OPTONE帶你了解100G光模塊
發(fā)布日期:2019-09-16
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傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心主要基于10G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為了適應(yīng)AI、深度學習、大數(shù)據(jù)計算等業(yè)務(wù)的規(guī)模部署，下一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)正在向25G／100G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進，在國內(nèi)已經(jīng)看到BAT等互聯(lián)網(wǎng)巨頭都實現(xiàn)了規(guī)模部署。
建設(shè)25G／100G數(shù)據(jù)中心需要大量100G光模塊，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本中占比較高，100G光模塊標準都有哪些，我們又該如何選擇呢？今天就為大家簡單梳理下數(shù)據(jù)中心100G光模塊標準以及封裝格式。
100G光模塊標準組織
100G光模塊標準
為了滿足不同距離的100G互聯(lián)場景，IEEE 以及MSA定義的100G標準超過十種，但是主流的是下面六種標準。
▲100G光模塊主流標準
其中100GBASE開頭的標準都是IEEE 802．3提出的。
如上圖所示：
▲－R名詞解釋
100G光模塊標準組織
在開始分享光模塊標準之前，先了解下光模塊的標準化組織。對于光模塊的定義主要是兩個關(guān)鍵組織，即IEEE和MSA（Multi Source Agreement，多源協(xié)議），兩者之間互補而又互相借鑒。
想必大家都知道IEEE是電子電氣工程師協(xié)會，而802．3是IEEE下面的一個工作組，很多10G、40G、100G、400G的光模塊標準都是由IEEE 802．3工作組提出的。
MSA是一種多供應(yīng)商規(guī)范，相比IEEE算是一個民間的非官方組織形式，針對不同的光模塊標準會形成不同的MSA協(xié)議，可以理解是產(chǎn)業(yè)內(nèi)企業(yè)聯(lián)盟行為。MSA除了定義光模塊的結(jié)構(gòu)封裝（包括外形尺寸，電連接器，引腳分配等），也會定義電接口、光接口，從而形成完整的光模塊標準。
很久以前光模塊產(chǎn)業(yè)鏈很混亂，每個廠家都有各自的結(jié)構(gòu)封裝，開發(fā)的光模塊有大有小，接口也是五花八門。為了解決這個問題，MSA多源協(xié)議應(yīng)運而生，各廠家都遵循MSA提出的標準統(tǒng)一光模塊的結(jié)構(gòu)封裝和相關(guān)接口，這就像手機充電口的標準化。針對100G，MSA定義的標準包括100G PSM4 MSA、100G CWDM4 MSA和100G Lambda MSA。
100G光模塊標準
為了滿足不同距離的100G互聯(lián)場景，IEEE 以及MSA定義的100G標準超過十種，但是主流的是下面六種標準。
▲100G光模塊主流標準
其中100GBASE開頭的標準都是IEEE 802．3提出的。
如上圖所示：
100GBASE－LR4名稱中，LR表示long reach，即10Km，4表示四通道，即4＊25G，組合在一起為可以傳輸10Km的100G光模塊。
其中－R的命名規(guī)則如下：
▲－R名詞解釋
除了IEEE提出的100GBASE系列標準，為何MSA還提出了PSM4以及CWDM4標準呢？
100GBASE－SR4和100GBASE－LR4是IEEE定義的最常用的100G接口規(guī)范。但是對于大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)場景，100GBASE－SR4 支持的距離太短，不能滿足所有的互聯(lián)需求，而100GBASE－LR4成本太高。因此，MSA為市場帶來了中距離互聯(lián)的解決方案，PSM4和CWDM4是這次革命的產(chǎn)物。
當然100GBASE－LR4的能力完全覆蓋了CWDM4，但在2Km傳輸?shù)膱鼍跋拢?CWDM4方案成本更低，更具競爭力。
下圖是100GBASE－LR4以及100G CWDM4的原理圖：
▲ 100GBASE－LR4原理圖
▲100G CWDM4原理圖
LR4和CWDM4從原理上類似，都是通過光學器件MUX以及DEMUX將4條并行的25G通道波分復(fù)用到一條100G光纖鏈路上。不過兩者存在幾點區(qū)別：
▲CFP／CFP2／CFP4／QSFP28光模塊尺寸對比▲ 100GBASE－LR4原理圖
▲100G CWDM4原理圖
LR4和CWDM4從原理上類似，都是通過光學器件MUX以及DEMUX將4條并行的25G通道波分復(fù)用到一條100G光纖鏈路上。不過兩者存在幾點區(qū)別：
1．LR4使用的光學MUX／DEMUX器件更貴
CWDM4定義的是20nm 的CWDM間隔，因為激光器的波長溫漂特性大約是0．08nm／°C，0～70°C工作范圍內(nèi)的波長變化大約是5．6nm，通道本身也要留一些隔離帶。
CWDM4定義的是20nm 的CWDM間隔，因為激光器的波長溫漂特性大約是0．08nm／°C，0～70°C工作范圍內(nèi)的波長變化大約是5．6nm，通道本身也要留一些隔離帶。
通道一：1264．5～1277．5nm
通道二：1284．5～1297．5nm
通道三：1304．5～1317．5nm
通道四：1324．5～1337．5nm
而LR4則定義了4．5nm的LAN－WDM間隔。
通道一：1294．53～1296．59nm
通道二：1299．02～1301．09nm
通道三：1303．54～1305．63nm
通道四：1308．09～1310．19nm
通道間隔越大，對光學MUX／DEMUX器件的要求就越低，可以節(jié)省成本。
2．LR4使用的激光器更貴，功耗更大
CWDM4使用DML（Direct Modulated Laser，直接調(diào)制激光器），而LR4使用EML（Electro－absorption Modulated Laser，電吸收調(diào)制激光器）。
DML是單顆激光器，而EML是兩個器件，一顆是DML，另一顆是EAM調(diào)制器，合在一起叫做EML。DML的原理是通過調(diào)制激光器的注入電流來實現(xiàn)信號調(diào)制，由于注入電流的大小會改變激光器有源區(qū)折射率，造成波長漂移（啁啾）從而產(chǎn)生色散，做高速信號調(diào)制很困難，傳的也不夠遠。10KM對于DML來說有點力不從心，只能上EML。
注：啁啾（Chirp）是指頻率隨時間而改變（增加或減少）的信號，這種信號聽起來類似鳥鳴的啾聲。
3．LR4需要額外增加TEC（Thermo Electric Cooler 半導體熱電制冷器）
因為LR4的相鄰?fù)ǖ乐g只有4．5nm的間隔，所以激光器需要放到TEC上控溫。電路上需要放置TEC Driver芯片，Laser也要集成到TEC材料上來做，這樣一來，相比CWDM4，LR4的成本又有所增加。
基于以上三點，100GBASE－LR4標準的光模塊成本更高，所以MSA提出的100G CWDM4標準很好地補充了100GBASE－LR4在2Km以內(nèi)成本過高導致的空白。
除CWDM4之外，PSM4也是一種中距離的傳輸方案，那么相比CWDM4，PSM4有何優(yōu)劣勢呢？
▲PSM4原理圖
簡單總結(jié)一下，如下圖所示，由于使用了波分復(fù)用器，所以CWDM4的光模塊成本要高于PSM4光模塊，不過CWDM4收發(fā)雙向只需要兩根單模光纖，遠少于PSM4的8根單模光纖，隨著距離的增加，PSM4方案的總成本上升得非?？臁Ｔ趯嶋H應(yīng)用中需要依據(jù)互聯(lián)距離來決定使用PSM4還是CWDM4。
▲CWDM4 vs PSM4
▲PSM4原理圖
簡單總結(jié)一下，如下圖所示，由于使用了波分復(fù)用器，所以CWDM4的光模塊成本要高于PSM4光模塊，不過CWDM4收發(fā)雙向只需要兩根單模光纖，遠少于PSM4的8根單模光纖，隨著距離的增加，PSM4方案的總成本上升得非?？臁Ｔ趯嶋H應(yīng)用中需要依據(jù)互聯(lián)距離來決定使用PSM4還是CWDM4。
▲CWDM4 vs PSM4
聊完100G中長距光模塊標準，再來看100G短距光模塊。
100G短距光模塊標準主要有100GBASE－SR10和100GBASE－SR4兩種標準。當年為了滿足市場上出現(xiàn)的100G需求， 100GBASE－SR10標準最早被提出且應(yīng)用于100G的短距互聯(lián)。
100GBASE－SR10標準使用10 x 10Gbps并行通道實現(xiàn)100Gbps點對點傳輸，電信號的速率是10G，光信號速率也是10G，采用NRZ的調(diào)制方式及64B／66B的編碼方式。因為IEEE 802．3早在2010年提出100GBASE－SR10標準，當時交換機ASIC芯片（Application Specific Integrated Circuit）電接口最高只能支持10G，即CAUI－10（10通道 x 10Gbps）。
100G PSM4規(guī)范定義了8根單模光纖（4個發(fā)送和4個接收）的點對點100 Gbps鏈路，每個通道以25 Gbps的速率發(fā)送。每個信號方向使用四個相同波長且獨立的通道。因此，兩個收發(fā)器通常通過8光纖MTP ／ MPO單模跳線進行通信。PSM4的傳輸距離最大為500米。
▲100GBASE－SR10 原理圖
▲100GBASE－SR4 原理圖
▲第一代CFP光模塊長距解決方案
但是，CFP尺寸實在太大了，隨著光模塊的集成度越來越高，后來的發(fā)展方向是把尺寸做小、功耗做低，CFP得以演進到CFP2、CFP4，再到后來出現(xiàn)的QSFP28。相比CFP4，QSFP28的尺寸更小、功耗更低，QSFP28更小的尺寸使得交換機擁有更高的端口密度（典型的形態(tài)是每塊板卡可以部署36個100G接口）。目前QSFP28是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部100G光模塊的主流封裝格式。
▲100GBASE－SR10 原理圖
伴隨著交換機ASIC芯片電接口速率從10Gpbs提升到25G bps，電接口標準從CAUI－10（10通道 x 10Gbps）升級到CAUI－4（4通道 x 25Gbps），通道從SR10的并行10通道減少到并行4通道，光模塊的器件個數(shù)得以減少、成本得以降低、模塊尺寸得以縮小、功耗得以降低。
光模塊尺寸的減少使得交換機每1U空間可以提供的100G接口密度更大，基于以上的優(yōu)勢，目前100GBASE－SR4已經(jīng)取代100GBASE－SR10成為目前主流的100G短距光模塊標準。
▲100GBASE－SR4 原理圖
100G光模塊封裝
僅有光模塊的光接口以及電接口規(guī)范是不夠的，還需要配套的結(jié)構(gòu)封裝才能算是完整的光模塊解決方案。100G光模塊的封裝格式主要有CFP、CFP2、CFP4以及QSFP28。
CFP最早被提出，短距傳輸應(yīng)用100GBASE－SR10標準，長距傳輸應(yīng)用100GBASE－LR4。第一代CFP長距傳輸方案如下，因為電接口能力只有CAUI－10，所以需要內(nèi)置Gearbox（下圖的10：4 Serializer）來實現(xiàn)10 x 10Gbps與4 x 25Gbps電信號的轉(zhuǎn)換。后來隨著電信號提升到CAUI－4，第二代CFP（CFP2／CFP4）長距傳輸方案中不需要內(nèi)置Gearbox。
▲第一代CFP光模塊長距解決方案
但是，CFP尺寸實在太大了，隨著光模塊的集成度越來越高，后來的發(fā)展方向是把尺寸做小、功耗做低，CFP得以演進到CFP2、CFP4，再到后來出現(xiàn)的QSFP28。相比CFP4，QSFP28的尺寸更小、功耗更低，QSFP28更小的尺寸使得交換機擁有更高的端口密度（典型的形態(tài)是每塊板卡可以部署36個100G接口）。目前QSFP28是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部100G光模塊的主流封裝格式。
最后總結(jié)一下，關(guān)于25G／100G數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)光模塊如何選擇，建議大家不妨參考如下標準：
不超過100米的100G短距互聯(lián)場景（TOR－LEAF），使用100GBASE－SR4 QSFP28光模塊；100米到500米的100G中距互聯(lián)場景（LEAF－SPINE），使用100G PSM4 QSFP28光模塊；500米到2Km的100G中長距互聯(lián)場景（LEAF－SPINE、SPINE－CORE），使用100G CWDM4 QSFP28光模塊；超過2Km的長距互聯(lián)場景（CORE－MAN），使用100GBASE－LR4 QSFP28光模塊。
最后附上專業(yè)術(shù)語解釋
最后附上專業(yè)術(shù)語解釋