全光网络的对比、分析、探讨及应用分享

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背景介绍

1、园区网现状

由于上一代园区网建成迄今已近20年，原有桥架老化严重、线路混乱、故障频发、信息点不足等问题日益凸显，不仅使得网络工程师们疲于奔命，也严重制约了信息化发展，下一代园区网的建设迫在眉睫。

2、园区网设想

鉴于下一代园区网的重要作用，其应具有以下特点：结构简单、带宽高（可升级）、成本低廉、支持多业务、扩展性强、寿命长、运维方便。

图1 带宽与介质的对照关系

上图所示，采用铜缆建设园区网，在带宽升级时需要更换线缆，而采用光缆则不需要，在“光进铜退”的大趋势面前，下一代园区网最好建设为全光网络。

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全光网络介绍

1、全光网络实现方式

（1）点对点方式（图2中的①）： 从网络设备到用户终端之间采用点到点的光通信方式，该方式需要光纤资源多、光模块多，成本高，用户分布密集时，对走线空间要求高，布线工作量大。

（2）有源光网络方式（图2中的②）： 接入设备拉近到用户侧，但接入设备为有源设备，该方式较点到点网络所需要光纤资源少、工程部署难度低，但有源设备的部署涉及机房空间和供电问题且维护成本高。

（3）无源光网络方式（图2中的③）： 规避了方式二接入设备机房空间、供电及维护等问题，部署与维护综合成本最低。

图2 全光网络实现方式

2、拓扑对比

图3 网络拓扑示意图

如上图示，左一为传统以太网，中间为点到多点有源光网络，右一为点到多点无源光网络。通过对比三者可以发现，有源光网络是在传统以太网的基础上，通过光纤入室/到桌面，将接入交换机尽量部署到用户附近，减少铜缆的大量使用；而无源光网络使用OLT作为汇聚层，ONU作为接入层，就近部署在用户侧同样减少了铜缆的使用量。

3、无源光网络制式

PON技术的概念于上世纪90年代初提出，可分为用非同步传输模式（ATM）进行分组通信的APON技术、用于宽带接入的BPON技术、基于以太网（Ethernet）分组传送的EPON技术以及兼顾ATM/Ethernet/TDM综合化的GPON技术等。

下表列举了在POL中常用的PON技术，目前GPON技术应用最为广泛，10G GPON对称技术也逐渐成为主流。

表1 POL中主要使用的PON技术

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光网络对比分析

1、建设阶段优势分析（优势项标红）

项目	传统以太网络+视频监控网络+有线电视+电话	有源光网络	无源光网络
业务承载能力	多种业务需要多个并行子网（数据,视频监控,有线电视、电话等)	多种业务需要多个并行子网（数据,视频监控,有线电视、电话等)	一张光纤网络支撑所有业务（含传统电话、有线电视、RS232等）
建设成本	中（设备成本低，综合布线成本高）	高（设备成本高，综合布线成本中）	中（设备成本高/中、综合布线成本低）
综合布线	大量的线缆及空间占用	中等的线缆及空间占用，较易部署	少量的线缆及空间占用，易部署
布线周期	长	中	短
空间占用	占用较大设备机房和布线空间	占用中等设备机房和中等布线空间（需要在弱电间放置楼宇汇聚交换机）	占用较小设备机房和布线空间，分光器通常可壁挂（弱电间主要放置分光器）
距离限制	弱电间到房间小于85m	楼宇汇聚到房间可达10km（使用普通单模光模块）	OLT到ONU距离可达40km
部署方式	单一（光纤到弱电间）	丰富（光纤到弱电间、光纤到房间以及光纤到桌面）	丰富（光纤到弱电间、光纤到房间以及光纤到桌面）
设备类型	终端设备单一（机架式接入交换机）	较丰富（机架式接入交换机、桌面设备、86盒式设备）	丰富（机架式ONU、桌面ONU、86盒式ONU、光模块式ONU）
设备带宽	由收敛比和设备规格决定，弱电间接入交换机上/下行带宽1G~20G 【1G为千兆上/下行；20G为万兆双链路聚合情况】	由收敛比和设备规格决定，用户侧接入交换机上/下行带宽1G~20G 【1G为千兆上/下行；20G为万兆双链路聚合情况】	由分光比和设备规格决定，ONU上行带宽9.8M~10G下行带宽19.6M~10G 【9.8M/19.6M为GPON 128分光比情况；10G为10GPON 对称模式不分光直连情况】
用户带宽	由设备带宽和设备规格决定，用户带宽40M~800M（24口交换机）	由设备带宽和用户侧设备规格决定，用户带宽250M~2.5G（4口交换机）	由设备带宽和ONU规格决定，用户带宽5M~2.5G（4口ONU）
带宽潜力	无	巨大的带宽潜力	巨大的带宽潜力
可靠性	双核心、双汇聚、接入交换机双链路上联	双核心、双汇聚、接入交换机双链路上联	双OLT、双分光器、ONU双链路上联
网络安全	SDN可以为复杂的环境提供更高级的网络监控功能，网络安全依赖于管理者能力	SDN可以为复杂的环境提供更高级的网络监控功能，网络安全依赖于管理者能力	内建的安全特性（OLT支持流氓ONU检测，ONU支持MAC绑定，GPON下行支持AES加密，10G GPON上下行支持AES加密）

2、运维阶段优势分析（优势项标红）

项目	传统以太网络+视频监控网络+有线电视+电话	有源光网络	无源光网络
运营维护	汇聚交换机、接入交换机需独立配置，管理运维效率低，运维成本高，网线多，运维管理复杂	采用交换机入房间方案需要配套使用 SDN技术，管理运维效率较高;线缆多，运维管理较复杂	所有前端ONU都通过OLT或网管系统集中进行配置、管理、监控，管理运维效率高；光缆少，运维管理简单【注意：核心交换机和OLT均需要配置】
能耗	能耗高，汇聚交换机、接入交换机要求供电和备电(UPS)、冷却	能耗中，汇聚交换机要求供电和备电(UPS)、冷却，接入交换机不需要	能耗低，ODN传输网络、分光器不需要供电和备电(UPS)、冷却
扩展性	差	较好	较好
使用寿命	设计使用寿命15年	设计使用寿命30年	设计使用寿命30年
抗干扰	易受电磁干扰	抗电磁干扰	抗电磁干扰
升级演进	无法平滑升级演进（网线本身带宽有限制且使用寿命短，所以网线本身也需要不断升级，同时汇聚、接入交换机都需要更换升级）	平滑升级，整个光布线网络都无需做任何改变，只需要更换汇聚设备和对应的交换机即可	平滑升级，整个光布线网络（光纤、分光器）都无需做任何改变，只需要更换OLT的用户板和对应的ONU即可【GPON在业务拓展时需重新计算分光比，故前期需对每一个用户的距离和带宽做好预测规划；同时GPON存在横向流量瓶颈】

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无源光网络劣势与应对

从 建设阶段和运维阶段 进行对比分析，无源光网络的稍显优势，需要注意的是有源光网络在 带宽方面 更具有一定优势，如果能够解决成本和设备供电问题，也不失为另一种选择；当然，在看到无源光网络诸多优势的同时，也需要清醒地认识到它的劣势，并进一步探讨能否找到恰当的应对措施。

项目	劣势	应对措施
方案接受度	无源光网络在企业特别是园区的应用不多，对业主来说是新技术，需要一个接受过程	深入学习无源光网络技术，多了解其他单位的使用效果；组织专家论证方案可行性，打消业主顾虑
品牌单一性	无源光网络企业产品线，各品牌之间的OLT与ONU 互不兼容，必须确保项目中OLT与ONU为同一品牌，后续采购时缺乏议价能力	同时引入2~3个品牌的设备，增强品牌选择自主权；合同中约定后续采购设备的价格
设计难度	多数设计院对无源光网络技术不熟悉，设计经验欠缺；无源光网络设备种类繁多，部署方式灵活，导致设计难度增大	选择有设计经验的设计院；用户积极参与设计，与设计院共同成长
技术难度	光纤熔接比网线连接技术难度高；无源光网络设备配置管理需要专业技能	大规模光纤熔接在施工时完成，对网络技术人员进行培训，掌握光纤熔接技术和设备配置管理技能；采购设备同时采购原厂服务
施工难度	光缆施工难度比较高，不规范、暴力施工易损伤光缆	加强施工管理，加强验收工作
物理隔离	为充分发挥无源光网络“一网万联”的优势，可以考虑园区网的内外网使用同一套OLT，在这种情况下内外网无法做到物理隔离	园区网的内网、外网通过不同的VLAN进行逻辑隔离，确保内外网数据分别上行到内外网的核心设备，避免数据交叉，同时强化对内网流量的安全防护；也可选择内外网独立组网
物理攻击	因采用无源分光器，OLT业务板卡的单个光口会覆盖一定区域，若该区域中任一光信息点遭到物理攻击，易引起该光口业务瘫痪，造成该区域整体网络故障	合理确定分光比，避免设备单个光口覆盖过大的范围；方案设计时注意保护光信息点，仅在工作人员房间使用光信息点，而在其他区域使用带锁的弱电箱，避免外来人员接触
物理损坏	房间内使用的光纤跳线比网线脆弱，更容易损坏	房间内使用光信息点的，对用户进行简单培训；信息网络中心预留备用光纤跳线，遇损坏时随时更换
横向流量	ONU层面可以实现横向流量传输，但ONU之间不可以	医院内横向流量需求较少；考虑到网络安全因素，所有流量都经过网关转发反而是好事

园区网络建设方案分享

经过前期的深入调研和专家论证，本项目决定采用无源光网络对现有园区网进行整体改造，改造范围包括东西两个园区区的23栋楼宇，涉及建筑面积超过25万平米。本项目同时使用了两个品牌的6台OLT设备，各型ONU近4500个，分光器400多个，新增信息点近23000个。

1、可靠性设计

本项目对园区网的可靠性进行了充分考虑，采用Type C双归属方案保护门急诊诊室、药房、医技、收费处等重点区域，采用Type B双归属方案保护病房、办公等其他区域。

传统以太网高可用方案

上图为传统以太网高可用方案，弱电间内的接入交换机双链路上联到不同数据中心的汇聚设备，敷设铜缆至房间内的信息点。这种方案的风险在于一旦接入交换机故障，则其下联的信息点业务全部中断；另外，接入交换机到信息点之间的铜缆存在单点故障，需要预留备用信息点，否则一旦故障只能紧急抢修铜缆。

无源光网络Type B双归属高可用方案

上图为无源光网络Type B双归属高可用方案，分光器双链路上联到不同数据中心的OLT设备，敷设光缆至房间内的ONU设备。这种方案的风险在于一旦分光器故障，则其下联的ONU业务全部中断；其次，分光器到ONU之间的光缆存在单点故障，需要预留备用光信息点或备用光缆芯数，否则一旦故障只能紧急抢修光缆；第三，单个ONU故障会影响其下联的几台设备。由于分光器是无源光学器件，故障率极低，可以认为这种方案的可靠性与传统以太网高可用方案相近。

无源光网络Type C双归属高可用方案

上图为无源光网络Type C双归属高可用方案，ONU双链路上联到两个不同的分光器，两个分光器分别上联到不同数据中心的OLT设备。这种方案避免了整个链路上的单点故障，残余风险是ONU故障会影响其下联的几台设备，可以说这种方案的可靠性远远高于传统以太网高可用方案，更适合在重点区域使用。

2、带宽设计

无源光网络的带宽设计，主要从两个方面考虑：一是设备规格，OLT板卡和ONU选择GPON还是10G GPON；二是OLT单个PON口下挂ONU的数量，也即分光比的选择。

现有网络大量使用千兆接入交换机，采用主备方式进行双千兆上联，平均每信息点带宽仅为20M；经过抽样测试，现有计算机千兆网卡仅有5%能运行在千兆模式，甚至有2%只能运行在十兆模式，其余均运行在百兆模式；对医院医生工作站、护士工作站、影像工作站等进行网络流量回溯分析， 发现医生工作站、护士工作站的网络带宽需求在5M~10M之间，影像工作站的网络带宽需求在50M~75M之间。

综合考虑现状、需求、设备PON口数量、成本等因素（因园区范围不大，光衰因素可以忽略），本项目最终选择了以 1:16分光为主（用于4/8口ONU），1:4分光为辅（用于24口机架式ONU），以GPON为主，10G GPON为辅（用于影像中心、放射科等）的方案。经过统计，本项目的实际分光比为1:12 ，据此计算，每个GPON制式ONU平均带宽为下行213M，上行85M ，每个10G GPON制式ONU平均带宽为双向853M。考虑到无源光网络采用了动态带宽分配技术，且园区内入网设备数量有限，项目建成后用户的入网体验可以得到较大提升。

3、部署方式

无源光网络有多种部署方式，主要包括光纤到楼宇（FTTB）、光纤到房间（FTTR）、光纤到桌面（FTTD）等，下表对几种部署方式进行了比较。