SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28的区别及参数指南、实际应用与电路设计

SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28的区别及参数指南、实际应用与电路设计

1.简介
     光纤传输，即以光导纤维为介质进行的数据、信号传输。光导纤维，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。光纤传输一般使用光缆进行，单根光导纤维的数据传输速率能达几Gbps，在不使用中继器的情况下，传输距离能达几十公里。光模块的选型和升级是我们持续学习的关注的对象，SFP、SFP+、SFP28、QSFP+和QSFP28这些都是光 模块的封装类型，这些可热拔插光模块都可用于连接网络交换机和其他网络设备（如服务器等）进行数据传输。 这些型号在兼容性方面差异很大，它们的性能水平也有很大差异。下面是几种常见的光模块类型：

不同类型光模块的性能及应用场景：

相关术语和定义：

2.几种光模块的定义和区别
2.1.SFP
SFP是SMALL FORM PLUGGABLE（小型可插拔）的缩写，可以简单的理解为GBIC的升级版本，它的体积只有GBIC模块的1/2。这种设计极大地增加了网络设备的端口密度。SFP封装光模块的传输速率有155M、1.25G、2.5G等，接口类型主要以LC接口为主，一般用在SONET/SDH网络、百兆/千兆以太网以及其他低速传输应用。
SFP 收发器采用模块化设计，可以轻松互换，以满足不断变化的网络要求。 它们可以插入任何 SFP 端口并通过单模或 多模光纤光缆、铜缆或两者的组合。 它们使用各种光学技术，例如 VCSEL 和 DFB 激光器，使其适合广泛的应用。 SFP 收发器具有多速率功能，这意味着它们可以支持从 100Mb/s 到 10Gb/s 的数据速率。
SFP 收发器有两种主要类型：单模 (SM) 和多模 (MM)。 单模光纤电缆具有较小的芯直径，可以在更长的距离和更高的速度下传输数据，并且信号衰减更少，使其适合长途电信应用。 多模光纤电缆具有较大的芯直径，可以在较短的距离内以较低的速度传输数据，但比单模光纤电缆更具成本效益。 SFP 收发器还与铜缆兼容，使其成为短距离数据通信的理想选择。
2.2.SFP+
SFP+与SFP外观尺寸相同，SFP+封装光模块的传输速率有6G、8G、10G等，采用该封装类型的有6G/8GFC光模块、10G光模块、10G电口模块、10G DAC高速线缆以及10G AOC有源光缆。SFP+系列产品主要用于数据中心10G（10GBASE-SR）以太网链路中。
SFP 和 SFP+收发器在设计和功能上相似，但 SFP+ 收发器具有高达 16Gb/s 的更高数据传输速率，并且向后兼容 SFP 端口。 SFP+ 收发器还降低了功耗，并且比同类收发器更具成本效益。 SFP+ 收发器采用与 SFP 收发器相同的机械外形尺寸，因此可以轻松将其集成到现有网络系统中，而无需进行任何硬件修改。
SFP+ 收发器，称为小型可插拔 Plus 收发器，是紧凑的热插拔模块，支持各种数据通信协议。 这些收发器将传入的电信号转换为光信号，然后将光信号重新转换为电信号，从而允许通过光纤或铜网络传输数据。 SFP+ 收发器可以在不同的波长和距离下运行，为网络配置和要求提供更大的灵活性.
SFP+ 收发器广泛应用于现代计算和网络系统中，通过光纤或铜缆传输高速数据。 它们支持各种数据通信协议，例如以太网、光纤通道和SONET/SDH，使其适用于不同行业，例如电信、数据中心和企业网络。 SFP+收发器还兼容各种网络交换机、路由器和其他网络设备，提供高度的互操作性和灵活性。
SFP+ 收发器有不同的类型，并具有多种特性和功能。 它们可以支持从 1 Gbps 到 16 Gbps 的不同速率，从而可以在短距离和长距离上传输大量数据。 SFP+ 收发器还具有多种连接器类型，例如 LC、SC 和 RJ45，用于连接不同种类的光纤 光缆或铜缆类型。 它们还支持不同的工作温度和功率水平，使其适合在其他环境条件下使用。
2.3.SFP28
SFP28是SFP+的加强版，和SFP+具有相同的尺寸，但其能支持单通道25Gb/s的速率。SFP28为10G-25G-100G网络升级提供了一种高效的解决方案，可满足下一代数据中心网络持续增长的需求。
SFP28 收发器是 SFP+ 收发器的增强版本，支持更高的 25 Gbps 速率。 尽管 SFP28 收发器提供更快的数据传输，但与 SFP+ 收发器相比，它们的距离能力有限。 SFP28 收发器也不向后兼容 SFP+ 收发器，因此不适合在需要与 SFP+ 收发器互操作的系统中使用。 不过，SFP28光模块适合使用在云计算、大数据、高性能计算等需要高速数据传输的行业。
SFP28 收发器是模块化设备，可以插入网络设备中的兼容端口。 它们使用光纤电缆传输和接收数据，并用于在相对较短的距离内连接网络设备。 它们因其尺寸小、功耗低和数据传输速度快而受到欢迎。 它们的成本也相对较低，非常适合企业和数据中心应用。

SFP28 收发器在 850 纳米 (nm) 波长下运行，支持以高达 28 Gbps 的系统速率传输数据。 它们设计用于与多模光纤电缆配合使用，具有成本效益且广泛使用。 它们通常用于数据中心和其他短距离应用，用于交换机、服务器和其他网络设备之间的互连。
SFP28 收发器的主要优点之一是尺寸小，这使得它们能够用于广泛的网络应用。 它们还具有较低的功耗，这使得它们非常适合在节能数据中心中使用。 SFP28 收发器还易于安装，因为它们可以热插拔，这意味着它们可以在不关闭系统电源的情况下插入网络设备或从网络设备中拔出。

然而，与其他收发器相比，SFP28 收发器的范围有限，这意味着它们仅适用于短距离网络应用。 它们也比不同类型的收发器更昂贵，这使得它们对于某些考虑成本的应用不太有吸引力。
2.4.QSFP+
QSFP+封装能同时支持4通道传输，每条通道数据速率为10Gbit/s，通过4个通道实现40Gbps传输速率。与SFP+相比，QSFP+光模块的传输速率可达SFP+光模块的四倍，在部署40G网络时可直接使用QSFP+光模块，从而在有效节省成本的同时提高端口密度。
Quad Small Form-factor Pluggable Plus
四小体积可插入(QSFP +)的解决方案是专为高密度的应用程序。系统组件的包括电磁干扰(EMI)屏蔽,活跃的光缆(AOC)、被动铜电缆组件,活跃的铜电缆组件,光学MTP电缆组件,光学回环,主机连接器,连接器和笼子层叠式集成。
2.5.QSFP28
QSFP28封装类型是为满足100G应用需求而产生的，它能同时支持4通道传输，每条通道数据速率为25Gbit/s，通过4个通道实现100Gbps传输速率。可满足100G以太网（4×25Gbps）与EDR InfiniBand 的应用需求。
QSFP28 收发器是网络基础设施中使用的另一种流行的光收发器类型。 这些设备与 SFP28 收发器类似，但可以以高达 100 Gbps 的更高速度传输和接收数据。 它们也比 SFP28 收发器更广泛、更昂贵。

这两类收发器之间的主要区别在于它们的尺寸、功耗和数据速率。 QSFP28 收发器比 SFP28 收发器更大、更耗电，但提供更高的数据速率和更广泛的范围。 另一方面，SFP28 收发器更小、更节能，非常适合短距离和低功耗应用。
QSFP28 收发器以其高数据传输速率、低功耗和长距离连接能力而闻名。 它们具有 4x28Gbps 数据传输速率，提供比其他收发器更快的数据传输速度。 此外，QSFP28 收发器比其他收发器消耗更少的功率，使其成为节能选择。 它们还可以长距离传输数据，最远可达 10 公里，而不会损失信号强度。 其他主要功能包括额定传输速度 103.125 Gbps。
2.6.不同光模块的差异化
收发器的性能各不相同，每种类型具有不同的数据传输速率。 例如，SFP 收发器的数据传输速率为 1 Gbps，而 SFP+ 收发器的数据传输速率为 10 Gbps。 SFP28 收发器提供更高的数据传输速率，高达 28 Gbps。 QSFP28 收发器是性能最高的收发器类型，提供高达 100 Gbps 的令人印象深刻的数据传输速率。
SFP 收发器通常用于需要低数据传输速率的应用，例如局域网 (LAN) 和存储网络。 SFP+ 收发器最适合数据中心、服务器场和存储区域网络 (SAN) 等高速应用。 SFP28收发器通常用于需要高速、低功耗网络的应用，例如云计算和虚拟化。 QSFP28 收发器通常用于高性能计算和数据中心等高速网络应用。
3.光模块的参数及命名
3.1.波长
3.1.1中心波长的定义
光模块里的激光器发出的不是单一频率，而是一小段光谱。
中心波长就是这段光谱的中间值，单位：nm（纳米）。
简单说：中心波长 = 光模块发出来的光的 “颜色 / 频率”，是光通信里最基础、最关键的参数之一。
中心波长：单位纳米（nm），目前主要有3种：
*850nm（MM，多模，成本低但传输距离短，一般只能传输500M）；
*1310nm (SM，单模，传输过程中损耗大但色散小，一般用于40KM以内的传输)；
*1550nm (SM，单模，传输过程中损耗小但色散大，一般用于40KM以上的长距离传输，最远可以无中继直接传输120KM)；
3.1.2不同中心波长的性能
因为光纤对不同波长的 “损耗、色散” 完全不一样，直接决定：
能传多远
用多模还是单模光纤
能不能和其他波长波分复用（WDM）
1） 850nm
多用于多模光纤 MMF
损耗大、色散大
只能短距离：几十米～100 米
典型：10G SR、25G SR、100G SR4
2）1310nm
单模光纤 SMF
色散最小（零色散波长附近）
损耗中等
距离：10km 左右
典型：10G LR、25G LR、100G LR4
3） 1550nm
单模光纤 SMF
光纤损耗最低
色散稍大，但适合长距离
距离：40km、80km、120km+
典型：ER、ZR 长距光模块
3.1.3中心波长的影响
1）传输距离
·  波长越偏向 1550nm → 损耗越小 → 传得越远
2）光纤类型匹配
·  850nm → 多模光纤
1310/1550nm → 单模光纤波长和光纤不匹配，距离会大幅缩水甚至不通。
3）色散大小
·  1310nm：色散最小
850nm、1550nm：色散更大色散大 → 高速率（25G/100G）距离受限
4）能否波分复用（WDM）
  CWDM、DWDM 就是用不同中心波长在一根光纤里同时传多路信号
波长必须严格标准、互不干扰
5） 接收端灵敏度
波长不对，光信号进不了接收端滤波器，直接导致：
 收无光
误码高
链路不通

3.2.色散
3.2.1色散定义
光在光纤里传输时，不同频率 / 不同模式的光跑得速度不一样，到达接收端时间不同，导致脉冲被 “拉宽、重叠”，这就是色散。
色散越大，信号越容易畸变、误码越高、传输距离越短。
主要分三类：
模间色散（多模光纤 MMF）
色度色散 CD（单模 SMF） 
偏振模色散 PMD（单模长距）
3.2.2色散的影响
1）传输距离（最直接）
色散越大 → 可传输距离越短
同样速率、同样模块：色散超标就必须缩短距离或加色散补偿
2）误码率 BER
色散导致码间干扰 ISI → 信号重叠 → 误码飙升
BER 超标会导致：
o链路频繁 DOWN
o丢包、重传、业务卡顿
3）接收灵敏度
色散越大，需要更高的接收光功率才能正确判决
灵敏度变差 → 链路余量变小，更容易不稳定
4）眼图质量（工程师最直观）
色散大 → 眼图：
眼图闭合、变窄
抖动 Jitter 增大
噪声底抬高→ 直接影响高速率（25G/50G/100G/400G）能否开通
5）支持的信号速率
低速（1G/10G）对色散不敏感
高速（25G+、50G、100G、400G）对色散极其敏感同样色散值：
o10G 可能跑 100km
o100G 可能只能跑 10km
6）光纤类型与模块选型
多模光纤模间色散大 → 只能短距（100m～300m）
单模光纤色散小 → 可长距（10km/40km/80km）
色散大的场景必须用：
o窄线宽激光器
o色散补偿光纤 DCF
o高阶调制 + DSP 均衡（如 PAM4、相干光模块）
7）系统冗余与稳定性
色散余量不足 → 温度、老化、光纤微弯都会导致链路波动
长距工程必须预留色散预算
3.2.3色散对不同模块的影响

色散大小直接决定：能传多远、误码高不高、眼图好不好、速率能跑多高、链路稳不稳定。

3.3.传输速率
指每秒钟传输数据的比特数（bit），单位bps，155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps、40Gbps、100Gbps等。155M光模块也称FE（百兆）光模块，1.25G光模块也称GE（千兆）光模块，10G光模块称为万兆光模块。
3.4.传输距离
指光信号无需中继放大可以直接传输的距离，单位千米（也称公里，km）,光模块一般有以下几种规格：多模550m，单模15km、40km、80km和120km等等。
3.5.传输衰减
850nm波长用于多模光纤时： 3.0dB/KM
1310nm波长用于多模光纤时： 1.0dB/KM
1310nm波长用于单模光纤时： 0.4dB/KM
1550nm波长用于单模光纤时： 0.2dB/KM

3.6.光接口类型

SC接口采用矩形塑料插拔式结构，外壳呈矩形。其机械连接方式为推拉式，采用插拔销闩式紧固，无需旋转即可完成连接和断开。SC接口常用于光纤收发器、路由器、交换机，广泛应用于光纤到户、企业网络以及数据中心。
LC接口为卡接式小方形接口，结构紧凑，尺寸约为SC接口的一半，插针和套筒尺寸为1.25毫米。其采用操作方便的模块化插孔闩锁机理。LC接口连接SFP模块，因其高密度优势，是当前数据中心和网络运营商中使用最为广泛的连接器类型。 
ST接口采用金属圆型卡口式结构，外壳呈圆形。其紧固方式为螺丝扣或旋转卡口，插入后旋转半周由卡口固定。ST接口常用于光纤配线架、终端盒设备，适用于户外、工业环境及需要高抗干扰能力的场所。
FC接口为圆型带螺纹结构，外部加强方式采用金属套。其紧固方式为螺丝扣。FC接口一般电信网络采用，常用于光端机、ODF
关键性能指标包括插入损耗一般要求不大于0.5dB，回波损耗典型值不小于25dB且实际应用一般不低于45dB，抗拉强度一般行业标准要求不低于90N，工作温度范围通常为-40℃~+70℃，插拔次数一般可达一千次以上。 

3.7.光模块命名

4.具体硬件板卡设计及参考
4.1. SFP/SFP+ 4路光纤采集PCIE板卡设计

JX730是一款基于PCI Express总线架构的4路10G光纤通道适配器，板卡具有4通道SFP+万兆光纤接口，x8 PCIE主机接口，具有1组64位DDR3 SDRAM作为高速缓存，可以实现4通道光纤网络数据的高速采集、实时记录和宽带回放。
该板卡还具有4个SATA接口，可以实现光纤数据的高速存储，支持SATA3.0标准，最大存储带宽可以达到1.6GByte/s。
 

主要功能
标准PCI Express半长卡；
符合PCI Express Gen2.0规范，可选x1、x4或x8模式，带宽40Gbps；
光纤传输性能：支持4路SFP+万兆光纤，10Gbps/lane线速率；
光纤传输协议：支持Aurora、RapidIO等多种高速协议；
动态存储性能：1组64位2GByte DDR3 SDRAM，理论带宽12.8Gbyte/s，效率高达90%；
SATA存储性能：支持x4 SATA3.0；
PCIE DMA性能：上行与下行带宽可以达到3GByte/s；
板卡具有4路光耦隔离输入、4路光耦隔离输出数字离散IO；
板载1个PMC IO接口，用于GPIO扩展；
板载1片128Mbyte BPI Nor Flash，用于FPGA的加载；
接口特征
前面板支持4路SFP+ Cage（最大支持10Gbps/lane）；
板上4路SATA接口；
板上1路PMC IO接口；
软件支持
可选集成板级软件开发包（BSP）：
 FPGA的DDR3接口测试程序；
 4路10G光纤接口程序，支持Aurora或Serial RapidIO协议；
 光纤PCIe链路演示DEMO；
提供驱动程序以及应用程序接口（API）：
 支持Windows 7 32位/64位操作系统；
 支持Win Server2008/2012；

4.2. QSFP+ 2路光纤PCIE板卡设计

PCIe283 为标准的全高PCIe 3.0 x8 光纤采集卡。主处理器采用Xilinx Ultrascale系列FPGA XCKU060-FFVA1156I，板卡支持2路QSFP+光口，2组 64bit DDR4 、每组容量2GB，预留16路LVDS、32 路LVTTL3.3V。

板卡特性

  FPGA：
Xilinx：XCKU060-FFVA1156
加载方式：BPI 模式
  内存：
DDR4：2组64bit，2GB，2400MT/s
  存储：
64MB NOR Boot Flash
64MB QSPI Flash
  接口：
QSFP+：两路 40Gbps
PCIe 3.0 x8
32bit 单端IO LVTTL3.3V
16对差分信号
  其他功能
支持外复位
状态指示灯
用户自定义按键 4位
拨码开关 4位 
  物理与电气特性
板卡尺寸：212.8mmX111.15mm
板卡供电：+12V@3A
散热方式：风冷
  环境特征
工作温度：-40℃~+85℃
存储温度：-55℃~+125℃
工作湿度：45%~70% RH
4.3. QSFP28  4路光纤PCIE板卡设计

PCIe202 为标准的全高PCIe 3.0 x16 光纤采集卡。主处理器采用Xilinx Ultrascale+系列FPGA XCZU19EG-FFVC1760，板卡支持4路QSFP28光口V。

板载FPGA实时处理器：XCZU19EG-FFVC1760；
PCIE主机接口：
 X16 PCIe互联；
 支持PCIe gen3 x16@8Gbps/lane；
接口指标：
 4路QSFP+光纤模块；
 4路QSFP28+,可配置100G、40G以太网、Aurora、RapidIO协议 ；
2路CAN、1路USB3.0、1路千兆网口、2路232、1路DP输出；
动态存储性能：
 PL端挂2组64位DDR4 SDRAM；
 PS端挂1组64位DDR4 SDRAM；
QSPI x2 NorFlash，每片容量512Mb
EMMC:32GB;
提供16GB SD卡;
物理与电气特征
 板卡尺寸：257 x 110mm；
 板卡供电：+12V@ 5A max（±5%）


审核编辑 黄宇