光器件发展推动400G时代

January 19, 2021

400G时代正在顺利进行,而Juniper正在引领这一潮流。全球客户已开始部署支持400G以太网的交换机和路由器平台。Juniper正在进行的部分工作包括向客户交付满足性能和互操作标准的400G光模块器件。这些标准是整个网络行业共同开发的, Juniper正在其中发挥重要作用。与Juniper在光器件解决方案上合作可提供预集成来确保高质量的交付,从而帮助客户节省时间并简化部署和测试过程。可插拔光学器件是一个复杂的技术领域 – Juniper的目标是尽可能消除这种复杂性。

光学世界的新生事物

Juniper 工程团队已经开发了一整套400G可插拔光学器件, 可为客户提供广泛的业务场景连接, 包括距离500m和2km的数据中心单模光纤互连。 Juniper当前的400G光学器件基于PAM4调制技术,该技术已在IEEE 802.3中进行了标准化,同时也支持100G Lambda MSA工作组提供的其它补充光学规范。 400G是光学行业发展路线图中的一个重大转变,前几代的100G,40G,10G和其它低速率光学器件都完全基于NRZ on-off键控编码 (调制). 向PAM4的过渡不仅需要设计新的激光调制器,数字信号编解码处理器(DSP)和光收发器件,还需要一套全新的性能参数,测试方法和新的实验设备用于测试和测量。

Juniper与光学器件供应商紧密合作,为开发量产400G光学器件的技术和产品提供路线规划, 功能规格, 性能要求和早期原型评估指导. 我们现在可以看到这些工作的成果: 来自IEEE 400G标准 802.3bs-2017,下表1列出了目前在各个成熟阶段所知道的基于标准的 400G光学器件。

表1 400G QSFP-DD可插拔光模块

一些400G可插拔光模块支持多速率. 在支持400G以太网的同时也支持一分四成为4个100G以太网。某些情况下通用光模块甚至可以支持一分二成为2个200G以太网。 这些低速分端口是完全独立的,在单独的时域上运行。 这要求基于PAM4技术的新一代单波100G光学器件。 这些单波光学器件已大大降低了100G互连的成本,因为与使用4x25G NRZ架构的传统100G光学器件相比, 激光器和调制器的数量减少了4倍. 这些PAM4光学器件QSFP-100G-DR / FR1 / LR1已经开发完成, 准备进行合规测试。

IEEE P802.3db工作组正在开发通过多模光纤进行短距离连接的100GBASE-SR1标准。 下表2总结了用于100G以太网的100G光模块。 这些模块中部署的DSP芯片通过模块到主机接口实现了单波长100Gbps PAM4光信号调制到4x25G NRZ电信号调制之间的转换.

表2 100G QSFP-DD可插拔光模块

前面表1中列出的QDD-400G-FR4,-LR4-6,-LR4-10和-LR8光学器件仅支持400G以太网,这些光模块将4个100G波长(FR4,LR4)或8个50G波长(LR8)波分复用/解复用到全双工的单模光纤上。而QDD-400G-DR4通过MPO-12连接器和8芯单模光纤(4 发加4 收) 提供400G,也可以通过MPO-12连接器和1分4跳线连接4 x 100GBASE-DR光模块, 对端连接100G QSFP-100G-DR光模块。QDD-4x100G-FR1模块也称为400G-4xFR1或400G-DR4 +,支持4*100G以太网一分四,可与QSFP-100G-FR1互连,也可在400G以太网模式下与QDD-400G-DR4互连到500米距离。同样的QDD-4x100G-LR1模块(也称为400G-4xLR1或400G-DR4 ++)支持4*100G以太网一分四,可与QSFP-100G-LR1互连,同样也可在400G以太网模式下与QDD-400G-DR4互连到500米距离。分支端口可以在两侧光器件支持的最短互通范围内进行互操作,例如4x100G-DR一分四端口与QSFP-100G-FR1或QSFP-100G-LR1 可在500m距离内互通。但是一分四的100G以太网端口与传统使用4x25G NRZ编码的100G光模块不兼容,例如QSFP-100G-LR不能与QSFP-100G-LR4互操作。

QSFP Double D (QSFP-DD)

PAM4技术并不是400G光学时代引入的唯一创新。为了支持光模块和主机系统之间的8x50G电信号接口还需要开发新的机械外形规范. 这种新的机械外形规范称为QSFP-DD,DD表示“双倍密度”,它是由Juniper作为的创始成员的QSFP-DD MSA行业协会开发的。 QSFP-DD与过去的4通道电接口模块例如QSFP +和QSFP28有很大不同。 因为PAM4 DSP与目前用于100G QSFP28的 DSP相比需要增加约三倍的功率,因此QSFP-DD需要提供更大的电力供应和散热管理, 以实现与之相称的更高耗散功率。

除了支持更高的电接口速率和功耗外,QSFP-DD机笼设计还通过巧妙地使用双排触点(其中一排用于支持传统主机接口)来实现与传统40G QSFP 和100G QSFP28光模块的前向兼容, 从而无需再增加适配卡即可支持这些传统模块. QSFP-DD还支持8*25G电接口,我们已经利用这个优势在Juniper 400G平台上支持了双倍密度的传统100G以太网接口。 一个例子是QDD-2x100G-LR4,用于通过一分二与传统QSFP-100G-LR4互连。 有关基于2x100G标准的光学器件的列表,请参见表3。 最后,QSFP-DD外形尺寸具有前瞻性,因为它还可以支持800G以太网光模块所需的8*100G电接口。 我们将在以后分享有关此主题的更多信息。

Table 3: 200G QSFP-DD可插拔光模块

Can’t Miss with CMIS

400G光学技术引入的其他创新还体现在通用管理接口规范(CMIS)中. CMIS 由QSFP-DD MSA行业组织开发,以支持主机与QSFP-DD模块的互操作性。 之所以称为“通用”, 是因为其他8通道规范例如OSFP和板载光模块联盟(COBO)定义的板载光模块也采用了它。 该解决方案还被4通道的QSFP56模块, 一种SFP-DD MSA的 CMIS两通道变体所使用。

CMIS面向客户的一个特别新颖的特性是,它可以宣告其所支持的以太网速率和距离, 是通过宣告其支持表1的哪一行来进行支持. 比如并不是所有模块都支持分支(breakout)接口, 一些供应商仅支持400G以太网。 在这些情况下光模块不会宣告其支持较低的以太网速率分支(breakout)。 正因为单个光模块可支持多种应用(速率和距离), 所以从软件配置的角度来看光模块名称不再重要. 只是用于库存管理和市场宣传. 参见表1在 Scheme B列中还给出了另一套模块名称 (Juniper使用Scheme B中的名字)。

CMIS的一个重要但不太面向客户的属性是,它还定义了模块通告其支持的主机到光模块电气接口的方法。主机选择其所需的电气接口,光模块将自身配置为支持主机选择的接口,从而实现主机到光模块的互操作。对于使用50G PAM4电气通道的电气接口,主机无需繁琐地配置任何参数. QSFP-DD模块会根据针对400G以太网的IEEE 400GAUI-8芯片至模块规范和针对100G以太网的IEEE 100GAUI-2芯片至模块规范,自动设置其他静态SI参数。当然这也可以通过符合IEEE标准的设计来实现。这种方法极大地简化了Juniper系统中光模块的集成和验证,因为不再需要针对每个供应商专门的光模块进行SI参数编程。

CMIS 3.0是适用于产品的规范的第一个出版物。 CMIS 4.0引入了可选功能。 固件升级功能是最面向客户的功能。 QSFP-DD硬件规范5.0为ePPS输入信号提供了专用引脚,以使用CMIS 4.0的延迟报告功能进一步支持PTP应用,从而具有更高的精度。

CMIS 3.0是适用量产产品的的第一个出版规范. CMIS 4.0则引入了可选的其它功能, 其中 固件升级是客户希望的最重要功能。 QSFP-DD硬件规范5.0则为ePPS输入信号提供了专用引脚,以便未来通过CMIS 4.0的网络延迟报告功能进一步支持更高精度的PTP网络时钟应用。

展望未来

第一代400G可插拔光模块已投入生成,Juniper已推出400G系列产品在全球客户实验网中进行验证以及准备投入生产网络。 请与我们客户代表联系,以了解当前可购买的光学器件。 光器件本身就是一个复杂的行业。 Juniper努力钻研克服这些复杂性来保障光学器件的正常工作。

同时包括400G-ZR在内的下一代400G光器件已经开始设计,这将实现80公里的长距传输,可支持包括城域数据中心互连等场景。 对于400G部署以及使之成为可能的光学器件而言,2021年将是令人振奋的一年。