【光電通信】淺談光模塊的標準和協(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換，發(fā)送端把電信號轉換成光信號，通過光纖傳送后，接收端再把光信號轉換成電信號，實現(xiàn)幾乎無損信號質量的透傳(如下圖)。

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

  在光模塊開放采購風險及考慮中，會有以下三點需要注意：

  1、光接口和電接口的指標都有相應的標準規(guī)定，合格的光模塊產品，均需滿足標準指標要求;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，在滿足標準指標要求基礎上，預留的余量可能會有差異。

  3、軟件部分，最有可能會影響互通性。

  所以在光模塊與設備廠商板卡間的兼容性和互通問題上，采用通用的標準和協(xié)議是必不可少的，現(xiàn)在我們學習光通信/光模塊用到的三個重要標準和一組協(xié)議，三個標準分別是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)是由AIEE(美國電氣工程師協(xié)會)和IRE(美國無線電工程師學會)合并而成，而802.3是IEEE下面的一個工作組，10M、100M、GE、2.5GE/5GE、10GE、25GE、40GE、100GE、400GE的以太網(wǎng)標準都是由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)標準中，就定義了光接口的速率、類型、光功率、靈敏度等指標要求。

  舉一個400G的例子：

  ITU-T G系列

  ITU即國際電信聯(lián)盟，該機構創(chuàng)建于1993年，前身是國際電報電話咨詢委員會(CCITT 是法語Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique的縮寫, 英文是International Telegraph and Telephone Consultative Committee)，總部設在瑞士日內瓦。

  ITU(國際電信聯(lián)盟)是主管信息通信技術事務的聯(lián)合國機構，它主要分為電信標準化部門(ITU-T)、無線電通信部門(ITU-R)和電信發(fā)展部門(ITU-D)。

  ITU-T是Telecommunication Standardization Sector of ITU的縮寫，是國際電信聯(lián)盟管理下的專門制定遠程通信相關國際標準的組織。在ITU-T的G系列標準中定義了SDH設備和OTN設備的標準，其中就涉及到光模塊的光接口的速率、類型、發(fā)端指標、收端指標等(分散在G.691/G.692/G.693/G.695/G.707/G.957/G.959.1中)，彩光光模塊的波長標準(G.694.1/G.694.2)，以及需要部分分解到光模塊的SDH設備的抖動指標(G.825)和OTN設備的抖動指標(G.8251)。

  SDH和OTN的ITU-T標準，把抖動的指標又細分了一下，分為輸出抖動、輸入抖動容限、抖動傳遞函數(shù)等三個指標。

  1、輸出抖動

  發(fā)送端輸出光信號的抖動范圍，越小越好，標準中定義了B1、B2兩個濾波器來測試輸出抖動。如下表中給出的限制表示數(shù)字網(wǎng)絡中接口的最大允許抖動水平。使用指定的測量濾波器時，在 60 秒間隔內測量的抖動不得超過表中給出的限制。

  2、輸入抖動容限

  抖動和漂移容限表示輸入端口應適應的最低相位噪聲水平。一般來說，為了確保任何設備都可以連接到網(wǎng)絡內的任何適當接口，有必要安排所有設備的輸入端口能夠適應抖動水平，并至少滿足最小限制。如下圖舉例，STM64的輸入抖動容限，必須在至少在折線以上

  3、抖動傳遞函數(shù)

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

  OIF

  OIF是Optical Internet Forum的縮寫，即光網(wǎng)絡論壇的意思。OIF 在1998年成立，其宗旨是完成網(wǎng)絡互用性的規(guī)范，包括物理層協(xié)議、網(wǎng)絡接口以及安全性。OIF 成員擁有 140 多家成員公司，從組件供應商到網(wǎng)絡運營商，致力于確定行業(yè)的需求和要求，并快速開發(fā)直接影響和促進開放網(wǎng)絡世界中全球連接的解決方案。25年來，OIF作為唯一推動電氣、光學和控制互操作性的全球行業(yè)論壇，加速了光網(wǎng)絡的逐步轉型，從而實現(xiàn)更高效、更可靠的網(wǎng)絡。其活躍的成員生態(tài)系統(tǒng)通過透明和快節(jié)奏的流程進行合作，以開發(fā)，驗證和發(fā)布實施協(xié)議(IA)和技術白皮書，這對于加速光網(wǎng)絡技術的市場采用至關重要。

  MSA

  MSA是Multi-Source Agreement的縮寫，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非官方組織形式。

  提到MSA協(xié)議，就一定要說說SFF。SFF Committee (Small Form Factor Committee 小外形規(guī)格委員會)是1990年成立了一個委員會，按照英文版維基百科的說辭，它當時是為了給便攜式電腦定義新型磁盤驅動器的外形而成立的，SFF 委員會是一個由數(shù)據(jù)通訊/電信系統(tǒng)和元件提供商組成的特別委員會，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)，是為了解決來自不同制造商的光模塊接口類型多樣化，相互可操作性不足的問題。多家制造商聯(lián)合成立了一個組織來對光模塊的接口類型、安裝以及功能進行標準化規(guī)范。隨后SFP MSA被提交到SFF，命名為INF-8074i，SFF對SFP-MSA協(xié)議進行了擴展，擴展的協(xié)議為SFF-8472。INF-8074i協(xié)議規(guī)范了機械結構、電氣接口以及軟件接口(AOH)的定義;SFF-8472規(guī)范了模塊標識、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SFP光模塊是有兩種的，一種是不帶DDM的SFP，另一種是后來的帶DDM的eSFP，目前已基本上都帶有DDM。

  不像IEEE 802.3一個標準包打所有以太網(wǎng)那樣，SFF標準定義得很細，通常一種模塊會有多個SFF標準支撐，例如下圖

  大部分100G速率以內的光模塊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SFF已發(fā)布的光模塊MSA協(xié)議做了一個匯總整理，見下表

  前面說了MSA協(xié)議是一個民間組織，如果不算SFP MSA的話，其實是從100G開始的。但到了100G之后，SFF漸漸失去主導地位，各民間組織紛紛制定自己的MSA標準，QSFP演進出了QSFP-DD卻也是一個民間組織，CFP始終沒讓SFF收編，看一下下圖中SFF當前的狀態(tài)，基本就只剩SFP+。

  包括光模塊的DDM，最初是由INF-8472i負責的(當然8472一直也在更新，畢竟8472的文件名是《Management Interface for SFP+》)，但更多的光模塊說明書中，更愿意寫遵循OIF-CMIS MSA看似是松散的協(xié)議也是有競爭的，比如100G光模塊，CFP和CXP幾乎同時出現(xiàn)，而SFF的CXP最初由InfiniBand主導(甚至可以說是私有的)，但多廠商協(xié)作的CFP更占優(yōu)勢?，F(xiàn)在CXP較少更新，CFP則一直逐步發(fā)展壯大，演進出了支持CFP2、CFP4、CFP8的版本(注：CFP最初產生時就已經規(guī)劃了CFP-CFP2-CFP4的技術路線)。CFP不斷的壯大，促使SFF的QSFP+也推出QSFP28、QSFP56來競爭100G、200G光模塊的份額。到了400G，思科聯(lián)合SFF推出CDFP協(xié)議，但結果還是沒能抵擋CFP8、QSFP-DD、OSFP等一眾“新興勢力”。

  SFF雖然份額變小，但光模塊仍然叫MSA協(xié)議，真是勝者為王的時代，誰先占領市場，誰就有話語權設立一個事實標準。就像華為OTN設備的40G高光時代，其實當時華為40G波分已經落后阿郎和CIENA了(推出較晚)，后來華為推出調制格式為DQPSK的光模塊，指標性能優(yōu)異的同時還很好的控制了光模塊的成本，一舉打敗了對手，從此華為波分設備可以說就一騎絕塵，市占率領先對手好幾個碼頭。

  當然，搶占先機也是有風險的，比如INTEL就在ITU-T G.709出來前，發(fā)布了IXF30007芯片，支持它自定義的10G FEC糾錯編碼，基于這個編碼輸出的10G信號的速率是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(準確說應是OTU2)的速率是10.71Gb/s ，沒辦法，INTEL馬上推出了IXF30009芯片進行替代，華為也只能重新開發(fā)新的板卡和光模塊，不僅浪費了不少經費，也耽誤了支持G.709產品的上市時間。

  缺少了SFF的帶領也存在一些弊端，民間組織制定的MSA協(xié)議就出現(xiàn)了五花八門的情況，就拿命名來說吧，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)，有按速率等級命名的MSA(如800G MSA、4x400G MSA等)，還有按速率+光接口類型命名的MSA(如400GBiDi-MSA 、Terabit-BiDi-MSA等)。

  至此，標準化的管理接口使不同的廠家光模塊互通，變得更加容易實現(xiàn)。以及，在維護界面和售后服務責任區(qū)分上，網(wǎng)絡綜合成本不再是最大挑戰(zhàn)。