点对点光以太网在园区网中的大规模运用设计

赵杰

（晋中职业技术学院信息技术中心 山西省晋中市 030600）

在园区网的建设中一般使用三层网络架构，分为核心层、汇聚层、接入层。其中核心层到汇聚层、汇聚层到接入层都用光纤，接入层到各房间用双绞线。双绞线技术很成熟，可靠，但也有一些不足之处。例如：带宽容量不如光纤大；长期使用接头会氧化；接入层这里要使用楼层交换机作接入，会带来很多维护工作。随着光网络技术的发展，“光进铜退”成为发展的方向。对园区网进行升级或者新建时，如果资金不是非常紧张，网络管理人员倾向于使用更多的光纤替代双绞线。使用光接入技术，建设全光网络。但使用什么样的光接入技术更具性价比呢？这就是点对点光以太网。

1 园区网中光接入技术简介

光纤到户( FTTH) 技术采用光纤作为传输媒质, 具有传输容量大、传输质量高、可靠性高、传输距离长、抗电磁干扰等优点，是未来宽带固定接入的发展方向。FTTH 的实现方式有两大类：点到点( point to point, P2P) 有源光网络和点到多点( point to multi-point, P2MP) 无源光网络(Passive Optical Network, PON)[1]。

现在最热门的接入网技术是第五代固定网络(The 5th Generation Fixed Network, F5G)。F5G网络涵盖了以10G PON、Wi-Fi 6为基础的千兆宽带接入网络，和以200G/400G、NG OTN、OXC等为基础的全光传送网络，具有大带宽、低时延、高稳定全光联接特性[2]。

其中包含的10G PON就是无源光网络PON的一种，是基于点对多点技术的。上行数据采用时分复用技术，下行数据是广播方式。这种网络本质是一种共享光纤带宽的网络架构，使用复用技术实现了节省主光缆的目的，但同时降低了网络性能。这种技术对于运营商来说是非常合适的，可以用来管理如城域网等大范围大量用户的场景。但对于大部分园区如企业、学校来说，面积不大，用户不多，不需要节省主光缆。有没有可能多布一些大芯数光缆，让用户能使用独享的光纤，并具备无源光网络的“无源”优点呢？这种设想使用点对点光以太网就可以实现。

图1：两种光网络架构比较

点对点光以太网系统是最直接的以太网光纤接人技术。每个用户通过一根／对光纤直接连接到局端以太网交换机的一个用户光接口[3]。点对点光以太网系统又有单纤双向和双纤双向两种类型。

YD/T 1807-2008中规定了基于单纤双向的点对点(PointtoPoin, P2P)光以太网接入系统的参考模型、协议栈、光网络要求业务接口、功能要求、操作维护管理、网管以及设备电气安全等方面的要求[4]。单纤双向的点对点光以太网比双纤双向的点对点光以太网节省了一半的光纤，但是需要用符合标准的单纤双向设备，价格较高、生产厂家推出的设备少。单纤双向的点对点光以太网的特点介于PON无源光网络与双纤双向的点对点光以太网之间，可根据具体需要来选用。在园区网中如果有条件布设更多的光缆，使用双纤双向的点对点光以太网更具性价比。下面重点介绍双纤双向的点对点光以太网。

双纤双向的点对点光以太网实际是最早就使用的光网络架构，技术更简单、成熟，使用也更广泛。在园区网中一些终端多、要求高的地方使用双纤双向的点对点光以太网，如计算机机房、报告厅等。以前由于成本高，无法大规模使用。现在光缆、施工、光设备的价格都降下来了，为双纤双向的点对点光以太网大规模使用创造了有利条件。

2 无源光网络与点对点光以太网架构比较

2.1 无源光网络架构原理及优缺点

基于点对多点的PON被广泛使用于家庭宽带接入当中。PON无源光网络结构如图1所示。光网络单元ONU(Optical Network Unit) 就是人们常说的光纤宽带猫有1/2/4个以太网口，企业用还有8/16/24个以太网口的,可根据需要选用。ONU通过皮线光缆或室内光缆与分光器（Optical splitter）相连。分光器是无源设备，可放在楼宇弱电间，分光器的分光比为1:2～1:64可根据带宽需求选择。分光器通过单模光缆连接核心机房的光线路终端OLT（optical line terminal），OLT再连接核心交换机。从这个网络架构可以看到，从ONU到分光器是多条光纤线路，但从分光器到OLT则是共享一条光纤线路。一个OLT接口对应多个ONU接口，是点对多点的架构。

图2：PON无源光网络核心机房光纤布线示意图

PON技术的上传与下载分别使用不同波长的光，互相之间不会冲突。上传使用时分复用的方式，轮流使用ONU到OLT的线路，一般上传数据不会很多，不影响使用。OLT是以广播的方式下发数据到ONU，ONU必然会发生等待自己数据的现象，随着网络越繁忙，等待的时间会越长。这就是PON这种点对多点架构的特点，有节省主光缆的优点，同时当终端数据流量大时，会在主光缆这里产生瓶颈。

对于运营商来说，面对的往往是一个城域网，是很大的一个范围，大量的长距离点对点光缆在成本上是不可行的。通讯管道很多都是老管道，使用了很长时间，能容纳新光缆的空间也有限。所以PON技术的这种点对多点架构，对运营商来说是很适用的。但是对于一个园区来说情况不同。一般的企业园区不会很大，布主光缆的距离不会很长，现在光缆价格不断降低，为大量使用大芯数光缆创造了有利条件。即使是旧园区改造也方便得多，如在自己管理的园区内部扩容通讯管道就容易的多，如原来的48芯光缆直径有1.5厘米左右，现在换成288芯光缆直径有2厘米左右，288芯的并没有粗多少，多占用的主通讯管道空间不会很大。如果我们能布设足够多的大芯数主光缆，就可以把网络建设或改造成点对点光以太网。

2.2 点对点光以太网架构原理及优缺点

点对点光以太网结构如图1所示。在每个房间设一个有上联光口的交换机，通过光缆连接到弱电间ODF。每个楼宇根据规模选一两处设置弱电间，弱电间设光纤配线架ODF，通过大芯数光缆连到核心机房的汇聚交换机，从汇聚交换机再连到核心交换机。每一个房间的交换机上联光端口都对应一个核心机房汇聚交换机的端口，是点对点的网络架构。

这样的结构不同于传统的三层架构。把楼层交换机由楼层改放到了每个房间，房间内可以走网线，连接大量的终端设备。现在无线设备愈来愈多，这里的交换机也可以是无线访问接入点AP(WirelessAccessPoint)。把汇聚交换机由各楼宇改放到了核心机房，各房间交换机通过光纤、ODF和汇聚交换机相连，这样各房间交换机就有直达核心机房汇聚交换机的一对独享光纤。发送与接受分走不同的光纤，不互相干扰，能使用便宜的光设备，发挥出光纤带宽容量大的优势。光路中起连接作用的ODF是无源的。一旦完成物理连接，基本上不动，不会有很多故障，需要的维护很少。中间没有有源设备，就能发挥出光纤传输远的优点。这就是点对点光以太网这种架构的特点，独享光纤带宽，不会在网络中产生产生瓶颈，同时又具有“无源”的优点，代价是要布设很多大芯数主光缆，如何建设与维护大量光纤是新的挑战。

图3：点对点光以太网接入机房光纤布线示意图

图4：点对点光以太网光纤备份示意图

在园区中如教室、会议室、运动场等需要高密度接入、高带宽的地方，就非常适合用点对点光以太网。如在教室中上课的学生都有手机，计算机系的同学一般都有电脑。以50人的班来算的话就有100台终端设备了。如果每个班都在使用网络，对于PON这样的共享带宽的网络来说就会出现拥塞。而且网络规划就要有一定的超前性，几年后不是学计算机的同学也会有电脑或各种移动终端，还有比如VR、高清影视、云主机等应用对带宽的要求会更大。如果使用点对点光以太网，每一个房间都能与核心机房直接连接，都有独享的光纤线路，这样比PON技术的共享带宽要带宽大且速度快很多。

图5：点对点光以太网光缆管道、主光缆及备份光缆示意图

用点对点光以太网比用PON建设园区网要性价比高。网络初始建设时，点对点光以太网布的光缆比PON多，但现在光缆价格已经很低了，而且光缆的使用寿命是很长的，相对网络设备来说是很保值的了。在光缆这里多投入一些，网络设备哪里少投入一些是很划算的。点对点光以太网的房间千兆交换机比千兆无源光网络GPON(Gigabit-Capable PON) 的ONU价格稍便宜，点对点光以太网的千兆汇聚交换机比GPON的OLT要便宜，但用得数量多。这样综合算下来的话两个方案成本差不多，但是千兆点对点光以太网带宽可与10GPON媲美，而10GPON的建设成本明显更高。

GPON一般是1:32的分光比，为了能满足教室、会议室、运动场等需要高密度接入、高带宽的需要，按1:8的分光比来算。每个GPON口最大下行速率2.5Gbit/s。平均下行速度为2.5/8=0.3125Gb/s。而千兆点对点光以太网的每个端口都是独享1Gb/s的。可见在建设费用差不多的情况下，千兆点对点光以太网是GPON的带宽宽的3倍。并且这样的光纤网络，线路以后基本不需要升级，可以在20到30年的时间里持续发挥作用。

如果要升级时，点对点光以太网可以针对个别房间的点位进行升级，如把1G设备换成2G～10G设备。升级PON可采用降低分光比方案和升级10 GPON方案，但是降低分光比方案需重新施工、建设复杂，升级10 GPON方案成本高[5]。点对点光以太网与PON价格差不多的情况下，可以提供高PON一代产品的带宽。作为高科技产品，网络设备的贬值速度是很快的，点对点光以太网有更多的设备可选，能平滑的升级，所以用点对点光以太网比用PON建设园区网要性价比高。而且如果需要的话主光缆部分光纤可以略过汇聚交换机直接接入核心交换机，实现真正的物理二层网络。简化结构，减少转发环节，实现更大的带宽，更快的速度。满足园区内的面向未来的应用需求。

3 点对点光以太网的大量光纤在核心机房的建设、管理问题

从图1结构对比可以看出点对点光以太网比PON的主光缆光纤数要明显增多。尤其是园区各建筑的主光缆进入核心机房后，光纤聚集起来，数量会变得非常多，面临前所未有的管理难度。要解决这个问题需要我们调整机房的布局，让光缆由聚集变成分散，进行分区管理。

PON无源光网络在核心机房内的光纤如何布线，从图2示意图可以看出，当主光缆进入核心机房后，先接入ODF，再从ODF接出单模光纤跳线走桥架接入OLT。OLT汇聚光纤后通过上联光纤接入核心交换机。由于光纤数量不是很多，在核心机房内布线、管理的难度不大。如果采用了点对点光以太网结构，进入核心机房的光缆数并不会多很多，但是光缆如采用288大芯数光缆，其中包含的总光纤芯数会很巨大。如果汇聚在光纤配线区，通过桥架进入各设备，桥架上的光纤数量巨大会导致无法正常管理、维护。为解决这个问题可采用图3的结构。

点对点光以太网在核心机房内的光纤如何布线呢？从图3示意图中可看出，主光缆进入核心机房后不聚集在配线区，而是分散开接入单独的机柜下面的ODF，再通过单模光纤跳线接入机柜上方的汇聚交换机。如288芯的光缆进入一个42U机柜，接入约6台24口汇聚交换机，还有一些空间安装其它设备。光纤在机柜内部走线，不需通过核心机房的桥架，这样大量的光纤管理就被局限在机柜内部，288芯光纤尾纤的短距离管理也不会太难。从汇聚交换机的上联口接出单模或多模光纤跳线，再通过桥架汇聚并接入核心交换机，这里涉及的光纤数量就少很多了，管理与维护的难度与以前的机房一样了。

点对点光以太网结构中使用了很多汇聚交换机，当停电时会对核心机房的UPS及电池供电提出更高的要求。这时可以只使用稳压电源对图3中左面的机柜供电，不使用UPS及电池。只对右面的核心交换机、服务器和路由器等设备提供UPS及电池。这样当停电时左面汇聚交换机会断电，不会消耗UPS电池的电力。就意味着建设UPS及电池时省了很大一部分。如果确实有一些房间需要断电时也用网络，可以把相应的光纤通过光纤跳线转接到右面机柜。

4 点对点光以太网的安全、维护

点对点光以太网使用了大芯数主干光缆，为安全和维护带来了挑战。但经过分析，发现是可以有安全保障的。如普通的48芯光缆有故障需熔接48次。288芯以上的光缆一般都使用带状光纤，带状光纤是提高光缆中的纤芯数量、光纤密度和减小光缆直径的有效方法[6]。对于288芯带状光缆，如每个光纤带12芯，只需熔接24次就可以了。除了需使用带状光纤熔接机外，没有更多缺点。

为提高安全保障，在PON网络中，支持ONU双光纤链路到两台OLT。而点对点光以太网中，也支持接入交换机双光纤链路到两台汇聚交换机。对于一般单位来说，不需要整体上采取这样的热备安全方案，成本太高了，只需在特定的点位上，根据需要使用就可以了。通常在PON网络中，可以建设双链路光缆，作为冷备份。如果使用中的光缆发生故障，可以人工切换到备份光缆。点对点光以太网使用的光纤数太多，使用对等芯数的冷备份光缆不太可行。这样就只能布设少量芯数的光缆作为备份了。

如图4中所示，楼宇ODF到核心机房的汇聚交换机使用的光纤数非常多，不可能做1:1的备份线路。这时只好为每个楼宇做2-4芯的光纤备份线路。当主光缆有严重故障，不能及时修复时，可以使用备份光纤保持1-2个特殊房间的网络通畅。或者在楼宇ODF处临时装一个汇聚交换机，通过备份光纤线路直连核心交换机，这样就能保持很多房间的正常网络使用了。备份光纤可使用可分歧光缆如骨架式光纤带光缆，不需要开断光缆即可达到分支的目的[7]。

主光缆与备份光缆应该走不同的路由。在不同的建设项目中环境不同，主光缆与备份光缆如何建设可能有很多结构，试着举一个例子如图5所示。首先看光缆管道，主体是一个环形的管道，核心机房通过这个管道连接各个楼宇。再看主光缆，通过光缆管道，从核心机房到每个楼宇都建设一条或多条大芯数光缆，作为日常工作的主要光缆。接下来是左备份光缆，从核心机房右面引出一条可分歧光缆如骨架式光纤带光缆，绕了一个圈后连接园区左半部分的楼宇3、楼宇2、楼宇1，最后回到核心机房。最后是右备份光缆，从核心机房左面引出一条可分歧光缆如骨架式光纤带光缆，绕了一个圈后连接园区右半部分的楼宇4、楼宇5、楼宇6，最后回到核心机房。这样的结构就可以很大程度上应对光缆的意外事故。一旦光缆发生故障，首要的是抓紧时间抢修，平时要准备好带状光纤熔接机等维护设备、耗材并进行人员培训。如果短时间修不好，就需要使用备份光缆了。当故障发生在园区的左面时，如楼宇1与楼宇2之间，这时主光缆到楼宇1正常，到楼宇2和楼宇3不正常。这时使用左备份光缆就可接通楼宇2和楼宇3，提供服务了。当故障发生在园区的右面时，如楼宇5与楼宇6之间，这时主光缆到楼宇6正常，到楼宇4和楼宇5不正常。这时使用右备份光缆就接通楼宇4和楼宇5，提供服务了。当故障发生在正上面时，如楼宇3与楼宇4之间，这时主光缆不会发生故障，不会影响网络正常运行，只有两条备份光缆发生故障，这要求维护人员定期在核心对两条光缆进行打光或使用专业仪器检测，并及时处理故障。

5 结束语

随着光缆及光设备的日渐成熟，价格日渐下降，建设全光网成为发展的方向。全光网有点对多点的无源光网络PON与点对点的光以太网两种网络架构。点对点架构独享光纤线路，点对多点架构共享光纤线路，点对点架构具有带宽优势。点对点架构使用较多的光缆与较便宜的光交换机，点对多点架构使用较少的光缆与较贵的OLT。现在光缆的价格很低，在园区网的环境中布设光缆距离不远，在大多数时候点对点架构造价更低。只有规模达到的城域网级别，点对多点架构才体现出造价优势。所以在园区网中点对点的光以太网更具性价比。以前的园区网中，只有个别接入点使用点对点光以太网架构，现在大规模使用的条件已经具备。大芯数光缆有很高的光纤集成度，进一步降低了光缆总体成本，很适合用作各楼宇到核心机房的主干光缆。为管理核心机房中的大量光纤，调整光纤配线架的布局，让光缆由聚集变成分散，进行分区管理。使用可分歧光缆建好备份光纤线路, 提前做好故障维护预案。这样大规模使用点对点光以太网，就可以建设成具有大带宽、高速度的园区网。这样的光纤网络，使用中的单模光纤很难被淘汰，只要更换光交换机就能很方便、平滑的升级网络带宽。并能很容易实现物理上的网络扁平化，如略过汇聚交换机、房间交换机，减少转发设备，提升网络速度。不论用户有什么样的需求，都能很大程度上满足，能充分满足园区内的面向未来的应用需求。