1 光網絡背景

光網絡的產生主要源于傳統網絡無法適應IP業務快速增長所帶來的高帶寬需求。隨著IP業務的快速增長，對網絡帶寬的需求變得越來越高，傳統網絡主要通過銅纜進行數據傳輸，傳輸速率慢且功率損耗大，無法滿足現代網絡和新業務擴展的帶寬需求。此外，隨著銅纜價格的大幅上漲，繼續使用銅原料增加帶寬成本太高。在這種帶寬提速成為迫切需求的背景下，光網絡應運而生，它采用光纖代替電纜進行通信，大大提高了數據傳輸速率，能夠滿足現代網絡對大帶寬的需求。

2 光網絡概述

光網絡是光纖通信網絡的簡稱，一般指使用光纖作為主要傳輸介質的廣域網、城域網或者新建的大范圍的局域網。光網絡通過光纖提供大容量、長距離、高可靠的鏈路傳輸手段，同時在光纖作為傳輸媒介的基礎上，利用先進的光交換技術，引入控制和管理機制，實現多節點之間的互聯以及基于資源和業務需求的靈活配置功能。

3 光網絡原理

●     光傳輸技術

光傳輸技術是一種以光纖為傳輸媒介在發送方和接收方之間以光信號形態進行傳輸的技術。光傳輸技術利用的是光的全反射原理，實現過程為：將載有數據的電信號經光發射機轉換成光信號并耦合進光纖，光信號在纖芯和包層的交界面產生全反射，并形成光閉鎖在光纖芯內部向前傳播；光信號在均勻透明的玻璃纖芯上不斷進行反射，最終從光發射機傳導至另一端的光接收機，經光接收機恢復出由光載波所攜帶的信息。由于纖芯直徑很小，光沿著玻璃纖芯傳輸，光信號的損耗會比在網線中電信號傳輸損耗低很多。

圖3-1 光傳輸過程示意圖
 

●    光交換技術

光交換是一種不經過任何光/電轉換，在光域直接將輸入端光信號交換到任意光輸出端的技術，能夠省去傳統交換技術中的光/電、電/光交換過程，減少損耗。光交換技術可以分為光路交換技術和分組交換技術。

○  光路交換

光路交換包括空分(SD)光交換、時分(TD)光交換和波分/頻分(WD/FD)光交換三種類型。其中，空分光交換是在空間域上對光信號進行交換，通過改變光信號在空間上的傳輸通路實現交換；時分光交換是以時分復用原理為基礎，在時域上對光信號進行交換；波分光交換是以波分復用原理為基礎，采用波長選擇或互換的方法來實現交換。

○  光分組交換

光分組交換是一種采用分組交換方式進行光通信的技術，其實現過程與電的分組交換過程類似，都采用逐跳尋址轉發的方式。光分組交換技術以光分組作為最小交換單元將數據分割成多個光分組，在一條物理線路上同時傳送多個光分組，然后在光分組到達接收端后，去掉分組頭并將各數據字段按順序重新裝配組成完整的報文，完成光交換過程。

由于具有動態共享、統計復用帶寬資源的特點，光分組交換可提高網絡帶寬資源利用率，并使網絡具有很好的靈活性。但是，由于技術原因，光分組交換技術還沒有達到實用化。

4 光網絡結構

4.1  光網絡的組成及架構

光網絡主要由光通信設備、光纖光纜和光模塊構成。其中，光纖光纜用于光網絡中的數據傳輸，光模塊應用在光通信設備上，是連接光通信設備和光纖光纜的橋梁。

一般來說，光網絡架構可以分為三層：核心層，匯聚層和接入層，每層在光網絡中扮演不同角色，實現不同的功能。但是，隨著技術發展，在光網絡中，三層的網絡架構逐漸被簡化。

目前主要有以下兩種技術路線：

●  PON（Passive Optical Network，無源光網絡）網絡技術路線，例如POL（Passive Optical LAN，無源光局域網）全光網絡方案，采用的是兩層組網架構，用無源分光器負責分纖，光纖1:N入室，多點共享寬帶，在室內部署ONU（Optical Network Unit，光網絡單元），簡化了光網絡結構。

●  以太全光網絡技術路線，例如銳捷網絡推出的極簡以太全光網絡方案，用無源透明匯聚替代有源匯聚，實現了匯聚節點徹底無源，在簡化了光網絡結構的同時，加強了網絡的可擴展性，同樣也是光纖入室，但相比POL方案，極簡以太全光網絡方案采用從核心到接入的直接點對點連接，實現各接入獨享寬帶，為用戶帶來更好的網絡體驗。

圖4-1 POL全光網絡和極簡以太全光網絡結構對比圖

4.2   光通信設備

光通信設備是指在光網絡中利用光波傳輸信息的通信設備。按照所處網絡架構的位置及作用，光通信設備可以分為接入交換機、匯聚交換機和核心交換機。其中，核心交換機位于頂層核心層，匯聚交換機位于核心層和接入層中間，接入交換機位于底層接入層，與客戶端直接連接。

圖4-2 網絡架構及光通信設備

4.2.1  接入交換機

接入交換機通常指面向用戶連接或訪問網絡的交換機，與客戶端直接連接，在光網絡中的主要作用是提供網絡接入服務，進行業務和帶寬的分配，并解決本地網段內用戶之間互相訪問的需求。由于面向直接用戶，接入交換機具有成本低和端口密度高的特點。

應用場景：

接入交換機使用較廣泛，應用場景較多，尤其是在辦公室、小型機房、多媒體中心等場景。目前，市面上的接入交換機產品較多，產品開發也越來越注重產品使用的便捷性、靈活性，例如銳捷網絡的RG-IF2920系列以太全光網絡入室交換機，采用小尺寸設計（長240mm，寬86mm），搭配INC控制器，設備接入后能夠自動完成注冊與配置，實現即插即用，且安裝便捷靈活，支持辦公工位、桌底安裝、壁掛等多種安裝方式，此外，它還可以通過INC控制器與信息庫用戶身份綁定，實現IP地址不更改，安全策略隨身份而動，有效保障用戶權限，網絡安全性高。

圖4-3 銳捷網絡RG-IF2920U-12GT1XS以太全光網絡入室交換機

4.2.2  匯聚交換機

匯聚交換機是多臺接入層交換機的匯聚點，在光網絡中的作用是將接入節點統一出口，同樣也做轉發及選路，實現資源訪問控制和流量控制等功能。它能夠處理來自接入層設備的所有通信量，并提供到核心層的上行鏈路，因此匯聚交換機與接入交換機比較，需要具備更高的轉發性能。匯聚交換機通常是三層交換機。

應用場景：

在光網絡中，對匯聚交換機并沒有固定要求，并不是每個網絡都必須配備匯聚交換機，取決于網絡環境的大小及設備的轉發能力。市面上的匯聚交換機，以銳捷網絡的RG-S5750-DP系列交換機為代表，該系列交換機采用供電/光纖傳輸一體化方案，簡化了網絡部署，且支持VSU（Virtual Switching Unit，虛擬交換單元）虛擬化技術，實現毫秒級故障恢復，采用硬件多重保護，以保障設備持續運行不掉線，用網體驗較好。

匯聚交換機需要有電源接入，在網絡部署中要部署相應弱電間并配置電源，使得網絡部署復雜度增加，占用空間較大。為改善這個問題，市面上就出現了替代匯聚交換機的合路器透明匯聚設備，它無需電源連接，因此在光網絡部署中也就不需要部署弱電間和配置電源，能夠有效減少線路部署，降低外部設備故障率，實現弱電間免管理免維護。例如銳捷網絡的RG-DEMUX/MUX系列以太全光網合路器/透明匯聚產品，搭配彩光獨特技術，能實現核心至接入的帶寬透傳，接入端1:1獨享帶寬，萬兆/千兆入室，能滿足高帶寬需求設備接入，且設備即插即用，方便上線，快速擴容。

4.2.3  核心交換機

核心交換機指放置于網絡主干部分（核心層）的交換設備，在光網絡中主要負責可靠和迅速傳輸大量的數據流。一般為三層交換機，采用機箱式（多用于大型網絡中）或盒式（多用于中小型網絡中）外觀，具有大容量接口帶寬，且支持鏈路聚合功能，以為分布層交換機發送到核心層交換機的流量提供足夠的帶寬。此外，為保證核心層的可用性，核心層設備對于冗余能力、可靠性和傳輸速度方面要求較高，因此，在進行網絡規劃設計時，核心層的設備通常要占大部分投資。

應用場景：

對核心交換機沒有固定要求，取決于網絡環境的大小及設備的轉發能力。核心交換機常被部署在園區光網絡或數據中心等場景，需要根據不同場景的需求進行核心交換機選擇。例如，對于園區網，不僅要考慮交換機數據傳輸轉發的可靠性問題，還需要考慮交換機的能耗問題。

銳捷網絡的RG-S7808C-V2以太全光網絡交換機采用先進的CLOS正交架構，可以實現無阻塞轉發且高速傳輸不丟包，同時支持業界超前的VSU虛擬化技術，能將多臺物理設備虛擬化為一臺邏輯設備，統一運行管理，降低網絡運維管理成本，還可以實現50~200ms鏈路故障快速切換，保障關鍵業務不中斷傳輸。此外，RG-S7808C-V2支持動態功耗管理，低負載時可節約功耗，智能風扇支持256級調速，精密溫控，節能降噪，高溫下也能長期工作，大幅度降低能耗。除部署在園區網，RG-S7808C-V2還可以根據需要部署在數據中心、城域網等場景。

4.3   光纖光纜

4.3.1  光纖

光纖是一種由玻璃或塑料制作而成的纖維，在光網絡中作為光信號傳輸的媒介和工具。根據光在光纖中的傳輸方式，可以將光纖分為單模光纖和多模光纖。

1. 單模光纖

圖4-4 單模光纖示意圖

單模光纖在工作波長中只能傳輸一種模式的光，通常以激光器作為光源。光在單模光纖中直線傳播，無反射，因此，在光傳輸中信號強度損失較小，可以用于5公里以上的中遠距離傳輸。單模光纖纖芯較細，直徑一般在8um-10um范圍內，包層直徑為125um，采用黃色的保護套。

2. 多模光纖

圖4-5 多模光纖示意圖

多模光纖可以承載多路光纖信號，傳輸多種模式的光，通常以LED作為光源，光源較為分散，且會進行光反射，因此，在光傳輸中信號強度損失較大，多用于2公里以內的短距離光纖傳輸。多模光纖直徑一般在50um~62.5um范圍內，包層直徑為125um，多為橙色或者水綠色的保護套。

4.3.2  光纜

光纜是實現光信號傳輸的一種通信線路，一般是由纜芯、加強鋼絲、填充物和護套等幾部分組成，另外根據需要還可能包含防水層、緩沖層、絕緣金屬導線等構件。其中，纜芯是由一根或多根的光纖按照一定方式組成。

按照光纜內使用的光纖種類的不同，可以將光纜分為單模光纜和多模光纜，即使用單模光纖的光纜為單模光纜，使用多模光纖的光纜為多模光纜。因此，單模光纜和多模光纜分別擁有對應光纖的光傳輸特性。

4.3.3  光電混合纜

圖4-6 光電混合纜結構示意圖

光電混合纜是網絡系統中將光纖傳輸、電源傳輸合為一體的一種復合線纜。它是一種集光纖、輸電銅線于一體的新型接入方式，可以同時解決設備用電、信號傳輸的問題，具有外徑小、重量輕、占用空間小的優點，同時具備較好的可擴展性、優越的彎曲性能和良好的耐側壓性能。

在網絡業務中，為保證其正常運行，一般需要通過線纜解決設備供電和數據傳輸兩個問題。但是，在一些網絡部署場景下，安裝環境較復雜，光纜和電纜單獨布線較困難，此時，選用光電混合纜就能僅通過一根線纜同時解決供電和數據傳輸問題，降低布線難度。

4.4   光模塊

光模塊是進行光/電和電/光轉換的光電子器件，由光電子器件（包括發射和接收兩部分）、功能電路和光接口等組成。光模塊主要應用在光通信設備上，將光通信設備主板連接到光纖光纜網絡，是光通信設備和其他設備之間傳輸信號的載體。

按照封裝形式分類，光模塊可分為SFF、GBIC、SFP、SFP+、XFP、XENPAK、X2、SFP28、CFP、QSFP、QSFP+、QSFP28類型，其中，SFP、SFP+、XFP、QSFP+是目前較常用的幾種。SFP為千兆光模塊，也是目前應用最廣的光模塊類型。SPF+是SPF的增強版本，與XFP同為萬兆光模塊，但相比于SPF+，XFP光模塊內封裝了信號調制、串行/解串器、MAC、時鐘和數據恢復(CDR)，以及電子色散補償(EDC)功能，因此，尺寸也相對SPF+更大，當設備板卡內未封裝上述功能時，可以選擇XFP光模塊。QSFP+是40G光模塊，相比SPF、SFP+光模塊尺寸更大。CFP和QSFP28均為100G光模塊，雖然傳輸速率較大，但考慮應用需求及成本問題，目前千兆、萬兆光模塊仍然是主流。

表4-1 各類光模塊傳輸速率

5 光網絡技術優勢

●    光纖與銅纜對比

 ○  傳輸距離和速率。銅纜的傳輸距離一般不超過100米，目前最大傳輸速率可達  40Gbps；而單模光纖的最大傳輸距離可達100km，最大傳輸距離可達100Gbps或更高。

 ○  使用壽命。銅纜壽命較短易老化，老化后需要重新部署；而光纖壽命長且耐腐蝕。

 ○ 傳輸性能。銅纜功率損耗較大，易受電磁干擾影響，且易被竊取，安全性較低；而光纜功率損耗較小，不受電磁干擾影響，且竊取較困難，安全性更高。

●    光網絡與傳統網絡對比

以以太全光網絡為例，對傳統網絡和光網絡進行對比。

圖5-1 光網絡與傳統網絡對比圖

○ 傳輸性能好。光網絡使用光纖作為介質，相比于傳統網絡使用銅纜作為介質，在數據傳輸距離、傳輸速率、傳輸容量及安全性上均有較大優勢。

○ 網絡結構簡單。傳統以太網一般使用三層物理架構，即核心、匯聚和接入三層，而光網絡發展至今，已經從最初的三層物理架構簡化到當前以二層架構為主的方案。

○ 可擴展性強。傳統網絡信息點復雜，當帶寬變化時需要重新規劃和部署走線，無法滿足企業業務快速迭代的需求，而光網絡在網絡擴展上更加便捷。例如極簡以太全光網絡采用光纖入室方案，當帶寬變化時，房間內的桌面交換機安裝部署更加便捷，業務擴展更加方便。

6 總結

隨著人工智能、大數據等技術的發展，數據傳輸、處理量呈現急劇增長的態勢，因此對帶寬的需求也不斷提高。光網絡因其快速高效的光纖傳輸技術以及網絡結構優勢，逐漸替代傳統的銅纜通信網絡，成為許多大型網絡基礎設施的重要組成部分。隨著5G等趨勢的成熟，未來光網絡也將在我們日益數字化的世界中發揮重要作用。

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