QSFP28光模块应用的标准分析与测试技术研究

许朝蓬

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

QSFP28光模块应用的标准分析与测试技术研究

许朝蓬

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

万兆以太网已经运用于企业网和城域网络，各大通信公司正将视线转移到100 G以太网。随着大数据以及云计算处理的发展，使得数据中心交换机升级成为了必要。100 G以太网技术的核心在于光模块，4×25 Gb/s QSFP28并行收发模块提供了高速互连传输的解决方案，拥有更大的传输容量、更高的端口密度以及更低的功耗和成本。从系统角度，结合100 G以太网物理层标准，深入理解QSFP28光模块在100 G以太网中的应用；从信号层面，通过对实物的调试以及测试结果分析，充分保证其在实际应用中的可靠性。重点分析了光模块的管理接口I2C总线以及业务接口的参数指标，针对实际调试过程中所遇到的测试问题，提出了相应的接收端扰动测试方案。在存在一定抖动的情况下，信号的误码率依然符合规范要求。一系列的试验结果证实了该光模块各项指标满足规范要求。

以太网； 物理层； 光模块； I2C管理接口； 扰动测试； 逻辑开关； 发射端； 接收端

0 引言

互联网的持续快速发展及人们对于更高速光网络的需求，持续地推动着整个光通信行业的快速发展，光通信器件的技术也随之得到创新和发展。QSFP28光模块就是伴随这一发展的产物。

QSFP28封装的光模块相比于第一代外形封装可插拔(common form-factor pluggable，CFP)光模块以及CFP4封装光模块，有着明显的优势。在外观上，CFP4封装体积是第一代CFP封装的1/4，而QSFP28封装的体积比CFP4封装更小，因此适用于更高密度的交换机产品，从而实现单块交换机单板更高转发业务能力，为建设超大规模的数据中心提供可能性。在内在性能方面，QSFP28封装光模块为4通道25 Gb/s并行传输。相比于CFP封装10通道10 Gb/s传输，其支持最新的100 G以太网标准；相比QSFP+光模块的4通道10 Gb/s传输速率，其占用同样多的通道资源，但可实现2.5倍传输性能，因此在大数据发展的时代具有重大意义。

1 QSFP28光模块的以太网标准

1.1 以太网物理层简述

在最新的100G以太网标准[1]中详细介绍了物理媒体相关子层(physical medium dependent，PMD)。物理层参考框图如图1所示。

图1 物理层参考框图

相对于图1左侧的开放系统互连(open system interconnection，OSI)标准模型，图1右侧清晰地展示了的PMD、媒体专用接口(media independent interface，MII)以及其他子层在标准模型中的具体位置。

在100 G以太网物理层标准中，一般将物理层[2]划分为PMD、物理媒体连接(physical medium attachment，PMA)、里索-前向纠错(reed-solomon forward error correction，RS-FEC)和物理编码(physical coding sublayer，PCS)子层。在实际的产品开发过程中，所使用的交换芯片包含物理层和数据链路层两部分，可以直接扩展光模块端口，处理和转发业务。

实际应用中，QSFP28光模块应用在PMD子层上，将接收到的光信号转化成电信，并通过PMA子层的串行化服务传递到PCS子层，进行数据的并行化处理，实现本地多链路传输。为高效地配合工作,制定了一系列以太网标准，使整个网络环环相扣、高度统一。

PMD服务接口为编码数据提供了物理实物之间的交换通道，能够将编码数据整合到信号之内，也能够从信号内提取出编码数据，传递到下一个指定的媒体，是一种典型的跨子层服务接口。

1.2 100 G以太网PMD子层的工作原理

PMD子层框图如图2所示，其实质上可以理解为100 G BASE-SR4传输/接收路径的框图。出于对系统一致性和兼容性的考虑，框图以点到点的方式定义了物理媒体相关子层。

图2 PMD子层框图

QSFP28光模块实质上可以理解为PMD子层[3]，其主要功能就是将接收到的光信号通过其内部的光接收器转化成高速电信号。在QSFP28光模块中，存在4条平行通道，每条通道由一对差分线组成，存在接收和发射2个方向。

①在发射方向上，PMA子层向PMD子层连续发送4条平行的比特流，同时每条通道的典型速率是25.781 25 Gb/s，在经过媒体专用接口层时，将比特流转变成合适的信号，传到下一个设备。

②在接收方向上，PMD子层向PMA子层连续发送4条平行的比特流。相应地，每条接受通道上的比特流也是在媒体专用接口转变而来，典型速率也是25.781 25 Gb/s。

从其中一个光模块发射端到另一个光模块接收端之间的信号，QSFP28光模块之间是以光信号传输的。也存在QSFP28电缆，传输的信号是电信号。但这种模块只是在封装上和QSFP28光模块一样，其内部并没有激光发射器和接收放大器，所以传输的距离有限，同时也称为无源电缆。

100 G以太网标准也对PMD子层的功能进行了一些标准化定义。定义了4类必需的功能，包括信号的发射、接收、检测以及复位功能；同时，还定义了一部分可选的功能，如发射禁用功能，发射/接收的故障上报功能等。在QSFP28光模块的实际功能中，还存在低功耗选择功能、总线模式选择功能、在位功能以及中断上报功能。相比于QSFP28光模块来说，无源电缆和有源光学线缆所具有的功能会少很多。价格昂贵的QSFP28光模块则具备以上所有功能。

2 QSFP28光模块的管理接口

光模块流程图如图3所示。如果将光模块功能[4]分为业务和控制管理两部分，那么发射和接收功能属于业务功能，用于实现流量的传输，而以太网标准所定义的信号检测功能、光模块的复位功能以及光模块异常上报的功能都属于控制管理功能。在光模块中，会提供二线制串行(inter-integrated circuit, I2C)总线接口，实现用户对光模块的管理和操作。

图3 光模块流程图

I2C总线接口[5]广泛地应用于光模块的管理接口，其由一条串行的时钟信号和一条串行的数据信号组成。在设计过程中，串行时钟信号(serial clock，SCL)和串行数据信号(serial data，SDA)通过上拉电阻拉高至电平。整个二线制串行总线接口的两端连接着主用模块和从属模块，为呈菊花链状的拓扑结构。例如光模块在园区交换机中的应用，交换机单板可以作为主用模块，热插拔光模块可以作为从属模块，控制信号和数据信息在这两者之间进行串行化传输；同时， 主用模块利用串行时钟信号，记录并跟踪二线制串行总线上的数据和控制信息。

2.1 光模块I2C总线的寻址方式

通常主机会有多条I2C总线通道，每条总线下面会挂有多个从机模块。为了更加简便、快速地找到要访问的器件，I2C总线采用7位地址的寻址方式。每个器件都有其相应的地址，通过软件编程找到相应的器件；同时，一条总线上挂有多个器件，可以通过设置器件硬件引脚的电平值来区分地址。这种方法虽然可以使得一条总线下挂多个器件，但是通常大部分器件封装只会预留3个引脚，因而一条总线最多只能下挂8个器件。主机的驱动能力直接影响到信号质量，通常下挂器件越多，将会导致I2C总线信号质量越差，最好的情况就是下挂1个器件。

光模块的寻址方式与其他器件模块略有不同。上述介绍到，100 G光模块器件主要应用在大型的园区交换机、数据中心交换机等数据量很大的环境中。在大型交换机的一块业务板中会有多个光模块业务端口，有些交换机的单个业务板就可以达到48个万兆光模块业务口。这样如果在一条总线下寻址会需要大量的硬件地址，同时也会由于驱动能力不足而产生信号质量不好的问题。

对于交换机产品，众多的光模块业务口其实给光模块的访问提供了另外一种方式，可以直接通过光模块业务口在交换机中的物理位置对其访问，同时配合逻辑开关模块对相应光模块I2C使能通道进行选通。在光模块规范[6]中也对QSFP28封装光模块的I2C地址进行了规定。

2.2 光模块I2C总线的传输方式

I2C总线协议一般都会由主用模块产生一个开始条件。当SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平。相应的结束条件是：当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平切换，同时数据传输必须带有响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生，在响应时钟脉冲期间发送器释放SDA线(高电平)，此时接收器必须将SDA线拉低，使其在这个响应脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。

从当前数据传输的结束到下一数据传输的开始，被称为总线的空余时间。一般来说，因为一条总线下挂多个器件或者1个器件在一段时间内会被多次访问，所以I2C总线还存在总线的空余时间。I2C总线采用电平采样，在SCL为高电平期间，SDA必须保持平稳；当SCL为低电平时，SDA可以进行电平切换。

在I2C总线中还定义了一位读写位，读写位指示了数据传输的方向，当读写位为高电平时表示读数据，由主用模块产生向从属模块传输；当读写位低电平时表示写数据，数据流向是由从属模块到主用模块。读写位的判断有助于之后的测试。

I2C总线的帧结构如图4所示。

图4 I2C总线的帧结构

Fig.4 Frame structure of I2C bus

3 QSFP28光模块测试方法

光模块主要应用于园区交换机网、数据中心交换机等大型交换网络中。由于光模块是一种从属设备，目前大多数通信设备公司都是将光模块作为通信设备的一种物料对外进行采购，所以对于交换机和路由器等大型通信设备来说，光模块的适配和调试是极其重要的一个环节。一般来说，光模块的信号测试分为低速信号测试和高速信号测试。本文将重点介绍光模块的低速信号测试中的I2C的逻辑电平指标、时序指标及其研发调试过程中的方法，以及光模块的高速信号测试中的光眼图和电信号眼图测试。

3.1 I2C信号测试

在研发调试中，I2C接口测试[7]是其中的关键性工作。I2C总线给软件驱动人员提供了方便的接口，同时光模块内部定义了一些存储空间，平台软件可以调用I2C总线实现一系列的功能，方便用户对光模块进行管理和控制。例如，光模块内部控制芯片通过软件处理，可以实现用户对光模块告警以及光模块当前使用状态等重要信息进行监控。所以在调试验证过程中，必须严格遵循光模块I2C的电气指标要求、时序要求等。

在QSFP28光模块标准中，不仅定义了100 G光模块的封装结构，还定义了其电气指标和时序指标。其目的就是让各厂商所生产的光模块能够更好地兼容当前市面上的交换机等通信设备。低速信号电气参数、I2C时序要求及I2C时序图分别如表1、表2和图5所示。表1中，Vol所对应的Iol(max)=3.0 mA。SCL和SDA的VIH和VIH通过上拉电阻至Vcc。

表1 低速信号电气参数

表2 I2C时序要求

图5 I2C时序图

I2C信号为低速一驱多信号，同时也是电平采样，在实际应用中，通常可以不关注SDA下降沿是否单调，只要时序有充足的裕量即可。表3是使用泰克示波器得到的I2C时序测试结果。

表3 I2C时序测试结果

通过表3可以看出，该设计中的光模块I2C总线信号质量满足规范要求，硬件设计是没有问题的。

3.2 光模块高速信号测试

眼图质量将直接反映到硬件设计中。在硬件设计时，CAD工程师需要非常细心地对印刷电路板的高速信号线进行排版布线。稍有不慎，都可能给后期眼图调试带来无法预期的结果。硬件设计调试的目的就是保证光模块实际测试指标能够满足规范要求，其直接关系到光模块在实际使用过程中的可靠性。

3.2.1 光模块的眼图测试

根据模块功能来看，眼图测试可以分为发射端和接收端测试。发射端测试[8]主要是观察光模块发射光信号的眼图质量是否满足以太网定义规范要求。

从图2可以看出，光信号眼图测试是在TP2测试点，且测试光纤长度范围为2～5 m。本次试验采用的测试仪器是泰克DSA8300高带宽数字采样示波器和泰克CR286A时钟恢复模块。表4给出了100 G以太网所定义的100 G短距光模块发射光信号参数[9]。

表4 光模块发射光信号参数

在实际测试光信号眼图[10]时，关注最多的就是上述指标和眼图质量。在以太网标准中还定义了其他参数，本文没有详细介绍。表5列出了硬件研发调试阶段的光模块发射端测试结果，可以看出，眼图质量和测试指标都满足规范要求。

表5 光模块发射端测试结果

3.2.2 光模块的接收端扰动测试

随着数据速率增加，比特周期越来越短，因而抖动要求越来越高。从光模块整体角度来看，为了更好地反映光模块的抗抖动能力，需要对整个光模块业务链路进行测试。虽说以太网规范规定了接收端的规范指标，由于实际的交换网路产品开发过程中，测试人员通常没有找到合适的测试点去测试接收端的眼图质量，所以本文提供一种间接的测试手段来反映信号从光模块接收到发射整个闭环链路的情况。

这种测试方法也可以称为接收端扰动测试[11]。发射端链路和接收端链路在PMA子层进行环回，使信号不经过PCS子层。同时，在发射端注入抖动。这里的抖动指的是误码率在E-15之内所能容忍的抖动，可以用总抖动(total jitter，TJ)表示，总抖动也括随机抖动(random jitter，RJ)和确定性抖动(deterministic jitter，DJ)，注入的抖动必须在规定的范围之内。最后，使用误码仪分析发射端的误码率，要求误码率在E-15以下。该方法不仅避免了测试人员找不到测试点的情况，而且可以观察整条环回链路在恶劣情况下的误码率是否满足要求。

整个测试分为两个阶段。阶段一的抖动注入接收端Rx组网图如图6所示。

图6 抖动注入接收端Rx组网图

该阶段用于确定接收端需要注入的抖动大小，使得在眼图质量满足要求的情况下，其抖动逼近总抖动。

阶段二是通过误码分析仪观察此时的误码率。

通过试验可以发现，调节预加重模块使其眼高参数达到230 mV；开启抖动模块的RJ注入，在满足TJ<0.28 UI(单位间隔)的情况下，使其RJ注入值接近0.15 UI，根据经验注入RJ为0.136 UI；在RJ满足之后，开启抖动模块SJ注入，也是在满足TJ<0.28 UI的情况下调节DJ，根据经验注入DJ为0.5 UI。最后，根据上述一系列的参数设置，观察误码仪的误码率小于E-15，可以看出此光模块符合以太网规范要求。

4 结束语

目前，100 G以太网逐渐在数据中心和城域网络中流行起来，QSFP28光模块也展示了其高密集度、高速率等优势。以目前光模块的发展趋势来看，有4个方向值得关注。①随着大数据以及云计算时代的到来，需要光模块支持更高传输速率来满足人们的信息交流。目前，在理论上已经实现了更高效率的数据转化，在不久的未来就会出现更高速率的光模块产品。②高速率所带来的电磁辐射、严重的链路损耗以及阻抗匹配问题将直接影响到光模块传输距离。基于这种考虑，许多的光模块采用1 550 nm的波长。③光模块逐渐趋于小型化，以实现产品的高密集度。④光模块需要更低的功耗和价格来满足商用要求，以体现其商用价值。

光通信网络是现代信息交换、处理和传输的中流砥柱，而光模块是光纤接入网络的核心器件，其发展和创新还需要通信行业的工程师们共同努力。

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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

许朝蓬(1993—)，男，在读硕士研究生，主要从事园区交换机产品的硬件开发及测试工作。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