面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计

蔡继康，戚清岭，陈 帅

（山东省邮电规划设计院有限公司，山东 济南 250101）

0 引 言

随着数字化和信息化的快速发展，网络已经成为人们生活和工作中不可或缺的一部分。同时，互联网的普及和应用越来越广泛，人们对网络带宽和速度的要求也越来越高。因此，千兆宽带光纤接入网的建设已经成为了未来网络发展的趋势。千兆宽带光纤接入网具有传输速度快、网络质量高及覆盖面广等优点，对提高人们的生活质量和工作效率有着重要的意义[1]。因此，文章研究面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计。

1 网络架构设计原则

1.1 性能、可靠性及安全性作为设计原则

性能、可靠性及安全性是网络架构设计的重要原则。在面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计中，需要综合考虑网络的性能、可靠性及安全性。

网络的性能是设计网络架构时考虑的因素之一。千兆宽带光纤接入网对网络的性能要求非常高，需要保证数据的快速传输和低延迟。因此，在网络架构设计中需要充分考虑网络设备的选型、配置与现网的融合，如万兆无源光网络（10G Passive Optical Network，10G PON）中光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、光配线网（Optical Distribution Network，ODN）以及光网络终端（Optical Network Terminal，ONT）等各个节点设备，OLT 中10G 光模块等选型配置，以保证网络的高速和稳定性。

与现网的融合方案中可以增加10 G PON OLT，并与现网OLT 采用外置波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）合波器（设置在OLT 与分光器之间）合路。该方案新增器件会增加故障点、光功率损耗，同时会增加后续维护的费用。因此，需要选择高可靠WDM 合波器，并缩短ODN 网络链路距离[2]。OLT 外置WDM 合波器拓扑如图1 所示。

图1 OLT 外置WDM 合波器拓扑

此外，可以更换现网OLT 上联板、光模块，并采用内置WDM 器件的PON 口光模块进行合分波，实现10G PON 和PON 光信号的分别收发。该方案可实现带宽平滑升级，但对光模块选型配置要求较高，价格不低，维护改造难度也较大。

与上面2 个融合方案相比，目前实际运营商部署大多采用新增千兆OLT 设备与原有OLT 并行使用的方式，或将原用户整体割接至新OLT。该部署增加了对传输资源的需求，需要对原有波分系统扩容或新建100G 波分，也可结合实际情况对传输设备做下沉处理[3]。100G 波分对10G OLT 承载拓扑如图2 所示。

图2 100G 波分对10G OLT 承载拓扑

网络的可靠性要求非常高，需要保证网络的稳定性和可用性。在网络架构设计中，需要充分考虑网络的容错性和备份策略，以及网络设备的可靠性和故障处理能力。

网络的链路安全非常重要，OLT 设备需满足双上联，市区短距离可通过双路光纤直驱至宽带接入服务器（Broadband Remote Access Serve，BRAS）/全业务路由器（Service Router，SR），长距离需经波分传输上联。

1.2 强调灵活性和扩展性

灵活性是网络架构设计的重要原则之一。在千兆宽带光纤接入网中，为应对未来的需求和变化，网络架构需要具备一定的灵活性。灵活性体现在网络拓扑结构的设计、网络设备的选型和配置等方面。

在千兆宽带光纤接入网中，网络的规模和用户数量不断增加，因此网络架构需要具备一定的扩展性。考虑大容量10G PON 设备，ODN 网络中分光器采用大分光比，用户端采用10G PON ONT。扩展性体现在网络拓扑结构的设计、网络设备的选型和配置以及网络服务的部署等方面。

因此，强调灵活性和扩展性可以帮助网络架构适应未来的需求和变化，保证网络的可扩展性和可持续性。

1.3 考虑未来技术发展和应用需求

首先，未来可能会出现新的技术和应用，网络架构需要具备兼容性和可扩展性，以适应新的技术和应用需求。从百兆无源光网络（1G Passive Optical Network，1G PON）到万兆无源光网络的兼容和网络的平滑演进中，电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）已在波长分配、多点控制等方面制定标准，支持1G PON、10G PON 2 个系统在ODN 网络上的兼容，并具备平滑演进至下一代无源光网络（Next Generation Passive Optical Network，NG PON）的条件。

其次，网络架构需要具备自适应性和智能化。未来，设备终端更智能化，家庭网关、智慧终端、全屋光网以及智慧安防等业态会越来越丰富，云存储、高清视频以及实时交互等带宽需求持续增加。网络架构需要具备自适应性和智能化，以适应未来网络的需求和变化[4]。

最后，网络架构需要具备可管理性和可监控性。未来，网络将会更加复杂和庞大，网络架构需要具备可管理性和可监控性，以便管理和维护网络。

因此，考虑未来技术发展和应用需求可以帮助网络架构适应未来的需求和变化，保证网络的可用性和竞争力。

2 面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计

2.1 网络拓扑结构设计

网络拓扑结构设计如表1 所示，采用树形结构，将OLT 作为根节点，接入多个ODN，每个ODN 再接入多个ONT，每个ONT 连接用户终端设备。

表1 网络拓扑结构设计

需要注意的是，实际网络拓扑结构可能会因为具体的应用场景、业务需求以及技术选型等有所差异。

2.2 链路设计

链路设计如表2 所示，链路主要分OLT 和ODN、ODN 和ONT 之间的光纤传输，同时使用光纤收发模块发送和接收光信号。

表2 链路设计

2.3 服务质量设计

服务质量（Quality of Service，QoS）是一种网络性能保障机制，可以根据不同的业务需求，进行流量管理和动态带宽分配，提高网络服务质量。ODN 网络采用点对多点架构，上行、下行传输不对称，上行采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、下行采用广播方式。同时，由于ODN 网络带宽有限，流量管理、动态带宽分配很有必要。

一些可能的QoS 设计方法具体如下。第一，基于端口的限速。根据端口号或端口类型，可以为不同类型的服务分配带宽，防止高流量服务占用过多网络资源，影响其他服务的性能。第二，基于互联网协议（Internet Protocol，IP）地址的限速。根据IP 地址或IP 地址段，可以为不同的客户或用户分配带宽，提高不同用户之间的公平性，防止少数用户占用过多网络资源。第三，基于应用程序的限速。根据应用程序或协议类型，可以为不同的应用或协议分配带宽，提高关键应用的服务质量，防止非关键应用占用过多网络资源。第四，优先级队列调度。根据服务类型或用户类型，可以为不同的流量数据分配优先级，高优先级流量数据优先被处理和转发，提高关键业务的响应速度和服务质量。需要注意的是，实际QoS 设计应根据具体的网络应用场景、业务需求以及网络拓扑结构等因素进行调整和优化。同时，QoS 机制需要配合其他技术手段，共同实现网络性能保障的目标[5]。

2.4 网络管理和监控

对网络进行管理和监控可以提高网络的可用性和管理效率，减少网络故障和安全威胁，保护网络的机密性、完整性以及可用性。具体措施如下。

（1）集中管理。网络管理员可以通过集中管理网络设备、服务和应用，实现网络的统一的配置、监控、管理以及维护。集中管理可以提高网络管理效率，减少管理成本，同时提高网络的可靠性和安全性。

（2）远程管理。网络管理员可以通过远程方式管理网络设备、服务以及应用，从而快速实现故障处理和安全管理，同时减少管理成本和人力投入。

（3）性能监控。网络管理员可以通过监控网络设备、服务以及应用的性能参数，如带宽利用率、流量情况以及延迟等，及时发现网络故障和性能问题，从而快速处理问题。

（4）安全监控。网络管理员可以监控网络设备、服务以及应用的安全状态，及时发现和处理安全威胁，进而实现实时入侵检测、攻击防御以及数据保护，提高网络的安全性和可靠性。因此，网络管理和监控是面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计中非常重要的一部分。

2.5 安全性设计

面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计需要考虑网络的安全性，具体措施如下。

（1）访问控制。访问控制可以限制网络资源的访问范围和权限，保证只有授权用户和设备可以访问网络资源，并实现用户身份验证、设备认证以及权限控制，进而保护网络的机密性和可控性。

（2）入侵检测和攻击防御。入侵检测和攻击防御可以监测网络中的异常活动和攻击行为，并采取相应的措施进行防御和反击。

（3）防火墙和虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）。防火墙可以实现网络的隔离和限制，防止网络攻击和威胁。VPN 可以实现远程访问和数据传输的加密和认证，保护数据的安全性和机密性。

（4）数据备份和恢复。数据备份可以实现数据的定期备份和存储，以防止数据的丢失和损坏。数据恢复可以实现数据的快速恢复和重建，以保证网络的可用性和恢复能力。面向千兆宽带光纤接入网的网络架构设计需要综合考虑以上措施，以保护网络的机密性、完整性和可用性。

3 结 论

一个优异的网络架构设计可以提高网络的性能和可靠性，减少网络故障和安全威胁的同时，提高网络的管理效率和可控性。在设计面向千兆宽带光纤接入网的网络架构时，需要综合考虑核心传输系统、ODN网络链路以及安全性设计等方面，并根据具体情况进行调整和优化，以保证网络的性能、可靠性、安全性、灵活性和扩展性满足未来的发展和变化的需求。