Немного о технологии Forward Error Correction / Хабр
Одним из основных ограничений при проектировании протяженных оптических транспортных сетей является соотношение сигнал-шум (OSNR). WDM-сети должны функционировать в допустимых пределах OSNR, чтобы обеспечить корректную работу систем.Пороговое значение OSNR является одним из ключевых параметров, определяющих как далеко могут передаваться сигналы без необходимости в 3R-регенерации.
Для формирования каналов передачи данных со скоростью выше 10 Гбит используются сложные механизмы модуляции оптических сигналов для достижения аналогичной дальности передачи каналов связи 1-10 Гбит. Данные форматы модуляции необходимы для минимизации последствий таких оптических явлений, как хроматическая и поляризационная модовая дисперсии, а также для формирования оптического сигнала, соответствующего стандартам ITU 100/50-GHz, который используется в современных DWDM-системах. Недостатком высокоскоростных каналов передачи данных является тот факт, что они требуют существенно более высокого соотношения OSNR, чем обычные системы передачи (1-10 Гбит).
В системах 100 Гбит минимальное значение OSNR должно быть на 10 дБ выше, чем для сигналов в системах 10 Гбит. Без определенной коррекции или компенсации OSNR ограничивает 100G передачу данных до очень коротких расстояний, на данный момент максимальная дальность передачи составляет 40 км по стандартному одномодовому оптоволокну. Однако благодаря современным методам коррекции ошибок ( Forward Error Correction — FEC), особенно алгоритму Soft decision FEC, возможно расширение передачи высокоскоростных сигналов на протяженные расстояния.
Forward Error Correction (FEC) является техникой кодирования/декодирования сигнала с возможностью обнаружения ошибок и коррекцией информации методом упреждения. Таким образом, приемное оборудование может выявлять и исправлять ошибки, возникающие в канале передачи. FEC резко снижает количество битовых ошибок (BER), что позволяет увеличить расстояние передачи сигнала без регенерации.
Существует несколько FEC-алгоритмов кодирования, которые различаются по сложности и производительности.
Одним из наиболее распространенных кодов первого поколения FEC является код «Рида-Соломона» (255, 239). Данный код добавляет немного — 7% проверочных байтов и около 6 дБ дополнительного запаса OSNR, но для высокоскоростных оптических сетей увеличение на 6 дБ является улучшенным показателем производительности, увеличивая расстояние между регенераторами примерно в четыре раза.Некоторые производители предлагают в дополнение к коду «Рида-Соломона» более сложные схемы кодирования второго поколения FEC, например, превентивный параметр для оптических интерфейсов 10G и 40G. Данные алгоритмы, называемые «ультра» FEC или «усиленный» FEC (EFEC), также используют не более 7% объема передаваемого кадра, но в них заложены более сложные алгоритмы кодирования/декодирования, которые и обеспечивают бОльший выигрыш по OSNR — от 2 до 3 дБ, нежели код «Рида-Соломона».
Наряду с разработками первого поколения — «Рида-Соломона FEC» и второго поколения — «EFEC», которые позволили существенно улучшить производительность для 10G- и 40G-сигналов, было разработано более производительное FEC-решение третьего поколения, обеспечивающее увеличенную дальность и оптимальную производительность для высокоскоростных каналов передачи данных 100G.
FEC-решение третьего поколения основано на еще более мощных алгоритмах кодирования/декодирования и итеративного кодирования. В hard decision FEC —блок декодирования определяет «твердое» решение на основе входящего сигнала и иницилизирует один бит информации как «1» или «0» путем сравнения с пороговым значением. Значения выше установленного порога определяются «1», а значения ниже определяются как «0». В декодере используются дополнительные биты для обеспечения более детальной и точной индикации входящего сигнала. Иными словами, декодер не только определяет на основе порогового значения — является ли входящий сигнал «1» или «0», но и обеспечивает фактор надежности «принятия решения». Коэффициент надежности определяется индикатором, показывающим насколько сигнал выше или ниже порогового значения.
Использование коэффициента надежности или «вероятности» битов вместе с более сложными алгоритмами FEC-кодирования третьего поколения позволяет декодеру SD-FEC обеспечить дополнительное повышение OSNR на 1-2 дБ.
В то время как увеличение OSNR на 1-2 дБ не звучит внушительно, оно может интерпретироваться как возможное увеличение расстояния на 20-40%, что является существенным показателем для 100G.Одним из недостатков soft decision FEC является тот факт, что для него требуется ~20 % объема передаваемого кадра, а это более чем в два раза больше, чем занимаемый объем FEC первого и второго поколения.
С увеличением скорости в канале передачи данных с 10G до 100G, требование к OSNR увеличилось на 10 дБ. Без определенного вида компенсации или коррекции протяженность трасс с канальной скоростью 100G будет весьма ограниченной и неэкономичной.
Алгоритмы FEC первого и второго поколения были использованы на 10G и 40G для снижения BER и увеличения расстояния. SD-FEC является алгоритмом кодирования третьего поколения, обеспечивая передачу данных для оптических сетей 100G на бо́льшие расстояния и с бо́льшим ретрансляционным участком.
Прямая коррекция ошибок (FEC) | АО Созвездие
Прямая коррекция ошибок (FEC) это метод, который использовался в течении нескольких лет в подводных оптоволоконных системах, проложенных по морскому дну.
В качестве примера, рассмотрим работу вашего мобильного телефона в условиях слабого сигнала сотовой сети. Допустим, вы хотели сказать человеку на другом конце линии некую последовательность чисел. Есть несколько методов, которые можно использовать для повышения точности. Предположим, что список чисел, которые вы хотите передать, это 7, 3, 8, 10, 12 и 21. Одним из способов может быть повтор списка чисел два раза. Запишите каждый список и сравните их, если они совпадают, передача данных, вероятно, корректна. Основным недостатком такого метода является то, что, поскольку данные передаются дважды, пропускная способность системы делится пополам и, если списки не совпадают, у вас не будет ни малейшего представления, который из них верный.
Они позволяют определить, была ли передача точной, но не позволяют исправлять ошибки.
Примечание: Термин «Forward» в аббревиатуре FEC означает, что исправление ошибок осуществляется путем передачи некоторой информации вместе с передачей данных.
Код исправления ошибок считаются более сложными, в сравнении с кодом обнаружения ошибок и используются почти в каждом современном коммуникационном приложении. Также, коды исправления ошибок нашли широкое применение в CD и DVD проигрывателях. Для того, чтобы привести пример кода исправления ошибок, нужно ввести и объяснить два термина: двоичность и чётность. В предыдущих примерах кода обнаружения ошибок, мы использовали такие числа, как 7, 3, 8, и т.д. Это базовые числа системы исчисления, знакомой нам в повседневной жизни. Двоичные числа в основе имеют два числа, которые могут иметь только два возможных значения – 0 или 1. Бинарная система используется почти во всех коммуникационных и компьютерных системах.
Код Хэмминга
Рассмотрим сообщение, имеющее четыре бита данных (D), которое должно быть передано в 7-битной кодировке с добавлением трёх битов данных для поиска и устранения ошибок. Этот код будет называться (7, 4). Это означает, что общая длина кода составляет семь битов, но только четыре из них на самом деле данные. Три добавленных бита — это три бита проверки на четность (Р), где чётность каждого вычисляется в разных группах битов сообщения, как показано на рисунке 1.
Например, сообщение 1011 будут направлено, как 1010101, как показано на рисунке 2.
Можно заметить, что в случае возникновения ошибки в любом из семи битов, эта ошибка оказывает влияние на различные комбинации трех битов четности в зависимости от битовой позиции.
Например, предположим, что вышеупомянутое сообщение 1010101 передаётся и возникает один бит ошибки, так что получено кодовое слово 1110101:
Передача Приём
Сообщение Сообщение
1 0 1 0 1 0 1 ————> 1 1 1 0 1 0 1
Эта ошибка может быть исправлена путем определения, какой из трех битов четности пострадал, как показано на рисунке ниже:
Характер ошибок четности битов указывает, какой бит в кодовом слове с ошибкой, таким образом, он может быть исправлен.
Основные функции кода Хэмминга можно резюмировать:
- Обнаружение 2-битовых ошибок (при условии отсутствия ошибок корректировка не выполняется)
- Коррекция единичных ошибочных битов
- 3 проверочных бита добавляется к 4-битовому сообщению
Способность корректировать одиночные ошибочные биты приводит к снижению себестоимости передачи, которая получается меньше, чем в случае отправки сообщения дважды целиком.
(Напомним, что, просто отправив сообщение дважды коррекция ошибок не выполняется.) К тому же, при увеличении размера кодового слова, дополнительная нагрузка исправления ошибочных битов уменьшается. Например, одним из возможных вариантов кода Хэмминга для передачи по морским подводным оптоволоконным системам является код (18880, 18865). Это означает, что кодовое слово 18880 в действительности содержит 18,865 бит данных и 15 бит коррекции ошибок. Более надежные методы прямой коррекции ошибок (FEC) могут содержать гораздо больше битов коррекции ошибок, так что несколько ошибочных битов могут быть обнаружены и исправлены в каждом кодовом слове.
Существует метод прямой коррекции ошибок (FEC), аналогичный коду Хемминга. Как правило, в системах с оптической несущей ОС-192, накладывается около 7% дополнительной нагрузки на систему за счёт процесса коррекции ошибок (FEC). Допустим, базовая скорость передачи данных 10 Гбит/с, с учётом дополнительной нагрузки будет увеличена до 10,7 Гбит/с.
Таким образом, с каждой 1000 бит передаваемых данных, отправляется ещё 70 бит коррекции ошибок, чтобы позволить провести проверку целостности полученных данных и исправить ошибки, которые могут возникнуть при передаче по оптическому каналу связи. На рисунке 4 показано влияние прямой коррекции (FEC) на системный коэффициент ошибочных битов (BER). Этот коэффициент является показателем числа ошибок в битах, деленное на общее число переданных битов в исследуемом временном интервале. BER 10-3 означает, что один из каждых 1000 бит будет передан некорректно. Синий график наглядно отображает количество передаваемых данных, если система не имеет FEC. Входной коэффициент BER (input BER) – это показатель ошибок, возникающих в канале передачи. Пока в системе отсутствует FEC, любые ошибки, которые происходят во время передачи появляются на выходе системы. Фиолетовый график показывает, что может произойти, если в системе используется FEC. В отсутствии FEC в системе входной коэффициент BER 10-6 даст аналогичное значение выходного BER 10-6, а в случае использования данной технологии происходит значительное улучшение выходной величины BER 10-14 (output BER).
Таким образом, интеграция прямой коррекции ошибок в систему позволяет разработчику увеличивать расстояние и скорости передачи данных значительнее, чем при использовании любой другой технологии, а также увеличит срок службы системы.
Что такое прямое исправление ошибок (FEC)?
Мобильные вычисления- Участник TechTarget
Прямая коррекция ошибок (FEC) — это метод контроля ошибок при передаче данных, при котором источник (передатчик) отправляет избыточные данные, а пункт назначения (получатель) распознает только ту часть данных, которая не содержит явных ошибок. Поскольку FEC не требует установления связи между источником и получателем, его можно использовать для широковещательной рассылки данных одновременно многим получателям из одного источника.
В простейшей форме FEC каждый символ отправляется дважды.
Получатель проверяет оба экземпляра каждого символа на соответствие используемому протоколу. Если соответствие имеет место в обоих случаях, символ принимается. Если соответствие имеет место в одном экземпляре, а не в другом, принимается символ, соответствующий протоколу. Если соответствие не достигается ни в одном случае, символ отклоняется, а вместо него отображается пробел или символ подчеркивания (_).
Простой FEC — это один из двух режимов, используемых радиолюбителями в самокорректирующемся цифровом режиме, называемом AMTOR (аббревиатура от любительского телетайпа по радио). Иногда его называют режимом B. Другой режим AMTOR, автоматический повторный запрос (ARQ), включает подтверждение установления связи и также используется с такими системами связи, как Глобальная система для мобильных устройств (GSM). В радиолюбительской среде ARQ иногда называют AMTOR Mode A.
Последнее обновление: май 2007 г.
Продолжить чтение О прямом исправлении ошибок (FEC)- Electronic Design обсуждает методы FEC в статье за август 2000 г.
управление потоком
Автор: Роберт ШелдонЮникод
Автор: Роберт Шелдонкилобайт (КБ или Кбайт)
Автор: Лора ФитцгиббонсNACK (NAK, отрицательное подтверждение, не подтверждено)
Автор: Кэти Террелл Ханна
- Google взаимодействует с конкурирующими облачными провайдерами
Поставщик видеоплатформы Pexip заявил, что межоблачное соединение Google снизило стоимость подключения Google Cloud к Microsoft …
- Как взаимодействовать с сетевыми API с помощью инструментов cURL, Postman
Сетевые инженеры могут использовать инструменты cURL и Postman для работы с сетевыми API. Варианты использования включают получение информации об интерфейсе и…
- Преимущества и подходы к проектированию модульной сети
Модульная структура сети — это стратегический способ для предприятий группировать структурные элементы сети, чтобы оптимизировать сеть .
..
..- 7 лучших функций UCaaS для повышения производительности
UCaaS продолжает развиваться, поскольку все больше компаний используют платформу для поддержки совещаний, звонков и обмена сообщениями. Новые функции, среди них …
- Шесть главных преимуществ UCaaS для бизнеса
Все больше организаций осознают преимущества облака и переходят на UCaaS. Узнайте о шести бизнес-преимуществах …
- Приложение для совместной работы на доске Miro получит генеративные инструменты искусственного интеллекта
Инструмент генеративного искусственного интеллекта поставщика онлайн-рабочей среды обеспечит мгновенное обобщение, перевод кода, создание шаблонов, идеи …
- Уязвимость Zyxel подвергается «широко распространенной» эксплуатации
Исследователи предупредили, что субъекты угроз широко используют уязвимость внедрения команд без проверки подлинности, чтобы атаковать несколько.
.. - Уязвимость нулевого дня в MoveIt Transfer под атакой
Компания Rapid7 обнаружила использование уязвимости SQL-инъекций в продукте управляемой передачи файлов Progress Software, что было …
- Варианты использования с низким кодом / без кода для обеспечения безопасности
Подходы к разработке с малым кодом/без кода имеют свою долю проблем с безопасностью, но это не значит, что их нельзя использовать для …
..Понимание FEC и его реализация в Cisco Optics
Зачем оптоволоконным сетям нужен FEC?
Растущая популярность облачных вычислений, потокового видео и социальных сетей привела к значительному увеличению интернет-трафика. Чтобы удовлетворить стремительно растущий спрос на полосу пропускания, индустрия оптических сетей увеличила скорость передачи данных до 100 Гбит/с и выше. Оптическая передача уязвима для различных источников ухудшения сигнала, включая хроматическую дисперсию, модовую дисперсию, поляризационную модовую дисперсию и шум.
В реальном мире на способность оптического приемника разрешать информацию влияет наличие шума. В результате приемник не может точно разрешить все биты, внося ошибки в передачу данных. Эта проблема усугубляется на более высоких скоростях, потому что полоса пропускания фильтра приемника должна быть расширена, чтобы пропускать более быстрые сигналы, а также должна пропускать больше энергии шума. К счастью, прямое исправление ошибок (FEC) может помочь компенсировать эту проблему. Хотя этот метод не может исправить все ошибки во всех сетевых условиях, при правильном определении он может помочь сетевым операторам работать на более высоких скоростях передачи, сохраняя при этом целевые коэффициенты битовых ошибок (BER), и все это при использовании менее дорогой оптики.
В этом техническом документе вы узнаете, как работает FEC, какие компромиссы и как мы применяем FEC в оборудовании Cisco. Вы получите общее представление о том, как FEC используется для оптимизации производительности вашей сети.
Что такое ошибки передачи?
Ошибка передачи возникает, когда бит переключается с 1 на 0 или с 0 на 1. Рассмотрим прямоугольный оптический импульс в системе с амплитудной модуляцией. Фотодетектор в приемнике преобразует оптическую интенсивность в напряжение. Это напряжение считывается в определенной точке выборки. Если уровень напряжения превышает порог принятия решения приемником в этой точке выборки, приемник распознает бит как 1. Если напряжение ниже порога, бит считывается как 0,9.0014
В идеале, бит данных должен передаваться по волокну и точно считываться на приемнике. К сожалению, сети не работают в идеальном мире. Оптические искажения могут искажать импульсы во время распространения. Это может привести к перекрытию импульсов, что приведет к межсимвольным помехам (см. рис. 1). 1 Кроме того, распространение оптической мощности на более широкий импульс также уменьшает амплитуду. Этот эффект приближает пики к порогу, увеличивая риск того, что пик шума вызовет ошибку.
Рисунок 1.
Многомодовое и одномодовое волокно обладают дисперсионными свойствами. Эффекты дисперсии могут достаточно уширить импульсы, чтобы вызвать межсимвольные помехи, потенциально вызывающие битовые ошибки.
Обсуждаемые выше эффекты в совокупности снижают SNR. Вместо нашего красивого чистого импульса мы получили уширенные импульсы с шумом, вызывающие межсимвольные помехи, осложненные шумом. Поскольку процесс считывания происходит в определенной точке выборки, один и тот же импульс может быть считан как 0 или 1, в зависимости от направления пиков наложенного шума (см. рис. 2).
Рисунок 2.
Оптическая дисперсия и электронный шум, возникающие во время транспортировки и обнаружения, могут в совокупности ухудшать входной импульс (слева) до такой степени, что приемник неправильно считывает его (справа). Вертикальные стрелки указывают точки выборки, показывая, как выброс шума может вызвать считывание одного и того же переданного импульса как 1 (синяя стрелка) или 0 (оранжевая стрелка).
Повреждение данных может происходить в виде однобитовых ошибок или пакетных ошибок.
● Однобитовые ошибки или случайные ошибки состоят из блока данных с одним перевернутым битом. Однобитовые ошибки могут быть вызваны параллельной передачей (например, из-за всплеска шума). Это может привести к неправильному считыванию бита приемником.
Рисунок 3.
Однобитовые ошибки случайным образом возникают в строке данных.
● Пакетные ошибки – это группы измененных битов. Биты с ошибками в пакетной ошибке не обязательно являются непрерывными (см. рисунок 4). Пакетные ошибки могут быть вызваны импульсными сбоями в системе связи, такими как перебои в подаче электроэнергии или удары молнии. Методы электронного преобразования сигналов, такие как выравнивание с обратной связью по решению (DFE) и линейное выравнивание с непрерывным временем (CTLE), также могут вызывать проблемы. DFE и CTLE предназначены для восстановления переданных символов, но имеют неприятный побочный эффект, заключающийся в усилении шума и перекрестных помех, что может привести к преобразованию однобитовой ошибки в пакетную ошибку.
Рисунок 4.
Пакетные ошибки могут состоять из непрерывных или изолированных битов.
Чтобы добиться более высоких скоростей передачи данных, нам нужен метод решения этих проблем. Этим методом является FEC, который используется почти в каждой оптической транспортной сети, по крайней мере, в некоторой степени.
Что такое FEC?
FEC — это метод, используемый для обнаружения и исправления определенного количества ошибок в битовом потоке путем добавления избыточных битов и кода проверки ошибок к блоку сообщения перед передачей. Дополнение содержит достаточно информации о фактических данных, чтобы позволить декодеру FEC на стороне получателя восстановить исходное сообщение. Декодер FEC может идентифицировать ошибочно принятые биты и исправить их. Затем он удаляет избыточные биты перед передачей сообщения на верхние уровни сети. Поскольку декодер FEC использует только избыточные биты для обнаружения и исправления ошибок, он не запрашивает повторную передачу всего ошибочного кадра, экономя полосу пропускания, которая в противном случае использовалась бы для повторной передачи.
FEC использует кодовые слова из n символов, состоящие из блока данных длиной k символов и блока четности (код и избыточные биты) длиной n-k символов (см. рисунок 5). Обозначим конкретный ФЭК упорядоченной парой ( n,k ). Тип и максимальное количество поврежденных битов, которые могут быть идентифицированы и исправлены, определяются конструкцией конкретного кода исправления ошибок (ECC), поэтому разные коды прямого исправления ошибок подходят для разных реализаций сети и уровней производительности.
Рисунок 5.
Мы описываем код FEC, используя упорядоченную пару (n, k), в которой k обозначает полезную нагрузку данных, а n обозначает длину и символы полного кодового слова FEC.
FEC начинается в передатчике, где кодер FEC использует сложную полиномиальную функцию для передискретизации блока данных для генерации полинома ошибки (см. рис. 6). Процесс создает биты четности, добавляя их к блоку данных для создания кодового слова FEC, которое запускается в сеть передачи.
В приемнике обнаружение и исправление ошибок основано на вычислении «синдрома» принятого кодового слова. Хотя особенности расчета синдрома варьируются от ECC к ECC, в целом синдром представляет собой математический инструмент для выражения разницы между переданной четностью и полученной четностью. Если кодовое слово передается без ошибок, синдром будет равен нулю. Если вектор синдрома отличен от нуля, его можно использовать для определения наиболее вероятной ошибки. Пока приемник правильно получает много точек многочлена, он может вывести форму исходного многочлена, а затем исправить и декодировать данные. Наконец, декодер удаляет избыточные биты перед передачей сообщения на верхние уровни сети.
Рисунок 6.
ECC начинается на уровне PCS на стороне передатчика. Данные проходят через алгоритм кодера FEC для генерации кодового слова, состоящего из блока данных и блока четности. На стороне получателя алгоритм декодера FEC анализирует данные для обнаружения и исправления любых ошибок.
FEC имеет место в электрической области. С точки зрения семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI) уровень FEC является элементом физического уровня, расположенным между физическим подуровнем кодирования (PCS) и уровнями физического подключения к среде (PMA) (см. рис. 7). Блок FEC часто находится в ASIC коммутатора/маршрутизатора. В остальных случаях, например в определенной 100G оптике, он в самом модуле.
Рисунок 7.
Уровень FEC расположен между подуровнем физического кодирования (PCS), который кодирует биты данных в кодовые группы для передачи, и уровнем физического подключения к среде (PMA), который передает потоки символов к фактическим приемопередатчикам и от них.
Коды исправления ошибок (ECC)
Для различных сетевых приложений и нужд было разработано множество кодов ECC.
ECC можно классифицировать как жесткое или мягкое решение (см. рис. 8). В FEC с жестким решением получатель принимает решение о значении бита как 0 или 1.
FEC с жестким решением включает в себя группу ECC, известных как блочные коды. Блочные коды используют фиксированный размер блока данных, отправляемого с фиксированным интервалом. Эти коды включают, среди прочего, коды Рида-Соломона, код Файра и код Хэмминга.
Рисунок 8.
Коды с исправлением ошибок можно разделить на коды с жестким или мягким решением. FEC с жестким решением выполняется группой блочных кодов, в которых используются фиксированные кодовые слова и интервалы. FEC с мягким решением выполняется с помощью сверточных кодов, в которых не используются фиксированные размеры кодовых слов или интервалы.
В FEC с мягким решением возможное значение бита делится на несколько уровней от 0 до 1. Код использует эти данные для определения вероятности того, что бит равен 0 или 1. Этот подход может дать выигрыш от кодирования около на 3 дБ выше, чем FEC с жестким решением. Мягкое решение FEC включает в себя очень сложные алгоритмы, которые трудно выполнить и требуют больше времени обработки, увеличивая задержку.
По этим причинам FEC с мягким решением обычно не используется в оптических сетях.
Благодаря сочетанию соглашений с несколькими источниками (MSA) и международных стандартов индустрия оптических коммуникаций разработала подробные спецификации того, как и когда следует внедрять FEC в транспортное оборудование. Чтобы выпустить подходящее устройство, поставщики, производящие подключаемую оптику, коммутаторы и маршрутизаторы, должны соответствовать соответствующим спецификациям. Группа по изучению стандартов Ethernet (IEEE802.3bj) для объединительной платы и медного кабеля определила две цели объединительной платы со скоростью 100 Гбит/с:
● Сигнализация без возврата к нулю (NRZ) на скорости 25 Гбит/с. Также известная как двухуровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM-2), NRZ используется в новых конструкциях объединительных плат для высокопроизводительных сетей с малыми потерями. материалы задней панели.
● Четырехуровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM-4) 2 при 12,5 Гбод: в PAM-4 амплитуда импульса может считываться как один из четырех уровней.
Этот метод увеличивает полосу пропускания, но уменьшение различий между уровнями амплитуды может снизить SNR. PAM-4 PHY предназначен для работы с устаревшими каналами, изготовленными из материалов с более низкими характеристиками.
Рабочая группа IEEE802.3bj исследовала различные варианты FEC и изучила компромиссы между задержкой, эффективностью кодирования и сложностью. Они остановились на FEC с жестким решением, поскольку он потреблял меньше энергии и имел менее сложную архитектуру, чем FEC с мягким решением (см. рис. 6, фиолетовые овалы).
Типы ECC
Обнаружение ошибок
Проверка на четность
Проверка на четность — это простой метод проверки наличия битовой ошибки в полученном блоке данных. Проверка четности включает в себя добавление двоичного бита, известного как бит четности, к блоку данных. Значение бита четности (1 или 0) зависит от того, является ли количество единиц в кадре данных четным или нечетным. Если один бит перевернется во время передачи, это изменит значение бита четности, и система обнаружит ошибку.
Проверка четности надежна только для обнаружения однобитовых ошибок. Поэтому его следует зарезервировать для развертываний, в которых ожидается, что ошибки будут редкими и возникнут только в виде отдельных битов. Если условия могут вызвать пакетные ошибки, следует использовать другой метод обнаружения ошибок.
Контрольная сумма
Контрольная сумма — это простой метод проверки избыточности, используемый для обнаружения ошибок при передаче данных. В этом методе алгоритм контрольной суммы обрабатывает данные перед передачей, чтобы сгенерировать значение контрольной суммы. Эта контрольная сумма добавляется к данным и отправляется вместе с кадрами данных. Приемник вычисляет новую контрольную сумму на основе значений полученных блоков данных, а затем сравнивает ее с контрольной суммой, отправленной передатчиком. Если две контрольные суммы совпадают, кадр принимается; в противном случае он отбрасывается. Контрольная сумма полезна для обнаружения как однобитовых, так и пакетных ошибок.
Проверка циклическим избыточным кодом (CRC)
CRC использует тот факт, что блок двоичных данных может быть выражен полиномом. Как и в случае целочисленного деления, многочлен делимого можно разделить на многочлен делителя, в результате чего останется частное с остатком, который может варьироваться от нуля до некоторого значения.
Процесс CRC начинается с генерации полиномиального делителя и преобразования блока данных в полиномиальное делимое на стороне передатчика. Затем полином данных делится на полиномиальный делитель. Остаток вычитается из частного, и это значение добавляется к блоку данных. На стороне получателя полученный битовый поток снова преобразуется в полиномиальное делимое. Когда его делят на частное и вычитают остаток, отправленный в кодовом слове, результат должен быть равен нулю. Если это не так, произошла ошибка. CRC эффективен как для однобитовых, так и для пакетных ошибок.
Методы исправления ошибок
Коды Рида-Соломона (RS)
Коды Рида-Соломона (RS) являются широко используемыми ECC.
Алгоритмы работают с символами, а не с отдельными битами. Техника, используемая в RS-FEC, аналогична описанной выше, когда данные, подлежащие кодированию, сначала представляются в виде полинома. Передатчик кодирует этот полином и отправляет его вместе с данными (см. рис. 9).
На стороне получателя алгоритм выполняет полиномиальное деление для определения синдрома кодового слова. Если синдром равен нулю, кодовое слово проходит через декодер FEC для извлечения блока данных.
Рисунок 9.
ECC Рида-Соломона используют передискретизацию и полиномы ошибок для генерации кодового слова на уровне PMA. После распространения по сети кодовое слово подвергается полиномиальному делению. Если результат совпадает с переданным полиномом, синдром равен нулю и кодовое слово не содержит ошибок. Затем он проходит через декодер FEC, чтобы отбросить блок четности и получить блок данных.
Коды RS могут исправлять ряд ошибок в блоке данных. Поскольку они так эффективно справляются со случайными и пакетными ошибками, а также минимизируют задержку, RS ECC широко используются в стандартах оптической связи и соглашениях с несколькими источниками, таких как 100G Lambda MSA.
Пожарные коды
Пожарные коды — это семейство двоичных блоков ECC, которые работают с битами. Они очень эффективны для одиночных (по сравнению с однобитовыми) ошибок.
Стандарты IEEE
Стандарт IEEE 802.3 определяет KR-FEC и KP-FEC, где «K» обозначает FEC, используемый на объединительных платах. KR-FEC используется для сигналов NRZ, а KP-FEC используется для сигналов PAM-4. KR1-FEC преобразует электрические сигналы 4x25G NRZ в закодированный сигнал 100GBASE-KR1. KR-FEC обозначается как RS(528, 514). Здесь кодирование RS начинается с 514-символьного поля данных (k), где каждый символ состоит из 10 битов и добавляет 14 символов четности для формирования 528-символьного закодированного кодового слова (n).
KP-FEC можно применять как к сигналам 100G (KP1), так и к сигналам 400G (KP4). KP1-FEC применяется к сигналам PAM-4 для группировки двух 50-гигабитных электрических сигналов PAM-4 в один закодированный сигнал 100GBASE-KP1. KP1-FEC транслирует 30 символов четности, в которых каждый символ состоит из 10 бит.
Эта строка четности добавляется к полю данных из 514 символов (k) для формирования кодового слова из 544 символов (n), поэтому KP1-FEC обозначается как RS(544,514).
Сигналы PAM-4 имеют более узкий интервал между уровнями напряжения, уменьшая амплитуду глаза до одной трети от аналогичного сигнала NRZ. Это приводит к тому, что сигнал PAM-4 имеет более низкое SNR и более чувствителен к шуму. Чтобы компенсировать пониженное отношение сигнал-шум, KP-FEC должен иметь более высокий коэффициент кодирования. KP-FEC потенциально может исправить до 15 символов на кодовое слово, по сравнению с KR-FEC, который может исправить максимум семь символов.
Компромиссы
Методы кодирования, используемые в FEC, снижают отношение сигнал-шум, необходимое для работы канала с заданным значением BER. По сути, канал работает так, как если бы он работал с гораздо более высоким отношением сигнал/шум. Таким образом, мы называем показатель качества схемы FEC выигрышем от кодирования.
FEC позволяет сетям увеличить скорость передачи данных при сохранении приемлемого значения BER.
Однако есть компромиссы. Улучшение является результатом добавления служебных данных в виде битов четности для исправления ошибок, которые потребляют часть доступной полосы пропускания. В общем, чем выше эффективность кодирования, тем больше количество битов четности, что увеличивает размер кодовых слов. Декодеры FEC должны получить полное кодовое слово, прежде чем они смогут с ним работать. Более сильные алгоритмы FEC могут обеспечить более высокую эффективность кодирования, но они требуют больших кодовых слов, а большие кодовые слова увеличивают задержку.
Мы должны сделать два замечания по поводу этой связи. Во-первых, FEC достигает точки убывающей отдачи. Это особенно важно, учитывая, что существует абсолютный предел количества битов с ошибками, которые может исправить данная схема FEC. Во-вторых, для спецификаций FEC в различных стандартах и MSA увеличение задержки ограничено. Для некоторых приложений, таких как высокоскоростная онлайн-торговля, это может быть целесообразно.
Для подавляющего большинства вариантов использования эффект незначителен и намного перевешивается преимуществами FEC.
Оптика Cisco и реализация FEC
Как производитель модулей, мы заботимся о том, чтобы наши приемопередатчики соответствовали спецификациям. Когда оптический трансивер работает на хост-платформе Cisco, FEC включается по умолчанию в зависимости от типа оптического модуля, который обнаруживает программное обеспечение хоста (см. эту загружаемую таблицу) 4 . В подавляющем большинстве случаев реализация FEC диктуется отраслевым стандартом, поддерживаемым оптическим типом. Для определенных пользовательских спецификаций реализации FEC могут различаться. Спецификация Cisco QSFP-100G-ZR4-S, например, представляет собой спецификацию Cisco на 80 км, для которой требуется FEC с поддержкой хоста.
FEC по умолчанию включается автоматически; однако могут быть и другие коды FEC для конкретных прикладных протоколов, которые могут поддерживаться программным обеспечением хоста.
Пользователь может включить их в зависимости от своего конкретного приложения.
Здесь мы описываем различные идентификаторы частей Cisco и соответствующую реализацию FEC.
Оптика 25G
Активные оптические кабели
Как упоминалось ранее, в стандартах обычно указывается конкретный код FEC. Наши активные оптические кабели (AOC) не основаны на отраслевых оптических спецификациях для канала, поскольку они образуют закрытую систему. Однако электрические разъемы на обоих концах AOC должны соответствовать электрическим спецификациям для C2M TJP1/TP4, изложенным в отраслевой спецификации IEEE802.3. В этом случае оптика и оптоволоконный кабель, используемые для передачи, предназначены для контроля дисперсии и потерь, чтобы обеспечить работу AOC с BER лучше, чем 1E-8. Включение FEC хоста гарантирует, что BER лучше, чем 1E-12.
Оптика 100G
100GBASE-LR4, 100GBASE-ER4 и FEC
За исключением 100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4 (40 км), для оптики 100G требуется RS(528,514) .
3 CL91 ФЭК) включен на хосте. Пользователи иногда задаются вопросом, почему требование FEC не распространяется также на 100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4.
100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4, определенные в IEEE802.3ba, используют передатчики LAN-WDM (четыре канала с шагом 5 нм: 1295, 1300, 1305, 1310 нм). Длины волн контролируются очень жестко, и существует небольшой дрейф длины волны в зависимости от температуры, что приводит к меньшему ухудшению дисперсии по оптоволокну. Эти передатчики более устойчивы к эффектам дисперсии. В результате, даже без хоста FEC, 100GBASE-LR4 может поддерживать досягаемость одного волокна до 10 км с BER менее 1E-12.
Кроме того, 100GBASE-ER4 также определяет высокочувствительный приемник на лавинных фотодиодах (APD). Комбинация увеличивает бюджет канала, чтобы компенсировать высокую хроматическую дисперсию на 30 км одномодового волокна. Этот модуль предназначен для обеспечения BER менее 1E-12 на расстоянии более 30 км без FEC хоста.
Напротив, оптика 100G CWDM4 стандартизирована MSA для сетки длин волн CWDM.
Эта сетка имеет более расслабленный интервал длин волн, четыре канала с интервалом 20 нм (1270, 1290, 1310, 1330 нм) с требуемым BER менее 1E-12 на расстоянии до 2 км. 3
Лямбда-модули 100G
Во всех случаях программное обеспечение хост-платформы определяет тип оптики и активирует соответствующий FEC для этого порта. Тем не менее, есть один вариант в конфигурации FEC для недавно выпущенных форм-факторов 100G с одной лямбдой.
Следующие модули имеют внутренний RS(544, 514) KP1-FEC для обеспечения лучшего BER, чем 1E-12:
● Модули 100G Lambda IEEE 802.3cd и 802.3cu, основанные на модуляции PAM-4
◦ 100GBASE-DR, работающая на расстоянии более 500 м
◦ 100GBASE-FR, работающая на расстоянии более 2 км
◦ 100GBASE-LR, работающая на расстоянии более 10 км
● Пользовательский 100G-ERL, действующая на расстоянии более 25 км
Для этих устройств функция FEC встроена в микросхему процессора цифровых сигналов (DSP), встроенную в модуль.
Когда модули загружаются в хост-платформу Cisco, программное обеспечение автоматически определяет этот тип оптики и отключает FEC на стороне хоста. Также эти модули можно настроить на обход KP-FEC, если он доступен с хоста.
100GBASE-LR и 100G-ERL также могут быть настроены для обхода KR FEC от хоста, если состояние канала позволяет компенсировать меньшую коррекцию (как сказано, KR — это RS(528, 514)) с преимуществом в скорости (51,5625 Гбод). против 53,125 Гбод данных, закодированных с помощью KP FEC).
Оптика 400G
Оптика 400G QSFP-DD, основанная на модуляции PAM-4, требует, чтобы хост включил FEC (544 514). Одним из вариантов использования, особенно для клиентов центров обработки данных и поставщиков услуг, является поддержка физического перехода от 400G QSFP-DD к модулям Lambda 100G (а именно 400G QSFP-DD DR4) или переходу LR4 к 4x100G (DR, FR или LR). Лямбда-оптика на удаленной стороне.
Конфигурация FEC предназначена для 400G QSFP-DD для включения 400GBASE-R KP4 FEC, а удаленный модуль FEC 4x100G Lambda завершает KP4 FEC и включает внутреннюю KR4 FEC.
Улучшение работы сети с FEC
Высокоскоростная сеть бесполезна, если она не может точно передавать данные. По мере роста скорости передачи данных FEC предоставляет важный инструмент для выявления и исправления ошибочных битов без существенного влияния на производительность сети. Что не менее важно, с точки зрения сетевого оператора, FEC позволяет им творить эту магию, используя менее дорогую оптику. Какой тип FEC использовать, обычно определяется стандартами/MSA и реализуется в аппаратном и программном обеспечении. FEC может показаться сложным, но это не обязательно. Мы в Cisco соблюдаем все стандарты и по умолчанию включаем FEC в наших продуктах. Цель состоит в том, чтобы упростить интеграцию и свести к минимуму усилия со стороны сетевых интеграторов и операторов, обеспечивая при этом ожидаемую производительность.
Подробнее
Свяжитесь со своим партнером Cisco или посетите наш сайт [cisco.com/go/optics], чтобы узнать больше о FEC и наших продуктах.
Ссылки
1.