光网络方案介绍和对比

光网络通过引入光纤代替电缆作为主要传输介质，解决了传统网络带宽不足的问题，发展至今主要有有源光网络、无源光网络和以太全光网络三种较成熟的方案。本文通过介绍三种光网络方案的基本概念、通信原理，并对它们的组网结构、信号分配方式、成本等进行对比，分析它们各自的技术特点、优势与不足。

#交换机

发布时间：2022-11-11
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1 光网络背景及现状

光网络是时代发展的产物。多年来，铜缆被广泛用于局域网布线中，但随着IP业务的快速增长，网络传输需求不断增加，传统网络架构面临着高带宽和高密度的挑战，铜缆布线的局域网在未来网络传输需求上可预见地产生了局限性。特别是对于园区网来说，上一代园区网投入使用已近20年，不仅桥架老化严重，而且网络的扩展导致铜缆布线越来越混乱，故障频繁出现，运维成本也大幅增加，故障排查难度越来越大，若维持现状，这种问题只会加剧，还会制约信息化的发展。因此，网络升级迫在眉睫。

充分考虑未来网络的带宽和可持续发展需求，光网络方案是当前最好的选择，“光进铜退”是大势所趋。目前，市场上已有的光网络方案主要有三种，分别为有源光网络、无源光网络和以太全光网络。

2 光网络方案

2.1 有源光网络

有源光网络主要采用点对点的网络架构，由光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、光网络单元（Optical Network Unit，ONU）、光纤传输线路组成，网络中部署光电转换设备、有源光电器件以及光纤等有源光纤传输设备，局端和用户分配单元间的信号传输依赖于光电转换设备进行光/电、电/光变换，因此，虽然大幅提高了网络带宽，但网络部署成本也较高。

图2-1 有源光网络架构图

(1) 通信设备

●光线路终端(OLT)：是有源光网络的核心部件，可以同时处理上行信号和下行信号，一方面将承载各种业务的信号在局端进行汇聚并送入接入网络中，另一方面将来自终端用户的信号按照业务类型分别送入各种业务网中。

●光网络单元(ONU)：是光局域网中的最终用户接口，具备光电转换功能，采用串联的方式部署在光纤网络中，下级ONU接收经上级ONU进行光-电-光变换后的信号。

●有源光纤传输设备：包括光电转换设备、有源光电器件（包括光源、光接收机、光收发模块、光放大器等）以及光纤等，部署在局端设备和用户分配单元之间，对信号进行光/电、电/光变换，实现局端设备和用户端之间的信息传输。

(2) 通信原理

有源光网络结构如图2-1所示，数据通信包括上行和下行两个方向。

在上行方向，ONU收集用户端需要发送的以太网数据并缓存，并按照被分配的发送窗口向上行OLT发送转换后的光信号。OTL在收到来自ONU的用户端数据后，按照业务类型进行分类并分别送入相应业务网中。

在下行方向，OLT从服务商接收数据并通过核心路由器接收企业资源服务，并将这些承载各种业务的信号在局端进行汇聚，然后按照一定的信号格式广播给ONU。最上级ONU对OLT发送的广播进行选择性接收，若需接收则对OLT进行接收响应，下级ONU接收经上级ONU光-电-光变换后的信号后，进行光/电转换得到电信号向终端用户传输。

2.2 无源光网络

无源光网络，采用点对多点的网络架构，主要由OLT、光分路器和ONU构成，可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构。

相比有源光网络，无源光网络的“无源”体现在在OLT和ONU之间部署光分配网络（Optical Distribution Network，ODN，包括光分路器和光纤），即在光分支点部署无源光分路器进行分光，没有任何有源设备，实现二层无源，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资等优点。

(1) 通信设备

●光线路终端(OLT)：是有无源光网络的核心部件，上联上层网络，完成PON网络的上行接入，通过ODN下联用户端设备ONU，实现对用户端设备ONU的控制、管理和测距等功能。通常一个OLT端口与32个ONU相连接。

●光网络单元(ONU)：是光局域网中的最终用户接口，部署在用户端，通过光分路器并接在光纤网络上，接收由OLT直接发送下来的信号。ONU具备光电转换功能，能够将用户接入端的电信号转为光信号，再在无源光局域网内进行传递。

●无源光分路器：是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，部署在OLT和ONU之间，能够将上行OLT信号通过1：N分光分配给下行ONU，也能将来自多个ONU的多种业务信息耦合到一根光纤。

图2-2 PON网络架构图

(2) 通信原理

无源光网络网络架构如图2-2所示，其通信原理和有源光网络相似，最大的区别在于在局端和用户接入单元之间，无源光网络中部署了光分路器，通过光分路器，ONU采用并联方式接入网络，各ONU接收来自于OLT直接下发的信号，中间省去光-电-光的转换过程。无源光网络的数据通信同样包括也上行和下行两个方向。

在上行方向，各ONU收集用户端需要发送的以太网数据并进行信号的电/光转换，然后通过1：N光分路器将各ONU的多种业务信息互不干扰地耦合到同一光纤，并按照被分配的发送窗口向上行OLT发送。OLT在收到来自ONU的用户端数据后，按照业务类型进行分类并分别送入相应业务网中。

在下行方向，OLT从服务商接收数据并通过核心路由器接收企业资源服务，并将这些承载各种业务的信号在局端进行汇聚，然后将这些信号采用广播的方式，通过1：N光分路器分配到PON上的所有ONU。ONU对OLT发送的广播进行选择性接收，若需接收则对OLT进行接收响应，然后进行光/电转换得到电信号向终端用户传输。

(3) 分类

无源光网络主要有基于ATM的APON及基于IP的EPON和GPON几种类型：

●APON采用基于信元的传输系统，接入网中的多个用户共享同一个带宽，这种统计复用的方式能更加有效地利用网络资源。但由于APON的业务供给能力有限，成本过高，性价比偏低，因此目前在市场上的可接受度也不高。

●EPON是基于以太网的PON技术，利用PON的拓扑结构实现以太网接入，在以太网之上提供多种业务。在EPON信号的传输过程中，下行数据采用广播方式从OLT发给多个ONU，上行数据釆用时分多址接入方式从多个ONU发给OLT，能避免传输冲突。由于EPON技术融合了低成本、高带宽的以太网设备，因此相比其它PON技术具有独特的优势。

●GPON是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光网络，它在二层借鉴了ITU-T定义的通用成帧规程（GFP）技术，能将任何类型和任何速率的业务经过重组后由PON传输，且GFM帧头包含帧长度指示字节，可用于可变长度数据包的传递，提高传输效率，因此能更简单、通用、高效地支持全业务。但它具备的多项优势很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价，所以实现比较难，成本较高，这也在一定程度上限制了其产品的研发和应用推广。

2.3 以太全光网络

以太全光网络为点对点的网络结构，主要由核心交换机、全光汇聚交换设备（如合路器/透明汇聚产品）和光接入交换机构成，其网络传输和交换过程全部通过光纤实现，省去光/电信号转换过程，在增加网络数据传输量的同时，提高数据的传输效率和流畅性。由于以太全光网络是基于以太网技术进行的网络升级，因此具备以太网技术的所有优点，在成本、扩展性、网络兼容性、维护管理上面相比其它类型光网络具有独特的优势。

相比有源光网络，以太全光网络中不需要光电转换设备，在楼宇机房部署全光汇聚设备，并将全光接入交换机部署在每个房间内，能够大幅度降低运维成本，网络扩展更加灵活。此外，在锐捷网络推出的极简以太全光解决方案中，还采用无源透明汇聚产品代替有源汇聚交换设备，实现二层无源的简单组网架构，进一步简化了网络结构。

图2-3 以太全光网络架构图

(1) 通信设备

●核心交换机：放置于网络主干部分（核心层），在光网络中主要负责路由选路和流量高速转发，实现骨干网络之间的优化传输，具有大容量接口带宽和较大的吞吐量。

●全光汇聚交换设备：为多台接入层交换机的汇聚点，在光网络中处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，同样也做转发及选路，实现资源访问控制、流量控制等功能。

●光接入交换机：面向用户连接或网络访问，与客户端直接连接，在光网络中的主要负责提供网络接入服务，进行业务和带宽的分配，并解决本地网段内用户之间互相访问的需求。

(2) 通信原理

以太全光网络的通信原理与传统以太网络较相似，也是采用层次化架构的三层网络，将复杂的网络分成核心层、汇聚层、接入层三个层次，每个层次着重于实现特定功能。它们的区别主要体现在传输介质上。以太全光网络中采用光纤作为传输介质，但由于接入层部署的是有源设备，因此网络在由上层传入接入层交换机，或是从接入层交换机传至上层时，需要借助于光模块进行光/电、电/光信号转换，以保证网络通信正常。

核心层作为网络的高速交换主干，是所有流量的最终承受者和汇聚者。核心交换机的主要功能是在各汇聚层设备之间提供高速的连接和最优传输。为了尽量降低交换分组所耗费的时间，提高包交换速度，在核心层一般不会对数据包进行如访问列表或过滤等处理，所以核心交换机一般也为三层交换机。

汇聚层是核心层和接入层的分界点。汇聚交换机是各接入交换机的汇聚点，主要处理来自接入层设备的所有通信量，进行数据分组传输的汇聚、转发和交换，并提供到核心层的上行链路。汇聚交换机根据接入层的用户流量，进行本地路由、过滤、流量均衡、QoS优先级管理、安全策略、IP地址转换、流量整形、组播管理等处理；然后根据处理结果将用户流量转发到核心交换层或在本地进行路由处理。

接入层是本地终端用户被许可接入网络的点。接入层交换机直接面向用户连接，主要负责为多业务应用和其他的网络应用提供用户到网络的接入，进行业务和带宽分配，并实现内部网络间的互相访问，同时也可能使用访问列表或过滤器来满足特定场景的访问需求。

(3) 极简以太全光解决方案

极简以太全光2.X方案是当前市面上以太全光网络方案中具有代表性的一种，是由锐捷网络推出的新一代企业级以太全光网解决方案。

该方案在原有以太全光网络的基础上进行进一步改进，采用全新光纤入室的部署方式，创新性地将彩光技术(CWDM)与以太网巧妙融合，在汇聚层部署合路器/透明汇聚产品，实现二层无源的简单组网架构，同时结合SDN技术，能够为园区业务提供高带宽、低延时、高度灵活、极简运维的独享千兆/万兆网络承载。此外，极简以太全光2.X方案具有一张全光网覆盖全场景多业务的特点，能同时满足教育、医疗、办公、智能制造等多园区应用场景需求。通过极简以太全光解决方案2.X可以获取方案的详细信息。

图2-4 极简以太全光解决方案2.X网络拓扑图

3 光网络方案对比

(1) 结构

●无源光网络为两层网络结构，通过光分路器代替汇聚层交换机，实现汇聚层无源，减少了网络部署中线缆以及设备数量，结构较简单。

●典型的以太全光网络结构为三层网络结构，去除楼层弱电间部署，仅在楼宇部署弱电间，结构相比传统网络要简单，但仍偏复杂。而锐捷网络推出的极简以太全光网络2.X方案创新性采用了以太彩光技术，采用合路器/透明汇聚产品代替楼栋有源汇聚设备，实现了二层彻底无源，进一步简化了网络结构，为真二层网络结构。

图3-1 以太全光网络&无源光局域网&传统以太网结构对比

(2) 信号分配

●无源光网络通过光分路器将OLT下接的光纤进行1:N分光，各接入共享带宽，在高带宽场景及二层共享场景中会出现带宽瓶颈（如视频会议、云课堂、校园广播、VR/AR实训室、Wi-Fi 6等场景）。

●以太全光网络在链路层不分光，各接入1:1独享带宽，能够满足高带宽要求。

(3) 成本

网络成本的主要来源是供电设备和运维成本。

●无源光网络在汇聚层采用了无源分光器代替有源设备，实现二层无源，因此，只需较少的维护，降低了有源设备和维护成本，风险较小。

●以太全光网络，省去楼层弱电间部署，仅在楼宇弱电间部署全光汇聚交换机，减少弱电机房管理数量，实现楼层设备无源，因此成本较低。特别是锐捷网络推出的极简光2.X方案，在楼宇弱电间部署合路器/透明汇聚产品，实现汇聚节点彻底无源，弱电间0维护，又进一步降低了成本。

(4) 故障排查

●在无源光网络中，由于将32根光纤全部汇聚到一个分离器中，该分离器仅由一根光纤支线供电。若出现故障，故障排查较困难。因为所有故障基本都是单点故障，如果光纤受损，则可能影响所有的终端用户，所以故障隔离也较困难。

●以太全光网络为光纤1:1接入，因此故障排查较简单。此外，极简以太全光方案中还加入高阶光链路诊断功能，能通过INC云计算快速定位故障源，且支持手机扫描、一键获取全链路详情的功能，做到整个网络一人管理，一键搞定。这一功能在园区网络运维中，价值尤为明显。

(5) 网络部署升级

●对于大多数企业网或园区网，由于前期部署的传统局域网中投入成本较高，因此在网络升级时会考虑成本效益问题。对于无源光网络，从图3-1可以看出，它的网络架构与传统局域网相差较大，且带宽变化需要重新规划分光比，部署成本相对较高，难度较大，且在部署后需要重新学习协议，同时后期还需要运维和管理两张不同的网络，运维管理的复杂度大大提升。对于一些企业来说，特别是中小型企业网，当对网络传输的需求没有那么大，部署无源光网络并不是一个具有成本效益的解决方案。

●对于极简以太全光网络方案，从图3-1可以看出，它的网络架构与传统局域网的差别较小，且楼宇新增的全光汇聚产品在功能和特性上能完全兼容已有的网络，因此，若需进行网络升级改造，成本相对较低，部署后运维管理也较简单，同时还能满足企业高带宽网络升级要求。

4 总结

有源光网络因其依赖于光/电转换，网络传输性能受光/电、电/光信号转换的影响，成本较高，且在“光进铜退”的大趋势下，有源光网络在未来被淘汰已是大势所趋。

对于以太全光网络，它的优势在于继承了传统以太网带宽独享、成本低、运维简单的优点的同时，还可以满足高带宽场景的需求，此外还对网络结构进行了简化，降低了运维成本，但在结构上相比无源光网络仍要复杂一些。而在锐捷网络推出的极简以太全光方案中，又进一步降低了网络结构的复杂度，弥补了网络结构复杂度上的不足。

对于无源光网络，其最大的优势在于通过分光器取代汇聚层交换设备简化了网络结构，降低了用电和维护成本，但同时也因为使用分光器带来了单点故障运维难度大、分光后用户接入带宽变小的问题。

目前市面上大多数企业仍然采用的是传统以太网的结构，在后续进行网络部署和升级时，由于以太全光网络在功能和特性上相比于无源光网络与客户已有的网络更加兼容，因此部署难度和成本也要比无源光网络低。也正是以太全光网络在网络部署中表现出来的独特优势，使得业内一些企业也开始调整研究方向，陆续推出基于以太全光网络的解决方案。

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