建設25G/100G數據中心需要大量100G光模塊，在網絡建設成本中占比較高，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據中心100G光模塊標準以及封裝格式。
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鍵組織，即IEEE和MSA(Multi Source Agreement，多源協議)，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是一種多供應商規范，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協議，可以理解是產業內企業聯盟行為。MSA除了定義光模塊的結構封裝(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。
很久以前光模塊產業鏈很混亂，每個廠家都有各自的結構封裝，開發的光模塊有大有小，接口也是五花八門。為了解決這個問題，MSA多源協議應運而生，各廠家都遵循MSA提出的標準統一光模塊的結構封裝和相關接口，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。
圖一 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的命名規則如下：
圖二 -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接口規范。但是對于大型數據中心內部互聯場景，100GBASE-SR4 支持的距離太短，不能滿足所有的互聯需求，而100GBASE-LR4成本太高。因此，MSA為市場帶來了中距離互聯的解決方案，PSM4和CWDM4是這次革命的產物。
當然100GBASE-LR4的能力完全覆蓋了CWDM4，但在2Km傳輸的場景下， 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
圖三 100GBASE-LR4原理圖
圖四 100G CWDM4原理圖
LR4和CWDM4從原理上類似，都是通過光學器件MUX以及DEMUX將4條并行的25G通道波分復用到一條100G光纖鏈路上。不過兩者存在幾點區別：
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，直接調制激光器)，而LR4使用EML(Electro-absorption Modulated Laser，電吸收調制激光器)。
DML是單顆激光器，而EML是兩個器件，一顆是DML，另一顆是EAM調制器，合在一起叫做EML。DML的原理是通過調制激光器的注入電流來實現信號調制，由于注入電流的大小會改變激光器有源區折射率，造成波長漂移(啁啾)從而產生色散，做高速信號調制很困難，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的相鄰通道之間只有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有何優劣勢呢?
100G PSM4規范定義了8根單模光纖(4個發送和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。
圖五 PSM4原理圖
簡單總結一下，如下圖所示，由于使用了波分復用器，所以CWDM4的光模塊成本要高于PSM4光模塊，不過CWDM4收發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常快。在實際應用中需要依據互聯距離來決定使用PSM4還是CWDM4。
圖六 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的100G需求， 100GBASE-SR10標準最早被提出且應用于100G的短距互聯。
100GBASE-SR10標準使用10 x 10Gbps并行通道實現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)。
圖七 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，基于以上的優勢，目前100GBASE-SR4已經取代100GBASE-SR10成為目前主流的100G短距光模塊標準。
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范是不夠的，還需要配套的結構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，短距傳輸應用100GBASE-SR10標準，長距傳輸應用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，所以需要內置Gearbox(下圖的10:4 Serializer)來實現10 x 10Gbps與4 x 25Gbps電信號的轉換。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置Gearbox。
圖九 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(典型的形態是每塊板卡可以部署36個100G接口)。目前QSFP28是數據中心內部100G光模塊的主流封裝格式。
圖十 CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模塊尺寸對比
最后總結一下，關于25G/100G數據中心內部互聯光模塊如何選擇，建議大家不妨參考如下標準:
不超過100米的100G短距互聯場景(TOR-LEAF)，使用100GBASE-SR4 QSFP28光模塊;
100米到500米的100G中距互聯場景(LEAF-SPINE)，使用100G PSM4 QSFP28光模塊;
500米到2Km的100G中長距互聯場景(LEAF-SPINE、SPINE-CORE)，使用100G CWDM4 QSFP28光模塊;
超過2Km的長距互聯場景(CORE-MAN)，使用100GBASE-LR4 QSFP28光模塊。
最后附上專業術語解釋
光通信術語
名詞解釋
全稱
100G Lambda MSA
單通道100Gbps光接口多源協議
100G Lambda Multi-Source Agreement
ASIC
專用集成電路
Application Specific Integrated Circuit
CAUI
100G以太網電接口
100Gbps Attachment Unit Interface
CDR
時鐘數據恢復
Clock Data Recovery
CFP
100G可插拔光模塊
Centum Form-factor Pluggable
CWDM4
四路粗波分復用
Coarse Wavelength Division Multiplexing 4
DeMux
光學多路解復用器(分波器)
Demultiplexer
DML
直接調制激光器
Direct Modulated Laser
EAM
電吸收調制器
Electro Absorption Modulator
EML
電吸收調制激光器
Electro-absorption Modulated Laser
IEEE
電子電氣工程師協會
Institute of Electrical and Electronics
Engineer
LAN-WDM
(局域網)波分復用
(Local Area Network) Wavelength Division
Multiplexing
MD
監測光電二極管
Monitor Diode
MMF
多模光纖
Multi-Mode Fiber
MSA
多源協議
Multi Source Agreement
Mux
光學多路復用器(合波器)
Multiplexer
NRZ
非歸零
Non Return Zero
PSM4
四路并行單模通道
Parallel Single Mode 4 lane
QSFP28
四通道小型可插拔光模塊
Quad Small Form-factor Pluggable 28
SMF
單模光纖
Single-Mode Fiber
TEC
半導體熱電制冷器
Thermo Electric Cooler
TIA
跨阻放大器
Trans-Impendance Ampilfie
京公網安備 11010502049343號