以太网是目前应用最为普遍的局域网技术，从1983年IEEE 802.3标准诞生后的几十年时间里，以太网速率从10M、100M慢慢发展到了GE、10GE以及100GE/400GE。目前在数据中心内部服务器还是以10GE、25GE网卡为主，网络架构相对应也主要是10GE-40GE、25GE-100GE的互连模型。随着业务的不断升级，带宽需求越来越大，25GE服务器已经难以满足业务发展，因此后续DCN将逐渐进入50GE接入以及100GE接入时代。本文我们将一起探索50G/200G/400G高速以太网技术，主要为大家介绍标准协议技术发展以及光模块的发展。

 

一、50G PAM4调制技术

 

以太网技术发展到100G时，物理层调制码型还主要是NRZ技术，但是100G之后这种调制方式面临着带宽提升带来成本激增以及调制方案充分度不足的问题。因此在IEEE P802.3bs工作组制定400G标准时有厂家提出用PAM4替代NRZ，随之获得通过。之后的200GE/50GE标准也采用了该调制技术，因此可以说本文谈到的三个以太网标准均基于PAM4技术。

接下来我们来看一下PAM4技术对比NRZ技术在哪些地方做了改进：

图1  NRZ与PAM4信号波形对比

如图1所示，波形图的主要参数有两个：比特周期T和幅度H。信号传输所需带宽与比特周期相关，比特周期越短，所需带宽就越大。另外就是信噪比（SNR），信噪比与振幅相关，振幅越小，噪声敏感性越大。

NRZ信号分别用高、低两种电平信号表示1、0两种数字逻辑信号。我们把NRZ的比特周期看做一个完整的T，其幅度看做一个完整的H。

再来看PAM4的信号波形，PAM4信号用四种电平信号表示00、01、10以及11四种数字逻辑信号。PAM4中“PAM”指的是脉冲幅度调制，“4”表示4级脉冲调制。顾名思义，PAM4对比NRZ其比特周期是一致的，但是在幅度层面每个电平信号的幅度变成了H/3。

以上就是两种技术的主要区别，其实简单来理解就是NRZ信号每个时钟周期可以传输1bit的逻辑信息，PAM4信号每个时钟周期可以传输2bit的逻辑信息。因此，在同样波特率条件下，PAM4信号传输效率是NRZ信号的两倍，同时还可以有效降低成本，以上这些优势却仅仅以牺牲噪声敏感性作为代价。所以，基于单通道50G PAM4技术的400GE/200GE/50GE可以很好得适应业务发展需求。

二、50GE以太网技术

50GE的相关标准是由IEEE P802.3cd工作组制定的，于2016年5月正式启动，其标准基线完成于2016年9月。IEEE 802.3cd标准覆盖了50GBASE-LR/KR/SR/FR PMD子层，所有子层均采用了50G PAM-4技术。本小节我们重点讲解一下50GE PMD子层技术基本情况。

图2  50GBASE-LR架构

我们先对上图所示架构中的一些主要组成部分做一个简单介绍：

PCS子层负责对信号编/解码、加/去扰、Alignment插入/去除、排序处理和控制等，PCS子层还具备FEC（前向纠错）的功能。

PMD子层负责和物理传输媒介的接口，一个以太网速率存在多个不同的PMD子层，分别适配不同的物理接口。

PMA子层负责适配PCS和PMD子层，提供映射、复用解复用、时钟恢复等功能。

MDI代表了物理媒介，比如光纤、电缆等。

PMA子层将两路26.5625Gbaud NRZ信号与一路26.5625Gbaud PAM-4信号进行双向转换。发送方向时，经过PMA完成速率和码型转换后的数据在PMD子层进行电光转换，由Transmitter发送到MDI。接收方向时，PMD子层从Receiver收到的数据并进行光电转换，然后发送给PMA进行速率和码型转换，以上就是50GBASE-LR 架构解析。IEEE 802.3cd定义的50G标准有以下几种：

50GBASE-CR，通过双绞铜线屏蔽电缆的一个通道（2条同轴双绞线）传输50 Gb / s，至少达到3 m；

50GBASE-FR，在一个波长（总共2根光纤）上的50 Gb / s串行传输，可通过单模光纤电缆进行操作，最大可达2 km；

50GBASE-KR，通过电背板的一个通道传输50 Gb / s，在13.28125 GHz时总插入损耗小于30 dB；

50GBASE-LR，在一个波长（总共2根光纤）上以50 Gb / s的速率进行串行传输，可通过单模光纤电缆进行操作，并达到至少10 km；

50GBASE-SR，通过一个通道（总共2根光纤）的50 Gb / s传输速率，可通过多模光纤电缆进行操作，最大可达100 m。

以上就是50G以太网技术的相关情况，50G技术是400G/200G以太网技术的基础，所以本小节我们重点介绍了50GBASE标准的架构及组成。本小节主要想让大家了解50G PAM-4技术是如何应用在50G以太网中的，了解清晰之后，我们接来下重点看一下400G以太网技术以及400G光模块的发展情况。

三、400GE以太网技术

400GE标准基线是由IEEE P802.3bs工作组于2015年初制定的。随后，400GE接口的多种PMD子层规格以及AUI电接口陆续提出来。

其中，IEEE 802.3bs定义了传输距离70-150m的SR16、传输距离为500m的DR4、传输距离为2km的FR8以及传输距离为10km的LR8。IEEE 802.3cm定义了传输距离为100m的SR8、SR4.2。100G Lambda MSA定义了传输距离为2km的 FR4、传输距离为10km的LR4。OIF定义了传输距离为80km的ZR。这些规格里边只有SR16仍采用NRZ的调制技术，其他规格均采用了PAM4调制。不同规格对应的电口、光口速率如图3所示。

图3  400G接口的相关标准

 

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