传统数据中心主要基于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，在国内已经看到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(Multi Source Agreement，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IEEE 802.3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100G PSM4 MSA、100G CWDM4 MSA和100G Lambda MSA。

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。

图一 100G光模块主流标准

其中100GBASE开头的标准都是IEEE 802.3提出的。

如上图所示：

100GBASE-LR4名称中，LR表示long reach，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：

图二 -R名词解释

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定义的最常用的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100G CWDM4的原理图

图三 100GBASE-LR4原理图

图四 100G CWDM4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：

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，0~70°C工作范围内的波长变化大约是5.6nm，通道本身也要留一些隔离带。

通道一：1264.5~1277.5nm

通道二：1284.5~1297.5nm

通道三：1304.5~1317.5nm

通道四：1324.5~1337.5nm

而LR4则定义了4.5nm的LAN-WDM间隔。

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(Direct Modulated Laser，直接调制激光器)，而LR4使用EML(Electro-absorption Modulated Laser，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，由于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(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。

3、LR4需要额外增加TEC(Thermo Electric Cooler 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TEC Driver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。

基于以上三点，100GBASE-LR4标准的光模块成本更高，所以MSA提出的100G CWDM4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有何优劣势呢?

100G PSM4规范定义了8根单模光纤(4个发送和4个接收)的点对点100 Gbps链路，每个通道以25 Gbps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。

图五 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快。在实际应用中需要依据互联距离来决定使用PSM4还是CWDM4。

图六 CWDM4 vs PSM4

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于100G的短距互联。

100GBASE-SR10标准使用10 x 10Gbps并行通道实现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IEEE 802.3早在2010年提出100GBASE-SR10标准，当时交换机ASIC芯片(Application Specific Integrated Circuit)电接口最高只能支持10G，即CAUI-10(10通道 x 10Gbps)。

图七 100GBASE-SR10 原理图

伴随着交换机ASIC芯片电接口速率从10Gpbs提升到25G bps，电接口标准从CAUI-10(10通道 x 10Gbps)升级到CAUI-4(4通道 x 25Gbps)，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。

图八 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，所以需要内置Gearbox(下图的10:4 Serializer)来实现10 x 10Gbps与4 x 25Gbps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内置Gearbox。

图九 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。

图十 CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模块尺寸对比

最后总结一下，关于25G/100G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-SR4 QSFP28光模块;

100米到500米的100G中距互联场景(LEAF-SPINE)，使用100G PSM4 QSFP28光模块;

500米到2Km的100G中长距互联场景(LEAF-SPINE、SPINE-CORE)，使用100G CWDM4 QSFP28光模块;

超过2Km的长距互联场景(CORE-MAN)，使用100GBASE-LR4 QSFP28光模块。

最后附上专业术语解释

光通信术语

名词解释

全称

100G Lambda MSA

单通道100Gbps光接口多源协议

100G Lambda Multi-Source Agreement

ASIC

专用集成电路

Application Specific Integrated Circuit

CAUI

100G以太网电接口

100Gbps Attachment Unit Interface

CDR

时钟数据恢复

Clock Data Recovery

CFP

100G可插拔光模块

Centum Form-factor Pluggable

CWDM4

四路粗波分复用

Coarse Wavelength Division Multiplexing 4

DeMux

光学多路解复用器(分波器)

Demultiplexer

DML

直接调制激光器

Direct Modulated Laser

EAM

电吸收调制器

Electro Absorption Modulator

EML

电吸收调制激光器

Electro-absorption Modulated Laser

IEEE

电子电气工程师协会

Institute of Electrical and Electronics

Engineer

LAN-WDM

(局域网)波分复用

(Local Area Network) Wavelength Division

Multiplexing

MD

监测光电二极管

Monitor Diode

MMF

多模光纤

Multi-Mode Fiber

MSA

多源协议

Multi Source Agreement

Mux

光学多路复用器(合波器)

Multiplexer

NRZ

非归零

Non Return Zero

PSM4

四路并行单模通道

Parallel Single Mode 4 lane

QSFP28

四通道小型可插拔光模块

Quad Small Form-factor Pluggable 28

SMF

单模光纤

Single-Mode Fiber

TEC

半导体热电制冷器

Thermo Electric Cooler

TIA

跨阻放大器

Trans-Impendance Ampilfier

编辑：NIKI