宽带上网技术简史

鲜枣课堂04-15

在如今这个数字时代，宽带已经成为我们每个人、每个家庭的生活必需品。如果没有它，我们会坐立难安、心绪不宁。那么，你知道宽带背后的技术原理吗？从最早期的56k“猫”拨号，到现在的千兆城市、千兆家庭，我们的宽带技术到底经历了怎样的变革？今天这篇文章，我们就来详细了解一下——“宽带的故事”。xDSL和ISDN下面这个界面，你见过吗？我相信很多70后、80后的小伙伴，肯定见过，并且非常熟悉。没错，这就是当年...

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Network（综合业务数字网）。它仍然是基于已有的电话网络（PSTN，公共交换电话网）发展起来的技术，可以实现语音、数据和视频等多种信号在同一条线路上进行传输。ISDN的成本比较高，网速也没快多少。当时国内中国电信提供的是窄带ISDN标准，速率只有128Kbps，比拨号快2倍多一点。几年后，情况终于发生了变化。运营商的师傅带了一个设备上门，说只要用了这个设备，网速就能“飞升”。打听了一下才知道，这个设备，叫ADSL猫（Modem）。电话线插在ADSL猫上，然后用网线连接ADSL猫和电脑，就可以拨号上网。采用ADSL之后，网络速率确实得到了明显提升，从56Kbps一下子变成了1Mbps。到后面，又变成了2Mbps。这个速率提升，带来了巨大的体验改善——访问网页什么的，都很流畅。聊天发QQ，就更快了。下载软件、电影和电视剧，也变得可行（以前56K根本不敢想）。作为通信工程专业大学生，小枣君当时并不知道，ADSL的全名叫Asymmetric Digital Subscriber Line（非对称数字用户线路），属于DSL技术的一种。DSL技术，是美国贝尔通信研究所于1989年发明的。ADSL技术刚刚出现的时候，我很好奇：同样是一根电话线，又不是网线双绞线，怎么速度突然就上来了呢？电话线通常是2芯，采用RJ11接口网线（双绞线）是8芯（4对），采用RJ45接口原来，早期（56K）的时候，我们只占用了铜线的低频部分（4KHz以下的部分），并没有完全发挥它的全部潜力。而ADSL技术，采用频分复用的方式，把普通电话线分为电话、上行和下行三个相对独立的通道，既避免了干扰，又提升了速率。注：具体来说，ADSL采用DMT（离散多音频）技术，将原来电话线路4KHz到1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3125KHz的子频带。其中，4KHz以下频段仍用于传送POTS（传统电话业务），20KHz到138KHz的频段用来传送上行信号，138KHz到1.1MHZ的频段用来传送下行信号。相比原始方式，ADSL不仅速率大幅提升，价格也大幅下降。上网时，不再需要“争分夺秒”。而且，上网和打电话也不再冲突了，可以同时进行。后来，在ADSL基础上，又升级出了ADSL2、ADSL2+，速率也一度能达到20Mbps。再后来，又有了VDSL、VDSL2等一系列技术。这些技术，通常被统称为xDSL技术。直到现在，国外有些地方仍然在使用xDSL技术。基于VDSL2演进出来的G.Fast，最高理论速度竟然可以达到1Gbps。前面我们说到，国内有的网吧使用了ISDN技术。其实，这个ISDN技术的生命周期也比较短，还没怎么搞，ADSL技术就发展起来了。当时，有的网吧升级了ADSL，也有的换了别的专线，例如DDN（Digital Data Network，数字数据网）什么的，那是后话。除了ADSL之外，我们身边还出现了广电宽带（有线通）等上网方式。广电宽带，我相信用过的人都印象深刻。其实就是通过有线电视（CATV）的同轴电缆，提供宽带接入的一种方式。EPON和GPONADSL带来了网络体验的明显改善。当我们沉浸在这个改善之中时，有一种新的、更牛掰的技术，来到了我们的面前。这个技术，当然就是光纤宽带。ADSL、ISDN，都是基于金属线缆，铜介质。上世纪60年代，英籍华裔科学家高锟发表了一篇论文，提出光纤（光导纤维）用于数据通信的理论依据。不久后，美国康宁公司真的拉出了世界上第一根衰耗满足要求的光纤，从此将这个神奇的发明推到了世人面前。70-80年代，光纤技术发展很快。通信厂商们除了将光纤用于骨干网络之外，也开始研究，将光纤用于接入网络，取代铜缆。于是，就有了光纤接入网的构想。光纤接入网是一个典型的P2MP（点到多点）架构。其实说白了，就是树型结构，不断分光，实现面向大量用户的光连接。早期的光通信技术比较弱（PDH/SDH阶段），光纤传输信号衰减大。所以，搞的都是有源光网络（Active Optical Network，AON），需要引入外部能源（电源）对光进行加强（中继），设备更复杂，成本更高。后来，技术逐渐成熟了一些，光可以传得更远了，开始有了无源光网络（Passive Optical Network，PON）。无源光网络，分为OLT、ODN、ONT/ONU。OLT（光线路终端）是局侧设备，ONT/ONU（光网络单元/终端）是用户侧设备（例如光猫）。ODN是光分配网（Optical Distribution Network），可以理解为PON的躯干。PON的无源，主要是指的这个部分无源，会大幅降低建设和维护成本。PON的早期阶段（80年代末），厂商们推出的基本是窄带PON技术。这种技术速率很低，不超过2Mbps。而且，因为厂商们各自为战，所以一直没有形成统一的规范和标准。1995年，包括BELLSOUTH、BT、France Telecom在内的7家网络运营商共同发起成立了全业务接入网联盟（FSAN），希望能提出一种统一的光接入网设备标准。不久之后，1997年，根据FSAN的建议，ITU-T（国际电信联盟电信标准分局）推出了APON技术体系，也就是G.983.1标准。APON，就是ATM PON。ATM可不是自动取款机，它是异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode）的缩写。ATM的本质，就是一种传输协议。老一辈通信人肯定对ATM很熟悉，它曾经是IP协议的竞争对手，一度非常流行。到了2001年，FSAN和ITU-T对APON规范进行了升级修订，顺便改了个名，叫做BPON（Broadband PON，宽带无源光网络）。之所以改名，主要是他们不希望APON被人误解为只能提供ATM业务。为了进一步提升PON的速率标准，2002年，FSAN启动了一项新的工作，对1Gbps以上的PON网络进行标准化。2003年3月，在FSAN的建议基础上，ITU-T颁布G.984标准，也就是GPON（Gigabit-capable PON，千兆比特无源光网络）。就在FSAN和ITU-T干得热火朝天的同时，另一家标准化组织也没闲着，也开始捣鼓PON技术。它就是同样大名鼎鼎的IEEE（电气和电子工程师协会）。IEEE是以太网（Ethernet）标准的制定者和大靠山。IEEE在1998年发布了吉比特（Gigabit）以太网标准之后，就寻思着搞一个基于以太网的PON标准。2000年，IEEE成立了EFM工作组，正式启动相关标准化工作。EFM工作组的全名很有趣，叫做第一英里以太网工作组（Ethernet for the First Mile），归属于制定以太网标准的IEEE 802.3组。2004年4月，EFM工作组大功告成，正式推出了IEEE 802.3ah标准，也就是EPON（Ethernet PON，基于Ethernet以太网的PON）。后来，随着时间推移，ATM在与IP的竞争中逐渐失势没落。APON（BPON）也因为成本、效率等原因被运营商们抛弃，退出了历史舞台。所以，APON（BPON）我就不多介绍了，大家也不需要了解太多。反正大家记住，当时的行业主流，就是EPON和GPON。它们是不同标准组织推出的不同技术体系。两者之间并没有升级演进或替代的关系，可以算是平行发展。两者具体的技术区别，网上资料很多，大家可以另行研究。总之，EPON和GPON各有优劣。简单来说，GPON带宽更大，带的用户更多，效率更高，但实现起来也更复杂，所以成本也更高。从国内的市场份额来看，EPON当时在中国电信被普遍采用，而GPON更受中国联通和中国移动的欢迎。在海外，除了日本以及少部分国家使用EPON之外，大部分国家和地区都是用的GPON。大家如果有印象的话，大约是2010年，运营商的师傅开始上门更换设备，不再使用电话线上网了。取而代之的，是接进弱电箱的一根网线。网线的内芯往往会被分开。8根线芯，其中2根接RJ11口，连接电话；另外6根，接到电脑上，上网。那时候，Wi-Fi无线路由器也逐渐开始出现，网线可以接到无线路由器上，让更多的台式电脑、笔记本电脑上网。2008年左右出现智能机后，手机也可以通过Wi-Fi上网。我们的互联网接入能力有了又一次飞跃。配合那时候开始出现的3G/4G，繁荣的移动互联网时代，正式开启了。刚才说的接进弱电箱的网线，其实基本上属于FTTB（光纤到大楼）或FTTC（光纤到路边）技术。以FTTB为例，来自运营商的光纤接到大楼弱电机房的ONU，然后转换成LAN，接到用户家中。那一时期，还有一个时代特点：2008年国内运营商第三轮重组结束后，中国移动收购中国铁通，也开始以铁通的底子为基础，大力进军家庭宽带市场。后来，联通也加入了战局。这直接导致后来家庭宽带激烈的市场竞争，宽带费用开始大幅下降。没过几年，FTTB开始变成了FTTH。入户的不再是网线，而是光纤。我们有了光猫，光纤插在光猫（ONT）上，网络独享，速度变得更快，而且更稳定。10G PON和10G EPONEPON和GPON，都是1Gbps这个级别的PON。注意，这个1Gbps，并不是用户侧的速率。EPON和GPON只能给用户提供100Mbps的速率。很显然，随着时代的发展，这个速率无法满足家庭和企业用户的需求。于是，PON开始向10Gbps级别的演进。2006年，IEEE开始立项制定10Gbit/s速率的EPON系统标准，也就是后来的IEEE 802.3av，10G-EPON。在该标准中，10G EPON分为2个类型：一是非对称方式，即下行速率为10Gbps，上行速率为1Gbps；另一个是对称方式，即上下行速率均为10Gbps。ITU-T的GPON那边呢，也在演进。2008年，ITU启动了下一代GPON标准的研究。2010年，XG-PON标准诞生，也就是ITU-T G.987系列。最开始的时候，XG-PON也有两种方式，一种是非对称方式XG-PON1，下行速率为10Gbps，上行速率为2.5Gbps；另一种是对称方式XG-PON2，上下行速率均为10Gbps。后来，2013年左右，因为XG-PON2这个对称方案难以实现，所以被建议取消。XG-PON1直接改名成为XG-PON。再后来，2015年，对称方案又重启，采用了新名字，叫做XGS-PON（S代表symmetric，对称）。2017年，ITU正式通过了G.9807 XGS-PON国际标准。现在，业界会把XG-PON和XGS-PON统称为XG(S)-PON。XG(S)-PON和10G-EPON，都是10Gbps级别。在用户侧，实现的速率是1Gbps，也就是千兆。国内很多地方这些年拼命宣传的千兆城市、千兆家庭，主要是基于这两个技术。大家应该也注意到了，从2018年开始，我们家里的宽带，逐渐从100M到200M、500M、1000M。运营商三天两头联系你，上门“免费”换设备。但实际上，大部分用户可能会感觉到，从100M开始，升级所谓的宽带网络套餐，其实并没有什么体验上的差异。这其实并不奇怪，100-200M的带宽，对于我们玩游戏、追剧、看高清视频，真的已经够用了。除非家庭成员较多，或者是发烧友，否则，对高网速并没有刚性需求。相比之下，Wi-Fi的质量体验，反而是一个瓶颈。经常出现家里100M宽带的情况下，手机仍然“转圈圈”的现象。基于这一点，运营商提出的解决方案，是“全屋千兆”，也就是FTTR，光纤入房间。把光纤拉到每一个房间，然后通过Wi-Fi，实现体验改善。FTTR小枣君个人认为，对于大户型和高端用户，FTTR确实是一个不错的选择。但是，对于大部分家庭来说，FTTR似乎有一点“超前”。FTTR也分为FTTR-H和FTTR-B。前者面向家庭，后者面向企业（商场、园区、医院、学校等）场景。从这个角度来看的话，市场倒是非常广阔的。好啦，写到这里，基本上就是我们目前的宽带现状了。那么，我们的宽带技术是不是已经到顶了？接下来，我们还会有更厉害的技术吗？请看下期50G PON的隆重登场。本文来自微信公众号：鲜枣课堂 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