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IDC数据中心100G光模块

发布时间:2018-12-10 点击量:

IDC数据中心100G光模块

 

 

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。

 

  ◆  MPO12光接口
◆  热插拔,符合SFP MSA和SFF-8665要求
◆  采用 850nm DFB激光器和 PIN-TIA
◆  支持103.1Gb/s到112.2Gb/s的聚合比特率
◆  4X25Gb/s,850nm VCSEL/PIN阵列技术
◆  3.3V单电源供电
◆  实现DDM协议功能
◆  金属封装,EMI和EMC防护t 
◆ 兼容CISCO、华为、H3C、HP、Arista、Brocade、 Juniper 、ZTE、IBM、Intel、mellanox等符合行业标准和协议的交换机、防火墙、SDH等设备

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

 

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。

 

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。

 

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。

 

▲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)。

 

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。

 

▲CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模块尺寸对比

 

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

 



 

市场上100G光模块的封装形式有:CXP光模块、CFP光模块、CFP2光模块、CFP4光模块以及QSFP28光模块等。我们就从这几种封装形式开讲。
 

一.cxp光模块

CXP光模块的传输速率高达12×10Gbps,支持热插拔。“C”代表十六进制中的12,罗马数“X”代表每个通道具有10Gbps的传输速率,“P”是指支持热插拔的可插拔器。CXP光模块主要针对高速计算机市场,是CFP光模块在以太网数据中心里的补充。在技术上,CFP光模块和多模光纤一起应用于短距离数据传输。由于多模光纤市场需要高密度面板,所以其尺寸在多模光纤市场上并没有得到真正的优化。

 

 

CXP光模块长45mm、宽27mm,尺寸比XFP光模块或CFP光模块大,因此可提供更高密度的网络接口。除此之外,CXP光模块是由无线宽带贸易协会指定的铜连接器系统,可支持12个适用于100GbE,3个适用于40GbE通道的10G链路传输或12个10G以太网光纤通道或无线宽带信号的12×QDR链路传输

二、CFP/CFP2/CFP4光模块

CFP光模块的尺寸最大,CFP2光模块是CFP的二分之一,CFP4光模块是CFP的四分之一。这三种模块的体积大小,如下图所示。需要提醒大家的是,CFP/CFP2/CFP4光模块不能相互替换使用,但是它们可在同一系统中同时使用。

 

 

✪ 特点和优势:

●  CFP光模块是在小型可插拔光模块(SFP)接口基础上设计的,尺寸更大,支持100 Gbps数据传输。CFP光模块可以支持单个100G信号,OTU4、一个或多个40G信号,OTU3或STM-256/OC-768。

 

  100G CFP2常用作100G以太网互连链路,传输效率比CFP光模块更高,更小的体积也使其适合更高密度的布线。

 

  100G CFP4光模块有着和CFP/CFP2光模块同样的速率,传输效率有很大提升,但耗电量却减少,成本也比CFP2更低,所以CFP4光模块有着无可替代的优势。

三、QSFP28光模块

作为小尺寸的100G光模块,QSFP28光模块也受到越来越多的关注。QSFP28光模块与QSFP光模块一样,具有相同的设计理念。第一代QSFP光模块配有四个Tx和Rx端口,每个通道间的速率为10 Gbps。对于QSFP28光模块来说,QSFP光模块的每个通道可以发送和接收高达28 Gbps的数据。与CFP4光模块相比,QSFP28光模块尺寸仅艄小于CFP4光模块。目前是市场上主流的100G光模块解决方案,按不同传输距离可分为LR4、SR4、PSM4和ER4 Lite

 

✪ QSFP28 LR4光模块 

100GBASE-LR4 QSFP28光模块一般与LC单模光纤跳线一起使用,最大传输距离可达到10km。100GBASE-match LR4 QSFP28光模块将4路25Gbps电信号转换为4路LAN WDM光信号,然后将其复用为单通道,实现100G光传输。在接收端,该模块将100G光输入解复用为4路LAN WDM光信号,然后将其转换为4路电信号输出通道。

 

 

 

 ✪ QSFP28 SR4 光模块 

100GBASE-SR4 QSFP28光模块是并行100G光模块。QSFP28全双工光光模块提供4个独立的发送和接收通道,每个功能可以在OM4 MMF的100米处进match行25Gbps的运行,总体数据速率 100Gbps。

 

100GBASE-SR4 QSFP28光模块在发射端传输信号时,电信号经激光器阵列转换为光信号,然后在带状多模光纤上并行传输,在到达接收端接时,光电检测器阵列将并行光信号转换成并行电信号。

 

 

 

✪ QSFP28 PSM4 光模块

100GBASE-PSM4 QSFP28光模块是一种高速度和低功耗的产品,专门用于数据通信应用中的光互连。它符合PSM4 MSA光接口规范,有可热插拔的QSFP外形,内置数字诊断功能,共有4个独立的全双工通道,每通道可达25.78Gbps的数据速率。QSFP28 PSM4光模块主要应用于40G和100G以太网中,高带宽模块通过单模光纤支持100GbE光链路。

 

 

 

✪ QSFP28 CWDM4光模块

100GBASE-CWDM4 QSFP28光模块的传输速率为103.1Gbp,主要应用于计算、频交易等领域,它的成本明显高于QSFP28 PSM4光模块。通过粗波分复用(CWDM)技术,QSFP28 CWDM4光模块将1270nm、1290nm、1310nm和1330nm四种波长复用到一根单模光纤上进行传输。

 

 

 

✪ QSFP28 ER4 Lite光模块

100GBASE-ER4 Lite QSFP28采用EML激光器的4 LAN-WDM(1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm、1309.14nm)。实现单模双纤上的数据传输,可满足单模光纤25km的超长距离传输。符合RoHS-6环境指令要求,具备功耗低、体积小、速率高等性能。其内部结构和其他QSFP28光模块相比多了一个TEC温控器,因此功耗会相对大一些。

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