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全光网络的对比分析探讨及应用

时间:2021-09-17      【作者】 admin    阅读

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。

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

 

PON技术

线路速率

分光比

上行速率

下行速率

理论最大值

EPON

1.25G

1.25G

1:64

GPON

1.25G

2.5G

1:128

10G EPON

非对称

1.25G

10G

1:256

对称

10G

10G

1:256

10G GPON

非对称

2.5G

10G

1:512

对称

10G

10G

1:512

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

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

 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

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】

无源光网络劣势与应对

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

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。

 

 

 

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