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数据中心100G光模块标准及封装格式


光纤在线编辑部  2018-08-23 09:21:15 综合整理 浏览次数£º
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8/23/2018,传统数据中心主要基于10G网络架构£¬为了适应AI¡¢深度学习¡¢大数据计算等业务的规模部署£¬下一代数据中心架构正在向25G/100G网络架构演进£¬在国内已经看到BAT等互联网巨头都实现了规模部署¡£

建设25G/100G数据中心需要大量100G光模块£¬在网络建设成本中占比较高£¬100G光模块标准都?#24515;?#20123;£¬我们又该如何选择呢£¿今天就为大家简单梳理下数据中心100G光模块标准以及封装格式¡£

100G光模块标准组织
在开始分享光模块标准之前£¬先了解下光模块的标准化组织¡£对于光模块的定义主要是两个关键组织£¬即IEEE和MSA£¨Multi Source Agreement£¬多源协议£©£¬两者之间互补而又互相借鉴¡£

想必大家都知道IEEE是电子电气工程师协会£¬而802.3是IEEE下面的一个工作组£¬很多10G¡¢40G¡¢100G¡¢400G的光模块标准都是由IEEE 802.3工作组提出的¡£

MSA是一种多供应商规范£¬相比IEEE算是一个民间的非官方组织形式£¬针对不同的光模块标准会形成不同的MSA协议£¬可以理解是产业内企业联盟行为¡£MSA除了定义光模块的结构封装£¨包括外形尺寸£¬电连接器£¬引脚分配等£©£¬也会定义电接口¡¢光接口£¬从而形成完整的光模块标准¡£

很久以前光模块产业链很混乱£¬每个厂家都有各自的结构封装£¬开发的光模块有大有小£¬接口也是五花八门¡£为了解决这个问题£¬MSA多源协议应运而生£¬各厂家都遵循MSA提出的标准统一光模块的结构封装和相关接口£¬这就像手机充电口的标准化¡£针对100G£¬MSA定义的标准包括100G PSM4 MSA¡¢100G CWDM4 MSA和100G Lambda MSA¡£

100G光模块标准
为了满足不同距离的100G互联场景£¬IEEE 以及MSA定义的100G标准超过十种£¬但是主流的是下面六种标准¡£


其中100GBASE开头的标准都是IEEE 802.3提出的¡£


如上图所示£º100GBASE-LR4名称中£¬LR表示long reach£¬即10Km£¬4表示四通道£¬即4*25G£¬组合在一起为可以传输10Km的100G光模块¡£其中-R的命名规则如下£º


除了IEEE提出的100GBASE系列标准£¬为何MSA还提出了PSM4以及CWDM4标准呢£¿
   100GBASE-SR4和100GBASE-LR4是IEEE定义的最常用的100G接口规范¡£但是对于大型数据中心内部互联场景£¬100GBASE-SR4 支持的距离太短£¬不能满足所有的互联需求£¬而100GBASE-LR4成本太高¡£因此£¬MSA为市场带来了中距离互联的解决方案£¬PSM4和CWDM4是这次革命的产物¡£
    ?#27604;?a href='javascript:void(0)' class='kwdBtn154' rel='nofollow'>100GBASE-LR4的能力完全覆盖了CWDM4£¬但在2Km传输的场景下£¬ CWDM4方案成本更低£¬更具竞争力¡£

下图是100GBASE-LR4以及100G CWDM4的原理图£º




LR4和CWDM4从原理上类似£¬都是通过光学器件MUX以及DEMUX将4条并行的25G通道波分复用到一条100G光纤链路上¡£不过两者存在几点区别£º
1.LR4使用的光学MUX/DEMUX器件更贵
CWDM4定义的是20nm 的CWDM间隔£¬因为激光器的波长温漂特性大约是0.08nm/¡ãC£¬0~70¡ãC工作范围内的波长变化大约是5.6nm£¬通道本身也要留一些隔离带¡£
通道一£º1264.5~1277.5nm
通道二£º1284.5~1297.5nm
通道三£º1304.5~1317.5nm
通?#28010;模?324.5~1337.5nm

而LR4则定义了4.5nm的LAN-WDM间隔¡£
通道一£º1294.53~1296.59nm
通道二£º1299.02~1301.09nm
通道三£º1303.54~1305.63nm
通?#28010;模?308.09~1310.19nm

通道间隔越大£¬对光学MUX/DEMUX器件的要求就越低£¬可以节省成本¡£

2.LR4使用的激光器更贵£¬功耗更大
CWDM4使用DML£¨Direct Modulated Laser£¬直接调制激光器£©£¬而LR4使用EML£¨Electro-absorption Modulated Laser£¬电吸收调制激光器£©¡£
DML是单颗激光器£¬而EML是两个器件£¬一颗是DML£¬另一颗是EAM调制器£¬合在一起叫做EML¡£DML的原理是通过调制激光器的注入电流来实?#20013;?#21495;调制£¬由于注入电流的大小会改变激光器有源区折射率£¬造成波长漂移(啁啾)从而产生色散£¬做高速信号调制很困难£¬传的也不够远¡£10KM对于DML?#27492;?#26377;点力不从心£¬只能上EML¡£
注£º啁啾(Chirp)是指频率随时间而改变(增加或减少)的信号£¬这?#20013;?#21495;听起来类似鸟鸣的啾声¡£

3.LR4需要额外增加TEC£¨Thermo Electric Cooler 半导体热电制冷器£©
因为LR4的相邻通道之间只有4.5nm的间隔£¬所以激光器需要放到TEC上控温¡£电路上需要放置TEC Driver芯片£¬Laser也要集成到TEC材料上来做£¬这样一来£¬相比CWDM4£¬LR4的成本又有所增加¡£
基于以?#20808;?#28857;£¬100GBASE-LR4标准的光模块成本更高£¬所以MSA提出的100G CWDM4标准很好地补充了100GBASE-LR4在2Km以内成本过高导致的空白¡£

除CWDM4之外£¬PSM4也是一种中距离的传输方案£¬那么相比CWDM4£¬PSM4有何优劣势呢£¿
100G PSM4规范定义了8根单模光纤£¨4个发送和4个接收£©的点对点100 Gbps链路£¬每个通道以25 Gbps的速率发送¡£每个信号方向使用四个相同波长且独立的通道¡£因此£¬两个收发器通常通过8光纤MTP / MPO单模跳线进行通信¡£PSM4的传输距离最大为500米¡£


简单总结一下£¬如下图所示£¬由于使用了波分复用器£¬所以CWDM4的光模块成本要高于PSM4光模块£¬不过CWDM4收发双向只需要两根单模光纤£¬远少于PSM4的8根单模光纤£¬随着距离的增加£¬PSM4方案的总成本上升得非常快¡£在实际应用中需要依据互联距离来决定使用PSM4还是CWDM4¡£


聊完100G中长距光模块标准£¬再来看100G短距光模块¡£
    100G短距光模块标准主要有100GBASE-SR10和100GBASE-SR4两种标准¡£当年为了满足市场上出现的100G需求£¬ 100GBASE-SR10标准最早被提出且应用于100G的短距互联¡£
    100GBASE-SR10标准使用10 x 10Gbps并行通道实现100Gbps点对点传输£¬电信号的速?#36866;?a href='javascript:void(0)' class='kwdBtn183' rel='nofollow'>10G£¬光信号速率也是10G£¬采用NRZ的调?#21697;?#24335;及64B/66B的编码方式¡£因为IEEE 802.3早在2010年提出100GBASE-SR10标准£¬当时交换机ASIC芯片£¨Application Specific Integrated Circuit£©电接口最高只能支持10G£¬即CAUI-10£¨10通道 x 10Gbps£©¡£



    伴随着交换机ASIC芯片电接口速率从10Gpbs提升到25G bps£¬电接口标准从CAUI-10£¨10通道 x 10Gbps£©升级到CAUI-4£¨4通道 x 25Gbps£©£¬通道从SR10的并行10通道减少到并行4通道£¬光模块的器件个数得以减少¡¢成本得以降低¡¢模块尺寸得以缩小¡¢功耗得以降低¡£
    光模块尺寸的减少使得交换机每1U空间可以提供的100G接口密度更大£¬基于以上的优势£¬目前100GBASE-SR4已经取代100GBASE-SR10成为目前主流的100G短距光模块标准¡£


100G光模块封装
    仅有光模块的光接口以及电接口规范是不够?#27169;?#36824;需要配套的结构封装才能算是完整的光模块解决方案¡£100G光模块的封装格式主要有CFP¡¢CFP2¡¢CFP4以及QSFP28¡£
    CFP最早被提出£¬短距传输应用100GBASE-SR10标准£¬长距传输应用100GBASE-LR4¡£第一代CFP长距传输方案如下£¬因为电接口能力只有CAUI-10£¬所以需要内置Gearbox£¨下图的10:4 Serializer£©来实现10 x 10Gbps与4 x 25Gbps电信号的转换¡£后?#27492;?#30528;电信号提升到CAUI-4£¬第二代CFP£¨CFP2/CFP4£©长距传输方案中不需要内置Gearbox¡£



   但是£¬CFP尺寸实在太大了£¬随着光模块的集成度越来越高£¬后来的发展方向?#21069;?#23610;寸做小¡¢功耗做低£¬CFP得以演进到CFP2¡¢CFP4£¬再到后来出现的QSFP28¡£相比CFP4£¬QSFP28的尺寸更小¡¢功耗更低£¬QSFP28更小的尺寸使得交换机拥有更高的端口密度£¨典型的形态是每块板卡可以部署36个100G接口£©¡£目前QSFP28是数据中心内部100G光模块的主流封装格式¡£



最后总结一下£¬关于25G/100G数据中心内部互联光模块如何选择£¬建议大家不妨参考如下标准:
    不超过100米的100G短距互联场景£¨TOR-LEAF£©£¬使用100GBASE-SR4 QSFP28光模块£»100米到500米的100G中距互联场景£¨LEAF-SPINE£©£¬使用100G PSM4 QSFP28光模块£»500米到2Km的100G中长距互联场景£¨LEAF-SPINE¡¢SPINE-CORE£©£¬使用100G CWDM4 QSFP28光模块£»超过2Km的长距互联场景£¨CORE-MAN£©£¬使用100GBASE-LR4 QSFP28光模块¡£

最后附上专业术语解释



作者£º锐捷网络  陈冬林
编辑£ºCoco        

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