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Title:
FIBRE-OPTIC CROSS-CONNECTION SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197046
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a fibre-optic cross-connection system, in particular with spine-and-leaf topology, comprising an input side (S1, S2), in particular a spine side, with one or more (n) input switches (S1, S2). Each input switch (S1, S2) comprises a plurality of fibre-optic multi-channel transceivers (QSFP S1.1-S1.4; QSFP S2.1-S2.4), each of which has a number of k fibre-optic channels (Tx0-Tx3). The fibre-optic cross-connection system also comprises an output side (L1-L4), in particular a leaf side, with a plurality (m) of output switches (L1, L2, L3, L4), which each have a plurality of fibre-optic multi-channel transceivers (QSFP L1.1-L1.2; QSFP L2.1-L2.2; QSFP L3.1-L3.2; QSFP L4.1-L4.2). The fibre-optic channels (Tx0-Tx3) of at least one, in particular each, input-side multi-channel transceiver (QSFP S1.1-S1.4; QSFP S2.1-S2.4) are divided and connected to different output-side multi-channel transceivers (QSFP L1.1-L1.2; QSFP L2.1-L2.2; QSFP L3.1-L3.2; QSFP L4.1-L4.2), in particular belonging to different output switches (L1, L2, L3, L4).

Inventors:
LOHMANN, Ulrich (Im Hülsei 9, Hamm, 59069, DE)
Application Number:
EP2018/063908
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
May 28, 2018
Export Citation:
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Assignee:
LOHMANN, Ulrich (Im Hülsei 9, Hamm, 59069, DE)
International Classes:
H04Q11/00; H04B10/27; H04L12/933
Foreign References:
US20150295655A12015-10-15
US20150230007A12015-08-13
US20100254703A12010-10-07
US9363208B12016-06-07
DE102011008122A12011-11-24
US5412506A1995-05-02
DE102016011751B32017-12-28
Attorney, Agent or Firm:
SCHOBER, Mirko (Gadderbaumer Str. 14, Bielefeld, 33602, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1. Faseroptisches Kreuzverbindungssystem, insbesondere mit

Spine-Leaf-Topologie , aufweisend :

eine Eingangsseite (Sl, S2 ) , insbesondere Spineseite, mit einem oder einer Mehrzahl (n) Eingangsswitche {Sl, S2 } , wobei jeder Eingangsswitch (Sl, S2) eine Mehrzahl faseroptische Multikanaltransceiver (QSFP Sl .1-S1.4 ; QSFP S2 , 1-S2.4 ) umfasst, von denen jeder über eine An zahl von k faseroptischen Kanäle (TxQ~Tx3) verfügt, und eine Ausgangsseite (L1-L4) , insbesondere LeafSeite, mit einer Mehrzahl (m) Ausgangsswitche {LI, L2 , L3, L4) , die jeweils eine Mehrzahl faseroptischer Multikanal - transceiver (QSFP LI.1 -LI.2; QSFP L2.1-L2.2; QSFP L3.1- L3.2; QSFP L4.1-L4.2) aufweisen,

dadurch gekennzeichnet,

dass die faseroptischen Kanäle (Tx0-Tx3) wenigstens eines, insbesondere jedes, eingangsseitigen Multikanal - transceivers (QSFP Sl .1-S1.4 ; QSFP S2.1-S2.4) aufgeteilt und mit voneinander verschiedenen, insbesondere zu verschiedenen Ausgangsswitchen (LI, L2, L3 , L4) ge hörenden, ausgangsseitigen Multikanaltransceivern (QSFP LI.1 -LI.2; QSFP L2.1-L2.2; QSFP L3.1-L3.2; QSFP L4.1- L4.2 ) verbunden sind .

2. Kreuzverbindungssystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ,

dass die Verbindungen der eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Multikanaltransceiver (QSFP S1.1 -S1.4 ; QSFP S2.1-S2.4; QSFP L1.1-L1.2; QSFP L2.1-L2.2; QSFP L3.1-L3.2 ; QSFP L4.1-L4.2) steckbar ausgebildet sind,

3. KreuzverbindungsSystem nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der wenigstens eine oder die Mehrzahl (n) Ein gangsswitch (e) (Sl, S2 } über eine Verbindungseinrichtung (l) mit der Mehrzahl (m) Ausgangsswitche (L1-L4 ) verbunden ist.

4. Kreuzverbindungssystem nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Verbindungseinrichtung (1) für jeden ange schlossenen eingangsseitigen Multikanaltransceiver (QSFP S1.1-S1.4; QSFP S2.1-S2.4) eine Anzahl von k Kanaleingängen aufweist, wobei k die Anzahl der faseroptischen Kanäle je eingangsseitigem Multikanaltranscei ver (QSFP S1.1-S1.4; QSFP S2.1-S2.4) bezeichnet.

5. KreuzverbindungsSystem nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Verbindungseinrichtung ( 1 ) für jeden ange schlossenen ausgangsseitigen Multikanaltransceiver (QSFP LI.1 -LI.2; QSFP L2.1-L2.2; QSFP L3.1-L3.2; QSFP L4.1-L4.2) eine Anzahl von k Kanalausgängen aufweist, wobei k die Anzahl der faseroptischen Kanäle je eingangsseitigem Multikanaltransceiver (QSFP S1.1-S1.4; QSFP S2.1-S2.4) und/oder ausgangsseitigen Multikanal transceiver (QSFP L1.1-L1.2; QSFP L2.1-L .2; QSFP L3.1- L3.2 ; QSFP L4.1-L4.2) bezeichnet.

6. Kreuzverbindungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

dass die Kanaleingänge und/oder Kanalausgänge in LC- , ST- oder MPO-Steckeraufnahmen vorgesehen sind,

7. Kreuz erbindungsSystem nach einem der vorigen Ansprüche ,

dadurch gekennzeichnet ,

dass die Gesamtanzahl N2 der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Multikanaltransceiver iV2 = beträgt .

8 , Kreuzverbindungssystem nach einem der vorigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass für die Anzahl faseroptischer Kanäle je eingangsseitigem und/oder ausgangsseitigem Multikanaltranscei- ver gilt: k = 4.

Description:
FASEROPTISCHES KREUZVERBINDUNGSSYSTEM

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein, insbesondere steckbares, faseroptisches Kreuzverbindungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ,

STAND DER TECHNIK

Die Anwendung der Erfindung wird primär im Bereich der faseroptischen Verkabelungssysteme in Data Center gesehen, da hier ein Bedarf an strukturierter und skalierbarer Netzwerktechnologie mit inhärenter Redundanz für hohe Datenra ten besteht. Gerade im Bereich der Router entwickelt sich, mit der sogenannten „Spine-Leaf-Topologie" , ein Anwendungsgebiet für hoch-skalierbare faseroptische Kreuzverbindungen in redundanter Auslegung .

Es existieren im Rechenzentrum bereits eine Vielzahl von faseroptischen Steckverbindungssystemen in unterschiedli chen Ausprägungen (z.B. LC, ST und MPO etc.}. Es sind ebenfalls steckbare KreuzverbindungsSysteme bekannt, wie beispielsweise aus den Patentschriften DE 10 2011 008 122, US 5,412,506 und DE 10 2016 011 751 zu entnehmen ist.

Bei den existierenden faseroptischen Verbindungssystemen muss - für die Gewährleitung von Hochverfügbarkeit - die Anzahl der eingesetzten elektro-optischen Transceiver zur Erzeugung von Redundanz verdoppelt werden, um den. Ausfall eines Transceivers ad hoc kompensieren zu können. Dies stellt einen erheblichen monetären Aufwand bei der Beschaf fung und einen konzeptionellen Aufwand bei der Planung des Raumbedarfs solcher Systeme dar. Des Weiteren werden durch den Betrieb dieser „Backup-Transceiver" erhebliche Energiekosten produziert sowie die Energiebilanz belastet.

DIE ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kreuzverbindungsystem der eingangs genannten Art anzugeben, welches die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist und insbesondere eine inhärente Redundanz der elektro-optischen Multikanaltransceiver auch für Umgebungen mit hohem Ausfallrisiko (harsh environ- ment) zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch ein faseroptisches Kreuzverbin dungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprü chen.

Das erfindungsgemäße faseroptische KreuzverbindungsSystem, welches insbesondere eine Spine-Leaf-Topologie umfasst, weist eine EingangsSeite, insbesondere Spineseite, mit einem oder einer Mehrzahl Eingangsswitche auf, wobei jeder Eingangsswitch eine Mehrzahl faseroptische Multikanaltrans- ceiver umfasst , von denen jeder über eine Anzahl von faser- optischen Kanälen verfügt. Ferner weist das erfindungsgemäße Kreuzverbindungssystem eine Ausgangsseite, insbesondere Leafseite, mit einer Mehrzahl Ausgangsswitche auf, die jeweils eine Mehrzahl faseroptischer Multikanaltransceiver umfassen. Die faseroptischen Kanäle wenigstens eines, insbesondere jedes, eingangsseitigen Multikanaltransceivers sind erfindungsgemäß aufgeteilt und mit voneinander verschiedenen, insbesondere zu verschiedenen Ausgangsswitchen gehörenden, ausgangsseitigen Multikanaltransceivern verbunden .

Mit Hilfe des insbesondere steckbaren faseroptischen Kreuzverbindungssystems, bei welchem dann bevorzugt die Verbin dungen der eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Multikanaltransceiver steckbar ausgebildet sind, können die Einzelkanäle eines Multikanal-Transceivers derart gemischt werden, dass hierdurch eine inhärente Redundanz durch die internen, insbesondere in einer Verbindungseinrichtung, gekreuzten optischen Kanäle erzeugt wird. Dadurch ist das System in der Lage, im sogenannten Split-Modus der Multikanal-Transceiver Ausfälle der Transceiver anteilig zu kompensieren.

Als wesentlicher Vorteil der beschriebenen faseroptischen Kreuzverbindung wird die ermöglichte Reduzierung der erfor derlichen Transceiver gesehen, d.h. im Vergleich zur konventionellen redundanten Kreuzverbindung - ohne interne Mi schung der faseroptischen Transceiverkanäle - wird nur noch die Hälfte der Anzahl an Transceivern benötigt, um eine vergleichbare Redundanz bei Ausfall der Multikanaltransceiver zu erzeugen.

Die insbesondere steckbare Verbindung wird bevorzugt da durch hergestellt, dass der wenigstens eine oder die Mehrzahl Eingangsswitch (e) über eine Verbindungseinrichtung mit der Mehrzahl Ausgangsswitcfae verbunden ist/sind. Die Anzahl der entsprechenden Kanaleingänge der Verbindungseinrichtung richtet sich dabei nach der Kanalzahl der Multikanaltransceiver. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Verbindungseinrichtung für jeden angeschlossenen eingangssei igen Multikanaltransceiver eine Anzahl von k Verbindungsan schlüssen aufweist, wobei k die Anzahl der faseroptischen Kanäle je eingangsseitigem Multikanaltransceiver bezeich net. Die Verbindungseinrichtung sorgt für die erfindungsge mäße Aufteilung bzw. das Splitten der Kanäle jedes ein gangsseitigen Transceivers und entsprechend für das wieder zusammenführen auf der Ausgangsseite.

Auch ausgangsseitig ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verbindungseinrichtung für jeden angeschlossenen ausgangsseitigen Multikanaltransceiver eine Anzahl von k Kanalausgänge auf eist, wobei k die Anzahl der faseroptischen Kanäle je eingangsseitigem Multikanaltransceiver und/oder ausgangs seitigen Multikanaltransceiver bezeichnet.

Die Kanaleingänge und/oder Kanalausgänge können z . B . in LC- , ST- oder MPO-Steckeraufnahmen vorgesehen sein. In je der Steckeraufnahme finden sich dann bevorzugt k Kanalein gänge und/oder Kanalausgange , die nach der erfindungsgemä- ßen Kreuzverbindung miteinander innerhalb der Verbindungs einrichtung verschaltet sind.

Der Ausfall eines Multikanaltransceivers in einem Eingangs - switch bzw, Spine-Switch bewirkt z.B. durch die Verwendung der erfindungsgemäßen KreuzVerbindung lediglich eine 25%- Reduktion der gesamten. Bandbreite (anstatt 100% Bandbreitenverlust bei konventioneller Ankopplung) . Hierdurch kann eine Reduktion der benötigten Transceivermodule für die be nötigte Redundanz erreicht werden, bzw. eine inhärente Re dundanz mit deutlich weniger Transceivern erreicht werden.

Der Erfindungsgedanke umfasst insbesondere die inhärente Redundanzerzeugung in modernen Spine-Leaf-Topologien in Da ta Centern. Dies wird erreicht durch die Kombination einer bevorzugt steckbaren, faseroptischen KreuzVerbindung mit dem sogenannten „Split -Modus" kommerzieller Mehrkanaltrans- ceiver und eignet sich insbesondere für Hochleistungsdaten verbindungen im hohen Gbps-Bereich.

Die erfindungsgemäße, bevorzugt steckbare, Kreuzverbindung vermischt die einzelnen faseroptischen Kanäle der Mehrka- naltransceiver mit einer Kanalanzahl k modular. Dadurch wird erreicht, dass der potentielle Ausfall eines Mehrkanaltransceivers lediglich zu einer Bandbreitenreduktion um den Faktor l/k, statt zu einem vollen Bandbreitenausfall in der konventionellen Realisierung - führt.

Dies wird ermöglicht, indem die Kanäle der einzelnen im Eingangsswitch vorhandenen Transceiver zuerst aufgeteilt, dann über die Anzahl der angeschlossenen Endgeräte bzw.

Ausgangsswitche gekreuzt und danach wieder zusammengeführt werden. Hierdurch wirkt sich ein Transceiverausfall mit k- Kanälen lediglich zum l/k ten-Teil auf das Gesamtsystem aus .

So ist es möglich, die erforderliche systemische Redundanz der elektrooptischen Transceiver anstatt durch eine Dopp lung der Bauteile mit signifikant weniger Transceivern zu realisieren.

In einer Spine-Leaf-Konstallation mit n Spine-Switchen und m Leaf -Switchen betragt die Anzahl der faseroptischen Ver bindungen A für das System:

A = mn

Mit je zwei Transceivern pro Verbindung beträgt die Anzahl der benötigten Transceiver N im konventionellen Redundanz- Schema {Verdopplung) ;

N t = 4mn Aufgrund des erfindungsgemäßen Systems beträgt die Anzahl der benötigten k-Kanal -Transceiver für dieselbe Redundanz:

Für einen 4 -Kanal -Transceiver (k = 4) erhält man. dann: Die Differenz der Anzahl der benötigten Transceiver berech net sich somit zu

Dieser Zusammenhang führt zu einer linearen Zunahme des ab- soluten Einsparpotentials in Abhängigkeit von n und m. Exemplarisch sei DN für folgende Konstellationen berechnet :

Durch die Kreuzverbindung der angeschlossenen Transceiver entsteht eine Verbindungskombination der Transceiverkanäle auf Eingangs- bzw. Ausgangsseite oder Spine- bzw. Leaf- seite, welche den jeweiligen Anteil jedes Transceivers an der Gesamtbandbreite minimiert. Dies minimiert folglich ebenfalls die Wirkung eines Ausfalls des jeweiligen Trans- ceivers .

Das erfindungsgemäße KreuzverbindungsSystem ist, wie oben dargelegt, beliebig skalierbar. Die Gesamtanzahl N 2 der be nötigten eingangsseitigen und ausgangsseitigen Multikanal - transceiver beträgt daher bevorzugt N 2 = .

In praktischen Anwendungen sind derzeit Multikanaltranscei- ver mit 4 Kanälen Stand der Technik. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass für die Anzahl faseroptischer Kanäle je eingangsseitigem und/oder ausgangsseitigern Multikanaltrans- ceiver gilt; k = 4,

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- Spiels anhand der Figuren 1 - 5 noch naher erläutert . Das in den Figuren 2 - 4 dargestellte und diskutierte Ausfüh rungsbeispiel soll lediglich veranschaulichen, wie ein er- findungsgemäßes Kreuzverbindungssystem aufzubauen ist. Der Fachmann wird erkennen, dass das System mit beliebig vielen Switchen bzw. Multikanaltransceivern ausgestattet bzw. es kaliert werden kann,

Figur 1 - zeigt ein Schema eines konventionellen, fa seroptischen Kreuzverbindungssystems für zwei Spine- auf vier Leafswitche mit redundanten optischen Kanälen,

Figur 2 - zeigt ein Schema eines erfindungsgemäßen faseroptischen. KreuzverbindungsSystems für zwei Spine- auf vier Leafswitche mit inhärenten redundanten Kanälen,

Figur 3 - zeigt ein Belegungsbeispiel für einen ersten

Leaf -Quad-Blocks KreuzverbindungsSystem für den Anwendungsfall zwei Spine- auf vier Leaf switche, Figur 4 zeigt ein beispielhaftes Belegungsschema ei nes MP012 Steckverbinders für Multikanal- transceiver ,

Figur 5 - zeigt ein beispielhaftes Schema der erfindungsgemäßen Split -Verbindungen am Beispiel eines QSFP- Multikanaltransceivers.

BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Wie in Figur 1 dargestellt, erfordert die konventionelle, redundante Auslegung, bei welcher für jeden Transceiver letztlich ein „Ersatztransceiver" zur Schaffung der Redundanz vorgehalten werden muss, beispielsweise für die abge bildete Spine-Leaf-Verbindungsstruktur mit 2 Spine- und 4 Leaf-Switchen eine Insgesamt 32 Multikanaltransceiver QSFP (z.B. QSPP 8) mit beispielsweise je 4 internen faseroptischen Kanälen (Tx und Rx) . Wird beispielsweise ein 100Gb/s- Übertragungssystem eingesetzt, transportieren die 4 internen Kanäle je 25 Gb/s und werden konventionell zu 100 Gb/s aggregiert .

Um den Ausfall eines QSFP zu kompensieren, werden die Spine-Switche mit je 2 QSFPs angeschlossen .

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, insbesondere als Steckverbindungssystem ausgebildeten, KreuzverbindungsSys tem, werden, wie das Beispiel der Figur 2 zeigt, die faseroptischen Kanäle der angeschlossenen Multikanaltransceiver QSFPx (x ist ein Platzhalter durch die Verwendung des in- io

ternen Split-Modus der QSFPs derart aufgeteilt, dass nicht alle, sondern nur ein Teil der internen Kanäle des QSFP auf das jeweilige Empfängergerät geschaltet wird, Das Aufteilen der vier Kanäle eines QSFP ist beispielhaft in Figur 5 dargestellt .

Durch die insbesondere steckbaren Faserverbindungen des vorgeschlagenen Steckverbindungssystems, welches in der Figur 2 eine Verbindungseinrichtung 1 umfasst, die die Ein gangsswitche (hier auch Spineswitche genannt) mit den Aus gangsswitehern (hier auch Leafswitche genannt) verbindet, werden die Datenleitungen durch das in Figur 3 dargestellte Steckschema wieder zusarnmengemiseht bzw. aggregiert, sodass die Gesamtdatenrate zum Empfängergerät geführt werden kann.

Die Realisierung der Steckverbindung aus der Figur 3 kann beispielsweise durch sogenannte LC Quad-Kupplungen erfol gen, die im gezeigten Beispiel als Verbindungseinrichtung dienen, wobei beispielsweise MPO-Steckelemente zur Ankopp- lung der einzelnen Kanäle an die Verbindungseinrichtung verwendet werden können, wie dies hier beispielhaft gezeigt ist .

Die Belegung eines MP012-Steckelements ist in Figur 4 dar- gestellt . Mit dieser Standardbelegung werden die 4 internen Kanäle (Tx und Rx) des angeschlossenen QSFP durch das er- findungsgemäße System gemischt und erzeugen hierdurch die gewünschte inhärente Redundanz . In der dargestellten Beispielanwendung führt dies zu einer Reduktion der Anzahl der QSFP von 50% bei anteilig erhalte ner Redundanz der Datenrate. Die berechnete anteilige Re dundanz der Datenrate steigt in dieser beispielhaften Konstellation durch die faseroptische Kanalmischung von 0% auf 50% bei den Leaf- Swichen und von 0% auf 75% bei den Spine- Switchen, da sich der Ausfall eines QSFP durch den internen Split-Modus lediglich zum entsprechenden Anteil auf die Gesamtdatenrate der Verbindung auswirkt.

Das vorgeschlagene Konzept der inhärenten Redundanz, lässt sich konsequent zu einer 100% Redundanzlösung weiterentwi ckeln. Hierzu wird - in der Beispielanwendung aus der Figur 2 - die Anzahl der verwendeten Multikanaltransceiver auf der Spineseite auf jeweils 6 QSFPs pro Spine und auf der LeafSeite auf jeweils 3 QSFPs erhöht. Mit dieser Konstellation ist eine 100% Redundanz bei QSFP-Ausfall möglich, da die gekreuzten Kanäle der verbleibenden Multikanaltranscei- ver genutzt werden können, um die 100 Gb/s Datenrate zu liefern .

Als Resultat dieser Konstellation reduziert sich die benötigte Anzahl von Multikanal -Transceivern auf 75% der Anzahl eines konventionellen Verbindungssystems aus Figur 1.