光纤通信和家用万兆网络布线知识总结

本文图片来自网络,已经尽可能注明来源。如果遗漏或错误,请指正。

光纤

光纤是使用全反射原理制成的可以传播光线的纤维,常用于通信。相比电线有成本低、稳定性好、容量大、传输距离远、抗干扰、保密性好等优势。

光导纤维 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

单模、多模光纤

多模光纤纤维比较粗,可以传输多种模式的光,传输距离较短,光纤本身稍贵一点。收发光信号的模块使用LED作为光源,成本低,发热小。多模常用850nm波长的光。

单模光纤纤维更细,传输距离远,带宽高,光纤本身更便宜。光模块用激光作为光源,成本高(可以选择二手模块降低成本),发热大。单模常用1270-1550nm波长的光。

家用室内距离较短,单模多模都可以用。


单模:橙黄色

多模:橘黄色(OM1, OM2), 水蓝色(OM3, OM4), 紫色(OM4), 绿色(OM5). OM1-OM5传输质量和距离不一样。

单模光纤和多模光纤的区别 详解两者的优缺点-深圳市腾飞腾达科技有限公司 (ecomcabling.com)
家用光纤应该用多少芯的?单模还是多模? - V2EX
为什么光猫用一根单模光纤可以同时收发数据,光纤收发器却要用两根?-智能化弱电圈的回答-头条问答 (toutiao.com)
单模光纤与多模光纤的区别? - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 2 - 如何选择光纤和光模块 - 知乎 (zhihu.com)

光缆,皮线,铠装

多跟光纤封装起来就成为光缆,或者叫皮线光缆,可以增加强度避免拉升弯折断掉。

对于1/2/4芯的光缆,常做成下面的样式(蝶形光缆、8字光缆线),用金属丝加固。电信入户光纤常常就是这样的。

三根钢丝的是室外光缆,两根钢丝的是室内光缆。

对于更多光纤的光缆,常做成下图的样式,用非金属丝加固。

还有铠装光纤,在光纤外有金属材质的“铠甲”,能避免被老鼠咬等。这种比较难切割,一般是带有连接头的成品线使用,自己安装接头比较困难。

皮线光缆的特点是什么 - 知乎 (zhihu.com)
你不可不知的铠装光缆常识 - 知乎 (zhihu.com)

光纤通断检测,红光笔,光功率计

光纤弯折过度可能会导致断裂。使用红光笔可以观察到光纤断裂,光从断裂的位置出来了。

红光笔

光功率计可以检测光纤发出的光

如何在家庭布设万兆局域网? - 知乎 (zhihu.com)

光纤接口

电线的接口通过直接接触传递电流实现连接。而光纤接口则是让很细的光纤之间对准,从而使得光可以从一根光纤传导到另一根光纤。

家用最常见的是SC和LC接口。

  • SC:一般电信入户连接光猫用的光纤用的就是SC接口,也叫大方口。
  • LC:也叫小方口,比SC更小,常用在SFP光模块上。

带您认识常见的光纤接口 - 知乎 (zhihu.com)

冷接、热熔、冷接子、米勒钳、光纤切割刀、热熔机

两根光纤要连接到一起有冷接和热熔两种办法。

  • 冷接方式,在光纤一端连接光纤插头(也叫冷接子),然后通过光纤插头可以连接两根光纤。冷接方式不需要复杂的工具,但是连接处损耗比较大,工具成本低但是冷接子本身有一定成本(一个SC冷接子几块钱)。适合少量连接的情况,以及需要插拔的场景。
  • 热熔方式,加热熔接使两根光纤直接连接到一起。连接处损耗比冷接小,且在需要大量对接的情况下成本低。但是热熔机本身成本高,操作相对复杂。

冷接和热熔具体步骤:

  1. 使用米勒钳给光纤剥皮。
  2. 用99%以上的酒精清洁表面。
  3. 用光纤切割刀将光纤端面切割平整。
  4. 冷接:安装到冷接子上。热熔:使用热熔机将两根端面处理好的光纤连接。

这里面比较重要的一步是光纤切割刀切割。如果想让切口很平整,就需要比较好但也比较贵的切割刀。

  • 冷接如果使用直通式SC光纤冷接子,切割的光纤直接露出接头,则对切割的要求非常高,如果切的不好可能损耗非常大,导致信号很弱。
  • 冷接如果使用预埋式SC光纤冷接子,切口即使不太平整也能用,因为冷接子里带有匹配液,可以填充在不平整的切口缝隙里。
  • 热熔时则要求切口足够平整。

徒手接光纤现实吗? - 知乎 (zhihu.com)

冷接子

冷接操作步骤

用于光纤剥线的米勒钳:

用于将端面切割平整的光纤切割刀:


端面处理前:

端面处理后:

热熔机

光纤耦合器/光纤适配器/光纤法兰盘

用于对接两个光纤插头,例如两根光纤都是SC插头,则可以用一个SC-SC法兰盘对接。

一个很常见且直观的使用场景就是在墙壁面板上,墙壁里的光纤要和面板外面可插拔的光纤对接。

尾纤、跳线

一端已经有接头的是光纤尾纤,两端都有接头的是光纤跳线。

全面解析光纤跳线与尾纤的区别及使用注意事项 - 知乎 (zhihu.com)

光通信设备(光纤收发器/光电转换器、SFP光模块,视频光端机)

光纤本身只能收发光信号,通信需要用光通信设备。光纤并不是专门用来做网络的,只要两端有合适的设备,可以传输网络、电话、电视、HDMI、KVM等信号,并且比电线传输距离远、抗干扰、保密。

光纤收发器/光电转换器:RJ45网口转光纤接口(常用SC接口)

SFP光模块,常用于交换机、万兆网卡:SFP/SFP+接口转光纤接口(常用LC接口)

视频光端机:模拟视频信号转光纤接口(常用FC接口)

带您认识常见的光纤接口 - 知乎 (zhihu.com)

单工、半双工、全双工、BiDi、PON

在使用一种波长的光时,一根光纤同一时刻只能往一个方向传递光信号。

有线电视这种场景,只需要单方向传递数据,可以用单工模式通过一根光纤传输。

网络这种需要双向通信的场景,有几种方式:

  • 用单芯光纤(也就是一根光纤),双方轮流收发消息,半双工模式。
  • 用双芯光纤,一根收一根发,全双工通信,SFP+光模块常用这种方式。
  • 在单模单芯光纤中使用BiDi(BiDirectional)双向收发技术。两个方向使用不同波长的光互不干扰(即波分复用技术WDM),在一根光纤里实现全双工。例如电信入户光纤使用PON技术,下行1490nm/上行1310nm波长。单模单芯光模块也是使用这种传输方式。

PON技术_百度百科 (baidu.com)
Bidirectional (BiDi) WDM Transceivers | FS Community
家用光纤应该用多少芯的?单模还是多模? - V2EX

WDM、DWDM

WDM = Wavelength Division Multiplexing 光波复用
DWDM = Dense Wavelength Division Multiplexing 密集型光波复用

DWDM使用1528.38~1563.86nm波长的光,在一根光纤里传输很多个光信号,节省光纤资源。但是目前DWDM光模块成本较高,还在发展初期。

DWDM光模块与普通光模块的区别以及发展前景解析 | 飞速(FS)资讯
什么是DWDM可调光模块?与标准DWDM光模块有何区别? | 飞速(FS)资讯

SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28

SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28是通过电信号传输数据的接口。

  • SFP最大速率4.25 Gbps。
  • SFP+最大速率16Gbps。万兆交换机和网卡常用SFP+接口。
  • 剩下的几个速率更高,常用于数据中心,不展开了,详见下面的链接。

SFP、SFP+、SFP28、QSFP+和QSFP28光模块之间的区别解析 | 飞速(FS)资讯
SFP与SFP+光模块相关参数和区别在哪里? - 知乎 (zhihu.com)

万兆交换机,万兆网卡

万兆交换机和网卡上常用SFP+接口,也有一些用万兆RJ45电口,以及SFP+/RJ45复合接口。电口价格会贵一些,且未来没法再扩展了。

威联通QSW-308-1C入门万兆交换机,有8个千兆电口,2个万兆SFP+光口,1个万兆SFP+/RJ45复合端口。

QSW-308-1C | 高性价比入门款 10GbE 交换器,支持五速 10GbE 及 1GbE 以太网络 | QNAP

MikroTik CRS305-1G-4S五口万兆交换机,1个千兆RJ45管理端口,4个SFP+万兆端口。

台式机用万兆网卡(X520芯片),PCI-E接口转SFP+接口。

Mac用雷电3万兆网卡,雷电3接口转SFP+接口。

威联通QNA-UC5G1T,USB3.0转RJ45电口(0.5万兆)。

QNA-UC5G1T | 透过 USB 3.2 Gen 1 接口转换 5GbE 高速以太网络 | QNAP

SFP+光模块

SFP+光模块,把SFP+接口转成LC光纤接口。

光模块的光口通常有多模双纤、单模双纤、单模单纤。多模单纤光模块在网上没搜到,因为多模用850nm波长的光,不能复用一根光纤实现全双工(但是找到了多模单纤收发器,不知道什么原理)。

下面这种模块,使用的是单模双纤LC口,也就是两个并列的单模LC接口,连接两根光纤,使用1310nm波长的光传输数据。

光纤连接两个SFP+光模块时,需要保证接口、单芯多芯、单模多模、波长都要匹配,且距离不超过标注的最大距离。另外还要注意,SFP+模块和交换机、网卡存在兼容性问题,购买时需要确认清楚。

【博扬BY-10GS120】博扬 BY-10GS120 SFP+光模块万兆10G单模双纤光纤模块(1310nm,20km,LC)适配华为交换机【行情 报价 价格 评测】-京东 (jd.com)

SFP+电口模块

SFP+电口模块,把SFP+接口转成RJ45电口。

万兆电口模块相比光口模块,价格更贵且传输距离有限。

netLINK 光模块 sfp光模块 光口转电口模块 HTB- 10G-T 万兆电口模块 RJ45 30米 适用华为 一只【图片 价格 品牌 报价】-京东 (jd.com)

AOC有源光缆、DAC高速线缆

在连接两个SFP+接口的交换机/网卡时有多种方案:

  • 各自使用一个SFP+的光模块,中间用光纤连接,可以用于长距离的传输,包括室内多个房间之间的传输。
  • 各自用一个SFP+电口模块,中间用网线连接。这种在成本和传输性能上都没有太大优势,可以用于室内已经提前铺好网线且没有光纤的情况。
  • 使用AOC有源光缆。和使用光模块的原理类似,使用光纤通信,适用于距离比较短的情况。但是由于是成品线,不需要自己安装,另外功耗也会更低,因为光模块是为了满足长距离传输功耗较大,而AOC已经提前确定了长度。
  • 使用DAC高速线缆。两头都是SFP+端口,直接使用电信号,中间省略了光电转换的步骤,大大节约了成本,不过距离也会受限。

一文看懂AOC有源光缆与DAC高速线缆的差异-易天光通信 (etulink.com)
40G QSFP+ DAC 与 40G QSFP+ AOC有何区别 | 飞速(FS)资讯

万兆交换机、网卡使用SFP+接口,而不直接用光纤接口的原因:

  • SFP+光模块的寿命有限,做成独立模块方便维修更换。
  • 交换机不同端口连接的设备情况可能完全不一样。有些是近距离连接其他SFP+端口,可以直接用SFP+光缆/电缆;有些距离很远,需要用SFP+光模块和光纤;还有些要连接传统电口设备,可以用SFP+电口模块。

86暗盒、86面板

墙上的插座、开关常用86暗盒+86面板(边长86毫米)。比较美观的装修,线都是埋在墙里面的管道里,接线处有暗盒在墙里面,墙面只有面板。

弱电用的面板和模块要搭配使用,模块包括RJ45模块,光纤模块,有线模块等。

暗盒+面板+连接线示意图(图片来自京东

一个光口+一个电口

四个电口

开关插座面板基础一文读懂,再也不怕被人忽悠了。 - 知乎 (zhihu.com)
2020年再谈家庭网络布线(入户光纤延长,预埋光纤及其他) - 知乎 (zhihu.com)

注意这里有个问题,SC冷接子的长度通常在60mm,短款有50、55mm的,但是预埋的暗盒深度可能只有50mm或者60mm,加上法兰盘的高度,冷接子没办法垂直放在里面。

如果前期已经有了解,可以埋深度更大的暗盒。

或者可以用下面这种倾斜朝下的光纤面板,同时还有防尘效果,但是不太美观。

86型SC光纤面板信息盒双口入户盒LC光纤信息桌面盒FTTH入户盒四联-淘宝网 (taobao.com)

还可以用这种朝侧面的面板,同样不是很美观,面板会高出墙壁。

86型SC光纤面板信息盒双口墙壁挂墙光缆入户盒LC光纤信息桌面盒FTTH光纤通信工程跳线入户盒含法兰适配器尾纤-tmall.com天猫

穿线器

装修时会在弱电箱和每个房间的面板之间埋管道。对于管道里还没有线,或者已经预埋网线/有线但是需要更换的情况,可以借助穿线器把线穿进去。

家用室内预埋网线

在家用场景下预埋网线/光纤,考虑到当前成本和未来扩展性,可以预埋六类/超六类网线。

对于小户型,超五类已经足够跑万兆网(30m距离),但六类、超六类的稳定性更好,且线径较粗,对于需要使用POE的场景效果更好。并且这几种线的价格差距不大。

七类及以上的网线可以不考虑了,不仅成本高了不少,穿线麻烦了(线径更粗,需要做屏蔽),且稳定性远不如光纤,可以到时需要了再换光纤。

家里装修网线有必要用超六或者七类线吗? - 知乎 (zhihu.com)

隐形光纤

对于家里没有预埋管道或者无法在管道中埋网线的情况(管道太细、网线被拉断、管道中有石子水泥等障碍物),直接明线拉网线又觉得太丑,可以使用隐形光纤绕着墙角或屋顶拉线,不注意看不出来。

MPO光口

一些高速光模块(40G/100G等)中使用MPO光纤接口。MPO光口使用8/12/24芯光缆传输数据。MPO可以转换成独立的8/12/24路LC口。

MPO转接模块,将MPO接口转为LC接口。

永定mpo光纤跳线Mpo-lc 8芯12芯集束OM3/OM4万兆多模光纤线MTP光模块40G/100G数据中心跳线尾纤光缆电信级-tmall.com天猫
山泽MPO模块盒预端光纤配线架盒子转LC12芯/LC24芯万兆多模OM3/OM4高密度转换盒-tmall.com天猫

家用室内预埋光纤的坑总结

学习了很久,总结来说,家用室内预埋光纤这种需求是很小众的(最常见的需求就是NAS和电脑之间的万兆网),真正为这种需求认真设计的产品不多。一些产品虽然解决了某些问题,但都不是知名品牌,品质也不好保证。

最后还是打算放弃埋光纤了。我自己的情况是要把有线换成网线,家里的预埋的管道比较粗,换线似乎也不难。暂时不埋光纤,等以后技术成熟了,更普及了,有必要用光纤了,再换一次也不迟。

单模 or 多模?

  • 单模光模块价格比较高,全新的可能得几百,二手的便宜但是兼容性不保证,售后也不会很全,有可能买回来不能用又不让退。
  • 单模光模块发热很大,如果散热没做好温度会很高,一方面容易把人烫伤,另一方面温度过高稳定性和速率就会下降。
  • 单模光模块功耗比较高,费电。
  • 多模必须用两根光纤传输数据,最常见的SC插座都是单个的,需要同时插2个,对强迫症不友好。
  • 多模的设备相对单模设备还是少一些。

面板使用SC还是LC插座?

  • SC插座都是单个的,对于双芯通信,需要同时插2个插座,对强迫症不友好。
  • LC插座有双芯的。但是LC插座在暗盒里通常也需要LC的线,LC冷接子不好买,最好是买LC尾纤然后热熔连接,这就需要比较复杂的设备了,想自己装比较难。
  • SC和LC插头都比较长,常规暗盒的深度放不下,前文已经说过了,市面现有的解决办法都不怎么美观。

只埋光纤还是同时埋网线?

  • 如果只埋光纤,对于需要使用电口的设备,还得有额外的转换装置,比较麻烦且成本高,单模还要考虑散热。
  • 如果同时埋网线,市面上很难找到合适的面板,同时有网口和光口,且能解决插头过长暗盒放不下的问题。

埋几芯的光纤?

  • 网上有人推荐埋12芯光缆,这样可以兼容40/100G光模块常用的MPO接口。但是这样的光缆比较粗,如果同时还要埋网线,难度比较大。另外86暗盒能不能装下MPO这种接口也是个问题。
  • 只埋2芯或者4芯的光缆,这样目前来看主要也就是解决了万兆网的场景。如果万兆设备不多,直接用万兆电口和超六类网线也可以实现,算下来成本也不会高很多,而采用光纤方案会有很多麻烦的问题要解决。

建议:如果是装修阶段,建议管道尽可能埋粗一点的,拐弯处要有弧度,方便以后换线。暗盒可以多预留几个空白的,暗盒的尺寸也尽量大一点,说不定以后能用上。只要管道和暗盒预留充分了,以后随便换什么线,也没必要担心现在埋的线会不会不够用了。如果考虑的过于长远,一方面很难预测未来技术怎么发展,另一方面到时房子还在不在住都不好说。

参考 家装水电如何走线 - 知乎 (zhihu.com)

其他参考资料

家用万兆网络指南 1 - 不如先来个最简单的100G网络 - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 2 - 如何选择光纤和光模块 - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 3 - 超静音MikroTik解决方案 - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 4 - 超便宜的24口万兆交换机,台达-7024 - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 5 - 布线和拓扑 - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 6 - 比网线还便宜的双口万兆网卡. 如何给Mellanox网卡刷固件或备份固件 - 知乎 (zhihu.com)
家用万兆网络指南 7 - 功耗9瓦万兆交换机? - 知乎 (zhihu.com)