光模块技术解析：400G/800G连接器在数据中心组网中的选型与应用

在网络设备中，看似不起眼的光模块，其成本往往能占到整体方案相当高的比重。很多时候，购买一台交换机的花费，可能还不及为其配套的光模块多。今天，我们就深入解析一下大型数据中心网络中这个既基础又关键的部分：连接器（Connector）。

虽然“光模块”这个称呼更为通俗，但目前仍是光电并存的时代，尤其是铜缆（如DAC）仍有其应用场景，我们在此统称为“连接器”。

连接器基础知识

在大厂不同距离和场景下，如何选择合适的传输介质和连接器？可以参考下表：

结合上表，我们以具体的“400G QSFP-DD DR4”模块为例，拆解其命名含义。

• 400G：模块速率，表示通信带宽为400Gbps，是当前数据中心网络的典型速率之一。
• QSFP-DD：模块物理规格。
  • SFP 是起点，意为小型可热插拔模块。
  • Q 表示 Quad（四），即4路收发，是SFP的并行版本。类似地，DSFP 为双路，OSFP 为八路。
  • DD 表示双密度（Double Density），在兼容QSFP外形的基础上实现8路收发。
• DR4：模块的光学侧属性。
  • DR 表示传输距离（约500米）和光纤类型（单模）。
  • SR/VR 表示短距（约100米/50米）多模。
  • FR 表示2公里单模。
  • 4 表示4个并行光通道。同理，SR4、SR8、FR4的含义便不难理解。

还有一些变形，例如“800G OSFP 2×DR4”，表示模块上有两组DR4插槽，与单组DR8不同，它通常作为两个独立的400G通道使用。

更科学的命名如“400G QSFP-DD56 DR4”和“400G QSFP112 DR4”，其中“56”和“112”指单路电信号速率（单位Gb/s）。QSFP-DD（8路）配合56G信号实现8×50G=400G；QSFP（4路）配合112G信号实现4×100G=400G。两者光侧同为DR4，因此可以互联。同理，“400G QSFP112 SR8”与“400G QSFP-DD56 SR8”也能互联。

互联的关键在于信号速率的匹配，这依靠模块内部的DSP（数字信号处理器）进行“变速”处理。因此，DSP是可插拔光模块中技术含量最高的核心器件。有些方案会将光电转换组件（TOSA/ROSA）部分集成，或用硅光技术一体化封装，这主要影响成本和供应链。

网卡侧存在一些特例。例如，CX6 100G QSFP网卡可工作于4收4发（QSFP28）或2收2发（QSFP56）模式，因此常见网卡使用100G QSFP56 SR2，而交换机使用100G DSFP56 SR2的搭配。

下图展示了一个常见的400G QSFP-DD模块的内部结构爆炸图。

光模块的核心价值在于其内部器件，主要包括三大件：

1. DSP (oDSP)：负责电信号的整形、变速和前向纠错。
2. TOSA：光发射组件，将DSP处理后的电信号转换为光信号并注入光纤。
3. ROSA：光接收组件，接收光纤中的光信号并将其转换为电信号送给DSP。

熟练掌握这些基础结构及命名规则，是理解与设计网络/系统互联的基础。

目前，112G PAM4电信号已成熟商用（也是当前国产芯片的上限），224G PAM4即将规模部署，NVIDIA更是在NVLink 6中发布了448G。在数据通信领域，信号速率是技术实力的直接体现。

因此，纯技术角度看，400G QSFP112模块和800G OSFP112模块并无高下之分，特别是“800G OSFP 2×DR4”这种设计，更多是工程与成本权衡，而非技术跃迁。

光模块信号处理方式

不同类型的光模块，其内部信号处理方式也不同：

图：DR4模块在电信号侧进行合分，光信号侧采用物理并行

图：FR4模块在电信号和光信号上均进行合分（波分复用）

图：SR8模块在电信号和光信号上均不做合分，信号直通

图：LPO方案取消了DSP/CDR，由外部电信号直接驱动光组件

• DR4（图2）：电信号经DSP“变速”（如8x50G转为4x100G）后，驱动TOSA产生4路独立光信号，通过4芯光纤物理并行传输。反向亦然。这种物理并行特性支持端口拆分（如400G拆为4x100G）。
• FR4（图3）：电信号变速后，通过TOSA转换为4路不同波长的光信号，在模块内部合波后注入单芯光纤。这节省了长距离纤芯资源，但无法进行物理端口拆分。
• SR8（图4）：电信号和光信号均不做合分，通常无需昂贵DSP，可用成本更优的CDR（时钟数据恢复）芯片，其VCSEL激光器也更具成本优势。由于其物理并行特性，同样支持端口拆分。
• LPO（图5）：进一步简化，直接取消了DSP和CDR，类似无源铜缆（DAC），由交换机/网卡侧的电信号直接驱动光组件。优势是模块成本显著降低，但对网络/系统中主机侧电信号完整性要求极高，目前普及度有限。

端口拆分应用示意（DR4原理类似）：

图：400G QSFP-DD SR8模块拆分为2个200G端口的应用示例

硅光技术为何流行？

无论互联网厂商还是设备商，都在推动硅光（SiPho/SiPh）技术。原因何在？

图：硅光子技术集成了传统分立的光电、电光转换器件

图：硅光方案在集成度和潜在成本上的优势

硅光利用硅的半导体工艺和光电特性，将多个分立器件（如PD-光电探测器、TIA-跨阻放大器、Driver-激光驱动器）集成到单一的硅芯片上。这极大简化了光模块的封装工艺，降低了制造成本。对于追求极致成本的大型数据中心而言，这类技术具有天然吸引力。

从可插拔到CPO封装

谈到硅光，就不得不提更激进的封装形式：CPO（共封装光学）。

图：随着带宽需求提升，光收发器件与信号源芯片的集成越来越紧密

LPO的实践表明，长距离板级电信号传输的完整性面临挑战。很自然的思路是：将光电/电光转换部件（即光引擎OE）移至信号源芯片（如交换机ASIC）旁。硅光技术使OE得以微型化，从而能与计算芯片通过先进封装（如2.5D、3D）集成在一起，这就是CPO。

在CPO架构中，OE负责信号调制，通常需要外置可插拔的激光器模块为其提供光源。OE调制后的光信号通过极短的光路连接到设备面板。这种架构大幅缩短了电通道，降低了功耗，并省去了DSP。

然而，CPO并非万能。它通常针对特定场景（如全部使用DR模式、无需速率转换的密集Scale-Out互联）进行优化。在需要灵活连接、多速率兼容的通用数据中心网络（DCN）中，其优势不一定明显。NVIDIA发布的Spectrum-6交换机芯片采用CPO形态，正是瞄准了AI集群所需的Scale-Out网络场景。

CPO的优势侧重于性能和功耗，成本优势是理论上的。因为它将光引擎与特定交换芯片深度绑定，可能加剧供应商锁定。

大型数据中心的连接器选型逻辑

选型核心原则：在满足性能与功能的前提下，追求最低总拥有成本（TCO）。

1. 端口类型选择

基本原则：交换机端口类型应与服务器主流网卡的电信号规格对齐。

• 示例1：服务器采用100G QSFP56网卡（2路50G电信号），交换机也应选用2路50G的100G端口。这样可以使用低成本DAC直连，且避免端口拆分，有利于保障可靠性。
• 示例2：当CX7（200G/400G）成为主流，接入交换机采用400G QSFP112端口更为合适，既能直连400G服务器，也可拆分为200G使用。
  为什么交换机不直接做大量200G端口？这涉及交换机芯片容量、机箱面板密度、信号完整性以及散热等综合工程权衡。例如，51.2T芯片做成128x400G（4U高）是更成熟均衡的方案。

2. 可接受的拆分场景

通常不建议拆分以避免故障范围扩大，但在特定场景下，拆分反而能提升可靠性。
例如，在超大规模数据中心的多平面网络（HPN）中，故意将800G端口拆分为4x200G，并交叉连接到不同平面。这样，任一端口故障只会损失1/4的带宽，有效分散了风险。

图：多平面组网中的端口拆分及复杂的光纤交叉连接

但这种布线极其复杂。为此，引入了 Shuffle Box（光纤配线重组盒）来预制连接逻辑，简化现场部署。

图：预先按规则配置好拆分和组合逻辑的光纤Shuffle Box

图：使用Shuffle Box后，布线变得清晰简洁

Shuffle Box本质是定制化的光纤配线，成本增加有限，但能大幅降低部署复杂度并可能减少信号插损。当然，其缺点在于故障更换和长度规划稍显复杂。

3. 光模块的“软”规格

大厂对光模块的严格要求，还体现在软件和管理层面，以实现标准化运维：

• 标准管理接口：必须支持I²C接口，用于读取模块EEPROM信息（生产商、型号、实时温度、光功率、误码率等）。
• 固件可升级：支持通过I²C进行固件升级。
• 数据标准化：遵循CMIS等标准，确保各厂商模块信息格式统一，便于纳管平台进行资产管理、健康监测和故障预测。
• 性能指标：出厂误码率（BER）在Scale-Out网络中尤为重要。更优的原始BER意味着模块在真实机房环境（存在灰尘、磨损）下有更大的工作余量，网络稳定性更高。

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最后需要指出，光模块的所谓“暴利时代”已成过去，如今它是一个高度专业化、竞争充分且技术快速迭代的领域。对于数据中心网络工程师而言，理解其技术细节和选型逻辑，对于构建高效、可靠且成本优化的网络/系统至关重要。想了解更多关于服务器、存储及数据库/中间件/技术栈在分布式系统中的实践，欢迎访问云栈社区进行交流探讨。