业内主流的全光技术方案盘点-上篇

导读：

全光网络普遍被认为包含以太全光和PON两大类，本章着重介绍PON网络涉及的ONU、OLT、ODN及PON网络冗余技术，以及不同规模下如何进行全光网络组网。

全光网络是近些年大热的话题，上期我们分享了在客户应用驱动和技术发展的双重作用下，全光网络无可避免地成为下一代园区网络的未来。
目前业界主流看法认为，全光网络一般使用单模光纤为介质，使用以太交换设备或PON设备组网，允许设备节点存在一定的光电转换，因此全光网络包括以太全光和PON（Passive Optical Network，无源光网络）两大类。

那么全光网络中使用到哪些关键技术？在不同的场景下的应用方案是怎样的呢？
今天就为大家做个系统性的介绍。

首先介绍PON网络。让我们看一下PON网络的结构示意图。

								图1  PON网络结构示意图

图1中可见，从OLT到ONU的部分全部为光传输，分光器物理分光，不存在光电转换，也不需要电源供电，是完全的无源光网络。
PON网络涉及以下三个最重要的全光技术：

1. PON网络的数据收发。PON网络中最关键的通信网元称为OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）和ONU（Optical Network Unit，光网络单元）。

2. ODN网络（Optical Distribution Network，光分配网络），其作用是为OLT和ONU之间提供光传输通道。

3. PON网络冗余保护技术，提供设备冗余和链路冗余来保障高可靠性。

下面针对PON网络的数据收发、ODN网络和PON网络冗余保护技术进行详细介绍：

一、PON网络的数据收发

OLT与ONU作为PON网络边界，承担数据转换为光信号进行发送，并接收光信号转换为数据进一步传输的任务。目前OLT和ONU存在两种主流标准协议：EPON和GPON。

• EPON：由IEEE 802.3ah-2004定义，全称Ethernet Passive Optical Network，意为以太网无源光网络，用于在无源光网络中传输802.3以太帧，与以太网具有较好的兼容性。IEEE802.3av定义了10G
  EPON（简称XEPON），将速率提高到10G。
• GPON：由ITU-T G.984.x系列标准定义，全称Gigabit-Capable Passive Optical Network，意为千兆无源光网络，需要将以太帧转换为GEM帧传输。ITU-T G.987.x系列标准定义了非对称10G GPON（简称XG-PON），将下行速率提高到10G，上行速率提高到2.5G。ITU-T G.9807.1定义了对称10G GPON（简称XGS-PON），将上下行速率均提高到10G。

虽然EPON和GPON采用不同的封装和处理技术，但在OLT和ONU之间进行光收发的机制类似。
首先将ONU注册到OLT，由OLT为ONU分配唯一的ID，然后OLT为每个ONU下发不同的配置，最后将数据按照对应协议处理，转化为光信号发送和接收。
OLT发送给ONU的数据，称为“下行”数据，传播方式为P2MP，即点到多点。

图2 OLT数据下行广播方式示意图（说明：POS为分光器简称）

由图2可见，OLT将发送给ONU的数据标记ONU的ID后合并一路发送，在分光器根据分光比分成相同的多份发送给ONU，而ONU仅处理标记自己ID的数据，丢弃不属于自己的数据。
反过来，ONU发送给OLT的数据，称为“上行”数据，采用时分复用的方式实现多对一。每个ONU的发送时隙均由OLT统一分配，每个ONU只能在属于自己的时隙发送数据。时隙的分配原则可以根据不同业务需求配置，最简单的方式是平均分配，也可以根据ONU上连接的业务优先级实现高优先级业务的质量保障。

图3 OLT数据上行时分复用方式示意图

由图3所示，每个ONU将从用户收到的数据先缓存，在属于自己的时隙（slot x）再全速发送。上行数据在分光器合并为一路发送到OLT，OLT根据分配的时隙解析出不同ONU的数据。图3中ONU1和ONU2分配的时隙较长，ONU3分配的时隙较少，并且在一个发送周期中ONU1是最靠前的时隙，则ONU1的数据总是最优先发送，而ONU3仅能满足少量上行数据的发送。
从OLT和ONU的数据传输方式可以看出，这种方式非常适合需要高速下载的场景，而以高速上传为主的场景，使用PON网络的优势就不明显了。

二、ODN网络

ODN网络的特征是：无源，物理分光，不对光携带的信息做任何改变。
ODN网络主要由光纤和分光器（也称为POS）组成，采用树形结构分光，可以根据部署的需要采用一级分光或多级分光。一般不会超过二级分光。

图4 分光器示意图

常见的分光器采用等比分光，使用分光比M：N来表示分光结果。
比如分光比为1:2，表示将1路光平均分为2路。如果不考虑各种损耗，1:2分光后每路光的光功率为分光前的1/2。
M取值为1或2。在启用光链路冗余保护时，M可能会使用2，需要使用特定的分光器。
N取值为2的多次方，比如2、4、8、16、32等。1G EPON和GPON中，N最大值为64。考虑光衰等因素，也为了保障ONU上接入速率满足用户需求，一般实际使用中不会超过32。
10G EPON和10G GPON中，N最大值可达到128。

三、PON网络冗余保护技术

网络的高可靠性一般体现在设备和链路的冗余保护。设备的冗余保护有IRF堆叠技术、DRNI、VRRP等技术，均是将两台设备虚拟为一台，对于下联的接入设备，认为只需要与一台设备进行数据传输。
在PON网络中，为了应对OLT和ONU之间的单点故障风险，标准定义了四种PON冗余方式：type A/B/C/D，就保护程度来说，D>C>B>A。

图5 PON网络冗余保护技术示意图

目前Type C和Type D要求ONU双PON口上行，成本高一些，同时Type D比Type C多使用一倍的MAC资源，而Type A保护程度不够强，所以业界目前主要使用的是Type B和Type C，其中Type B使用最为广泛，Type C仅在需要高等级保障时使用，如医疗场景中的远程手术。
Type B保护有两种方式：
1、 单归属方式
单台OLT两个下行PON口形成一组主备关系，构成Type B保护。当其中一个端口或链路故障时，自动启用另外一个冗余口继续工作。这种方式不能对设备故障进行保护。

图6 OLT Type B单归属方式保护示意图

2、 双归属方式
两台OLT形成一个虚拟设备组，每台OLT有一个下行PON口一起形成一组主备关系，构成Type B保护。这种方式可以实现设备级和链路级的故障保护。

图7 OLT Type B双归属方式保护示意图

经过上述全光技术介绍，相信大家已经对于PON网络如何运行有了一定了解，如何将以上技术真正体现在网络中呢？还需要通过对应的全光产品和组网方案才能实现。
首先介绍一下PON网络中主要的网络产品：
 OLT：存在两种产品形态：独立OLT设备或交换机上的OLT插卡。插卡方式可以复用已有交换机机框，非常适合旧网平滑升级场景，也可以兼容已有的设备级可靠性，并提供PON链路级冗余保护。同时，插卡方式也确保可以在同一机框承载以太、EPON、XEPON、GPON、XG(S)PON；

• ONU：主要有三种产品形态：ONU交换机、ONU AP以及ONU Stick。
• ONU交换机上联分光器，下行口包括多个以太接口（如图8-a），可能还有电话接口和电视接口等，部分支持标准POE的ONU可以为其下联AP供电（如图8-b）。
  • ONU AP是可以直接连接分光器的AP（如图8-c），主要提供Wi-Fi接入，还可以有少量以太口接入，但ONU AP需要本地供电，可以多个AP在本机集中供电。ONU AP有两大类，一类是瘦AP，由无线AC集中管理，另一类是无线家庭网关AP，类似一个胖AP，不能被无线AC管理，支持网关、NAT等功能，也可提供少量以太口接入。
  • ONU Stick是一种光模块ONU（如图8-d），插入以太交换机或AP的光口，上联分光器，可以使以太网设备无需适配即可接入PON网络。

图8 ONU连接示意图

ONU根据上下行速率不同，存在对称和非对称两种模式的产品，可以为多种不同场景提供合适的产品。

为了实现光纤入室，多数ONU采用无风扇自然散热的方式，使ONU可以入室部署。

• 分光器：属于无源设备，提供M:N物理分光。多数为等比分光。
  目前业界也有采用不等比分光的ODN组网，分光器需要定制，分光原理复杂，串联多级分光也增加了故障影响范围，所以不等比分光并不是主流方式。

有了全光产品，根据使用场景将全光产品部署到网络中形成全光网络。
在传统以太网中，一般会赋予网络设备三个层级：核心层、汇聚层和接入层。PON网络同理。

图9 大规模全光网络典型组网图

图10 小规模全光网络典型组网图

在大规模全光网络中，OLT设备往往位于汇聚交换机的位置，可以是单独的OLT设备，也可以是汇聚交换机上的OLT插卡（如图9）。如果是小规模全光组网，如图10所示，核心层与汇聚层合一，以OLT插卡方式部署于核心交换机上，一框即可搞定（了解一框融合，点此查看新华三智融全光园区解决方案）。无论是哪种类型，分光器可部署在楼栋或楼层的弱电间，ONU对应接入层，部署在楼道或入室，甚至桌面。由于分光器的无源和免运维，实现弱电间免运维，减少了运维难度和工作量，这也是全光网络一大优势。

希望看过本章，读者们可以对无源全光网络有一个全面的了解，如有问题欢迎在下方留言区与笔者互动。下一期，笔者将会介绍以太全光网络技术方案，敬请期待。