基于USB3.0技术局域网架构的研究与应用

1977年，第一个民用局域网ARCnet投入运行，其实用性和易用性极大地方便了用户的各种应用，自此之后，局域网获得了巨大的发展，目前已经成为数据传输与共享的一种重要的网络连接方式。进入21世纪，计算机网络技术与应用的发展更加迅速，个人计算也更加普遍地被应用，越来越多的企业、个人越发注重通过构建局域网来提高工作效率和个人生活品质，局域网与我们的工作生活也越来越紧密。与此同时，局域网的大量应用，也使更多的用户对局域网的传输速率提出了更高的要求，尽管目前广泛应用的以太网的传输速率已经达到千兆，但是，仍旧不能满足一些用户的需求，提高局域网数据传输速率已经成用户的迫切需求。

基于以上的情况，并得益于USB3.0技术的发展成熟，我们提出一种全新的利用USB3.0有源光纤进行数据传输的局域网架构，在这种局域网架构下，数据以USB3.0格式进行传输，速率获得极大提升，可以达到5Gbps。

传统局域网的现状与不足

所谓局域网，在功能性上，是指在某一封闭区域内将多台计算机及外部设备通过传输介质互联组成的群组，在软件支持下，可以实现文件管理、软硬件共享、相互通讯等功能。局域网可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或处理中心相连接，构成一个较大范围的信息处理系统。

根据局域网传输介质的不同，局域网又可以分为无线局域网和有线局域网。无线局域网，利用射频技术依靠无线电波进行数据传输，虽然具有更好的灵活性、移动性，但是在数据稳定性及数据传输速率等方面逊于传统的有线局域网；传统的有线局域网通常使用铜缆作为传输介质，其优点是信号传输稳定，传输质量高，信号不易受到外界干扰，在数据传输速率上，目前能够得到普遍应用的最大速率网络一般为百兆网，虽然优于无线局域网的数据传输速率，但是仍旧成为制约其快速发展的因素。

基于USB3.0技术的局域网架构

得益于USB3.0技术的成熟，我们构建一种新的局域网架构，充分利用USB3.0数据理论传输速率可以达到5Gbps的优点，在进行数据传输时，将数据转换为USB3.0数据格式，并通过光网络进行数据传输，即使用有源光纤传输USB3.0格式的数据，这样可以有效地提高数据的实际传输速率；同时，通过在局域网架构中的终端中使用数据协议转换，可以将音视频数据及USB2.0/1.1/1.0数据格式转换为USB3.0数据格式进行传输，这样可以使新的局域网完全兼容非USB3.0外部设备。

通过上述理论，我们构建了如图1的基于USB3.0有源光纤的局域网架构。这种局域网可分为主机及协议转换、传输介质和终端应用三个部分。

1. 主机及协议转换

此部分由主机及PCIE扩展卡组成。主机主要是处理、存储并使用户共享局域网系统中的资源与数据，并在主机端提供对外通信接口，以便于与其它局域网或数据库的连接。

PCIE 扩展卡可以实现PCIE与USB3.0的协议转换，一方面使主机端的数据转换为USB3.0格式传输到终端，另一方面使来自终端的USB3.0数据转换为PCIE信号便于主机进行数据处理及存储。 USB3.0是成熟的USB规范，其理论最大数据传输速率可以达到5Gbps，实际最大数据传输速率大约可以达到3.2Gbps，目前USB3.0已经普遍应用到各种电子设备上。PCIE是新一代的总线接口，其采用串行方式传输数据，主要优势就是数据传输速率高，目前最高的16X 2.0版本可以达到10GB/s，完全可以满足USB3.0对数据传输速率的要求，从而在进行数据转换时不会降低数据速率；另外，PCIE支持热插拔，并且PCIE已经在主机上普遍应用，这样在主机端就为实现局域网数据的高速奠定了坚实的基础，能够有效提高整个架构的兼容性。

2. 传输介质

数据高速传输是USB3.0局域网架构的核心要求，在实现方案中采用USB3.0有源光纤替代铜线作为传输介质传输USB3.0数据，如图2所示，主机端及终端数据全部转换为USB3.0数据格式，并在USB3.0有源光纤模组中进行光电转换后通过多模光纤传输。

USB3.0有源光纤主要由两部分组成，一是高速光电模组，实现电信号与光信号的转换并具有微型化的特点，此部分也是研究的重点内容；二是高速多模光纤，用于传输光信号。

如图3所示，高速光电模组的核心技术是符合USB 3.0规范的5Gbps高速光电转换芯片和模组的微型化设计，并集成USB3.0接口以实现与主机及终端间的USB3.0数据通信。

高速光电模组中的光电转换芯片包括符合USB 3.0电气规范的高速电收发器、面射型激光（VCSEL）驱动器、集成互阻放大器（TIA）的高灵敏度光-电转换器，并且为了提高系统兼容性运用了端接电阻控制技术以及低功耗技术。另外，在产品的微型化设计方面利用光电转换芯片、面型激光器（VCSEL）以及光电二极管（PD）的集成绑定（Bonding）技术，一体化的光学透镜耦合（光学Lens）技术，极大地控制了电路的面积，缩小了光学器件的体积，为在局域网中的应用提供了极大便利。

USB3.0有源光纤能够高速的传输数据，相较于普遍应用的百兆网络（最大理论传输速率为12.5MB/ s）具有巨大的优势，具体情况可以通过以下实验看出。实验中使用USB3.0有源光纤直连PC机及移动硬盘，从移动硬盘拷贝大容量文件，即使移动硬盘对数据传输速率有限制，从图中也可以看到数据稳定传输速率仍旧达到了93.4MB/s，是百兆网络的7倍以上。由此可以看出，USB3.0有源光纤进行数据传输优势明显。

3. 终端应用

在新的局域网架构中，USB3.0有源光纤提供USB3.0通道传输USB3.0信号，终端应用部分作为用户接入局域网的窗口，需要支持USB3.0有源光纤的数据格式。

我们知道，通常用户端使用的基本设备包括音频设备、视频设备及USB2.0/1.1/1.0设备等，虽然音视频信号可以转换为USB2.0信号，但是USB2.0的协议规范本身并不支持光传输，其数据编码特性也不满足光传输的要求，无法像USB3.0那样，通过光电转换实现在光纤上传输USB2.0数据，所以目前的USB3.0光电转换电路不能直接支持USB2.0数据进行光电转换。因此，为了能够兼容更多的用户设备，需要在终端部分首先进行USB2.0—USB3.0协议转换，将用户端的数据转换为USB3.0数据，以使这些数据能够在USB3.0有源光纤上进行传输。

基于上述的要求，在终端应用部分，构建了如下模型，这套模型主要涵盖三类设备：音频设备、视频设备及USB设备。实际应用中，音频、视频会首先通过协议转换转换为USB2.0数据，通过USB2.0 HUB后再经过USB2.0-USB3.0协议转换转为USB3.0数据，通过USB3.0有源光纤进行传输；而USB设备（包括USB3.0/2.0/1.1/1.0设备）中的数据可以直接通过USB2.0 HUB后进行USB2.0-USB3.0数据转换，之后进行传输。

全新局域网架构的应用

依托于USB3.0局域网架构，以USB3.0有源光纤及微云终端为基础，搭配主机（服务器或PC）、USB3.0集线器等硬件产品组成了一套微云系统，如图5。

在这套系统中，主机及协议转换部分主要由主机及PCIE扩展卡组成，其主要工作是完成系统数据的运算、存储及数据协议转换。

在传输介质部分，使用USB3.0有源光纤进行数据传输，其具有超细、抗弯、支持热插拔等特点，在大幅增加数据传输速率的同时，还能够极大的扩展数据传输距离，在不增加任何中继设备的情况下，传输距离可以达到一百米。

在终端应用部分，核心为微云终端，微云终端是一款用于虚拟化桌面环境的新型客户端设备，其内无处理器、无存储器、无操作系统、无终端程序，接口包括USB3.0上行接口（用于与主机进行数据传输）、VGA接口、Audio接口、及USB2.0下行接口（用于连接外设），在其内部还能够实现视频/音频信号与USB2.0信号的转换，并运用了USB2.0与USB3.0数据格式互转技术，可以将USB2.0数据与USB3.0数据进行互转，使终端数据可以以USB3.0格式通过有源光纤进行传输。

利用USB3.0技术局域网架构的微云系统，其数据传输速率相较于普通的百兆网络是否会有显著的提高，可以通过以下试验确定。在微云系统中，通过某一个微云终端连接外部的USB设备，将USB设备中的文件拷贝到主机端，观察数据传输速率。由下图可以发现，数据稳定的传输速率可以达到79.6MB/s，在微云系统中，因为从外部USB设备到主机端需要经过多个设备及协议转换，会对数据传输速率造成不利的影响，数据传输速率略低于主机与设备直连的情况，但是相比普通的百兆网络，仍具有巨大的优势。

结束语

通过对当前局域网的现状分析，可以发现数据传输速率已经成为局域网发展的瓶颈，影响了用户的使用感受及工作效率。

基于USB3.0技术的局域网，利用USB3.0技术传输数据，极大提高了数据的传输速率，开创了局域网应用的全新领域，提高了用户使用体验及工作效率，可以预见，这种全新的局域网架构必定能够得到广泛的应用。

推荐访问:局域网 架构 研究 技术 USB3