思科交换机开启光口需要配置吗(为什么现阶段的ST2110设备以25G100G端口为主)

Posted 2023-05-26

篇首语：休言女子非英物，夜夜龙泉壁上鸣。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了思科交换机开启光口需要配置吗(为什么现阶段的ST2110设备以25G100G端口为主)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

思科交换机开启光口需要配置吗(为什么现阶段的ST2110设备以25G100G端口为主)

信号端口参数是基本的技术参数。ST2110系统支持HD,4K,8K,乃至未来的16K，为什么现阶段的ST2110设备的IP接口以25G/100G端口为主？面对这个貌似熟悉的常识，以下尝试着说明一二。

1 什么是25G/100G？

1.1 以太网传输速率发展历程

从上世纪以太网发展开始，行业内就未停止对更高速率的追求，随着光纤的大范围应用，高速率又迎来一波新的高峰，如图1所示，目前行业内200G/400G等超高速率的传输已经实现，还在持续向着更高速率发展着。

图 1 ETHERNET ROADMAP 行业网络速率发展曲线

而近些年随着专业媒体无压缩IP化的持续推进，媒体领域的速率升级也在稳步推进，行业内主要按照1G→10G→25G→100G→…的方向发展，目前正处于25G/100G的阶段。如果和SDI的发展阶段类比，不恰当的一种比较可以是25G好比3G-SDI,100G好比12G-SDI,200G好比24G-SDI。

1.2 IEEE对25G/100G的定义

25G/100G都是一种以太网网络传输协议，属于IEEE组织定义的IEEE 802.3工作组之一，25G即传输速率可达25 Gbit/s，100G即传输速率可达100Gbit/s。

该工作组主要定义了有线以太网的物理层和数据链路层的介质访问控制（MAC），核心解决的问题是如何通过各种类型的铜缆或光缆在节点或基础设施设备之间建立物理连接。

图 2 各类25G标准集合

现在常用的25G多模标准由IEEE 802.3by-2016定义，使用850nm波长的光信号进行信号传输，传输距离最大100m。

常用的25G单模标准由IEEE 802.3cc-2017定义，使用1295-1325nm波长的光信号进行信号传输，最大传输距离可达10km。

而由802.3 ba/bm 定义的100GBASE-LR4/SR4其核心与25G的传输技术一致，二者也是目前常用的100G单模和多模的传输标准。

图 3 100G标准集合，其中 SR4/LR4即使用25G技术实现

100G单模100GBASE-LR4即利用4路25G单模+WDM波分复用实现100G速率传输：

图 4 100G QSFP28 LR4光模块的工作原理图

100G多模则是通过多芯光纤通路其中的每两芯组成一路25G，再用4个25G通道组合成100G的方式实现100G信号传输，相较100G-LR4没有波分复用的过程，具体原理这里不再赘述。

2 25G/100G在IT行业的应用

由于ST2110 IP标准主要基于IT行业已有的技术，如RTP/UDP/IP等：

图 5 ST2110基于IT行业各类技术

目前ST2110 IP 信号分发主要采用的是基于通用交换机的网络架构，因此一方面专业媒体领域很好的吃上了IT行业的优势和红利，另一方面专业媒体领域的发展和应用受IT行业的影响也十分深远。

2.1 10G应用的普及

IT行业内，随着云服务和自动化的需求，万兆（即10G）的应用已经较为普及。

而在专业媒体领域IP化初期阶段，有一些如NMI，TICO等浅压缩技术使用10G端口即可传输4K信号；ST2110早期阶段，对于HD信号传输使用10G速率也可以满足需要，因此媒体和IT领域内10G的使用已较为普及。

但是随着新的行业需求，升级到更高速率也已成为新的发展方向。

2.2 IT行业内技术发展趋势--25G/100G已经成熟，200G/400G属于干线应用

根据ETHERNET ROADMAP 2020 IT行业技术发展报告，当前IT行业数据中心25G/100G目前应用已相较成熟，新技术、云服务等都在朝着200G/400G乃至更高速率的方向继续发展。

图 6 ETHERNET ROADMAP 行业速率发展情况

2.3 10G升级到25G需要大调整吗？

说起这个话题就需了解下10G和25G接口的特性，目前市面上常见的光模块速率主要如下：

图 7 常见光模块简介

其中使用较多的1G/10G光模块均采用SFP接口，使用LC光纤。在10G向着更高速率迁移时，原有10G的光纤等基础设施大多已完成建设，升级到更高速率时若选择40G，由于40G采用QSFP封装，接口特性与原有设施将不再兼容。

而25G的相关物理标准能够完全兼容10G，速率升级还可保留部分原有设施，不需要太大调整，因此25G是升级的一个好选择。

对于某些25G交换机端口，通常可以使用端口降速的方式，将其速率降到1G/10G，此时25G端口也可直接兼容1G/10G光模块，丰富了系统中的端口类型。

图 8 华为交换机的端口降速

2.4 25G/100G端口的技术特性

此外25G端口也很好地支持了一些IT技术需求，如25G对FEC保持了完整支持以及支持端口聚合成更高速率：

什么是FEC？

FEC（Forward Error Correction，前向纠错）是一种通过在网络传输中增加数据的冗余纠错码，使得接收端能够在网络比特流发生误码后利用这些冗余信息直接恢复出丢失的数据的一种方法，如图9所示，FEC开启后可以显著减小误码率。当然，FEC编解码会带来一定的延时。

图 9 FEC减小误码率

由于25G对于FEC的支持，其传输距离也能够有所提升，而1G/10G则不支持这一功能。

25G可聚合成100G

25G可通过多链路聚合的方式聚合成100G，可以方便的接入更高速率的设备或者网络，提升链路带宽。

3 25G/100G在ST2110系统内的优势

专业媒体领域的IP技术虽主要基于IT行业已有的一些技术，但是由于媒体领域对高带宽、实时性、可靠性的更高要求，因此采用25G/100G端口为主有更多考量。

3.1 ST2110 4K设备的带宽需求--10G速率已不满足需要

ST2110 IP流根据信号格式的不同，其信号带宽也不一样，常见视频部分信号带宽如图10所示：

图 10 ST2110-20视频信号带宽

由上图可以看到，在传输4K 60P的信号时，信号带宽已经超过10G的带宽上限，考虑到此类制作需求，10G端口在4K IP视频设备中已不满足要求，因此设备接口以25G或更高速率为主。

使用25G端口时，设备单向可传输2路4K信号或者8路3G信号，以及多路音频、通话、辅助数据信号，能够很好的满足节目制作需要。

如图11所示，Sony CCU通过一个25G接口即可传输多路信号：

图 11 Sony CCU 25G端口IP流展示

如图12所示，其中音频和辅助数据根据格式不同，常见带宽如下：

图 12 音频和辅助数据带宽举例

3.2 10G接口在专业媒体制作域的应用

如前文介绍，在专业媒体制作域IP化早期，也就是2015年开始，运用NMI, TICO等浅压缩技术的设备主要使用10G端口传输4K IP信号。

随着ST2110的发布，无压缩成为主流。某些厂家的设备暂时只拥有10G光口，于是采取一种过渡措施或者说经济的解决方案，就是利用设备的两个10G端口进行无压缩4K信号的解决方案，每个10G端口传输2路3G IP信号，2个10G端口共有4路3G IP流组成1路4K信号的方式来传输4K 50/60P图像。目前行业内这种用法较少，但在非主信号链路，可以选用此种设备，比如IP/HDMI转换器，用于监视器监看IP信号。

如图13所示，EBU TECH 3371建议书要求ST2110-20 IP设备传输4K IP信号时使用单流，且设备需采用25G/100G端口，这是业界主流的声音，那么10G接口也将向上升级。

图 13 EBU TECH3371建议书对4K ST2110单流的要求

3.3 为什么40G/50G使用较少？

40G：效率并非最优

在ST2110系统中有使用40G接口的设备，但应用较少。主要有两种应用，一种是信号处理设备，比如画分，另外一种是浅压缩信号，比如8K信号如果采用NMI浅压缩，可以使用40G接口。在日本，这种浅压缩接受度比较好，理由是质量可接受，并降低了现在技术条件下整个8K系统的成本。应用较少主要有两方面情况，一方面即使使用40G接口，由于上下游设备以25G接口为主，40G信号中的有效信号还是向25G带宽内信号数量看齐，也就是虽然有大道，但车流量还不能完全利用大道路的宽度。另外一方面现行系统中40G使用QSFP+接口，而像系统中常用交换机的此类端口一般是QSFP+和QSFP28复用端口，即40G/100G复用端口，如图14，若将此类端口降速为40G会浪费一倍以上的带宽资源，因此在系统中较少使用40G速率。

图 14 华为100G QSFP28封装光接口降速

50G：各家交换机支持度和通用程度需要提高

在ST2110系统中也有使用50G接口的设备，但支持厂家还不多，并非中性的即插即用端口。不恰当的一种比较可以是50G好比6G-SDI。多模常使用的端口类型主要为SFP56封装和QSFP28封装两类，对于QSFP28封装：与40G接口类似，若使用100G端口降速会带来较大浪费，且部分交换机QSFP28端口并不支持降速到50G。

对于SFP56封装：虽其模块封装大小与SFP+等保持一致，但是接口类型较少得到交换机厂家支持。目前常用的交换机对50G速率支持程度不尽相同：

在ST2110系统中常用的华为CE6865/8850系列交换机、思科 Nexus 9200系列（除去92160YC-X&9236C两型号）交换机、思科9300 40G/100G系列交换机暂不支持50G端口。
思科92160YC-X&9236C两型号交换机少量100G端口可拆分为2*50G、思科9300 400G大型交换机和9500系列框式交换机支持50G端口、ARISTA 7280系列交换机支持50G端口，但是也区分对于QSFP28或SFP56两类封装标准的支持。

因此虽然40G/50G技术也已存在，但在当前阶段，在ST2110系统内使用较少，还不能成为客户可以即插即用的中性接口，还需要形成更多相关方的共识。每种技术都有其独到之处，也许目前应用不多，但随着技术的持续发展，厂家拥有的独家技术，未来有更多应用也未可知。

3.4 ST2110 8K设备的带宽需求--将使用100G接口

随着行业技术的持续发展，目前8K ST2110设备也在持续推进中，8K 50P带宽已接近40G，8K 100P带宽接近80G，因此由于8K更高带宽、更高帧率的需求，8K ST2110设备使用25G端口也已不满足需要。

当前阶段8K主要是利用4路4K通过2SI（2 sample interleave）或者SQD（Square Division）方式组合而成，在ST2110系统主要使用SQD方式拼接，因此主要有两种实现8K信号传输方案：

若采用8K摄像机基站输出4路12G-SDI时，SDI信号需接入多块IPG板卡转换成4路ST2110 IP信号，此时每块IPG板卡采用的是25G端口。
若8K摄像机基站原生直出8K ST2110 无压缩IP信号，此时可使用100G速率作为IP信号传输的端口，但由于IP流是4路4K信号，因此100G端口也是工作在4*25G模式。

至于200G，400G接口，目前可以理解成SDI的24G和更高速率，尚无投入媒体日常接口实战的必要性。

3.5 25G/100G模块成本是否可接受？

对于一个行业来说，采用一项“耗材”类的设备，成本的考虑必不可少，目前阶段10G/25G/100G各类模块在市场上每GBPS的单价可近似归类如图15所示：

图 15 光模块价格范围

可以看到，对于同为单模或同为多模的25G模块每GBPS单价和10G模块价格已经较为接近，100G模块单价相对更低，而且随着技术的继续发展，价格还会进一步下降。

举例以飞速品牌的各类光模块来说，截至2021年8月，国内飞速官网参考价格如表1：

表 1 飞速光模块价格

上表只是飞速品牌的价格举例，实际系统中为保证传输质量，各家产品一般推荐采用厂家原厂模块，价格也不尽相同，以上仅供参考。

3.6 行业内其它相关硬件能否满足25G/100G速率落地？

交换机对25G速率的支持

目前华为，Cisco，Arista等常用交换机厂家均已有10G/25G两用接口，符合无阻塞、低延时的L3 交换机。

如华为CE6865系列，其中常用的CE6865-48SCQ-EI包含48个1G/10G/25G SFP接口，8个40G/100G QSFP接口：

图 16 CE6865-48S8CQ 交换机外观

如Cisco Nexus 93180系列，其中常用的Nexus 93180YC-FX包含48个1G/10G/25G SFP接口，6个40G/100G QSFP接口：

图 17 Cisco Nexus 93180 交换机外观

FPGA板卡对25G的支持

行业内还有一类设备-FPGA板卡，各类专门生产FPGA板卡的厂家能提供的方案也可以反映当前行业的发展趋势。

目前如image matters已有：一个芯片上有多个 12G-SDI 和 25GbE端口；合理的芯片价格区间；多个DDR4内存接口；体积较小的FPGA芯片可提供：

图 18 image matters芯片

3.7 25G/100G能满足ST 2110对信号质量的高要求吗？

Bit Error：

前文已提及ST2110标准基于RTP协议进行传输，而RTP协议在网络层则是基于UDP协议，UDP协议本身没有错误校验机制，那么如何保证对链路错误的矫正，此时25G的FEC即可派上用场：

图 19 不同速率的Bit Error测试

开启FEC的25G接口误码率为10^-12数量级，极低的误码率可以很好的保证专业媒体在传输过程中的高稳定性、高可靠性。

信号抖动

专业媒体实时制作对信号抖动有很高要求，IP早期阶段使用10G速率传输信号抖动和延时均已有验证，符合专业媒体制作需求，这里不再赘述。

如图20，实际测试了25G和10G速率在信号传输时的抖动对比：

图 20 25G和10G速率进行信号传输时的抖动对比

可以看到，利用25G传输的视频数据与利用10G传输的信号质量相似，而100G-SR4也与25G技术的高度接近，因此25G/100G可以很好的满足实时视音频信号传输需求。

4 综上：为什么采用25G/100G？

25G/100G的优势所在：主流，性价比，生态

IT行业已经发展到25G/100G端口成熟应用的阶段
25G端口优势端口体积小，单卡槽可以多路25G接口对FEC等技术的良好支持
每个端口多个流，满足更高带宽制作需要 16进/16出 x 1080i (1.5G) 8进/ 8出 x 1080p (3G) 2进/2出 x 2160p (4K) 100G容量则是上述25G的4倍，可以很好的支持8K IP信号
行业其他硬件的全面支持25G/100G接口各类常用交换机已经全面支持比40G/50G更好的灵活使用25G每个端口可单独配置25G/10G/1G，满足多种制作需要

根据行业发展经验来看，如果成本相似，用户肯定会需要尽可能高带宽的网络。

综上所述，25G/100G接口和模块属于主流的选择，合理的成本范围、较高的网络质量、FEC等技术优势、更高的带宽等特点，使得专业媒体领域内4K IP设备使用25G/100G接口越来越多，也期待随着技术的进一步发展，更高带宽的接口和技术继续推广应用！

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