如何延展你的數(shù)據(jù)中心多模光纖網(wǎng)絡(luò)

文/康寧光通信 Doug Coleman 房 毅

如何延展你的數(shù)據(jù)中心多模光纖網(wǎng)絡(luò)

文/康寧光通信 Doug Coleman 房 毅

1. 前言

多模光纖依然是數(shù)據(jù)中心中首選的較為經(jīng)濟(jì)的布線介質(zhì)，這是由于數(shù)據(jù)中心中那些相對較短鏈路都在利用低成本收發(fā)器所帶來的優(yōu)勢。當(dāng)多模光纖成為經(jīng)濟(jì)性的首選時，對于那些可能存在的較長的鏈路（如大于300m）和需要多個連接（增加插入損耗）的情形，它可能被認(rèn)為有局限性。在本文中，我們將主要對那些超出通道長度和損耗的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可能性進(jìn)行一些討論。

2. 背景/初衷

我們看到如圖1所示，大約每5～7年，LAN和SAN協(xié)議的傳輸速度有一個階躍變化的增長，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常會因?yàn)橐嵘俾识黄冉档托诺赖拈L度和損耗。采用多模光纖標(biāo)準(zhǔn)，比如以太網(wǎng)和光纖通道，通常定義了基于最長距離下的最大信道衰減，但是如果信道的損耗高于或距離長于給定的光纖類型上的規(guī)定值，那么這些標(biāo)準(zhǔn)沒有提供相應(yīng)的選項(xiàng)。表1總結(jié)了在數(shù)據(jù)中心中多模光纖上運(yùn)行的較為常用的一些協(xié)議的最大信道距離和衰減極限值，如果使用合理的設(shè)計(jì)工具或者高性能的系統(tǒng)部件，即使在超過鏈路長度和衰減限值的情況下，也仍然是可以實(shí)現(xiàn)一個全速率傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。

衰減與帶寬相互依存的類比論證

在文章中的字詞可以被大腦解讀，黑色的曲線和直線的形狀（文字）一定是可辨識的。為了使其發(fā)生，需要具備兩個基本要求：文字必須足夠亮，這樣它們可以到達(dá)眼睛中的傳感部位；圖像必須聚焦，大腦可以識別形狀。將其類比為這三個過程：1）將這些字符認(rèn)為是類似于光纖中的光脈沖（信息）；2）眼睛對光亮度的依賴關(guān)系，像接收機(jī)的靈敏度和信號衰減的影響（信號強(qiáng)度）；3）焦距或由于帶寬限制帶來相關(guān)畸變而在接收機(jī)形成的合成信號的模糊圖像 （信號純度）。

在筆者大部分時間都有很好的視力之后，45歲時候，我開始面臨遠(yuǎn)視的困擾（不能近距離地聚焦在某一事物上，也就是，需要老花鏡）。第一次注意到這個情形是由于我在設(shè)法通過CD上的版權(quán)日期以確認(rèn)歌曲專輯的登記日期時，需要將CD移至遠(yuǎn)離我正常的閱讀距離，才能實(shí)現(xiàn)文字的聚焦。近期則更多的是與我工作有關(guān)，當(dāng)筆者在與各種的光纖連接器或微小導(dǎo)管等產(chǎn)品工作時，筆者感受到了“無法將光纖與細(xì)小的孔徑配合”的綜合征。

有些聚焦問題是可以使用更明亮些的補(bǔ)償光源（照明燈），不過，這種增加光源的補(bǔ)償方式對于聚焦問題的幫助也是有限的。增強(qiáng)亮度是選擇方法之一，我可能還需要做的是將目標(biāo)移動到適當(dāng)?shù)慕咕辔恢茫ㄈ缤碈D 盒一樣）。對于任何一個有遠(yuǎn)視的人都知道，確保能夠看得清楚的解決方案，需要采取以下的一種措施：

1） 調(diào)整光源亮級以及眼睛和目標(biāo)物體間的距離直到找到看得清楚的最佳位置。

2） 買二副眼鏡！

就像是光強(qiáng)度和眼睛焦距的關(guān)系一樣，在逐漸衰減的信號強(qiáng)度（多數(shù)是因?yàn)楣饫w和連接器的衰減）和光纖的距離限制（多數(shù)是由于光纖的帶寬）之間也存在類似的關(guān)系。特別是對于不斷提高的傳輸速度，為數(shù)不多的解決方案是：

1） 提高光脈沖的強(qiáng)度和/或縮短光源和光接收機(jī)之間的距離以確保正常工作狀態(tài)。

2） 升級你的系統(tǒng)！

在閱讀時的光亮與焦距之間的關(guān)系不是線性的，在光亮度非常低的地方，即使文字在我的視覺的焦距窗口之中，也仍然無法看清形狀。同樣地，如果光強(qiáng)度是理想的，但是文字不在我的焦距窗口之內(nèi)，也是無法閱讀這些打印的文字的。

在10G 光纖鏈路中，為了讓光接收機(jī)收到并讀懂光脈沖，我們需要確保光強(qiáng)度和“聚焦”之間的關(guān)系維持在一個理想的工作點(diǎn)。就如同隨年齡變化的視力一樣，老化的收發(fā)器也不得不受限于隨時間衰落的性能，相對于產(chǎn)品的初期使用而言，這時受到帶寬和損耗的影響會更加明顯。

IEEE的模型模擬了幾個參數(shù)和由此構(gòu)成的光接收機(jī)的性能，并闡述光脈沖通過光纖傳輸?？祵幑緞t使用改進(jìn)了部分參數(shù)和康寧公司系統(tǒng)組件的相同模型，這個模型可以實(shí)現(xiàn)一個超越IEEE保守參數(shù)模型的更有信心的設(shè)計(jì)，允許擴(kuò)展距離（更長的鏈路）和更高的通道損耗（更多連接）的解決方案。本文提供了一個對模型的深度解析和康寧的降階評估表輸出，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以找到理想的臨界點(diǎn)和對于他們的網(wǎng)絡(luò)真正的極限。

在統(tǒng)整哈拉蘭博斯和張茹，以及范良火、吳立建[7]，曹一鳴、吳立寶[8]，王建波[9]等人研究成果的基礎(chǔ)上，從橫向和縱向兩個維度建立比較框架．其中，橫向比較主要關(guān)涉教材中“量”的層面，縱向比較主要關(guān)涉教材中“質(zhì)”的層面．其具體比較指標(biāo)如表1所示．

圖1　∶ 市場支持以太網(wǎng)速率的服務(wù)器端口數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)時間的對比

表1?。?常用協(xié)議的最大信道長度/插入損耗

3. 模型

這個討論聚焦點(diǎn)是IEEE對于10G bps以太網(wǎng)傳輸?shù)囊螅P(guān)于10GBase-SR（基于多模光纖上使用850nm VCSEL 的10G bps）中的定義。盡管是專注于10G的標(biāo)準(zhǔn)，所討論的邏輯性也是適用于40G和100G以太網(wǎng)和光纖通道標(biāo)準(zhǔn)的限定。

基于OM3光纖上10G標(biāo)準(zhǔn)定義的工作臨界點(diǎn)（300m/2.6dB）是來自于IEEE的10G Base-SR（10G以太網(wǎng)）物理介質(zhì)傳輸模型。這個模型基于多個參數(shù)，包括但不限于光纖損耗、連接器插入損耗、光纖帶寬、色散、光源譜寬、光源中心波長、模式噪聲補(bǔ)償和接收靈敏度等。IEEE模型用于模擬以太網(wǎng)和光纖通道物理接口（FC-PI-5）所批準(zhǔn)的8GFC和16GFC 光纖通道，對大量的參數(shù)進(jìn)行分析（上面列出的）預(yù)測出一些輸出參數(shù)和產(chǎn)生了這樣一個系統(tǒng)眼圖。

基本上，模型確認(rèn)了每種協(xié)議接收的信號是優(yōu)質(zhì)信號，考慮到傳輸信號條件和到達(dá)接收器前可能發(fā)生的最大畸變，如果我們降低系統(tǒng)長度，那么可以獲得更多的余量用以增加連接數(shù)量并且依舊收到可接受的信號。問題是，信道插入損耗與長度的關(guān)系式怎樣的呢？非常不幸的是，它們不是線性的關(guān)系。

表2?。?常用協(xié)議的最大信道長度/插入損耗

4. 康寧損耗/距離降階評估表的理念

在IEEE 10G-Base-SR 模型中的數(shù)據(jù)假設(shè)了鏈路中部件的性能是最差的參數(shù)，包括了兩端收發(fā)器，物理布線介質(zhì)等。通常而言，已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)這些保守的參數(shù)值情形而考慮的，僅僅是提供了一個插入損耗和距離關(guān)系的臨界點(diǎn)參考，如表2所示。

康寧公司提供的高性能無源產(chǎn)品是超越標(biāo)準(zhǔn)模型中的這些假設(shè)的，降階評估表提供了表2中運(yùn)行距離和系統(tǒng)損耗的關(guān)系矩陣，這其中考慮了康寧公司產(chǎn)品所提供的始終如一的更高性能（特別是光纖損耗，光纖帶寬，連接器損耗），這些性能超越標(biāo)準(zhǔn)模型中采用的部件的性能。另外，不同于標(biāo)準(zhǔn)表格中顯示的單一臨界點(diǎn)的數(shù)值，康寧公司的降階評估表提供了設(shè)計(jì)人員一套完整的損耗和距離相互關(guān)系的詳細(xì)說明，確保高質(zhì)量的信號到達(dá)接收端和提供IEEE模型驗(yàn)證。

信道損耗與長度之間的權(quán)衡是一個非線性的關(guān)系，康寧降階評估表中的值是使用相同的IEEE模型推算得出而作為標(biāo)準(zhǔn)的衍生數(shù)據(jù)，該模型考慮了系統(tǒng)中所有參數(shù)的非線性關(guān)系。此外，康寧降階評估表提供一系列明確的光纖類型鏈路的“理想臨界點(diǎn)”，這對于系統(tǒng)規(guī)劃人員在確保鏈路性能適用在IEEE系統(tǒng)默認(rèn)的最大長度/最大損失限制之內(nèi)是有幫助的，就如同基于OM3 光纖上傳輸10GbE 的2.6 dB/300m一樣。設(shè)計(jì)師需要的是確保鏈路可以在各種條件的信道上正常工作的信心，康寧公司降階評估表提供了這樣的保證。

5.支持使用這種理念的方法論

這樣一來，那些初次看到這個評估表的讀者，就會有問題要問，這種理念并非康寧獨(dú)有的，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中也已經(jīng)包含了類似的表格。是的，在CENELEC 信息技術(shù)-通用布線系統(tǒng)：第5部分：數(shù)據(jù)中心（EN50173-5）4和光纖通道物理接口（FC-PI-5）中，我們也已經(jīng)不再尋求長度和通道損耗的單一數(shù)據(jù)點(diǎn)，這對于無源布線而言是缺乏靈活性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，如表2所示。進(jìn)而，我們發(fā)現(xiàn)使用降階評估表更加合適，它是基于通道長度上附加連接器的影響，這個結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)中是一個矩陣，提供了一系列的長度和信道損耗組合。根據(jù)這些長度和損耗的組合，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)師可以更加自如和自信地進(jìn)行物理設(shè)計(jì)，不會感受到來自標(biāo)準(zhǔn)限定帶來的“約束”。

6. 如何使用康寧的降階評估表

讓我們熟悉一下表格的主要區(qū)域：

A∶ 表格的頁眉表明表格適用的協(xié)議，協(xié)議選項(xiàng)有以太網(wǎng)和光纖通道。

B∶ 指明表中數(shù)值所適用的光纖類別，目前光纖類別有基于康寧標(biāo)準(zhǔn)的抗彎曲多模光纖的OM3和OM4光纖。

C∶ 表示傳輸速率，速率是與A欄中分別顯示的現(xiàn)行的協(xié)議所定義的有關(guān)。

D∶ 這行表示在通道中MTP 連接的數(shù)量，圖2、圖3提供了MTP 連接的舉例。這種連接可能是MTP/ MTP連接或者M(jìn)TP/MTP轉(zhuǎn)接模塊的連接，在康寧降階評估表和業(yè)界損耗的定義中，這兩類連接都是被認(rèn)為是等同意義的連接。我們沒有假定最壞的MTP 連接器損耗，而是采用基于康寧產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)分布的數(shù)據(jù)作為一對連接器的損耗。

E∶ 表格中的兩個值表示最大通道的長度和鏈路可以允許的損耗分貝，這不是傳統(tǒng)上使用最差光纖和連接器損耗的情況下的鏈路損耗預(yù)算。

從圖2、圖3的舉例中，我們想要確認(rèn)鏈路中使用康寧OM3光纖，包含4對MTP 連接的DEGE產(chǎn)品時，10G以太網(wǎng)的信道限制。表格顯示了我們可以在最大允許損耗3.01dB的情況下成功地運(yùn)行10G-Base SR達(dá)到320m。注意這個3.01dB是最大可允許的信道損耗，而不是通常由連接器和光纖最差值計(jì)算而得出的鏈路損耗預(yù)算?？祵幗惦A評估表最大可允許損耗包括了那些與任何無源部件或功率損失無關(guān)的未分配的余量。

在表3、表4中，對于所有的2 到6對MTP連接器組合，10GbE的距離長度的數(shù)值都是保持不變的。這看起來似乎不符合邏輯，增加鏈路連接器數(shù)量就會增加信道損耗，從而影響或縮短信道長度，然而，當(dāng)使用康寧的高帶寬和低損耗產(chǎn)品時，IEEE模型顯示可支持信道長度是保持不變的。記住，康寧降階評估表顯示的是最大的距離/損耗關(guān)系，對于320m這個距離，是因?yàn)榭傆?jì)為6對連接器而附加損耗較低導(dǎo)致的有限度的補(bǔ)償。

這種情形下的限值主要是和碼間串?dāng)_的功率損失有關(guān)而導(dǎo)致的，它是帶寬的一個函數(shù)。在1G和40/100G的限值都是由插入損耗和帶寬導(dǎo)致的，就如同我們看到連接器增加（與信道損耗有關(guān)）而距離長度減少的情形一樣。

當(dāng)我年輕時，可以在明亮或者昏暗的情況下，近距離或近距離閱讀較小的文字，有能力在不同光亮和距離的情形下看清文字。相反地，我年齡增大后我的視力的敏感性下降，視力范圍受限，明顯地受到距離和光亮度的細(xì)微變化影響。同樣地，一個帶寬和信道插損有限的系統(tǒng)會因?yàn)殚L度的不同而顯著變化，由高性能部件組成的系統(tǒng)將會更加穩(wěn)定，不會因?yàn)橛性丛O(shè)備的局限而受到影響。

圖2　模塊化即插即用系統(tǒng)中的MTP連接

圖3　并行光學(xué)應(yīng)用中的MTP連接

表3　∶ 基于康寧抗彎曲OM3/4光纖和MTP 連接器的以太網(wǎng)降階評估表

* 最大可支持的信道損耗

無論是什么系統(tǒng)，在使用康寧降階評估表時，MTP連接是被認(rèn)為等同的，以上兩類系統(tǒng)中都是定義為4個MTP連接。

7. 結(jié)論

康寧降階評估表提供了設(shè)計(jì) 人 員 在 使 用 I E E E和 F i b e r C h a n n e l標(biāo)準(zhǔn)（表 2）規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)行臨界點(diǎn)時的一種選擇方法，表格提供了對于不同光纖類型、傳輸速率和連接數(shù)量上，一系列的系統(tǒng)支持的信道（距離/損耗）運(yùn)行臨界點(diǎn)。

這個表格提供了對于如何獲得系統(tǒng)的深刻理解，表1列出了標(biāo)準(zhǔn)中最大距離定義和有源設(shè)備部件制造商保證的限值。然而，無法預(yù)料的挑戰(zhàn)是，設(shè)計(jì)人員必須考慮那些超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值的信道情形，康寧降階評估表可以允許設(shè)計(jì)人員確認(rèn)那些超越標(biāo)準(zhǔn)限定之外的布線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

表格中的數(shù)值是基于IEEE模型推斷得出的，考慮了系統(tǒng)所有相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，這些參數(shù)都是基于康寧產(chǎn)品（色散，帶寬，插損等）的典型值。在評估了眾多參數(shù)的相關(guān)依賴性，應(yīng)用表格提供了使用康寧定義的光纖系列產(chǎn)品的信道臨界點(diǎn)。

這有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員規(guī)劃那些不在IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以外的參考臨界點(diǎn)（最大距離/最大損耗）。標(biāo)準(zhǔn)僅僅提供了單一數(shù)值，一個設(shè)計(jì)人員需要對那些運(yùn)行在這一數(shù)值之外的情形更加有信心。表格的其他應(yīng)用還包括光分路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效衰減的介紹，可能超越IEEE 定義的限值等。