文｜美国康宁公司

1 引言

数据中心日益频繁的扩容和升级，要求其基础布线具备高可靠性、可管理性和灵活多变性。另一个要素是可升级扩展性，不仅指服务器、交换机或存储设备的物理扩容，还要求数据中心能够向更高速率演进。随着技术进步，40G/100G以太网、光纤通道 协 议（8G→ 16G→ 32G）、InfiniBand（2.5Gbps→10Gbps→40G/100Gbps）等标准的制定，基础布线必须适宜未来带宽迅猛增长的各种应用。

IEEE 802.3ba标准顺应了数据中心、运营商网络等流量密集，高性能计算环境中数量越来越多应用的高带宽需求。而数据中心内部虚拟化和虚拟机数量的繁衍、融合网络业务、视频点播和社交网络等需求也是40G/100G标准成行的推动力量。

由IEEE 802.3ba工作小组开发的40G/100G以太网标准，于2010年6月正式获得批准，支持每秒40G/100G以太网帧传送，同时确立了通过主干网络、多模光纤、单模光纤和Twinax铜缆连接的物理层通信规范。标准没有对UTP/STP铜缆提出建议。

2 标准定义的光纤

OM3/OM4是标准定义的用于40G/100G传输的两种多模光纤，最小有效模式带宽分别为2000MHz·km和4700MHz·km。与IEEE 802.3ae不同的是，IEEE 802.3ba标准中的850nm工作波长VCSEL光源调制性能降低，

因此定义物理层PMD（物理介质相关子层）采用并行光学传输信号。而单模光纤则在一对光纤上采用WDM（波分复用）方式进行传输。

3 并行光学

IEEE 802.3ba标准要求在一条40G/100G信道复用多条通道（Lane）来实现传输。40GBase-SR4和100GBase-SR10在发送端分别把40G/100G数据流分成4对和10对10G码流到并行通道，在接收端再分别把并行通道的码流重组成40G/100G数据流。

40G以太网采用12芯光纤，每个信道拥有4芯发射光纤和4芯接收光纤，中间4芯光纤闲置。100G以太网采用24芯光纤，分为两个12芯阵列，一个阵列用于发射，另一阵列用于接收。每个阵列中，中间10芯光纤用于传输流量，而外侧2芯光纤闲置，如图1所示。

4 光纤连接器与光纤收发器

性能的保证需要物理连接的支持，IEEE 802.3ba标准中明确指出，多模收发器使用MTP阵列光纤连接器，以便支持多芯并行光纤信道。

QSFP收发器提供4个10Gbps发射通道和4个10Gbps接收通道，支持目前40G以太网多模光纤和Twinax铜缆应用，未来可能支持单模应用。QSFP在通道速率增至25Gbps时可投入100G以太网应用。40G系统采用12芯MTP连接器用于QSFP光收发器接口，如图2所示。

图1

图2

CXP收发器拥有12个10Gbps发射通道和12个10Gbps接收通道，支持1个100G以太网端口或最多3个40G以太网端口，适合多模光纤和Twinax铜缆。100G系统采用24芯MTP阵列连接器用于CXP光收发器接口，如图3所示。

100G网络需要一根24芯的MTP跳线跳接CXP收发器。若主干链路采用12芯MTP，则需要一根“12～24”芯MTP跳线跳接到CXP接口，如图4所示。

图3

图4

支持40G/100G的MTP解决方案可从现行“即插即用通用系统”简单演进，只要将MTP-LC模块与LC跳线分别升级为MTP面板与MTP跳线即可。

IEEE 802.3ba定义的OM3/OM4以太网和光纤通道协议的传输距离，如表1、表2所示。

表1

表2

40G/100G光纤通道损耗为：

OM3传输距离100m，最大1.9dB（包括预留1.5dB连接器插损）。

OM4传输距离150m，最大1.5dB（包括预留1.0dB连接器插损）。

光缆最大衰减3.5dB/km@850nm。这样能够保证OM3/OM4有足够的能力支持目前和未来15～20年物理层对数据速率的需求。

5 布线性能指标要求

以OM3/OM4多模光纤构建40G/100G基础布线时，三项指标的评估是必要的——有效模式带宽、插入损耗、通道偏差。因为其中任何一项都会影响光纤介质能否满足100m/150m传输距离的标准，如图5所示。

图5

（1）有效模式带宽

虽说“DMD（差分模型延迟）模板”是一种标准化的测试方式，但当今光纤测量方式的主流是EMBc，即有效模式带宽计算。这是因为在确保从光源到光纤的整体传输性

美国康宁公司-企业网专栏能方面，EMBc比DMD具有诸多优点。具体地说，EMBc是在DMD测试的基础之上，将发光源根本特性与光纤模态结构紧密结合，为光纤提供精准量化的带宽数值（MHz·km），还能评测出所支持的比特率、链路长度等相应指标。而DMD只能得出Yes/No的测试结果，粗略判定光纤性能是否合格。EMBc方式能够确保所评测的多模光纤适用标准定义的所有发光源，例如，包括两种最极端的激光光源，分别为功率集中在纤芯和功率集中在纤芯的边缘。可以这么说，数据中心只有部署了经EMBc验证的OM3和OM4光纤所组成的互联系统，才能满足IEEE标准中所阐释的有关带宽的性能规范。康宁光纤不但经过康宁光纤测试中心（CFT）严格的EMBc测试，而且还采用ClearCurve®优化光纤提供最强抗弯特性，如图6所示。

图6

（2）插入损耗

插入损耗指光纤通道上所有连接器的损耗之和，这个参数将会影响给定数据速率下光纤传输的最大距离。当连接器衰减值增大，光纤通道所支持的数据速率必然下降。40G/100G标准规定OM3/OM4光纤的传输距离和通道最大衰减值如前所述。在数据中心基础布线设计的初期，所有允许的连接组件的插损值必须经过严格评估。IEEE 802.3ae 10GBase-SR所定义的通道最大损耗1.5dB。标准定义的单个连接器最大损耗为0.75dB，最大回波损耗为-20dB。康宁标准MTP连接器的最大损耗是0.5dB，在基础布线设计之初若考虑提高物理连接的可变性并增加通道传输距离，可采用0.35dB低损耗MTP系统，从而实现最佳的结构化布线，达到最大的灵活性，如图7所示。

图7

（3）通道偏差

IEEE 802.3ba定义的40G/100G以太网偏差是79ns。偏差是指光信号经不同光纤路径传输产生的时延，这是并行光学技术重要的性能指标。不同的通道之间如果偏差或延迟过大，传输将会出错。良好的偏差性能可确保布线连接系统轻松支持诸如40G/100G以太网、InfiniBand和未来光纤通道协议等多种通信传输协议，光纤通道的高度一致性可保证系统长期可靠运行。

康宁公司MTP解决方案已被验证，完全满足对通道偏差指标最严格要求的InfiniBand标准，即10Gbps数据速率下传输300m的最大偏移0.75ns。

6 IEEE 802.3ba与IEEE 802.3ae

10G标准IEEE 802.3ae所定义的是一种采用850nm VCSEL的OM3光纤传输300m的高性能传输标准，大大高于IEEE 802.3ba所定义的40G/100G的传输距离，这对VCSEL光纤收发器厂商提出了更高要求，同时也大大增加了生产成本，导致了高昂的市场价格，考虑到经济因素IEEE决定降低VCSEL性能，这是推出40G/100G短距离传输的原因。

7 数据中心局域网应用中的单模光纤与多模光纤

在数据中心短距离传输的环境下，OM3/OM4激光优化50μm多模光纤仍然将是一种长期选择，源于多模光纤比单模光纤拥有无可比拟的成本优势，特别是可用于串行/并行光学传输850nm工作波长光纤收发器的价格，仅为典型40G/100G单模光纤收发器的1/5和1/11。

8 行业发展

40G/100G高速以太网标准IEEE 802.3ba标准的确定，使得网络设备厂商在40G/100G方面开始推出产品，运营商也开始评估高速网络的未来发展方向。40G/100G和10G以太网相比较，主要是在光电接口和物理层方面有区别。大部分交换机设备厂商率先支持的是40G以太网，而大部分路由和核心设备厂商率先支持的是100G以太网。

从业界来看，100G瞄准的是广域网和城域网，40G针对的则是IDC和局域网。因为更贴近目前的需求， 40G产品将会比100G产品推广的更快。新的IT构架，如云计算、三网融合、智能家电及3G，使用户对网速的需求以数量级为单位递增。从家庭应用来说，IPTV、智能家电、3D游戏、视频会议的普及会使家庭宽带需求轻易达到100M以上，对于以太网带宽的需求肯定会越来越高。

本文重点关注数据中心领域，未对应用较少的单模光纤和Twinax铜缆的40G/100G标准进行阐述。

9 面向未来的带宽

与日俱增的高速应用迫切要求提升以太网链路汇聚能力，促使出台40G/100G以太网标准。基于MTP阵列连接器技术的OM3/OM4多模光纤连接方案为高带宽的链路汇聚提供了可靠的物理层传输保障。我们有理由相信，冲破了带宽瓶颈的数据中心，必将昂首阔步迈进40G/100G新时代。