【光电通信】浅谈光模块的标准和协议

今日光电 2024-01-15 18:11

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今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。追光逐电，光赢未来...欢迎来到今日光电！

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在光通信行业中，光模块(optical module)由光电子器件、功能电路和光接口等组成。其中，光电子器件包括发射和接收两部分。光模块的作用就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号，实现几乎无损信号质量的透传（如下图）。而光模块构造如下图所示，其由：电接口、光接口、管理控制部分、封装、软件等部分组成。

在光模块开放采购风险及考虑中，会有以下三点需要注意：

1、光接口和电接口的指标都有相应的标准规定，合格的光模块产品，均需满足标准指标要求；相同规格光模块，理论上具备互通可行性。

2、各光模块制造商根据自身品控，在满足标准指标要求基础上，预留的余量可能会有差异。

3、软件部分，最有可能会影响互通性。

所以在光模块与设备厂商板卡间的兼容性和互通问题上，采用通用的标准和协议是必不可少的，现在我们学习光通信/光模块用到的三个重要标准和一组协议，三个标准分别是IEEE、ITU-T和OIF，一组协议是MSA协议。

IEEE 802.3

IEEE（电气与电子工程师协会）是由AIEE（美国电气工程师协会）和IRE（美国无线电工程师学会）合并而成，而802.3是IEEE下面的一个工作组，10M、100M、GE、2.5GE/5GE、10GE、25GE、40GE、100GE、400GE的以太网标准都是由IEEE 802.3工作组提出的。分别是10M以太网：8-20章、100M以太网：21-33章、1000M以太网：34-43章、10G以太网：44-77章、节能以太网：78-79章、40G/100G以太网：80-95章、200G/400G以太网：116-124章、2.5G/5G以太网：125-126章。在这些以太网标准中，就定义了光接口的速率、类型、光功率、灵敏度等指标要求。

举一个400G的例子：

ITU-T G系列

ITU即国际电信联盟，该机构创建于1993年，前身是国际电报电话咨询委员会(CCITT 是法语Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique的缩写, 英文是International Telegraph and Telephone Consultative Committee)，总部设在瑞士日内瓦。

ITU（国际电信联盟）是主管信息通信技术事务的联合国机构，它主要分为电信标准化部门（ITU-T）、无线电通信部门（ITU-R）和电信发展部门（ITU-D）。

ITU-T是Telecommunication Standardization Sector of ITU的缩写，是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。在ITU-T的G系列标准中定义了SDH设备和OTN设备的标准，其中就涉及到光模块的光接口的速率、类型、发端指标、收端指标等（分散在G.691/G.692/G.693/G.695/G.707/G.957/G.959.1中），彩光光模块的波长标准（G.694.1/G.694.2），以及需要部分分解到光模块的SDH设备的抖动指标（G.825）和OTN设备的抖动指标（G.8251）。

SDH和OTN的ITU-T标准，把抖动的指标又细分了一下，分为输出抖动、输入抖动容限、抖动传递函数等三个指标。

1、输出抖动

发送端输出光信号的抖动范围，越小越好，标准中定义了B1、B2两个滤波器来测试输出抖动。如下表中给出的限制表示数字网络中接口的最大允许抖动水平。使用指定的测量滤波器时，在 60 秒间隔内测量的抖动不得超过表中给出的限制。

2、输入抖动容限

抖动和漂移容限表示输入端口应适应的最低相位噪声水平。一般来说，为了确保任何设备都可以连接到网络内的任何适当接口，有必要安排所有设备的输入端口能够适应抖动水平，并至少满足最小限制。如下图举例，STM64的输入抖动容限，必须在至少在折线以上

3、抖动传递函数

抖动传递函数定义为在输出 STM-N 信号上的抖动对施加在输入 STM-N 信号上抖动的比值随频率的变化。如下图，在所施加的输入正弦抖动高到图 15-2 的模板水平时，抖动传递函数必须在图 15-1 给定的曲线之下。

OIF

OIF是Optical Internet Forum的缩写，即光网络论坛的意思。OIF 在1998年成立，其宗旨是完成网络互用性的规范，包括物理层协议、网络接口以及安全性。OIF 成员拥有 140 多家成员公司，从组件供应商到网络运营商，致力于确定行业的需求和要求，并快速开发直接影响和促进开放网络世界中全球连接的解决方案。25年来，OIF作为唯一推动电气、光学和控制互操作性的全球行业论坛，加速了光网络的逐步转型，从而实现更高效、更可靠的网络。其活跃的成员生态系统通过透明和快节奏的流程进行合作，以开发，验证和发布实施协议（IA）和技术白皮书，这对于加速光网络技术的市场采用至关重要。

MSA

MSA是Multi-Source Agreement的缩写，即多元协议的意思。是由业界光模块制造商建立的一个非官方组织形式。

提到MSA协议，就一定要说说SFF。SFF Committee （Small Form Factor Committee 小外形规格委员会）是1990年成立了一个委员会，按照英文版维基百科的说辞，它当时是为了给便携式电脑定义新型磁盘驱动器的外形而成立的，SFF 委员会是一个由数据通讯/电信系统和元件提供商组成的特别委员会，旨在制定连接器、电缆和外形封装方面的规范。

MSA协议的出现，是为了解决来自不同制造商的光模块接口类型多样化，相互可操作性不足的问题。多家制造商联合成立了一个组织来对光模块的接口类型、安装以及功能进行标准化规范。随后SFP MSA被提交到SFF，命名为INF-8074i，SFF对SFP-MSA协议进行了扩展，扩展的协议为SFF-8472。INF-8074i协议规范了机械结构、电气接口以及软件接口（AOH）的定义；SFF-8472规范了模块标识、厂商信息以及光模块的数字诊断监控功能（DDM）。在早期其实SFP光模块是有两种的，一种是不带DDM的SFP，另一种是后来的带DDM的eSFP，目前已基本上都带有DDM。

不像IEEE 802.3一个标准包打所有以太网那样，SFF标准定义得很细，通常一种模块会有多个SFF标准支撑，例如下图

大部分100G速率以内的光模块MSA协议都收归到SFF中。QSFP+及之前的协议，全部在SFF可以查阅下载SFF Specifications | SNIA。对SFF已发布的光模块MSA协议做了一个汇总整理，见下表

前面说了MSA协议是一个民间组织，如果不算SFP MSA的话，其实是从100G开始的。但到了100G之后，SFF渐渐失去主导地位，各民间组织纷纷制定自己的MSA标准，QSFP演进出了QSFP-DD却也是一个民间组织，CFP始终没让SFF收编，看一下下图中SFF当前的状态，基本就只剩SFP+。

包括光模块的DDM，最初是由INF-8472i负责的（当然8472一直也在更新，毕竟8472的文件名是《Management Interface for SFP+》），但更多的光模块说明书中，更愿意写遵循OIF-CMIS MSA看似是松散的协议也是有竞争的，比如100G光模块，CFP和CXP几乎同时出现，而SFF的CXP最初由InfiniBand主导（甚至可以说是私有的），但多厂商协作的CFP更占优势。现在CXP较少更新，CFP则一直逐步发展壮大，演进出了支持CFP2、CFP4、CFP8的版本（注：CFP最初产生时就已经规划了CFP-CFP2-CFP4的技术路线）。CFP不断的壮大，促使SFF的QSFP+也推出QSFP28、QSFP56来竞争100G、200G光模块的份额。到了400G，思科联合SFF推出CDFP协议，但结果还是没能抵挡CFP8、QSFP-DD、OSFP等一众“新兴势力”。

SFF虽然份额变小，但光模块仍然叫MSA协议，真是胜者为王的时代，谁先占领市场，谁就有话语权设立一个事实标准。就像华为OTN设备的40G高光时代，其实当时华为40G波分已经落后阿郎和CIENA了（推出较晚），后来华为推出调制格式为DQPSK的光模块，指标性能优异的同时还很好的控制了光模块的成本，一举打败了对手，从此华为波分设备可以说就一骑绝尘，市占率领先对手好几个码头。

当然，抢占先机也是有风险的，比如INTEL就在ITU-T G.709出来前，发布了IXF30007芯片，支持它自定义的10G FEC纠错编码，基于这个编码输出的10G信号的速率是10.66Gb/s，华为还基于30007作出了10G的OTU板卡，然而到G.709正式发布，华为就处在被动位置，其中的FEC编码格式采用了另一种RS编码，G.709定义的10G信号（准确说应是OTU2）的速率是10.71Gb/s ，没办法，INTEL马上推出了IXF30009芯片进行替代，华为也只能重新开发新的板卡和光模块，不仅浪费了不少经费，也耽误了支持G.709产品的上市时间。

缺少了SFF的带领也存在一些弊端，民间组织制定的MSA协议就出现了五花八门的情况，就拿命名来说吧，有按封装形式命名的MSA（如上文刚提到的CFP、QSFP-DD、OSFP，新出现的更加小型化的CSFP、Micro QSFP等），有按速率等级命名的MSA（如800G MSA、4x400G MSA等），还有按速率+光接口类型命名的MSA（如400GBiDi-MSA 、Terabit-BiDi-MSA等）。

至此，标准化的管理接口使不同的厂家光模块互通，变得更加容易实现。以及，在维护界面和售后服务责任区分上，网络综合成本不再是最大挑战。

来源：阿光聊光