OPTONE带你了解100G光模块
发布日期:2019-09-16
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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光模块标准都有哪些，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
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。
▲100G光模块主流标准
其中100GBASE开头的标准都是IEEE 802．3提出的。
如上图所示：
▲－R名词解释
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。
▲100G光模块主流标准
其中100GBASE开头的标准都是IEEE 802．3提出的。
如上图所示：
100GBASE－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：
▲－R名词解释
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。
当然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：
▲ 100GBASE－LR4原理图
▲100G CWDM4原理图
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：
▲CFP／CFP2／CFP4／QSFP28光模块尺寸对比▲ 100GBASE－LR4原理图
▲100G CWDM4原理图
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：
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／°C，0～70°C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。
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／°C，0～70°C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。
通道一：1264．5～1277．5nm
通道二：1284．5～1297．5nm
通道三：1304．5～1317．5nm
通道四：1324．5～1337．5nm
而LR4则定义了4．5nm的LAN－WDM间隔。
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现信号调制，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来说有点力不从心，只能上EML。
注：啁啾（Chirp）是指频率随时间而改变（增加或减少）的信号，这种信号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。
基于以上三点，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？
▲PSM4原理图
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。
▲CWDM4 vs PSM4
▲PSM4原理图
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。
▲CWDM4 vs PSM4
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，电信号的速率是10G，光信号速率也是10G，采用NRZ的调制方式及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）。
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。
▲100GBASE－SR10 原理图
▲100GBASE－SR4 原理图
▲第一代CFP光模块长距解决方案
但是，CFP尺寸实在太大了，随着光模块的集成度越来越高，后来的发展方向是把尺寸做小、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。
▲100GBASE－SR10 原理图
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。
▲100GBASE－SR4 原理图
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的，还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。后来随着电信号提升到CAUI－4，第二代CFP（CFP2／CFP4）长距传输方案中不需要内置Gearbox。
▲第一代CFP光模块长距解决方案
但是，CFP尺寸实在太大了，随着光模块的集成度越来越高，后来的发展方向是把尺寸做小、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
最后附上专业术语解释