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技術盛宴 | 淺談數據中心100G光模塊

文章出處: 人氣:發表時間:2018/8/21 16:29:41

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傳統數據中心主要基于10G網絡架構,為了適應AI、深度學習、大數據計算等業務的規模部署,下一代數據中心架構正在向25G/100G網絡架構演進,在國內已經看到BAT等互聯網巨頭都實現了規模部署。


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。


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▲100G光模塊主流標準

其中100GBASE開頭的標準都是IEEE 802.3提出的。

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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:

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▲-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:

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▲ 100GBASE-LR4原理圖

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▲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。


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▲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。


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▲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)。


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▲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。


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▲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。

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▲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。

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▲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

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