万兆多模光纤在1/10GbE校园主干网的应用

万兆多模光纤在1/10GbE校园主干网的应用

光缆系统的工程师通常会提出两个问题：1、校园主干网应选择何种类型的光纤？2、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。本论文针对这两个问题进行了分析，为决策者提供了设计参考。本论文主要分以下几个方面：

一、校园主干网的光纤型号
二、设计布线结构
三、确定校园主干网光纤的型号
四、确定光纤总数
五、确定每根光缆中的光纤数量
六、激光优化的万兆多模光纤与单模光纤的比较
七、首要原则

一、校园主干网的光纤型号
在千兆以太网出现之前，校园主干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，然而千兆和万兆以太网的出现改变了这种状况。激光优化的50μm多模光纤可以提高10GbE系统的性能，而且TIA/EIA-568B标准对光纤的选择重新进行了定义。见表一：

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，光纤参数采用了满注入法（overfilled launch bandwidth）时的指标。而使用850nm VCSEL时，采用了有效模带宽（EMB，effective modal bandwidth）的仿真结果。
二、设计布线结构
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主干网模型。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光纤主干网，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。它规定了校园主干网布线的设计规则。其中包括：
●主干网布线应当采用多级星形拓扑。
●在主干网布线时，交叉连接设备（IC）不能超过两级。
●任意两个层内IC之间的IC数量应当小于或等于三。
●主交叉连接设备（MC）、中间IC以及层内IC之间的距离必须满足一定要求。对于多模光纤，主MC和中间IC之间的最大距离为1700m，主MC和层内IC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MC、中间IC和层内IC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MC用于第一级主干网线缆、入口线缆和设备线缆之间的交叉连接；中间IC用于第一级和第二级主干网线缆之间的交叉连接；而层内IC用于层内线缆，以及其它诸如主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IC，并上连到建筑物内的中间IC。中间IC又连接到主MC，从而构成一个物理上的星形拓扑。而如何确定主MC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MC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MC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MC所在地，而将其它建筑物作为中间IC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主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MC所在地，因此所有网络连接都要穿过它。

三、确定校园网光纤的型号
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主干网（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。各种光纤的传输距离比较见表3。这种分析方法也可以用于建筑物内的主干网设计。

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，校园主干网为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主干网的光纤数量。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）将主干网从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MC到中间IC）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。

四、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。

五、确定每根光缆中的光纤数量。
虽然我们已经计算出主干线从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主干网中GbE、10GbE网卡，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长距离（LR）网卡通常比使用多模光纤的GbE短距离（SR）网卡贵一倍。
●使用单模光纤的LR 10GbE网卡通常价格为$1,000-$5,000，比使用多模光纤的SR 10GbE网卡贵。
对于本文中的网络拓扑，采用激光优化的50-300m多模光纤和单模光纤组成的混合光缆成本最低。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网卡成本较高，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。

六、激光优化的50μm多模光纤与单模光纤的比较
最后一步是确定激光优化的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，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。
七、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。

总结
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——主连接间（MC）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，激光优化的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。