城域网中正确应用光收发器

zjol

季硕
（陕西通信规划设计研究院 710065）
jishuo@2699.net jishuoo@sohu.com


摘要 本文简单先容了光收发器的分类，并根据城域网工程使用中常出现的几个问题，如传输距离、设备的兼容性、网管等问题进行了简单的探讨。
关键词 光收发器 分类 兼容性

    目前，建设宽带城域网已经成为各电信运营商的共识。在城域网接入层的建设过程中，光收发器的使用越来越多。大家知道，以太网电缆支撑的传输距离为100米，而在实际使用中，常常需将以太网传至数十甚至上百公里。而光纤通信以其信息容量大、保密性好、传输距离长、设备重量轻、体积小等优点得到了广泛的应用，光收发器正是利用了光纤这一高速传播介质，很好的解决了以太网在传输方面的问题。
    在工程实施过程中，由于使用场合及设备间的兼容问题，通常光收发器采用两种方式：一是以太网设备配置光接口；二是采用第三方的光收发器配合以太网设备的电口进行长距传输。
    对于以太网设备内置的光接口，考虑到前期投资较高、以太网两端设备光接口的兼容性、型号单一等因素，在实际中应用较少，目前应用更多的是采用第三方的光收发器。
    以太网光收发器的技术已很成熟，设备简单也很少出故障。但由于其种类繁多，经常出现使用混淆而误用，导致网络性能下降。本文就实际工程经验，简单先容光收发器的分类和几个容易经常出问题的地方，已飨读者。
1 使用场合
    在应用中，使用最多的是百兆光收发器件，在IP网络千兆端口联接中，有时也需千兆端口的传输器件。
百兆光收发器件中，一端为以太网电口，另一端为光纤接口，光纤接口有多模和单模之分。多模短距传输距离主要应用于宽带小区；单模光收发器件多用于城域网的接入节点上联。
    千兆光器件主要有两种：一种为千兆光收发器，其一侧为千兆电口，一侧为光接口，；另一种为千兆光口中继器（或千兆媒介转换器），其两侧均为光接口，不同的是，一侧为单模，另一侧为多模，常用于城域网节点交换机之间的网络联接。
2 光收发器的分类
    光收发器是数据网络低端产品，对生产厂家的技术、工艺、研发水平的门槛要求较低，因此市面上生产该类产品的厂家很多，针对各种用途而派生出来的型号五花八门。选择恰当的光收发器，对于优化网络，节省投资具有重要意义。在这里，有必要对光收发器的分类有一个初步了解。
2.1按速率划分
可分为10M、100M的光收发器、10/100M自适应的光收发器和1000M光收发器。
2.2按光纤模式分类
    按光纤模式来分，分为多模光收发器和单模光收发器。
2.3按传输距离分类
    由于使用的光纤不同，收发器所能传输的距离也不一样，多模收发器一般的传输距离在2公里到5公里之间，而单模收发器覆盖的范围可以从10公里至120公里。
    单模收发器按其激光器的发端发射功率和接受端灵敏度可细分为多种型号，如10公里，20公里，60公里……100公里等。通常采用1310nm窗口的光收发器，传输距离在80公里之内。采用1550nm窗口的光收发器，可用于超长距离传输，如120公里。
2.4按物理结构分类
    可以分为桌面式光收发器和机框式光收发器。
    桌面式光收发器适合于单个用户使用，如满足小交换机的上联。
    机框式光收发器适用于多用户的汇聚，如电信机房须满足各小区内所有交换机的上联，使用机框式可提高安装密度，便于实现对所有模块型光收发器的统一管理和统一供电，并可方便地安装在网络集装柜内，目前使用最多的为16槽产品。
2.5按电源分类
    按电源来分，可以分为内置电源和外置电源两种。
    其中内置开关电源为电信级电源，而外置变压器电源多使用在宽带小区的上联上。前者的优势在于能支撑超宽的电源电压，更好地实现稳压、滤波和设备电源保护，减少机械式接触造成的外置故障点；后者的优势在于设备体积小巧和价格便宜。
    外置变压器分为AC-DC变压器，和DC-DC变压器（主要为-48V）。
2.6按工作方式划分
    可分为工作在物理层的光收发器和工作在数据链路层的光收发器。
    10M和100M的收发器产品工作在物理层，收发器是按位来转发数据。具有转发速度快、时延低等方面的优势，适合应用于速率固定的链路上，此类设备在通信前没有自协商的过程，因此在兼容性和稳定性方面做得好。
    10/100M光收发器是工作在数据链路层，使用存储转发的机制，这种转发机制对接收到的每一个数据包都要读取它的源MAC地址、目的MAC地址和数据净荷，并在完成CRC循环冗余校验以后才转发。存储转发的好处可以防止一些错误的帧在网络中传播；同时还可以防止由于网络拥塞造成的数据包丢失，当数据链路饱和时存储转发可以将无法转发的数据先放在收发器的缓存中，等待网络空闲时再进行转发。这样既减少了数据冲突的可能又保证了数据传输的可靠性，因此10/100M的光收发器适合于工作在速率不固定的链路上。
1000M光收发器可以按实际需要工作在物理层或数据链路层，市场上这两种1000M光收发器都有提供。
2.7按是否网管分类
    按网管来分，可以分为网管型光收发器和非网管型光收发器。
    对于可网管的光收发器细分为局端可网管和用户端可网管。局端可网管的光收发器主要是机框式产品，多采用主从式的管理结构，即一个主网管模块可串联N个从网管模块，每个从网管模块定期轮询它所在子框上所有光收发器的状态信息，向主网管模块提交。主网管模块一方面需要轮询自己机框上的网管信息，另一方面还需收集所有从框上的信息，然后汇总并提交给网管服务器。
    用户端网管主要可以分为三种方式：第一种是在局端和客户端设备之间运行特定的协议，协议负责向局端发送客户端的状态信息，通过局端设备的CPU来处理这些状态信息，并提交给网管服务器；第二种是局端的光收发器可以检测到光口上的光功率，因此当光路上出现问题时可根据光功率来判断是光纤上的问题还是用户端设备的故障；第三种是在用户端的光收发器上加装主控CPU，这样网管系统一方面可以监控到用户端设备的工作状态，另外还可以实现远程配置和远程重启。在这三种用户端网管方式中，前两种严格来说只是对用户端设备进行远程监控，而第三种才是真正的远程网管。但由于第三种方式在用户端添加了CPU，从而也增加了用户端设备的成本，因此在价格方面前两种方式会更具优势一些。
2.8其它分类方式
    按光纤数量来分，可以分为单纤光收发器和双纤光收发器。
单纤光收发器在一根光纤上实现数据的接收和发送，在光纤资源紧张的地方十分适用。这类产品采用了波分复用的技术，使用的波长多为1310nm和1550nm。但由于单纤收发器产品没有统一国际标准，因此不同厂商产品在互联互通时可能会存在不兼容的情况。另外由于使用了波分复用，单纤收发器产品普遍存在信号衰耗大的特点。目前市面上的光收发器多为双纤产品，此类产品较为成熟和稳定。
3 传输距离
    随着光器件技术的提高，在绝大多数场合下，传输距离已不是网络设计的主要问题。但在长距离使用场合下，需考虑光收发器光器件指标。
    光通信传输距离受限取决于两个因素，色散受限和光功率受限，对于具体的光纤传输段，取上述两项较小者。
3.1色散受限
    色散受限距离计算公式为：
L=Dmax/ D
式中：D max——设备容许的最大色散。
D——允许工作波长范围内的光纤色散系数。
    通常在百兆速率可以不用考虑色散受限因素，在千兆速率需考虑。
3.2光功率受限
    通常该指标由光收发器厂家给出，但厂家出于市场竞争因素，给出的极限传输距离可能在实际使用中不能达到，或在光缆使用寿命未终了时就不能满足收端要求的光功率。
    按照光通信传输距离最坏值计算方法，应按以下公式计算传输距离：
L=（PS-PR-PP-C-MC）/ (af+ as)
式中：PS——发端寿命终了时的最小发送功率
PR——收端寿命终了时的最差灵敏度
PP——光通道代价
C——所有活动连接器衰减之和，每个连接器衰减取0.5dB。
MC——光缆富余度
af——光纤衰减系数
as——光纤熔接头每公里衰减系数
L——传输距离
    以上计算保证了在光缆和光器件寿命终了时的传输保障。下面简单先容各参数的取值：
    上述公式中，af+as为每公里光缆平均衰减系数，以实测数据为准，估算时对于近年建设的的光缆可根据光窗口分别按以下取值：850nm, af+as取值3dB/km；1310nm, af+as取值0.4dB/km；1550nm, af+as取值0.25dB/km。
    PS-PR-PP-C-MC为光缆寿命终了时可用于光缆传输的光功率预测。需要说明的是，PS取发端最小光功率，而不要取平均值；PR取接收端灵敏度；PP及MC为预留值，PP是为防止设备长期使用后光器件老化而预留的，MC是为防止将来光缆迁改或损坏、老化等因素预留的，加上两端的两条光纤活动连接器，PP＋C＋MC三项取值可为：百兆时取5dB，千兆时取值5－6dB。
3.3光功率过载
    光接收端还有一项指标，叫过载功率，也叫饱和功率。其意义是当接收端收到的光功率若大于此值，则可能引起收端光感应器件功率过载，损坏光器件。
    按照最坏值的设计思想，若收端光功率不过载。须满足：发端最大发送光功率减去光纤传输端的实际衰减值后 应小于收端过载功率，否则须加衰减器。
通常对于中长距离的光器件，才有可能出现光功率过载的可能。
4 兼容性
    这里所说的兼容性分两种情况：一是光收发器和以太网交换机之间的兼容性；二是光收发器收发两端设备的兼容性。
4.1光收发器和以太网交换机之间的兼容性
    光收发器的设计是依据以太网标准和光纤传输标准。从理论上讲，凡符合以太网标准协议IEEE802.3的网络设备都能和光收发器互通，凡是符合光纤传输标准的光收发器之间都可以互通。然而尽管各厂商的以太网设备在IEEE802.3及IEEE802.3u的标准上是完全兼容的，但用于城域网接入时，由于交换方式、双工模式、缓冲配置等实现方式的不同，还会出现各种各样的匹配问题。
    光收发器电口侧，理论上凡是符合以太网标准协议的交换机都能互通。互通涉及到的问题主要有传输的速率和传送模式设置的问题。在应用中，大家经常面临的是选用100M还是10/100M自适应光收发器的问题，仅从字面上看，当然是采用10/100M的光收发器好。扣除价格因素，在组网时根据性能考虑，也会有不同的选择，这里给出几个考虑的原则，供大家参考。
    100M的产品基本上是在物理层上直接转发的，对以太网幀主要进行时钟重定时，整形，然后就直接转发，不能隔离以太网冲突域，对流量控制的pause 幀直接转发，本身不对各种以太网幀进行处理，对交换机而言，纯100M的光收发器是透明的。以上特性构成了100M收发器的如下优点：可以实现链路监测（LINK监测功能），对IEEE802.1q及ISL网络特性的支撑可以保证绝大多数主流产品的骨干特性，如跨交换机的VLAN、TRUNK等功能，而且，由于100M收发器产品本身不处理流量和广播幀，全部交给两端的交换机处理，由于一般而言交换机的处理能力要强于10/100M的光收发器（内存大，交换引擎强），因此在主干应用中，选用100M的光收发器是比较好的选择。
    10/100M自适应的收发器产品，主要解决方案都是采用类似交换机的交换原理实现的，因此，一般在电口可以实现10/100M及全双工半双工的自适应，但在光口上，都是100M的传输速率，因此该种产品不仅涉及到物理层，也同时涉及到数据链路层，以实现二层转发。以上特点构成10/100M产品如下优点：隔离了冲突域，用户两端可以连接多种不同速度的产品，比如交换机或10M HUB，从而方便了工程安装和维护，10/100M光收发器同时具备交换机的特性，比如内置高效交换核心和大容量缓存，可有效提高端接设备的传输效率，实现流量控制、差错检测功能 ，对IEEE802.1q网络特性的支撑可以保证绝大多数主流产品的骨干特性，如跨交换机的VLAN、TRUNK等功能，具备10M/100M自适应及10M/100M自动转换功能，可以联接任意的用户端设备，无需多种光收发器 ，具备半双工/全双工自适应及半双工/全双工自动转换功能，可大幅度降低用户端接入成本。当然，如果收发器两端连接的是功能强大的10/100M交换机，由于以上所说的原因，10/100M的收发器处理能力肯定不如大型交换机强，应此在主干应用中的表现，自然不如100M的收发器，但在接入层，用户侧网络规模不大，甚至用户采用10M HUB的情况时，选用10/100M的光收发器就是比较好的选择。
4.2光收发器收发两端设备的兼容性
    光收发器成对使用，通常两端均采用同厂家同规格（光器件指标相同）设备，当然可以采用不同的物理结构如盒式和机框式等。不同厂家的设备也能互通，但需严格注意其器件的匹配性，这是因为异厂家的设备其指标或多或少存在差异。各个设备供应商所标称的传送距离范围各不相同，这主要是基于设备中激光发射功率不尽相同的原因。在长时间互联的过程中，由于激光器发射和接收功率不匹配，不可避免地会影响光收发器的使用寿命。
    在实际网络互联中，应避免具有不同传输距离的光收发器之间互联。虽然能够传送数据，但由于激光发射功率不同，会缩短光纤收发模块的使用寿命。
5 网管
    随着网络向着可运营可管理的方向发展，运营商都希翼自己网络中的所有设备均能做到可远程网管的程度，光收发器产品与交换机、路由器一样也逐步向这个方向发展。
    网管的目的是故障发生时，可以尽快对故障进行定位和排除。管理内容多包括配置光收发器的工作模式，监视光收发器的模块类型、工作状态、机箱温度、电源状态、输出电压和输出光功率等。
    目前大多数厂商的网管系统都是基于SNMP网络协议上开发的，支撑包括Web、Telnet、CLI等多种管理方式。下面先容这几种网管方式的区别
5.1SNMP网管
    协议比较普及，可实现在较大的网管平台上统一管理（比如HP的openview）。优点：比较普及，例如CISCO，3COM等企业的交换机一般都支撑，而一些较大的网管App比如HP的openview，CISCO的CISCO WORK多半支撑，实现的网管功能也比较多。缺点：价格昂贵，实现复杂，采用SNMP网管，必须使用32位的处理器，安装砌入式操作系统，解析SNMP协议，并且要有厂方提供的MIB库，提供给网管平台使用，才能实现网管的功能。因此安装比较复杂，兼容性问题也比较突出。
5.2基于WEB的网管
    方法是在被管理设备上安装WEB SERVER，在网络上的机器通过浏览器输入IP地址，可以通过图形方式监控被管理设备，优点：图形化界面，简单直观，不需要安装客户端App。缺点：占用网络带宽较多，自动报警比较难实现。
5.3基于TELNET的方式
    方法是通过TELNET程序，输入IP地址，登陆到被管理的设备，一般以文字菜单方式为主。优点：占用网络带宽少，响应速度快。缺点：非图形化界面，不够直观。实现自动报警也比较困难。
6 其它问题
6.1长距离使用
    需要长距离联接以太网时，如10/100M、100M超过100公里，1000M超过70公里，在工程中需要注意：超长距光纤传输在实际施工中与光纤传输质量（衰耗、色散）等关系密切，在工程实施过程中要在实际测试后方能使用。
另外还有这种情况，长距离传输时如误码率较高，处于数据链路层的光收发器会出现吊死情况。
6.2适应恶劣环境
    在实际工程中，光收发器的经常安装于楼道内或室外，供电情况十分复杂，这就需要各个厂商的设备最好能支撑超宽的电源电压，以适应不稳定的供电状况。同时由于国内很多地区会出现超高温和超低温的天气情况，雷击和电磁干扰的影响也是实际存在的，所有这些对收发器这种设备的影响都非常大，这就要求设备提供商在关键元器件的采用、电路布板和焊接以及结构设计上都必须精心严格。
6.3智能化
    光收发器的光路断掉后，大多数产品另一端的电口仍然会保持开启状态，因此上层设备如路由器、交换机等依然还是会继续向该电口发包，导致数据不可达。因此选择设备能实现自动切换，当光路断掉后，电口自动向上报警，并阻止上层设备继续向该端口发送数据，启用冗余链路以保证业务不中断。 （5900字）

参 考 文 献
1李学军,李洪，朱英军等.宽带IP城域网的优化策略与实践。
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