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介绍X2,Xenpak,XFP 优缺点及最佳应用
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2012-11-14    

文章从应用的角度探讨了10G以太网(10GE)光接口的特性,着重介绍了4种不同的10 Gb/s速率的光模块:Xenpak、Xpak、X2、XFP;在对比4种光模块优缺点的基础上,给出了几种光模块各自的最佳应用场合。

2002年6月,IEEE通过了10 Gb/s速率的以太网标准——IEEE 802.3ae[1]。至此为止,以太网的发展已经历了4个阶段,即以太网、快速以太网、千兆以太网和10G以太网(10GE)阶段。10G以太网作为传统以太网技术的一次较大的升级,在原有的千兆以太网的基础上将传输速率提高了10倍,传输距离也大大增加,摆脱了传统以太网只能应用于局域网范围的限制,使以太网延伸到了城域网和广域网。10G以太网的优点在于保留了IEEE 802.3以太网媒体访问控制(MAC)协议,保持以太网的帧格式不变。10G以太网主要有以下特点:只工作在全双工模式;增加了广域网接口子层(WIS),可实现与SDH的无缝连接。10G以太网技术适用于各种网络结构,可以降低网络的复杂性,能够简单、经济地构建各种速率的网络,满足骨干网大容量传输的需求,解决了城域传输的“瓶颈”问题。由于局域网、城域网、广域网采用同一种核心技术,避免了协议转换,实现了无缝连接,因此10G以太网是实现未来端到端光以太网的基础。

1 10G以太网光接口

10G以太网标准中关于物理接口有3种类型:

(1)IEEE 802.3ae,定义了在光纤上传输10G以太网的标准,传输距离从300 m到40 km。

(2)IEEE 802.3ak,定义了在对称铜缆上运行10G以太网的标准,传输距离小于15 m,适用于数据中心内部服务器之间的连接应用。

(3)IEEE 802.3an,定义了基于双绞线作为媒质的10G以太网标准,希望传输距离至少达到100 m,目前该标准正在制订中。

3种类型中,基于IEEE 802.3ae标准定义的10G以太网光接口,可以根据光纤类型、传输距离等进一步细分为7种类型,如表1所示。


 

在表1所示接口类型中,10GBASE-LX4使用了粗波分复用(CWDM)技术,把12.5 Gb/s的数据流分成4路3.125 Gb/s的数据流在光纤中传播,由于采用了8B/10B编码,因此有效数据流量是10 Gb/s。这种接口类型的优点是应用场合比较灵活,既可以使用多模光纤,应用于传输距离短对价格敏感的场合,也可以使用单模光纤,支持较长传输距离的应用。

10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理编码子层(PCS)使用了效率较高的64B/66B编码,在线路上传输的速率是10.3 Gb/s。

10GBASE-SR使用850 nm的激光器,在多模光纤上的传输距离是300 m;10GBASE-LR和10GBASE-ER分别使用1 310 nm和1 550 nm的激光器,在单模光纤上的传输距离分别是10 km和40 km,适用于城域范围内的传输,是目前的主流应用。

10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是应用于广域网的接口类型,其传输速率和OC-192 SDH相同,物理层使用了64B/66B的编码,通过WIS把以太网帧封装到SDH的帧结构中去,并做了速率匹配,以便实现和SDH的无缝连接。

2 10G光模块

由于光收发模块集成化程度越来越高,因此10G以太网光接口的功能完全可以由一个光模块来实现。10G光模块主要包括光/电转换、时钟提取和同步、复用/解复用、64B/66B编解码、WIS、8B/10B编解码等子功能模块。

据Gigac近段时间出货量显示,10G光模块将是未来几年最具市场潜力的光器件。现在应用比较广泛的10G光模块有以下几种:300pin、Xenpak、Xpak、X2和XFP。其中300pin属于第一代模块,主要应用于SDH,把电接口改成10G以太网16位接口(XSBI)后也可应用于10G以太网;Xenpak是针对10G 以太网推出的第一代光模块,采用IEEE 802.3ae标准中的10G附加单元接口(XAUI)作为数据通路;Xpak和X2是Xenpak光模块的直接改进版,体积缩小了40%左右;XFP是一种外形紧凑、价格低廉的光模块,有点类似于千兆以太网的小型化可拔插光模块(SFP)。由于300pin光模块在10G以太网中应用较少,因此下面重点介绍Xenpak、Xpak、X2和XFP这4种光模块。

2.1 Xenpak光模块

Xenpak光模块的功能框图如图1所示,分别对应IEEE 802.3ae标准中的10G媒体无关接口扩展子层(XGXS)、PCS、物理媒体附加子层(PMA)和物理媒体相关子层(PMD)的功能。

Xenpak光模块通过70pin的SFP连接器与电路板连接,其数据通道是XAUI接口;Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定义的光接口,在线路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。

Xenpak光模块封装在一个4.8×1.4×0.7立方英寸的空间内,内置1 310 nm的半导体分布反馈(DFB)激光器,采用直接调制方式,无内嵌温度控制装置。Xenpak在G.652的单模光纤上传输距离可以达到10 km,适合于城域范围的应用,是目前10G以太网端口的主流产品。除光电部分外,复用/解复用模块(MUX/DEMUX)是Xenpak内部的另一个重要的功能部件,Xenpak 50%以上的功耗是由复用/解复用模块消耗的,因此Xenpak光模块体积较大,功耗也较大。


 

Xenpak光模块的应用比较简单,只用一个光模块即可实现10G以太网光接口的功能。其电路设计的难点在于高速数据接口XAUI的设计,XAUI接口包括8对速率为3.125 Gb/s,串行,内含时钟的差分线。XAUI接口的性能直接影响到系统的转发性能。

2.2 Xpak和X2光模块

Xpak和X2光模块都是从Xenpak标准演进而来的,其内部功能模块与Xenpak基本相同,在电路板上的应用也相同,都是使用一个模块即可实现10G以太网光接口的功能。由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上开槽,实现较复杂,无法实现高密度应用。而Xpak和X2光模块经过改进后体积只有Xenpak的一半左右,可以直接放到电路板上,因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用。


 

Xpak和X2光模块可以提供两种电路接口:XAUI和串行成帧器接口(SFI-4),即可以用于10G以太网,也可用于OC-192 SDH和10GFC。可以说Xpak和X2是非常相近的标准,X2相比Xpak的改动主要反映在导轨系统上,业界人士普遍认为两种规格会最终融合到一起。

2.3 XFP光模块

与Xenpak阵营分庭抗礼的领衔厂商是美国Finisar公司,它联合了大约10个公司,包括系统集成商Brocade、Emulex、ONCiena,光模块提供商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多源协议组织(MSA)。与其他几种光模块相比,XFP是外形最紧凑成本是最低廉的光模块,因此具有很大的优势。XFP已被认为是继Xpak或X2后的新一代产品,目前已经有很多厂商都发布了自己的XFP光模块产品。


 

XFP的功能框图如图2所示,与其他几种光模块相比,XFP是光收发器(Transceiver)不是光收发模块(Transponder)。光收发器实际上只是一个光电转换器件,只负责完成光/电信号的转换,其他功能如复用/解复用、64B/66B编解码等由电路板上的芯片实现。XFP光模块可轻松实现高端口密度的应用,由于XFP占用印刷电路板(PCB)的面积只有Xenpak的20%,功耗只有1.5~2 W,因此可用于实现最多16端口的线卡。

XFP与电路板的接口采用10G串行电路接口(XFI)。现在已经有厂家提供XSBI-to-XFI和XAUI-to-XFI的芯片,XGMII-to-XFI的芯片也有厂家在开发中。图3所示是分别使用Xenpak和XFP实现10G以太网接口的对比,从图中可以看出,与Xenpak相比,XFP虽然要和物理层(PHY)芯片配合使用,但仍然节省了中间的XGXS和XAUI接口部分(图3中深色阴影部分),使得费用降低。



 

因为XFP只是一个光收发器,所以与协议实现无关,可以普遍适用于10G以太网、10GFC和OC-192 SDH,应用的普遍性有利于设备制造商提高采购量,从而达到降低成本的目的。此外,XFP提供一个两线的串行接口,可以实现数据诊断功能,实时地监控光模块的各种参数,如温度、激光器偏置电流、发送光功率、接收光功率、工作电压等。

3 4种光模块优缺点对比

光模块可按其内部结构和功能分成两类:Xenpak、Xpak和X2是光收发模块类,XFP是光收发器类。这两类光模块体现了两种不同的设计思路,两者各有优缺点:光收发模块的优点是集成度高,电路设计实现简单,电路设计工程师可以将主要精力放在系统设计上,不必为器件在电路上的实现花费太多的精力;缺点是功耗大、体积大,限制了在PCB板上安装光模块的数目,不能满足现在数据产品对端口密度的要求。光收发器的优点是体积小、价格便宜,易于实现高端口密度的应用;缺点是对电路设计要求较高,要在普通电路板上实现10 Gb/s速率、12英寸传输距离的XFI接口。此外,Gigac的XFP光模块能够同时支持低价位短距离和高性能超长距离的应用(从300 m到120 km)。

目前来看,由于Xenpak光模块推向市场最早,技术成熟度较高,提供XAUI接口的芯片也较多,因此应用比较广泛。而Xpak、X2虽然在体积上仅有Xenpak的一半,但成本也比Xenpak光模块高,只能作为一种过渡性的产品出现。由于XFP光模块的出现和技术的飞速发展,很多厂商都已放弃Xpak、X2光模块的开发,直接转向XFP光模块。从目前各光模块厂商的出货情况来看,Xenpak的出货量仍然很大,Xpak、X2应用较少,而XFP的增长则非常迅速。





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