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【White Paper】使用 VIAVI ONT-800 光通訊網路測試儀進行乙太網路壓力延遲量測

摘要


VIAVI ONT-800 光通訊網路測試平台最新的模組 - N-PORT 和 ONT 800G,可支援從 1 Gb 乙太網路 (GbE)、400 GbE 、到次奈秒 (sub-nanosecond) 解析度的封包延遲 (latency) 量測;這類的量測應用範圍相當廣泛,包括了最新高速網路的元件選擇和韌體調校。而 ONT 的其他量測特點,如前向錯誤修正機制 (Forward Error Correction , FEC)、隨機錯誤注入、和動態傾斜,大大擴展了使用者案例的涵蓋範圍,為使用者提供了另一個維度的測試面向。透過壓力延遲測試,使用者可以對 IC 半導體應用上有獨到的見解、光學模組、和網路元件在真實操作條件下的延遲如何變化,並可以快速識別脆弱環節和異常情況;本文中解釋了高解析度壓力延遲的需求和應用,並說明如何使用 VIAVI ONT 系列獲得最佳結果。


何謂延遲? 為何要對它進行量測?


我們將延遲定義為訊號透過一系列元件時所產生的延遲,以乙太網路而言,我們會考慮以乙太網路封包在經過光模組、光纖、電纜、網絡元件、及其相應元件時所產生的延遲;VIAVI ONT 光通訊測試平台可量測被定義的測試封包,從離開儀器(在傳輸埠)到接收到測試封包(在接收埠)的時間,測試埠可能位於同一位置(甚至是同一個埠)— 但測試埠也有可能在網絡中相隔 1000 公里。


延遲一直是乙太網路一個重要的參數,隨著比特率 (bitrate) 的提高,現在 400 GbE、800 GbE 的早期部署工作正在進行中且正在增加,工程師和終端用戶希望確保網路性能都得到最大的利用,因此光通訊於奈秒 (nanoseconds, abbr. nsecs) 等級的應用,在光學模組和 IC 半導體應用的重要性持續增加,超大規模資料中心 (IDC) 就是一個明顯的例子;一個應用程序可能需要數百萬個封包才能遍歷大型資料中心,物理距離很小,但每個封包透過光學模組、PHY IC 和交換結構 (switch fabric) 傳輸時,所有奈秒的延遲會很快加總起來;在光通訊量測應用技術上,能一致且準確地量測到 nsec 等級延遲的能力已達到一個全新的水平,可透過選擇元件並根據其延遲進行調整和優化,有效管理 PHY 和交換機(Ethernet Switch) IC 的硬體以獲得更好的性能,同時優化前向糾錯 (FEC) 邏輯區塊。


準確度與精度


當量測進行時,常會產生隨機誤差和系統誤差,準確度 (accuracy) 和精度 (precision) 是評估誤差的兩種切入點;準確度是指量測值如何更接近真實值 (true value)、或實際值 (real value);精度是指同一項目的量測值,彼此之間的接近程度,精度與準確度是兩種獨立的誤差評估面向,這意味著可以非常精確但不是非常準確,也可以是準確但不精確。

圖一、準確度與精度
圖一、準確度與精度

在上圖中,A 顯示了飛鏢不靠近靶心(不準確)、或不緊密聚集(不精確)的情況;B 顯示飛鏢聚集但遠離靶心(精確但不準確)。 C 顯示飛鏢分佈廣泛,但以靶心為中心(不精確,但具備以靶心為中心的準確性);對於 D,飛鏢非常緊密地聚集在靶心周圍,因此有最好的準確性和精度。


是什麼導致了延遲?


許多因素會影響乙太網路封包通過系統或待測設備 (Device Under Test, abbr. DUT) 的延遲,有一些成因的本質上是固定的,也會因為其他要素和系統參數而異,舉例如下:


光纖長度


在距離較長的網路,因光纖纜線所造成的延遲是一個重要因素,傳統的光纖,預計每公里會有 5 微秒 (μs/km) 的延遲,因此對與超過百米的任何鏈路就會是一個必須考量的要素。


光纖模組


光模組將電訊號轉換為光訊號,反之亦然,其範圍可以從非常簡單的電光轉換器,到複雜的 DSP 相干系統 (coherent system),在 10 GbE 及以下乃使用最簡單的轉發器 (transponder),為一個電通道對應到一個光通道,但在更高的傳輸速度下,光學模組通常會透過平行的電通道與主機連接,並透過電子緩衝器來保持平行通道的時序對齊;在許多情況下,光通道和電通道的數量並不匹配,因此就需要變速器 (gearbox) 和多工處理 (multiplexing) 功能。以 400 GbE 早期傳輸速度方式為例就可能有 8 個電口通道對應到 4 個光口通道。現今的光學模組中還包含了更複雜的功能,如 FEC 編碼與解碼單元、完整的相干系統 (包含電子色散控制用以對長距離的傳輸網路進行色散補償),所有這些功能都會增加延遲,其中一些可能會因為通道偏移、錯誤率、與通訊協定等因素而有所不同。


網路元件


即使是最簡單的網路元件也需要複雜的電子設備來清理來自模組的訊號,這些‘SerDes’ 功能通常包含彈性緩衝器 (elastic buffers, FIFOs),以保持電訊號的對齊,然後系統開始執行交換 (switching) 和路由 (routing),這將需要交換結構 (fabric) 和緩衝 (buffering) 以及封包檢測功能,但這同時亦會增加延遲,且會是一個重要的變數,具體的影響取決於封包的大小、結構 (和其他傳輸埠) 的封包負載、電訊編號與錯誤率。

功能

延遲的影響

典型的幅度

光纖設備

名義上趨於固定,但會隨著溫度與波長而產生變化,由於接收器可能需要色散補償 (dispersion compensation),因此較長的光纖網路也可能會產生額外的延遲損失。

5 μs/km

光纖模組

可以從簡單的10 Gb SFP+ 光纖模組中,幾奈秒 (nsec) 的短暫固定延遲,直至具有 FEC 和 CD 補償功能複雜的相干光模組 (coherent module) 的100 奈秒延遲。

10’s nsec to 100’s nsec

網路元件

更複雜的網路元件可能產生顯著可辨的影響,這些影響不僅會隨著測試埠的不同而變化,還會對其他傳輸埠和資源的負載和使用產生影響,例如:交換結構 (switching fabric) 和封包檢測處理器。

100’s nsec to microseconds

需要怎樣的精確度和解析?


以目前以商用化大量生產的最快速度 400 GbE 標準化乙太網路,時脈頻率 (clock rate) 超過 1 GHz,時間間隔低於 1 奈秒 (nsec)。


以 400 GbE 傳輸時,最短的 64 bytes 有效乙太網路封包的總持續時間不到 2 奈秒,這意味著有意義的性能量測需要達奈秒級的解析度。

​應用

所需的精度和解析度

IC 測試和驗證

鍵量測(如最大值和最小值) 所需的奈秒精度– 需要透過交換結構(fabric) 捕捉封包變化並檢測 FIFO 層級的變化,FEC IP 開發和驗證或相干 DSP 演算法等更是需要奈秒等級的量測能力。

光纖模組選擇

奈秒精度模組延遲,尤其是 DSP 模組,透過物理參數 (如光學偏移) 量測延遲變化問題的能力也是至關重要的。

網路元件

需要10 奈秒的精度來追蹤封包負載、大小、和配置上性能變化;在某些應用中,如驗證和調校 FEC IP 性能,可能也需要奈秒等級的量測能量。

直播網路

次微秒 (sub-microsecond) 精度是實時網路的基準,在許多情況下,性能延遲主要源自於物理距離,光在光纖中以每公里大約 5 微秒的速度傳播,現在大多數實時網路中,具備追蹤10 奈秒層級變化的能力通常已經足夠;如果正在使用如 PTP (Precision Time Protocol) 之類的協議,解析度達奈秒等級在實時網路中仍非常重要。

常見應用


延遲量測在乙太網路的應用上非常廣泛,在一般情況下,從晶片到系統面向,我們可以將應用分組,以符合它們在產品生命週期中可能適用的地方。


IC – PHY 實體層與交換結構 (Switching Fabric)


現代交換機 ASIC 的效能極高,且為複雜的矽材料與韌體的組合,擁有可以在單次量測中直接量測奈秒等級變化的工具,在 ASIC 啟動、除錯、供應商選擇和韌體調校至關重要,VIAVI ONT 800 光通訊網路測試平台 不僅提供奈秒等級解析度的延遲量測,更可透過 高速可插拔轉接器 加速與評估板 (eval. board) 的測試環境架設與連接,因此即使在晶片測試階段亦可大幅提升測試速度。


VIAVI 高速可插拔轉接器 主要有兩種目的,其一、為模組轉接器,快速整合不同介面的可插拔測試配件,例如:讓 OSFP 或 QSFP-DD 轉接器在 CFP8 插槽內運行;然後轉接器負責控制路徑(I2C、MDIO、CMIS)和數據路徑匹配。 其二、可為電通道轉接器,支使電通道的數據可快速與待測物 (DUT) 連接,包含應答器 (transponders)、模組、IC、與 CBB (Compliance Base Board)。

圖二、ONT 800 光通訊網路測試平台與可插拔連接器,進行 PHY IC 在 400 GbE 的效能測試
圖二、ONT 800 光通訊網路測試平台與可插拔連接器,進行 PHY IC 在 400 GbE 的效能測試

光學模組


光通訊互連在資料中心的交換結構中扮演著至關重要的角色,由於資料可能會傳輸至多個光學模組,因此了解模組中延遲和等待時間的變化,在供應商選擇和韌體調校上就非常重要,VIAVI ONT 平台提供多種模組調校工具,包含 TraCol 在 CMIS (Common Management Interface Specification) 的韌體除錯與調校,所有應用都可以結合奈米延遲測試,進一步優化可插拔光學元件校能。

圖三、VIAVI ONT 800G 對早期 800G OSFP800 光學模組進行乙太網路驗證測試
圖三、VIAVI ONT 800G 對早期 800G OSFP800 光學模組進行乙太網路驗證測試

網路元件


網路性能適多總因素的組合,包括介面、硬體、韌體與軟體,交換結構的負載和緩衝的影響是重要因素,因此,能在極端延遲中捕捉個別罕見事件至關重要,VIAVI ONT 可以捕捉奈秒級的單一事件,因此可以非常自信的驗證交換結構 (switch fabric) 和通訊埠緩衝 (port buffering) 在動態加載下的變化與影響,對於那些關鍵的極大或極小事件,量測結果可以奈秒的精度進行紀錄,而不是只看到很平滑、很平均但可能有遺失關鍵訊息的量測結果。


資料儲存等時間戳記 (timestamping) 的應用,也需要進行延遲驗證,在銀行業中,儲存資料的協調能力也是關鍵要素,事實上隨著網路效率和通訊埠數量的增加,精確的延遲驗證需求也急遽增長,如何對網路元件進行 “加載” 並模擬實時網路中的動態條件,同時執行精確的延遲量測,可大幅確保光通訊網路部署後的可靠性和操作一致性。


網路


網路具備的連通性,訊號傳輸距離變成先天上的性能限制,我們可以知道在典型的光纖上有 2 μs/km 的固定延遲,當然較長的網路可能還會有額外的損失,因為接收器需要對色散進行補償,在整個網路中,物理網路長度往往是主導因素;但如果系統包含了多個網路元素,則可能會出現顯著的可變性,這就是為什麼在各種條件下盡可能地去驗證延遲是非常重要的一環。


基本延遲測試的侷限性


一段時間以來,延遲的量測已經成為許多乙太網路測試儀功能的一部分,並隨著比特率 (bit rates) 的增加,解析度都已經提高到微秒 (microsecond) 等級;不幸的是,傳統的延遲測量方法有許多侷限性,特別是在 100 GbE 或更高傳輸率的時候更為明顯。


前向糾錯 (FEC) 的影響


在 400 GbE 是第一個要求使用前向糾錯 (FEC, Forward Error Correction) 技術的傳輸速率,PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation 4 level) 脈衝震幅調變訊號的電與光學的部分,推動了對 FEC 的要求,這意味著 400 GbE 的乙太網路封包在傳輸時,必須進行 FEC 編碼,然後接收到的資料封包,就要進行 FEC 解碼,其中含包括偵錯與錯誤校正功能,FEC 處理確實增加了延遲,更關鍵的是,FEC 接收器的延遲可能會隨著其錯誤校正量而變化,這種潛在的延遲變化需要在真實條件下,透過各種錯誤類型進行驗證,才能充分表現性能特性,相對於過去,在實驗室中的延遲測試是非常有利且準確的。


對平行介面的影響


現代高速乙太網路介面的電與光學部分都採用平行傳輸 (Parallel Interfaces),在 400 GbE 傳輸速率下,QSFP-DD 模組使用 8 個電通道 (具差分的 PAM-4 訊號) 作為主機到模組的介面,許多光學網路使用 4 個通道 (平行光纖或單根光纖上的四個不同波長),乙太網路有一種用於多通道分配機制,其中每個通道都用對齊標記 (alignment markers) 進行編碼,而接收器負責補償各個通道所產生的任何相對延遲。

IEEE 802.3 Table 116-7 的偏差約束 (skew constraints)
IEEE 802.3 Table 116-7 的偏差約束 (skew constraints)
圖四、IEEE 偏差容忍值 (Skew tolerance)
圖四、IEEE 偏差容忍值 (Skew tolerance)

IEEE 為每個點的最大偏差制定了明確標準,這包括靜態和動態的偏差變化元素,管理動態和靜態偏差表示需要 PCS (Physical Coding Sublayer, 實體編碼子層) 邏輯中的緩衝儲存器,以允許足夠的延遲來重新對齊最早和最新的通道,它還需要實體層的 FIFO 緩衝區來吸收偏差的變化,這些功能將對延遲性能表現產生影響,因此更需要驗證和測試來確保穩定性和基礎校能。


相干光模組


可插拔相干光模組 (尤其是數位相干光模組, DCO) 在 100 GbE 和 400 GbE 應用中變得越來越普遍,它提供了大幅擴張的覆蓋範圍,如IEEE 標準定義了 80公里的網路傳輸,開闢了更寬闊的市場應用;典型的客戶端光學元件使用相對簡單的 “直接檢測” 方法,透過調變後的光強度進行訊號傳輸,相干光模組接收器的相位和強度,帶來許多優勢,包括能以夠複雜的電路為代價,執行電子色散補償,DCO接收器使用複雜的 DSP 來執行關鍵功能,包括正確恢復接收訊號所需的載波回復 (carrier recovery)、CD 補償、和軟決策 FEC (Soft-Decision FEC, SDFEC),因此需要大量緩衝儲存記憶體 – 尤其是對於像 CD 補償這樣的功能,透過不同的方法執行,就可能對 DCO 延遲有重要影響。


何謂壓力延遲?


壓力延遲是 VIAVI 為其 ONT 測試平台開發的新概念,允許在真實操作條件下全面驗證 IC、模組、網路元件和實時網路的延遲性能;傳統的延遲測試是在非常良性的條件下完成的,偏差低到幾乎為零,沒有任何動態變化、沒有錯誤 (對 FEC 施加壓力),也沒有對 PCS 層的操控;這導致系統性能的評估非常的不完整。


VIAVI ONT 測試平台的壓力延遲應用,例如動態偏移注入 (dynamic skew inject)、頻率變化、及精確的延遲功能,可以真正的確定延遲的性能,更可以深入了解發生問題的區塊,以便快速診斷與校正。

壓力源

重點領域

適合的應用與測試挑戰

FEC 錯誤注入– 包含隨機與使用者定義

驗證延遲性能,使接收器的 FEC 過載出現一系列錯誤

FEC 執行和穩定性的驗證、FEC IP 和 FPGA 的選擇和優化、系統面的錯誤率增加而導致的性能下降、能否針對功耗、FPGA 面積和性能進行優化?

動態偏移變化

光學模組的PHY / SERDES FIFO

針對跨 PHY 通道偏差變化的延遲穩定性,所有實體層都可能受到偏移變化的影響,隨著通道間偏差的變化,延遲量測是否開始大幅變化?

靜態偏差 ( PCS 和對齊標記)

PCS 邏輯、記憶體、和低階韌體

ASIC 和 FPGA 中的 PCS 邏輯、IP 驗證、IC 性能基準、對任何 PCS 警報和錯誤的操控是否會產生延遲?

頻率變化

SERDES、時脈復原、FIFO 指標(pointer) 管理

隨著輸入訊號的頻率發生變化,內部緩衝器需要正確跟蹤,以允許時脈域(clock domain) 在 ASIC 或 FPGA 內的邏輯功能區塊之間切換。

表二、壓力延遲應用範圍


使用 VIAVI ONT 歸納延遲的特性


VIAVI ONT 系列是高性能實驗室等級的測試系統,針對高速網路設備的開發、除錯、和驗證進行優化,提供獨特的應用,可以對實體層和 PCS 層施加壓力的同時,進行精確的延遲量測,在以下範例中,ONT 被用於歸納出數位相干光模組 (DCO)於 400Gb 乙太網路傳輸,訊號延遲的特性。

圖五、ONT 測試系統顯示使用被動回送 (passive loopback) 校準後的基準性能
圖五、ONT 測試系統顯示使用被動回送 (passive loopback) 校準後的基準性能

內部延遲校準過程消除了 ONT 內部發生的任何顯著延遲,從產生到接收特殊的 VIAVI 時間戳記和 MAC 邏輯,向下到 PCS 層 (包括 FEC 編碼和解碼) 以及實體層,包括內部 SerDes 和 FIFO 變化,正如在成功校正後看到的那樣,可以獲得遠低於 2 奈秒的變化,校正是透過插入 CFP2 埠的被動回送 (passive loopback) 來進行的。


執行校準後,插入高性能 400G CFP2 DCO 模組作為待測物,使用幾英寸非常短的光纖連接 DCO 的 TX 與 RX 形成迴路,獲得的結果在讓我們真正了解到,透過相干光模組 (coherent module) 的雙向 (TX 和 RX 路徑) 延遲、以及在良性條件下的穩定性。


圖六、ONT 透過 400G DCO 展示雙向延遲
圖六、ONT 透過 400G DCO 展示雙向延遲

結果顯示,儘管模組的總雙向延遲約為 4.8 μs,但延遲變化很小,這表示在複雜的功能區塊中有恆定的延遲,包括映射 (mapping)、FEC 編碼、PMD 和 CD 補償、FEC 解碼和封包測試,使用者可以在一系列條件下重複這個實驗,包括光學障礙 (optical impairments),如 OSNR 和 PD 變化;這些都可以透過 VIAVI MAP-300 多應用光學測試平台 輕鬆完成,還可以在電通道主機端加入額外的壓力源 (如動態偏差和位元錯誤) 重複該測試,以探索主機端障礙對延遲的影響。


總結


量測奈秒級延遲能力是乙太網路的一大課題,它在整個產品生命週期中都有廣泛的應用,從驗證 ASIC 或 FPGA 設計中的矽性能測試,到模組供應商的性能特性和選擇,再到網路元件基準測試與優化,要真正了解系統中的等待時間和延遲,必須在一系列真實操作條件下完成,而不僅僅依據在實驗室中以固定的測試情境所得到的完美數據。 Viavi ONT 800 光通訊網路測試儀 內建多樣化的壓力源測試功能,包括動態偏差 (dynamic skew)、頻率變化、和錯誤插入 (error injection),因此可進行全面的驗證,全面的了解實際系統性能;亦可以搭配 MAP-300 多應用光學測試平台 來擴充測試能量,透過光學障礙 (optical impairment) 對光子傳輸進行壓力測試。 ONT 將延遲和量測和光學特性提升到具有奈秒級的量測能量,因此可以進行全面的驗證,而非猜測僅透過實驗室測試案例測試以外的真實性能。


ONT 的性能


ONT 在各種傳輸率所提供的延遲測試能力:

​傳輸率

測試平台

延遲量測的解析度

基準量測精度

10GE

N-PORT

500 psec for min, max and variation, 10 psec for average

6 nsec

25GE

N-PORT

500 psec for min, max and variation, 10 psec for average

6 nsec

50GE

N-PORT

500 psec for min, max and variation, 10 psec for average

6 nsec

100GE

800G

N-PORT

500 psec for min, max and variation, 10 psec for average

6 nsec

200GE

800G

500 psec for min, max and variation, 10 psec for average

6 nsec

400GE

800G

500 psec for min, max and variation, 10 psec for average

6 nsec

備註:

  1. ONT 有內部延遲補償校正流程,一般而言可將延遲精度提高到 2 奈秒左右。

  2. 測試數據的呈現是針對同一個 ONT 模組中的輸出與輸入埠,當輸出與輸入埠位於同一主機內不同的模組時,會產生奈秒量級的代價;當輸出與輸入埠位於不同的大型主機時,準確性和精度將由大型主機所使用的時間同步方法和同步方式來決定。


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ONT-800 主機可滿足以每波長 600G 以及更高速度進行測試的帶寬、電源和冷卻需求。ONT 系列配備多種主機選擇和相容的應用模組,並包含了從”單插槽”單點工具到完整的 19 英吋機架安裝式、多插槽、多端口和多用戶解決方案,可滿足複雜的系統校驗測試需求。所有應用模組均共用相同的 GUI、自動化和腳本處理功能,除了方便使用外亦可實現整個產品開發週期內的通用性。

VIAVI ONT N-PORT 模組解決了測試和測量之需求,可更快地將 100G 級產品推向市場。N-PORT 模組支援原生 4 x QSFP28 / 4 x SFP28。VIAVI ONT 系列是公認且值得信賴的業界領導者,它具有全面覆蓋各種光傳輸技術 (包括乙太網、OTN 以及光纖通道)的先進的測試應用,可幫助元器件和模組供應商、網路和行動系統實驗室 (NEMs) 以及服務提供商實現現有和新興的技術。

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