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光网络技术

1、光网络背景

光网络的产生主要源于传统网络无法适应IP业务快速增长所带来的高带宽需求。随着IP业务的快速增长,对网络带宽的需求变得越来越高,传统网络主要通过铜缆进行数据传输,传输速率慢且功率损耗大,无法满足现代网络和新业务扩展的带宽需求。

此外,随着铜缆价格的大幅上涨,继续使用铜原料增加带宽成本太高。在这种带宽提速成为迫切需求的背景下,光网络应运而生,它采用光纤代替电缆进行通信,大大提高了数据传输速率,能够满足现代网络对大带宽的需求。

2、光网络概述

光网络是光纤通信网络的简称,一般指使用光纤作为主要传输介质的广域网、城域网或者新建的大范围的局域网。

光网络通过光纤提供大容量、长距离、高可靠的链路传输手段,同时在光纤作为传输媒介的基础上,利用先进的光交换技术,引入控制和管理机制,实现多节点之间的互联以及基于资源和业务需求的灵活配置功能。

3、光网络原理

光传输技术

光传输技术是一种以光纤为传输媒介在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输技术利用的是光的全反射原理,实现过程为:将载有数据的电信号经光发射机转换成光信号并耦合进光纤,光信号在纤芯和包层的交界面产生全反射,并形成光闭锁在光纤芯内部向前传播;光信号在均匀透明的玻璃纤芯上不断进行反射,最终从光发射机传导至另一端的光接收机,经光接收机恢复出由光载波所携带的信息。由于纤芯直径很小,光沿着玻璃纤芯传输,光信号的损耗会比在网线中电信号传输损耗低很多。

光网络技术

光传输过程示意图

光交换技术

光交换是一种不经过任何光/电转换,在光域直接将输入端光信号交换到任意光输出端的技术,能够省去传统交换技术中的光/电、电/光交换过程,减少损耗。光交换技术可以分为光路交换技术和分组交换技术。

○ 光路交换

光路交换包括空分(SD)光交换、时分(TD)光交换和波分/频分(WD/FD)光交换三种类型。

其中,空分光交换是在空间域上对光信号进行交换,通过改变光信号在空间上的传输通路实现交换;

时分光交换是以时分复用原理为基础,在时域上对光信号进行交换;

波分光交换是以波分复用原理为基础,采用波长选择或互换的方法来实现交换。

○ 光分组交换

光分组交换是一种采用分组交换方式进行光通信的技术,其实现过程与电的分组交换过程类似,都采用逐跳寻址转发的方式。

光分组交换技术以光分组作为最小交换单元将数据分割成多个光分组,在一条物理线路上同时传送多个光分组,然后在光分组到达接收端后,去掉分组头并将各数据字段按顺序重新装配组成完整的报文,完成光交换过程。

由于具有动态共享、统计复用带宽资源的特点,光分组交换可提高网络带宽资源利用率,并使网络具有很好的灵活性。但是,由于技术原因,光分组交换技术还没有达到实用化。

4、光网络结构

4.1 光网络的组成及架构

光网络主要由光通信设备、光纤光缆和光模块构成。其中,光纤光缆用于光网络中的数据传输,光模块应用在光通信设备上,是连接光通信设备和光纤光缆的桥梁。

一般来说,光网络架构可以分为三层:核心层,汇聚层和接入层,每层在光网络中扮演不同角色,实现不同的功能。但是,随着技术发展,在光网络中,三层的网络架构逐渐被简化。

目前主要有以下两种技术路线:

● PON(Passive Optical Network,无源光网络)网络技术路线,例如POL(Passive Optical LAN,无源光局域网)全光网络方案,采用的是两层组网架构,用无源分光器负责分纤,光纤1:N入室,多点共享宽带,在室内部署ONU(Optical Network Unit,光网络单元),简化了光网络结构。

● 以太全光网络技术路线,例如锐捷网络推出的极简以太全光网络方案,用无源透明汇聚替代有源汇聚,实现了汇聚节点彻底无源,在简化了光网络结构的同时,加强了网络的可扩展性,同样也是光纤入室,但相比POL方案,极简以太全光网络方案采用从核心到接入的直接点对点连接,实现各接入独享宽带,为用户带来更好的网络体验。

光网络技术

POL全光网络和极简以太全光网络结构对比图

4.2 光通信设备

光通信设备是指在光网络中利用光波传输信息的通信设备。按照所处网络架构的位置及作用,光通信设备可以分为接入交换机、汇聚交换机和核心交换机。

其中,核心交换机位于顶层核心层,汇聚交换机位于核心层和接入层中间,接入交换机位于底层接入层,与客户端直接连接。

光网络技术

网络架构及光通信设备

4.2.1 接入交换机

接入交换机通常指面向用户连接或访问网络的交换机,与客户端直接连接,在光网络中的主要作用是提供网络接入服务,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。

由于面向直接用户,接入交换机具有成本低和端口密度高的特点。

应用场景:

接入交换机使用较广泛,应用场景较多,尤其是在办公室、小型机房、多媒体中心等场景。

4.2.2 汇聚交换机

汇聚交换机是多台接入层交换机的汇聚点,在光网络中的作用是将接入节点统一出口,同样也做转发及选路,实现资源访问控制和流量控制等功能。

它能够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,因此汇聚交换机与接入交换机比较,需要具备更高的转发性能。汇聚交换机通常是三层交换机。

应用场景:

在光网络中,对汇聚交换机并没有固定要求,并不是每个网络都必须配备汇聚交换机,取决于网络环境的大小及设备的转发能力。

4.2.3 核心交换机

核心交换机指放置于网络主干部分(核心层)的交换设备,在光网络中主要负责可靠和迅速传输大量的数据流。

一般为三层交换机,采用机箱式(多用于大型网络中)或盒式(多用于中小型网络中)外观,具有大容量接口带宽,且支持链路聚合功能,以为分布层交换机发送到核心层交换机的流量提供足够的带宽。

此外,为保证核心层的可用性,核心层设备对于冗余能力、可靠性和传输速度方面要求较高,因此,在进行网络规划设计时,核心层的设备通常要占大部分投资。

应用场景:

对核心交换机没有固定要求,取决于网络环境的大小及设备的转发能力。核心交换机常被部署在园区光网络或数据中心等场景,需要根据不同场景的需求进行核心交换机选择。

4.3 光纤光缆

4.3.1 光纤

光纤是一种由玻璃或塑料制作而成的纤维,在光网络中作为光信号传输的媒介和工具。根据光在光纤中的传输方式,可以将光纤分为单模光纤和多模光纤。

1. 单模光纤

光网络技术

单模光纤示意图

单模光纤在工作波长中只能传输一种模式的光,通常以激光器作为光源。光在单模光纤中直线传播,无反射,因此,在光传输中信号强度损失较小,可以用于5公里以上的中远距离传输。单模光纤纤芯较细,直径一般在8um-10um范围内,包层直径为125um,采用黄色的保护套。

2. 多模光纤

光网络技术

多模光纤示意图

多模光纤可以承载多路光纤信号,传输多种模式的光,通常以LED作为光源,光源较为分散,且会进行光反射,因此,在光传输中信号强度损失较大,多用于2公里以内的短距离光纤传输。

多模光纤直径一般在50um~62.5um范围内,包层直径为125um,多为橙色或者水绿色的保护套。

4.3.2 光缆

光缆是实现光信号传输的一种通信线路,一般是由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成,另外根据需要还可能包含防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。其中,缆芯是由一根或多根的光纤按照一定方式组成。

按照光缆内使用的光纤种类的不同,可以将光缆分为单模光缆和多模光缆,即使用单模光纤的光缆为单模光缆,使用多模光纤的光缆为多模光缆。因此,单模光缆和多模光缆分别拥有对应光纤的光传输特性。

4.3.3 光电混合缆

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光电混合缆结构示意图

光电混合缆是网络系统中将光纤传输、电源传输合为一体的一种复合线缆。

它是一种集光纤、输电铜线于一体的新型接入方式,可以同时解决设备用电、信号传输的问题,具有外径小、重量轻、占用空间小的优点,同时具备较好的可扩展性、优越的弯曲性能和良好的耐侧压性能。

在网络业务中,为保证其正常运行,一般需要通过线缆解决设备供电和数据传输两个问题。

但是,在一些网络部署场景下,安装环境较复杂,光缆和电缆单独布线较困难,此时,选用光电混合缆就能仅通过一根线缆同时解决供电和数据传输问题,降低布线难度。

4.4 光模块

光模块是进行光/电和电/光转换的光电子器件,由光电子器件(包括发射和接收两部分)、功能电路和光接口等组成。

光模块主要应用在光通信设备上,将光通信设备主板连接到光纤光缆网络,是光通信设备和其他设备之间传输信号的载体。

按照封装形式分类,光模块可分为SFF、GBIC、SFP、SFP+、XFP、XENPAK、X2、SFP28、CFP、QSFP、QSFP+、QSFP28类型,其中,SFP、SFP+、XFP、QSFP+是目前较常用的几种。

  • SFP为千兆光模块,也是目前应用最广的光模块类型。
  • SPF+是SPF的增强版本,与XFP同为万兆光模块,但相比于SPF+,XFP光模块内封装了信号调制、串行/解串器、MAC、时钟和数据恢复(CDR),以及电子色散补偿(EDC)功能,因此,尺寸也相对SPF+更大,当设备板卡内未封装上述功能时,可以选择XFP光模块。
  • QSFP+是40G光模块,相比SPF、SFP+光模块尺寸更大。
  • CFP和QSFP28均为100G光模块,虽然传输速率较大,但考虑应用需求及成本问题,目前千兆、万兆光模块仍然是主流。

光网络技术

各类光模块传输速率表

5、光网络技术优势

● 光纤与铜缆对比

○ 传输距离和速率。铜缆的传输距离一般不超过100米,目前最大传输速率可达 40Gbps;而单模光纤的最大传输距离可达100km,最大传输距离可达100Gbps或更高。

○ 使用寿命。铜缆寿命较短易老化,老化后需要重新部署;而光纤寿命长且耐腐蚀。

○ 传输性能。铜缆功率损耗较大,易受电磁干扰影响,且易被窃取,安全性较低;而光缆功率损耗较小,不受电磁干扰影响,且窃取较困难,安全性更高。

● 光网络与传统网络对比

以以太全光网络为例,对传统网络和光网络进行对比。

光网络技术

光网络与传统网络对比图

○ 传输性能好。光网络使用光纤作为介质,相比于传统网络使用铜缆作为介质,在数据传输距离、传输速率、传输容量及安全性上均有较大优势。

○ 网络结构简单。传统以太网一般使用三层物理架构,即核心、汇聚和接入三层,而光网络发展至今,已经从最初的三层物理架构简化到当前以二层架构为主的方案。

○ 可扩展性强。传统网络信息点复杂,当带宽变化时需要重新规划和部署走线,无法满足企业业务快速迭代的需求,而光网络在网络扩展上更加便捷。例如极简以太全光网络采用光纤入室方案,当带宽变化时,房间内的桌面交换机安装部署更加便捷,业务扩展更加方便。

6、总结

随着人工智能、大数据等技术的发展,数据传输、处理量呈现急剧增长的态势,因此对带宽的需求也不断提高。光网络因其快速高效的光纤传输技术以及网络结构优势,逐渐替代传统的铜缆通信网络,成为许多大型网络基础设施的重要组成部分。

随着5G等趋势的成熟,未来光网络也将在我们日益数字化的世界中发挥重要作用。

本文由 @老豆 发布于弱电智能网 。

题图来自Unsplash,基于CC0协议

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