看看：100G光模块 - 浅谈数据中心100G光模块

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传统数据中心主要基于10G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25G100G络架构演进，在国内已经看到BAT等互联巨头都现了规模部署。
建设25G100G数据中心需要大量100G光模块，在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
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（MultiSourceAgreement，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8023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IEEE8023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100GPSM4MSA、100GCWDM4MSA和100GLambdaMSA。

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IEEE8023提出的。



如上图所示：
100GBASE-LR4称中，LR表示longreach，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的命规则如下：

▲-R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定义的比较常用的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100GCWDM4的原理图：


▲100GBASE-LR4原理图


▲100GCWDM4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：
LR4使用的光学MUXDEMUX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008nm°C，0~70°C工作范围内的波长变化大约是56nm，通道本身也要留一些隔离带。
通道一：12645~12775nm
通道二：12845~12975nm
通道：13045~13175nm
通道四：13245~13375nm
而LR4则定义了45nm的LAN-WDM间隔。
通道一：129453~129659nm
通道二：129902~130109nm
通道：130354~130563nm
通道四：130809~131019nm

通道间隔越大，对光学MUXDEMUX器件的要求就越低，可以节省成本。

LR4使用的激光器更贵，功耗更大
CWDM4使用DML（DirectModulatedLaser，直接调制激光器），而LR4使用EML（Electro-absorptionModulatedLaser，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现信号调制，由于注入电流的大小会改变激光器有源区折率，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。

LR4需要额外增加TEC（ThermoElectricCooler半导体热电制冷器）
因为LR4的相邻通道之间只有45nm的间隔，所以激光器需要放到TEC上控温。电路上需要放置TECDriver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。
基于以上点，100GBASE-LR4标准的光模块成本更高，所以MSA提出的100GCWDM4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有何劣势呢
100GPSM4规范定义了8根单模光纤（4个发送和4个接收）的点对点100Gbps链路，每个通道以25Gbps的速率发送。每个信号方向使用四个相同波长且单独的通道。因此，两个收发器通常通过8光纤MTPMPO单模跳线进行通信。PSM4的传输距离比较大为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。在际应用中需要依据互联距离来决定使用PSM4还是CWDM4。


▲CWDM4vsPSM4

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标准比较早被提出且应用于100G的短距互联。
100GBASE-SR10标准使用10x10Gbps并行通道现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64B66B的编码方式。因为IEEE8023早在2022年提出100GBASE-SR10标准，当时交换机ASIC芯片（脚本licationSpecificIntegratedCircuit）电接口比较高只能支持10G，即CAUI-10（10通道x10Gbps）。

▲100GBASE-SR10原理图

伴随着交换机ASIC芯片电接口速率从10Gpbs提升到25Gbps，电接口标准从CAUI-10（10通道x10Gbps）升级到CAUI-4（4通道x25Gbps），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比较早被提出，短距传输应用100GBASE-SR10标准，长距传输应用100GBASE-LR4。首代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10:4Serializer）来现10x10Gbps与4x25Gbps电信号的转换。后来随着电信号提升到CAUI-4，第二代CFP（CFP2CFP4）长距传输方案中不需要内置Gearbox。


▲首代CFP光模块长距解决方案

但是，CFP尺寸在太大了，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。


▲CFPCFP2CFP4QSFP28光模块尺寸对比

比较后总结一下，关于25G100G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-SR4QSFP28光模块；
100米到500米的100G中距互联场景（LEAF-SPINE），使用100GPSM4QSFP28光模块；
500米到2Km的100G中长距互联场景（LEAF-SPINE、SPINE-CORE），使用100GCWDM4QSFP28光模块；
超过2Km的长距互联场景（CORE-MAN），使用100GBASE-LR4QSFP28光模块。

比较后附上专业术语解释

本期作者：陈冬林
锐捷络互联系统部行业咨询


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【首期】浅谈物联技术之通信协议的纷争
【第二期】如何通过络遥测（NetworkTelemetry）技术现精细化络运维
【第期】畅谈数据中心络运维自动化
【第四期】基于RogueAP反制的线安全技术探讨
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