导读：
全光网络普遍被认为包含以太全光和PON两大类，本章着重介绍PON网络涉及的ONU、OLT、ODN及PON网络冗余技术，以及不同规模下如何进行全光网络组网。
全光网络是近些年大热的话题，上期我们分享了在客户应用驱动和技术发展的双重作用下，全光网络无可避免地成为下一代园区网络的未来。
目前业界主流看法认为，全光网络一般使用单模光纤为介质，使用以太交换设备或PON设备组网，允许设备节点存在一定的光电转换，因此全光网络包括以太全光和PON（Passive Optical Network，无源光网络）两大类。
那么全光网络中使用到哪些关键技术？在不同的场景下的应用方案是怎样的呢？今天就为大家做个系统性的介绍。
首先介绍PON网络。让我们看一下PON网络的结构示意图。
图1 PON网络结构示意图
图1中可见，从OLT到ONU的部分全部为光传输，分光器物理分光，不存在光电转换，也不需要电源供电，是完全的无源光网络。
PON网络涉及以下三个最重要的全光技术：
1、PON网络的数据收发。PON网络中最关键的通信网元称为OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）和ONU（Optical Network Unit，光网络单元）。
2、ODN网络（Optical Distribution Network，光分配网络），其作用是为OLT和ONU之间提供光传输通道。
3、PON网络冗余保护技术，提供设备冗余和链路冗余来保障高可靠性。
下面针对PON网络的数据收发、ODN网络和PON网络冗余保护技术进行详细介绍：
一、PON网络的数据收发
OLT与ONU作为PON网络边界，承担数据转换为光信号进行发送，并接收光信号转换为数据进一步传输的任务。目前OLT和ONU存在两种主流标准协议：EPON和GPON。
EPON：由IEEE 802.3ah-2004定义，全称Ethernet Passive Optical Network，意为以太网无源光网络，用于在无源光网络中传输802.3以太帧，与以太网具有较好的兼容性。IEEE802.3av定义了10G EPON（简称XEPON），将速率提高到10G。GPON：由ITU-T G.984.x系列标准定义，全称Gigabit-Capable Passive Optical Network，意为千兆无源光网络，需要将以太帧转换为GEM帧传输。ITU-T G.987.x系列标准定义了非对称10G GPON（简称XG-PON），将下行速率提高到10G，上行速率提高到2.5G。ITU-T G.9807.1定义了对称10G GPON（简称XGS-PON），将上下行速率均提高到10G。虽然EPON和GPON采用不同的封装和处理技术，但在OLT和ONU之间进行光收发的机制类似。
首先将ONU注册到OLT，由OLT为ONU分配唯一的ID，然后OLT为每个ONU下发不同的配置，最后将数据按照对应协议处理，转化为光信号发送和接收。
OLT发送给ONU的数据，称为“下行”数据，传播方式为P2MP，即点到多点。
图2 OLT数据下行广播方式示意图（说明：POS为分光器简称）
由图2可见，OLT将发送给ONU的数据标记ONU的ID后合并一路发送，在分光器根据分光比分成相同的多份发送给ONU，而ONU仅处理标记自己ID的数据，丢弃不属于自己的数据。
反过来，ONU发送给OLT的数据，称为“上行”数据，采用时分复用的方式实现多对一。每个ONU的发送时隙均由OLT统一分配，每个ONU只能在属于自己的时隙发送数据。时隙的分配原则可以根据不同业务需求配置，最简单的方式是平均分配，也可以根据ONU上连接的业务优先级实现高优先级业务的质量保障。
图3 OLT数据上行时分复用方式示意图
由图3所示，每个ONU将从用户收到的数据先缓存，在属于自己的时隙（slot x）再全速发送。上行数据在分光器合并为一路发送到OLT，OLT根据分配的时隙解析出不同ONU的数据。图3中ONU1和ONU2分配的时隙较长，ONU3分配的时隙较少，并且在一个发送周期中ONU1是最靠前的时隙，则ONU1的数据总是最优先发送，而ONU3仅能满足少量上行数据的发送。
从OLT和ONU的数据传输方式可以看出，这种方式非常适合需要高速下载的场景，而以高速上传为主的场景，使用PON网络的优势就不明显了。
二、ODN网络
ODN网络的特征是：无源，物理分光，不对光携带的信息做任何改变。
ODN网络主要由光纤和分光器（也称为POS）组成，采用树形结构分光，可以根据部署的需要采用一级分光或多级分光。一般不会超过二级分光。
图4 分光器示意图
常见的分光器采用等比分光，使用分光比M：N来表示分光结果。
比如分光比为1:2，表示将1路光平均分为2路。如果不考虑各种损耗，1:2分光后每路光的光功率为分光前的1/2。
M取值为1或2。在启用光链路冗余保护时，M可能会使用2，需要使用特定的分光器。
N取值为2的多次方，比如2、4、8、16、32等。1G EPON和GPON中，N最大值为64。考虑光衰等因素，也为了保障ONU上接入速率满足用户需求，一般实际使用中不会超过32。
10G EPON和10G GPON中，N最大值可达到128。
三、PON网络冗余保护技术
网络的高可靠性一般体现在设备和链路的冗余保护。设备的冗余保护有IRF堆叠技术、DRNI、VRRP等技术，均是将两台设备虚拟为一台，对于下联的接入设备，认为只需要与一台设备进行数据传输。
在PON网络中，为了应对OLT和ONU之间的单点故障风险，标准定义了四种PON冗余方式：typeA/B/C/D，就保护程度来说，D>C>B>A。
图5 PON网络冗余保护技术示意图
目前Type C和Type D要求ONU双PON口上行，成本高一些，同时Type D比Type C多使用一倍的MAC资源，而Type A保护程度不够强，所以业界目前主要使用的是Type B和Type C，其中Type B使用最为广泛，Type C仅在需要高等级保障时使用，如医疗场景中的远程手术。
Type B保护有两种方式：
1、单归属方式
单台OLT两个下行PON口形成一组主备关系，构成Type B保护。当其中一个端口或链路故障时，自动启用另外一个冗余口继续工作。这种方式不能对设备故障进行保护。
图6 OLT Type B单归属方式保护示意图
2、双归属方式
两台OLT形成一个虚拟设备组，每台OLT有一个下行PON口一起形成一组主备关系，构成Type B保护。这种方式可以实现设备级和链路级的故障保护。
图7 OLT Type B双归属方式保护示意图
经过上述全光技术介绍，相信大家已经对于PON网络如何运行有了一定了解，如何将以上技术真正体现在网络中呢？还需要通过对应的全光产品和组网方案才能实现。
首先介绍一下PON网络中主要的网络产品：
OLT：存在两种产品形态：独立OLT设备或交换机上的OLT插卡。插卡方式可以复用已有交换机机框，非常适合旧网平滑升级场景，也可以兼容已有的设备级可靠性，并提供PON链路级冗余保护。同时，插卡方式也确保可以在同一机框承载以太、EPON、XEPON、GPON、XG(S)PON；ONU：主要有三种产品形态：ONU交换机、ONU AP以及ONU Stick。ONU交换机上联分光器，下行口包括多个以太接口（如图8-a），可能还有电话接口和电视接口等，部分支持标准POE的ONU可以为其下联AP供电（如图8-b）。ONU AP是可以直接连接分光器的AP（如图8-c），主要提供Wi-Fi接入，还可以有少量以太口接入，但ONU AP需要本地供电，可以多个AP在本机集中供电。ONU AP有两大类，一类是瘦AP，由无线AC集中管理，另一类是无线家庭网关AP，类似一个胖AP，不能被无线AC管理，支持网关、NAT等功能，也可提供少量以太口接入。ONU Stick是一种光模块ONU（如图8-d），插入以太交换机或AP的光口，上联分光器，可以使以太网设备无需适配即可接入PON网络。
图8 ONU连接示意图
ONU根据上下行速率不同，存在对称和非对称两种模式的产品，可以为多种不同场景提供合适的产品。
协议类型
EPON
XEPON
GPON
XGPON
XGSPON
模式
对称
非对称
对称
非对称
非对称
对称
下行速率
1G
10G
10G
2.5G
10G
10G
上行速率
1G
1G
10G
1.25G
2.5G
10G
为了实现光纤入室，多数ONU采用无风扇自然散热的方式，使ONU可以入室部署。
分光器：属于无源设备，提供M:N物理分光。多数为等比分光。目前业界也有采用不等比分光的ODN组网，分光器需要定制，分光原理复杂，串联多级分光也增加了故障影响范围，所以不等比分光并不是主流方式。
有了全光产品，根据使用场景将全光产品部署到网络中形成全光网络。
在传统以太网中，一般会赋予网络设备三个层级：核心层、汇聚层和接入层。PON网络同理。
图9 大规模全光网络典型组网图
图10 小规模全光网络典型组网图
在大规模全光网络中，OLT设备往往位于汇聚交换机的位置，可以是单独的OLT设备，也可以是汇聚交换机上的OLT插卡（如图9）。如果是小规模全光组网，如图10所示，核心层与汇聚层合一，以OLT插卡方式部署于核心交换机上，一框即可搞定 。无论是哪种类型，分光器可部署在楼栋或楼层的弱电间，ONU对应接入层，部署在楼道或入室，甚至桌面。由于分光器的无源和免运维，实现弱电间免运维，减少了运维难度和工作量，这也是全光网络一大优势。
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