QSFP28光模塊應用的標準分析與測試技術研究

許朝蓬

(南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

QSFP28光模塊應用的標準分析與測試技術研究

許朝蓬

(南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

萬兆以太網已經運用于企業網和城域網絡，各大通信公司正將視線轉移到100 G以太網。隨著大數據以及云計算處理的發展，使得數據中心交換機升級成為了必要。100 G以太網技術的核心在于光模塊，4×25 Gb/s QSFP28并行收發模塊提供了高速互連傳輸的解決方案，擁有更大的傳輸容量、更高的端口密度以及更低的功耗和成本。從系統角度，結合100 G以太網物理層標準，深入理解QSFP28光模塊在100 G以太網中的應用；從信號層面，通過對實物的調試以及測試結果分析，充分保證其在實際應用中的可靠性。重點分析了光模塊的管理接口I2C總線以及業務接口的參數指標，針對實際調試過程中所遇到的測試問題，提出了相應的接收端擾動測試方案。在存在一定抖動的情況下，信號的誤碼率依然符合規范要求。一系列的試驗結果證實了該光模塊各項指標滿足規范要求。

以太網； 物理層； 光模塊； I2C管理接口； 擾動測試； 邏輯開關； 發射端； 接收端

0 引言

互聯網的持續快速發展及人們對于更高速光網絡的需求，持續地推動著整個光通信行業的快速發展，光通信器件的技術也隨之得到創新和發展。QSFP28光模塊就是伴隨這一發展的產物。

QSFP28封裝的光模塊相比于第一代外形封裝可插拔(common form-factor pluggable，CFP)光模塊以及CFP4封裝光模塊，有著明顯的優勢。在外觀上，CFP4封裝體積是第一代CFP封裝的1/4，而QSFP28封裝的體積比CFP4封裝更小，因此適用于更高密度的交換機產品，從而實現單塊交換機單板更高轉發業務能力，為建設超大規模的數據中心提供可能性。在內在性能方面，QSFP28封裝光模塊為4通道25 Gb/s并行傳輸。相比于CFP封裝10通道10 Gb/s傳輸，其支持最新的100 G以太網標準；相比QSFP+光模塊的4通道10 Gb/s傳輸速率，其占用同樣多的通道資源，但可實現2.5倍傳輸性能，因此在大數據發展的時代具有重大意義。

1 QSFP28光模塊的以太網標準

1.1 以太網物理層簡述

在最新的100G以太網標準[1]中詳細介紹了物理媒體相關子層(physical medium dependent，PMD)。物理層參考框圖如圖1所示。

圖1 物理層參考框圖

相對于圖1左側的開放系統互連(open system interconnection，OSI)標準模型，圖1右側清晰地展示了的PMD、媒體專用接口(media independent interface，MII)以及其他子層在標準模型中的具體位置。

在100 G以太網物理層標準中，一般將物理層[2]劃分為PMD、物理媒體連接(physical medium attachment，PMA)、里索-前向糾錯(reed-solomon forward error correction，RS-FEC)和物理編碼(physical coding sublayer，PCS)子層。在實際的產品開發過程中，所使用的交換芯片包含物理層和數據鏈路層兩部分，可以直接擴展光模塊端口，處理和轉發業務。

實際應用中，QSFP28光模塊應用在PMD子層上，將接收到的光信號轉化成電信，并通過PMA子層的串行化服務傳遞到PCS子層，進行數據的并行化處理，實現本地多鏈路傳輸。為高效地配合工作,制定了一系列以太網標準，使整個網絡環環相扣、高度統一。

PMD服務接口為編碼數據提供了物理實物之間的交換通道，能夠將編碼數據整合到信號之內，也能夠從信號內提取出編碼數據，傳遞到下一個指定的媒體，是一種典型的跨子層服務接口。

1.2 100 G以太網PMD子層的工作原理

PMD子層框圖如圖2所示，其實質上可以理解為100 G BASE-SR4傳輸/接收路徑的框圖。出于對系統一致性和兼容性的考慮，框圖以點到點的方式定義了物理媒體相關子層。

圖2 PMD子層框圖

QSFP28光模塊實質上可以理解為PMD子層[3]，其主要功能就是將接收到的光信號通過其內部的光接收器轉化成高速電信號。在QSFP28光模塊中，存在4條平行通道，每條通道由一對差分線組成，存在接收和發射2個方向。

①在發射方向上，PMA子層向PMD子層連續發送4條平行的比特流，同時每條通道的典型速率是25.781 25 Gb/s，在經過媒體專用接口層時，將比特流轉變成合適的信號，傳到下一個設備。

②在接收方向上，PMD子層向PMA子層連續發送4條平行的比特流。相應地，每條接受通道上的比特流也是在媒體專用接口轉變而來，典型速率也是25.781 25 Gb/s。

從其中一個光模塊發射端到另一個光模塊接收端之間的信號，QSFP28光模塊之間是以光信號傳輸的。也存在QSFP28電纜，傳輸的信號是電信號。但這種模塊只是在封裝上和QSFP28光模塊一樣，其內部并沒有激光發射器和接收放大器，所以傳輸的距離有限，同時也稱為無源電纜。

100 G以太網標準也對PMD子層的功能進行了一些標準化定義。定義了4類必需的功能，包括信號的發射、接收、檢測以及復位功能；同時，還定義了一部分可選的功能，如發射禁用功能，發射/接收的故障上報功能等。在QSFP28光模塊的實際功能中，還存在低功耗選擇功能、總線模式選擇功能、在位功能以及中斷上報功能。相比于QSFP28光模塊來說，無源電纜和有源光學線纜所具有的功能會少很多。價格昂貴的QSFP28光模塊則具備以上所有功能。

2 QSFP28光模塊的管理接口

光模塊流程圖如圖3所示。如果將光模塊功能[4]分為業務和控制管理兩部分，那么發射和接收功能屬于業務功能，用于實現流量的傳輸，而以太網標準所定義的信號檢測功能、光模塊的復位功能以及光模塊異常上報的功能都屬于控制管理功能。在光模塊中，會提供二線制串行(inter-integrated circuit, I2C)總線接口，實現用戶對光模塊的管理和操作。

圖3 光模塊流程圖

I2C總線接口[5]廣泛地應用于光模塊的管理接口，其由一條串行的時鐘信號和一條串行的數據信號組成。在設計過程中，串行時鐘信號(serial clock，SCL)和串行數據信號(serial data，SDA)通過上拉電阻拉高至電平。整個二線制串行總線接口的兩端連接著主用模塊和從屬模塊，為呈菊花鏈狀的拓撲結構。例如光模塊在園區交換機中的應用，交換機單板可以作為主用模塊，熱插拔光模塊可以作為從屬模塊，控制信號和數據信息在這兩者之間進行串行化傳輸；同時， 主用模塊利用串行時鐘信號，記錄并跟蹤二線制串行總線上的數據和控制信息。

2.1 光模塊I2C總線的尋址方式

通常主機會有多條I2C總線通道，每條總線下面會掛有多個從機模塊。為了更加簡便、快速地找到要訪問的器件，I2C總線采用7位地址的尋址方式。每個器件都有其相應的地址，通過軟件編程找到相應的器件；同時，一條總線上掛有多個器件，可以通過設置器件硬件引腳的電平值來區分地址。這種方法雖然可以使得一條總線下掛多個器件，但是通常大部分器件封裝只會預留3個引腳，因而一條總線最多只能下掛8個器件。主機的驅動能力直接影響到信號質量，通常下掛器件越多，將會導致I2C總線信號質量越差，最好的情況就是下掛1個器件。

光模塊的尋址方式與其他器件模塊略有不同。上述介紹到，100 G光模塊器件主要應用在大型的園區交換機、數據中心交換機等數據量很大的環境中。在大型交換機的一塊業務板中會有多個光模塊業務端口，有些交換機的單個業務板就可以達到48個萬兆光模塊業務口。這樣如果在一條總線下尋址會需要大量的硬件地址，同時也會由于驅動能力不足而產生信號質量不好的問題。

對于交換機產品，眾多的光模塊業務口其實給光模塊的訪問提供了另外一種方式，可以直接通過光模塊業務口在交換機中的物理位置對其訪問，同時配合邏輯開關模塊對相應光模塊I2C使能通道進行選通。在光模塊規范[6]中也對QSFP28封裝光模塊的I2C地址進行了規定。

2.2 光模塊I2C總線的傳輸方式

I2C總線協議一般都會由主用模塊產生一個開始條件。當SCL為高電平時，SDA由高電平變為低電平。相應的結束條件是：當SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平切換，同時數據傳輸必須帶有響應，相關的響應時鐘脈沖由主機產生，在響應時鐘脈沖期間發送器釋放SDA線(高電平)，此時接收器必須將SDA線拉低，使其在這個響應脈沖的高電平期間保持穩定的低電平。

從當前數據傳輸的結束到下一數據傳輸的開始，被稱為總線的空余時間。一般來說，因為一條總線下掛多個器件或者1個器件在一段時間內會被多次訪問，所以I2C總線還存在總線的空余時間。I2C總線采用電平采樣，在SCL為高電平期間，SDA必須保持平穩；當SCL為低電平時，SDA可以進行電平切換。

在I2C總線中還定義了一位讀寫位，讀寫位指示了數據傳輸的方向，當讀寫位為高電平時表示讀數據，由主用模塊產生向從屬模塊傳輸；當讀寫位低電平時表示寫數據，數據流向是由從屬模塊到主用模塊。讀寫位的判斷有助于之后的測試。

I2C總線的幀結構如圖4所示。

圖4 I2C總線的幀結構

Fig.4 Frame structure of I2C bus

3 QSFP28光模塊測試方法

光模塊主要應用于園區交換機網、數據中心交換機等大型交換網絡中。由于光模塊是一種從屬設備，目前大多數通信設備公司都是將光模塊作為通信設備的一種物料對外進行采購，所以對于交換機和路由器等大型通信設備來說，光模塊的適配和調試是極其重要的一個環節。一般來說，光模塊的信號測試分為低速信號測試和高速信號測試。本文將重點介紹光模塊的低速信號測試中的I2C的邏輯電平指標、時序指標及其研發調試過程中的方法，以及光模塊的高速信號測試中的光眼圖和電信號眼圖測試。

3.1 I2C信號測試

在研發調試中，I2C接口測試[7]是其中的關鍵性工作。I2C總線給軟件驅動人員提供了方便的接口，同時光模塊內部定義了一些存儲空間，平臺軟件可以調用I2C總線實現一系列的功能，方便用戶對光模塊進行管理和控制。例如，光模塊內部控制芯片通過軟件處理，可以實現用戶對光模塊告警以及光模塊當前使用狀態等重要信息進行監控。所以在調試驗證過程中，必須嚴格遵循光模塊I2C的電氣指標要求、時序要求等。

在QSFP28光模塊標準中，不僅定義了100 G光模塊的封裝結構，還定義了其電氣指標和時序指標。其目的就是讓各廠商所生產的光模塊能夠更好地兼容當前市面上的交換機等通信設備。低速信號電氣參數、I2C時序要求及I2C時序圖分別如表1、表2和圖5所示。表1中，Vol所對應的Iol(max)=3.0 mA。SCL和SDA的VIH和VIH通過上拉電阻至Vcc。

表1 低速信號電氣參數

表2 I2C時序要求

圖5 I2C時序圖

I2C信號為低速一驅多信號，同時也是電平采樣，在實際應用中，通常可以不關注SDA下降沿是否單調，只要時序有充足的裕量即可。表3是使用泰克示波器得到的I2C時序測試結果。

表3 I2C時序測試結果

通過表3可以看出，該設計中的光模塊I2C總線信號質量滿足規范要求，硬件設計是沒有問題的。

3.2 光模塊高速信號測試

眼圖質量將直接反映到硬件設計中。在硬件設計時，CAD工程師需要非常細心地對印刷電路板的高速信號線進行排版布線。稍有不慎，都可能給后期眼圖調試帶來無法預期的結果。硬件設計調試的目的就是保證光模塊實際測試指標能夠滿足規范要求，其直接關系到光模塊在實際使用過程中的可靠性。

3.2.1 光模塊的眼圖測試

根據模塊功能來看，眼圖測試可以分為發射端和接收端測試。發射端測試[8]主要是觀察光模塊發射光信號的眼圖質量是否滿足以太網定義規范要求。

從圖2可以看出，光信號眼圖測試是在TP2測試點，且測試光纖長度范圍為2～5 m。本次試驗采用的測試儀器是泰克DSA8300高帶寬數字采樣示波器和泰克CR286A時鐘恢復模塊。表4給出了100 G以太網所定義的100 G短距光模塊發射光信號參數[9]。

表4 光模塊發射光信號參數

在實際測試光信號眼圖[10]時，關注最多的就是上述指標和眼圖質量。在以太網標準中還定義了其他參數，本文沒有詳細介紹。表5列出了硬件研發調試階段的光模塊發射端測試結果，可以看出，眼圖質量和測試指標都滿足規范要求。

表5 光模塊發射端測試結果

3.2.2 光模塊的接收端擾動測試

隨著數據速率增加，比特周期越來越短，因而抖動要求越來越高。從光模塊整體角度來看，為了更好地反映光模塊的抗抖動能力，需要對整個光模塊業務鏈路進行測試。雖說以太網規范規定了接收端的規范指標，由于實際的交換網路產品開發過程中，測試人員通常沒有找到合適的測試點去測試接收端的眼圖質量，所以本文提供一種間接的測試手段來反映信號從光模塊接收到發射整個閉環鏈路的情況。

這種測試方法也可以稱為接收端擾動測試[11]。發射端鏈路和接收端鏈路在PMA子層進行環回，使信號不經過PCS子層。同時，在發射端注入抖動。這里的抖動指的是誤碼率在E-15之內所能容忍的抖動，可以用總抖動(total jitter，TJ)表示，總抖動也括隨機抖動(random jitter，RJ)和確定性抖動(deterministic jitter，DJ)，注入的抖動必須在規定的范圍之內。最后，使用誤碼儀分析發射端的誤碼率，要求誤碼率在E-15以下。該方法不僅避免了測試人員找不到測試點的情況，而且可以觀察整條環回鏈路在惡劣情況下的誤碼率是否滿足要求。

整個測試分為兩個階段。階段一的抖動注入接收端Rx組網圖如圖6所示。

圖6 抖動注入接收端Rx組網圖

該階段用于確定接收端需要注入的抖動大小，使得在眼圖質量滿足要求的情況下，其抖動逼近總抖動。

階段二是通過誤碼分析儀觀察此時的誤碼率。

通過試驗可以發現，調節預加重模塊使其眼高參數達到230 mV；開啟抖動模塊的RJ注入，在滿足TJ<0.28 UI(單位間隔)的情況下，使其RJ注入值接近0.15 UI，根據經驗注入RJ為0.136 UI；在RJ滿足之后，開啟抖動模塊SJ注入，也是在滿足TJ<0.28 UI的情況下調節DJ，根據經驗注入DJ為0.5 UI。最后，根據上述一系列的參數設置，觀察誤碼儀的誤碼率小于E-15，可以看出此光模塊符合以太網規范要求。

4 結束語

目前，100 G以太網逐漸在數據中心和城域網絡中流行起來，QSFP28光模塊也展示了其高密集度、高速率等優勢。以目前光模塊的發展趨勢來看，有4個方向值得關注。①隨著大數據以及云計算時代的到來，需要光模塊支持更高傳輸速率來滿足人們的信息交流。目前，在理論上已經實現了更高效率的數據轉化，在不久的未來就會出現更高速率的光模塊產品。②高速率所帶來的電磁輻射、嚴重的鏈路損耗以及阻抗匹配問題將直接影響到光模塊傳輸距離。基于這種考慮，許多的光模塊采用1 550 nm的波長。③光模塊逐漸趨于小型化，以實現產品的高密集度。④光模塊需要更低的功耗和價格來滿足商用要求，以體現其商用價值。

光通信網絡是現代信息交換、處理和傳輸的中流砥柱，而光模塊是光纖接入網絡的核心器件，其發展和創新還需要通信行業的工程師們共同努力。

[1] 王小軍.100G以太網技術概述[J].江蘇廣播電視大學學報,2010,5(21):61-64.

[2] 柳大偉.100G Ethernet物理層傳輸技術研究[D].上海:上海交通大學,2009.

[3] 傅珂,馬志強.40Gb/s,100Gb/s以太網IEEEP802.3ba 標準研究[J].光通信技術,2009(11):12-15.

[4] 田園.CFP MSA 100G光模塊管理接口設計與實現[J].無線互聯科技,2016,7(14):131-132.

[5] 戴立新.I2C總線接口的設計及驗證[D].成都:西南交通大學理學院,2009.

[6] SFF Committee.SFF-8636 specification for common management interface rev 2.5[S].Huston:SFF Committee,2015-04-18.

[7] 趙佳立.4×10Gbit/s QSFP+并行光收發模塊的研究[D].武漢:武漢郵電科學研究院,2014.

[8] 王婷婷.QSFP光模塊的技術與測試研究[D].上海:上海交通大學,2015.

[9] LAN/MAN Standards Committee. IEEE802.3bm Physical layer specifications and management parameters for 40 Gb/s and 100 Gb/s operation over fiber optic cables[S].New York: IEEE Computer Society, 2015:74-75.

[10]林韜,胡毅,張武平,等.100Gbit/s CFP光收發模塊的研究[J].光通訊研究,2012(5):43-45.

[11]REDD J.Explaining those BER testing mysteries[J].Lightwave,2004,6(9):23-24.

Research on the Standard Analysis and Testing Technology for Application of QSFP28 Optical Module

XU Zhaopeng

(School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The ten-gigabit Ethernet has been applied to enterprise networks and metropolitan networks while the major communication companies have shifted vision to the new Ethernet network over 100 G. With the development of big data and cloud computing,it becomes necessary to upgrade the data center switches. The core technology of 100 G is the optical module,as the solution of high speed interconnected transmission;the 4×25 Gb/s QSFP28 parallel optical transceiver module provides larger transmission capacity,higher port density,and lower power consumption and lower cost.From the system perspective,and combining the physical layer standards of 100 G Ethernet,the application of QSFP28 optic modules in 100 G Ethernet is in-depth understood;from the signal level,its reliability in practical applications is fully guaranteed through repeating debugging and analysis of test results. The management interface of the module I2C bus and the business interface parameters have been analyzed emphatically. Aiming at the problems encountering in practical testing process,the appropriate perturbation test methods of receiving ports are proposed. In presence of certain jittering,the bit error rate of the signal can still be controlled within the specification. Results of a series of tests verify that various indexes of the optical module meet the specification requirements.

Ethernet; Physical layer; Optical module; I2C management interface; Perturbation test; Logic switch; Transmitter; Receiver

許朝蓬(1993—)，男，在讀碩士研究生，主要從事園區交換機產品的硬件開發及測試工作。E-mail：imrenweiye@qq.com。

TH7;TP302.7

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708011

修改稿收到日期:2017-04-15