全光网络组网技术的研究与应用

全光网络组网技术的研究与应用

李锋杨春军余苏龙林瑞彬涂诚

中建四局安装工程有限公司 广东深圳 518063

【摘要】光纤到户在城域网、骨干网、园区接入网中已全面覆盖，PON(EPON、GPON)全光网络，由于其本身技术优势特点，在一些行业中得到了广泛应用，但是在局域网络中还无法替代传统以太网络技术应用的地位。近几年，在宽带需求、线缆综合成本、疫情、新一代信息技术等多重因素影响下“光进铜退”再次被提上重要发展进程。因此，为了充分结合全光网络和以太网络的技术优势，以太全光网络应运而生。

【关键词】全光网络组网技术；研究；应用

1全光网络系统的特点

1.1 PON全光网系统较传统以太网系统主要区别

在传输布线系统上，PON全光网采用了全光链路传输系统，OLT 和ONU之间均为光纤联结，光纤直接入室。传统以太网在水平配线子系统采用铜缆双绞线，相比全光链路，铜缆双绞线在传输带宽和传输距离方面较光纤差。

1.2 以太全光网系统较传统以太网系统主要区别

在网络架构方面，以太全光网在汇聚层为无源透明汇聚设备，同时把传统以太网接入层的网络设备往后延伸设置在各用户单元内，将传统以太网有源接入交换机从楼层弱电间(井)释放出来，大幅减少了传统以太网在弱电间内基础设施环境(如空调、配电设备)建设投入。

2光交换(交叉)技术

光交换(交叉)技术主要包括基于分组或者类分组的光交换、基于光波长通路的光交叉、基于光端口的光交叉等技术，其中基于分组或者类分组的光交换技术近十年没有取得突破性进展，近期公开报道聚焦点偏少，距离普适性商用时间无法预计。基于光波长通路的光交叉技术经历了不同的发展阶段，由最初主要面向两维可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexe，ROADM)结构的波长阻断、平面波导等技术演进到支持多端口维度的波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)技术，其中WSS包括微型电子机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)、液晶(Liquid Crystal，LC)和硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)3种技术原理。综合考虑全光节点维度、切换时间、灵活栅格支持等特性，基于LCoS的WSS是目前全光交叉节点的主要技术。

目前，商用网络使用的WSS主要包括1×9和1×20两种端口规格(或双路集成)，部分采用了大于1×20的端口规格，同时为了便于上下路灵活控制，在光交叉节点中可引入N×M端口的广播光开关(Multicast Switch，MCS；包括N个耦合器和M个光放大器)或WSS。其中，MCS典型端口为8×16、8×24、16×12/16/24等，WSS典型端口为双路8×24。受近期及未来可预期的大容量传输需求驱动，WSS目前朝着更多端口数量、更高集成度的方向发展，如Lumentum目前已支持双路1×35端口的WSS产品，II-VI公司也在2021年10月发布了双路1×48端口的WSS产品，ROADMap系统公司在2020年世界光纤通信大会(Optical Fiber Communication，OFC)上报道了基于单个4k LCoS器件集成24个1×12端口的WSS。另外，考虑到超大容量光传输系统正在朝着扩展波段、空分复用等方面发展，支持相应特性的WSS也在不断推动研制，如II-VI公司2020年8月发布了支持C+L波段的WSS产品，支持频宽由6 THz扩展到11 THz；荷兰埃因霍温理工大学的研究人员也报道了面向低成本、低维度，支持O、S、C和L波段基于光子集成的WSS；业界同时也已开展面向空分复用(Space pision Multiplexing，SDM)应用的光交叉/交换技术的研究和分析。

3全光网络的通信安全防护对策分析

3.1 完善硬件特性分析

在一定程度上完善硬件特征,在物理上去进行优化加固,对于关键的部件增加隔离的开关。第一在设计安全性能过程中可以使用更强的设备以及组建,从根本上去优化抵抗攻击的性能;研发出对于变形不敏感的光纤,以避免光纤在变形期间将光泄露出现,在网络组件重点业务与信道之间去安装隔离的开关,并且要在复用器使用之后,应用滤波器,这样能够避免光层的攻击。第二是针对光纤的保护层去进行相应的加固,以防止光纤出现断裂的情况出现。这也是光纤通信当中所要考虑到的网络故障问题。第三是充分利用振动幅度较大的放大器去进行放大功能,对于最大的输出功率进行的制约,以防止较为强大的功率对于通信组件的实际破坏。

3.2 对用户的身份进行综合认证

为了能够保障网络通信的各环节安全,相关工作人员可以去建立一个科学合法的用户数据库,并且针对进入数据库的用户身份的综合认证,通过这样的方式能够在一定程度上去保障数据来源的真实性,并且会对那些恶意非法的用户进行阻隔。在全光网络接入网当中,每一个ONU都必须要去进行数据库的用户注册并且要进行身份的认证,在注册之后会得到一个合法的账户以及密码。在数据库中发送数据过程中必须要在信息当中使用包含用户ID所申请的通信,然后需要通过验证之后才能够进行后续的信息发送。若是用户所发送的信息安全要求相对较高,那么还可以充分加入使用数字密码以及相关的数字签名方式去提高其通信的安全。

4全光网络的发展展望

4.1 前景展望

虽然光传输速率不断提升，全光网络的发展速度也在不断提升，但是为满足超高速网络的建设需要，原有的网络节点设备将出现适用性问题。如果不实现设备的更新换代，网络的复杂繁琐程度必将大幅提升，电子“瓶颈”也将直接制约高速传输，可见全光网络的发展是解决这类困境的唯一出路。通过打破传统“瓶颈”，超大容量的网络可基于全光网络实现，较强的扩展性也能够满足业务量和网络节点数不断增长的需要，且这一过程中原有的网络结构不会受到影响。由于具备较高的透明性，全光网络在应用中可允许不同速率、体制、格式的信号混合，且允许不同类型的新老系统互连。此外，全光网络的重构性特点也使得网络组建的灵活性大幅提升，这主要得益于光交叉连接等技术的支持，网络的可维护性与可靠性也能够同时得以提升。

4.2 困难和挑战

虽然近年来国内外全光网络相关技术发展迅速，全光网络的关键器件也逐渐完成研发，但想要基于全光网络构建可运营、可维护、可管理且性价比较高的电信级传送网，全光网络在建设中仍面临物理参数预算、光层信号透明、网络传送成本等方面的制约。物理参数预算指的是全光网络中光信号连接存在的异常复杂物理参数预算过程，在大范围超长距离的全光网络中，光信号将因此出现严重劣化，预算的紧张程度也会大幅提升，全光网络的建设会因此面临来自于物理层预算的致命障碍制约。此外，作为动态的光网络，全光网络的规划调度复杂程度较高，且需要得到横向兼容性标准的支持，这同样在很大程度上制约了全光网络的发展。光层信号透明会带来业务信号无法由中间节点识别等问题，且全光网络会因此无法有效监控业务信号质量，这种信号监控与光层信号透明性存在的矛盾必须得到重视。网络传送成本较高同样制约全光网络的建设，在目前的成本结构下，设备成本中光电转换的占比较大，且全光网络无法提供经济、有效的传送方案，全部以光信号处理的业务连接也可能引起严重的波长阻塞，无法充分利用的光纤资源同样会增加网络传送成本，这类问题必须得到业界的重点关注。

5结语

总而言之,上文主要是通过简述了全光网络在通信过程中所存在的安全问题,并且笔者根据问题的出现也提出了相应的安全防护对策,通过完善硬件特性分析、对用户的身份进行综合认证、以及针对光包进行加密处理的方式,是能够在很大程度上提升网络通信的安全性的。现目前,我国的全光网络发展还不够成熟,其自身的安全性主要是依赖光器件的更新以及密码技术的发展,特别是对量子密码学的发展尤为重视,所以在全光网络通信发展过程中,其自身的通信安全是重点问题,相关研究人员必须要针对安全性进行更为深入的研究。

【参考文献】

[1]张楠.浅析大数据环境下计算机网络安全技术的优化策略[J].信息记录材料，2021，22（9）：45-46.

[2]黄小伟.基于大数据时代计算机网络技术中人工智能的应用探究[J].互动软件，2021（5）：1352.