802.3协议解读 01：116章节 200 Gb/s 和 400 Gb/s 网络介绍 I

116.1 概述

[116.1.1 范围](#116.1.1 范围)
[116.1.2 200 Gigabit 和 400 Gigabit Ethernet 与 ISO OSI 参考模型的关系](#116.1.2 200 Gigabit 和 400 Gigabit Ethernet 与 ISO OSI 参考模型的关系)
- [（1）OSI 七层模型](#（1）OSI 七层模型)
- （2）数据位宽的规定
[116.1.3 命名规则](#116.1.3 命名规则)
- [（1）前缀：200GBASE 和 400GBASE](#（1）前缀：200GBASE 和 400GBASE)
- [（2）后缀：-R 是什么意思？](#（2）后缀：-R 是什么意思？)
[116.1.4 物理层信令系统](#116.1.4 物理层信令系统)
总结

摘要：此专栏主要解读 IEEE 802.3 中与光模块有关的章节。本文主要关注协议文档的 116 章关于 200 Gb/s 和 400 Gb/s 的介绍。不仅是对文档的简单翻译，还会剖析协议规定背后的深层含义。为了方便与协议文档内容对应，本文的章节编号与协议文档保持一致。

116.1.1 范围

本章描述 200 Gigabit Ethernet 和 400 Gigabit Ethernet 的通用要求。简单说，200G 以太网就是：

MAC 层跑在 200 Gb/s；
物理层可以是任意一种符合 IEEE 802.3 标准的 200GBASE 实现，比如 200GBASE-SR4、200GBASE-FR4、200GBASE-LR4 等光模块类型；
只支持全双工，也就是可以同时收和发，不存在半双工。

400G 同理，只是速率变成 400 Gb/s，物理层可以是 400GBASE-SR8、400GBASE-DR4、400GBASE-FR4 等。

116.1.2 200 Gigabit 和 400 Gigabit Ethernet 与 ISO OSI 参考模型的关系

（1）OSI 七层模型

OSI 七层模型是网络通信的经典分层框架。200G/400G 以太网就是把 MAC 子层和一组高速物理层设备连起来，如下图所示。

在 OSI 七层模型中，我们主要关注链路层和物理层。

（2）数据位宽的规定

在定义接口时，逻辑上用"比特、字节、帧"这些抽象概念，但芯片或设备内部具体怎么实现，数据位宽可以灵活选择，不必死板地按照某一固定宽度。但是，有一些"对外可见"的接口，为了保证不同厂家设备能互相连接，标准强制规定了它们的通道数量和数据通路宽度，不能随便改。

内部实现与外部可见接口的区别

内部实现：比如 MAC 和 PHY 之间的 GMII 逻辑接口，标准说逻辑上是 64 位宽，但如果你们用 FPGA、ASIC 或专用芯片内部实现，完全可以用 32 位、128 位或者其他宽度，只要能实现同样的功能就行，因为这是芯片内部的事，别人看不到，不影响互连。

外部可见接口：比如光模块插到交换机上的电接口（AUI）或者光模块的光口（MDI），这些是不同设备之间物理连接的界面，必须严格遵循标准规定的通道数，否则连不上、通不了。

必须遵守固定数据位宽的情况如下所示：

a) 200GMII / 400GMII

当这个 GMII 作为 MAC 子层和物理层设备（PHY）之间的逻辑互联点时，必须遵守第 117 章规定的 64 位数据位宽。
b) MDIO/MDC 管理接口

这是管理光模块或 PHY 的串行接口，一根数据线（MDIO）一根时钟线（MDC），数据是一位一位传的，所以叫"位宽数据通路"。这个接口是外部可见的，比如交换机通过 MDIO/MDC 来读写光模块的寄存器（监控温度、电压、告警等）。标准规定必须串行，不能并行，I2C/MDIO 接口必须按 Clause 45 来。
c) 400GAUI-16

这是 400G 的一个主机侧电接口，使用 16 个 lane（通道）。电接口就要是 16 个差分对。这个接口出现在附录 120B/120C 里。
d) 200GAUI-8 / 400GAUI-8

这是 8 个 lane 的电接口，常用于很多 200G 和 400G 光模块。比如 400G FR8/LR8 这类模块，光口有 8 个波长，主机侧电接口必须是 8 对差分线（比如 8×50G PAM4 或 8×25G NRZ），见附录 120B、120C、120D 或 120E 的规定。
e) 200GAUI-4

这是 4-lane 的电接口，用于 200G 光模块（比如 200G FR4/LR4 等），电口必须是 4 对差分线。
f) 400GBASE-SR16 的 MDI 必须使用 16-lane

MDI 是介质相关接口，对于光模块来说就是光口。400GBASE-SR16 是一种短距离多模并行光模块，使用 16 根光纤（或 16 个光通道），所以光口是 16 lane。通常接的光纤是 16 lane 专用 MPO，或双行 MPO-12，如下图所示。
g) 使用 8-lane 光口的模块

以下这些模块的 MDI 接口数据宽度必须为 8：
- 400GBASE-FR8/LR8/ER8：单模波分复用模块，使用 8 个光波长，所以是 8 lane。通常接的光纤是Duplex LC，如下图所示。
- 400GBASE-SR8：多模并行模块，使用 8 对光纤（8 发 8 收），所以是 8 lane。通常接的光纤是MPO-16，如下图所示。
- 400GBASE-SR4.2：这是比较特殊的多模模块，使用 4 对光纤，但每对光纤上跑 2 个波长（双向或波分复用），总共 4×2=8 个光通道，所以也归为 8 lane。通常接的光纤是MPO-12，如下图所示。
h) 使用 4-lane 光口的模块

以下这些模块的 MDI 接口数据位宽必须为 4：
- 200GBASE-DR4/FR4/LR4/ER4：200G 单模并行/波分模块，4 个光通道。
- 400GBASE-DR4：400G 单模并行模块，4 根光纤（4 发 4 收），每个 lane 跑 100G PAM4。通常接的光纤是MPO-12。
- 200GBASE-CR4/KR4/SR4：铜缆/背板/多模模块，都是 4 通道。
- 400GBASE-FR4 和 400GBASE-LR4-6：400G 单模波分模块，使用 4 个波长，所以是 4 lane。（LR4-6 指激光器波长范围较宽，但仍是 4 lane）。通常接的光纤是Duplex LC。

116.1.3 命名规则

这一节是在讲以太网物理层设备的命名规则，也就是你看到的各种光模块型号（如 400GBASE-FR4、200GBASE-SR4 等）到底是什么意思。

（1）前缀：200GBASE 和 400GBASE

200GBASE 或 400GBASE 表示这是一族工作在 200 Gb/s 或 400Gb/s 速率的物理层设备（也就是光模块、PHY 芯片等）。型号开头的数字表示速率。

（2）后缀：-R 是什么意思？

原文特别提到了 200GBASE-R 和 400GBASE-R，这里的 -R 是一个特殊的后缀，它不代表具体的介质或距离，而是一个家族代号。-R 表示这族物理层设备使用 PCS（物理编码子层），并且通过多个 PCS 通道（multiple PCS lanes）来工作。

所以 200GBASE-R 和 400GBASE-R 可以理解为"标准以太网架构的 200G/400G 物理层家族"，它们共享同一套 PCS 多通道机制，但具体的光口类型、光纤数量、距离、波长等由后面的字母和数字决定（比如 -SR4、-FR4、-LR8 等）。表 116-1 和表 116-2 中列出了所有具体的 200GBASE-xxx 和 400GBASE-xxx 类型。

关于介质："K" 代表 Backplane（背板）；"C" 代表 Copper（铜缆）。

关于距离："S" 代表 Short reach（短距，约100m）；"D" 代表 500 m 单模并行（数据中心短距）。"F" 代表 2 km。"L" 代表 Long reach（长距，10 km）。"E" 代表 Extended reach（扩展距离，40 km）。