SFP – Small Form-factor Pluggable

Abkürzung: SFP

Ein SFP ist ein steckbares Sende-Empfangs-Modul, das in einen Schacht an der Frontseite eines Switches, Routers oder einer Netzwerkkarte geschoben wird. Es enthält den Sender, den Empfänger und die Wandlung zwischen dem elektrischen Signal auf der Leiterplatte und dem optischen oder elektrischen Signal auf der Leitung. Der Port im Gerät legt damit nur die Datenrate fest, nicht das Medium: ob an einem Port eine Multimode-Faser über 300 Meter, eine Singlemode-Faser über 40 Kilometer oder eine Kupferleitung mit RJ45 endet, entscheidet allein das eingesteckte Modul. Diese Trennung ist der eigentliche Zweck der Bauform – ein Gerät muss nicht für jede Medienkombination als eigene Variante gebaut werden.

Spezifiziert wird SFP nicht von einem Normungsgremium, sondern durch ein Multi-Source Agreement (MSA) im SFF-Komitee, heute bei der SNIA. Festgelegt sind darin Mechanik, Steckverbinder, elektrische Signale und der Inhalt des Identifikations-EEPROMs. Welche Übertragungsart ein Modul bedient, regeln dagegen die Ethernet-Standards der IEEE-802.3-Reihe oder die Fibre-Channel-Normen.

Mechanik und Käfig

Das Modul sitzt in einem Metallkäfig (cage), der auf die Leiterplatte gelötet ist und gleichzeitig als Abschirmung und als Wärmepfad dient. Die Kontaktierung erfolgt über einen Kartenrandstecker mit 20 Kontakten; bei den vierkanaligen QSFP-Bauformen sind es 38. Module sind im Betrieb wechselbar (hot-swappable), eine Entriegelung über Bügel, Lasche oder Schieber hält sie im Käfig.

Die Bauhöhe ist der Grund für den Namen: SFP beansprucht etwa die halbe Höhe des Vorgängers GBIC und erlaubt damit die heute übliche Portdichte von 24 oder 48 Modulen in einer Höheneinheit. Nicht belegte Käfige und nicht gesteckte Module werden mit Staubschutzkappen verschlossen – Verschmutzung der Faserendflächen ist die häufigste Ursache für Verbindungen, die nur mit erhöhter Fehlerrate oder gar nicht zustande kommen.

Üblich sind zwei Temperaturbereiche: kommerzielle Module für 0 bis 70 °C und industrielle für −40 bis 85 °C. In geschlossenen Schaltschränken oder dicht belegten Switches ohne ausreichenden Luftstrom ist die kommerzielle Variante knapp bemessen.

Bauformen und Datenraten

Aus SFP ist eine ganze Familie geworden. Die einkanaligen Bauformen behalten die Außenmaße, die vierkanaligen (Quad) sind breiter und bündeln vier elektrische Leitungspaare in einem Modul:

Daneben existieren ältere Bauformen, die man in Bestandsgeräten noch findet: XFP für 10 Gbit/s ist größer als SFP+ und war vor dessen Einführung verbreitet, XENPAK und X2 sind nochmals älter, die CFP-Familie deckte die erste Generation von 40- und 100-Gigabit-Ethernet ab. Alle sind untereinander und mit SFP mechanisch unverträglich.

Ein höherwertiges Modul passt nicht in einen einfacheren Käfig – ein SFP+ lässt sich zwar mechanisch in einen SFP-Schacht schieben, läuft dort aber nur, wenn der Port die Datenrate beherrscht. Umgekehrt nehmen SFP+-Ports in der Regel auch Gigabit-SFP an, allerdings nicht ausnahmslos: einige Switches unterstützen am SFP+-Port nur 10 Gbit/s. Ebenso lässt sich ein QSFP-Port bei vielen Geräten als vier getrennte SFP-Ports betreiben (Breakout), was ein spezielles Kabel und eine entsprechende Konfiguration im Switch voraussetzt.

Optische Varianten und Reichweiten

Welche Strecke ein Modul überbrückt, ergibt sich aus Wellenlänge, Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit. Die Kurzbezeichnungen folgen den Ethernet-Standards:

• SR / SX – 850 nm auf Multimode-Faser, meist mit einem VCSEL als Sender. Gigabit-Ethernet erreicht bis 550 m, 10-Gigabit-Ethernet 300 m auf OM3 und 400 m auf OM4.
• LR / LX – 1310 nm auf Singlemode-Faser, 10 km.
• ER – 1550 nm, 40 km. ZR / ZX – 1550 nm, 70 bis 80 km, oft mit Verstärkung oder höherer Sendeleistung.
• BX – bidirektionale Übertragung über eine einzige Faser. Ein Modul sendet auf 1310 nm und empfängt auf 1490 nm, das Gegenstück spiegelbildlich; Module werden deshalb paarweise beschafft. Im FTTH-Zugangsnetz und bei knappen Faserreserven die Standardlösung.
• CWDM und DWDM – Module mit festgelegter Wellenlänge für den Betrieb mehrerer Kanäle über eine Faser. CWDM nutzt ein 20-nm-Raster von 1270 bis 1610 nm, DWDM ein enges Raster von 100 oder 50 GHz im C-Band.

Ein Langstreckenmodul auf einer kurzen Strecke ist kein sicherer Weg: wird die maximale Eingangsleistung des Empfängers überschritten, steigt die Fehlerrate oder der Empfänger wird beschädigt. In diesem Fall gehört ein Dämpfungsglied in die Strecke.

Als Steckverbinder dominiert der LC-Stecker im Duplex-Paar, bei einfaserigen BX-Modulen eine einzelne LC-Buchse. Die QSFP-Bauformen verwenden je nach Variante MPO/MTP-Vielfachstecker für parallele Fasern oder ebenfalls LC, wenn die Kanäle optisch gemultiplext werden.

Kupfer-SFP

Ein 1000BASE-T-SFP enthält einen vollständigen Ethernet-PHY mit RJ45-Buchse. Zu beachten ist dabei, dass Autonegotiation im Modul abläuft und nicht im Switch: Der Switch sieht einen Link mit fester Rate, während das Modul die Aushandlung mit der Gegenseite führt. Eine Festlegung von Geschwindigkeit und Duplexmodus auf der Switch-Seite greift deshalb oft nicht wie erwartet, und ein Duplex-Mismatch lässt sich am Port schlechter diagnostizieren als bei einem fest eingebauten Kupferport.

10GBASE-T als SFP+ ist technisch möglich, benötigt aber deutlich mehr Leistung als eine optische Variante. Viele Käfige stellen diese Leistung nicht bereit oder können die Wärme nicht abführen, weshalb solche Module nur an ausdrücklich freigegebenen Ports arbeiten.

EEPROM, Diagnose und Coding

Jedes Modul trägt ein EEPROM, das über einen I²C-Bus gelesen wird. Auf der ersten Adresse liegen die Identifikationsdaten nach SFF-8472: Bauform, unterstützte Übertragungsarten, Wellenlänge, Reichweite pro Fasertyp, Herstellername, Typnummer, Seriennummer und Herstellungsdatum, jeweils mit Prüfsumme. Auf der zweiten Adresse liegen die Messwerte der digitalen Diagnose (Digital Diagnostics Monitoring, DDM, auch DOM): Modultemperatur, Versorgungsspannung, Laser-Vorstrom sowie Sende- und Empfangsleistung.

Diese Messwerte sind das wichtigste Betriebswerkzeug an optischen Ports. Die Empfangsleistung zeigt unmittelbar, ob eine Strecke im Budget liegt, und ein langsam steigender Laser-Vorstrom bei fallender Sendeleistung kündigt den Ausfall eines Senders an, bevor Fehler auf der Leitung auftreten. Die QSFP-Bauformen verwenden ein erweitertes Register-Modell nach SFF-8636, die neueren Hochgeschwindigkeitsmodule die Common Management Interface Specification (CMIS) der OIF.

Coding und Herstellerbindung

Das MSA legt Mechanik, Elektrik und Registeraufbau fest, nicht aber die Herstellerfelder im EEPROM. Viele Switch-Hersteller lesen genau diese Felder aus und verweigern den Betrieb von Modulen, die nicht ihren eigenen Einträgen entsprechen. Mechanische und elektrische Verträglichkeit garantiert deshalb keinen Betrieb.

Drittanbieter lösen das, indem sie das EEPROM passend beschreiben – in der Praxis als Coding bezeichnet. Ein Modul für einen Switch von Hersteller A trägt dann dessen Herstellerkennung, obwohl die Hardware von einem Fremdanbieter stammt; manche Anbieter liefern Programmiergeräte, mit denen sich dieselbe Hardware auf eine andere Kennung umschreiben lässt. Einige Hersteller erlauben Fremdmodule auch ausdrücklich über einen Konfigurationsbefehl, verbinden das aber mit dem Hinweis, dass für solche Ports kein Support geleistet wird. Technisch ist das unbedenklich, solange die optischen Parameter zur Strecke und zum Port passen; vertraglich bleibt es eine Frage der Gerätegarantie.

Leistungsklassen und Wärme

SFF-8472 und SFF-8636 teilen Module in Leistungsklassen ein, die im EEPROM hinterlegt sind. Ein Switch kann so vor dem Aktivieren prüfen, ob ein Port das Modul versorgen kann. Einfache optische SFP bleiben unter 1 W, SFP+ für Langstrecken liegen darüber, QSFP-DD-Module erreichen zweistellige Wattwerte. In dicht belegten Geräten ist die Wärmeabfuhr damit der eigentliche Begrenzungsfaktor – voll bestückte 400G-Ports erfordern einen durchgehenden Luftstrom in der vorgesehenen Richtung.

Direct Attach und Aktivkabel

Für kurze Verbindungen im Rack gibt es fest konfektionierte Kabel, die in denselben Käfig passen, aber kein wechselbares Modul enthalten:

• DAC (Direct Attach Copper) führt ein Twinax-Kupferkabel mit angespritzten Modulgehäusen an beiden Enden. Passive Varianten reichen bei 10 und 25 Gbit/s typisch bis 5 m, aktive weiter. Sie sind preiswert und benötigen fast keine Leistung, sind aber starr und bauen im Kabelkanal auf.
• AOC (Active Optical Cable) ist dasselbe Prinzip mit fest angeschlossener Faser und integrierter Optik; damit sind Längen bis einige Dutzend Meter möglich, bei geringerem Durchmesser und kleinerem Biegeradius als DAC.

Beide erfordern ebenfalls, dass der Port sie akzeptiert, und beide sind nicht reparierbar – ein Defekt betrifft immer das ganze Kabel.

Dämpfungsbudget

Ob eine optische Strecke trägt, lässt sich vor dem Aufbau rechnen: Die minimale Sendeleistung des Moduls abzüglich der Empfängerempfindlichkeit ergibt das verfügbare Budget in Dezibel. Davon abzuziehen sind die Faserdämpfung über die Länge, etwa 0,3 dB Einfügedämpfung je Steckverbindung und etwa 0,1 dB je Spleiß, zuzüglich einer Reserve für Alterung und spätere Umbauten. Beide Modulenden einer Strecke müssen zur selben Variante gehören – ein LR-Modul gegen ein SR-Modul arbeitet nicht, weil Wellenlänge und Fasertyp nicht zusammenpassen.