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400G光模块测试的挑战与机遇

现如今,全球网络流量的不断攀升,用户需要更大带宽来满足应用需求,这促进了400G以太网在大型数据中心的广泛应用。而400G光模块作为数据中心内部光网络互联的关键硬件设备,同样也得到了良好的发展前景,越来越多的网络通信设备制造商、云服务提供商和光器件供应商加入了400G大军战队。未来几年内,市场上将会出现大量的400G产品来满足不同的网络需求,如400G QSFP-DD光模块、DAC等。

现如今,全球网络流量的不断攀升,用户需要更大带宽来满足应用需求,这促进了400G以太网在大型数据中心的广泛应用。而400G光模块作为数据中心内部光网络互联的关键硬件设备,同样也得到了良好的发展前景,越来越多的网络通信设备制造商、云服务提供商和光器件供应商加入了400G大军战队。未来几年内,市场上将会出现大量的400G产品来满足不同的网络需求,如400G QSFP-DD光模块、DAC等。但判断400G产品是否合格是一件非常不容易的事,尤其是关键的互联组件——光模块。本文将重点介绍400G光模块测试时所面临的挑战以及400G光模块主要的测试项目,让您学会辨别400G光模块的好坏。

400G光模块测试的挑战

200G/400G以太网标准的颁布给行业带来了新型的光模块封装,如IEEE和MSA组定义的QSFP-DD、OSFP和CFP8,这些封装的光接口采用了16*25Gb/s NRZ或8*53Gb/s PAM4。

类型是否支持可插拔光接口光纤类型纤芯数量最大传输距离编码方式
400GBASE-SR1616*25Gb/s多模16100米NRZ
400GBASE-DR48*50Gb/s单模4500米PAM4
400GBASE-FR88*50Gb/s 16*25Gb/s单模8WDM2千米PAM4
400GBASE-LR88*50Gb/s 16*25Gb/s单模8WDM10千米PAM4
200GBASE-DR48*50Gb/s单模4500米PAM4
200GBASE-FR48*50Gb/s单模4WDM2千米PAM4
200GBASE-LR48*50Gb/s单模4WDM10千米PAM4

虽然更大带宽和PAM4调制技术的利用确实对吞吐量有极大地提升,但却也给400G带来了一些问题,如物理结构变得更复杂,信号传输很容易出现错误等。

第一,400G接口具备更高速率的传输通道,这意味着信号在传输过程中会产生更多的噪音(信噪比),而较高的信噪比会导致误码率(BER)变大,从而影响信号传输质量。

第二,在物理接口结构上,400G光模块接口包含了电输入接口、电输出接口、光输入接口、光输出接口以及其它的电源和低速管理接口,相对于100G光模块接口来说,400G接口多元化且更为复杂,但400G光模块尺寸却与现有的100G光模块尺寸相似,这导致400G接口需要更复杂的制造生产工艺和相应的性能测试技术,来保证这些光模块的质量。

第三,复杂的400G测试项目也给光模块供应商带来了新的挑战。为了确保用户所收到的光模块质量良好,供应商必须采用更加专业的光模块检测设备,且需要具备较高的检测水平以及研发技术。与此同时,确保400G能与现有的网络基础设备连接升级以及400G的研发/制造/测试成本等也是供应商需要解决的问题。

400G光模块测试的关键项目

尽管400G以太网标准已获批准多年,但现在整个行业(包含OEM厂商、网络运营商等)仍然在解决基本的连接问题,如试图解决光模块传帧错误、数据包丢失等问题,确保光模块传输的准确性和可靠性。对于光模块供应商而言,产品质量检测是建立客户信任度的重要环节。下面让我们看一下400G光模块测试中的几个重要测试项目。

消光比和光调制幅度测试

消光比(OER)是评估400G光发射机性能的重要指标,同样也是最困难的测试指标之一。消光比是将电信号调制到光信号上后,激光器输出高电平和低电平时光功率的对数比值,这样可以测试出激光器是否在最佳偏置点和最佳调制效率范围内工作。光调制幅度(OMA)是另一个衡量激光器打开和关闭时功率差的指标,消光比和光调制幅度都可以通过主流光学示波器检测。

转发性能测试

与现有的QSFP28/QSFP+相比,400G光模块结构更为复杂,因此对其转发性能测试也提出了更高的要求。RFC2544标准中对吞吐量、延迟和丢包率等转发性能都提出了相应的定义及要求,400G光模块可通过测试这些转发性能项目来检验400G光模块的网络通信能力和信息传输的实时性。在进行该项测试时,光模块的电接口和光接口都需要被测试,从而确保光模块的发送和接收信息质量不会失真。

眼图测试

与100G光模块NRZ调制的单眼图不同的是,400G光模块PAM4眼图有三只眼。虽然PAM4的传输速率相对于NRZ提高了一倍,但是它的信噪比、线性、灵敏度等仍然存在一定问题。在IEEE802.3bs标准中眼图测试时可以使用PRBS13Q的码型,对输出信号经过CTLE参考均衡器后再进行眼图参数测试。提出了 眼图测试主要看眼高和眼宽,眼睛越大表示码间串扰越小,性能越好,因此用户可以通过观察400G光模块眼图的高度和宽度来判断400G光模块性能。

NRZ和PAM4.jpg

抖动测试

抖动测试主要用于发射器的输出抖动容限和接收器的输入抖动容限。抖动包含随机抖动和确定性抖动,相对于随机抖动而言,确定性抖动是可以重复和预测的,因此制造商可以通过设计发射器和接收器来消除抖动。在真实的测试环境中,将抖动测试和眼图一起使用,可以检查400G发射器和接收器的性能。

误码率测试

误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标,此项测试需要在真实的环境中进行,如将400G光模块插入到400G交换机中,这样才能测试出该光模块的工作性能、误码率(BER)和容错能力。然而由上可知,由于400G光模块速度较高,其通道中的误码率(BER)较高,会导致400G链路传输出现问题,因此400G光模块采用了前向纠错(FEC)技术,可提高信号传输质量,确保400G光模块传输出现零失误,无丢包现象。

前向纠错(FEC)是指在信号被送入传输信道之前会按一定的算法进行编码处理,加入带有信号本身特征的冗码,在接收端按照相应算法对接收到的信号进行解码,从而找出在传输过程中产生的错误码并将其纠正的技术。前向纠错是一种非常重要的预干扰算法,它向400G提供了一种在嘈杂的信令网中发送和接收数据的方法,有效降低了数字信号的误码率(BER),提高了信号传输的可靠性,从而让400G实现无错误的数据传输。

因此,在实际的测试过程中,需测试光模块的原始误码率以及采用向前纠错(FEC)技术时光模块的误码率,来验证在出现已定随机错误符号或者频率偏差时是否会影响到整个链路的性能(或者系统性能是否受到影响)。

总结

尽管复杂的400G光模块测试技术还有待完善,但在5G、人工智能、虚拟现实(VR)、云计算等应用的推动下,400G以太网将得到蓬勃发展。目前已有部分制造商开始向市场提供400G解决方案,如思科、Arista等,面对这种情况,一些规模较小的光模块供应商将400G光模块测试作为了他们考虑选择的重要因素,因为400G产品的质量以及供货速度决定了他们的盈利。若想进一步了解400G以太网的发展趋势,可访问《风口上的400G》,为即将到来的高速时代做好充分准备。


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