- 产品与解决方案
- 行业解决方案
- 服务
- 支持
- 合作伙伴
- 关于我们
手册下载
H3C园区25G_100G以太网 技术白皮书-6W100-整本手册.pdf (1.82 MB)
H3C园区25G/100G以太网技术白皮书
Copyright © 2020 新华三技术有限公司 版权所有，保留一切权利。
非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。
除新华三技术有限公司的商标外，本手册中出现的其它公司的商标、产品标识及商品名称，由各自权利人拥有。
本文中的内容为通用性技术信息，某些信息可能不适用于您所购买的产品。
当前的园区网络接入层到汇聚层的上行链路带宽以10G为主、汇聚层到核心层的上行链路带宽以40G为主。随着Wi-Fi 6的逐渐普及、4K高清视频的广泛应用、企业云化的大量实施等新兴应用需求的出现，园区网络对网络带宽的要求越来越高，现有的10G/40G网络已不能满足需求。25G/100G升级方案作为一种高带宽、高密度、低成本、低功耗的解决方案，推动着园区网络朝着更高性能和灵活性的方向发展。
Wi-Fi 6（802.11ax）是目前最新一代的WiFi技术，理论最大传输速率为9.6Gbps。该技术具有高速率和带宽、低延迟、高网络容量等优秀特性，将极大地提升用户体验，因此推广速度较快（在2020年就将实现规模建设），并且支持WiFi 6的设备也越来越多。此外，4K高清视频、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、物联网（loT）等应用也将促进Wi-Fi 6的部署和发展。在很多使用场景下，WiFi 6用户带来的庞大的接入层数据流量需要更高的上下行网络带宽。
典型的4K分辨率4096x2160可提供880多万像素，该分辨率显示的细腻程度为1080P的4倍以上，因此4K被越来越多的应用在视频会议、高清直播、高清电影和电视等场景中。但是4K视频画面每一帧的数据量都达到了50MB、每秒的数据量达到了1.5GB以上，这给网络带宽带来了很大的压力。为了制作4K高清视频，广电IP媒体系统目前的10G端口也已无法满足网络带宽需求（无压缩带宽需求大于10G）。
企业云化可以实现灵活敏捷的管理，同时也可以节省硬件成本、提升办公效率、方便维护，已成为网络发展的新趋势。企业上云后，大量的数据需要通过网络进行访问和维护，在企业内部也有线上会议、数据共享等办公需求，这对网络的带宽、延迟、丢包率等提出了更高的要求。高性能的网络可以大幅降低传输时间、提高效率，同时也可以提升企业竞争力。
在园区网络带宽升级的过程中，不仅需要考虑网络带宽和质量，也需要考虑以下方面的内容：
· 升级成本：在提升网络带宽性能的同时，需要尽可能地节约升级成本。
· 兼容性：升级后的网络如果可以兼容已有设备、光模块和线缆，升级过程就可以逐步进行。
· 端口密度和单位带宽能耗：高端口密度的设备可以提供更多的上下行接口，单位带宽功耗较低的设备可以降低网络运行的能耗。
目前网络带宽升级有40G/100G方案和25G/100G方案，其中25G/100G方案以升级成本低、兼容性好、端口密度高和单位带宽能耗低等优势，已成为目前园区网络的主流升级方案。
本方案中接入层与汇聚层之间的链路带宽从10G升级到40G，汇聚层与核心层之间的链路带宽从40G升级到100G。
在升级接入层与汇聚层之间的链路时，可以新增额外的10G链路，实现高密度的10G网络部署，从而将整体网络带宽提升到40G。但是新增数据链路不仅需要大量的光模块和光纤，也会占用大量的端口，可能需要新增很多设备，网络也会变得非常复杂而难于维护。
如果将10G链路全部替换为40G链路，链路数量和原来相同，但是升级时需要一次性更换设备、光模块，多模光纤可能也会因工作距离有限而需要重新布线，升级成本较高。
该方案还有如下劣势：
· 光模块兼容性差：40G QSFP+光模块与10G SFP+光模块的封装方式不兼容，升级时10G光模块需要全部替换。
· 端口密度低：40G设备的端口密度较低，升级时需要购买更多的设备，占用更多的机房空间。
· 单位带宽功耗高：40G光模块使用4个10Gbps通道，单位带宽功耗较高。
因此，40G/100G方案在升级成本、光模块兼容性等方面表现不佳，目前已逐渐被25G/100G方案替代。
本方案中接入层与汇聚层间的链路带宽从10G升级到25G，汇聚层与核心层间的链路带宽从40G升级到100G。在IEEE 25G标准发布之后，本方案很快便因低成本、低功耗、高密度等优势得到了众多企业的认可。Electronic Design在一份2018年的报告中预测，园区网以及数据中心网络将向着25G和100G技术发展，而不是40G。
下面将介绍25G/100G方案的具体优势。
和40G/100G方案相比，25G/100G方案在成本方面具有很大的优势。
· 光纤可复用：通过光纤复用，本方案可以在提升网络带宽的同时有效地减少光纤成本。
· 端口密度高：25G设备拥有较高的端口密度。
· 光模块兼容性好：25G SFP28光模块和100G QSFP28光模块可以兼容现有网络的10G SFP+和40G QSFP+的光模块，升级过程可以分步进行，从而减少初始投资。
有关光纤复用、端口密度、兼容性的具体细节将在下文中进一步详细介绍。
25G/100G方案可以极大地提升网络带宽。接入层与汇聚层之间、汇聚层与核心层之间数据链路的带宽分别增加到过去的2.5倍，同时上下行带宽收敛比保持不变，用户体验和原有网络保持一致。而40G/100G方案会导致收敛比变化，可能需要重新设计网络架构。
图1 网络带宽提升为原来的2.5倍
25G SFP28（MSA标准SFF 8431）光模块和10G SFP+（MSA标准SFF 8431）光模块的封装方式相同，25G端口可以使用10G光模块，端口速率自适应为10G。
40G QSFP+（MSA标准SFF 8436）光模块和100G QSFP28（MSA标准SFF 8665）光模块封装方式相同，100G端口可以使用40G光模块，端口速率自适应为40G。
因此，25G/100G方案的光模块兼容性较好，在网络升级时可以先升级设备，之后再按计划逐步完成光模块的替换，最终实现网络的整体升级。
图2 光模块的升级可以分步进行
用于10G/40G网络的光纤可以在25G/100G网络中继续使用，可以尽量避免重新布线，网络升级更加便捷。
25G SFP28光模块和10G SFP+光模块都使用LC连接器，因此在不超过最大传输距离的情况下，用于10G网络的单模、多模光纤可以继续在25G网络中使用。
图3 LC连接器外观图
40G QSFP+光模块和100G QSFP28光模块都支持MPO接口或LC接口，并且光纤的传输距离基本相同。用于40G网络的单模、多模光纤可以继续在100G网络中使用。
图4 MPO连接器外观图
表1 H3C光模块支持的最大传输距离
|
光纤类型 |
10G光模块 |
25G光模块 |
40G光模块 |
100G光模块 |
|
9µm单模光纤（LC接口） |
80km |
10km |
40km |
40km |
|
62.5µm OM3多模光纤（LC接口） |
33m |
70m |
- |
- |
|
50µm OM4多模光纤（LC接口） |
300m |
100m |
350m |
100m |
|
50µm OM4多模光纤（MPO接口） |
- |
- |
400m |
300m |
以10km光模块为例，在最大传输距离下，25G光模块和10G光模块相比带宽增加了1.5倍，功耗仅增加了50%，单位带宽功耗略有降低；100G光模块和40G光模块相比带宽增加了1.5倍，但功耗没有增加，单位带宽功耗显著降低。因此，25G/100G网络方案可以节约网络运行成本。
表2 10G/25G/40G/100G光模块功耗对比（以10km光模块为例）
|
项目 |
10G光模块 |
25G光模块 |
40G光模块 |
100G光模块 |
|
通道 |
1*10G |
1*25G |
4*10G |
4*25G |
|
功耗 |
1W |
1.5W |
3.5W |
3.5W |
25G/100G网络设备支持48+8的高端口密度，这与10G网络设备的端口密度相同；而全40G端口的设备最多支持32的端口密度，端口密度较低。25G/100G网络设备的端口密度更具优势。
图5 S6550XE-56HF-HI（48*25G+8*100G）设备前面板
图6 S6800-32Q（32*40G）设备前面板
符合IEEE 25G标准的SFP28光模块，不仅在封装方式上兼容10G SFP+光模块，也采用了各种新技术来提升传输速率并保证数据传输的准确性。
25G SFP28光模块的IEEE标准如表3所示。根据该标准，25G SFP28光模块支持通过单模光纤（SMF，Single Mode Fiber）、多模光纤（MMF，Multi Mode Fiber）或无源电缆建立数据链路。得益于Serdes、FEC和CDR等技术，光模块在单个通道上实现了25Gbps速率的可靠传输。
|
标准 |
接口类型 |
线缆类型 |
最大传输距离 |
|
IEEE P802.3by |
25GBASE-CR |
无源电缆 |
5m |
|
25GBASE-SR |
MMF光纤 |
100m |
|
|
IEEE P802.3cc |
25GBASE-LR |
SMF光纤 |
10km |
|
25GBASE-ER |
SMF光纤 |
40km |
在本方案中，100G 光模块采用的封装方式QSFP28是目前的主流标准，采用4x25Gbps的方式传输100G数据信号。相比其他封装方式，QSFP28具有端口密度高、功耗低、成本低等优势，
SerDes是（Serializer-Deserializer）是串行器和解串器的简称，串行器（Serializer）也称为SerDes发送端（Tx），解串器（Deserializer）也称为接收端（Rx）。SerDes是目前主流的高速串行点对点通讯方式，它接收将要传输的数据并进行序列化处理，然后发送到对端的解串器，接收端的解串器再将这些序列化的比特流重组为数据然后交给接收器使用。
图7 SerDes技术
SerDes技术不仅在单板内部应用于PCIE、SATA、SWITCH和PHY芯片之间通信，通过光纤和电缆连接的通信设备之间也主要使用该技术。目前主流的25G SerDes技术实现了单通道25Gbps的数据传输速率，性能是上一代10G SerDes技术的2.5倍。单通道速率越高，单位带宽的功耗就越低，同时通道数量少的光模块对连接线缆的要求也低。
表4 常见的网络接口速率和通道数
|
接口类型 |
时钟速率 |
通道数 |
数据速率 |
|
1GbE |
1.25Ghz |
1 |
1Gbps |
|
10GbE |
10.31Ghz |
1 |
10Gbps |
|
25GbE |
25.78Ghz |
1 |
25Gbps |
|
40GbE |
10.31Ghz |
4 |
40Gbps |
|
100GbE |
25.78Ghz |
4 |
100Gbps |
基于该技术，SFP28模块使用一条通道实现了25Gbps的速率。目前主流的100G QSFP28光模块是通过4个25Gbps的 SerDes通道实现的，速率和25G光模块完全匹配，可以通过一分四线缆将1个100G QSFP28端口和4个25G SFP28端口对接。
IEEE RS-FEC 802.3bj-2014标准里定义了FEC（Forward Error Correction，前向纠错）技术，它在数据发送端为数据报文附加纠错信息，接收端利用纠错信息纠正数据报文传输过程中产生的误码。该技术可以有效降低信道误码率，提高信号质量，从而延伸物理介质的最远传输距离，但也会带来一些传输延时。
图8 FEC技术
FEC主要分为BASE-R FEC和RS-FEC两种。
· BASE-R FEC在IEEE CLAUSE 74中定义，主要服务于10GBASE-KR、40GBASE-KR4、40GBASE-CR4和100GBASE-CR10 PHYs。
· RS-FEC在IEEE CLAUSE 108中定义，主要服务于25GBASE-CR、25GBASE-CR-S、25GBASE-KR、25GBASE-KR-S和25GBASE-SR PHYs。在IEEE CLAUSE 91中定义了RS-FEC也可服务于100G BASE-CR4、100G BASE-KR4和100G BASE-SR4 PHYs。
表5 25G 标准中的FEC模式
|
物理介质 |
接口名称 |
FEC 模式 |
|
光纤 |
25GBASE-SR |
RS-FEC |
|
直连铜缆 |
25GBASE-CR |
FEC or RS-FEC |
|
直连铜缆 |
25GBASE-CR-S |
BASE-R FEC or disabled |
|
电子背板 |
25GBASE-KR |
BASE-R FEC or RS-FEC |
|
电子背板 |
25GBASE-KR-S |
BASE-R FEC or disabled |
|
双绞线 |
25GBASE-T |
N/A |
IEEE标准定义了两种背板和电缆接口，带-S的短距接口使用高质量背板或者电缆，可以不使用FEC纠错功能，将信号传输时延降至最低，用于短距离传输；不带-S的标准接口是为了降低组网成本，允许使用低成本电缆和背板，同时开启FEC纠错功能，用于长距离传输。
PAM4（4-level Pulse Amplitude Modulation，4级脉幅调制）是目前比较热门的高阶调制方式，已在高速互联领域得到了越来越广泛的使用。在PAM4出现之前，NRZ（Non-Return-to-Zero，不归零编码）调制方式一直是主流，其中数据被编码为一系列的固定电压电平（低= 0，高= 1），每个符号周期可传输1bit的逻辑信息。随着传输速率的提升，NRZ调制在成本、光电转换带宽、外部干扰等方面的局限性越来越明显，已逐渐不能满足高性能网络的要求。
PAM4调制方式采用00/01/10/11四个不同的信号电平来传输数据，在每个符号周期可以表示2bit的逻辑信息。因此如果要传输相同的信号，通过PAM4调制的数据，波特率只有NRZ的一半。低波特率降低了对光模块等元器件的要求，从而节省了成本。PAM4技术能够实现单通道最高53.125bps的传输速率，这极大地提升了光模块的性能。目前100G QSFP28光模块已经应用了PAM4技术。
如下图所示，NRZ采用0/1两种电平，PAM4采用00/01/10/11四种电平。
图9 NRZ和PAM4的电平
接收端光模块通过CDR（Clock and Data Recovery，时钟数据恢复）技术从接收的串行数据中恢复时钟信息，并利用该时钟信息对数据信号重新采样，得到稳定可靠的数据。该技术可以降低外部干扰对数据的影响、减小信号的相位误差、提升接收信号的质量，同时也可以降低传输系统对布线的要求，提升端口密度。在一些传输速率高、距离长的光模块中，例如传输距离为40Km或80Km的10G光模块，以及25G和100G光模块都使用了CDR技术。
图10 CDR的效果
表7 汇聚层产品介绍（盒式设备）
|
产品系列 |
产品型号 |
业务口支持情况 |
|
S6550XE-HI系列 |
S6550XE-56HF-HI |
48个25G SFP28接口和8个100G QSFP28接口 |
S6550XE-HI系列高性能25G盒式以太网交换机，是H3C公司采用业界领先的ASIC技术开发的新一代高性能、高端口密度、高安全性的25G接口三层以太网交换机，支持IPv4/IPV6双栈管理和转发，支持静态路由协议和RIP、OSFP、BGP、ISIS等路由协议，支持MPLS、支持丰富的管理和安全特性。
产品主要定位：园区固定端口25G交换机或广播电视台IP媒体系统定制25G交换机。
· 在园区网中，S6550XE-HI可以作为汇聚层设备，或作为中小企业的核心设备；在城域网或者行业用户中，可以提供25G下行接口和100G上行接口。
· 在广播电视台IP媒体的总控/分控系统中，S6550XE-HI可以作为分控交换机，将接入层网络带宽升级到25G，同时提供100G上行接口和总控核心交换机相连接。
图11 S6550XE-56HF-HI系列交换机
通过在S10500X系列框式交换机上安装SFP28接口业务板，可获得多个25G端口。
· 方案一：选配LSUM1YGS24CSSH0 SFP28接口业务板，获取24个25G SFP28接口和4个100G QSFP28接口；
· 方案二：选配LSUM1YGS48XSH0 SFP28接口业务板，获取48个25G SFP28接口，同时需要再选配一个100G业务板提供100G上行接口，具体支持的100G业务板请参见2.3 表12。
表8 汇聚层产品介绍（框式设备）
|
业务板类型 |
产品型号 |
业务口支持情况 |
适用产品 |
|
25G SFP28接口业务板 |
LSUM1YGS24CSSH0 |
24个25G SFP28接口 4个100G QSFP28接口 |
S10500X系列交换机 |
|
LSUM1YGS48XSH0 |
48个25G SFP28接口 |
图12 LSUM1YGS24CSSH0业务板
图13 LSUM1YGS48XSH0业务板
设备通过安装LSWM2ZSP2P接口模块，可以获得2个25G SFP28上行接口。不需要更换接入层交换机设备，从而节约升级成本。
表9 接入层产品介绍
|
产品型号 |
业务口支持情况 |
适用产品 |
|
LSWM2ZSP2P |
2个25G SFP28接口 |
S6520X-SI系列多速率以太网交换机： · 下行提供5G/2.5G/1000/100 BASE-T自适应以太网口 · 上行提供1个扩展卡插槽 |
|
S5560X-EI、S5500V2-EI系列以太网交换机： · 下行提供10/100/1000 BASE-T自适应以太网口或千兆SFP口 · 上行提供4个SFP+口，1个扩展卡插槽 |
图14 LSWM2ZSP2P接口模块
通过在S10500X、S12500G-AF框式交换机上安装QSFP28接口业务板，可获得多个100G端口。不同的接口业务板提供的100G端口数量不同，用户可根据实际需要进行选择。
|
业务板类型 |
产品型号 |
业务口支持情况 |
适用产品 |
|
100G QSFP28接口业务板 |
LSUM1CGS8SH0 |
8个100G QSFP28接口 |
S10500X系列交换机 |
|
LSUM1CGS20XSH0 |
20个100G QSFP28接口 |
||
|
LSUM1CGS32XSH0 |
32个100G QSFP28接口 |
||
|
LSXM1CGQ8TD2 |
8个100G QSFP28接口 |
S12500G-AF系列交换机 |
|
|
LSXM1CGQ18TE2 |
18个100G QSFP28接口 |
||
|
LSXM1CGQ18TD2 |
18个100G QSFP28接口 |
||
|
LSXM1CGQ36TE2 |
36个100G QSFP28接口 |
图15 100G QSFP28接口业务板（以LSUM1CGS32XSH0为例）
表11 SFP28光模块列表
|
外观图 |
光模块型号 |
中心波长(nm） |
接口连接器 |
接口线缆规格 |
模式带宽(MHz*km) |
最大传输距离 |
|
|
SFP-25G-SR-MM850 |
850 |
LC |
50/125µm MMF |
2000 |
关闭FEC协商功能：30m 开启FEC协商功能：70m |
|
4700 |
关闭FEC协商功能：40m 开启FEC协商功能：100m |
|||||
|
SFP-25G-LR-SM1310 |
1310 |
LC |
9/125µm SMF |
- |
10km |
表12 SFP28线缆列表
|
外观图 |
线缆类型 |
线缆型号 |
线缆长度 |
|
|
25G SFP28电缆 |
SFP-25G-D-CAB-1M |
1m |
|
SFP-25G-D-CAB-3M |
3m |
||
|
SFP-25G-D-CAB-5M |
5m |
||
|
|
25G SFP28光缆 |
SFP-25G-D-AOC-3M |
3m |
|
SFP-25G-D-AOC-5M |
5m |
||
|
SFP-25G-D-AOC-7M |
7m |
||
|
SFP-25G-D-AOC-10M |
10m |
||
|
SFP-25G-D-AOC-20M |
20m |
表13 QSFP28光模块列表
|
外观图 |
光模块型号 |
中心波长（nm） |
接口连接器类型 |
接口线缆规格 |
模式带宽(MHz*km) |
最大传输距离 |
|
|
QSFP-100G-SR4-MM850 |
850 |
MPO（PC端面） |
50/125µm MMF |
2000 |
70m |
|
4700 |
100m |
|||||
|
QSFP-100G-SR4-MM850-A |
850 |
MPO（PC端面） |
50/125µm MMF |
2000 |
70m |
|
|
4700 |
100m |
|||||
|
QSFP-100G-eSR4-MM850 |
850 |
MPO（PC端面） |
50/125µm MMF |
4700 |
300m |
|
|
QSFP-100G-PSM4-SM1310 |
1295～1325 |
MPO（APC端面） |
9/125µm SMF |
- |
500m |
|
|
|
QSFP-100G-SWDM4-MM850 |
四条通道： 850/880/910/940 |
LC |
50/125µm MMF |
2000 |
75m |
|
4700 |
100m |
|||||
|
QSFP-100G-CWDM4-SM1300-A |
四条通道： 1271/1291/1311/1331 |
LC |
9/125µm SMF |
- |
2km |
|
|
QSFP-100G-LR4L-WDM1300 |
四条通道： 1264.5～1277.5 1284.5～1297.5 1304.5～1317.5 1324.5～1337.5 |
LC |
9/125µm SMF |
- |
2km |
|
|
QSFP-100G-LR4-WDM1300 |
四条通道： 1295/1300/1304/1309 |
LC |
9/125µm SMF |
- |
10km |
|
|
QSFP-100G-ER4L-WDM1300 |
四条通道： 1294.53～1296.59 1299.02～1301.09 1303.54～1305.63 1308.09～1310.19 |
LC |
9/125µm SMF |
- |
40km |
MPO连接器根据插芯端面研磨角度的不同分为以下两种：
· PC（Physical Contact）端面，其插芯端面为平面；
· APC（Angle-Polished Contact）端面，其插芯端面为斜面，通常为8°斜角。
表14 QSFP28线缆列表
|
外观图 |
线缆类型 |
线缆型号 |
线缆长度 |
|
|
100G QSFP28电缆 |
QSFP-100G-D-CAB-1M |
1m |
|
QSFP-100G-D-CAB-3M |
3m |
||
|
QSFP-100G-D-CAB-5M |
5m |
||
|
|
100G QSFP28光缆 |
QSFP-100G-D-AOC-7M |
7m |
|
QSFP-100G-D-AOC-10M |
10m |
||
|
QSFP-100G-D-AOC-20M |
20m |
||
|
|
100G QSFP28 to 4x25G SFP28电缆 |
QSFP-100G-4SFP-25G-CAB-1M |
1m |
|
QSFP-100G-4SFP-25G-CAB-3M |
3m |
||
|
QSFP-100G-4SFP-25G-CAB-5M |
5m |
图16 Wi-Fi 6的应用
Wi-Fi 6 AP设备在25G/100G园区网络的典型应用如3.2 图15所示。在该场景中，WiFi 6 AP设备通过多速率以太网口（5G/2.5G/1000/100BASE-T自适应以太网口）接入S6520X-SI系列交换机；接入交换机通过25G接口模块扩展卡上行连接到汇聚交换机S6550XE-HI/S10500X；汇聚交换机通过100G接口上行连接到核心交换机S10500X/S12500G-AF。
在大中型企业或园区网中，S6550XE-HI、S10500X系列以太网交换机可作为汇聚层交换机，提供高性能、大容量的数据交换和100G上行服务；S5560X-EI、S5500V2-EI系列交换机作为接入交换机，可提供1G接入服务，并通过25G接口模块扩展卡上行连接到汇聚交换机。
图18 Spine-Leaf架构集中控制方案
广播电视台的IP总控/分控系统网络采用Spine-Leaf架构：总控系统作为Spine节点，分控系统作为Leaf节点，各节点都采用主备模式。S10500X/S12500G-AF系列交换机可以作为总控系统核心交换机，负责台内外信号的接收、分配、调度和传输，并建立全台的总同步；S6550XE-HI/S10500X系列交换机可以作为分控系统交换机，部署于台内各制播业务单元，并按需和总控系统互联、将数据发送给总控系统的核心交换机处理。
表15 缩略语
|
缩略语 |
英文全称 |
中文全称 |
|
FEC |
Forward Error Correction |
前向纠错 |
|
IEEE |
Institute of Electrical and Electronics Engineer |
电子电气工程师学会 |
|
Serdes |
SERializer/DESerializer |
串行器/解串器 |
|
SFP28 |
Small Form-factor Pluggable 28Gbps |
28G小封装可插拔模块 |
|
QSFP28 |
Quad Small Form-factor Pluggable 28Gbps |
四路28G小封装可插拔模块 |
|
WDM |
Wavelength Division Multiplexing |
波多路复用技术 |
|
SMF |
Singal Mode Fiber |
单模光纤 |
|
MMF |
Multi Mode Fiber |
多模光纤 |
|
NRZ |
Non-Return-to-Zero |
不归零编码 |
|
PAM4 |
4-level Pulse Amplitude Modulation |
4级脉幅调制 |
|
CDR |
Clock and Data Recovery |
时钟数据恢复 |
支持
