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未來以太網的發展路線圖
以太網自上個世紀70年代出現以來，由于其低成本，易部署，兼容性好，方便管理等特點目前已經成為企業網絡領域真正的統治者。在過去的40年里，以太網過去一直以10為倍數跨躍式地向前發展，從10Mbps發展到2010年的100Gbps，以及目前正在討論中的400Gbps，速度提高了40,000倍。
以太網未來需要解決三個市場需求：
1. 運營商和光纖傳輸網(OTN)，必須提供領先的技術滿足帶寬需求的急劇增長
2. 超大型的數據中心，交換機帶寬平均2-2.5年翻一番
3. 企業網數據中心，未來計劃采用云技術
從技術上來講，以太網以10為倍數向前發展是可行的，但是從投資和成本的角度來看，以10為倍數發展非常不經濟，功耗和價格都會很高。2010年，以太網開始以4為倍數發展，出現了40G以太網的標準，未來以太網絡服務器會以2為倍數向前發展，網絡主干會以4為倍數向前發展，這個全新的發展路線圖會對以太網的發展注入新的活力。
IEEE目前正在開發的以太網絡標準有2.5Gbps,5Gbps以太網，主要應用于*網絡接入點；25Gbps,40Gbps，50Gbps以太網主要應用于服務器；100Gbps,200Gbps以太網主要應用于數據中心網絡主干；400G主要用于運營商中心機房，400G以太網的標準預計于2017年頒布。
來源:以太網聯盟（EthernetAlliance）
數據中心內單模光纖和多模光纖通信的技術區別及成本考量
A.波分復用(Wavelength Division Multiplexing)
單模光纖通常采用波分復用(WDM)的方式來增加網絡傳輸速率，2010年發布的100GBase-LR4，采用2芯單模光纖1收1發，能夠在一芯光纖上同時復用４個波長，每個波長傳輸25Gbps。單模光纖傳輸100Gbps的方案傳輸距離遠，布線成本低，然而，單模光纖需要采用高成本的激光(LD)光源收發器，單模光纖的激光收發器價格至少是多模光纖收發器的3倍以上,功耗至少2倍以上。（備注：來源OFS2014年數據）
B.串行傳輸（SerialTransmission）
傳統的多模光纖一般采用串行傳輸模式，在這種模式下增加以太網的傳輸速率必須增加每芯光纖/通道的傳輸速率。目前以太網最大串行傳輸速率為10Gbps/通道，IEEE正在制定25Gbps/通道,50Gbps/通道的網絡標準，以400G以太網為例，會有25Gbps/通道，50Gbps/100Gbps通道3個不同的版本，光纖芯數分別需要32芯/16芯/8芯。400G以太網采用的編碼方式有NRZ,PAM4,DMT,更高級的編碼方式意味著更復雜的電路和功耗，因而成本更高。
C.并行傳輸(ParallelTransmission)
多模光纖提高網絡傳輸速率的另外一種方法是采用并行傳輸模式，即通過增加光纖芯數來增加傳輸速率。2010年發布的100GBase-SR10采用10Gbps/通道的傳輸方式，10通道接收10通道發送，總共需要20芯光纖。
D.短波波分復用(ShortWavelengthDivisionMultiplexing,WDM)
隨著100G-NG,200G/400G以太網乃至1T以太網的提出，傳統的多模光纖在芯數和距離上成為阻礙未來以太網絡發展的瓶頸。短波波分復用技術利用性價比較高的短波的垂直腔面發射激光(VCSEL)光源，優化的寬帶多模光纖(WBMMF)能夠在一芯多模光纖上支持4個波長，把需要的光纖芯數降低為之前的1/4，同時提高了有效模式帶寬（EffectiveModalBandwidth,EMB）,延長了40/100G的傳輸距離到300米左右。
目前全球96%的數據中心，網絡核心區骨干(Spine)交換機到服務器機柜分支（Leaf）交換機的距離在300米以內，因此短波波分復用技術(SWDM)和寬帶多模光纖(WBMMF)未來會繼續延續多模光纖作為數據中心40/100/400G以太網的主流傳輸介質的傳統。未來通過短波波分復用(SWDM)和并行傳輸技術相結合，只需要8芯寬帶多模光纖(WBMMF)，就能夠支持更高速的應用，比如200/400G以太網。
來源:Finisar
WBMMF的定義及其核心技術
多模光纖自上世紀80年代進入市場以來，經歷了從OM1、OM2、OM3到OM4的演進。網絡速率的不斷提升，對光收發器的光源要求也越來越高，光收發器的光源從傳統的滿注入發射(Overfilledlunch)的發光二極管(LED)發展到高性能低成本的垂直腔面發射激光(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,VCSEL)，OM3光纖是針對垂直腔面發射激光(VCSEL)光源優化的多模光纖，有效模式帶寬(EMB)達到2000MHZ.Km，支持100GBase-SR10距離達到100米,而OM4光纖有效模式帶寬(EMB)相比OM3光纖提高了1倍多，達到4700MHZ.Km，然而支持100GBase-SR10距離僅有150米，相對于OM3光纖，100G以太網傳輸距離僅僅增加了50%。
進入2010年代，隨著100G-NG,200G/400G以太網乃至1T以太網的提出，傳統的多模光纖在芯數和距離上成為阻礙未來以太網絡發展的瓶頸，而寬帶多模光纖(WBMMF)的出現打破了傳統多模光纖的技術瓶頸。
首先，它借鑒了單模光纖的波分復用(WDM)技術，延展了網絡傳輸時的可用波長范圍，能夠在一芯多模光纖上支持4個波長，把需要的光纖芯數降低為之前的1/4。
此外，寬帶多模光纖(WBMMF)在有效模式帶寬(EMB)上有了更高的突破。如下圖所示，在光纖有效模式帶寬(EMB)方面遠超傳統的OM4多模光纖，850納米波長上有效模式帶寬(EMB)提高到6000MHZ.km,在880納米波長附近更是達到8000MHZ.km。更高的帶寬意味著為未來可能出現的更高速的以太網提供余量空間。
來源:OFS
其次，寬帶多模光纖(WBMMF)支持高速以太網傳輸能夠達到更遠的距離。網絡收發器廠商Finisar于2015年初推出了100GSWDM4QSFP28的光纖收發器，該收發器僅需要兩芯寬帶多模光纖(WBMMF),每芯光纖采用4個不同波長，每個波長傳輸25Gbps。在最近全球各地的現場演示中，100GSWDM4QSFP28的光纖收發器在康普2芯寬帶多模光纖(WBMMF)上最遠達到了450米的傳輸距離。
WBMMF的工作波長及采用短波波長的原因
100GSWDM4采用短波波分復用(SWDM)技術，在一芯多模光纖上復用4個短波波長，短波波分復用(SWDM)設備要求不同的波長之間保持30納米的間隔,康普實驗室在傳統OM4多模光纖上的測試數據表明：當波長超過850納米，垂直腔面發射激光(VCSEL)光源的優勢會被充分發揮，多模光纖的色散帶寬(ChromaticBandwidth)會增加，傳輸距離會相應提高。因此，工作波長從850納米開始，每隔30納米增加一個波長，一共4個波長，因而寬帶多模光纖(WBMMF)工作波長在850到950納米區間范圍內。
光收發器設備的成本與波長成正比，波長越長，收發器成本越高。寬帶多模光纖(WBMMF)在850-950納米短波波長區間能夠支持低成本高性能的垂直腔面發射激光(VCSEL)光源。垂直腔面發射激光(VCSEL)光源價格和功耗遠低于長波的激光(LD)光源，相對于發光二級管(LED)光源只能支持622Mbps以下的以太網，垂直腔面發射激光(VCSEL)光源能夠支持100Gbps甚至更高速的以太網。
簡而言之，寬帶多模光纖(WBMMF)采用低成本的短波波長，收發器的成本和功耗都會遠低于采用長波激光光源的單模光纖解決方案。
工作波長增加，色散帶寬增加(傳輸距離增加)
WBMMF相關的國際標準
寬帶多模光纖(WBMMF)的標準化工作得到了TIA、ISO、IEEE的共同關注和支持。
TIATR42委員會在2014年就把討論寬帶多模光纖(WBMMF)標準化列入了討論項目，得到了所有網絡收發器廠商，網絡設備廠商和布線廠商的一致贊同，2015年6月TIATR42委員會投票通過，同意開發寬帶多模光纖(WBMMF)標準，并將命名為TIA-492AAAE，預計正式標準最遲會在2016年11月前正式頒布。
ISO/IECJCT1SC25委員會WG3工作組在2015年聽取了TIA代表的匯報，決定在2016年將把制定寬帶多模光纖(WBMMF)標準納入議程,ISO/IECJCT1SC25委員會WG3工作組正在就這種新型的多模光纖(WBMMF)命名征求各國專家意見。
2016年1月在IEEE亞特蘭大的會議上，TIA代表向IEEE匯報了寬帶多模光纖(WBMMF)標準的最新進展。
WBMMF如何解決色散的問題
色散(ChromaticDispersion)是多模光纖特有的現象，色散是由于不同的波長傳輸的速度不同因此到達終點的時間不一致而導致的。色散和差模延遲(DMD)非常類似，差模延遲是由于多模光纖內存在不同的傳輸模式，不同模式到達接收端時間不一致，如果延遲過大，會對網絡造成丟包，通常實驗室采用專業的檢測設備評估差模延遲的影響。
差模延遲測試(DMD)
事實上，在所有采用波分復用和并行傳輸的高速以太網，普遍存在著信號到達接收端出現延遲的情況，這種現象稱為偏移(Skew)，最快和最慢的信號之間的偏差稱為偏移時差(Skewvariation)。例如，100GBase-SR10采用20芯光纖并行傳輸，10發10收，這10芯接受或發送的光纖之間也會產生信號到達接收端不一致的現象。
IEEE對于偏移和偏移時差有嚴格的定義，光纖收發器廠商在定義收發器標準的時侯會遵循IEEE的100G以太網絡標準最大偏移79ns，通道/波長之間偏移時差不超過2.5ns的要求，光纖收發器通過估算最差的偏移進行信號補償，從而嚴格控制偏移誤差的范圍。實驗室模擬不同類型的場景測試表明，色散導致的偏移時差原低于IEEE標準要求，幾乎可以忽略不計。
WBMMF是否兼容傳統的OM3,OM4多模光纖
寬帶多模光纖(WBMMF)的光纖預制棒制造工藝得到了優化，因而能夠支持更廣闊的帶寬范圍，在物理上它仍然保持50/125微米的纖芯/涂敷層的結構，因此完全向前兼容傳統的OM3,OM4多模光纖。
WBMMF在未來數據中心中的應用前景
寬帶多模光纖(WBMMF)的出現為多模光纖，特別是在超大型數據中心領域賦予了更強勁的生命力，它突破了傳統多模光纖所采用的并行傳輸技術和傳輸速率的瓶頸。它不但能夠以更少的多模光纖芯數支持更高速的網絡傳輸，而且由于它采用低成本的短波波長，收發器的成本和功耗都會遠低于采用長波激光光源的單模光纖解決方案。因此，在未來100G/400G/1T超大型的數據中心中將會具有廣闊的應用前景。
以未來第一代400G以太網400GBase-SR16為例，每個通道傳輸25Gbps，16芯發送16芯接收，總共需要32芯光纖多模光纖。這意味著在數據中心里面需要部署32芯MPO/MTP接口的布線系統，高昂的布線成本會讓數據中心設計者望而卻步。
如果采用寬帶多模光纖(WBMMF)和短波分復用的收發器，總共只需要8芯多模光纖4收4發，每根光纖傳輸4個波長，每個波長傳輸速率25Gbps，每芯光纖可以傳輸100Gbps,通過采用這種短波分復用加并行傳輸的技術，光纖數量只需要傳統多模光纖的1/4。
在10米以上500米距離內100G以太網目前有哪些解決方案，這些方案有什么差異，哪種方案性價比最高？
IEEE于2010年頒布了100Base-SR10,采用20芯多模光纖并行傳輸，10收10發，每個通道傳輸10Gbps，需要24芯的MPO/MTP多模光纜，在OM3/OM4上的最大傳輸距離分別是100/150米,這是目前最為成熟和市場化的100G網絡解決方案。由于出現時間早，出貨量大,因此設備成本低，其缺點是布線需要20芯光纖。
此外，IEEE正在開發下一代的100Base-SR4標準，采用8芯多模光纖并行傳輸，4收4發，每個通道傳輸25Gbps，在OM3/OM4上的最大傳輸距離分別是70/105米。其缺點是每個通道采用較高傳輸速率，設備成本可能會較高，且距離相對較短，不適合超大型的數據中心，優點是布線只需要8芯光纖。
IEEE計劃開發第三代的100G-SR2,每個通道傳輸50Gbps，2收2發，采用4芯多模光纖并行傳輸，在OM3/OM4上的最大傳輸距離應該不會超過70/105米,缺點是由于每個通道采用更高傳輸速率，設備成本必然會很高，距離相對較短，不適合超大型的數據中心，優點是布線只需要4芯光纖。
除了IEEE的100G標準，Finisar和CommScope、Dell、Huawei、H3C、Juniper等12家廠商組成短波分復用(SWDM)聯盟，推廣100Base-SWDM4。Finisar計劃在2016年12月份正式推出市場化的產品。100Base-SWDM4采用2芯多模光纖,1收1發，在每芯光纖上采用4個短波波長，每個波長傳輸25Gbps，在寬帶多模光纖(WBMMF)上目前測試的最大傳輸距離是450米。其優點是布線只需要2芯多模光纖，采用性價比較高的短波光源，功耗為3.5瓦，且可以支持300-450米的距離，能夠滿足超大型數據中心不同樓層骨干（Spine）交換機和分支(Leaf)交換機之間的互聯。
此外Avago,Broadcade,Finisar,Juniper,Microsoft等公司組成了PSM4聯盟，推廣100Base-PSM4。其采用8芯單模光纖并行傳輸，每個通道傳輸25Gbps，4發4收，最大傳輸距離是500米。優點是支持500米的距離，能夠滿足超大型數據中心樓層之間骨干交換機的互聯，缺點是采用8芯單模MPO，布線成本較高。此外，因其采用1310納米長波激光光源，收發器設備成本比采用短波垂直腔面發射激光(VCSEL)貴。
總之，光收發器的價格通常和出貨量成反比，未來100G解決方案的整體成本取決于光收發器的出貨量。對于客戶來講，需要根據數據中心實際的距離需求同時考慮向前的兼容性、未來擴展性和易部署性來進行綜合考量。
數據來源:Cisco, Avago, Finisar, Colorchip
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編輯：Harris
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