淺談資料中心100G光模組
傳統資料中心主要基於10G網路架構，為了適應AI、深度學習、大資料計算等業務的規模部署，下一代資料中心架構正在向25G/100G網路架構演進，在國內已經看到BAT等網際網路巨頭都實現了規模部署。
建設25G/100G資料中心需要大量100G光模組，在網路建設成本中佔比較高，100G光模組標準都有哪些，我們又該如何選擇呢？今天就為大家簡單梳理下資料中心100G光模組標準以及封裝格式。
100G光模組標準組織
在開始分享光模組標準之前，先了解下光模組的標準化組織。對於光模組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鑑。
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的光模組標準都是由IEEE 802.3工作組提出的。
MSA是一種多供應商規範，相比IEEE算是一個民間的非官方組織形式，針對不同的光模組標準會形成不同的MSA協議，可以理解是產業內企業聯盟行為。MSA除了定義光模組的結構封裝（包括外形尺寸，電聯結器，引腳分配等），也會定義電介面、光介面，從而形成完整的光模組標準。
很久以前光模組產業鏈很混亂，每個廠家都有各自的結構封裝，開發的光模組有大有小，介面也是五花八門。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組的結構封裝和相關介面，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光模組標準
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光模組主流標準
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光模組。
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介面規範。但是對於大型資料中心內部互聯場景，100GBASE-SR4 支援的距離太短，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條並行的25G通道波分複用到一條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，因為鐳射器的波長溫漂特性大約是0.08nm/°C，0~70°C工作範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使用的鐳射器更貴，功耗更大
CWDM4使用DML（Direct Modulated Laser，直接調製鐳射器），而LR4使用EML（Electro-absorption Modulated Laser，電吸收調製鐳射器）。
DML是單顆鐳射器，而EML是兩個器件，一顆是DML，另一顆是EAM調製器，合在一起叫做EML。DML的原理是通過調製鐳射器的注入電流來實現訊號調製，由於注入電流的大小會改變鐳射器有源區折射率，造成波長漂移(啁啾)從而產生色散，做高速訊號調製很困難，傳的也不夠遠。10KM對於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)的訊號，這種訊號聽起來類似鳥鳴的啾聲。
3、LR4需要額外增加TEC（Thermo Electric Cooler半導體熱電製冷器）
因為LR4的相鄰通道之間只有4.5nm的間隔，所以鐳射器需要放到TEC上控溫。電路上需要放置TEC Driver晶片，Laser也要整合到TEC材料上來做，這樣一來，相比CWDM4，LR4的成本又有所增加。
基於以上三點，100GBASE-LR4標準的光模組成本更高，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，那麼相比CWDM4，PSM4有何優劣勢呢？
100G PSM4規範定義了8根單模光纖（4個傳送和4個接收）的點對點100 Gbps鏈路，每個通道以25 Gbps的速率傳送。每個訊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單模跳線進行通訊。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，由於使用了波分複用器，所以CWDM4的光模組成本要高於PSM4光模組，不過CWDM4收發雙向只需要兩根單模光纖，遠少於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中長距光模組標準，再來看100G短距光模組。
100G短距光模組標準主要有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於100G的短距互聯。
100GBASE-SR10標準使用10 x 10Gbps並行通道實現100Gbps點對點傳輸，電訊號的速率是10G，光訊號速率也是10G，採用NRZ的調製方式及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晶片（Application Specific Integrated Circuit）電介面最高只能支援10G，即CAUI-10（10通道 x 10Gbps）。
圖七 100GBASE-SR10 原理圖
伴隨著交換機ASIC晶片電介面速率從10Gpbs提升到25G bps，電介面標準從CAUI-10（10通道 x 10Gbps）升級到CAUI-4（4通道 x 25Gbps），通道從SR10的並行10通道減少到並行4通道，光模組的器件個數得以減少、成本得以降低、模組尺寸得以縮小、功耗得以降低。
光模組尺寸的減少使得交換機每1U空間可以提供的100G介面密度更大，基於以上的優勢，目前100GBASE-SR4已經取代100GBASE-SR10成為目前主流的100G短距光模組標準。
圖八 100GBASE-SR4 原理圖
100G光模組封裝
僅有光模組的光介面以及電介面規範是不夠的，還需要配套的結構封裝才能算是完整的光模組解決方案。100G光模組的封裝格式主要有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，因為電介面能力只有CAUI-10，所以需要內建Gearbox（下圖的10:4 Serializer）來實現10 x 10Gbps與4 x 25Gbps電訊號的轉換。後來隨著電訊號提升到CAUI-4，第二代CFP（CFP2/CFP4）長距傳輸方案中不需要內建Gearbox。
圖九 第一代CFP光模組長距解決方案
但是，CFP尺寸實在太大了，隨著光模組的整合度越來越高，後來的發展方向是把尺寸做小、功耗做低，CFP得以演進到CFP2、CFP4，再到後來出現的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埠密度（典型的形態是每塊板卡可以部署36個100G介面）。目前QSFP28是資料中心內部100G光模組的主流封裝格式。
圖十 CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模組尺寸對比
最後總結一下，關於25G/100G資料中心內部互聯光模組如何選擇，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光模組；
100米到500米的100G中距互聯場景（LEAF-SPINE），使用100G PSM4 QSFP28光模組；
500米到2Km的100G中長距互聯場景（LEAF-SPINE、SPINE-CORE），使用100G CWDM4 QSFP28光模組；
超過2Km的長距互聯場景（CORE-MAN），使用100GBASE-LR4 QSFP28光模組。
最後附上專業術語解釋
| ofollow,noindex">光通訊 術語 |
名詞解釋 |
全稱 |
| 100G Lambda MSA |
單通道100Gbps光介面多源協議 |
100G Lambda Multi-Source Agreement |
| ASIC |
專用積體電路 |
Application Specific Integrated Circuit |
| CAUI |
100G乙太網電介面 |
100Gbps Attachment Unit Interface |
| 時鐘資料恢復 |
Clock Data Recovery |
|
| CFP |
100G可插拔光模組 |
Centum Form-factor Pluggable |
| CWDM4 |
四路粗波分複用 |
Coarse Wavelength Division Multiplexing 4 |
| DeMux |
光學多路解複用器（分波器） |
Demultiplexer |
| DML |
直接調製鐳射器 |
Direct Modulated Laser |
| EAM |
電吸收調製器 |
Electro Absorption Modulator |
| EML |
電吸收調製鐳射器 |
Electro-absorption Modulated Laser |
| IEEE |
電子電氣工程師協會 |
Institute of Electrical and Electronics Engineer |
| LAN-WDM |
（區域網）波分複用 |
(Local Area Network) Wavelength Division Multiplexing |
| MD |
監測光電二極體 |
Monitor Diode |
| MMF |
多模光纖 |
Multi-Mode Fiber |
| MSA |
多源協議 |
Multi Source Agreement |
| Mux |
光學多路複用器（合波器） |
Multiplexer |
| NRZ |
非歸零 |
Non Return Zero |
| PSM4 |
四路並行單模通道 |
Parallel Single Mode 4 lane |
| QSFP28 |
四通道小型可插拔光模組 |
Quad Small Form-factor Pluggable 28 |
| SMF |
單模光纖 |
Single- M ode Fiber |
| TEC |
半導體熱電製冷器 |
Thermo Electric Cooler |
| TIA |
跨阻 放大器 |
Trans-Impendance Ampilfier |