古板数据中心主要基于10G网络架构,为了顺应AI、深度学习、大数据盘算等营业的规模安排,下一代数据中心架构正在向25G/100G网络架构演进,在海内已经看到BAT等互联网巨头都实现了规模安排。
建设25G/100G数据中心需要大宗100G光模块,在网络建设本钱中占较量高,100G光模块标准都有哪些,我们又该怎样选择呢?今天就为各人简朴梳理下数据中心100G光模块标准以及封装名堂。
100G光模块标准组织
在最先分享光模块标准之前,先相识下光模块的标准化组织。关于光模块的界说主要是两个要害组织,即IEEE和MSA(Multi Source Agreement,多源协议),两者之间互补而又相互借鉴。
想必各人都知道IEEE是电子电气工程师协会,而802.3是IEEE下面的一个事情组,许多10G、40G、100G、400G的光模块标准都是由IEEE 802.3事情组提出的。
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,针对差别的光模块标准会形成差别的MSA协议,可以明确是工业内企业同盟行为。MSA除了界说光模块的结构封装(包括形状尺寸,电毗连器,引脚分派等),也会界说电接口、光接口,从而形成完整的光模块标准。
良久以前光模块工业链很杂乱,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。为相识决这个问题,MSA多源协议应运而生,各厂家都遵照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界说的标准包括100G PSM4 MSA、100G CWDM4 MSA和100G Lambda MSA。
100G光模块标准
为了知足差别距离的100G互联场景,IEEE 以及MSA界说的100G标准凌驾十种,可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体现long reach,即10Km,4体现四通道,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名词诠释
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界说的最常用的100G接口规范。可是关于大型数据中心内部互联场景,100GBASE-SR4 支持的距离太短,不可知足所有的互联需求,而100GBASE-LR4本钱太高。因此,MSA为市场带来了中距离互联的解决计划,PSM4和CWDM4是这次革命的产品。
虽然100GBASE-LR4的能力完全笼罩了CWDM4,但在2Km传输的场景下, CWDM4计划本钱更低,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。不过两者保存几点区别:
LR4使用的光学MUX/DEMUX器件更贵
CWDM4界说的是20nm 的CWDM距离,由于激光器的波长温漂特征约莫是0.08nm/°C,0~70°C事情规模内的波长转变约莫是5.6nm,通道自己也要留一些隔离带。
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则界说了4.5nm的LAN-WDM距离。
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
通道距离越大,对光学MUX/DEMUX器件的要求就越低,可以节约本钱。
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,由于注入电流的巨细会改变激光器有源区折射率,造成波长漂移(啁啾)从而爆发色散,做高速信号调制很难题,传的也不敷远。10KM关于DML来说有点力有未逮,只能上EML。
注:啁啾(Chirp)是指频率随时间而改变(增添或镌汰)的信号,这种信号听起来类似鸟鸣的啾声。
LR4需要特殊增添TEC(Thermo Electric Cooler 半导体热电制冷器)
由于LR4的相邻通道之间只有4.5nm的距离,以是激光器需要放到TEC上控温。电路上需要安排TEC Driver芯片,Laser也要集成到TEC质料上来做,这样一来,相比CWDM4,LR4的本钱又有所增添。
基于以上三点,100GBASE-LR4标准的光模块本钱更高,以是MSA提出的100G CWDM4标准很好地增补了100GBASE-LR4在2Km以内本钱过高导致的空缺。
除CWDM4之外,PSM4也是一种中距离的传输计划,那么相比CWDM4,PSM4有何优劣势呢?
100G PSM4规范界说了8根单模光纤(4个发送和4个吸收)的点对点100 Gbps链路,每个通道以25 Gbps的速率发送。每个信号偏向使用四个相同波长且自力的通道。因此,两个收发器通常通过8光纤MTP / MPO单模跳线举行通讯。PSM4的传输距离最大为500米。

▲PSM4原理图
简朴总结一下,如下图所示,由于使用了波分复用器,以是CWDM4的光模块本钱要高于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,随着距离的增添,PSM4计划的总本钱上升得很是快。在现实应用中需要依据互联距离来决议使用PSM4照旧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。昔时为了知足市场上泛起的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,接纳NRZ的调制方法及64B/66B的编码方法。由于IEEE 802.3早在2010年提出100GBASE-SR10标准,其时交流机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)。

▲100GBASE-SR10 原理图
陪同着交流机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通道镌汰到并行4通道,光模块的器件个数得以镌汰、本钱得以降低、模块尺寸得以缩小、功耗得以降低。
光模块尺寸的镌汰使得交流机每1U空间可以提供的100G接口密度更大,基于以上的优势,现在100GBASE-SR4已经取代100GBASE-SR10成为现在主流的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敷的,还需要配套的结构封装才华算是完整的光模块解决计划。100G光模块的封装名堂主要有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长距传输计划如下,由于电接口能力只有CAUI-10,以是需要内置Gearbox(下图的10:4 Serializer)来实现10 x 10Gbps与4 x 25Gbps电信号的转换。厥后随着电信号提升到CAUI-4,第二代CFP(CFP2/CFP4)长距传输计划中不需要内置Gearbox。

▲第一代CFP光模块长距解决计划
可是,CFP尺寸着实太大了,随着光模块的集成度越来越高,厥后的生长偏向是把尺寸做小、功耗做低,CFP得以演进到CFP2、CFP4,再到厥后泛起的QSFP28。相比CFP4,QSFP28的尺寸更小、功耗更低,QSFP28更小的尺寸使得交流机拥有更高的端口密度(典范的形态是每块板卡可以安排36个100G接口)。现在QSFP28是数据中心内部100G光模块的主流封装名堂。

▲CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模块尺寸比照
最后总结一下,关于25G/100G数据中心内部互联光模块怎样选择,建议各人无妨参考如下标准:
不凌驾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;
凌驾2Km的长距互联场景(CORE-MAN),使用100GBASE-LR4 QSFP28光模块。
最后附上专业术语诠释

本期作者:陈冬林
97国际网络互联网系统部行业咨询

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