波分传输范文（精选5篇）
波分传输 第1篇
近年来, 波分复用技术主要朝超长距离和大容量传输两个方向发展, 鉴于超长距离传输的市场需求和网络趋势, 本文将重点集中在长距离传输方面, 探讨超长距离传输的解决方案。
超长距离传输包括多跨 (放大) 段的长距离无电中继传输和单跨 (放大) 段传输两种。从形态特征角度看, 前者通常指1000km~3000km无光电转换的点对点传输, 后者则是100km~300km的无有源放大或者无中继点对点传输。从技术实现角度看, 多跨段长距离无电中继传输需解决光信噪比 (OSNR) 、色散 (CD) 、偏振模色散 (PMD) 、非线性效应 (NL) 以及功率均衡等一系列问题;而单跨段传输所需解决的问题相对要少很多, 一般仅关注OSNR和非线性效应 (NL) 。从网络应用角度看, 前者应用于常规环境下, 可减少无业务上下的电中继接点数量, 大大减轻维护工作量;后者则主要应用于海岛之间、沙漠、无人区等受天然障碍制约无法设置有源设备或不便维护的地区。
当然, 多跨 (放大) 段的长距离无电中继传输还有一个非常重要的应用场景, 就是动态光网络。基于ROADM (可重构光分插复用器) 系统, PXC (光交叉) 系统的动态光网络的光通道状态可能会经常发生变化。
二、超长距离传输相关技术
超长距离传输受到色散效应、非线性效应等物理障碍的限制。为了完成超远距离传输, 必须在终端和线路两个方面采取相应技术进行处理。
1. 长距离传输的物理限制
光信号在光纤中进行传输, 遇到的物理障碍包括非线性效应 (NL) 、色散效应 (CD) 、偏振模色散 (PMD) 和光信噪比 (OSNR) 限制。其中, 非线性效应又包括自相位调制 (SPM) 、互相位调制 (XPM) 、四波混频 (FWM) 、受激拉曼 (SRS) 和受激布里渊 (SBS) 等效应。
色散效应 (CD) 可以通过增加终端发射单元的色散容限、线路色散补偿以及在接收端进行后补偿等方法加以克服。而对于偏振模色散 (PMD) , 尚没有好的商用补偿手段, 只能采用偏振模色散 (PMD) 指标好 (小于0.1ps/km1/2) 的光纤实现长距离传输。光信噪比 (OSNR) 的限制, 可以通过降低发射单元的OSNR门限加以解决。
影响长距离传输性能的非线性效应主要是自相位调制 (SPM) , 而自相位调制 (SPM) 的影响是通过与光纤色散效应 (CD) 相互作用来体现的, 即所谓色散图谱问题。色散图谱的变化与传输距离有关, 随着传输距离的延长, 残余色散曲线向正色散方向移动, 色散窗口也同时变窄。
2. 长距离传输的终端调制技术
按照信息承载方式, 有3种物理参量可用于加载信息:强度、相位和偏振态, 进而产生了3种调制格式:强度调制、相位 (或频率) 调制和偏振调制。
在现代高速光纤通信中, 强度调制得到了广泛应用。利用差分接收, 可以将相位信息转化为强度调制接收, 解决了相干接收难以实现的难题, 相位调制也受到高度关注。而偏振调制则需稳定可靠的偏振管理, 在光纤传输中, 由于偏振态的随机变化, 增加了接收端的复杂性。正是因为偏振系统的复杂性和与波长有关的随机偏振旋转, 使得偏振调制技术难以应用于商用光通信系统当中。
按照脉冲调制方式, 还可将调制技术分为归零码 (RZ) 和非归零码 (NRZ) 两种调制方式。RZ码因为占空比小, 信号能量在时域上更加集中, 具备更好的OSNR容限。同时, 对非线性传输失真和PMD等具有良好的容忍性。
按照信道频带利用方式, 可将调制技术分为二进制调制和多 (M) 进制数字调制方式。M进制多电平信号提高频谱利用效率, 在降低码速率, 减少CD、PMD对信号的影响等方面具有优势, 但同时也提高了OSNR门限。如果采用多电平调制方式的目的不是为了提高频谱利用率, 而是引入码元间的相关性, 以达到频谱整型和容忍度改进, 则此种调制被称为伪多电平调制。CSRZ、DB和AMI调制等都属于该种伪电平调制方式。
对于长距离传输来说, RZ DPSK调制方式具有最低的OSNR门限, 可以实现最远距离的无电中继传输。DB调制方式则具有高色散容限, 在长距离传输的动态光路由应用模式下非常有用。而RZ DQPSK调制方式具备最大的DGD容限, 对基于40Gbps速率的长距离传输来说十分重要。在实际应用过程中, 可根据不同的应用场合来选择与之对应的合适的调制技术。
3. 长距离传输电域处理技术
当动态光路由要求与长距离传输要求同时出现时, 仅仅依靠终端调制技术来提高色散容限有时仍不能解决问题。此时, 可以考虑采用电域处理方式, 辅助提高系统的色散容限。
电色散补偿是将光域DCM模块色散补偿的功能转移到电域来处理, 通过采用有限冲击响应滤波器 (FIR) 等技术, 把在光纤中远距离传输的光信号经光电转换成电信号后作均衡处理的一种新方法。目前, 已知的电域色散补偿的处理方法有前向均衡技术 (FFE) 、后向均衡技术 (DFE) 、最大似然序列估计 (MLSE) , FFE与DFE也可以级联起来使用。
在DFE、FFE以及MLSE等电色散补偿方法中, 以MLSE技术对色散补偿的效果最好。MLSE可以补偿G652光纤100km左右的距离。而预离散 (Pre distortion) 技术, 更可实现几千公里距离的色散补偿。其实现方法是在进行初始配置时, 接收端进行色散扫描, 通过反馈, 在发送端可进行相应的信号预调制, 以使传输后获得最佳接收信号。预离散 (Pre distortion) 技术的本质就是找到光信号在光纤中传输传递函数的“反函数”, 从而最大限度地将由色散引起的码间干扰消除。预离散技术可用于静态长距离传输, 但其实时性较差。
4. 长距离传输线路技术
为实现长距离传输, 除了在传输段的源宿点采取技术手段外, 还可在线路中采用技术方法延长放大段距离。如遥泵 (RPOA) 、分布式拉曼放大 (DRA) 等线路技术。RPOA的实现原理, 就是将无源的增益铒纤放置在线路中, 泵浦激光器放置在端站, 进行远端泵浦。该技术可将放大段传输距离有效延长100km左右。
三、中兴通讯超长距传输解决方案应用
综上所述, 超长距离传输解决方案包括终端技术和线路技术, 前者采用调制技术以降低OSNR门限要求, 后者则是提高信号经过长距离线路传输后的OSNR值, 两种技术可以组合使用。对于动态长距离传输, 有更高色散容限要求的, 可以采用调制技术和电域处理方式相结合的方法予以解决。
100G波分复用传输的关键技术 第2篇
关键词：编码技术,相干技术,FEC,传输距离
1 概述
WDM远距离传输技术产生以来, 始终向着大容量、更远距、更低比特传输成本的方向发展。与单波10G速率向40G速率发展相比, 单波40G速率演进到100G速率面临着更为严格的限制因素, 需要更先进的编码技术和接收技术。而且从保护投资、降低网络建设成本和运维成本角度考虑, 100G传输技术也有可平滑升级的需求。本文将从编码技术、新型接收技术和FEC技术三个方面, 介绍近期100G线路传输解决方案的最新进展。
2 100G系统中的关键技术
2.1 编码技术
从10G速率超长距离传输开始, 编码技术始终是WDM的研究重点。随着比特率的增大和传输距离的延长, WDM的长距传输受限于4项物理条件:光信噪比、色度色散、非线性效应、偏振模色散。这些均与传输的波特率相关。如:如果码型不变当波特率从10G提高到40G, OSNR的要求将提升6d B, 色散容限将降低到前者的1/16, PMD容限将降低到前者的1/4, 光纤非线性危害程度也随之增加。为了提升线路, 速率通常采用新型的编码技术避免以上这些物理效应的危害以上述关系增加, 通常采用新型的编码技术, 主要措施包括相位调制格式、多进制调制、RZ技术。
因为QPSK在40G系统中应用较为广泛, 所以成为100G调制方式的首选。但是100G直接采用QPSK调制, 其信号谱宽会超出50GHz, 无法实现50GHz的波道间隔, 所以采用偏振复用方案, PDM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合得方式将传输符号的波特率降低为二进制调制的四分之一, 即100G传输中, 采用PDM QPSK技术之后, 实际线路上的波特率仍然是25G速率, 这样就实现了50Hz的波道间隔。
2.2 相干接收和DSP技术
采用PDM-QPSK的调制方式虽然降低了100G传输中光信号的波特率, 因而降低传输码型的谱宽, 实现了50GHZ波道间隔, 但是由于在两个偏振上分别独立加载了业务信息, 业务信息在在光纤传输过程中, 不同偏振上的光信号会互相耦合, 并在光纤PMD效应作用下产生误码。因此采用偏振复用, 首先要在接收端进行偏振分离, 并解决PMD代价的问题。这就需要通过相干接收和数字信号处理来实现的。
色散效应是频域光电场的相位产生了畸变, PMD效应是在两个偏振的时域光电场的相位上产生了不同时延。在传输系统的收端的强度接收或者自相干接收过程中, 这些相位上的畸变和时延均会转化为接收眼图的畸变和码间干扰, 而造成信号损伤。如果能探测出光信号的电场, 则可以采用线性补偿的方法, 在光场上抵消色度色散和PMD效应, 这就是光学DSP处理的核心。由于色散和PMD效应均是在光电场的相位或偏振上引入调制或畸变, 而光相干检测则可探测并同时获知光场的偏振、幅度和相位信息。进而采用数字信号处理的方法, 可以消除色散和PMD导致的眼图畸变和码间干扰, 重新恢复码元信息。采用这种方法, 在100G系统上可实现高达60000ps/nm的色散容限及25-30ps的PMD容限。那么在传输系统线路侧上不再放置色散补偿模块, PMD效应也不会成为限制系统传送距离的因素, 系统组网能力和灵活性将得到极大的提高。目前, PDM-QPSK、相干接收、DSP技术的配合使用, 已经成为100G传输系统主流的技术配置方案, 并且目前PDM-QPSK与相干接收部分已形成模块化, 产业链成熟, 各厂商相差不大, 但DSP部分因为涉及到算法, 很难用语言区分, 只能从系统指标进行区分。
2.3 SD-FEC技术
前向纠错始终是光传送技术中降低OSNR要求主要手段, 在线路速率不断提升的驱动下, 经历了三代的发展。第一代FEC采用硬判决分组码, 以RS (255, 239) 为代表的代数码技术, 采用6.69%的开销, 主要用于2.5G系统和早期的10G系统, RS (255, 239) 已经被写入ITU-T G.709和ITU-T G.975标准, 在光通信领域获得了广泛的应用。后来随着10G和40G系统的广泛应用, 出现了纠错能力更强、增益更高的第二代FEC技术, 其采用硬判决级联编码技术, ITU-T G.975.1标准收录了8种第二代FEC算法, 码字开销仍以6.69%为主, 当输出BER=1E-15时, 其中大部分FEC算法的净编码增益在8d B以上, 可支持10G和40G的系统长距离传输需求。到了100G的时代, 在相干电处理技术的驱动下, 借力高速IC技术的发展, 目前又诞生了基于软判决第三代FEC技术。
软硬判决主要区别在其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位, 其判决不是0就是1。软判决则采用多个比特位对信号进行量化, 采用“00”、“01”、“10”、“11”判决, 通过各种估计算法提高判决的准确率, 软判决可提供约11.5d B的净编码增益。第三代FEC需要更大的运算规模 (1千万门以上乃至数千万门的ASIC) , 目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继, 需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外, SD-FEC的另一个特点是开销更高, 可高达20% (OIF建议SD-FEC的开销不超过20%) , 使得100G的线路速率达到128Gbps, 这有可能在非线性和滤波效应方面对传输性能造成影响。
3 结束语
波分传输 第3篇
关键词：稀疏波分复用,DWDM系统,短距离传输
稀疏波分复用 (CWDM) 技术的首次商用是在20世纪80年代初, 在多模光纤中用来传输数字视频信号。这些系统首先应用在有线电视的广播链路。然而直到现在, 稀疏波分复用系统也没有引起服务者足够的兴趣。随着越来越城域网运营商开始寻求更合理的传输解决方案, CWDM越来越广泛地被业界所接受。和DWDM系统不同, CWDM系统采用的是不带冷却器的分布式反馈 (DFB) 激光器和宽带光滤波器, 因此CWDM系统具有以下优点:功率损耗低、尺寸小和成本低。CWDM系统的投放市场使得它在城域网和接入网中能够替代在DWDM系统。
1 CWDM和DWDM
提高光纤的单信道传输速率真, 或者如WDM技术那样增加单光纤中传输的波长数都可以增加光纤链路的带宽。WDM技术通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端, 利用解复用器将分解后的波长分别传输来实现。在链路的接收端, 利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤, 后者分别接到不同的接收机。在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。在DWDM系统中, DFB激光器作为光源, 它需要采用冷却技术来稳定波长, 以防止赋于温度变化波长漂移到复用器的解复用器的滤波器通带之外。CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却。当复用的信道数为16或者更少时, 在成本、功耗要求和设备尺寸方面, CWDM系统比DWDM系统更有优势。
2 低成本的硬件
CWDM和DWDM系统之间的成本差别主要是由于硬件和运营成本方面的差别造成的。虽然DWDM系统中的激光器比CWDM系统中的激光器昂贵, 但是对于长途传输和大容量的大型城域环形网而言, 带冷却器的DFB激光器更为经济。DWDM的收发设备要比CWDM系统的同类产品贵四、五倍, DWDM的收发设备价格高与激光器的许多因素相关。CWDM的激光器与DWDM激光器制造上的波长容差是一个非常关键的因素, 另外, 激光片的成品率真低也增加了DWDM激光器的造价。此外, 带Peltier冷却设备和热敏电阻的蝶形DWDM激光器要比无冷却的同轴CWDM激光器贵得多。在复用器和解复用器方面, DWDM和CWDM的造价差别主要是由于CWDM的滤波器包含的层数少, 故CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本低。DWDM系统中使用的100GHZ滤波器一般大约有150层, 而CWDM系统的20nm滤波器大约有50层。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50%, 预计在未来的2到3年内, 自动化生产的成本可望再降1/3。此外, 新的滤波器和复用器/解复用器技术的采用有望进一步缩减成本。
3 功耗降低
光传输系统的运营成本取决于系统的维护和系统消耗的功率。即使DWDM和CDM系统的维护成本都可以接受, DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。在DWDM系统中, 随着复用的波长总数的增加以及单信道传输速率的增加, 功率损耗及其温度管理变成了电路板设计的关键问题。CWDM系统中采用不带冷却器的激光器, 系统功耗低, 有利于系统运营商节约开支。
4 物理尺寸更小
CWDM激光器要比DWDM激光器小得多, 不带冷却器的激光器一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的。DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的五倍。
5 复用的信道数最多可达16个波长
波分传输 第4篇
一、PTN/OTN 传输技术的构建
PTN/OTN传输技术应用的基础就是能够充分挖掘传输技术的优势, 并且能够对传输领域中的安全程度进行统筹分析, 对网络发展中的投资成本和拓展空间也可以进一步进行衡量, 其发展的最终目标是为了构建满足客户需求的网络系统, 能够让客户在对网络的应用过程中清楚的分化层次。通常情况下, 完整的移动传输网络包括三个层面的内容, 各个层面功能也应用分清。其中的三个网络层面主要是指核心、汇聚与接入。
就传统的技术结构体系进行分析, 不难发现其结构相对简单, 并且在数据传输过程中有着较高的生存性, 因此得到了人们的广泛使用和推广。城域数据传输网络作为新型网络技术, 要想在各个领域得到广泛的普及和使用, 应该结合传统网络设计的原则, 将多个环形网络子拓扑因作为其基础设计层面, 组成层次分明的网络系统。
在新型的传输技术中, ONT实现了数据信号的同步传输功能, 其传输方式主要分为三种, 分别是物理层同步、PTP同步和透传的同步。在这些网络系统功能同步的基础上再利用IEEE1588v2作为传输标准, 能够使OTN同PTN端口在计时过程中保持一致性。
在我国的城域网络波分中, 有着大规模的MSTP设备, 虽然现有的网络传输主要形式是TDM, 但是网络分组中的业务相对较少。随着网络传输技术的进步, 作为传统形式的TDM处于一种逐渐变少的趋势, 但是在一定程度上TDM仍然是数据传输的大头。需要保持其在数据传输领域的稳定发展, 并且将其作为技术传输业务进行拓展, 就需要以PTN/ONT为基础进行发展。
二、PTN/OTN 传输技术在城域波分中的具体应用
城域波分中所有层次网络从接入层到核心层都应用了PTN设备, 在分组平面构件的传输过程中也相应的做了规划, 将长期的网络系统和现存系统进行了层次性结合, 规划相对独立。在互联网接入过程中, 主要以PTN/OTN模式为基础, 保持原有的2G网络业务, 在PTN设备层中开放新的IP业务。在PTN组网模式的构建过程中, 将GE速率作为祖欢接入层, 汇聚环以上的其他环都采用以太网, 组网中使用的主要是相互环模式。主要原因在于在独立组网的模式之下有着较高的网络结构清晰度, 能够便捷的对网络进行维护管理。将PTN技术应用于网络结构中, 需要较高的投资, 由于其使用过程中占据的有效资源和光纤相对较多, 因此需要对部分局房进行改造, 只有这样才能够更好的满足用电需求。此外, 不同层次的网络传输速率也会有所不同, 往往会出现匹配相对较低的情况, 在应用过程中要对其进行综合考虑。
某省在城域波分中主要采用PTN/OTN技术为实践, 测试过程中需要结合技术理论和技术选型。最终在多家互联网技术中将华为和中兴作为合作公司进行选择。利用华为公司的PTN/OTN技术在该省中心城市构建了网络传输系统, 在网络传输的基础上配合了中兴公司的PTN/OTN在该省管线范围内的八个城市分别建立了网络系统, 从而实现了全省城域传送网的相互连通, 进一步完善了网络层面。为了充分考虑城市分布状况, 该省网络管理部门又对网线的布局进行了详细处理, 能够保障该网络传输在业务扩展过程中能够被更多的领域所使用。
三、结束语
PTN/OTN网络传输技术是一种新型的技术设备, 其主要特点是在运行的过程中具有高效性、安全性和灵活性, 是IP网络演进过程中的一个重要环节。该技术在不同领域的引入能够极大的改善传送网的核心, 汇聚层能够实现多层面的接入, 对网络运行起到安全保护和调整的作用。随着网络技术和各种应用技术的逐渐增加, PTN/OTN也逐渐渗入到传送网的接入层面, 从而有利于其在城域波分系统中发挥更加重要的作用, 全面建立完善的城域网络结构。
参考文献
[1]江卓宇.PTN/OTN传输技术在城域波分中的应用[J].中国电子商务, 2014, (3) :88.
[2]罗剑友.PTN/OTN传输技术在城域波分中的应用[J].科技展望, 2014, (17) :155-155.
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波分传输 第5篇
随着信息技术的发展和国家电网公司现代化业务的不断发展, 以及经营地域、企业规模的不断扩大, 构架于信息系统之上的统一管理、统一决策、统一运营成为必然趋势。信息通信系统成为企业的大脑和神经网络, 数据中心成为企业运营的关键。对于大型电网企业来说, 作为电网经营生产的营销业务应用系统、生产管理系统、ERP系统以及协同办公四大系统, 一旦出现数据丢失、数据服务停止, 将导致企业各分部、营业网点和部分的业务系统中止运行, 还可能造成客户数据的丢失, 给企业带来无法挽回的经济损失。
因此, 大型电网企业在公司层面建立容灾数据备份中心, 实现业务系统的快速备份恢复, 针对系统潜在的中断风险, 提供预防措施, 确保在故障情况发生时关键生产数据的可靠性、可恢复性以及可用性, 具有重要意义。
1 容灾系统简介
1.1 灾备系统
容灾备份是指利用相关资源和技术、管理手段, 使得已有的关键数据、数据处理系统和业务在灾难发生之后, 在一定时间内可以恢复或者继续运营的过程。容灾备份防范的灾难包括自然灾害和无法预料的突发事件, 包括设备系统故障、人为破坏、网络攻击、地震、水灾、火灾、战争、恐怖袭击等。
完整的灾难备份系统应主要包含数据备份系统、备份数据处理系统、备份通信网络系统和完善的灾难恢复方案。容灾备份分为数据备份和应用备份。数据备份要求做到保证用户数据的可靠性、完整性和一致性。应用备份则能提供不间断的应用服务, 客户的服务请求能够不间断, 保证信息系统提供的服务是完整、可靠、一致的。数据容灾是容灾系统的基础, 应用容灾则是容灾系统的目标。
容灾系统根据容灾距离的不同, 可分成近距离容灾系统和远程容灾系统。根据存储距离的不同, 采取的具体手段也不同, 数据复制的实现技术方式分为同步数据复制和异步数据复制。对于远程容灾系统, 最关键的技术是远程数据复制技术。近距离容灾又叫同城存储, 采用同步数据复制的技术, 实现主用数据中心的实时镜像, 可以实现最少数据丢失, 但是时延成为同步存储的最关键技术指标。
1.2 基于SAN技术的容灾系统架构
目前, 存储技术主要有直连连接存储 (Direct Attached Storage, DAS) 、网络附加存储 (Network Attached Storage, NAS) 、存储局域网络 (Storage Area Network, SAN) 等。其中的SAN是一种基于“块”数据访问的存储方案, 以网络为中心的存储结构, 近年来非常流行, 在备份和容灾方面都可以体现其优势。基于SAN技术的容灾体系架构如图1所示。
容灾可以分成3个层次, 第1个层次是用本地容灾以集群技术以及相关热备份来保证本地软件和硬件的冗余;第2个层次为同城容灾, 可以选用光纤链路、多业务传送平台 (Multi-Service Transfer Platform, MSTP) 或波分复用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 链路作为高速数据通道, 提供大容量、高速接口, 满足快速的容灾、数据恢复以及应用迁移;第3个层次是基于广域网的远程容灾, 作为第1、2层次的补充, 通过异步方式将数据备份到远程数据备份中心。
1.3 容灾系统中数据互联技术
同城存储一般采用同步存储技术, 该技术实现了主用数据中心的实时镜像, 可以实现最少数据丢失, 但是对时延要求很高 (如Oracle数据库要求完成一次写I/O操作小于3 ms) ;距离一般限制在100 km以内;有高带宽需求;对生产端性能冲击大。异步存储技术不是实时镜像, 发生灾难时可能有数据丢失;对带宽要求相对低, 对距离限制不严格。
可见, 要实现损失最小化的同步存储, 需要选用低时延、大带宽的技术, 针对容灾系统中各中心互联的传输时延的研究有重要意义, 关系到容灾体系的总体性能指标, 以及数据业务的实时拷贝。
目前, 主用数据中心和备用数据中心之间的互联技术主要有2种方式:一种是光纤通道互联技术, 包括基于光纤直连、MSTP和WDM等技术;另一种方式是近期发展的IP互联技术, 包括基于TCP/IP的光纤信道 (Entire Fibre Channel Frame Over IP, FCIP) 、Internet光纤信道协议 (Internet Fibre Channel Protocol, i FCP) 、Internet小型计算机系统接口 (Internet Small Computer System Interface, i SCSI) 等。相比之下, 光纤通道互联技术能提供更小的时延和更大的带宽, 更符合同步存储的要求。光纤通道互联技术比较见表1所列。
同步存储的互联技术大多选用波分方式。相比之下, 传输同样数据量 (如100 Gbit/s) 的带宽, 波分占用的纤芯最少, 而且可扩展性最强, 后续的扩容成本最低;波分既满足了大带宽、支持较长距离, 又具有适中时延、可以提供小于50 ms的光层保护机制等优势。
2 基于SAN技术的容灾系统传输时延分析
同步容灾系统的总体时延, 根据4个阶段分为4个部分: (1) 本地存储接收本地主机的一个写I/O时延; (2) 本地存储传送到远程磁盘阵列Cache的时延; (3) 近端接收远程磁盘阵列确认时延; (4) 磁盘通知主机I/O完成时延。其中, 第 (2) 和第 (3) 阶段与容灾系统的传输时延关系最紧密, 也是本文研究的重点。传输时延又可以分成2部分:光纤传输时延和光设备器件的时延。
2.1 光纤传输时延分析
要研究光纤传输时延, 先分析光纤的结构及光信号在光纤中的传播模式。光纤分为芯层、包层、涂层和外套。当芯层的折射率n1>包层的折射率n2时, 光波以一定角度入射, 通过全反射的方式在芯层内部传播。光纤基本结构如图2所示。
物理光学认为光波实际上是一种高频电磁波, 光纤在光的传播过程中起到光波导的作用。
核心直径小于传播光波核心直径小于传播光波波长约10倍的光纤, 不能用几何光学理论分析, 必须改用麦克斯韦方程组分析, E矢量和H矢量按照麦克斯韦方程, 以及它们在芯纤和包层面处应满足的边界条件, 可得出在光纤中主要存在2种电磁场形态。第1种电磁场形态能量只沿轴线方向传播, 不会沿横向辐射, 称为传导模式, 这种形态的光沿光纤横载面呈驻波状, 且沿光纤轴线方向传播的行波;第2种电磁场形态是辐射模, 其能量在轴线方向传播, 沿横向方向也有辐射。而光信息在光纤中传输就是依靠光纤中的传导模式。光纤传输模式如图3所示。
光纤随着光纤芯径a的增加, 允许存在的传导模式的数量也会增多。纤芯中存在多个传导模式的光纤称为多模光纤。光纤芯直径很小时, 光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过, 即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤就称为单模光纤。定义满足下式的为单模光纤的截止波长 (λc) :
当传输光波长大于λc时, 便满足在这种光纤中单模传输的条件。其中, 光纤相对折射率Δ可近似表示为:
目前光纤通信系统常用的多模光纤纤芯直径为50~80μm, 包层的外径为125μm。单模光纤的芯径为8~10μm, 包层外径也为125μm。在纤芯范围内折射率不随径向坐标ρ变化, 即纤芯折射率n1=常数的光纤, 称为阶跃型光纤;纤芯中心折射率最大为n1, 沿径向坐标ρ向外围逐渐变小, 直到包层变为n2, 这种光纤称为渐变型光纤。
根据理论分析, 单模光纤中光速的表达式可近似为:
其中, C是光波在自由空间中的传播速度。
不同的光缆段可能是不同厂家、不同批次生产的光纤, n1是不同的, 因此, 假设有m段光纤, 每段光纤的折射率分别为n11, n12, …, n1m, 每段光纤的长度假设分别为L11, L12, …, L1m, 那么在全部光缆中光纤传输总时延可以表示为:
2.2 光设备传输时延分析
WDM单向架构示意如图4所示。
光设备主要由2部分组成:光纤交换机和波分设备。光纤交换机实现光信号的快速转发, 因此时延很小, 属于μs级别。
一般WDM系统主要由波长转换器、合分波器、光交叉、光放和色散等光器件组成。其中, 波长转换器将多路或者单路GE、10GE、2G-FC、4G-FC或者8G-FC等信号合成一个波, 封装成波分或OTN信号, 实现了从光—电—光的转换, 波长转换器为了提高信噪比, 采用不同的前向纠错编解码算法, 大概需要20~50μs的时延, 与光电转换的效率有关, 也与封装的协议以及采用的前向纠错编算法有关。该器件也是光设备器件时延影响最大的一部分。
波分设备中, 合分波器、光交叉, 光放和色散等纯光器件, 无需光电光转换, 对时延影响较小, 也是μs级别。
2.3 基于SAN技术的容灾系统综合时延
基于SAN技术的容灾系统从本地存储设备到对侧存储设备的传输时延综合模型的计算公式可以表示为:
因此, 在波分系统中单向传输的时延, 假设单模光纤G.652在1 310 nm的折射率为1.467 7, 在1 550 nm的折射率为1.482, 选用1 550 nm波长进行传输, 且经过光缆段的折射率相同, 则40 km长度光纤的传输时延为:
50 k m长度光纤的传输时延为:
以思科的GE转OTU2的15454-AR-MXP波长转换板卡为例, 选用标准的前向纠错算法, 一般时延为30~35μs, 按照35μs计算, 其余光器件和光纤交换机的总体时延估算为10μs。因此, 40 km长度的传输距离总的传输时延约为:
50 km的传输距离总的传输时延约为:
因此, 完成一个来回需要的时延就是单向时延的2倍。
2.4 搭建实验平台验证模型
基于波分网络的时延测试示意如图5所示。
为了验证估算的准确性, 选用思科的15454的DWDM设备和15454-AR-MXP的10 G的OTU2板卡搭建测试平台, 分别开通约40 km和50 km距离的10 G波, 选用思博轮的Smart Bits流量发生仪作为测试仪器, 模拟产生不同帧长的数据流量, 每组测试时间持续15 min, 获得以下测试结果 (见表2) 。
测试结果与预测结果基本一致, 验证建模是正确的。
3 结语
各容灾数据中心之间的互连技术是容灾系统的关键技术, 总体时延是关键技术指标之一, 尤其是采用同步容灾技术的系统。容灾系统的总体时延还与应用系统有关, 包括数据包大小、帧的长短、读写I/O的器件性能等多方面因素。
通过研究发现, 影响基于SAN技术的波分容灾系统是多方面的, 既与光纤通道的光学参数有关, 又与光传输设备的器件性能有关, 其中以光纤通道时延和光电光的波长转换器件为主要影响因素。所以, 在规划和构建容灾系统中, 设备选型应是着重考虑的一个因素。本文确立的模型已在浙江省电力公司内部的容灾系统规划和建设中应用并得到验证。
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