基於USB3.0技術局域網架構的研究與應用
信息化研究
作者：張昕 李波 易山韜
1977年，第一個民用局域網ARCnet投入運行，其實用性和易用性極大地方便了用戶的各種應用，自此之後，局域網獲得了巨大的發展，目前已經成為數據傳輸與共享的一種重要的網絡連接方式。進入21世紀，計算機網絡技術與應用的發展更加迅速，個人計算也更加普遍地被應用，越來越多的企業、個人越發注重通過構建局域網來提高工作效率和個人生活品質，局域網與我們的工作生活也越來越緊密。與此同時，局域網的大量應用，也使更多的用戶對局域網的傳輸速率提出了更高的要求，盡管目前廣泛應用的以太網的傳輸速率已經達到千兆，但是，仍舊不能滿足一些用戶的需求，提高局域網數據傳輸速率已經成用戶的迫切需求。
基於以上的情況，並得益於USB3.0技術的發展成熟，我們提出一種全新的利用USB3.0有源光纖進行數據傳輸的局域網架構，在這種局域網架構下，數據以USB3.0格式進行傳輸，速率獲得極大提升，可以達到5Gbps。
傳統局域網的現狀與不足
所謂局域網，在功能性上，是指在某一封閉區域內將多台計算機及外部設備通過傳輸介質互聯組成的群組，在軟件支持下，可以實現文件管理、軟硬件共享、相互通訊等功能。局域網可以通過數據通信網或專用數據電路，與遠方的局域網、數據庫或處理中心相連接，構成一個較大範圍的信息處理係統。
根據局域網傳輸介質的不同，局域網又可以分為無線局域網和有線局域網。無線局域網，利用射頻技術依靠無線電波進行數據傳輸，雖然具有更好的靈活性、移動性，但是在數據穩定性及數據傳輸速率等方麵遜於傳統的有線局域網；傳統的有線局域網通常使用銅纜作為傳輸介質，其優點是信號傳輸穩定，傳輸質量高，信號不易受到外界幹擾，在數據傳輸速率上，目前能夠得到普遍應用的最大速率網絡一般為百兆網，雖然優於無線局域網的數據傳輸速率，但是仍舊成為製約其快速發展的因素。
基於USB3.0技術的局域網架構
得益於USB3.0技術的成熟，我們構建一種新的局域網架構，充分利用USB3.0數據理論傳輸速率可以達到5Gbps的優點，在進行數據傳輸時，將數據轉換為USB3.0數據格式，並通過光網絡進行數據傳輸，即使用有源光纖傳輸USB3.0格式的數據，這樣可以有效地提高數據的實際傳輸速率；同時，通過在局域網架構中的終端中使用數據協議轉換，可以將音視頻數據及USB2.0/1.1/1.0數據格式轉換為USB3.0數據格式進行傳輸，這樣可以使新的局域網完全兼容非USB3.0外部設備。
通過上述理論，我們構建了如圖1的基於USB3.0有源光纖的局域網架構。這種局域網可分為主機及協議轉換、傳輸介質和終端應用三個部分。
1. 主機及協議轉換
此部分由主機及PCIE擴展卡組成。主機主要是處理、存儲並使用戶共享局域網係統中的資源與數據，並在主機端提供對外通信接口，以便於與其它局域網或數據庫的連接。
PCIE 擴展卡可以實現PCIE與USB3.0的協議轉換，一方麵使主機端的數據轉換為USB3.0格式傳輸到終端，另一方麵使來自終端的USB3.0數據轉換為PCIE信號便於主機進行數據處理及存儲。 USB3.0是成熟的USB規範，其理論最大數據傳輸速率可以達到5Gbps，實際最大數據傳輸速率大約可以達到3.2Gbps，目前USB3.0已經普遍應用到各種電子設備上。PCIE是新一代的總線接口，其采用串行方式傳輸數據，主要優勢就是數據傳輸速率高，目前最高的16X 2.0版本可以達到10GB/s，完全可以滿足USB3.0對數據傳輸速率的要求，從而在進行數據轉換時不會降低數據速率；另外，PCIE支持熱插拔，並且PCIE已經在主機上普遍應用，這樣在主機端就為實現局域網數據的高速奠定了堅實的基礎，能夠有效提高整個架構的兼容性。
2. 傳輸介質
數據高速傳輸是USB3.0局域網架構的核心要求，在實現方案中采用USB3.0有源光纖替代銅線作為傳輸介質傳輸USB3.0數據，如圖2所示，主機端及終端數據全部轉換為USB3.0數據格式，並在USB3.0有源光纖模組中進行光電轉換後通過多模光纖傳輸。
USB3.0有源光纖主要由兩部分組成，一是高速光電模組，實現電信號與光信號的轉換並具有微型化的特點，此部分也是研究的重點內容；二是高速多模光纖，用於傳輸光信號。
如圖3所示，高速光電模組的核心技術是符合USB 3.0規範的5Gbps高速光電轉換芯片和模組的微型化設計，並集成USB3.0接口以實現與主機及終端間的USB3.0數據通信。
高速光電模組中的光電轉換芯片包括符合USB 3.0電氣規範的高速電收發器、麵射型激光（VCSEL）驅動器、集成互阻放大器（TIA）的高靈敏度光-電轉換器，並且為了提高係統兼容性運用了端接電阻控製技術以及低功耗技術。另外，在產品的微型化設計方麵利用光電轉換芯片、麵型激光器（VCSEL）以及光電二極管（PD）的集成綁定（Bonding）技術，一體化的光學透鏡耦合（光學Lens）技術，極大地控製了電路的麵積，縮小了光學器件的體積，為在局域網中的應用提供了極大便利。