SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28的區(qū)別及參數指南、實際應用與電路設計

1.簡介
光纖傳輸，即以光導纖維為介質進行的數據、信號傳輸。光導纖維，不僅可用來傳輸模擬信號和數字信號，而且可以滿足視頻傳輸的需求。光纖傳輸一般使用光纜進行，單根光導纖維的數據傳輸速率能達幾Gbps，在不使用中繼器的情況下，傳輸距離能達幾十公里。光模塊的選型和升級是我們持續(xù)學習的關注的對象，SFP、SFP+、SFP28、QSFP+和QSFP28這些都是光模塊的封裝類型，這些可熱拔插光模塊都可用于連接網絡交換機和其他網絡設備（如服務器等）進行數據傳輸。這些型號在兼容性方面差異很大，它們的性能水平也有很大差異。下面是幾種常見的光模塊類型：

不同類型光模塊的性能及應用場景：

相關術語和定義：

2.幾種光模塊的定義和區(qū)別
2.1.SFP
SFP是SMALL FORM PLUGGABLE（小型可插拔）的縮寫，可以簡單的理解為GBIC的升級版本，它的體積只有GBIC模塊的1/2。這種設計極大地增加了網絡設備的端口密度。SFP封裝光模塊的傳輸速率有155M、1.25G、2.5G等，接口類型主要以LC接口為主，一般用在SONET/SDH網絡、百兆/千兆以太網以及其他低速傳輸應用。
SFP 收發(fā)器采用模塊化設計，可以輕松互換，以滿足不斷變化的網絡要求。 它們可以插入任何 SFP 端口并通過單?；?多模光纖光纜、銅纜或兩者的組合。 它們使用各種光學技術，例如 VCSEL 和 DFB 激光器，使其適合廣泛的應用。 SFP 收發(fā)器具有多速率功能，這意味著它們可以支持從 100Mb/s 到 10Gb/s 的數據速率。
SFP 收發(fā)器有兩種主要類型：單模 (SM) 和多模 (MM)。 單模光纖電纜具有較小的芯直徑，可以在更長的距離和更高的速度下傳輸數據，并且信號衰減更少，使其適合長途電信應用。 多模光纖電纜具有較大的芯直徑，可以在較短的距離內以較低的速度傳輸數據，但比單模光纖電纜更具成本效益。 SFP 收發(fā)器還與銅纜兼容，使其成為短距離數據通信的理想選擇。
2.2.SFP+
SFP+與SFP外觀尺寸相同，SFP+封裝光模塊的傳輸速率有6G、8G、10G等，采用該封裝類型的有6G/8GFC光模塊、10G光模塊、10G電口模塊、10G DAC高速線纜以及10G AOC有源光纜。SFP+系列產品主要用于數據中心10G（10GBASE-SR）以太網鏈路中。
SFP 和 SFP+收發(fā)器在設計和功能上相似，但 SFP+ 收發(fā)器具有高達 16Gb/s 的更高數據傳輸速率，并且向后兼容 SFP 端口。 SFP+ 收發(fā)器還降低了功耗，并且比同類收發(fā)器更具成本效益。 SFP+ 收發(fā)器采用與 SFP 收發(fā)器相同的機械外形尺寸，因此可以輕松將其集成到現有網絡系統中，而無需進行任何硬件修改。
SFP+ 收發(fā)器，稱為小型可插拔 Plus 收發(fā)器，是緊湊的熱插拔模塊，支持各種數據通信協議。 這些收發(fā)器將傳入的電信號轉換為光信號，然后將光信號重新轉換為電信號，從而允許通過光纖或銅網絡傳輸數據。 SFP+ 收發(fā)器可以在不同的波長和距離下運行，為網絡配置和要求提供更大的靈活性.
SFP+ 收發(fā)器廣泛應用于現代計算和網絡系統中，通過光纖或銅纜傳輸高速數據。 它們支持各種數據通信協議，例如以太網、光纖通道和SONET/SDH，使其適用于不同行業(yè)，例如電信、數據中心和企業(yè)網絡。 SFP+收發(fā)器還兼容各種網絡交換機、路由器和其他網絡設備，提供高度的互操作性和靈活性。
SFP+ 收發(fā)器有不同的類型，并具有多種特性和功能。 它們可以支持從 1 Gbps 到 16 Gbps 的不同速率，從而可以在短距離和長距離上傳輸大量數據。 SFP+ 收發(fā)器還具有多種連接器類型，例如 LC、SC 和 RJ45，用于連接不同種類的光纖 光纜或銅纜類型。 它們還支持不同的工作溫度和功率水平，使其適合在其他環(huán)境條件下使用。
2.3.SFP28
SFP28是SFP+的加強版，和SFP+具有相同的尺寸，但其能支持單通道25Gb/s的速率。SFP28為10G-25G-100G網絡升級提供了一種高效的解決方案，可滿足下一代數據中心網絡持續(xù)增長的需求。
SFP28 收發(fā)器是 SFP+ 收發(fā)器的增強版本，支持更高的 25 Gbps 速率。 盡管 SFP28 收發(fā)器提供更快的數據傳輸，但與 SFP+ 收發(fā)器相比，它們的距離能力有限。 SFP28 收發(fā)器也不向后兼容 SFP+ 收發(fā)器，因此不適合在需要與 SFP+ 收發(fā)器互操作的系統中使用。 不過，SFP28光模塊適合使用在云計算、大數據、高性能計算等需要高速數據傳輸的行業(yè)。
SFP28 收發(fā)器是模塊化設備，可以插入網絡設備中的兼容端口。 它們使用光纖電纜傳輸和接收數據，并用于在相對較短的距離內連接網絡設備。 它們因其尺寸小、功耗低和數據傳輸速度快而受到歡迎。 它們的成本也相對較低，非常適合企業(yè)和數據中心應用。

SFP28 收發(fā)器在 850 納米 (nm) 波長下運行，支持以高達 28 Gbps 的系統速率傳輸數據。 它們設計用于與多模光纖電纜配合使用，具有成本效益且廣泛使用。 它們通常用于數據中心和其他短距離應用，用于交換機、服務器和其他網絡設備之間的互連。
SFP28 收發(fā)器的主要優(yōu)點之一是尺寸小，這使得它們能夠用于廣泛的網絡應用。 它們還具有較低的功耗，這使得它們非常適合在節(jié)能數據中心中使用。 SFP28 收發(fā)器還易于安裝，因為它們可以熱插拔，這意味著它們可以在不關閉系統電源的情況下插入網絡設備或從網絡設備中拔出。

然而，與其他收發(fā)器相比，SFP28 收發(fā)器的范圍有限，這意味著它們僅適用于短距離網絡應用。 它們也比不同類型的收發(fā)器更昂貴，這使得它們對于某些考慮成本的應用不太有吸引力。
2.4.QSFP+
QSFP+封裝能同時支持4通道傳輸，每條通道數據速率為10Gbit/s，通過4個通道實現40Gbps傳輸速率。與SFP+相比，QSFP+光模塊的傳輸速率可達SFP+光模塊的四倍，在部署40G網絡時可直接使用QSFP+光模塊，從而在有效節(jié)省成本的同時提高端口密度。
Quad Small Form-factor Pluggable Plus
四小體積可插入(QSFP +)的解決方案是專為高密度的應用程序。系統組件的包括電磁干擾(EMI)屏蔽,活躍的光纜(AOC)、被動銅電纜組件,活躍的銅電纜組件,光學MTP電纜組件,光學回環(huán),主機連接器,連接器和籠子層疊式集成。
2.5.QSFP28
QSFP28封裝類型是為滿足100G應用需求而產生的，它能同時支持4通道傳輸，每條通道數據速率為25Gbit/s，通過4個通道實現100Gbps傳輸速率?？蓾M足100G以太網（4×25Gbps）與EDR InfiniBand 的應用需求。
QSFP28 收發(fā)器是網絡基礎設施中使用的另一種流行的光收發(fā)器類型。 這些設備與 SFP28 收發(fā)器類似，但可以以高達 100 Gbps 的更高速度傳輸和接收數據。 它們也比 SFP28 收發(fā)器更廣泛、更昂貴。

這兩類收發(fā)器之間的主要區(qū)別在于它們的尺寸、功耗和數據速率。 QSFP28 收發(fā)器比 SFP28 收發(fā)器更大、更耗電，但提供更高的數據速率和更廣泛的范圍。 另一方面，SFP28 收發(fā)器更小、更節(jié)能，非常適合短距離和低功耗應用。
QSFP28 收發(fā)器以其高數據傳輸速率、低功耗和長距離連接能力而聞名。 它們具有 4x28Gbps 數據傳輸速率，提供比其他收發(fā)器更快的數據傳輸速度。 此外，QSFP28 收發(fā)器比其他收發(fā)器消耗更少的功率，使其成為節(jié)能選擇。 它們還可以長距離傳輸數據，最遠可達 10 公里，而不會損失信號強度。 其他主要功能包括額定傳輸速度 103.125 Gbps。
2.6.不同光模塊的差異化
收發(fā)器的性能各不相同，每種類型具有不同的數據傳輸速率。 例如，SFP 收發(fā)器的數據傳輸速率為 1 Gbps，而 SFP+ 收發(fā)器的數據傳輸速率為 10 Gbps。 SFP28 收發(fā)器提供更高的數據傳輸速率，高達 28 Gbps。 QSFP28 收發(fā)器是性能最高的收發(fā)器類型，提供高達 100 Gbps 的令人印象深刻的數據傳輸速率。
SFP 收發(fā)器通常用于需要低數據傳輸速率的應用，例如局域網 (LAN) 和存儲網絡。 SFP+ 收發(fā)器最適合數據中心、服務器場和存儲區(qū)域網絡 (SAN) 等高速應用。 SFP28收發(fā)器通常用于需要高速、低功耗網絡的應用，例如云計算和虛擬化。 QSFP28 收發(fā)器通常用于高性能計算和數據中心等高速網絡應用。
3.光模塊的參數及命名
3.1.波長
3.1.1中心波長的定義
光模塊里的激光器發(fā)出的不是單一頻率，而是一小段光譜。
中心波長就是這段光譜的中間值，單位：nm（納米）。
簡單說：中心波長 = 光模塊發(fā)出來的光的 “顏色 / 頻率”，是光通信里最基礎、最關鍵的參數之一。
中心波長：單位納米（nm），目前主要有3種：
*850nm（MM，多模，成本低但傳輸距離短，一般只能傳輸500M）；
*1310nm (SM，單模，傳輸過程中損耗大但色散小，一般用于40KM以內的傳輸)；
*1550nm (SM，單模，傳輸過程中損耗小但色散大，一般用于40KM以上的長距離傳輸，最遠可以無中繼直接傳輸120KM)；
3.1.2不同中心波長的性能
因為光纖對不同波長的 “損耗、色散” 完全不一樣，直接決定：
?能傳多遠
?用多模還是單模光纖
?能不能和其他波長波分復用（WDM）
1） 850nm
?多用于多模光纖 MMF
?損耗大、色散大
?只能短距離：幾十米～100 米
?典型：10G SR、25G SR、100G SR4
2）1310nm
?單模光纖 SMF
?色散最小（零色散波長附近）
?損耗中等
?距離：10km 左右
?典型：10G LR、25G LR、100G LR4
3） 1550nm
?單模光纖 SMF
?光纖損耗最低
?色散稍大，但適合長距離
?距離：40km、80km、120km+
?典型：ER、ZR 長距光模塊
3.1.3中心波長的影響
1）傳輸距離
?· 波長越偏向 1550nm → 損耗越小 → 傳得越遠
2）光纖類型匹配
· 850nm → 多模光纖
?1310/1550nm → 單模光纖波長和光纖不匹配，距離會大幅縮水甚至不通。
3）色散大小
?· 1310nm：色散最小
?850nm、1550nm：色散更大色散大 → 高速率（25G/100G）距離受限
4）能否波分復用（WDM）
? CWDM、DWDM 就是用不同中心波長在一根光纖里同時傳多路信號
?波長必須嚴格標準、互不干擾
5） 接收端靈敏度
波長不對，光信號進不了接收端濾波器，直接導致：
? 收無光
?誤碼高
?鏈路不通

3.2.色散
3.2.1色散定義
光在光纖里傳輸時，不同頻率 / 不同模式的光跑得速度不一樣，到達接收端時間不同，導致脈沖被 “拉寬、重疊”，這就是色散。
色散越大，信號越容易畸變、誤碼越高、傳輸距離越短。
主要分三類：
?模間色散（多模光纖 MMF）
?色度色散 CD（單模 SMF）
?偏振模色散 PMD（單模長距）
3.2.2色散的影響
1）傳輸距離（最直接）
?色散越大 → 可傳輸距離越短
?同樣速率、同樣模塊：色散超標就必須縮短距離或加色散補償
2）誤碼率 BER
?色散導致碼間干擾 ISI → 信號重疊 → 誤碼飆升
?BER 超標會導致：
o鏈路頻繁 DOWN
o丟包、重傳、業(yè)務卡頓
3）接收靈敏度
?色散越大，需要更高的接收光功率才能正確判決
?靈敏度變差 → 鏈路余量變小，更容易不穩(wěn)定
4）眼圖質量（工程師最直觀）
色散大 → 眼圖：
?眼圖閉合、變窄
?抖動 Jitter 增大
?噪聲底抬高→ 直接影響高速率（25G/50G/100G/400G）能否開通
5）支持的信號速率
?低速（1G/10G）對色散不敏感
?高速（25G+、50G、100G、400G）對色散極其敏感同樣色散值：
o10G 可能跑 100km
o100G 可能只能跑 10km
6）光纖類型與模塊選型
?多模光纖模間色散大 → 只能短距（100m～300m）
?單模光纖色散小 → 可長距（10km/40km/80km）
?色散大的場景必須用：
o窄線寬激光器
o色散補償光纖 DCF
o高階調制 + DSP 均衡（如 PAM4、相干光模塊）
7）系統冗余與穩(wěn)定性
?色散余量不足 → 溫度、老化、光纖微彎都會導致鏈路波動
?長距工程必須預留色散預算
3.2.3色散對不同模塊的影響

色散大小直接決定：能傳多遠、誤碼高不高、眼圖好不好、速率能跑多高、鏈路穩(wěn)不穩(wěn)定。

3.3.傳輸速率
指每秒鐘傳輸數據的比特數（bit），單位bps，155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps、40Gbps、100Gbps等。155M光模塊也稱FE（百兆）光模塊，1.25G光模塊也稱GE（千兆）光模塊，10G光模塊稱為萬兆光模塊。
3.4.傳輸距離
指光信號無需中繼放大可以直接傳輸的距離，單位千米（也稱公里，km）,光模塊一般有以下幾種規(guī)格：多模550m，單模15km、40km、80km和120km等等。
3.5.傳輸衰減
850nm波長用于多模光纖時： 3.0dB/KM
1310nm波長用于多模光纖時： 1.0dB/KM
1310nm波長用于單模光纖時： 0.4dB/KM
1550nm波長用于單模光纖時： 0.2dB/KM

3.6.光接口類型

SC接口采用矩形塑料插拔式結構，外殼呈矩形。其機械連接方式為推拉式，采用插拔銷閂式緊固，無需旋轉即可完成連接和斷開。SC接口常用于光纖收發(fā)器、路由器、交換機，廣泛應用于光纖到戶、企業(yè)網絡以及數據中心。
LC接口為卡接式小方形接口，結構緊湊，尺寸約為SC接口的一半，插針和套筒尺寸為1.25毫米。其采用操作方便的模塊化插孔閂鎖機理。LC接口連接SFP模塊，因其高密度優(yōu)勢，是當前數據中心和網絡運營商中使用最為廣泛的連接器類型。
ST接口采用金屬圓型卡口式結構，外殼呈圓形。其緊固方式為螺絲扣或旋轉卡口，插入后旋轉半周由卡口固定。ST接口常用于光纖配線架、終端盒設備，適用于戶外、工業(yè)環(huán)境及需要高抗干擾能力的場所。
FC接口為圓型帶螺紋結構，外部加強方式采用金屬套。其緊固方式為螺絲扣。FC接口一般電信網絡采用，常用于光端機、ODF
關鍵性能指標包括插入損耗一般要求不大于0.5dB，回波損耗典型值不小于25dB且實際應用一般不低于45dB，抗拉強度一般行業(yè)標準要求不低于90N，工作溫度范圍通常為-40℃~+70℃，插拔次數一般可達一千次以上。

3.7.光模塊命名

4.具體硬件板卡設計及參考
4.1. SFP/SFP+ 4路光纖采集PCIE板卡設計

JX730是一款基于PCI Express總線架構的4路10G光纖通道適配器，板卡具有4通道SFP+萬兆光纖接口，x8 PCIE主機接口，具有1組64位DDR3 SDRAM作為高速緩存，可以實現4通道光纖網絡數據的高速采集、實時記錄和寬帶回放。
該板卡還具有4個SATA接口，可以實現光纖數據的高速存儲，支持SATA3.0標準，最大存儲帶寬可以達到1.6GByte/s。

主要功能
?標準PCI Express半長卡；
?符合PCI Express Gen2.0規(guī)范，可選x1、x4或x8模式，帶寬40Gbps；
?光纖傳輸性能：支持4路SFP+萬兆光纖，10Gbps/lane線速率；
?光纖傳輸協議：支持Aurora、RapidIO等多種高速協議；
?動態(tài)存儲性能：1組64位2GByte DDR3 SDRAM，理論帶寬12.8Gbyte/s，效率高達90%；
?SATA存儲性能：支持x4 SATA3.0；
?PCIE DMA性能：上行與下行帶寬可以達到3GByte/s；
?板卡具有4路光耦隔離輸入、4路光耦隔離輸出數字離散IO；
?板載1個PMC IO接口，用于GPIO擴展；
?板載1片128Mbyte BPI Nor Flash，用于FPGA的加載；
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；
軟件支持
?可選集成板級軟件開發(fā)包（BSP）：
? FPGA的DDR3接口測試程序；
? 4路10G光纖接口程序，支持Aurora或Serial RapidIO協議；
? 光纖PCIe鏈路演示DEMO；
?提供驅動程序以及應用程序接口（API）：
? 支持Windows 7 32位/64位操作系統；
? 支持Win Server2008/2012；

4.2. QSFP+ 2路光纖PCIE板卡設計

PCIe283 為標準的全高PCIe 3.0 x8 光纖采集卡。主處理器采用Xilinx Ultrascale系列FPGA XCKU060-FFVA1156I，板卡支持2路QSFP+光口，2組 64bit DDR4 、每組容量2GB，預留16路LVDS、32 路LVTTL3.3V。

板卡特性

? FPGA：
?Xilinx：XCKU060-FFVA1156
?加載方式：BPI 模式
? 內存：
?DDR4：2組64bit，2GB，2400MT/s
? 存儲：
?64MB NOR Boot Flash
?64MB QSPI Flash
? 接口：
?QSFP+：兩路 40Gbps
?PCIe 3.0 x8
?32bit 單端IO LVTTL3.3V
?16對差分信號
? 其他功能
?支持外復位
?狀態(tài)指示燈
?用戶自定義按鍵 4位
?撥碼開關 4位
? 物理與電氣特性
?板卡尺寸：212.8mmX111.15mm
?板卡供電：+12V@3A
?散熱方式：風冷
? 環(huán)境特征
?工作溫度：-40℃~+85℃
?存儲溫度：-55℃~+125℃
?工作濕度：45%~70% RH
4.3. QSFP28 4路光纖PCIE板卡設計

PCIe202 為標準的全高PCIe 3.0 x16 光纖采集卡。主處理器采用Xilinx Ultrascale+系列FPGA XCZU19EG-FFVC1760，板卡支持4路QSFP28光口V。

?板載FPGA實時處理器：XCZU19EG-FFVC1760；
?PCIE主機接口：
? X16 PCIe互聯；
? 支持PCIe gen3 x16@8Gbps/lane；
?接口指標：
? 4路QSFP+光纖模塊；
? 4路QSFP28+,可配置100G、40G以太網、Aurora、RapidIO協議 ；
?2路CAN、1路USB3.0、1路千兆網口、2路232、1路DP輸出；
?動態(tài)存儲性能：
? PL端掛2組64位DDR4 SDRAM；
? PS端掛1組64位DDR4 SDRAM；
?QSPI x2NorFlash，每片容量512Mb
?EMMC:32GB;
?提供16GB SD卡;
?物理與電氣特征
? 板卡尺寸：257 x 110mm；
? 板卡供電：+12V@ 5A max（±5%）


審核編輯 黃宇