1、X2,Xenpak,XFP 的优缺点及最佳应用 2010-09-25 16:58 摘要：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 802.3ae1。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
2、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 10
3、G 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
4、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
5、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
6、。 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
7、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)、
8、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 43.125 Gb/s 的速率。 Xenpak 光模块封装在一个 4.81.40.7 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 1
9、0G 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
10、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
11、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 X
12、pak 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 1.52 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
13、(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
14、 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
15、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。
