如何设计10Gbps光纤局域网

　　我们目前所使用的大部分网络的传输速率是10Mbps，那么为什么现在就要规划10Gbps传输速率的局域网（LAN）环境呢？原因是两方面的，一个是理论上的原因，另一个是实际中的原因。 由于对基于WEB应用和综合多媒体应用（音频/数据/视频）的互联网接入需求的急剧膨胀，大大促进了对宽带网络的需求。微电子和光纤联网技术的迅速发展正不断地提高着网络的带宽容量。人们对网络速度的要求日益提高，从10Mbps到100Mbps到1000Mbps，并且这种要求不久就将使我们进入10000Mbps或10Gbps的网络。 我们目前所使用的大部分网络的传输速率是10Mbps，那么为什么现在就要规划10Gbps传输速率的局域网（LAN）环境呢？原因是两方面的，一个是理论上的原因，另一个是实际中的原因。 从理论上来说，我们生活在一个充满压力、快节奏的时代，因此我们往往容易忽视生产力的规划。作为一个优秀的商业经理人，必须保持战术和战略规划的均衡，其中战术影响到短期的效益，而战略则影响到企业的效率、竞争力和长期的生存能力。简单地说，“提前规划！”就能够预见未来的关键技术并积极地做好准备，“提前规划！”就能够在这些关键技术成为可能时，迅速而充分地利用它们。 从实际中来说，提前规划对于网络的布线结构具有极其重要的作用。网络有源组件的性能和容量升级通常可以通过相对简单的软件和硬件升级来完成，与此不同的是，布线的基础结构具有一定的性能范围，不通过更换线缆和连接器是无法提高其性能的。这种升级是中断性的，并且具有很高的成本，这里的成本既包括重新敷设线缆所带来的直接成本，也包括布线引起网络性能下降和产生力降低所带来的间接成本。 因此，尽管有些人认为目前安装的10/100BASE-T网络中考虑10Gbps的局域网未免有点为时尚早，但有见识的网络管理人员已经认识到，千兆赫时钟频率工作站、千兆赫以太网和“流”多媒体应用等新兴技术可能不久就将在他们的网络中成为现实。为了使网络具有足够的容量和充分的性能，以便在今后必要的时候平稳、迅速地植入这些新技术，当今具有前瞻性的管理人员会更希望考虑10Gbps局域网技术。 在后面的各节中，我们将评述最新的10Gbps以太网技术和标准。我们还将了解一些重要的市场信息，从而帮助我们进行决策。最后我们将详细讨论至关重要的设计因素和可能的解决方案。有时，为了通俗易懂和使读者更加清楚，内容的讲解采用了“问题”和“解答”的形式。 技术 由于有多种介质和多种技术可供选择，因此企业和服务提供商的网络管理人员在进行网络升级时可以采用多种方法。对于企业局域网来说，利用10Gbps以太网可以使网络管理人员将其以太网从10Mbps、100Mbps或者1000Mbps升级至10000Mbps，并通过提高网络性能，充分利用以太网上的投资。最为一条经验法则，必须牢记的是网络干线上的速度至少应该比终端的速度快10倍。对于服务提供商而言，在城域和广域应用中，10Gbps以太网将提供更优良的性能和具有成本效率的链路，并且很容易利用熟悉的以太网工具进行管理。10Gbps以太网能够满足广域主干网上最快技术OC-192的速度要求，其速率大约为9.6Gbps。

　　图1中文字的英汉对照： Remote Enterprise 远程企业 Equipment Room 设备机房 DWDM Infrastructure 密集波分复用基本设施 WAN Router广域网路由器 Firewall防火墙 Backbone Switch/Router 主干交换机/路由器 File Servers 文件服务器 Web Servers Web服务器 Email Servers 电子邮件服务器 Application Servers 应用服务器 InternetData Center 互联网数据中心 Computer Room 计算机机房 在建筑物环境下，一种新兴的网络结构趋势是建立存储区网络（Storage Area Networks：SAN），存储区网络是一个相对有限的区域，但却集中着大量的超高性能设备（服务器、路由器、企业网络集线器等）。随着SAN（存储区网络）部署的越来越多，实现10Gbps的网络基础结构已经不再是可选可不选，而是几乎已经成为必要！ 随着网络应用技术的日益发展（参见图2），我们已经从最初的发光二级管（LED）技术，过渡到了高速而昂贵的基于激光的技术，直至今天的垂直谐振腔表面发射激光（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers ：VCSEL）技术，其中VCSEL技术在具有激光性能的同时，相对降低了成本。

　　图2中文字的英汉对照： Bandwidth 带宽 LED to Laser-Fiber Laser Bandwidth 从发光二级管到激光光纤的激光带宽 Laser 激光 Fast Ethernet 快速以太网 Data Rate 数据率 发光二级管（LED）技术具有大约600Mb/s的转换极限，目前基于激光的技术还远未达到其极限。 VCSEL技术的一些挑战…

　　尽管VCSEL技术以较低的成本实现了优良的激光性能，但它并非没有挑战。其中一个最主要的就是要求光纤的光学特性与VCSEL发射体技术相匹配。为了更好地理解这里的内容和其它一些10Gb/s联网技术所面临的技术障碍及相关的物理层问题，有必要复习一些光纤的基本知识。 到目前为止，根据测试的情况来看，大多数多模光纤的带宽特性都是通过发光二级管（LED）以过充满发送(Overfill Lauch)方式来实现的，该方式使用了光纤中的所有模式（即光线路径）。激光型发射（例如VCSEL）则仅仅使用了纤芯四周的一部分模。图3说明了不同光源在进入纤芯时光传播特性的差异。

　　图3中文字的英汉对照： Light 光线 Fiber Cladding 光纤包层 Fiber Core 纤芯 LED in multimode fiber 多模光纤中的LED

　　VCSEL in Multimode fiber 多模光纤中的VCSEL

　　Laser in Single mode fiber 单模光纤中的激光 发光二级管（LED）的射线光束比光纤的核心半径宽，因此会充满整个纤芯。而对于激光技术来说，由于射线对准的精度高，因此光束仅在纤芯的中央传播。 VCSEL射线光束完全在纤芯中传播。因为光束并没有充满纤芯，因此，根据光纤的特性，模态色散减小，光纤传输的信息量增加。 在传统多模光纤在制造过程中，在光纤纤芯(Fiber Core)的中心可能会产生有一些折射率缺陷，这些缺陷引发纤芯中心附近的光线传播速度的差异(Differential Mode Delay差模延迟)，此速度差异对LED光源来说影响甚小，但对VCSEL这类发射光线围绕着纤芯中心的技术则影响甚大。 一个重要突破:

　　通过改进光纤的生产技术，新一代的多模光纤解决了这一问题，新一代光纤的差模延迟（DMD）响应平缓而狭窄，因此可以将接收到的脉冲视为一个能量峰，接收器很容易进行探测。这种新的光纤与现有的基于发光二级管的网络设备是兼容的。 建筑物布线的物理实现 布线的信道性能和拓扑结构，是所有网络基础结构的设计和实现中所必须考虑的关键问题。 有鉴于此，在网络标准（例如以太网）中包含有物理层规范，明确地说明为了有效支持网络应用所必需的最小的光缆传输性能，及针对设计目的最大允许的布线距离。 对于设计规划，让我们首先从铜线开始讨论。许多用户正在使用10Mbps的网络，而且越来越多的用户正在部署100Mbps的网络。目前大多数正在安装的水平布线结构采用的都是TIA/EIA规定的5e类的布线方式。这种布线方式已经为千兆比特网络做好了准备。按照合理的设计准则，如果你的水平布线已经是千兆比特级的，那么你的主干网布线所能承载的速度就必须是它的数倍，也就是要采用10Gbps的基本结构。 不幸的是，如果不使用昂贵的电子设备(10GBASE-LX4)，已经安装的多模光纤局域网的基本结构就不足以支持10Gbps的以太网。到目前为止，大多数已经安装的网络采用的是FDDI渐变型光纤（160/500MHz-km,基于LED的应用），其它还有一些在安装时，针对千兆比特以太网和VCSEL技术，使用了高级的多模光纤。这些光纤没有针对10Gbps串行传输以太网(10GBASE-SR/SW)应用进行优化（差模延迟）。表1(如下)概括了当前使用的和市场上供应的各种类型光纤的距离特性。 表1: 10 G比特以太网距离和IEEE 目标 300米的距离是否充分?

　　从表1可以看出，对于一个新的10Gb/s 50微米多模光纤，当VCSEL工作在850nm时，最大距离限制为300米。许多研究表明，大约85%的局域网主干网可以在这一距离范围内实施完成（参见图4）。

　　光纤到桌面(Fiber-to-the-desk：FTTD)的部署情况 关于光纤到桌面的拓扑结构设计的一种选择是采用“集中式光纤敷设原则”。最近公布的TIA/EIA 568-B.1标准中规定了集中式光纤拓扑结构。该结构通过采用集中式电子设备，而不是每层分布电子设备的传统方法，使62.5、125m和50m光纤到桌面的布线系统的设计和规划更简单、更方便。

　　图5: 集中式光纤敷设 Backbone Cable 主干电缆Backbone Pathway 主干路径 Interconnect or Splice 互连或者插接Telecommunications Closet 电信柜 Pull-through Cable 牵引电缆Term.Pos. 终端位置 Centralized Cross-connect 集中式交叉连接Term.Hdwr. 终端硬件 Equipment 设备Equipment Room 设备机房 Horizontal Cable 水平电缆Pathway 路径 Work Area 工作区 根据这一设计，最大水平布线距离为90米（300英尺），同时，水平、主干布线与工作区、交叉连接线的最大组合距离不应超过300米（984英尺）。通过保持300米（984英尺）的距离，62.5/125m或50m多模布线系统就可以支持未来的多千兆比特应用。 因此，300米的光纤布线距离能够满足大多数的应用设计需求。 光纤布线结构解决方案 为了解决10Gbps以太网实现中所有可能遇到的上述问题，选择一家经验丰富的生产厂商是十分重要的，因为他可以向合作伙伴提供高质量的产品、支持和专业知识，并能够向客户提供可靠、完善和经过检验的解决方案。此外，生产商对于布线系统的理解也是客户联网策略的至关重要的基础。 客户理想的生产商应该具有悠久的历史和良好的信誉，并且在技术上处于领先地位；同时他还是了解光纤网络体系结构的技术发展方向的创新者，能够提供全面、简便、高性能端到端的光纤解决方案。 同样重要的是，生产商向客户提供的光纤联网解决方案中，应包括全面而完整的文档系统，具体应包括：设计和应用指南；安装、测试和故障诊断手册；产品目录和参考指南。文档系统的目的是在客户进行系统选择和实施的各个阶段对其提供帮助。此外，为了向客户提供最佳的性能和可靠性，生产商授权的商业伙伴必须经过生产商的全面培训和合格认证，确保合伙人实现的系统完全满足生产商的要求。 NORDX/CDT所提供的FiberExpress系统解决方案能够满足上述的所有要求。FiberExpress系统并非一个简单的光纤产品的组合。它是一个全面综合的光纤解决方案，能够为光纤网络布线提供一种全新的方法，并且解决了光纤联网中存在已久的问题。FiberExpress系统降低了总体设计的复杂性，简化了安装过程，减少了安装时间，并且提高了安装质量。FiberExpress系统先进的特性以及上述优点，为客户高性能的光纤联网需求提供了具有成本效益的、可靠的解决方案。 为了提供完整的端到端解决方案所必需的所有产品，许多其他厂商必须进行联合，与此不同的是，NORDX/CDT自行设计、规划和生产所有的布线和连接产品，能够同时以UTP和光纤介质，提供全面综合的和经过检验的布线系统解决方案。 NORDX/CDT的支持工具和程序是公认的行业标准，它能够为客户提供工业、技术和产品信息，使他们在设计网络布线基本结构时做出明智的决策。此外，NORDX/CDT还为全世界客户提供授权的安装承包商，并且拥有各个相关领域的专家，他们在NORDX/CDT的一系列结构化布线系统解决方案的设计、安装和维护方面经过全面的培训。 小结 本文讨论了目前10Gbps以太网的状况，深入研究了当今支持这一应用的可用技术。尽管10Gbps以太网应用具有很多需求，但这些需求可以压缩为以下几个关键方面： a-光纤布线类型和特定波长下的性能:衰减、带宽和带宽测量规范。 b-网络拓扑结构，包括运行距离和连接器数量，也就是光纤链路损耗计算。 c-与基于LED和激光的以太网设备兼容的布线设计的实现，这样就可以使现有的基于LED的10Mbps和100Mbps网络与基于激光的1Gbps和10Gbps的网络进行集成。 10G比特以太网标准预计将很快审批通过，现在已经具有足够可靠的信息来作出合理的技术和经济决策。新改进的50微米优化激光光纤目前已经变得越来越普及，网络管理人员应该考虑采用这种优化的光缆，使其在建筑物局域网（LAN）布线决策和设计策略中发挥最重要的作用。 尽管10G比特以太网和10Gbps光纤联网技术似乎与10Mbps的局域网（LAN）毫不相关，但从战略眼光来看却不是这样。CPU和IC时钟的速度已经突破了千兆赫的限制，用户的应用不断对位速率和带宽提出越来越高的需求，针对千兆比特以太网和千兆位布线系统，目前已经制定出完善的标准。以往的经验告诉我们，这些条件将很快产生竞争性环境，并在现有的技术条件下为市场带来可靠的、具有成本效率的解决方案。相应地，千兆比特系统和联网的商业形势也将变得越来越明朗，在许多市场部门已经广泛地接受和实现。由于主干网和水平设计具有10：1的比例关系，因此局域网主干网中的10Gbps光纤联网不存在“何时”的问题。在这种情况下，独立的行业分析者Gartner集团恰如其分地分析了当今10Gbps光纤联网的战略形势：“我们认为布线设施是网络中最重要的部分。应该花费一些必要的时间和资金，以便确保我们如今安装的设备能够充分地支持未来的环境条件…。我们应该牢记：布线系统升级的花费最多可高达初始安装费用的三倍”。