全光網(wǎng)絡(luò)淺析

引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)（ALLOpticalNetwork）已經(jīng)成為未來信息傳輸?shù)囊粋€必然趨勢。全光網(wǎng)絡(luò)是指用戶與用戶之間的通信在源點到目的節(jié)點之間的傳輸完全采用光信號，中間節(jié)點交換使用光交叉連接設(shè)備。本文就全光網(wǎng)絡(luò)的組成、結(jié)構(gòu)、性能、安全等問題進行了概述。

1數(shù)據(jù)傳輸面臨的問題

截至到目前，互聯(lián)網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，依然以端對端的數(shù)據(jù)傳輸為主。近年來，隨著云計算的應(yīng)用、高清IPTV和在線網(wǎng)絡(luò)游戲等高清互動多媒體業(yè)務(wù)的開發(fā)，對流量提出了更高的要求。在網(wǎng)絡(luò)流量中，傳統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)比重呈下降趨勢，而包括視頻和其他形式的綜合數(shù)據(jù)傳輸比重在上升。預(yù)計5年后，網(wǎng)絡(luò)視頻用戶將達到2.65億，主導(dǎo)是PC視頻（將從目前23%上升到2015年的45%）和移動互聯(lián)網(wǎng)（比固網(wǎng)流量增速1倍）。預(yù)計全球未來5年，IP流量的年增長率可高達46%。

在我國，雖然傳輸需求的增長有所下降，但因基數(shù)較大，所以凈增長率仍會高達60%~70%，即對干線網(wǎng)絡(luò)帶寬需求將是目前的10~15倍。而目前我國采用的技術(shù)通常是10Gb/s為基礎(chǔ)的長途DWDM網(wǎng)。2009年，多家運營商開始籌備40Gb/s長途DWDM網(wǎng)，顯然也無法滿足5年后容量增長的需求。由此，部署100Gb/s為形勢所迫，同時伴隨的還有可靠性、QoS保障、組播、業(yè)務(wù)分離等技術(shù)的配套，才能滿足新的增值業(yè)務(wù)。

2全光網(wǎng)絡(luò)的組成

全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常采用點到多點樹型拓撲。其組成涵蓋三部分，圖1所示是其系統(tǒng)組成。其中，OLT（OpticalLineTerminal，光線路終端）位于城域網(wǎng)邊緣，是接入層的核心設(shè)備，為多業(yè)務(wù)提供平臺，同時支持IP業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)的TDM業(yè)務(wù)。OLT可采用廣播方式將數(shù)據(jù)、視頻等各項業(yè)務(wù)通過光分配網(wǎng)絡(luò)到所有的光網(wǎng)絡(luò)單元，又可采用時分復(fù)用方式將來自各個光網(wǎng)絡(luò)單元的各個業(yè)務(wù)信息匯集到同一根光纖到OLT接收端（保證個體的完整性）。此外，OLT還是一個集中網(wǎng)絡(luò)管理平臺,針對不同用戶需求，QoS動態(tài)分配帶寬，實施網(wǎng)絡(luò)安全和管理配置。

ODN（OpticalDistributionNetwork，光分配網(wǎng)絡(luò)）是OLT和光網(wǎng)絡(luò)單元之間的光纖連接，由一個或多個光分路器和光纖線路組成，完成兩者之間的信息傳遞和分配。一個OLT連接一個ODN，一個ODN可以連接多個光網(wǎng)絡(luò)單元，即配置方式是一點到多點。這樣就可充分利用光傳輸介質(zhì)和OLT的光電設(shè)備。當OLT與光網(wǎng)絡(luò)單元間的最遠距離小于20km時,效果最好。

ONU(OpticalNetworkUnit,光網(wǎng)絡(luò)單元)位于ODN和用戶設(shè)備之間，具有光電轉(zhuǎn)換功能。ONU網(wǎng)絡(luò)側(cè)有光接口，用戶側(cè)有點接口，ONU的作用就是提供光電接口的轉(zhuǎn)換。將不同的數(shù)據(jù)、語音、多媒體等信息由光纖分配到不同的業(yè)務(wù)端口上，完成對電信號的處理、管理和維護。

全光網(wǎng)絡(luò)就是用戶之間的通信、在源節(jié)點到目的節(jié)點之間的傳輸完全采用光信號，中間節(jié)點的交換使用光交叉連接設(shè)備(OpticalCrossConnect，OCC)。OCC容量大，可靠性高，節(jié)能，這樣就克服了通信網(wǎng)絡(luò)中電子器件的帶寬限制、時鐘偏移、高能耗等弊病。

全光網(wǎng)絡(luò)常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是樹型結(jié)構(gòu)，使用的分光器具有點到多點的分合功能。此外，還有總線型和環(huán)型。其中，總線型雷同于樹型。環(huán)型結(jié)構(gòu)對每個ONU來說，信號可以沿兩個方向到達OLT，保障性能好。

4全光網(wǎng)絡(luò)的特點

全光網(wǎng)絡(luò)的本真是用戶與用戶間傳輸和交換過程中的信號都是以光信號的形式進行的，所以它的特點主要有：

一是傳輸容量大。全光網(wǎng)絡(luò)充分利用了光纖巨大帶寬資源，有極大的傳輸容量，可提供上下行對稱1.25Gb/s線路傳輸速率，能完成超長距離、超大容量、無中繼的通信。

二是傳輸質(zhì)量好。全光網(wǎng)絡(luò)沒有光電轉(zhuǎn)換，也就沒有了光電轉(zhuǎn)換中的信號衰減和誤差率的增加，克服了節(jié)點的電子處理瓶頸，進而表現(xiàn)出高的處理速率和低的誤碼率。全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分組包丟失率，在上下行業(yè)務(wù)流量各為1Gb/s情況下，其PON(PassiveOpticalNetworks)接口上、下行分組包丟失率分別小于10%和5%。傳輸時延，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口和ONU用戶側(cè)接口間的轉(zhuǎn)發(fā)時延，在業(yè)務(wù)量不超過該系統(tǒng)吞吐量的90%的情況下，其上、下行方向的傳輸時延分別小于1.5ms和1ms。

三是有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。全光網(wǎng)絡(luò)是透明光通路連接，對傳統(tǒng)的時分多路(TDM)信號，它采用的是仿真CESoP技術(shù)，通過分組交換恢復(fù)TDM業(yè)務(wù)。對于傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)在傳輸過程中受影響最大的時延和抖動，光網(wǎng)絡(luò)采用了眾多技術(shù)予以克服,以補償較大的數(shù)據(jù)包抖動，嚴密控制其質(zhì)量。全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持QoS,QoS支持TDM信號以及視頻信號的傳遞。光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的帶寬特點在高清晰視頻的傳輸上體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢，特別是多播和可控多播的支持，非常適應(yīng)視頻業(yè)務(wù)的傳輸。

此外，全光網(wǎng)絡(luò)的兼容性、擴展性、重構(gòu)性等均好。兼容性好，可與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)及未來的寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)兼容，并支持未來網(wǎng)絡(luò)升級。擴展性好，引進新節(jié)點，不影響原來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點性能，能融合寬帶上網(wǎng)、IPTV、VOIP和智能小區(qū)以太網(wǎng)通道等業(yè)務(wù)終端。重構(gòu)性好，根據(jù)通信容量的需要，可動態(tài)改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)可平滑升級，帶寬和用戶數(shù)量可隨機控制，很容易過渡到10GEPON。

全光網(wǎng)絡(luò)的集成度很高。一塊OLT上PON接口板就有8個PON業(yè)務(wù)光口，按每個PON口1:64分光計算，可以提供512個接入點。還有就是它的透明性，對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式、調(diào)制方式?jīng)]有限制。鑒于全光網(wǎng)絡(luò)沿途沒有光/電轉(zhuǎn)換與存儲，網(wǎng)絡(luò)中許多器件都是無源器件，可靠性高，利于維護與管理。

5100Gb/s面臨的問題

目前，我國通常采用的技術(shù)是以10Gb/s為基礎(chǔ)的長途DWDM網(wǎng)。中國電信和中國聯(lián)通于2009年開始籌建40Gb/s為基礎(chǔ)的長途DWDM網(wǎng)，但仍無法滿足5年后容量增加10~15倍的需要。未雨綢繆，部署100Gb/s為基礎(chǔ)的長途DWDM網(wǎng)是必然的長遠選擇。

目前100Gb/s系統(tǒng)尚未成熟，還面臨一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。從實際技術(shù)環(huán)境看，在一條光纖上進行復(fù)用，隨著參與復(fù)用的光波的增加，對光復(fù)用器的精度和光纖的質(zhì)量等都是極大的挑戰(zhàn)。其中最核心的挑戰(zhàn)是在現(xiàn)有10Gb/s速度基礎(chǔ)上架構(gòu)容納100Gb/s系統(tǒng)，需要解決的緊迫問題有光信噪比(OSNR)、極化膜色散(PMD)容限、頻率效率以及色度色散(CD)等。其中OSNR、PMD和頻率效率必須改進10倍，CD必須改進100倍。

針對這些問題，已經(jīng)開始了一些攻關(guān)。如調(diào)制格式，傾向采用相干雙極化四相相移鍵控碼(DPQPSK)；采用高編碼增益的軟判決前向糾錯(SDFEC)；采用無色散設(shè)計等。然而僅僅解決技術(shù)上的問題還不夠，還要考慮傳輸成本問題。更高的傳輸速率必須滿足成本效應(yīng)的前提。通常每次的技術(shù)進步，都要求傳輸費用在每比特的參照基礎(chǔ)上下降30%~40%,才能適應(yīng)市場，獲得認可。此外，還要兼顧整個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)整體的穩(wěn)定性。優(yōu)勢是100Gb/s光網(wǎng)在標準方面已基本完善。

6全光網(wǎng)絡(luò)的安全問題

6.1安全隱患

全光網(wǎng)絡(luò)的安全隱患可歸納為以下幾點：

一是源于全光網(wǎng)絡(luò)的上、下行傳播方式。其下行方向的特點是共享介質(zhì)。對于下行的廣播數(shù)據(jù)，每個ONU接收與否,只取決于它得到的邏輯鏈路標識。這樣，若攻擊者把ONU設(shè)置成混雜模式，其后果是，或者可以接收到所有下行數(shù)據(jù)、下行控制幀、OAM幀……或者接收到授權(quán)信息，網(wǎng)絡(luò)的管理信息，更嚴重的涂改系統(tǒng)參數(shù)、毀壞系統(tǒng)。全光網(wǎng)絡(luò)上行是拓撲結(jié)構(gòu)，即ONU多點數(shù)據(jù)經(jīng)過合路后到達一點一光線路終端。光分路器具單向性，ONU數(shù)據(jù)只傳給OLT，ONU之間無互通性。但若攻擊者竊聽到某個合法的ONU相關(guān)信息，就可以制造出以假亂真，破壞信息的真實性。

二是未加保護的光纖受攻擊者利用。例如，在光纖中注入噪聲可以產(chǎn)生服務(wù)中斷而形成拒絕服務(wù)攻擊；利用四波混頻產(chǎn)生的串擾導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信道中的光信號失真；利用微彎產(chǎn)生的光輻射信號影響光信號在光纖的傳輸，進而產(chǎn)生服務(wù)中斷的現(xiàn)象等。在這類攻擊中，若錯誤信號能量幅度大于正常信號，二者通過EDFA(ErbiumDopedFiberAm-plifier,摻餌光纖放大器)時,錯誤信號有更多的放大倍數(shù)，正常信號將被減弱。至此,諸個放大器的累積效果使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法正常運行。還有一類攻擊是搭線竊聽，利用超過光纖傳輸距離的光信號要進行“光信號一電信號一光信號”之間轉(zhuǎn)換的契機，攻擊轉(zhuǎn)換中的元器件，竊聽有效信息，破壞整個網(wǎng)絡(luò)。

三是全光網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)速率快、流量大，即使遭遇短暫的攻擊，也會有大量數(shù)據(jù)被破壞或解密。

第四，全光網(wǎng)絡(luò)不具備重建數(shù)據(jù)流的能力。透明節(jié)點不能識別信號的調(diào)制和編碼格式，無法定位攻擊點和故障出處。

另外，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩鄠€波長信道間的串擾，也會給網(wǎng)絡(luò)帶來影響。

6.2安全保護實施

全光網(wǎng)絡(luò)的安全保護可分為光網(wǎng)絡(luò)主干的保護和光網(wǎng)絡(luò)信息的安全保護兩方面。光網(wǎng)絡(luò)主干的保護包括加固光纖保護層，開發(fā)對彎曲不敏感的光纖，設(shè)計安全性能更強的組件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使用限幅放大器進行放大，采用均衡技術(shù)來均衡不同波長的光的功率等。

光網(wǎng)絡(luò)信息的安全保護措施包括如下幾個方面：

全光網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字包封技術(shù)。

加密。光網(wǎng)絡(luò)下行是廣播方式，對不同的業(yè)務(wù)，采用不同的加密方式。如系統(tǒng)配置和管理的控制信息，采用三重攪動加密；視頻、音頻采用128位的AES加密；上行鏈路在ONU端可對包括OAM幀和MPCP幀的控制幀進行加密，密碼定期更新。

虛擬局域網(wǎng)(VLAN)隔離。將不同的用戶、不同的業(yè)務(wù)限制在不同的VLAN中，VLAN之間沒有聯(lián)系。

認證用戶身份。建立合法用戶數(shù)據(jù)庫。注冊每個ONU且分配一個合法的ID,驗證無誤后方可發(fā)送數(shù)據(jù)，以期阻斷偽造注冊者偽造上行數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的破壞。

7結(jié)語

全光網(wǎng)絡(luò)以其高傳輸帶寬、高處理能力和抗電磁干擾能力的特點，將逐步替代現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和光電網(wǎng)絡(luò)。隨著EPON、GPON技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，光纖到戶(FTTH)已經(jīng)成為國內(nèi)外運營商寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和升級的主要方式。全光網(wǎng)絡(luò)是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢。

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