IEEE和MSA的100G光模块解析

1、技术干货|浅析数据中心100G光模块传统数据中心主要基丁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，我们乂该如何选择呢？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。一、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。对丁光模块的定义主要是两个关键组织,即IEEE和MSA（MultiSourceAgreement,多源协议

2、），两者之间互补而乂互相借鉴。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IEEE802.3工作组提出的。MSA是一种多供应商规，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

3、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。二、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。制定机构连接器型传输距蔼1CQGBASESR1QIEEESD2/J24芯10SM0I*名槌况F.65DnmOM31Q0M0"150m1C03BASE-SR4ILLL8D2.312芯MP。,4岌4股多睥8&DnmOMd100mKUtSEiAStLR4IEEE

4、8023JKTLC,佑1收单嘎折纭.129556-130914nm1QKMMOG时F-FR4IEEE802.3双工LC,1友t收,129556-130914nm40KM1COGPSM4MSA挂芯LPd财（4枚单姒髭l310nrn50DmMSA双工LC,1发1收,1271nm-1331nm2KM100G光模块主流标准其中100GBASE开头的标准都是IEEE802.3提出的。适车传辑沛巨*适谊取XXXGBASE-mRn如上图所示：100GBASE-LR4名称中，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的命名规则如下

5、:PMD注KRKbarkpl壮，背成之直物'CR匚.copper,司概电编逢择SRSshort.盗揽点？1鹿块用DR1静I.irp；tWRMFR2kmF.PZT1feliTTI,攵F,，卜十ni如源,uhms-LRJQkmLPlongj长距ER40kmE,ExtendedE锤，所于LRZR80km4HEEE&；t-R名词解释除了IEEES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®义的最常用的100G接口规。但是对丁大型数据中心部互联场景，100GBASE-SR4支持的距离

6、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：_-EMLEML*EMLEMLriaplMTIAP)rq"TiA|O|kjTIAPIN100GBASE-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

7、。不过两者存在几点区别：1. LR4使用的光学MUX/DEMUX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0.08nm/°C,070°C工作围的波长变化大约是5.6nm,通道本身也要留一些隔离带。通道一：1264.51277.5nm通道二：1284.51297.5nm通道三：1304.51317.5nm通道四：1324.51337.5nm而LR4则定义了4.5nm的LAN-WDM间隔。通道一：1294.531296.59nm通道二：1299.021301.09nm通道三：1303.541305.63nm通道四：1308.091310.1

8、9nm通道间隔越大，对光学MUX/DEMUX器件的要求就越低，可以节省成本。2. 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实现信号调制，由丁注入电流的大小会改变激光器有源区折射率，造成波长漂移（喟啾）从而产生色散，做高速信号调制很困难，传的也不够远。10KM对丁DML来说有点力不从心

9、，只能上EML。注：喟啾（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。3. 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4.5nm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的成本乂有所增加。基丁以上三点,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以成本过高导致的空白。除CWDM4之外，PSM4也是一

10、种中距离的传输方案，那么相比CWDM4,PSM4有何优劣势呢？100GPSM4规定义了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。TKZTX1TJSIOHXJFLX1RXOPSM4原理图简单总结一下，如下图所示，由丁使用了波分复用器，所以CWDM4的光模块成本要高丁PSM4光模块，不过CWDM4收发双向只需要两根单模光纤，远少丁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

11、应用中需要依据互联距离来决定使用PSM4还是CWDM4。CWDWM光痍块光发射器四个CWDMS接调制激光器（®四个集成硅光子调制器和f分布反愦鼬嚣.四波长CWDM波分复用器不需耍接口类型SZLC接口MPCVMTP察口（8芯）距黑<2KM<500MCWDM4vsPSM4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丁100G的短距互联。100GBASE-SR10标准使用10x10Gbps并行通

12、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IEEE802.W在2010年提出100GBASE-SR10标准，当时交换13fiber机ASIC芯片(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)电接口最局只能支持10G,即CAUI-10(10通道x10Gbps)。10xfetimefl；10iPINreceweampAretimeVCSELdnver100GBASE-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

13、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，基丁以上的优势，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。4kretime&VCSELdriver4XPINreceiveamp&retimeu¥无茸f宣屋UJW5菖4fiberWMF4MMFQSFP28100GBASE-SR4原理图三、100G光模块封装仅有光模块的光

14、接口以及电接口规是不够的，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、CFP2CFP4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，所以需要置Gearbox（下图的10:4Serializer）来实现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（CFP2/CFP4长距传输方案中不需要置Gearbox010Gb/sElectricalSignalingandi0:4Ge

15、arboxAddsCornplexity,Cost,Space,andConsumesPower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局，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QSFP2&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是数据中心部100G光模块的主流封装格式。2010201320142015CFPCFP2CFP4QSFP2BCFP/CFP2/CFP4/QSFP2

16、毗模块尺寸对比最后总结一下，关丁25G/100G数据中心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-LEAD,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-SPINESPINE-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。最后附上专业术语解释光通信术笛名i10CGLambdaMSA

17、卑通iiiQOGbps光接口多源协议100GLambdaMulti-Soun®AgreemeniASIC专用集成电路ApplicationSpecificIntegratedCircuitCAUI100G以大网电棒口lOOGbpsAttschmentUnitInterfaceCDR时神数据恢旭QcckDaraRecoveryCFP100G可插械光模块CentumForm-factorPluggableCWDM4四路粗波分夏用CoarseWavelengthDivisionMultFplexing4DeMux光学多路制埋用器（分波器】DemuhjptexefDML直接调制激光矗DirectModulatedlaserEAM电啜收调制器ElectroAbsorpLorModularEML电吸收调制澈光器edra-absorptionModuEtedLaserIEEE电子电气工程师嫁会InstituteofElBctncaland日ectronqEngineerLAN-WDM（局域网）波分星用(LocalAreaNetwork)WavelengthDivisionMulti。联ngMO监渊光电二根管MonitorDiodeM