點(diǎn)對點(diǎn)光以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

摘要  本文主要介紹了點(diǎn)對點(diǎn)光以太網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，并對點(diǎn)對點(diǎn)光以太網(wǎng)技術(shù)與點(diǎn)對多點(diǎn)的PON技術(shù)做了詳細(xì)比較，最后對點(diǎn)對點(diǎn)光以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

光纖到戶（FTTH）技術(shù)采用光纖作為傳輸媒質(zhì)，具有傳輸容量大、傳輸質(zhì)量高、可靠性高、傳輸距離長、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，是未來寬帶固定接入的發(fā)展方向。FTTH的實(shí)現(xiàn)方式有兩大類：點(diǎn)到點(diǎn)（point to point，P2P）有源光網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)到多點(diǎn)（point to multi-point，P2MP）無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）。隨著寬帶業(yè)務(wù)的快速發(fā)展和FTTH的不斷升溫，F(xiàn)TTH網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)到點(diǎn)光以太網(wǎng)技術(shù)（以下簡稱P2P），尤其是單纖雙向光以太網(wǎng)技術(shù)開始受到更多的關(guān)注。

1、P2P標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

P2P通常是指采用光信號的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸方式，從局端或遠(yuǎn)端機(jī)房到每個(gè)用戶都用一對或一根獨(dú)立的光纖，局端和用戶端各需要一個(gè)光收發(fā)器。傳統(tǒng)的基于P2P的FTTH實(shí)現(xiàn)方式是采用“媒質(zhì)轉(zhuǎn)換器（MC）+傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)”的組網(wǎng)方式，采用MC將電信號轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行長距離傳輸。這種方案主要用于早期的FTTH小區(qū)接入和企業(yè)客戶的專線接入，優(yōu)點(diǎn)是對于目前已經(jīng)普及的100 Mbit/s速率的以太網(wǎng)交換機(jī)而言，不必更換支持光纖傳輸?shù)木W(wǎng)卡，只需加上MC即可，從而可降低升級成本，如圖1所示。

圖1　MC+傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不過這種方式缺乏相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的設(shè)備很難做到互通。此外由于MC與以太網(wǎng)交換機(jī)是分離的兩個(gè)設(shè)備，不利于維護(hù)，而且由于每個(gè)用戶占用一個(gè)以太網(wǎng)端口和一個(gè)MC，單位機(jī)框可以接入的用戶數(shù)較低，在做園區(qū)接入時(shí)，必然采用多級匯聚的組網(wǎng)模式，這也相應(yīng)地增加了故障點(diǎn)和維護(hù)難度，因此是一種過渡性的點(diǎn)對點(diǎn)FTTH方案。

近年來，單纖雙向P2P系統(tǒng)開始受到越來越多的關(guān)注。單纖雙向P2P系統(tǒng)可以節(jié)約一半的光纖消耗，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本，并可改善傳統(tǒng)MC方式的P2P系統(tǒng)網(wǎng)管能力弱的問題。目前IEEE EFM工作組、ITU-T以及日本電信技術(shù)委員會分別推出了各自的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.3ah于2004年9月定稿，目前標(biāo)準(zhǔn)號為IEEE 802.3-2005。該標(biāo)準(zhǔn)定義了速率100 Mbit/s、傳輸距離10 km和速率1000 Mbit/s、傳輸距離10 km兩種新的P2P標(biāo)準(zhǔn)，采用WDM（波分復(fù)用）方式實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸，上、下行分別選用1310 nm和1550 nm。標(biāo)準(zhǔn)中引入了光接口的物理參數(shù)要求，同時(shí)定義了基于以太網(wǎng)的鏈路監(jiān)控和環(huán)回測試的OAM（操作、維護(hù)和管理）功能，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的管理功能。

ITU-T G.985是ITU-T組織SG15制定的P2P系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，2003年3月發(fā)布，2005年修訂了一版，內(nèi)容包括P2P系統(tǒng)構(gòu)架、ODN（光配線網(wǎng)）、物理參數(shù)信息及簡單的OAM。不過目前此標(biāo)準(zhǔn)只定義了速率100 Mbit/s、傳輸距離10 km的標(biāo)準(zhǔn)，而且OAM部分也僅僅提及相關(guān)概念，并沒有定義具體的消息幀。

TS-1000標(biāo)準(zhǔn)于2003年由日本電信技術(shù)委員會制定，它定義了3種距離的單模光纖雙向傳輸方式：Class S（短距離）、Class A（中等距離）、Class B（長距離）。此外，還定義了一個(gè)12 byte的短幀用于OAM功能，以改善傳統(tǒng)MC方式的P2P沒有網(wǎng)絡(luò)管理能力的問題。最新版本為第2版，于2004年1月發(fā)布。表1對這3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析。

表1　3種P2P標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的比較

可以看出3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，IEEE 802.3ah定義最為全面，不但規(guī)定了單纖雙向和雙纖雙向兩種模式，還給出了100 Mbit/s和1000 Mbit/s兩種傳輸速率，此外定義的OAM PDU最多可以承載1496 byte凈負(fù)荷，可支持更多的管理和維護(hù)信息。

TS-1000是日本為推進(jìn)其本國FTTH的戰(zhàn)略而量身定做的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。本著簡單實(shí)用的原則，標(biāo)準(zhǔn)中僅僅規(guī)定了100 Mbit/s單纖雙向的應(yīng)用模式，OAM定義也非常簡單，而且沒有考慮ONU側(cè)多端口的情況下OAM的處理情況，實(shí)際擴(kuò)展性較差，目前僅僅在日本國內(nèi)有少量的應(yīng)用。

G.985目前也只定義了100 Mbit/s單纖雙向的應(yīng)用模式，從標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容上分析，推測該標(biāo)準(zhǔn)的物理層接口規(guī)范與TS-1000同源同根，只不過做了一些細(xì)微的擴(kuò)展和改動(dòng)。OAM部分參考了IEEE 802.3ah的規(guī)定，但是僅僅提及相關(guān)的概念，并沒有詳細(xì)定義幀的格式，目前國內(nèi)的廠家設(shè)備對此標(biāo)準(zhǔn)支持或計(jì)劃支持的并不多見。

綜合比較分析，已經(jīng)推出的3個(gè)P2P標(biāo)準(zhǔn)中，IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定全面，適用范圍廣，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，預(yù)計(jì)該標(biāo)準(zhǔn)將會成為點(diǎn)對點(diǎn)光以太網(wǎng)的主流標(biāo)準(zhǔn)。

從芯片供應(yīng)商和設(shè)備廠商的反饋來看，對IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可度最高，目前相關(guān)的P2P光接口器件也已經(jīng)成熟，供應(yīng)商較多，成本也不高，市場上的相關(guān)光模塊已能滿足IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的指標(biāo)要求。

相對而言，國內(nèi)外主流設(shè)備廠家對IEEE 802.ah支持的情況尚不理想，他們出于戰(zhàn)略決策方面的考慮，投入的研發(fā)精力比較有限。根據(jù)調(diào)查，多數(shù)廠家符合802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的P2P設(shè)備還處在開發(fā)階段或者是樣機(jī)階段，可以提供商用P2P設(shè)備的廠商還很少，而且設(shè)備的核心功能基本采用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）方案實(shí)現(xiàn)，成本過高；用戶側(cè)只支持以太網(wǎng)接口，提供單一的以太網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，還不具備提供其他業(yè)務(wù)種類的能力；此外網(wǎng)管功能和OAM功能也有待進(jìn)一步完善。

2、P2P技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢

作為FTTH的一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制，P2P技術(shù)有以下特點(diǎn)。

（1）高帶寬

可實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s甚至1000 Mbit/s的雙向高帶寬接入，這種高帶寬的特性使之可以支持互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻接入和電話接入，并能夠解決對帶寬（特別是上行帶寬）要求較高的業(yè)務(wù)（如“全球眼”、“新視通”等）接入問題。

（2）長距離

可支持10 km以上的傳輸距離。如果增大發(fā)送光功率，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展傳輸距離。

（3）節(jié)約光纖資源

OLT到ONU之間采用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸，可有效地節(jié)約光纖資源。

（4）布放靈活

適合用戶分布相對零散的場合，可以靈活布放。

此外，與點(diǎn)對多點(diǎn)的PON相比，P2P技術(shù)還具有如下優(yōu)勢。

（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單

由于用戶獨(dú)享OLT到ONT的光纖資源，可免去PON系統(tǒng)中復(fù)雜的帶寬管理、測距、延時(shí)補(bǔ)償、收發(fā)器功率及狀態(tài)管理等過程，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常簡單，實(shí)現(xiàn)時(shí)相對容易。

（2）安全性高

各用戶之間彼此獨(dú)立，安全性高，而PON必須通過復(fù)雜的安全策略來實(shí)現(xiàn)用戶的安全隔離。

（3）端口利用率高

可根據(jù)用戶數(shù)量的增加相應(yīng)地增加端口模塊，因此可以非常方便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，設(shè)備端口利用率高。

3、P2P與PON的綜合比較

由于P2P技術(shù)與PON技術(shù)在應(yīng)用中的定位存在一定程度的重疊，所以這里把P2P與EPON、GPON這兩種主流PON技術(shù)加以比較。

3.1　標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備成熟度

IEEE 802.3ah最有可能成為P2P的主流標(biāo)準(zhǔn)，但目前符合該標(biāo)準(zhǔn)的P2P設(shè)備尚不成熟，實(shí)現(xiàn)功能有限。此外，P2P設(shè)備在多業(yè)務(wù)的支持能力上與PON相比還有很大差距。

EPON標(biāo)準(zhǔn)同樣來自IEEE 802.3ah，不同的是目前EPON技術(shù)已基本成熟，主要體現(xiàn)在EPON芯片和設(shè)備已經(jīng)基本成熟，國內(nèi)外有較多的廠家提供EPON設(shè)備，在中國電信集團(tuán)的推動(dòng)下，設(shè)備互通性也基本解決，另外在國外已經(jīng)有了大規(guī)模應(yīng)用，在國內(nèi)也有小規(guī)模應(yīng)用。

GPON由FSAN/ITU提出并標(biāo)準(zhǔn)化，形成ITU G.984.x的系列標(biāo)準(zhǔn)。目前用于GPON系統(tǒng)的光收發(fā)模塊技術(shù)上已經(jīng)基本成熟，但相關(guān)設(shè)備還不夠成熟，多數(shù)設(shè)備在基本功能與性能、業(yè)務(wù)承載能力、網(wǎng)絡(luò)管理能力、互通性、穩(wěn)定性與可靠性等方面還存在不同程度的欠缺，還不具備規(guī)模商用的條件。

除了EPON技術(shù)外，P2P技術(shù)和GPON技術(shù)目前還均不成熟，但從各運(yùn)營商和廠商對標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)力上看，GPON的優(yōu)勢更為明顯，因此GPON設(shè)備也會比P2P設(shè)備更先一步成熟。

3.2　接入帶寬和距離

P2P、EPON、GPON這3種技術(shù)同為光纖接入。

P2P采用8B/10B線路編碼，目前支持單用戶上下行對稱100 Mbit/s的接入速率，未來可以支持上下行對稱1 Gbit/s的接入速率，支持10 km、20 km和30 km 3種最大傳輸距離。支持的用戶分支比為1:1，即用戶獨(dú)享帶寬。

EPON也采用8B/10B線路編碼，可以提供上下行對稱1 Gbit/s的接入速率，支持10 km和20 km兩種最大傳輸距離，多用戶共享帶寬，支持的用戶分支比最高可達(dá)1:64。

GPON可以提供622 Mbit/s、1.25 Gbit/s和2.5 Gbit/s上下行對稱速率或非對稱速率。支持10 km和20 km兩種最大傳輸距離，多用戶共享帶寬，支持的用戶分支比可達(dá)1:64甚至1:128。

盡管P2P可以提供100 Mbit/s甚至1 Gbit/s的接入速率，然而受應(yīng)用內(nèi)容等方面的制約，目前普通用戶的帶寬需求還遠(yuǎn)沒有達(dá)到100 Mbit/s，而且在用戶分支比較低的情況下，EPON和GPON也可以提供接近P2P的接入速率，因此，單從接入帶寬和接入距離方面來看，三者無明顯優(yōu)劣。不同的是與EPON、GPON相比，P2P的用戶獨(dú)享帶寬，用戶數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)物理層的隔離，用戶的獨(dú)立性比較好，安全性相對更高，因此當(dāng)用戶對自身數(shù)據(jù)的安全性有很高的要求時(shí)，P2P技術(shù)是一種較好的選擇。

3.3　工程建設(shè)成本

網(wǎng)絡(luò)的工程建設(shè)費(fèi)用主要分成兩大部分：設(shè)備工程建設(shè)費(fèi)用和線路工程建設(shè)費(fèi)用。通用的計(jì)算公式如下：

工程建設(shè)費(fèi)用=設(shè)備成本+線路成本+施工安裝費(fèi)用

其中設(shè)備成本包括用戶端的設(shè)備ONU和局端擁有的本地設(shè)備OLT的成本，對于PON還需包括分光器的成本；線路成本為光纜、光交接箱等成本之和；施工安裝費(fèi)用主要包括安裝設(shè)備、線路鋪設(shè)的人工費(fèi)以及相關(guān)輔料的成本。對于光纜工程，通用的計(jì)算公式為：

安裝施工費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)用×10%+光纜費(fèi)用×200%

由于GPON設(shè)備尚沒有商業(yè)化，這里僅拿EPON和P2P做建設(shè)成本分析比較。目前EPON設(shè)備已經(jīng)基本成熟，并有了一定規(guī)模的應(yīng)用，價(jià)格與最初相比也有了較大幅度的下降。而P2P設(shè)備受限于成熟度及量產(chǎn)規(guī)模等問題，當(dāng)前價(jià)格上還存在較大的下降空間。為進(jìn)一步增強(qiáng)與EPON設(shè)備的可比性，這里P2P設(shè)備的評估價(jià)格是參考EPON同等量產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行換算得出的，相應(yīng)參考價(jià)格如表2所示。

表2　EPON與P2P相比的成本分析參考價(jià)格

（1）EPON組網(wǎng)的工程建設(shè)成本

如圖2所示，OLT位于局端機(jī)房，1:32路分光器位于小區(qū)機(jī)房，距OLT為2.5 km，與用戶端的ONU距離為0.5 km。

圖2　EPON組網(wǎng)模型

200個(gè)用戶時(shí)，EPON組網(wǎng)共需要7個(gè)PON端口、7個(gè)1:32路分光器以及200個(gè)ONU。

10個(gè)用戶時(shí)，EPON組網(wǎng)共需要1個(gè)PON端口、1個(gè)1：32路分光器以及10個(gè)ONU。

根據(jù)成本計(jì)算模型，表3給出了采用EPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)FTTH的網(wǎng)絡(luò)投資成本。在該模式下，每個(gè)用戶最小保證的下行帶寬是30 Mbit/s。

表3　EPON組網(wǎng)的投資成本

（2）點(diǎn)到點(diǎn)光以太網(wǎng)組網(wǎng)的工程建設(shè)成本

如圖3所示，OLT位于局端機(jī)房，與用戶端ONU通過多根光纖（長度為3 km）直連。

圖3　P2P組網(wǎng)模型

200個(gè)用戶時(shí)，P2P組網(wǎng)共需要200個(gè)OLT端口以及200個(gè)ONU。

10個(gè)用戶時(shí)，P2P組網(wǎng)共需要10個(gè)OLT端口以及10個(gè)ONU。

投資成本如表4所示，在該模式下，每個(gè)用戶保證的上/下行帶寬可達(dá)100 Mbit/s。

表4　P2P光以太網(wǎng)組網(wǎng)的投資成本

需要指出的是，上面的數(shù)據(jù)未考慮小區(qū)機(jī)房成本和電源等配套擴(kuò)容成本，結(jié)果可能與實(shí)際建網(wǎng)成本有所出入。

通過分析可見，對單個(gè)或少量用戶的接入，由于EPON、GPON也要部署分光器和局端設(shè)備，因此P2P設(shè)備的每用戶每兆帶寬建設(shè)成本要比EPON、GPON低，但隨著用戶和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，EPON、GPON的每用戶每兆帶寬建設(shè)成本逐漸下降，規(guī)�；�之后EPON、GPON的成本優(yōu)勢非常明顯，而P2P方案的每用戶每兆帶寬建設(shè)成本的變化基本不大。因此，P2P技術(shù)在用戶密度低、用戶發(fā)展規(guī)模較小的地區(qū)更具成本優(yōu)勢。

3.4　維護(hù)和管理

EPON、GPON的線路部分均使用光纖及無源光分配設(shè)備，故障點(diǎn)少，維護(hù)和管理相對簡單。而P2P受自身技術(shù)的局限，局端設(shè)備的光口密度無法做到很高，因此需要管理的節(jié)點(diǎn)較多，維護(hù)和管理比較困難。

另外從擴(kuò)容升級方面來看，P2P的升級工作遠(yuǎn)比EPON、GPON復(fù)雜。隨著用戶數(shù)目的增加，EPON、GPON在多數(shù)情況下，只需增加用戶端光口即可；而P2P的擴(kuò)容升級要同時(shí)增加主干路光纖、局端和用戶端光口，不但對主干光纖消耗較多，而且受主干光纖數(shù)量的限制，出線率不高，擴(kuò)容難度大大增加。因而在預(yù)計(jì)用戶數(shù)發(fā)展緩慢的部分地區(qū)可以選擇P2P技術(shù)，并規(guī)劃出一定的用戶數(shù)富裕度，以減少日后升級擴(kuò)容的難度。

4、P2P的應(yīng)用場景

盡管與GPON、EPON等P2MP系統(tǒng)相比，P2P系統(tǒng)需要消耗更多的主干光纖和更多的設(shè)備，同時(shí)還需要更多的供電系統(tǒng)和維護(hù)，成本相對更高，不過由于P2P架構(gòu)具有用戶帶寬獨(dú)享、收斂比小、組網(wǎng)方式更加靈活等先天性的特點(diǎn)，決定了P2P不會被PON完全取代。可以預(yù)計(jì)，隨著P2P技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)一步成熟，P2P將作為FTTH的一種補(bǔ)充接入手段，在實(shí)際應(yīng)用中與PON技術(shù)互補(bǔ)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。在P2P的產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，可以部分地應(yīng)用在FTTB/C，甚至是FTTH場景，以替代現(xiàn)有的以太網(wǎng)應(yīng)用。替代的前提條件是P2P相對于PON而言具備一定的成本優(yōu)勢。

對EPON和GPON而言，在適當(dāng)?shù)姆止獗龋‥PON為1:32，GPON可為1:32或1:64）情況下，每個(gè)用戶的下行平均保證帶寬都可以達(dá)到30 Mbit/s，能夠滿足未來各種寬帶業(yè)務(wù)包括高清晰IPTV業(yè)務(wù)對帶寬的需求。

P2P能夠滿足高價(jià)值用戶的高帶寬需求，也能夠提供充分的安全保障，主要面向住戶分散、密度低的區(qū)域用戶，或?qū)ΡＣ苄杂袊?yán)格要求的大客戶以及其他一些高帶寬高價(jià)值的商業(yè)客戶。此外，當(dāng)用戶距離較遠(yuǎn)（10 km以上）時(shí)，每個(gè)用戶需要的保證帶寬比較大，如超過50 Mbit/s，也可以采用P2P的光纖接入技術(shù)。

總地來說，P2P目前的應(yīng)用場景基本可以分成兩類：一類是用于大客戶和高端商業(yè)客戶接入，另一類是用于低密度小區(qū)用戶接入。

另外，P2P系統(tǒng)最大可支持30 km以上的傳輸距離，因此，也可以用于匯聚層業(yè)務(wù)的傳輸或者是通過ONU下掛DSLAM等設(shè)備解決“光進(jìn)銅退”、POP點(diǎn)下移的問題。

目前P2P的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備尚不完善，多業(yè)務(wù)支持能力、擴(kuò)展的OAM等相關(guān)要求也沒有涉及，芯片廠商、設(shè)備廠商包括運(yùn)營商均在密切關(guān)注并不斷尋求成熟的合作模式與運(yùn)營模式，以完善FTTH的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，推動(dòng)P2P技術(shù)的發(fā)展。