网络设备硬核技术内幕 交换机篇 9 SuperStar

上回提到，令狐冲和岳灵珊过上了甜蜜的小日子，二人世界无需多言。

而在海峡对岸，三个美丽的姑娘还在到处寻觅自己的另一半，希望找到自己的Superstar。

“你是电，你是光，你是唯一的办法，只能爱你，You are my super star”

其实，这首歌唱的是今天的主角——光模块。

不知大家有没有注意到，五岳剑派初创以太网之时，以太网的传输介质是同轴电缆。到了Hub时代开始使用双绞线。双绞线发展到超五类时，能够传输千兆以太网，但距离受到100M的严格限制。在万兆时代，需要成本更高的超六类线，这时候，光纤的优越性就体现出来了。多模光纤(Multi-mode)可以把850nm的红外线信号传输500米，而单模光纤(Single-mode)可以把1310和1550nm的红外线激光信号传输几十公里甚至几百公里。

但是，光纤是无法直接插在交换机ASIC芯片上的。因此，工程师们发明了光模块，把ASIC上的以太网接口——Serdes信号，通过光电收发器的形式进行拉远。对于多模和单模，发光器件分别为LED和激光器。

对于千兆以太网，可以将交换机的SGMII接口(Serial Gigabit Media Independent Interface)连接到发光器件(TOSA)和接收器件(ROSA)，如下图所示：

由于千兆以太网使用8b/10b编码，实际上光电信号的速率均为1.25Gbps。所以，有时候千兆光模块也被称为1.25G光模块。

到了万兆时代，则发生了变化。

最早的万兆以太网，由于交换机ASIC内部串行信号速率的限制，是由4路2.5G信号拼成的。这种接口被成为XAUI。XAUI是四收四发的接口，因此，为了在一对光纤上收发4路光电信号，光模块内置了一个复用/解复用芯片，又成为gearbox phy芯片。这种光模块叫做XENPAK封装，大小和火柴盒相当，成本与密度可想而知。

随着技术的发展，串行总线XFI代替了XAUI，从而也出现了单收单发，在一对Serdes和一对光纤上跑出10G速率的XFP和SFP+光模块，大大节约了成本，提高了端口密度。同时，为了节约体积，XFP和SFP+光模块把原本内置的retimer（时钟恢复）和EDC(电子色散补偿)功能去掉了，由交换机本身的phy芯片提供这两个功能。

SFP+光模块与SFP光模块的物理形态大致相同，SFP+光接口可以向下兼容SFP光模块。

2010年，40G和100G以太网正式成为标准。由于短时间内还没有在一堆光纤上跑到40G和100G的技术，工程师们用4对10G和10对10G拼出了40G和100G光模块。

4对10G拼出的40G光模块叫做QSFP+，如下图：

由于这种光模块有4收4发，因此需要使用4对光纤互联。

在100G的场合则需要10收10发：

如图，CFP2的光模块需要将10对serdes信号通过phy复用到1对光纤上，成本十分高昂。

有没有办法用一对光纤跑到40G呢？

对于单模40G光模块，人们想出来了，采用波分复用的办法，让4对10G线路使用不同波长传输，如下图所示：

这样，无需在光模块中集成gearbox芯片，只需要用无源合波/分波器件，就可以在一对多模光纤上利用1271/1291/1311/1331四个波长跑出40G。

多模的场景下，Avago也发明了QSFP+ BIDI技术，它是这样做的：

如图，40G的以太网接口中，每2路10G通过gearbox，合成一路20G。两路20G分别通过850nm和900nm的LED发送。两条光纤均为双向不同波长收发(BIDI)。这样就可以在一对光纤上跑出40G速率了。

在2015年，单对Serdes跑出25G的技术终于姗姗来迟，通过在一对光纤上跑出28G物理速率，人们将SFP光模块的速率提升到了25G，称为SFP28。同时，QSFP+也演进到了QSFP28，可以跑到100G 速率。

2018年，400G以太网正式成为标准，2019年在国内开始商用。它使用的光模块标准叫做QSFP-DD(Double Density)，是由8对56G Serdes(解编码后为50G)拼成的：

由于56GHz的Serdes频率太高，信号完整性很难达到要求，工程师们利用PAM4技术实现了在28GHz的频率上，每个时钟周期传送2bit，从而达到56Gbps的速率。

光模块的历史，是Serdes的演进历史，也折射出交换机的演进。

这期内容在CFP2光模块的描述中隐藏了一个错误，大家能找到吗？

上期错误答案：令狐冲藏在思过崖的采集器与岳灵珊不在同一个网段，需要配置ERSPAN(封装远程端口镜像)，才能将镜像流量穿越三层IP网络，发送到其他网段。