/デシリアライザ(SerDes)
SerDesは、集積回路(ICまたはチップ)トランシーバーで構成されています。ICは複数のSerDesを保持できます。IC内の各SerDesは、複数のレーンを持つことができます。SerDesのこれらの各レーンは、入力トラフィックと出力トラフィックを処理できます。SerDes 内の 2 つの機能単位またはブロックは次のとおりです。
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パラレル・イン・シリアル出力 (PISO) またはシリアライザ - パラレル・データをシリアル・データに変換します。トランシーバのトランスミッタ部は、パラレルデータをシリアルデータに変換するパラレル-シリアルコンバータとして機能します。
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シリアルインパラレルアウト(SIPO)またはデシリアライザ—シリアルデータをパラレルデータに変換します。トランシーバのレシーバ部は、シリアルデータをパラレルデータに変換するシリアル-パラレルコンバータとして機能します。
SerDesデバイスは、2つのポイント間で複数の動作モードをサポートします。
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シンプレックス操作 - データ変換は一方向にのみ行われます。
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全二重動作 - データ変換を両方向で同時に行うことができます。
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半二重操作 - データ変換を両方向で行うことができますが、同時に行うことはできません。
SerDesは、データ伝送に必要なデータパスと接続ピンまたはワイヤの数を削減します。これは、消費電力の増加、電磁干渉、クロックタイミングエラーなど、並列電力伝送に関連する一般的な問題に対抗します。SerDesを使用すると、ポートから複数のブレークアウトチャネルを介してデータ信号を光ネットワークに、またはその逆に効率的に送信できます。
でのデータ交換