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目前，数据中心已经向25G/100G网络架构演进，国内许多互联网巨头公司早已实现了规模部署。25G/100G光模块出货量越来越大，显示了25G/100G光模块的时代已经到来。建设25G/100G数据中心需要大量100G光模块，在网络建设成本中占比较高，100G光模块标准都有哪些？我们又该如何选择呢？今天万兆通就为大家梳理下数据中心100G光模块标准以及封装形式。
一、定义100G光模块标准的组织
IEEE和MSA（Multi Source Agreement，多源协议）是定义光模块标准的两个关键组织，两者之间互补而又互相借鉴。
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）电子电气工程师协会，802.3是IEEE下面的一个工作组，10G、40G、100G、400G的光模块标准都是由IEEE 802.3工作组提出的。
MSA是一个多供应商规范的非官方形式组织，可以理解为产业内企业联盟行为。MSA除了定义光模块的结构封装（包括外形尺寸，电连接器，引脚分配等），也会定义电接口、光接口，从而形成完整的光模块标准。
光模块产业链在刚开始时非常混乱，各个厂家光模块的结构封装，体积大小，接口类型各不相同。为了解决这个问题，MSA多源协议应运而生，各厂家都遵循MSA提出的标准，统一光模块的结构封装和相关接口。产业链的标准化促进了行业的发展。
二、100G光模块标准
为了满足不同距离的100G互联场景，IEEE 以及MSA定义的100G标准超过十种，但是主流的是下面六种标准。
（图一 100G光模块主流标准）
其中100GBASE开头的标准都是IEEE 802.3提出的。
如上图所示：100GBASE-LR4名称中，LR表示long reach，即10千米。4表示四通道，即4*25G。组合在一起为可以传输10千米的100G光模块。
其中-R的命名规则如下：
（图二 -R名词解释）
为什么MSA要提出PSM4以及CWDM4标准呢？因为对于大型数据中心内部互联场景来说，100GBASE-SR4 传输的距离太短，而100GBASE-LR4成本太高。所以，数据中心需要中距离互联的解决方案，PSM4和CWDM4就有了诞生的理由。
当然100GBASE-LR4的能力完全覆盖了CWDM4，但在2千米传输的场景下， CWDM4方案成本更低，更具竞争力。
下图是100GBASE-LR4以及100G CWDM4的原理图
（图三 100GBASE-LR4原理图）
（图四 100G CWDM4原理图）
三、不同100G光模块的区别
1、LR4和CWDM4光模块的区别
LR4和CWDM4从原理上类似，都是通过光学器件MUX以及DEMUX将4条并行的25G通道波分复用到一条100G光纤链路上。不过两者存在几点区别：
（1）LR4使用的光学MUX/DEMUX器件更贵
CWDM4的波长间隔是20nm ，因为激光器的波长温漂特性大约是0.08nm/°C，0~70°C工作范围内的波长变化大约是5.6nm，通道本身也要留一些隔离带。
通道一：1264.5~1277.5nm
通道二：1284.5~1297.5nm
通道三：1304.5~1317.5nm
通道四：1324.5~1337.5nm
而LR4则定义了4.5nm的LAN-WDM间隔。
通道一：1294.53~1296.59nm
通道二：1299.02~1301.09nm
通道三：1303.54~1305.63nm
通道四：1308.09~1310.19nm
通道间隔越大，对光学MUX/DEMUX器件的要求就越低，可以节省成本。
（2）LR4使用的激光器更贵，功耗更大
CWDM4使用DML（Direct Modulated Laser，直接调制激光器），而LR4使用EML（Electro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器）。
DML是单颗激光器，而EML是两个器件，一颗是DML，另一颗是EAM调制器，合在一起叫做EML。DML的原理是通过调制激光器的注入电流来实现信号调制，由于注入电流的大小会改变激光器有源区折射率，造成波长漂移(啁啾)从而产生色散，做高速信号调制很困难，传的也不够远。10KM对于DML来说有点力不从心，只能上EML。
注：啁啾(Chirp)是指频率随时间而改变(增加或减少)的信号，这种信号听起来类似鸟鸣的啾声。
（3）LR4需要额外增加TEC
因为LR4的相邻通道之间只有4.5nm的间隔，所以激光器需要放到TEC上控温。电路上需要放置TEC Driver芯片，Laser也要集成到TEC材料上来做，这样一来，相比CWDM4，LR4的成本又有所增加。
2、PSM4与CWDM4光模块的区别
100G PSM4规范定义了8芯单模光纤（4个发送和4个接收）的点对点100 Gbps链路。每个通道以25 Gbps的速率发送。每个信号方向使用四个相同波长且独立的通道。因此，两个收发器通常通过8芯光纤MTP / MPO单模跳线进行通信。PSM4的传输距离最大为500米。
（图五 PSM4原理图）
如下图所示，由于使用了波分复用器，所以CWDM4的光模块成本要高于PSM4光模块，不过CWDM4收发双向只需要两根单模光纤，远少于PSM4的8根单模光纤，随着距离的增加，PSM4方案的总成本上升得非常快。在实际应用中需要依据互联距离来决定使用PSM4还是CWDM4。
（图六 CWDM4光模块 vs PSM4光模块）
3、SR10与SR4的区别
100GBASE-SR10标准最早被提出应用于100G的短距互联。它使用10 x 10Gbps并行通道实现100Gbps点对点传输，电信号的速率是10G，光信号速率也是10G，采用NRZ的调制方式及64B/66B的编码方式。因为IEEE 802.3早在2010年提出100GBASE-SR10标准，当时交换机ASIC芯片（Application Specific Integrated Circuit）电接口最高只能支持10G，即CAUI-10（10通道 x 10Gbps）。
（图七 100GBASE-SR10 原理图）
后来交换机ASIC芯片电接口速率从10Gpbs提升到25G bps，100GBASE-SR4取代100GBASE-SR10已成定局。100GBASE-SR4相比于100GBASE-SR10：成本更低、体积更小、功耗更低。
（图八 100GBASE-SR4 原理图）
四、100G光模块的封装形式
100G光模块的封装格式主要有CFP、CFP2、CFP4以及QSFP28。目前QSFP28是数据中心内部100G光模块的主流封装形式。
CFP最早被提出，短距传输应用100GBASE-SR10标准，长距传输应用100GBASE-LR4。第一代CFP长距传输方案如下，因为电接口能力只有CAUI-10，所以需要内置Gearbox（下图的10:4 Serializer）来实现10 x 10Gbps与4 x 25Gbps电信号的转换。后来随着电信号提升到CAUI-4，第二代CFP（CFP2/CFP4）长距传输方案中不需要内置Gearbox。
（图九 第一代CFP光模块长距解决方案）
但是，CFP尺寸实在太大了，随着光模块的集成度越来越高，后来的发展方向是把尺寸做小、功耗做低，CFP得以演进到CFP2、CFP4，再到后来出现的QSFP28。相比CFP4，QSFP28的尺寸更小、功耗更低，QSFP28更小的尺寸使得交换机拥有更高的端口密度（典型的形态是每块板卡可以部署36个100G接口）。
（图十 CFP/CFP2/CFP4/QSFP28光模块尺寸对比）
关于25G/100G数据中心内部互联如何选择光模块？建议大家参考如下标准:
不超过100米的100G短距互联场景（TOR-LEAF），使用100GBASE-SR4 QSFP28光模块；
100米到500米的100G中距互联场景（LEAF-SPINE），使用100G PSM4 QSFP28光模块；
500米到2千米的100G中长距互联场景（LEAF-SPINE、SPINE-CORE），使用100G CWDM4 QSFP28光模块；
超过2千米的长距互联场景（CORE-MAN），使用100GBASE-LR4 QSFP28光模块。
PS：最后附上专业术语解释
文章源自网络，仅供交流参考