全光网络浅析

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摘 要：阐述了全光网络是未来信息发展的一个必然趋势，分别介绍了全光网络的组成、结构、优越性、100 Gb/s所面临的问题、安全隐患及探讨中的保护措施，进而从一定层面上呈现给读者一个全光网络的总体特征。

关键词：全光网络；100 Gb/s；通信；信息趋势

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）05-0054-03

0 引 言

随着通信技术的发展，全光网络（ALL Optical Network）已经成为未来信息传输的一个必然趋势。全光网络是指用户与用户之间的通信在源点到目的节点之间的传输完全采用光信号，中间节点交换使用光交叉连接设备。本文就全光网络的组成、结构、性能、安全等问题进行了概述。

1 数据传输面临的问题

截至到目前，互联网以及无线网络的数据传输，依然以端对端的数据传输为主。近年来，随着云计算的应用、高清IPTV和在线网络游戏等高清互动多媒体业务的开发，对流量提出了更高的要求。在网络流量中，传统音频数据比重呈下降趋势，而包括视频和其他形式的综合数据传输比重在上升。预计5年后，网络视频用户将达到2.65亿，主导是PC视频（将从目前23﹪ 上升到2015年的45﹪）和移动互联网（比固网流量增速1倍）。预计全球未来5年，IP流量的年增长率可高达46﹪。

在我国，虽然传输需求的增长有所下降，但因基数较大，所以净增长率仍会高达60﹪～70﹪，即对干线网络带宽需求将是目前的10～15倍。而目前我国采用的技术通常是10 Gb/s为基础的长途DWDM网。2009年，多家运营商开始筹备40 Gb/s长途DWDM网，显然也无法满足5年后容量增长的需求。由此，部署100 Gb/s为形势所迫，同时伴随的还有可靠性、QoS保障、组播、业务分离等技术的配套，才能满足新的增值业务。

2 全光网络的组成

全光网络系统通常采用点到多点树型拓扑。其组成涵盖三部分，图1所示是其系统组成。其中，OLT（Optical Line Terminal，光线路终端） 位于城域网边缘，是接入层的核心设备，为多业务提供平台，同时支持IP业务和传统的TDM业务。OLT可采用广播方式将数据、视频等各项业务通过光分配网络到所有的光网络单元，又可采用时分复用方式将来自各个光网络单元的各个业务信息汇集到同一根光纤到OLT接收端（保证个体的完整性）。此外，OLT还是一个集中网络管理平台，针对不同用户需求，QoS动态分配带宽，实施网络安全和管理配置。

ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）是OLT和光网络单元之间的光纤连接，由一个或多个光分路器和光纤线路组成，完成两者之间的信息传递和分配。一个OLT连接一个ODN，一个ODN可以连接多个光网络单元，即配置方式是一点到多点。这样就可充分利用光传输介质和OLT的光电设备。当OLT与光网络单元间的最远距离小于20 km时，效果最好。

ONU（Optical Network Unit，光网络单元）位于ODN和用户设备之间，具有光电转换功能。ONU网络侧有光接口，用户侧有点接口，ONU的作用就是提供光电接口的转换。将不同的数据、语音、多媒体等信息由光纤分配到不同的业务端口上，完成对电信号的处理、管理和维护。

图1 无源光网络系统组成

3 全光网络的结构

全光网络就是用户之间的通信、在源节点到目的节点之间的传输完全采用光信号，中间节点的交换使用光交叉连接设备（Optical Cross Connect，OCC）。OCC容量大，可靠性高，节能，这样就克服了通信网络中电子器件的带宽限制、时钟偏移、高能耗等弊病。

全光网络常用的网络结构是树型结构，使用的分光器具有点到多点的分合功能。此外，还有总线型和环型。其中，总线型雷同于树型。环型结构对每个ONU来说，信号可以沿两个方向到达OLT，保障性能好。

4 全光网络的特点

全光网络的本真是用户与用户间传输和交换过程中的信号都是以光信号的形式进行的，所以它的特点主要有：

一是传输容量大。全光网络充分利用了光纤巨大带宽资源，有极大的传输容量，可提供上下行对称1.25 Gb/s线路传输速率，能完成超长距离、超大容量、无中继的通信。

二是传输质量好。全光网络没有光电转换，也就没有了光电转换中的信号衰减和误差率的增加，克服了节点的电子处理瓶颈，进而表现出高的处理速率和低的误码率。全光网络系统的分组包丢失率，在上下行业务流量各为1 Gb/s情况下，其PON（Passive Optical Networks）接口上、下行分组包丢失率分别小于10%和5%。传输时延，在系统网络侧接口和ONU用户侧接口间的转发时延，在业务量不超过该系统吞吐量的90%的情况下，其上、下行方向的传输时延分别小于1.5 ms和1 ms。

三是有结构优势。全光网络是透明光通路连接，对传统的时分多路（TDM）信号，它采用的是仿真CESoP技术，通过分组交换恢复TDM业务。对于传统TDM业务在传输过程中受影响最大的时延和抖动，光网络采用了众多技术予以克服，以补偿较大的数据包抖动，严密控制其质量。全光网络系统支持QoS，QoS支持TDM信号以及视频信号的传递。光网络系统的带宽特点在高清晰视频的传输上体现了极大的优势，特别是多播和可控多播的支持，非常适应视频业务的传输。

此外，全光网络的兼容性、扩展性、重构性等均好。兼容性好，可与现有的通信网络及未来的宽带数据网兼容，并支持未来网络升级。扩展性好，引进新节点，不影响原来网络结构和节点性能，能融合宽带上网、IPTV、VOIP和智能小区以太网通道等业务终端。重构性好，根据通信容量的需要，可动态改变网络结构。网络可平滑升级，带宽和用户数量可随机控制，很容易过渡到10GEPON 。

全光网络的集成度很高。一块OLT上PON接口板就有8个PON业务光口，按每个PON口1∶64分光计算，可以提供512个接入点。还有就是它的透明性，对传输码率、数据格式、调制方式没有限制。鉴于全光网络沿途没有光/电转换与存储，网络中许多器件都是无源器件，可靠性高，利于维护与管理。

5 100 Gb/s 面临的问题

目前，我国通常采用的技术是以10 Gb/s为基础的长途DWDM网。中国电信和中国联通于2009年开始筹建40 Gb/s为基础的长途DWDM网，但仍无法满足5年后容量增加10～15倍的需要。未雨绸缪，部署100 Gb/s为基础的长途DWDM网是必然的长远选择。

目前100 Gb/s系统尚未成熟，还面临一系列的技术挑战。从实际技术环境看，在一条光纤上进行复用，随着参与复用的光波的增加，对光复用器的精度和光纤的质量等都是极大的挑战。其中最核心的挑战是在现有10 Gb/s速度基础上架构容纳100 Gb/s系统，需要解决的紧迫问题有光信噪比（OSNR）、极化膜色散（PMD）容限、频率效率以及色度色散（CD）等。其中OSNR、PMD和频率效率必须改进10倍，CD必须改进100倍。

针对这些问题，已经开始了一些攻关。如调制格式，倾向采用相干双极化四相相移键控码（DPQPSK）；采用高编码增益的软判决前向纠错（SDFEC）；采用无色散设计等。然而仅仅解决技术上的问题还不够，还要考虑传输成本问题。更高的传输速率必须满足成本效应的前提。通常每次的技术进步，都要求传输费用在每比特的参照基础上下降30%～40%，才能适应市场，获得认可。此外，还要兼顾整个数据传输网络整体的稳定性。优势是100 Gb/s光网在标准方面已基本完善。

6 全光网络的安全问题

6.1 安全隐患

全光网络的安全隐患可归纳为以下几点：

一是源于全光网络的上、下行传播方式。其下行方向的特点是共享介质。对于下行的广播数据，每个ONU接收与否，只取决于它得到的逻辑链路标识。这样，若攻击者把ONU设置成混杂模式，其后果是，或者可以接收到所有下行数据、下行控制帧、OAM帧……或者接收到授权信息，网络的管理信息，更严重的涂改系统参数、毁坏系统。全光网络上行是拓扑结构，即ONU多点数据经过合路后到达一点光线路终端。光分路器具单向性，ONU数据只传给OLT，ONU之间无互通性。但若攻击者窃听到某个合法的ONU相关信息，就可以制造出以假乱真，破坏信息的真实性。

二是未加保护的光纤受攻击者利用。例如，在光纤中注入噪声可以产生服务中断而形成拒绝服务攻击；利用四波混频产生的串扰导致网络信道中的光信号失真；利用微弯产生的光辐射信号影响光信号在光纤的传输，进而产生服务中断的现象等。在这类攻击中，若错误信号能量幅度大于正常信号，二者通过EDFA（Erbium Doped Fiber Am–plifier，掺饵光纤放大器）时，错误信号有更多的放大倍数，正常信号将被减弱。至此，诸个放大器的累积效果使整个网络系统无法正常运行。还有一类攻击是搭线窃听，利用超过光纤传输距离的光信号要进行“光信号电信号光信号”之间转换的契机，攻击转换中的元器件，窃听有效信息，破坏整个网络。

三是全光网络中的数据速率快、流量大，即使遭遇短暂的攻击，也会有大量数据被破坏或解密。

第四，全光网络不具备重建数据流的能力。透明节点不能识别信号的调制和编码格式，无法定位攻击点和故障出处。

另外，网络中传输的多个波长信道间的串扰，也会给网络带来影响。

6.2 安全保护实施

全光网络的安全保护可分为光网络主干的保护和光网络信息的安全保护两方面。光网络主干的保护包括加固光纤保护层，开发对弯曲不敏感的光纤，设计安全性能更强的组件和网络设备，使用限幅放大器进行放大，采用均衡技术来均衡不同波长的光的功率等。

光网络信息的安全保护措施包括如下几个方面：

（1） 全光网络的数字包封技术。

（2） 加密。光网络下行是广播方式，对不同的业务，采用不同的加密方式。如系统配置和管理的控制信息，采用三重搅动加密；视频、音频采用128位的AES加密；上行链路在ONU端可对包括OAM帧和MPCP帧的控制帧进行加密，密码定期更新。

（3） 虚拟局域网（VLAN）隔离。将不同的用户、不同的业务限制在不同的VLAN中，VLAN之间没有联系。

（4） 认证用户身份。建立合法用户数据库。注册每个ONU且分配一个合法的ID，验证无误后方可发送数据，以期阻断伪造注册者伪造上行数据对系统的破坏。

7 结 语

全光网络以其高传输带宽、高处理能力和抗电磁干扰能力的特点，将逐步替代现有的网络和光电网络。随着EPON、GPON技术和产业链的成熟，光纤到户（FTTH）已经成为国内外运营商宽带网络建设和升级的主要方式。全光网络是通信网络发展的大趋势。

参 考 文 献

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