X2,Xenpak,XFP模塊.doc

X2,Xenpak,XFP的優(yōu)缺點(diǎn)及最佳應(yīng)用2010-09-25 16:58摘要：文章從應(yīng)用的角度探討了10G以太網(wǎng)(10GE)光接口的特性，著重介紹了4種不同的10 Gb/s速率的光模塊：Xenpak、Xpak、X2、XFP；在對比4種光模塊優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了幾種光模塊各自的最佳應(yīng)用場合。2002年6月，IEEE通過了10 Gb/s速率的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ae1。至此為止，以太網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)歷了4個階段，即以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)和10G以太網(wǎng)(10GE)階段。10G以太網(wǎng)作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的一次較大的升級，在原有的千兆以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上將傳輸速率提高了10倍，傳輸距離也大大增加，擺脫了傳統(tǒng)以太網(wǎng)只能應(yīng)用于局域網(wǎng)范圍的限制，使以太網(wǎng)延伸到了城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。10G以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于保留了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制(MAC)協(xié)議，保持以太網(wǎng)的幀格式不變。10G以太網(wǎng)主要有以下特點(diǎn)：只工作在全雙工模式；增加了廣域網(wǎng)接口子層(WIS)，可實(shí)現(xiàn)與SDH的無縫連接。10G以太網(wǎng)技術(shù)適用于各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，能夠簡單、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建各種速率的網(wǎng)絡(luò)，滿足骨干網(wǎng)大容量傳輸?shù)男枨?，解決了城域傳輸?shù)摹捌款i”問題。由于局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)采用同一種核心技術(shù)，避免了協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了無縫連接，因此10G以太網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)未來端到端光以太網(wǎng)的基礎(chǔ)。 1 10G以太網(wǎng)光接口 10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于物理接口有3種類型： (1)IEEE 802.3ae，定義了在光纖上傳輸10G以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離從300 m到40 km。 (2)IEEE 802.3ak，定義了在對稱銅纜上運(yùn)行10G以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離小于15 m，適用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器之間的連接應(yīng)用。 (3)IEEE 802.3an，定義了基于雙絞線作為媒質(zhì)的10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，希望傳輸距離至少達(dá)到100 m，目前該標(biāo)準(zhǔn)正在制訂中。 3種類型中，基于IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)定義的10G以太網(wǎng)光接口，可以根據(jù)光纖類型、傳輸距離等進(jìn)一步細(xì)分為7種類型，如表1所示。 在表1所示接口類型中，10GBASE-LX4使用了粗波分復(fù)用(CWDM)技術(shù)，把12.5 Gb/s的數(shù)據(jù)流分成4路3.125 Gb/s的數(shù)據(jù)流在光纖中傳播，由于采用了8B/10B編碼，因此有效數(shù)據(jù)流量是10 Gb/s。這種接口類型的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用場合比較靈活，既可以使用多模光纖，應(yīng)用于傳輸距離短對價格敏感的場合，也可以使用單模光纖，支持較長傳輸距離的應(yīng)用。 10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理編碼子層(PCS)使用了效率較高的64B/66B編碼，在線路上傳輸?shù)乃俾适?0.3 Gb/s。 10GBASE-SR使用850 nm的激光器，在多模光纖上的傳輸距離是300 m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分別使用1 310 nm和1 550 nm的激光器，在單模光纖上的傳輸距離分別是10 km和40 km，適用于城域范圍內(nèi)的傳輸，是目前的主流應(yīng)用。 10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是應(yīng)用于廣域網(wǎng)的接口類型，其傳輸速率和OC-192 SDH相同，物理層使用了64B/66B的編碼，通過WIS把以太網(wǎng)幀封裝到SDH的幀結(jié)構(gòu)中去，并做了速率匹配，以便實(shí)現(xiàn)和SDH的無縫連接。 2 10G光模塊 由于光收發(fā)模塊集成化程度越來越高，因此10G以太網(wǎng)光接口的功能完全可以由一個光模塊來實(shí)現(xiàn)。10G光模塊主要包括光/電轉(zhuǎn)換、時鐘提取和同步、復(fù)用/解復(fù)用、64B/66B編解碼、WIS、8B/10B編解碼等子功能模塊。 據(jù)Gigac近段時間出貨量顯示，10G光模塊將是未來幾年最具市場潛力的光器件?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的10G光模塊有以下幾種：300pin、Xenpak、Xpak、X2和XFP。其中300pin屬于第一代模塊，主要應(yīng)用于SDH，把電接口改成10G以太網(wǎng)16位接口(XSBI)后也可應(yīng)用于10G以太網(wǎng)；Xenpak是針對10G 以太網(wǎng)推出的第一代光模塊，采用IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)中的10G附加單元接口(XAUI)作為數(shù)據(jù)通路；Xpak和X2是Xenpak光模塊的直接改進(jìn)版，體積縮小了40%左右；XFP是一種外形緊湊、價格低廉的光模塊，有點(diǎn)類似于千兆以太網(wǎng)的小型化可拔插光模塊(SFP)。由于300pin光模塊在10G以太網(wǎng)中應(yīng)用較少，因此下面重點(diǎn)介紹Xenpak、Xpak、X2和XFP這4種光模塊。2.1 Xenpak光模塊 Xenpak光模塊的功能框圖如圖1所示，分別對應(yīng)IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)中的10G媒體無關(guān)接口擴(kuò)展子層(XGXS)、PCS、物理媒體附加子層(PMA)和物理媒體相關(guān)子層(PMD)的功能。 Xenpak光模塊通過70pin的SFP連接器與電路板連接，其數(shù)據(jù)通道是XAUI接口；Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定義的光接口，在線路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或43.125 Gb/s的速率。 Xenpak光模塊封裝在一個4.81.40.7立方英寸的空間內(nèi)，內(nèi)置1 310 nm的半導(dǎo)體分布反饋(DFB)激光器，采用直接調(diào)制方式，無內(nèi)嵌溫度控制裝置。Xenpak在G.652的單模光纖上傳輸距離可以達(dá)到10 km，適合于城域范圍的應(yīng)用，是目前10G以太網(wǎng)端口的主流產(chǎn)品。除光電部分外，復(fù)用/解復(fù)用模塊(MUX/DEMUX)是Xenpak內(nèi)部的另一個重要的功能部件，Xenpak 50%以上的功耗是由復(fù)用/解復(fù)用模塊消耗的，因此Xenpak光模塊體積較大，功耗也較大。 Xenpak光模塊的應(yīng)用比較簡單，只用一個光模塊即可實(shí)現(xiàn)10G以太網(wǎng)光接口的功能。其電路設(shè)計的難點(diǎn)在于高速數(shù)據(jù)接口XAUI的設(shè)計，XAUI接口包括8對速率為3.125 Gb/s，串行，內(nèi)含時鐘的差分線。XAUI接口的性能直接影響到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能。 2.2 Xpak和X2光模塊 Xpak和X2光模塊都是從Xenpak標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而來的，其內(nèi)部功能模塊與Xenpak基本相同，在電路板上的應(yīng)用也相同，都是使用一個模塊即可實(shí)現(xiàn)10G以太網(wǎng)光接口的功能。由于Xenpak光模塊安裝到電路板上時需要在電路板上開槽，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)高密度應(yīng)用。而Xpak和X2光模塊經(jīng)過改進(jìn)后體積只有Xenpak的一半左右，可以直接放到電路板上，因此適用于高密度的機(jī)架系統(tǒng)和PCI網(wǎng)卡應(yīng)用。 Xpak和X2光模塊可以提供兩種電路接口：XAUI和串行成幀器接口(SFI-4)，即可以用于10G以太網(wǎng)，也可用于OC-192 SDH和10GFC?？梢哉fXpak和X2是非常相近的標(biāo)準(zhǔn)，X2相比Xpak的改動主要反映在導(dǎo)軌系統(tǒng)上，業(yè)界人士普遍認(rèn)為兩種規(guī)格會最終融合到一起。 2.3 XFP光模塊 與Xenpak陣營分庭抗禮的領(lǐng)銜廠商是美國Finisar公司，它聯(lián)合了大約10個公司，包括系統(tǒng)集成商Brocade、Emulex、ONCiena，光模塊提供商Finisar、JDSU、Sumitomo Electric、Tyco Electronics和芯片制造商Broadcom、Maxim、Velio等，在2002年3月成立了XFP多源協(xié)議組織(MSA)。與其他幾種光模塊相比，XFP是外形最緊湊成本是最低廉的光模塊，因此具有很大的優(yōu)勢。XFP已被認(rèn)為是繼Xpak或X2后的新一代產(chǎn)品，目前已經(jīng)有很多廠商都發(fā)布了自己的XFP光模塊產(chǎn)品。 XFP的功能框圖如圖2所示，與其他幾種光模塊相比，XFP是光收發(fā)器(Transceiver)不是光收發(fā)模塊(Transponder)。光收發(fā)器實(shí)際上只是一個光電轉(zhuǎn)換器件，只負(fù)責(zé)完成光/電信號的轉(zhuǎn)換，其他功能如復(fù)用/解復(fù)用、64B/66B編解碼等由電路板上的芯片實(shí)現(xiàn)。XFP光模塊可輕松實(shí)現(xiàn)高端口密度的應(yīng)用，由于XFP占用印刷電路板(PCB)的面積只有Xenpak的20%，功耗只有1.52 W，因此可用于實(shí)現(xiàn)最多16端口的線卡。 XFP與電路板的接口采用10G串行電路接口(XFI)?，F(xiàn)在已經(jīng)有廠家提供XSBI-to-XFI和XAUI-to-XFI的芯片，XGMII-to-XFI的芯片也有廠家在開發(fā)中。圖3所示是分別使用Xenpak和XFP實(shí)現(xiàn)10G以太網(wǎng)接口的對比，從圖中可以看出，與Xenpak相比，XFP雖然要和物理層(PHY)芯片配合使用，但仍然節(jié)省了中間的XGXS和XAUI接口部分(圖3中深色陰影部分)，使得費(fèi)用降低。 因?yàn)閄FP只是一個光收發(fā)器，所以與協(xié)議實(shí)現(xiàn)無關(guān)，可以普遍適用于10G以太網(wǎng)、10GFC和OC-192 SDH，應(yīng)用的普遍性有利于設(shè)備制造商提高采購量，從而達(dá)到降低成本的目的。此外，XFP提供一個兩線的串行接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)診斷功能，實(shí)時地監(jiān)控光模塊的各種參數(shù)，如溫度、激光器偏置電流、發(fā)送光功率、接收光功率、工作電壓等。 3 4種光模塊優(yōu)缺點(diǎn)對比 光模塊可按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能分成兩類：Xenpak、Xpak和X2是光收發(fā)模塊類，XFP是光收發(fā)器類。這兩類光模塊體現(xiàn)了兩種不同的設(shè)計思路，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)：光收發(fā)模塊的優(yōu)點(diǎn)是集成度高，電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)簡單，電路設(shè)計工程師可以將主要精力放在系統(tǒng)設(shè)計上，不必為器件在電路上的實(shí)現(xiàn)花費(fèi)太多的精力；缺點(diǎn)是功耗大、體積大，限制了在PCB板上安裝光模塊的數(shù)目，不能滿足現(xiàn)在數(shù)據(jù)產(chǎn)品對端口密度的要求。光收發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、價格便宜，易于實(shí)現(xiàn)高端口密度的應(yīng)用；缺點(diǎn)是對電路設(shè)計要求較高，要在普通電路板上實(shí)現(xiàn)10 Gb/s速率、12英寸傳輸距離的XFI接口。此外，Gigac的XFP光模塊能夠同時支持低價位短距離和高性能超長距離的應(yīng)用(從300 m到120 km)。 目前來看，由于Xenpa