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(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)計(jì)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(jìn)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)看到BAT等互聯(lián)網(wǎng)巨頭都實(shí)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(biāo)準(zhǔn)都有哪些，我們又該如何選擇呢？今天就為大家簡(jiǎn)單梳理下數(shù)據(jù)中心100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)以及封裝格式。

100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)組織

在開(kāi)始分享光模塊標(biāo)準(zhǔn)之前，先了解下光模塊的標(biāo)準(zhǔn)化組織。對(duì)于光模塊的定義主要是兩個(gè)關(guān)鍵組織，即IEEE和MSA（Multi Source Agreement，多源協(xié)議），兩者之間互補(bǔ)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(huì)，而802.3是IEEE下面的一個(gè)工作組，很多10G、40G、100G、400G的光模塊標(biāo)準(zhǔn)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(gè)民間的非官方組織形式，針對(duì)不同的光模塊標(biāo)準(zhǔn)會(huì)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(huì)定義電接口、光接口，從而形成完整的光模塊標(biāo)準(zhǔn)。

很久以前光模塊產(chǎn)業(yè)鏈很混亂，每個(gè)廠家都有各自的結(jié)構(gòu)封裝，開(kāi)發(fā)的光模塊有大有小，接口也是五花八門。為了解決這個(gè)問(wèn)題，MSA多源協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，各廠家都遵循MSA提出的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一光模塊的結(jié)構(gòu)封裝和相關(guān)接口，這就像手機(jī)充電口的標(biāo)準(zhǔn)化。針對(duì)100G，MSA定義的標(biāo)準(zhǔn)包括100G PSM4 MSA、100G CWDM4 MSA和100G Lambda MSA。

100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)

為了滿足不同距離的100G互聯(lián)場(chǎng)景，IEEE 以及MSA定義的100G標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)十種，但是主流的是下面六種標(biāo)準(zhǔn)。

圖一 100G光模塊主流標(biāo)準(zhǔn)

其中100GBASE開(kāi)頭的標(biāo)準(zhǔn)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：

圖二 -R名詞解釋

除了IEEE提出的100GBASE系列標(biāo)準(zhǔn)，為何MSA還提出了PSM4以及CWDM4標(biāo)準(zhǔn)呢？

100GBASE-SR4和100GBASE-LR4是IEEE定義的最常用的100G接口規(guī)范。但是對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)場(chǎng)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(chǎng)帶來(lái)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(dāng)然100GBASE-LR4的能力完全覆蓋了CWDM4，但在2Km傳輸?shù)膱?chǎng)景下， CWDM4方案成本更低，更具競(jìng)爭(zhēng)力。

下圖是100GBASE-LR4以及100G CWDM4的原理圖

圖三 100GBASE-LR4原理圖

圖四 100G CWDM4原理圖

LR4和CWDM4從原理上類似，都是通過(guò)光學(xué)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(guò)兩者存在幾點(diǎn)區(qū)別：

1、LR4使用的光學(xué)MUX/DEMUX器件更貴

CWDM4定義的是20nm 的CWDM間隔，因?yàn)榧す馄鞯牟ㄩL(zhǎng)溫漂特性大約是0.08nm/°C，0~70°C工作范圍內(nèi)的波長(zhǎng)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(duì)光學(xué)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(gè)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(guò)調(diào)制激光器的注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，由于注入電流的大小會(huì)改變激光器有源區(qū)折射率，造成波長(zhǎng)漂移(啁啾)從而產(chǎn)生色散，做高速信號(hào)調(diào)制很困難，傳的也不夠遠(yuǎn)。10KM對(duì)于DML來(lái)說(shuō)有點(diǎn)力不從心，只能上EML。

注：啁啾(Chirp)是指頻率隨時(shí)間而改變(增加或減少)的信號(hào)，這種信號(hào)聽(tīng)起來(lái)類似鳥(niǎo)鳴的啾聲。

3、LR4需要額外增加TEC（Thermo Electric Cooler 半導(dǎo)體熱電制冷器）

因?yàn)長(zhǎng)R4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(lái)做，這樣一來(lái)，相比CWDM4，LR4的成本又有所增加。

基于以上三點(diǎn)，100GBASE-LR4標(biāo)準(zhǔn)的光模塊成本更高，所以MSA提出的100G CWDM4標(biāo)準(zhǔn)很好地補(bǔ)充了100GBASE-LR4在2Km以內(nèi)成本過(guò)高導(dǎo)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(shì)呢？

100G PSM4規(guī)范定義了8根單模光纖（4個(gè)發(fā)送和4個(gè)接收）的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)100 Gbps鏈路，每個(gè)通道以25 Gbps的速率發(fā)送。每個(gè)信號(hào)方向使用四個(gè)相同波長(zhǎng)且獨(dú)立的通道。因此，兩個(gè)收發(fā)器通常通過(guò)8光纖MTP / MPO單模跳線進(jìn)行通信。PSM4的傳輸距離***為500米。

圖五 PSM4原理圖

簡(jiǎn)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(guò)CWDM4收發(fā)雙向只需要兩根單模光纖，遠(yuǎn)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?shí)際應(yīng)用中需要依據(jù)互聯(lián)距離來(lái)決定使用PSM4還是CWDM4。

圖六 CWDM4 vs PSM4

聊完100G中長(zhǎng)距光模塊標(biāo)準(zhǔn)，再來(lái)看100G短距光模塊。

100G短距光模塊標(biāo)準(zhǔn)主要有100GBASE-SR10和100GBASE-SR4兩種標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)年為了滿足市場(chǎng)上出現(xiàn)的100G需求， 100GBASE-SR10標(biāo)準(zhǔn)最早被提出且應(yīng)用于100G的短距互聯(lián)。

100GBASE-SR10標(biāo)準(zhǔn)使用10 x 10Gbps并行通道實(shí)現(xiàn)100Gbps點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，電信號(hào)的速率是10G，光信號(hào)速率也是10G，采用NRZ的調(diào)制方式及64B/66B的編碼方式。因?yàn)镮EEE 802.3早在2010年提出100GBASE-SR10標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)交換機(jī)ASIC芯片（Application Specific Integrated Circuit）電接口***只能支持10G，即CAUI-10（10通道 x 10Gbps）。

圖七 100GBASE-SR10 原理圖

伴隨著交換機(jī)ASIC芯片電接口速率從10Gpbs提升到25G bps，電接口標(biāo)準(zhǔn)從CAUI-10（10通道 x 10Gbps）升級(jí)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(gè)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(jī)每1U空間可以提供的100G接口密度更大，基于以上的優(yōu)勢(shì)，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(biāo)準(zhǔn)。

圖八 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(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)距傳輸應(yīng)用100GBASE-LR4。***代CFP長(zhǎng)距傳輸方案如下，因?yàn)殡娊涌谀芰χ挥蠧AUI-10，所以需要內(nèi)置Gearbox（下圖的10:4 Serializer）來(lái)實(shí)現(xiàn)10 x 10Gbps與4 x 25Gbps電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。后來(lái)隨著電信號(hào)提升到CAUI-4，第二代CFP（CFP2/CFP4）長(zhǎng)距傳輸方案中不需要內(nèi)置Gearbox。

圖九 ***代CFP光模塊長(zhǎng)距解決方案

但是，CFP尺寸實(shí)在太大了，隨著光模塊的集成度越來(lái)越高，后來(lái)的發(fā)展方向是把尺寸做小、功耗做低，CFP得以演進(jìn)到CFP2、CFP4，再到后來(lái)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(jī)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(gè)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。

圖十 CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模塊尺寸對(duì)比

***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(biāo)準(zhǔn):

• • 不超過(guò)100米的100G短距互聯(lián)場(chǎng)景（TOR-LEAF），使用100GBASE-SR4 QSFP28光模塊；
  • 100米到500米的100G中距互聯(lián)場(chǎng)景（LEAF-SPINE），使用100G PSM4 QSFP28光模塊；
  • 500米到2Km的100G中長(zhǎng)距互聯(lián)場(chǎng)景（LEAF-SPINE、SPINE-CORE），使用100G CWDM4 QSFP28光模塊；
  • 超過(guò)2Km的長(zhǎng)距互聯(lián)場(chǎng)景（CORE-MAN），使用100GBASE-LR4 QSFP28光模塊。

***附上專業(yè)術(shù)語(yǔ)解釋

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