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        光器件發展推動400G時代

        January 19, 2021

        400G時代正在順利進行,而Juniper正在引領這一潮流。全球客戶已開始部署支持400G以太網的交換機和路由器平臺。Juniper正在進行的部分工作包括向客戶交付滿足性能和互操作標準的400G光模塊器件。這些標準是整個網絡行業共同開發的, Juniper正在其中發揮重要作用。與Juniper在光器件解決方案上合作可提供預集成來確保高質量的交付,從而幫助客戶節省時間并簡化部署和測試過程??刹灏喂鈱W器件是一個復雜的技術領域 – Juniper的目標是盡可能消除這種復雜性。

        光學世界的新生事物

        Juniper 工程團隊已經開發了一整套400G可插拔光學器件, 可為客戶提供廣泛的業務場景連接, 包括距離500m和2km的數據中心單模光纖互連。 Juniper當前的400G光學器件基于PAM4調制技術,該技術已在IEEE 802.3中進行了標準化,同時也支持100G Lambda MSA工作組提供的其它補充光學規范。 400G是光學行業發展路線圖中的一個重大轉變,前幾代的100G,40G,10G和其它低速率光學器件都完全基于NRZ on-off鍵控編碼 (調制). 向PAM4的過渡不僅需要設計新的激光調制器,數字信號編解碼處理器(DSP)和光收發器件,還需要一套全新的性能參數,測試方法和新的實驗設備用于測試和測量。

        Juniper與光學器件供應商緊密合作,為開發量產400G光學器件的技術和產品提供路線規劃, 功能規格, 性能要求和早期原型評估指導. 我們現在可以看到這些工作的成果: 來自IEEE 400G標準 802.3bs-2017,下表1列出了目前在各個成熟階段所知道的基于標準的 400G光學器件。

        表1 400G QSFP-DD可插拔光模塊

        一些400G可插拔光模塊支持多速率. 在支持400G以太網的同時也支持一分四成為4個100G以太網。某些情況下通用光模塊甚至可以支持一分二成為2個200G以太網。 這些低速分端口是完全獨立的,在單獨的時域上運行。 這要求基于PAM4技術的新一代單波100G光學器件。 這些單波光學器件已大大降低了100G互連的成本,因為與使用4x25G NRZ架構的傳統100G光學器件相比, 激光器和調制器的數量減少了4倍. 這些PAM4光學器件QSFP-100G-DR / FR1 / LR1已經開發完成, 準備進行合規測試。

        IEEE P802.3db工作組正在開發通過多模光纖進行短距離連接的100GBASE-SR1標準。 下表2總結了用于100G以太網的100G光模塊。 這些模塊中部署的DSP芯片通過模塊到主機接口實現了單波長100Gbps PAM4光信號調制到4x25G NRZ電信號調制之間的轉換.

        表2 100G QSFP-DD可插拔光模塊

        前面表1中列出的QDD-400G-FR4,-LR4-6,-LR4-10和-LR8光學器件僅支持400G以太網,這些光模塊將4個100G波長(FR4,LR4)或8個50G波長(LR8)波分復用/解復用到全雙工的單模光纖上。而QDD-400G-DR4通過MPO-12連接器和8芯單模光纖(4 發加4 收) 提供400G,也可以通過MPO-12連接器和1分4跳線連接4 x 100GBASE-DR光模塊, 對端連接100G QSFP-100G-DR光模塊。QDD-4x100G-FR1模塊也稱為400G-4xFR1或400G-DR4 +,支持4*100G以太網一分四,可與QSFP-100G-FR1互連,也可在400G以太網模式下與QDD-400G-DR4互連到500米距離。同樣的QDD-4x100G-LR1模塊(也稱為400G-4xLR1或400G-DR4 ++)支持4*100G以太網一分四,可與QSFP-100G-LR1互連,同樣也可在400G以太網模式下與QDD-400G-DR4互連到500米距離。分支端口可以在兩側光器件支持的最短互通范圍內進行互操作,例如4x100G-DR一分四端口與QSFP-100G-FR1或QSFP-100G-LR1 可在500m距離內互通。但是一分四的100G以太網端口與傳統使用4x25G NRZ編碼的100G光模塊不兼容,例如QSFP-100G-LR不能與QSFP-100G-LR4互操作。

        QSFP Double D (QSFP-DD)

        PAM4技術并不是400G光學時代引入的唯一創新。為了支持光模塊和主機系統之間的8x50G電信號接口還需要開發新的機械外形規范. 這種新的機械外形規范稱為QSFP-DD,DD表示“雙倍密度”,它是由Juniper作為的創始成員的QSFP-DD MSA行業協會開發的。 QSFP-DD與過去的4通道電接口模塊例如QSFP +和QSFP28有很大不同。 因為PAM4 DSP與目前用于100G QSFP28的 DSP相比需要增加約三倍的功率,因此QSFP-DD需要提供更大的電力供應和散熱管理, 以實現與之相稱的更高耗散功率。

        除了支持更高的電接口速率和功耗外,QSFP-DD機籠設計還通過巧妙地使用雙排觸點(其中一排用于支持傳統主機接口)來實現與傳統40G QSFP 和100G QSFP28光模塊的前向兼容, 從而無需再增加適配卡即可支持這些傳統模塊. QSFP-DD還支持8*25G電接口,我們已經利用這個優勢在Juniper 400G平臺上支持了雙倍密度的傳統100G以太網接口。 一個例子是QDD-2x100G-LR4,用于通過一分二與傳統QSFP-100G-LR4互連。 有關基于2x100G標準的光學器件的列表,請參見表3。 最后,QSFP-DD外形尺寸具有前瞻性,因為它還可以支持800G以太網光模塊所需的8*100G電接口。 我們將在以后分享有關此主題的更多信息。

        Table 3: 200G QSFP-DD可插拔光模塊

        Can’t Miss with CMIS

        400G光學技術引入的其他創新還體現在通用管理接口規范(CMIS)中. CMIS 由QSFP-DD MSA行業組織開發,以支持主機與QSFP-DD模塊的互操作性。 之所以稱為“通用”, 是因為其他8通道規范例如OSFP和板載光模塊聯盟(COBO)定義的板載光模塊也采用了它。 該解決方案還被4通道的QSFP56模塊, 一種SFP-DD MSA的 CMIS兩通道變體所使用。

        CMIS面向客戶的一個特別新穎的特性是,它可以宣告其所支持的以太網速率和距離, 是通過宣告其支持表1的哪一行來進行支持. 比如并不是所有模塊都支持分支(breakout)接口, 一些供應商僅支持400G以太網。 在這些情況下光模塊不會宣告其支持較低的以太網速率分支(breakout)。 正因為單個光模塊可支持多種應用(速率和距離), 所以從軟件配置的角度來看光模塊名稱不再重要. 只是用于庫存管理和市場宣傳. 參見表1在 Scheme B列中還給出了另一套模塊名稱 (Juniper使用Scheme B中的名字)。

        CMIS的一個重要但不太面向客戶的屬性是,它還定義了模塊通告其支持的主機到光模塊電氣接口的方法。主機選擇其所需的電氣接口,光模塊將自身配置為支持主機選擇的接口,從而實現主機到光模塊的互操作。對于使用50G PAM4電氣通道的電氣接口,主機無需繁瑣地配置任何參數. QSFP-DD模塊會根據針對400G以太網的IEEE 400GAUI-8芯片至模塊規范和針對100G以太網的IEEE 100GAUI-2芯片至模塊規范,自動設置其他靜態SI參數。當然這也可以通過符合IEEE標準的設計來實現。這種方法極大地簡化了Juniper系統中光模塊的集成和驗證,因為不再需要針對每個供應商專門的光模塊進行SI參數編程。

        CMIS 3.0是適用于產品的規范的第一個出版物。 CMIS 4.0引入了可選功能。 固件升級功能是最面向客戶的功能。 QSFP-DD硬件規范5.0為ePPS輸入信號提供了專用引腳,以使用CMIS 4.0的延遲報告功能進一步支持PTP應用,從而具有更高的精度。

        CMIS 3.0是適用量產產品的的第一個出版規范. CMIS 4.0則引入了可選的其它功能, 其中 固件升級是客戶希望的最重要功能。 QSFP-DD硬件規范5.0則為ePPS輸入信號提供了專用引腳,以便未來通過CMIS 4.0的網絡延遲報告功能進一步支持更高精度的PTP網絡時鐘應用。

        展望未來

        第一代400G可插拔光模塊已投入生成,Juniper已推出400G系列產品在全球客戶實驗網中進行驗證以及準備投入生產網絡。 請與我們客戶代表聯系,以了解當前可購買的光學器件。 光器件本身就是一個復雜的行業。 Juniper努力鉆研克服這些復雜性來保障光學器件的正常工作。

        同時包括400G-ZR在內的下一代400G光器件已經開始設計,這將實現80公里的長距傳輸,可支持包括城域數據中心互連等場景。 對于400G部署以及使之成為可能的光學器件而言,2021年將是令人振奮的一年。

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