如何設計10Gbps光纖局域網

    我們目前所使用的大部分網絡的傳輸速率是10Mbps，那么
為什么現在就要規劃10Gbps傳輸速率的局域網（LAN）環境呢？原
因是兩方面的，一個是理論上的原因，另一個是實際中的原因。
　　由于對基于WEB應用和綜合多媒體應用（音頻/數據/視頻）的
互聯網接入需求的急劇膨脹，大大促進了對寬帶網絡的需求。微
電子和光纖聯網技術的迅速發展正不斷地提高著網絡的帶寬容
量。人們對網絡速度的要求日益提高，從10Mbps到100Mbps到1000
Mbps，并且這種要求不久就將使我們進入10000Mbps或10Gbps的網
絡。
　　我們目前所使用的大部分網絡的傳輸速率是10Mbps，那么為
什么現在就要規劃10Gbps傳輸速率的局域網（LAN）環境呢？原因
是兩方面的，一個是理論上的原因，另一個是實際中的原因。
　　從理論上來說，我們生活在一個充滿壓力、快節奏的時代，因此我們往往容易忽視生產力的規劃。作
為一個優秀的商業經理人，必須保持戰術和戰略規劃的均衡，其中戰術影響到短期的效益，而戰略則影響
到企業的效率、競爭力和長期的生存能力。簡單地說，“提前規劃！”就能夠預見未來的關鍵技術并積極
地做好準備，“提前規劃！”就能夠在這些關鍵技術成為可能時，迅速而充分地利用它們。
　　從實際中來說，提前規劃對于網絡的布線結構具有極其重要的作用。網絡有源組件的性能和容量升級
通常可以通過相對簡單的軟件和硬件升級來完成，與此不同的是，布線的基礎結構具有一定的性能范圍，
不通過更換線纜和連接器是無法提高其性能的。這種升級是中斷性的，并且具有很高的成本，這里的成本
既包括重新敷設線纜所帶來的直接成本，也包括布線引起網絡性能下降和產生力降低所帶來的間接成本。
　　因此，盡管有些人認為目前安裝的10/100BASE-T網絡中考慮10Gbps的局域網未免有點為時尚早，但有
見識的網絡管理人員已經認識到，千兆赫時鐘頻率工作站、千兆赫以太網和“流”多媒體應用等新興技術
可能不久就將在他們的網絡中成為現實。為了使網絡具有足夠的容量和充分的性能，以便在今后必要的時
候平穩、迅速地植入這些新技術，當今具有前瞻性的管理人員會更希望考慮10Gbps局域網技術。
　　在后面的各節中，我們將評述最新的10Gbps以太網技術和標準。我們還將了解一些重要的市場信息，
從而幫助我們進行決策。最后我們將詳細討論至關重要的設計因素和可能的解決方案。有時，為了通俗易
懂和使讀者更加清楚，內容的講解采用了“問題”和“解答”的形式。
　　技術
　　由于有多種介質和多種技術可供選擇，因此企業和服務提供商的網絡管理人員在進行網絡升級時可以
采用多種方法。對于企業局域網來說，利用10Gbps以太網可以使網絡管理人員將其以太網從10Mbps、100Mb
ps或者1000Mbps升級至10000Mbps，并通過提高網絡性能，充分利用以太網上的投資。最為一條經驗法則，
必須牢記的是網絡干線上的速度至少應該比終端的速度快10倍。對于服務提供商而言，在城域和廣域應用
中，10Gbps以太網將提供更優良的性能和具有成本效率的鏈路，并且很容易利用熟悉的以太網工具進行管
理。10Gbps以太網能夠滿足廣域主干網上最快技術OC-192的速度要求，其速率大約為9.6Gbps。
   圖1中文字的英漢對照：
         Remote Enterprise 遠程企業
         Equipment Room 設備機房
         DWDM Infrastructure 密集波分復用基本設施
         WAN Router 廣域網路由器
         Firewall 防火墻
         Backbone Switch/Router 主干交換機/路由器
        File Servers 文件服務器
        Web Servers Web服務器
        Email Servers 電子郵件服務器
        Application Servers 應用服務器
        Internet Data Center 互聯網數據中心
        Computer Room 計算機機房
　　 在建筑物環境下，一種新興的網絡結構趨勢是建立存儲區網絡（Storage Area Networks：SAN），存
儲區網絡是一個相對有限的區域，但卻集中著大量的超高性能設備（服務器、路由器、企業網絡集線器
等）。隨著SAN（存儲區網絡）部署的越來越多，實現10Gbps的網絡基礎結構已經不再是可選可不選，而是
幾乎已經成為必要！
　　隨著網絡應用技術的日益發展（參見圖2），我們已經從最初的發光二級管（LED）技術，過渡到了高
速而昂貴的基于激光的技術，直至今天的垂直諧振腔表面發射激光（Vertical Cavity Surface Emitting
Lasers ：VCSEL）技術，其中VCSEL技術在具有激光性能的同時，相對降低了成本。
    Fast Ethernet 快速以太網
          Data Rate 數據率
　　 發光二級管（LED）技術具有大約600Mb/s的轉換極限，目前基于激光的技術還遠未達到其極限。
　　VCSEL技術的一些挑戰…
　　 盡管VCSEL技術以較低的成本實現了優良的激光性能，但它并非沒有挑戰。其中一個最主要的就是要
求光纖的光學特性與VCSEL發射體技術相匹配。為了更好地理解這里的內容和其它一些10Gb/s聯網技術所面
臨的技術障礙及相關的物理層問題，有必要復習一些光纖的基本知識。
        到目前為止，根據測試的情況來看，大多數多模光纖的帶寬特性都是通過發光二級管（LE
D）以過充滿發送(Overfill Lauch)方式來實現的，該方式使用了光纖中的所有模式（即光線路徑）。激光
型發射（例如VCSEL）則僅僅使用了纖芯四周的一部分模。圖3說明了不同光源在進入纖芯時光傳播特性的
差異。
          圖3中文字的英漢對照：
        Light 光線
        Fiber Cladding 光纖包層
        Fiber Core 纖芯
        LED in multimode fiber 多模光纖中的LED
        VCSEL in Multimode fiber 多模光纖中的VCSEL
        Laser in Single mode fiber 單模光纖中的激光
        發光二級管（LED）的射線光束比光纖的核心半徑寬，因此會充滿整個纖芯。而對于激光
技術來說，由于射線對準的精度高，因此光束僅在纖芯的中央傳播。
        VCSEL射線光束完全在纖芯中傳播。因為光束并沒有充滿纖芯，因此，根據光纖的特性，
模態色散減小，光纖傳輸的信息量增加。
        在傳統多模光纖在制造過程中，在光纖纖芯(Fiber Core)的中心可能會產生有一些折射率
缺陷，這些缺陷引發纖芯中心附近的光線傳播速度的差異(Differential Mode Delay差模延遲)，此速度差
異對LED光源來說影響甚小，但對VCSEL這類發射光線圍繞著纖芯中心的技術則影響甚大。
　　一個重要突破:
　　 通過改進光纖的生產技術，新一代的多模光纖解決了這一問題，新一代光纖的差模延遲（DMD）響應
平緩而狹窄，因此可以將接收到的脈沖視為一個能量峰，接收器很容易進行探測。這種新的光纖與現有的
基于發光二級管的網絡設備是兼容的。
　　 建筑物布線的物理實現
　　 布線的信道性能和拓撲結構，是所有網絡基礎結構的設計和實現中所必須考慮的關鍵問題。
　　有鑒于此，在網絡標準（例如以太網）中包含有物理層規范，明確地說明為了有效支持網絡應用所必
需的最小的光纜傳輸性能，及針對設計目的最大允許的布線距離
　　 對于設計規劃，讓我們首先從銅線開始討論。許多用戶正在使用10Mbps的網絡，而且越來越多的用戶
正在部署100Mbps的網絡。目前大多數正在安裝的水平布線結構采用的都是TIA/EIA規定的5e類的布線方
式。這種布線方式已經為千兆比特網絡做好了準備。按照合理的設計準則，如果你的水平布線已經是千兆
比特級的，那么你的主干網布線所能承載的速度就必須是它的數倍，也就是要采用10Gbps的基本結構。
        不幸的是，如果不使用昂貴的電子設備(10GBASE-LX4)，已經安裝的多模光纖局域網的基
本結構就不足以支持10Gbps的以太網。到目前為止，大多數已經安裝的網絡采用的是FDDI漸變型光纖（16
0/500MHz-km,基于LED的應用），其它還有一些在安裝時，針對千兆比特以太網和VCSEL技術，使用了高級
的多模光纖。這些光纖沒有針對10Gbps串行傳輸以太網(10GBASE-SR/SW)應用進行優化（差模延遲）。表1
(如下)概括了當前使用的和市場上供應的各種類型光纖的距離特性。
　　表1: 10 G比特以太網距離和IEEE 目標
      300米的距離是否充分?
      從表1可以看出，對于一個新的10Gb/s 50微米多模光纖，當VCSEL工作在850nm時，最大距離限
制為300米。許多研究表明，大約85%的局域網主干網可以在這一距離范圍內實施完成（參見圖4）。
　　光纖到桌面(Fiber-to-the-desk：FTTD)的部署情況
　　關于光纖到桌面的拓撲結構設計的一種選擇是采用“集中式光纖敷設原則”。最近公布的TIA/EIA 568
-B.1標準中規定了集中式光纖拓撲結構。該結構通過采用集中式電子設備，而不是每層分布電子設備的傳
統方法，使62.5、125μm和50μm光纖到桌面的布線系統的設計和規劃更簡單、更方便。
        圖 5: 集中式光纖敷設
         Backbone Cable 主干電纜 Backbone Pathway 主干路徑
        Interconnect or Splice 互連或者插接 Telecommunications Closet 電信柜
     Pull-through Cable 牽引電纜 Term.Pos. 終端位置
         Centralized Cross-connect 集中式交叉連接 Term.Hdwr. 終端硬件
        Equipment 設備 Equipment Room 設備機房
         Horizontal Cable 水平電纜 Pathway 路徑
         Work Area 工作區
　　根據這一設計，最大水平布線距離為90米（300英尺），同時，水平、主干布線與工作區、交叉連接線
的最大組合距離不應超過300米（984英尺）。通過保持300米（984英尺）的距離，62.5/125μm或50μm多模
布線系統就可以支持未來的多千兆比特應用。
　　因此，300米的光纖布線距離能夠滿足大多數的應用設計需求。
　　光纖布線結構解決方案
　　為了解決10Gbps以太網實現中所有可能遇到的上述問題，選擇一家經驗豐富的生產廠商是十分重要
的，因為他可以向合作伙伴提供高質量的產品、支持和專業知識，并能夠向客戶提供可靠、完善和經過檢
驗的解決方案。此外，生產商對于布線系統的理解也是客戶聯網策略的至關重要的基礎。
　　客戶理想的生產商應該具有悠久的歷史和良好的信譽，并且在技術上處于領先地位；同時他還是了解
光纖網絡體系結構的技術發展方向的創新者，能夠提供全面、簡便、高性能端到端的光纖解決方案。
　　同樣重要的是，生產商向客戶提供的光纖聯網解決方案中，應包括全面而完整的文檔系統，具體應包
括：設計和應用指南；安裝、測試和故障診斷手冊；產品目錄和參考指南。文檔系統的目的是在客戶進行
系統選擇和實施的各個階段對其提供幫助。此外，為了向客戶提供最佳的性能和可靠性，生產商授權的商
業伙伴必須經過生產商的全面培訓和合格認證，確保合伙人實現的系統完全滿足生產商的要求。
        NORDX/CDT所提供的FiberExpress系統解決方案能夠滿足上述的所有要求。FiberExpress
系統并非一個簡單的光纖產品的組合。它是一個全面綜合的光纖解決方案，能夠為光纖網絡布線提供一種
全新的方法，并且解決了光纖聯網中存在已久的問題。FiberExpress系統降低了總體設計的復雜性，簡化
了安裝過程，減少了安裝時間，并且提高了安裝質量。FiberExpress系統先進的特性以及上述優點，為客
戶高性能的光纖聯網需求提供了具有成本效益的、可靠的解決方案。
      為了提供完整的端到端解決方案所必需的所有產品，許多其他廠商必須進行聯合，與此不同的
是，NORDX/CDT自行設計、規劃和生產所有的布線和連接產品，能夠同時以UTP和光纖介質，提供全面綜合
的和經過檢驗的布線系統解決方案。
       NORDX/CDT的支持工具和程序是公認的行業標準，它能夠為客戶提供工業、技術和產品信
息，使他們在設計網絡布線基本結構時做出明智的決策。此外，NORDX/CDT還為全世界客戶提供授權的安裝
承包商，并且擁有各個相關領域的專家，他們在NORDX/CDT的一系列結構化布線系統解決方案的設計、安裝
和維護方面經過全面的培訓。
       小結
       本文討論了目前10Gbps以太網的狀況，深入研究了當今支持這一應用的可用技術。盡管10Gb
ps以太網應用具有很多需求，但這些需求可以壓縮為以下幾個關鍵方面：
　　a-光纖布線類型和特定波長下的性能:衰減、帶寬和帶寬測量規范。
　　b-網絡拓撲結構，包括運行距離和連接器數量，也就是光纖鏈路損耗計算。
　　c-與基于LED和激光的以太網設備兼容的布線設計的實現，這樣就可以使現有的基于LED的10Mbps和100
Mbps網絡與基于激光的1Gbps和10Gbps的網絡進行集成。
　　10G比特以太網標準預計將很快審批通過，現在已經具有足夠可靠的信息來作出合理的技術和經濟決
策。新改進的50微米優化激光光纖目前已經變得越來越普及，網絡管理人員應該考慮采用這種優化的光
纜，使其在建筑物局域網（LAN）布線決策和設計策略中發揮最重要的作用。
　　盡管10G比特以太網和10Gbps光纖聯網技術似乎與10Mbps的局域網（LAN）毫不相關，但從戰略眼光來
看卻不是這樣。CPU和IC時鐘的速度已經突破了千兆赫的限制，用戶的應用不斷對位速率和帶寬提出越來越
高的需求，針對千兆比特以太網和千兆位布線系統，目前已經制定出完善的標準。以往的經驗告訴我們，
這些條件將很快產生競爭性環境，并在現有的技術條件下為市場帶來可靠的、具有成本效率的解決方案。
相應地，千兆比特系統和聯網的商業形勢也將變得越來越明朗，在許多市場部門已經廣泛地接受和實現。
由于主干網和水平設計具有10：1的比例關系，因此局域網主干網中的10Gbps光纖聯網不存在“何時”的問
題。在這種情況下，獨立的行業分析者Gartner集團恰如其分地分析了當今10Gbps光纖聯網的戰略形
勢：“我們認為布線設施是網絡中最重要的部分。應該花費一些必要的時間和資金，以便確保我們如今安
裝的設備能夠充分地支持未來的環境條件…。我們應該牢記：布線系統升級的花費最多可高達初始安裝費
用的三倍”。