如何設(shè)計(jì)10Gbps光纖局域網(wǎng)

    我們目前所使用的大部分網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率是10Mbps，那么
為什么現(xiàn)在就要規(guī)劃10Gbps傳輸速率的局域網(wǎng)（LAN）環(huán)境呢？原
因是兩方面的，一個(gè)是理論上的原因，另一個(gè)是實(shí)際中的原因。
　　由于對(duì)基于WEB應(yīng)用和綜合多媒體應(yīng)用（音頻/數(shù)據(jù)/視頻）的
互聯(lián)網(wǎng)接入需求的急劇膨脹，大大促進(jìn)了對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求。微
電子和光纖聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展正不斷地提高著網(wǎng)絡(luò)的帶寬容
量。人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)入10000Mbps或10Gbps的網(wǎng)
絡(luò)。
　　我們目前所使用的大部分網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率是10Mbps，那么為
什么現(xiàn)在就要規(guī)劃10Gbps傳輸速率的局域網(wǎng)（LAN）環(huán)境呢？原因
是兩方面的，一個(gè)是理論上的原因，另一個(gè)是實(shí)際中的原因。
　　從理論上來說，我們生活在一個(gè)充滿壓力、快節(jié)奏的時(shí)代，因此我們往往容易忽視生產(chǎn)力的規(guī)劃。作
為一個(gè)優(yōu)秀的商業(yè)經(jīng)理人，必須保持戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略規(guī)劃的均衡，其中戰(zhàn)術(shù)影響到短期的效益，而戰(zhàn)略則影響
到企業(yè)的效率、競爭力和長期的生存能力。簡單地說，“提前規(guī)劃！”就能夠預(yù)見未來的關(guān)鍵技術(shù)并積極
地做好準(zhǔn)備，“提前規(guī)劃！”就能夠在這些關(guān)鍵技術(shù)成為可能時(shí)，迅速而充分地利用它們。
　　從實(shí)際中來說，提前規(guī)劃對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的布線結(jié)構(gòu)具有極其重要的作用。網(wǎng)絡(luò)有源組件的性能和容量升級(jí)
通?？梢酝ㄟ^相對(duì)簡單的軟件和硬件升級(jí)來完成，與此不同的是，布線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(jí)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(shè)線纜所帶來的直接成本，也包括布線引起網(wǎng)絡(luò)性能下降和產(chǎn)生力降低所帶來的間接成本。
　　因此，盡管有些人認(rèn)為目前安裝的10/100BASE-T網(wǎng)絡(luò)中考慮10Gbps的局域網(wǎng)未免有點(diǎn)為時(shí)尚早，但有
見識(shí)的網(wǎng)絡(luò)管理人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，千兆赫時(shí)鐘頻率工作站、千兆赫以太網(wǎng)和“流”多媒體應(yīng)用等新興技術(shù)
可能不久就將在他們的網(wǎng)絡(luò)中成為現(xiàn)實(shí)。為了使網(wǎng)絡(luò)具有足夠的容量和充分的性能，以便在今后必要的時(shí)
候平穩(wěn)、迅速地植入這些新技術(shù)，當(dāng)今具有前瞻性的管理人員會(huì)更希望考慮10Gbps局域網(wǎng)技術(shù)。
　　在后面的各節(jié)中，我們將評(píng)述最新的10Gbps以太網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。我們還將了解一些重要的市場信息，
從而幫助我們進(jìn)行決策。最后我們將詳細(xì)討論至關(guān)重要的設(shè)計(jì)因素和可能的解決方案。有時(shí)，為了通俗易
懂和使讀者更加清楚，內(nèi)容的講解采用了“問題”和“解答”的形式。
　　技術(shù)
　　由于有多種介質(zhì)和多種技術(shù)可供選擇，因此企業(yè)和服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)管理人員在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)可以
采用多種方法。對(duì)于企業(yè)局域網(wǎng)來說，利用10Gbps以太網(wǎng)可以使網(wǎng)絡(luò)管理人員將其以太網(wǎng)從10Mbps、100Mb
ps或者1000Mbps升級(jí)至10000Mbps，并通過提高網(wǎng)絡(luò)性能，充分利用以太網(wǎng)上的投資。最為一條經(jīng)驗(yàn)法則，
必須牢記的是網(wǎng)絡(luò)干線上的速度至少應(yīng)該比終端的速度快10倍。對(duì)于服務(wù)提供商而言，在城域和廣域應(yīng)用
中，10Gbps以太網(wǎng)將提供更優(yōu)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(wǎng)工具進(jìn)行管
理。10Gbps以太網(wǎng)能夠滿足廣域主干網(wǎng)上最快技術(shù)OC-192的速度要求，其速率大約為9.6Gbps。
　　 在建筑物環(huán)境下，一種新興的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨勢是建立存儲(chǔ)區(qū)網(wǎng)絡(luò)（Storage Area Networks：SAN），存
儲(chǔ)區(qū)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)相對(duì)有限的區(qū)域，但卻集中著大量的超高性能設(shè)備（服務(wù)器、路由器、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)集線器
等）。隨著SAN（存儲(chǔ)區(qū)網(wǎng)絡(luò)）部署的越來越多，實(shí)現(xiàn)10Gbps的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再是可選可不選，而是
幾乎已經(jīng)成為必要！
　　隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的日益發(fā)展（參見圖2），我們已經(jīng)從最初的發(fā)光二級(jí)管（LED）技術(shù)，過渡到了高
速而昂貴的基于激光的技術(shù)，直至今天的垂直諧振腔表面發(fā)射激光（Vertical Cavity Surface Emitting
Lasers ：VCSEL）技術(shù)，其中VCSEL技術(shù)在具有激光性能的同時(shí)，相對(duì)降低了成本。
          圖2中文字的英漢對(duì)照：
          Bandwidth 帶寬
          LED to Laser-Fiber Laser Bandwidth 從發(fā)光二級(jí)管到激光光纖的激光帶寬
          Laser 激光
          Fast Ethernet 快速以太網(wǎng)
          Data Rate 數(shù)據(jù)率
　　 發(fā)光二級(jí)管（LED）技術(shù)具有大約600Mb/s的轉(zhuǎn)換極限，目前基于激光的技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到其極限。
　　VCSEL技術(shù)的一些挑戰(zhàn)…
　　 盡管VCSEL技術(shù)以較低的成本實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的激光性能，但它并非沒有挑戰(zhàn)。其中一個(gè)最主要的就是要
求光纖的光學(xué)特性與VCSEL發(fā)射體技術(shù)相匹配。為了更好地理解這里的內(nèi)容和其它一些10Gb/s聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所面
臨的技術(shù)障礙及相關(guān)的物理層問題，有必要復(fù)習(xí)一些光纖的基本知識(shí)。
        到目前為止，根據(jù)測試的情況來看，大多數(shù)多模光纖的帶寬特性都是通過發(fā)光二級(jí)管（LE
D）以過充滿發(fā)送(Overfill Lauch)方式來實(shí)現(xiàn)的，該方式使用了光纖中的所有模式（即光線路徑）。激光
型發(fā)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(jìn)入纖芯時(shí)光傳播特性的
差異。
          圖3中文字的英漢對(duì)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(fā)光二級(jí)管（LED）的射線光束比光纖的核心半徑寬，因此會(huì)充滿整個(gè)纖芯。而對(duì)于激光
技術(shù)來說，由于射線對(duì)準(zhǔn)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?yàn)楣馐]有充滿纖芯，因此，根據(jù)光纖的特性，
模態(tài)色散減小，光纖傳輸?shù)男畔⒘吭黾印?br />         在傳統(tǒng)多模光纖在制造過程中，在光纖纖芯(Fiber Core)的中心可能會(huì)產(chǎn)生有一些折射率
缺陷，這些缺陷引發(fā)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(duì)LED光源來說影響甚小，但對(duì)VCSEL這類發(fā)射光線圍繞著纖芯中心的技術(shù)則影響甚大。
　　一個(gè)重要突破:
　　 通過改進(jìn)光纖的生產(chǎn)技術(shù)，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(yīng)
平緩而狹窄，因此可以將接收到的脈沖視為一個(gè)能量峰，接收器很容易進(jìn)行探測。這種新的光纖與現(xiàn)有的
基于發(fā)光二級(jí)管的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是兼容的。
　　 建筑物布線的物理實(shí)現(xiàn)
　　 布線的信道性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是所有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中所必須考慮的關(guān)鍵問題。
　　有鑒于此，在網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（例如以太網(wǎng)）中包含有物理層規(guī)范，明確地說明為了有效支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所必
需的最小的光纜傳輸性能，及針對(duì)設(shè)計(jì)目的最大允許的布線距離。
　　 對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)劃，讓我們首先從銅線開始討論。許多用戶正在使用10Mbps的網(wǎng)絡(luò)，而且越來越多的用戶
正在部署100Mbps的網(wǎng)絡(luò)。目前大多數(shù)正在安裝的水平布線結(jié)構(gòu)采用的都是TIA/EIA規(guī)定的5e類的布線方
式。這種布線方式已經(jīng)為千兆比特網(wǎng)絡(luò)做好了準(zhǔn)備。按照合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如果你的水平布線已經(jīng)是千兆
比特級(jí)的，那么你的主干網(wǎng)布線所能承載的速度就必須是它的數(shù)倍，也就是要采用10Gbps的基本結(jié)構(gòu)。
        不幸的是，如果不使用昂貴的電子設(shè)備(10GBASE-LX4)，已經(jīng)安裝的多模光纖局域網(wǎng)的基
本結(jié)構(gòu)就不足以支持10Gbps的以太網(wǎng)。到目前為止，大多數(shù)已經(jīng)安裝的網(wǎng)絡(luò)采用的是FDDI漸變型光纖（16
0/500MHz-km,基于LED的應(yīng)用），其它還有一些在安裝時(shí)，針對(duì)千兆比特以太網(wǎng)和VCSEL技術(shù)，使用了高級(jí)
的多模光纖。這些光纖沒有針對(duì)10Gbps串行傳輸以太網(wǎng)(10GBASE-SR/SW)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化（差模延遲）。表1
(如下)概括了當(dāng)前使用的和市場上供應(yīng)的各種類型光纖的距離特性。
　　表1: 10 G比特以太網(wǎng)距離和IEEE 目標(biāo)
      300米的距離是否充分?
      從表1可以看出，對(duì)于一個(gè)新的10Gb/s 50微米多模光纖，當(dāng)VCSEL工作在850nm時(shí)，最大距離限
制為300米。許多研究表明，大約85%的局域網(wǎng)主干網(wǎng)可以在這一距離范圍內(nèi)實(shí)施完成（參見圖4）。
　　光纖到桌面(Fiber-to-the-desk：FTTD)的部署情況
　　關(guān)于光纖到桌面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種選擇是采用“集中式光纖敷設(shè)原則”。最近公布的TIA/EIA 568
-B.1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了集中式光纖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過采用集中式電子設(shè)備，而不是每層分布電子設(shè)備的傳
統(tǒng)方法，使62.5、125μm和50μm光纖到桌面的布線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃更簡單、更方便。
        圖 5: 集中式光纖敷設(shè)
         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(shè)備 Equipment Room 設(shè)備機(jī)房
         Horizontal Cable 水平電纜 Pathway 路徑
         Work Area 工作區(qū)
　　根據(jù)這一設(shè)計(jì)，最大水平布線距離為90米（300英尺），同時(shí)，水平、主干布線與工作區(qū)、交叉連接線
的最大組合距離不應(yīng)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(tǒng)就可以支持未來的多千兆比特應(yīng)用。
　　因此，300米的光纖布線距離能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。
　　光纖布線結(jié)構(gòu)解決方案
　　為了解決10Gbps以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中所有可能遇到的上述問題，選擇一家經(jīng)驗(yàn)豐富的生產(chǎn)廠商是十分重要
的，因?yàn)樗梢韵蚝献骰锇樘峁└哔|(zhì)量的產(chǎn)品、支持和專業(yè)知識(shí)，并能夠向客戶提供可靠、完善和經(jīng)過檢
驗(yàn)的解決方案。此外，生產(chǎn)商對(duì)于布線系統(tǒng)的理解也是客戶聯(lián)網(wǎng)策略的至關(guān)重要的基礎(chǔ)。
　　客戶理想的生產(chǎn)商應(yīng)該具有悠久的歷史和良好的信譽(yù)，并且在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位；同時(shí)他還是了解
光纖網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展方向的創(chuàng)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(chǎn)商向客戶提供的光纖聯(lián)網(wǎng)解決方案中，應(yīng)包括全面而完整的文檔系統(tǒng)，具體應(yīng)包
括：設(shè)計(jì)和應(yīng)用指南；安裝、測試和故障診斷手冊(cè)；產(chǎn)品目錄和參考指南。文檔系統(tǒng)的目的是在客戶進(jìn)行
系統(tǒng)選擇和實(shí)施的各個(gè)階段對(duì)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(chǎn)商授權(quán)的商
業(yè)伙伴必須經(jīng)過生產(chǎn)商的全面培訓(xùn)和合格認(rèn)證，確保合伙人實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)完全滿足生產(chǎn)商的要求。
        NORDX/CDT所提供的FiberExpress系統(tǒng)解決方案能夠滿足上述的所有要求。FiberExpress
系統(tǒng)并非一個(gè)簡單的光纖產(chǎn)品的組合。它是一個(gè)全面綜合的光纖解決方案，能夠?yàn)楣饫w網(wǎng)絡(luò)布線提供一種
全新的方法，并且解決了光纖聯(lián)網(wǎng)中存在已久的問題。FiberExpress系統(tǒng)降低了總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，簡化
了安裝過程，減少了安裝時(shí)間，并且提高了安裝質(zhì)量。FiberExpress系統(tǒng)先進(jìn)的特性以及上述優(yōu)點(diǎn)，為客
戶高性能的光纖聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)品，許多其他廠商必須進(jìn)行聯(lián)合，與此不同的
是，NORDX/CDT自行設(shè)計(jì)、規(guī)劃和生產(chǎn)所有的布線和連接產(chǎn)品，能夠同時(shí)以UTP和光纖介質(zhì)，提供全面綜合
的和經(jīng)過檢驗(yàn)的布線系統(tǒng)解決方案。
       NORDX/CDT的支持工具和程序是公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它能夠?yàn)榭蛻籼峁┕I(yè)、技術(shù)和產(chǎn)品信
息，使他們?cè)谠O(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布線基本結(jié)構(gòu)時(shí)做出明智的決策。此外，NORDX/CDT還為全世界客戶提供授權(quán)的安裝
承包商，并且擁有各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的專家，他們?cè)贜ORDX/CDT的一系列結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)、安裝
和維護(hù)方面經(jīng)過全面的培訓(xùn)。
       小結(jié)
       本文討論了目前10Gbps以太網(wǎng)的狀況，深入研究了當(dāng)今支持這一應(yīng)用的可用技術(shù)。盡管10Gb
ps以太網(wǎng)應(yīng)用具有很多需求，但這些需求可以壓縮為以下幾個(gè)關(guān)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(guī)范。
　　b-網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括運(yùn)行距離和連接器數(shù)量，也就是光纖鏈路損耗計(jì)算。
　　c-與基于LED和激光的以太網(wǎng)設(shè)備兼容的布線設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，這樣就可以使現(xiàn)有的基于LED的10Mbps和100
Mbps網(wǎng)絡(luò)與基于激光的1Gbps和10Gbps的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成。
　　10G比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將很快審批通過，現(xiàn)在已經(jīng)具有足夠可靠的信息來作出合理的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)決
策。新改進(jìn)的50微米優(yōu)化激光光纖目前已經(jīng)變得越來越普及，網(wǎng)絡(luò)管理人員應(yīng)該考慮采用這種優(yōu)化的光
纜，使其在建筑物局域網(wǎng)（LAN）布線決策和設(shè)計(jì)策略中發(fā)揮最重要的作用。
　　盡管10G比特以太網(wǎng)和10Gbps光纖聯(lián)網(wǎng)技術(shù)似乎與10Mbps的局域網(wǎng)（LAN）毫不相關(guān)，但從戰(zhàn)略眼光來
看卻不是這樣。CPU和IC時(shí)鐘的速度已經(jīng)突破了千兆赫的限制，用戶的應(yīng)用不斷對(duì)位速率和帶寬提出越來越
高的需求，針對(duì)千兆比特以太網(wǎng)和千兆位布線系統(tǒng)，目前已經(jīng)制定出完善的標(biāo)準(zhǔn)。以往的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，
這些條件將很快產(chǎn)生競爭性環(huán)境，并在現(xiàn)有的技術(shù)條件下為市場帶來可靠的、具有成本效率的解決方案。
相應(yīng)地，千兆比特系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)形勢也將變得越來越明朗，在許多市場部門已經(jīng)廣泛地接受和實(shí)現(xiàn)。
由于主干網(wǎng)和水平設(shè)計(jì)具有10：1的比例關(guān)系，因此局域網(wǎng)主干網(wǎng)中的10Gbps光纖聯(lián)網(wǎng)不存在“何時(shí)”的問
題。在這種情況下，獨(dú)立的行業(yè)分析者Gartner集團(tuán)恰如其分地分析了當(dāng)今10Gbps光纖聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略形
勢：“我們認(rèn)為布線設(shè)施是網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分。應(yīng)該花費(fèi)一些必要的時(shí)間和資金，以便確保我們?nèi)缃癜?br /> 裝的設(shè)備能夠充分地支持未來的環(huán)境條件…。我們應(yīng)該牢記：布線系統(tǒng)升級(jí)的花費(fèi)最多可高達(dá)初始安裝費(fèi)
用的三倍”。