如何使用光学互连器件优化数据中心的性能
作者：Jeff Shepard
为了支持云和其他数据中心在可靠、低延迟通信方面的需求，对高速、低功耗和耐用的光纤互连器件的需求也在增长。可通过对光纤收发器进行优化，以满足特定数据中心对高达每秒 400 吉比特 (G) 传输速度的要求。光纤数据中心通信的重要模块标准包括小型可插拔 (SPF)）、SPF+ 和四通道小型可插拔 (QSFP)。SPF、SPF+ 和 QSPF 之间的区别之一是其额定传输速度。然而，这只是选择收发器需要考虑的一个因素；必须权衡功耗和热管理、所需的传输距离、工作温度范围、集成诊断功能和其他因素。此外，网络工程师需要一种有效的方法来测试光收发器的传输距离和接收器的灵敏度。
本文首先回顾选择光纤收发器时的重要考虑因素，比较 SPF、SPF+、QSFP 和 QSFP-DD（双密度）的硬件接口选项，并介绍 Intel Silicon Photonics、II-VI 和 Cisco Systems 的收发器模块。本文最后介绍光纤设备的测试，包括 ColorChip 为 400 G 设备提供的回送模块和 Multilane 为下一代 800 G 收发器提供的评估板。
单模与多模
数据通信光纤由包裹在玻璃包层中的玻璃纤芯组成，且每根纤芯都有不同的折射率。典型多模 (MM) 光纤采用 50 μm 玻璃芯，工作波长为 750 nm 至 850 nm，而单模 (SM) 光纤采用 9 μm 玻璃芯，工作波长通常为 1310 nm 至 1550 nm。在 MM 光纤的情况下，光波长比截止波长短，造成有多种模式的光在光纤中传播。SM 光纤中较小的纤芯只能在指定的波长内传播一种模式的光（图 1）。
图 1：SM 光纤中的小纤芯限制了其只能传播一种模式的光。（图片来源：Cisco）
与不受这些影响的 SM 光纤相比，模态色散和模态噪声限制了 MM 光纤的带宽。此外，与 MM 光纤相比，SM 光纤具有更长的传输距离。用光学形式传输数据是通过在通信的每个方向使用不同的波长来实现的。例如，一套光收发器使用 1330 nm 和 1270 nm 的波长组合。其中一个收发器发射 1330 nm 信号并接收 1270 nm 信号，而另一个收发器发射 1270 nm 信号并接收 1330 nm 信号（图 2）。
图 2：光收发器采用不同的波长来传输和接收数据。（图片来源：Cisco）
电源和热
数据中心运营商对电源和热成本非常敏感。虽然用于数据通信布线的非屏蔽双绞线 (UTP) 价格低廉，但 UTP 收发器可能会消耗约 5 W 的功率，而光纤收发器只需要 1 W 或更少。
UTP 收发器额外产生的热量必须从数据中心移除，这将使整个能耗成本增加一倍，甚至达到十倍。与 UTP 解决方案相比，除了线路非常短和数据低率，光纤收发器总是具有几乎很低的总寿命运行成本。
与光纤布线相比，UTP 电缆的直径也较大。UTP 电缆直径可能太大，无法接入在高密度数据中心地板下安装的一些电缆盘中。此外，对于传输速度为 10 G 的 Cat 6A 电缆，UTP 电缆之间的交叉串扰可能难以控制。MM 光纤使用成本较低的收发器，但当并行光学器件用于 40 G 或 100G 传输时，布线会更昂贵。随着数据率的不断升高，SM 光纤可能提供了低功耗、低成本和小尺寸解决方案的最佳组合。
温度范围选择
数据中心所处环境各异，从专用设施到办公室、仓库和工厂的通讯间。光纤收发器有三个标准温度范围，以满足特定环境的需要：
· 0°C 至 +70°C，称为 C-temp 或 COM，用于商业和标准数据中心环境。
· -5℃ 至 +85℃，称为 E-temp 或 EXT，用于更具挑战性的环境。
· -40°C 至 +85°C，称为 I-temp 或 IND，用于工业装置。
典型光收发器预计将在比环境温度高约 20 度的条件下运行。在环境超过 +50°C 或低于 -20°C 的环境中，需要使用 IDN 级收发器。一些应用要求收发器能够“冷启动”。冷启动期间，网络可以访问收发器的 I²C 和其他低速接口，但需要在外壳温度达到 -30℃ 时才开始数据通讯。为了确保网络可靠运行，监测光纤收发器的工作温度很重要。
数字光学监测
数字光学监测 (DOM) 也被称为数字诊断监测 (DDM)，由 SFF-8472 定义，是多源协议 (MSA) 的一部分，专注于光纤收发器的数字监测。具体监测能力如下：
· 监测模块的工作温度
· 监测模块的工作电压
· 监测器模块的工作电流
· 监测发射和接收光功率
· 如果参数超过安全水平，发出警报
· 根据要求提供模块工厂信息
SFF-8472 规定的 DOM 定义了具体的报警标志或报警条件。DOM 帮助网络管理员监测模块性能，并在模块出现故障前确定可能需要更换的模块。
高达 100 G 的光收发模块已通过 I²C 控制接口管理，使用 SFF 8636 定义的基本存储期映射命令系统。由于包含了需要复杂均衡的 PAM-4 接口，较高速模块的管理更加复杂。通用管理接口规范 (CMIS) 是为了在高速模块中取代或补充 SFF-8472/8636 而制定的。
外形尺寸和调制方案
SFP 收发器可用于铜和光纤网络。使用 SFP 模块可以使各个通信端口采用不同类型的收发器。SFP 的外形尺寸和电气接口是由 MSA 规定的。基本 SFP 收发器可支持光纤通道高达 4G 的数据速率。较新的 SFP+ 规范支持高达 10 G 的数据速率，而最新的 SFP28 规范支持高达 25 G 的数据速率。
较大型 QSFP 收发器标准支持的传输速度比相应的 SFP 单元快四倍。QSFP28 变体具有高达 100G 的数据速率，而 QSFP56 则达到 200G。一个 QSFP 收发器集成了四个发射通道和四个接收通道，“28”意味着每个通道可以支持高达 28 G 的数据速率；因此，一个 QSFP28 可以支持 4 × 25 G 配置（分线），2 × 50 G 分线或 1 × 100 G（取决于具体收发器）。由于 QSFP 端口比 SFP 大，所以有适配器，从而可将 SFP 收发器放入 QSFP 端口中。
最新的变体是 QSFP-DD，与普通 QSFP28 模块相比，其接口数量增加了一倍。此外，新规范还包括对脉冲振幅调制 4 (PAM4) 的支持，其传输速度达到 50 G，与 QSFP28 模块相比，传输速率增加一倍，使端口速度总体上增大 4 倍。
在光纤收发器中使用的传统不归零 (NRZ) 调制将光强调制为两级。PAM 使用四个光强级别，在每个光脉冲周期内进行双比特编码，而非单比特，从而在相同的带宽内几乎可以实现两倍的数据（图 3）。
图 3：更复杂的 PAM4 比 NRZ 传输更多的数据。（图片来源：Cisco）
用于大型数据中心的 QSFP-DD
大型云和企业数据中心的设计者可以采用 Intel Silicon Photonics 的 SPTSHP3PMCDF QSFP-DD 光收发器。该模块具有 2 km 的传输能力，规定在 0°C 至 +70°C 范围内运行，支持通过 SM 光纤实现 400 G 光链路或支持 4 个 100 G 光链路的分线应用（图 4）。这款 QSFP-DD 收发器的特点包括：
· 符合 4 x 100 G Lambda MSA 光接口规范和 IEEE 400GBASE-DR4 光接口标准
· 符合 IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) 电气接口标准
· 符合 CMIS 管理接口标准，通过 I²C 进行全模块诊断和控制
图 4：QSFP-DD 收发器的传输范围为 2 km。 （图片来源：Intel）
多模 SFP+
FTLF8538P5BCz SFP+ 光收发器集成了 DDM 功能，用于在 MM 光纤上实现 25 G 数据速率（图 5）。设计工作范围为 0°C 至 +70°C。其他特性包括：
· 850 nm 垂直腔侧发射激光器 (VCSEL) 发射器
· 通过 50/125 μm OM4、M5F MMF 光缆可传输 100 m
· 通过 50/125 μm OM3、M5E MMF 光缆传输 70 m
· 使用 OM3 光缆时，30 m 的误码率为 1E-12；使用 OM4 光缆时，40 m 的误码率为 1E-12
· 最大功耗 1W
图 5：SFP+ 收发器的额定传输能力为 25 G，使用 MM 光纤。（图片来源：II-VI）
SPF 单模
Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 采用 SM 光纤，支持长达 10 km 的传输距离。一个 SFP-10G-BXD-I 总是与一个 SFP-10G-BXU-I 连接。SFP-10G-BXD-I 传输 1330 nm 通道，接收 1270 nm 信号，而 SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波长发射，接收 1330 nm 信号。这些收发器还包括 DOM 功能，可实时监测性能。
用于测试的环回
网络和测试工程师、技术人员可以使用光纤环回和环回模块来测试光网络设备的传输能力和接收器灵敏度。ColorChip 提供了一种回环模块，可在 -40°C 到 +85°C 条件下支持 2000 次循环的高使用场景（图 6）。这种环回模块包括由软件定义的多种功耗，可对光模块功率和嵌入式插入损耗特性进行仿真，从而对 200/400 G 以太网、Infiniband 和光纤通道的真实布线的进行仿真。内置浪涌电流保护降低了被测设备的损坏风险。这种环回模块的用途包括端口测试、现场部署测试和设备故障排除。
图 6：这种环回模块用于测试光收发器性能。（图片来源：Digi-Key）
800 G QSFP 开发套件
Multilane 为准备使用下一代 800 G 收发器的网络工程师提供了高效易用的 ML4062-MCB 平台，可用于 QSFP-DD800 收发器和有源光缆的编程、测试（图 7）。GUI 支持 QSFP-DD MSA 定义的所有功能，并简化配置过程。该平台可用于仿真 QSFP-DD 收发器模块测试、特征描述和制造的实际环境，符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 规范。
图 7：该开发平台旨在与下一代 800G 收发器搭配使用。（图片来源：Digi-Key）
结语
光纤收发器满足数据中心网络工程师对高速、紧凑和低功耗解决方案的需求。这些收发器的格式多样，具有三个标准工作温度范围，配备 SM 或 MM 光纤。环回模块可用于验证光纤网元的性能。开发平台可用于探索 800 G 收发器的功能，为下一代基于光纤的网络做好准备。
