深入解析400G光纤收发器及其应用

鉴于网络行业的不断发展及其应用范围的不断扩大，对更高带宽和数据速率的需求导致了新型光收发器的发明。400G以太网收发器就是一个很好的例子，它是提高数据中心、企业网络和电信系统中网络容量的重要设备。本指南将详细介绍400G光模块的结构、功能和在各个行业的应用领域。本文阐述了这些器件的设计和功能，并提供了高速数据传输、互操作性、低成本和低功耗等先进特性。

什么是400G以太网收发器？
400G光模块技术概述
400G以太网收发器可以定义为数据传输单元的化身，其运行速度为400千兆位/秒(Gbps)。它使用不同的物理层接口技术，例如针对各种距离和应用要求而设计的短距离(SR)、长距离(LR)和扩展范围(ER)光学器件。这些收发器采用多种光波长和先进的调制技术（如PAM4）来增加光纤上的带宽。重要部件包括激光发射器、光电二极管和数字信号处理器，所有这些都对其性能至关重要。400G收发器可用于增加数据中心内的带宽并将高速链路连接到电信网络。

400G以太网收发器的主要特点
400G以太网收发器拥有多种嵌入式功能，这些功能决定了它们增强的性能和对复杂接近网络的适用性。
高数据速率：与100G等提供较低吞吐量的其他前几代产品相比，这些以400Gbps运行的收发器的设计是为了满足现代服务提供商和数据中心的巨大带宽需求。
多种外形尺寸：400G收发器具有多种不同的外形尺寸，例如QSFP-DD和OSFP，它们都可以实现更高的端口密度，并且与当前基础设施向后兼容，以便于实现现代化。
波分复用(WDM)：部分或大部分400G收发器包含波分复用(WDM)技术，其中多个数据信号通过单根光纤电缆发送，从而扩展带宽容量，这对于长途和城域应用至关重要，因为可以最大化光纤利用率。
先进的调制技术：由于引入了PAM4调制，每个波长的有效编码带宽可有效加倍，每个符号可编码双比特。这意味着，相同数量的数据可以更高效地传输，而无需增加使用更多光纤所需的带宽。
距离覆盖范围：不同类型的400G收发器经过校准后可执行一项常见任务，即长距离、短距离和扩展距离EWM。例如，用户的登录页面定义超过100米，而LR可以达到10公里。
技术进步：由于技术的发展，400G收发器的输出功率也更加节能。这些收发器的功率约为7-15瓦，因此在批量使用方面更经济。
标准化：所有行业协议均表明400收发器与许多其他设备结合使用，为网络运营商提供投资的灵活性和安全性。
正是这些特性决定了对400G以太网收发器的需求，它们对于高速网络的发展至关重要，可以满足云计算、人工智能和大数据应用的充分数据传输需求。

400G收发器如何在现代网络中工作
400G收发器在现代网络中占有重要地位，因为它们可以增强宽带宽上的数据传输。为此，收发器利用多路复用技术，将多个数据流汇集在一起并通过一条光缆发送，从而提高数据传输速率。使用标准PAM4调制技术对数据进行调制，使这些收发器能够实现每根光纤x2的数据速率，而无需更多光纤加固。不同的收发器使用单模和多模光纤构建，并使用适合该特定部署模式的悬臂资源。它们利用光放大器和色散补偿技术来保持长距离通信的质量。它们还利用自适应光学方法，通过补偿用于传输数据的网络上的不同条件来提高性能。总而言之，400G收发器对于处理云计算、视频点播和其他形式的大数据吞吐量日益增长的带宽需求至关重要。

比较不同的400G收发器外形尺寸
QSFP-DD：四通道小型可插拔双倍密度
QSFP-DD收发器旨在通过增加通道数量（比标准QSFP多2个）来实现400G传输。这有助于实现SOSA，而无需强制更换QSFP接口。QSFP-DD外形尺寸的设计支持无源和有源铜缆和光纤，可在不同的网络场景中提供灵活性。此外，它采用了改进的热管理机制，以优化在大量数据操作下的性能。体积小且非常密集，使其成为HPC数据中心的理想选择，并且可在带宽要求高的空间中最佳部署。

OSFP：八进制小型可插拔
OSFP（八进制小型可插拔）传输高效的400G数据，采用八进制设计，支持八个独立数据通道。此设计中的增强功能可显著增加带宽，同时确保最大程度地利用现有基础设施。OSFP面向高密度区域，因为它提供先进的热管理解决方案，允许在最大负载下在恶劣的工作条件下运行。此外，它还非常适合铜缆和光缆，即使在数据中心和高性能计算环境中也是如此，在这些情况下速度和空间至关重要。

其他规格：CFP8和COBO
CFP8（即C型可插拔8收发器模块）提供小巧坚固的400G接口，支持多种不同的传输技术。得益于现代调制技术，该收发器中有四个通道，每个通道以100G的速度运行，这增强了带宽压缩并最大限度地降低了功耗。CFP8外形尺寸的设计采用了板载冷却装置，可增强高使用密度网络系统中的工作性能。其架构还向后兼容前几代CFP标准，以简化网络部署。
标准COBO（板载光学器件联盟）是一种全新的光通信方法，因为它将板载光学器件作为电路的一部分，而不是单独进行增强。这种新方法具有一些显著的优势，因为主体尺寸减小到最小水平，信号质量得到改善，因此各种性能基准得到优化。COBO模块可用于传输不同距离和电缆类型的高容量数据，这显然使它们在各种网络配置中更加通用。为了满足日益增长的数据需求，同时简化系统的设计和分布，COBO技术已被引入市场，尤其是在光收发器行业。

400G光模块在数据中心有哪些应用？
高速数据传输
高速数据传输是现代数据中心不可或缺的要素，因为随着用户数量的增加和处理能力的提高，数据量也呈指数级增长。对于此类应用，400G收发器被认为是满足云计算、人工智能和大数据等各种领域高带宽需求的不可或缺的解决方案。
例如，在数据中心等环境中，安装400G收发器来连接机架中的交换机和服务器，使每个机架的数据传输速度超过10兆比特/秒。此功能大大减少了延迟，使其对于对延迟敏感的应用来说非常有效。此外，据报道，与前几代相比，400G技术的应用应能将收发器的每千兆位功耗降低高达70%，从而降低成本并保护环境。
同样，这些高带宽400G收发器还能够利用PAM4等先进调制格式，无需扩展带宽即可实现每通道两倍的数据速率。这种改进对于高频交易应用非常重要，因为每微秒对于交易执行都至关重要。随着数据中心转变为以更高速度运行的结构，集成400G收发器将成为更快提高整个网络数据吞吐量的必需品。

优化带宽和端口密度
此外，优化数据中心的带宽和端口密度是最大限度提高资源利用率和确保数据顺畅流动的关键方法之一。对于组织而言，使用400G收发器解决方案更具成本效益，因为它有助于节省更多空间并提高传输容量。诸如多速率接口(MRI)之类的技术允许在单个物理端口中操作多个通道，从而有效增加带宽而无需额外的硬件要求。还可以扩展主干-叶子架构并将其作为分层模型实现在附加叶子网络中，这增加了需求可扩展性和灵活性，从而改善了负载平衡并最大限度地减少了拥塞的可能性。实施此类策略可以提高系统的性能，同时通过降低资本投资和提高节能效果来影响成本结构。

与现有网络基础设施的兼容性
在引入400G收发器技术时，考虑它们如何融入现有网络结构是重中之重。大多数当代网络元素（无论是路由器、交换机还是光传输基础设施）均采用行业标准的100G收发器及其模块化模式设计，以允许插入其他类型的收发器。知名供应商还包括向后兼容功能，以便400G模块可以与当前技术（例如100G和10G）配合使用，而不会出现任何性能中断。此外，以太网和光传输网络等各种标准化协议减少了现有系统集成的障碍。组织确实会考虑到网络中新兴硬件的存在，并通过逐步进行性能测试来规划其安装，以确保保留所需的目标，并在系统更改期间不损害网络运营结构的完整性。

了解400G光模块
400G光模块的类型
400G光收发器通常有5种类型，具体取决于制造方式以及此类系统的工作距离。以下是一些最常见类型的示例：
QSFP-（四通道小型可插拔双密度）：支持高达400G以太网；非常适合高密度设置。
OSFP：提供与QSFP-DD相同的功能，但设计更笨重，可改善散热。
CFP8：支持光接口，适合高速工作。
PAM4：收发器中采用的一种数据通信方案，利用现有带宽两倍的数据速率，从而提高数据吞吐量。
所有这些类型都有其规格并满足增强网络运行的不同需求。

性能指标：数据速率和传输距离
400G光模块的性能指标至少要包括两个参数，即数据速率和传输距离。光模块的数据速率通常以千兆位/秒为单位，是衡量特定传输节点能够承载多少信息的指标。与之前的型号相比，这些400G标准的光模块能够处理更多数量级的数据。
传输距离也称为信号无任何明显失真或性能下降的距离。这些距离取决于所用光纤的类型，是多模还是单模。例如，400g多模光纤支持的范围可达150米，而单模光纤可以将范围有效性提高到几公里的极远距离。这些措施对于在施工和网络部署期间正确选择组件非常重要。

400G收发器使用的电缆类型
选择合适类型的电缆对于充分利用400G光收发器非常重要。常用的电缆如下：必需的电缆包括：
单模光纤(SMF)：这种光纤只有一个传输端，专为长距离传输而设计，允许在500米以上的距离内传输数据。这种*28小芯径差分玻璃光纤的芯径特别小，不幸的是，由于单模径向传播受到限制，它减少了色散，从而有助于大多数光信号在长距离上传输。
多模光纤(MMF)：主要用于短距离应用。多模光纤能够支持高达400G的高数据速率，但仅对150米以上的可靠传输距离有效。其更大的芯径允许同时传输多种光模式，并且适用于建筑物内和建筑物间的连接。
有源光缆(AOC)：这是一种特殊类型的有源电缆，电缆组件本身包含光收发器。AOC专为高带宽短距离应用而设计，是一种在数据中心内连接设备的廉价方式，非常适合距离通常不超过100米的400G应用。
总之，单模光纤、多模光纤和有源光缆的选择完全取决于网络要执行的工作性质，特别是其距离、带宽和安装成本。

有关400G以太网和光纤收发器的常见问题解答

100G和400G收发器之间有什么区别？
吞吐量是100G和400G收发器之间的主要区别。与能够以给定速度传输数据的100G收发器不同，在这种情况下，容量更大的400G收发器能够做到这一点，并为传输系统内的更多流量释放空间并提高效率。还有一个事实是，400G收发器通常支持更先进的调制格式，这对于在人口密集的地区和更长的距离内提供效率非常有用。此外，随着技术的进步，400G收发器每千兆位的功耗也低于通常的100G收发器，使其成为当代数据中心使用的更好选择。

如何为网络选择合适的400G收发器？
选择400G收发器时必须考虑许多因素，以确保获得的性能与成本合理。以下是一些重点：
传输距离：确定网络元素之间的最远物理间隔。根据距离，不同的收发器效果最佳；短距离SR（70米）多模光纤最适合短距离，而长距离LR（最长10公里）单模光纤最适合长距离。
调制格式：分析收发器能够运行的调制格式。更复杂的调制格式或先进的PAM4（4脉冲幅度调制）技术可用于帮助提高比特率并提高设计效率，尤其是在高密度设计中。
连接器类型：连接器兼容性对于实现与现有布局的轻松连接至关重要。SC、LC、外部/中间和启动器连接器等的选择取决于布线类型和应用。
功耗：衡量收发器在能源方面的运行能力。这是因为当数据中心采用“绿色”重点时，每千兆位采用较低的功耗将反过来减少系统恢复使用所产生的税费，从而提高整体效率。
兼容性与标准：检查现有的网络设备和协议是否可以集成。确保收发器符合IEEE、OIF等组织提供的标准，以便与其他网络互通。
因此，通过考虑上述因素，网络管理员能够选择最佳的400G收发器，满足其基础设施需求，同时又不影响性能和数据传输。

400G技术的未来趋势是什么？
由于已经确定了某些趋势，400G技术的未来前景有望合理发展和富有成效的部署。相干技术的应用日益广泛：鉴于网络流量水平和增长趋势，相干光学技术对于提高400G网络的吞吐量和距离至关重要。该技术能够覆盖长距离，从而满足云计算和互联网的需求。800G及以上技术的进步：业界已经预见到从400G到800G及更高技术的过渡将成为世界正常趋势。通过这种转变，光子集成将改变数据传输方式，从而降低每单位传输信息所消耗的能量。网络模块化和智能化程度的提高：未来趋势表明，网络管理将受到自动化和人工智能(AI)技术的深度驱动。这些技术将消除操作繁琐的工作，提高故障查找能力和整体网络运行性能，从而改善网络环境，使其更加灵活，容错能力更强。这些变化将促进400G技术的发展以及下一代网络应用和基础设施的规划。