【光電通信】淺談光模塊的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

  ICC訊 在光通信行業(yè)中，光模塊(optical module)由光電子器件、功能電路和光接口等組成。其中，光電子器件包括發(fā)射和接收兩部分。光模塊的作用就是光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳送后，接收端再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)損信號(hào)質(zhì)量的透?jìng)?如下圖)。

  而光模塊構(gòu)造如下圖所示，其由：電接口、光接口、管理控制部分、封裝、軟件等部分組成。

  在光模塊開(kāi)放采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)及考慮中，會(huì)有以下三點(diǎn)需要注意：

  1、光接口和電接口的指標(biāo)都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合格的光模塊產(chǎn)品，均需滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求;相同規(guī)格光模塊，理論上具備互通可行性。

  2、各光模塊制造商根據(jù)自身品控，在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求基礎(chǔ)上，預(yù)留的余量可能會(huì)有差異。

  3、軟件部分，最有可能會(huì)影響互通性。

  所以在光模塊與設(shè)備廠商板卡間的兼容性和互通問(wèn)題上，采用通用的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議是必不可少的，現(xiàn)在我們學(xué)習(xí)光通信/光模塊用到的三個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)和一組協(xié)議，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別是IEEE、ITU-T和OIF，一組協(xié)議是MSA協(xié)議。

  IEEE 802.3

  IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會(huì))是由AIEE(美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì))和IRE(美國(guó)無(wú)線(xiàn)電工程師學(xué)會(huì))合并而成，而802.3是IEEE下面的一個(gè)工作組，10M、100M、GE、2.5GE/5GE、10GE、25GE、40GE、100GE、400GE的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都是由IEEE 802.3工作組提出的。分別是10M以太網(wǎng)：8-20章、100M以太網(wǎng)：21-33章、1000M以太網(wǎng)：34-43章、10G以太網(wǎng)：44-77章、節(jié)能以太網(wǎng)：78-79章、40G/100G以太網(wǎng)：80-95章、200G/400G以太網(wǎng)：116-124章、2.5G/5G以太網(wǎng)：125-126章。在這些以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，就定義了光接口的速率、類(lèi)型、光功率、靈敏度等指標(biāo)要求。

  舉一個(gè)400G的例子：

  ITU-T G系列

  ITU即國(guó)際電信聯(lián)盟，該機(jī)構(gòu)創(chuàng)建于1993年，前身是國(guó)際電報(bào)電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì)(CCITT 是法語(yǔ)Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique的縮寫(xiě), 英文是International Telegraph and Telephone Consultative Committee)，總部設(shè)在瑞士日內(nèi)瓦。

  ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)是主管信息通信技術(shù)事務(wù)的聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)，它主要分為電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-T)、無(wú)線(xiàn)電通信部門(mén)(ITU-R)和電信發(fā)展部門(mén)(ITU-D)。

  ITU-T是Telecommunication Standardization Sector of ITU的縮寫(xiě)，是國(guó)際電信聯(lián)盟管理下的專(zhuān)門(mén)制定遠(yuǎn)程通信相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的組織。在ITU-T的G系列標(biāo)準(zhǔn)中定義了SDH設(shè)備和OTN設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，其中就涉及到光模塊的光接口的速率、類(lèi)型、發(fā)端指標(biāo)、收端指標(biāo)等(分散在G.691/G.692/G.693/G.695/G.707/G.957/G.959.1中)，彩光光模塊的波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)(G.694.1/G.694.2)，以及需要部分分解到光模塊的SDH設(shè)備的抖動(dòng)指標(biāo)(G.825)和OTN設(shè)備的抖動(dòng)指標(biāo)(G.8251)。

  SDH和OTN的ITU-T標(biāo)準(zhǔn)，把抖動(dòng)的指標(biāo)又細(xì)分了一下，分為輸出抖動(dòng)、輸入抖動(dòng)容限、抖動(dòng)傳遞函數(shù)等三個(gè)指標(biāo)。

  1、輸出抖動(dòng)

  發(fā)送端輸出光信號(hào)的抖動(dòng)范圍，越小越好，標(biāo)準(zhǔn)中定義了B1、B2兩個(gè)濾波器來(lái)測(cè)試輸出抖動(dòng)。如下表中給出的限制表示數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中接口的最大允許抖動(dòng)水平。使用指定的測(cè)量濾波器時(shí)，在 60 秒間隔內(nèi)測(cè)量的抖動(dòng)不得超過(guò)表中給出的限制。

  2、輸入抖動(dòng)容限

  抖動(dòng)和漂移容限表示輸入端口應(yīng)適應(yīng)的最低相位噪聲水平。一般來(lái)說(shuō)，為了確保任何設(shè)備都可以連接到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何適當(dāng)接口，有必要安排所有設(shè)備的輸入端口能夠適應(yīng)抖動(dòng)水平，并至少滿(mǎn)足最小限制。如下圖舉例，STM64的輸入抖動(dòng)容限，必須在至少在折線(xiàn)以上

  3、抖動(dòng)傳遞函數(shù)

  抖動(dòng)傳遞函數(shù)定義為在輸出 STM-N 信號(hào)上的抖動(dòng)對(duì)施加在輸入 STM-N 信號(hào)上抖動(dòng)的比值隨頻率的變化。如下圖，在所施加的輸入正弦抖動(dòng)高到圖 15-2 的模板水平時(shí)，抖動(dòng)傳遞函數(shù)必須在圖 15-1 給定的曲線(xiàn)之下。

  OIF

  OIF是Optical Internet Forum的縮寫(xiě)，即光網(wǎng)絡(luò)論壇的意思。OIF 在1998年成立，其宗旨是完成網(wǎng)絡(luò)互用性的規(guī)范，包括物理層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接口以及安全性。OIF 成員擁有 140 多家成員公司，從組件供應(yīng)商到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，致力于確定行業(yè)的需求和要求，并快速開(kāi)發(fā)直接影響和促進(jìn)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)世界中全球連接的解決方案。25年來(lái)，OIF作為唯一推動(dòng)電氣、光學(xué)和控制互操作性的全球行業(yè)論壇，加速了光網(wǎng)絡(luò)的逐步轉(zhuǎn)型，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的網(wǎng)絡(luò)。其活躍的成員生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)透明和快節(jié)奏的流程進(jìn)行合作，以開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證和發(fā)布實(shí)施協(xié)議(IA)和技術(shù)白皮書(shū)，這對(duì)于加速光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的市場(chǎng)采用至關(guān)重要。

  MSA

  MSA是Multi-Source Agreement的縮寫(xiě)，即多元協(xié)議的意思。是由業(yè)界光模塊制造商建立的一個(gè)非官方組織形式。

  提到MSA協(xié)議，就一定要說(shuō)說(shuō)SFF。SFF Committee (Small Form Factor Committee 小外形規(guī)格委員會(huì))是1990年成立了一個(gè)委員會(huì)，按照英文版維基百科的說(shuō)辭，它當(dāng)時(shí)是為了給便攜式電腦定義新型磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的外形而成立的，SFF 委員會(huì)是一個(gè)由數(shù)據(jù)通訊/電信系統(tǒng)和元件提供商組成的特別委員會(huì)，旨在制定連接器、電纜和外形封裝方面的規(guī)范。

  MSA協(xié)議的出現(xiàn)，是為了解決來(lái)自不同制造商的光模塊接口類(lèi)型多樣化，相互可操作性不足的問(wèn)題。多家制造商聯(lián)合成立了一個(gè)組織來(lái)對(duì)光模塊的接口類(lèi)型、安裝以及功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。隨后SFP MSA被提交到SFF，命名為INF-8074i，SFF對(duì)SFP-MSA協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，擴(kuò)展的協(xié)議為SFF-8472。INF-8074i協(xié)議規(guī)范了機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣接口以及軟件接口(AOH)的定義;SFF-8472規(guī)范了模塊標(biāo)識(shí)、廠商信息以及光模塊的數(shù)字診斷監(jiān)控功能(DDM)。在早期其實(shí)SFP光模塊是有兩種的，一種是不帶DDM的SFP，另一種是后來(lái)的帶DDM的eSFP，目前已基本上都帶有DDM。

  不像IEEE 802.3一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)包打所有以太網(wǎng)那樣，SFF標(biāo)準(zhǔn)定義得很細(xì)，通常一種模塊會(huì)有多個(gè)SFF標(biāo)準(zhǔn)支撐，例如下圖

  大部分100G速率以?xún)?nèi)的光模塊MSA協(xié)議都收歸到SFF中。QSFP+及之前的協(xié)議，全部在SFF可以查閱下載SFF Specifications | SNIA。對(duì)SFF已發(fā)布的光模塊MSA協(xié)議做了一個(gè)匯總整理，見(jiàn)下表

  前面說(shuō)了MSA協(xié)議是一個(gè)民間組織，如果不算SFP MSA的話(huà)，其實(shí)是從100G開(kāi)始的。但到了100G之后，SFF漸漸失去主導(dǎo)地位，各民間組織紛紛制定自己的MSA標(biāo)準(zhǔn)，QSFP演進(jìn)出了QSFP-DD卻也是一個(gè)民間組織，CFP始終沒(méi)讓SFF收編，看一下下圖中SFF當(dāng)前的狀態(tài)，基本就只剩SFP+。

  包括光模塊的DDM，最初是由INF-8472i負(fù)責(zé)的(當(dāng)然8472一直也在更新，畢竟8472的文件名是《Management Interface for SFP+》)，但更多的光模塊說(shuō)明書(shū)中，更愿意寫(xiě)遵循OIF-CMIS MSA看似是松散的協(xié)議也是有競(jìng)爭(zhēng)的，比如100G光模塊，CFP和CXP幾乎同時(shí)出現(xiàn)，而SFF的CXP最初由InfiniBand主導(dǎo)(甚至可以說(shuō)是私有的)，但多廠商協(xié)作的CFP更占優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在CXP較少更新，CFP則一直逐步發(fā)展壯大，演進(jìn)出了支持CFP2、CFP4、CFP8的版本(注：CFP最初產(chǎn)生時(shí)就已經(jīng)規(guī)劃了CFP-CFP2-CFP4的技術(shù)路線(xiàn))。CFP不斷的壯大，促使SFF的QSFP+也推出QSFP28、QSFP56來(lái)競(jìng)爭(zhēng)100G、200G光模塊的份額。到了400G，思科聯(lián)合SFF推出CDFP協(xié)議，但結(jié)果還是沒(méi)能抵擋CFP8、QSFP-DD、OSFP等一眾“新興勢(shì)力”。

  SFF雖然份額變小，但光模塊仍然叫MSA協(xié)議，真是勝者為王的時(shí)代，誰(shuí)先占領(lǐng)市場(chǎng)，誰(shuí)就有話(huà)語(yǔ)權(quán)設(shè)立一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。就像華為OTN設(shè)備的40G高光時(shí)代，其實(shí)當(dāng)時(shí)華為40G波分已經(jīng)落后阿郎和CIENA了(推出較晚)，后來(lái)華為推出調(diào)制格式為DQPSK的光模塊，指標(biāo)性能優(yōu)異的同時(shí)還很好的控制了光模塊的成本，一舉打敗了對(duì)手，從此華為波分設(shè)備可以說(shuō)就一騎絕塵，市占率領(lǐng)先對(duì)手好幾個(gè)碼頭。

  當(dāng)然，搶占先機(jī)也是有風(fēng)險(xiǎn)的，比如INTEL就在ITU-T G.709出來(lái)前，發(fā)布了IXF30007芯片，支持它自定義的10G FEC糾錯(cuò)編碼，基于這個(gè)編碼輸出的10G信號(hào)的速率是10.66Gb/s，華為還基于30007作出了10G的OTU板卡，然而到G.709正式發(fā)布，華為就處在被動(dòng)位置，其中的FEC編碼格式采用了另一種RS編碼，G.709定義的10G信號(hào)(準(zhǔn)確說(shuō)應(yīng)是OTU2)的速率是10.71Gb/s ，沒(méi)辦法，INTEL馬上推出了IXF30009芯片進(jìn)行替代，華為也只能重新開(kāi)發(fā)新的板卡和光模塊，不僅浪費(fèi)了不少經(jīng)費(fèi)，也耽誤了支持G.709產(chǎn)品的上市時(shí)間。

  缺少了SFF的帶領(lǐng)也存在一些弊端，民間組織制定的MSA協(xié)議就出現(xiàn)了五花八門(mén)的情況，就拿命名來(lái)說(shuō)吧，有按封裝形式命名的MSA(如上文剛提到的CFP、QSFP-DD、OSFP，新出現(xiàn)的更加小型化的CSFP、Micro QSFP等)，有按速率等級(jí)命名的MSA(如800G MSA、4x400G MSA等)，還有按速率+光接口類(lèi)型命名的MSA(如400GBiDi-MSA 、Terabit-BiDi-MSA等)。

  至此，標(biāo)準(zhǔn)化的管理接口使不同的廠家光模塊互通，變得更加容易實(shí)現(xiàn)。以及，在維護(hù)界面和售后服務(wù)責(zé)任區(qū)分上，網(wǎng)絡(luò)綜合成本不再是最大挑戰(zhàn)。