针对激光器优化的多模光纤用于1/10GbE校园骨干网

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针对激光器优化的多模光纤用于1/10GbE校园骨干网
编辑：David Kozischek 译者：陈利兵
    系统工程师通常会提出两个问题：校园骨干网应选择何种类型的光纤？需要安装多少光纤？解决这两个问题需要进行一系列的分析，以协助网络设计者做出最佳决策。因此可以根据G比特以太网（GbE）和10GbE局域网协议来创建一个网络模型，对不同的安装情况加以衡量。
在GbE出现之前，校园网的光纤选型非常容易。在2000m距离内，OC-12（622Mb/s）速率范围内的各种情况，都可以使用标准62.5/125μm多模光纤（MMF）。除此以外的其它场合都使用单模光纤（SMF）。TIA/EIA-568A标准推荐使用62.5μm多模光纤，然而GbE和10GbE的出现改变了这种状况。针对激光器优化的50μm 多模光纤可以提高10GbE系统的性能，而且TIA/EIA-568B标准对光纤特性也进行了定义。
表1总结了不同的光纤类型及其光学特性。其中列出了不同的光纤参数。多模光纤使用LED光源时，光纤参数采用了全模式带宽（overfilled launch bandwidth）时的指针。而使用850nm VCSEL时，采用了有效模带宽（EMB，effective modal bandwidth）的仿真结果。







布线结构设计
在确定光纤类型之前，网络设计者必须决定校园网的布线拓扑，方法之一就是创建校园骨干网模型。在该模型中，每个建筑物包含多个楼层，每个楼层至少包含一个电信机房。包括从建筑物入口到主通信机房距离在内的所有长度都必须测定。所有网络分析的前提条件是建筑物之间采用GbE光纤骨干网，同时还必须考虑向10GbE升级。
布线拓扑的设计可以分为三个步骤，以利于网络设计者进行最佳决策。首先，要参考TIA/EIA-568标准。它规定了校园骨干网布线的设计规则。其中包括：
● 骨干网布线应当采用多级星形拓扑。
● 在骨干网布线时，交叉连接设备（XC）不能超过两级。
● 任意两个层内XC之间的XC数量应当小于或等于三。
● 主XC、中间XC以及层内XC之间的距离必须满足一定要求。对于多模光纤，主XC和中间XC之间的最大距离为1700m，主XC和层内XC之间的最大距离为2000m。
值得注意的是，根据TIA/EIA-568的规定，在GbE或10GbE系统中，标准62.5μm和标准50μm光纤不能实现2000m或1700m的传送距离。
第二步是要确定主XC、中间XC和层内XC的位置。在确定位置之前，网络设计者必须定义各种XC的不同功能。主XC用于第一级骨干网线缆、入口线缆和设备线缆之间的交叉连接；中间XC用于第一级和第二级骨干网线缆之间的交叉连接；而层内XC用于层内线缆，以及其它诸如骨干网或者设备线缆的交叉连接。
在校园网络模型中，每个电信机房作为层内XC，并上连到建筑物内的中间XC。中间XC又连接到主XC，从而构成一个物理上的星形拓扑。而如何确定主XC的位置是一个关键问题。它的位置通常位于大量服务器、交换机和路由器所在的机房内。如果根据以上原则，已经确定了某个建筑物作为主XC所在地，那么所有的长度都将从这个点开始计算。如果所有建筑物都满足上述条件，那么网络设计者应当把位于校园中心的建筑物作为主XC所在地，以减少布线长度。如图1所示，由于“金融办公楼”位于校园的中心位置，因此将其作为主XC所在地，而将其它建筑物作为中间XC所在地。
第三步是确定光纤长度。虽然光纤的物理拓扑为星形，但是仍然可以实现其它类型的逻辑拓扑，例如环形或者格形。为了使光纤长度一目了然，可以建立一个矩阵来表示骨干网中任意两个建筑物间的光纤长度（表2）。由于“金融办公楼”是校园网主XC所在地，因此所有网络连接都要穿过它。






校园网络模型的走线方式确定之后，就可以进行光纤选型了。由于网络设计者更加关注校园骨干网（建筑物之间的链路）以及GbE和10GbE技术，因此需要根据不同的光纤类型确定长度约束条件。各种光纤的比较见表3。这种分析方法也可以用于建筑物内的骨干网设计。
表3中的GbE传送距离是光纤纤芯直径和相应EMB的函数。此外，还有一些问题需要解决：由于62.5μm光纤已经大量铺设，转向50μm光纤是否合算？采用何种多模光纤和单模光纤组成的混合光缆？为了解决上述问题，网络设计者必须把模拟的逻辑网络应用到物理拓扑上。在校园网络模型中，点到点逻辑星形拓扑需要有备份。在所有建筑物中设置电设备的备份可以减少单点故障。在此例中，校园骨干网为GbE，同时还需要考虑向10GbE网络升级。
实现上述方案的第一步是要确定GbE骨干网的光纤数量。由于采用了点到点的逻辑拓扑，因此需要采用表2中的距离参数。
在下面的分析中，网络设计者将考虑如何使用标准的以太网干线（IEEE 802.3ad）将骨干网从1Gb/s升级到4Gb/s。在校园网的每个建筑物中都使用两台交换机。
为了对网络进行分析，网络设计者需要统计当网络采用这种逻辑拓扑时，共使用了多少光纤以及采用何种类型的光纤（多模光纤及单模光纤）。首先，需要统计多个建筑物之间（主XC到中间XC）的链路，并计算所用光纤的数量。得到的结果是：对于每条建筑物到建筑物的4Gb/s 以太网骨干链路，需要16根光纤（每个建筑物2条链路×每条GbE链路2根光纤×每条链路4条GbE干线＝16根光纤）。为了实现星形拓扑的备份，以及向10GbE升级，在每个建筑物到建筑物链路上还需要额外增加4根光纤。

确定光纤总数
接下来就需要确定实现这种星形拓扑所需的多模和单模光纤数量。此时，为了获得建筑物间的链路长度，需要再次引用表2；为了比较GbE和10GbE中不同光纤类型的长度约束条件，需要再次引用表3。



在分析中，GbE和10GbE系统应当尽量多用850nm VCSEL。虽然在GbE和10GbE系统中，多模光纤也可以工作在1300nm波长窗口，但是由于850nm GbE和10GbE线路卡成本更低，因此工作在850nm的多模光纤方案具有更高的性价比。而且值得注意的是，使用多模光纤的1300nm GbE和10GbE方案在工作时需要四个波长。
最后一步是确定每根光缆中的光纤数量。虽然大家已经计算出骨干干线从GbE到4Gb/s最终到10GbE升级所需的最小光纤数量，然而当网络中其它业务出现时，情况又是怎样呢？类似于安防视频、读卡器、视频会议，以及控制系统等应用场合都需要使用备用光纤。除非所有的业务都工作在IP网络中，否则网络设计者必须在光缆中添加备用光纤才能满足业务需求。在校园网设计中，备用光纤的需求量在25％到100％不等。在本文的校园网络模型中，备用光纤的比例为50％。
根据多模光纤的类型及GbE和10GbE的长度约束条件可以对光缆中的混合比例进行改变。为了确定何种混合光缆的性价比最高，网络设计者需要分析校园骨干网中GbE线路卡、10GbE线路卡，以及不同类型光纤的成本。分析如下：
● 含有标准62.5μm和50μm光纤的光缆成本相当。而针对激光器优化的多模光纤成本相对较高。
● 使用单模光纤的GbE长途（LR）线路卡通常比使用多模光纤的GbE短途（SR）线路卡贵一倍。
● 使用单模光纤的LR 10GbE线路卡通常价格为$1,000-$5,000，比使用多模光纤的SR 10GbE线路卡贵。
对于本文中的网络拓扑，采用针对激光器优化的50-300m多模光纤和单模光纤组成的混合光缆成本最低（图2）。使用此种混合光缆具有最大的优势，因为越来越多使用850nm的GbE和10GbE以太网干线都在从GbE向4Gb/s以太网甚至10GbE升级。
虽然光缆的成本比其它方案稍高，但是上述混合光缆比单纯的单模光缆的运行成本低30％。虽然采用单模光纤的GbE系统可以在1310nm波长实现5km的传送距离；采用单模光纤的10GbE系统则可以实现10km的传送距离。但是由于采用单模光纤的GbE和10GbE线路卡成本较高，因此这种方案的整体成本较高。
在增加了备用光纤之后，光缆中将包含36根多模光纤和12根单模光纤。通常配线架上光缆中的光纤数量应当是6或12的倍数，因此可以容纳这种混合光缆。
分析的最后一步是确定针对激光器优化的50μm多模光纤方案与单模光纤方案的成本平衡点。虽然单模光缆成本较低，但是相应的电子设备成本较高。如果采用同一校园网络模型（图1），当建筑物间的链路长度在200m到1000m之间时，单位光纤长度上分摊的电子设备的成本就会很高。
对于GbE和10GbE系统，当光纤长度为1000m左右时，纯单模光缆方案和多模/单模混合光缆方案成本相当。当长度小于300m时，多模/单模混合光缆方案与纯单模光缆方案相比，平均节省32％的投资。当长度介于300m和600m之间时，可以节省16％的投资。

首要原则
众多的光纤类型令人眼花缭乱，然而一些简单的原则可以帮助网络工程师进行局域网设计。当链路长度小于或等于1000m时，可以在GbE系统中采用针对激光器优化的50μm 多模光纤，而在10GbE系统中应当采用单模光纤；当链路长度小于300m时，针对激光器优化的多模光纤可以用于任何1/10GbE系统中。这些重要的原则考虑到了从GbE到10GbE的网络升级，同时也可以保持光纤使用的一致性。
从上述分析中可以得到一些要点。在决定校园网的光纤类型和光纤数量时，它们有助于做出最佳决策。
● 使用标准光纤—— 它们可以保护用户的投资。
● 进行分析—— 明确网络功能和可能的业务增长情况。
● 确定物理拓扑和逻辑拓扑。
● 考察如何节省成本—— 主XC的选择、电子设备的选择，以及如何布线。
● 对于长度小于300m的情况，针对激光器优化的（50-300m）多模光纤和单模光纤组成的混合光缆方案与纯单模光缆方案相比，可以显著节省成本。

David Kozischek：康宁光缆系统企业战略技术主管
陈利兵：北京邮电大学光通信中心
译自《Lightwave》04年4月29页《Laser-optimized MMF for 1/10-GbE campus backbone》

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