Ethernet/IP jusqu'à 400G

L'Ethernet haut débit est un composant clé des réseaux modernes et permet des vitesses de transfert de données bien plus élevées que les normes Ethernet traditionnelles. Cette technologie est essentielle pour les centres de données, les réseaux d'entreprise et les infrastructures de télécommunications afin de répondre aux besoins toujours croissants en bande passante.

Pour réaliser l'Ethernet à haut débit >100G, il est impératif de considérer des aspects techniques qui, parfois, n'ont guère joué de rôle dans les réseaux à bande passante réduite.

Examinons donc brièvement ces aspects, tels que les technologies d'émetteur-récepteur, les méthodes de modulation (NRZ et PAM-4) et les codes de correction d'erreur (KR4 et KP4).

Technologies des émetteurs-récepteurs :

Le choix de la bonne technologie d'émetteur-récepteur est la première étape décisive dans la mise en œuvre de connexions Ethernet à haut débit. Trois options importantes sont QSFP28 (Quad Small Form-Factor Pluggable), QSFP-DD (Double Density) et OSFP (Octal Small Form-Factor Pluggable).

• QSFP28 : ce module est un standard très répandu pour les connexions Ethernet 100G. QSFP28 utilise quatre voies physiques, chaque voie ayant un débit de données de 25 Gbps par voie. Les multiples possibilités de configuration, telles que SR4 (Short Range 4), LR4 (Long Range 4) et ER4 (Extended Range 4), permettent de répondre aux besoins des connexions à courte et longue distance.
• QSFP-DD : le QSFP-DD est une évolution du facteur de forme QSFP et a été conçu pour prendre en charge les connexions Ethernet 200G et 400G. Contrairement au QSFP28, un QSFP-DD a une double rangée de broches du côté électrique et offre ainsi huit voies indépendantes, chaque voie ayant un débit de données de 50 Gbps par voie. Cette double rangée de broches est appelée en anglais Double Density, ou DD en abrégé. C'est pourquoi un QSFP-DD permet un débit de données total de 400 Gbps dans un facteur de forme compact.
• OSFP : l'OSFP est un facteur de forme d'émetteur-récepteur plus grand, conçu pour les connexions Ethernet 400G et les vitesses plus élevées. Il offre également huit voies indépendantes, chaque voie ayant un débit de données de 50 Gbps par voie. L'OSFP offre des options de refroidissement avancées pour faire face à une consommation d'énergie plus élevée et est idéal pour les réseaux haute performance.

Lors de la conversion des signaux électriques en signaux optiques, les émetteurs-récepteurs utilisent désormais des techniques de modulation qui permettent d'obtenir une bande passante élevée pour la transmission dans les fibres optiques.

Procédés de modulation - NRZ et PAM-4:

Le choix de la méthode de modulation influence considérablement l'efficacité de la transmission des données et est d'une importance capitale pour la performance des connexions Ethernet à haut débit.

• NRZ (Non-Return-to-Zero): NRZ est une méthode de modulation simple, dans laquelle chaque bit est représenté par deux niveaux de tension discrets.
  Niveau de tension A: correspond au niveau logique 0
  Niveau de tension B: correspond au niveau logique 1

En général, on utilise 0 V et une tension positive. Le NRZ offre un traitement simple du signal et est souvent utilisé pour des connexions allant jusqu'à 100G.

• PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation 4): PAM-4 est une méthode de modulation plus avancée qui utilise quatre niveaux de tension différents pour transmettre deux bits par symbole. Chacun de ces niveaux représente un symbole, et la combinaison de deux bits de données.
  Niveau de tension A : correspond au niveau logique 00
  Niveau de tension B : correspond au niveau logique 01
  Niveau de tension C : correspond au niveau logique 10
  Niveau de tension D : correspond au niveau logique 11

En comparant directement les graphiques du NRZ et du PAM-4, nous présentons ci-dessous la transmission d'un mot identique et nous constatons immédiatement que le PAM-4 permet de doubler la vitesse. Le PAM-4 est nécessaire pour pouvoir atteindre des largeurs de bande > 100G.

Le diagramme de l'œil du signal PAM-4 montre inévitablement que les niveaux de tension sont nettement plus proches les uns des autres, ce qui signifie que la probabilité d'une mauvaise interprétation est extrêmement élevée, ce qui assure une transmission erronée. Une transmission sans erreur est donc pratiquement impossible avec PAM.

C'est pourquoi une correction d'erreur doit impérativement être appliquée avec PAM-4. Il s'agit de la Forward Error Correction.

Forward Error Correction (FEC) - KR4 et KP4 :

Deux mathématiciens du nom d'Irvin Reed et Gustav Solomon ont étudié le fait qu'une quantité relativement faible d'informations est nécessaire pour pouvoir reconstruire un signal de données. Ils ont appelé ces informations des mots de code. Si ces mots de code sont envoyés parallèlement au signal de données, les informations contenues dans les mots de code permettent de reconstituer des paquets perdus ou corrompus au niveau du récepteur.

C'est pourquoi cette méthode est appelée Reed-Solomon Forward Error Correction ou RS-FEC, selon ses découvreurs.

En raison de la modulation PAM-4, elle peut être utilisée dans les réseaux à grande vitesse >100G.

On distingue deux variantes du RS-FEC

• KR4-FEC: cette technique FEC est utilisée dans les applications Ethernet 100G et se base sur le codage RS-FEC (528/514). Les chiffres signifient ici uniquement : sur un total de 528 symboles transmis, seuls 514 symboles sont remplis de données utiles. Les 14 symboles restants contiennent les données de redondance.
• KP4-FEC: le KR4-FEC n'était pas suffisant pour le haut débit >100G, car la modulation PAM-4 plus dense peut générer beaucoup plus d'erreurs. C'est pourquoi le codage RS-FEC (544/514) a été développé. Par analogie, cela signifie ici que sur un total de 544 symboles transmis, 514 sont remplis de données utiles. Les 30 symboles restants contiennent les données de redondance qui nous permettent les connexions à haut débit >100G que nous connaissons aujourd'hui.

Cette technologie avancée a lieu à l'intérieur des petits émetteurs-récepteurs optiques. Pour simplifier, nous parlons de la modulation des signaux électriques sur un support optique, de l'ajout de la FEC et de la mise en service du laser. Il est évident qu'une certaine puissance est nécessaire pour cela, qui génère à son tour de la chaleur.

Refroidissement

Les optiques peuvent aujourd'hui atteindre des températures de 100° Celsius, ce qui rendrait leur fonctionnement impossible. L'exemple de l'émetteur-récepteur OSFP-400G illustré laisse deviner que le refroidissement des optiques fait partie des grands défis.

Actuellement, des températures de fonctionnement allant jusqu'à 70° Celsius sont tout à fait courantes.

Technique de mesure

Dans le domaine du haut débit, les appareils de mesure portables doivent non seulement mesurer les performances du réseau, mais aussi tenir compte de ces facteurs de manière fiable. Alors que pour les systèmes fixes, il n'y a pas de problème à assurer un refroidissement suffisant, car ils fonctionnent généralement dans des environnements climatisés et stables et sont alimentés en permanence en électricité.

Les appareils portables doivent pouvoir fonctionner de manière fiable dans tous les environnements, même à des températures élevées - même pendant les mesures de longue durée. Cela nécessite des concepts de refroidissement sophistiqués qui fonctionnent de manière fiable, même sur batterie.