[架构之路-50]：目标系统 - 系统软件 - Linux下的网络通信-6-PONEPONGPON

Posted 2022-11-11 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 PON (Passive Optial Network：无源光网络）

1.1 概述

1.2 PON网络

1.4 PON的发展

1.5 PON的主要类型比较

第2章 网了协议栈

2.1 整体协议栈

2.2 GEM帧

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第1章 PON (Passive Optial Network：无源光网络）

1.1 概述

在OSI七层模型中，PON是物理层传输技术，与CPRI、RF45电以太网、SFP光以太网类似。

PON是一种典型的无源光纤网络ODN，是指 (光配线网中或光传输网) 不含有任何电子器件及电子电源。

一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端 (OLT)，以及一批配套的安装于用户场所的光网络单元 (ONUs)，以及光分器Splitter组成。

所谓“无源”是指全程的数据传输路径中不含有任何有源电子器件、有源电子电源、以及电信号，全部都由无源器件组成。并不是说OLT和ONT设备是无源设备。

PON是一种纯有线介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是通信行业长期期待的技术。同有源系统比较，PON具有节省光缆资源、带宽资源共享，节省机房投资，设备安全性高，建网速度快，综合建网成本低等优点。

无源光这种技术发挥功效的主要介质便是无源光的各种元件，同时光纤也发挥了重要作用，所以就成本而言， 这种网络技术的花费较少，不仅如此，此种技术还有另外一个优点，即可防止来自外部环境的各类干扰， 像电磁、雷电等等，因此在安全性方面，此种技术和有源技术相比具有一定的优越性。

1.2 PON网络

PON技术是一点到多点的光纤接入技术，它由用户侧的ONU、局侧的OLT、以及分光器组成。

（1）总体

• PON是一个点对多点的网络的无源光网络
• 组成单元由：ONU + 无源光分器 + OLT 组成

（2）光网络单元ONU （Optical Network Unit）：用户侧

• 下行模块：RF45电以太网模块、SFP光以太网模块、IPTV模块、xDSL模块等
• 上行模块：无源光网络技术模块。

（3）无源光分器

• 分光器又称光纤耦合器（coupler），是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光无源器件领域。

（4）光线终端OLT（Optical Line Terminal）：核心网侧

• 上行模块：RF45电以太网模块、SFP光以太网模块、IPTV模块、xDSL模块等
• 下行模块：无源光网络技术模块。

1.4 PON的发展

PON(无源光网络)是一种点到多点的无源光纤接入技术，起源于20世纪90年代。

从窄带PON技术发展到现在的各种宽带PON技术，就是PON自身技术发展和PON与其他不同L2协议相结合的发展过程。

PON技术的发展经历了多个阶段。

（1）窄带PON技术 (L1 时分复用PON + L2 ISDN)

窄带PON技术是最早被提出的PON技术，仅能提供业务接入速率在2Mbit/s以下的POTS或者ISDN等窄带业务。由于各厂商先有窄带PON产品，后有标准规范，而且各厂商规范不统一，厂商间无法达成一致，因此至今仍没有对窄带PON技术形成统一完整的标准。标准的不统一带来的是不能形成器件的大规模生产，以至于价格居高不下。由于接入业务类型单一并且速率过低，远远不能满足当前互联网发展的需要，窄带PON技术已经基本退出历史舞台，被宽带PON技术所替代，仅在少数农村边远地区有所应用。 

（2）宽带APON技术 (L1 时分复用PON + L2 ATM)

APON技术是20世纪90年代中期开发完成的，当时ATM被视为能够提供各种类型通信的唯一协议，而PON是最经济的宽带光纤解决方案，因此，将L2 数据链路层ATM技术与物理层PON技术相结合的APON是当时的最佳组合。APON系统由于技术协议成熟完备，因此产品的标准化和成熟度也比较高，设备性能和功能在PON系列产品中是最好的。但随着ATM协议的逐渐退出，同时APON的产品价格仍显偏贵，使得APON无法得到广泛应用。 [4] 

（3）EPON技术(L1 时分复用PON + L2 Ethernet)

随着Ethernet技术的高速发展，把简单经济的L2 Ethernet技术与PON的传输结构结合起来的EthernetoverPON概念开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。与基于ATM协议的APON相比，EPON最大的优越性在于允许设备制造商运营商放弃复杂昂贵的ATM和SONET器件，消除WAN/LAN连接中ATM和IP之间的协议转换，从而使网络大为简化，成本降低。同时，以Ethernet技术为核心的EPON还有许多其他优点，包括协议成熟，技术简单，易于扩展，面向用户等，非常适合目前IP业务量飞速发展的应用环境。随着10G以太网技术的成熟，EPON系统的传输的速率将会由目前的1000Mbit/s增加至10Gbit/s。 

（4）GPON技术 (L1 时分复用PON + L2 GEM帧/ATM帧)

在APON技术应用严重受挫后，FSAN(全业务接入网联盟)在2001年提出了GPON的概念。在FSAN以及ITU—T的努力下，GPON成为光接入网一种全新的解决方案——不但提供高速的比特率，而且支持各种接入服务，特别是非常有效地支持原有格式的数据分组和TDM流。 

GPON（Gigabit-Capable PON)技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入技术，具有高带宽（1G、10G）、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，是被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。

GPON 能够同时承载ATM信元和/ 或GEM 帧, 有很 好的提供服务等级、支持QoS 保证和全业务接入的能力。

• ATM 承载话音、PDH、 Ethernet 等多业务的技术已经非常成熟;
• 使用GEM 承载各种用户业务的技术也得到大 家的一致认可, 已经开始广泛应用和发展。

（5）WDM—PON或其他 （L1 时分复用PON + L1 波分复用PON）

WDM—PON被认为是未来PON技术的发展方向，它在PON技术中引入了WDM技术，通过使用多个波长信道来增加系统容量，具有支持大量ONU的能力。WDM—PON由于各用户独享波长，因此不需要复杂的MAC协议来进行上行带宽的调度处理，在协议上比较简单。但由于WDM—PON的系统性能和容量过分依赖光器件的性能，因此技术发展受到光器件和光传输技术发展程度的限制。

（6）基于全光连接的工业PON技术 (全光传输替代全电传输）

是指基于ITU-T/IEEE/ETSI的PON标准体系所提出的全光网连接技术。该技术采用开放软硬件平台架构、SDN管控模型，可构建抗干扰能力强、传输带宽高、异构协议互转、网络安全性高、部署经济性好的工厂网络。

该技术可应用于企业信息网、工业生产网（包括车间级生产网以及现场级工业闭环控制网络），促进人工智能、大数据、云计算融合，助力产业数字化转型升级。

1.5 PON的主要类型比较

现阶段的无源技术由多种技术结合而成，包括APON、GPON，同时EPON也是其中重要的技术之一，但这几种技术的不同之处在于二层技术上的差异。

第2章 网了协议栈

2.1 整体协议栈

2.2 GEM帧

第3章 PON与以太网技术的比较

相较于现有的在工厂内网部署的以太网交换机技术，在工业应用的场景下，工业PON技术在功能、性能、安全性、可靠性等方面都具备优势。下图是工业PON技术与以太网交换机方案的对比

第4章 工业PON技术

4.1 工业PON技术的应用

工业PON技术基于广泛应用部署的公众网络PON技术，在技术成熟度、产业链可控性、规模成本等方面具备优势。同时，针对工业场景的环境指标、性能功能、物理接口、安全性、网络可用性等方面的个性化需求，工业PON设备均进行了针对性研发和优化，可以全面满足工业场景下的各类能力要求。

工业PON 2.0设备在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置，通过工业级接入网关（ONU）设备实现光网络到设备层的连接，通过光分配网络实现工业设备数据、生产数据等到汇聚网关（OLT）的集中，最终通过汇聚网关（OLT）与企业IT网络的对接，从而实现企业OT和IT融合组网，以及工业数据的可靠有效传输。

工业PON技术，适用于承载不同企业规模的离散型、流程型制造业的各类工厂内网络业务。通过工业PON终端设备提供工业场景下的不同类型物理接口，可为工业控制、信号量监控、数据传输、语音通信、视频监控、无线网络承载等各种业务应用提供支持。

4.2 工业PON未来技术能力演进需求

（1）网络承载 =》 通用边缘计算+智能网络运维能力

工业PON目前主要实现网络承载的各类功能，但对于工业企业而言，在厂区生产体系中，除了网络连接以外，目前还需要必要的通用计算能力，实现企业内MES、ERP等必要的生产管理系统的承载，满足工厂内产线业务的管理和业务分发功能。同时，随着传统工厂向智能制造工厂的升级，需要在厂区内开展必要的工业云平台边缘部署工作，网络设备需要提供三层及以上网络业务的支持能力，实现灵活组网和网络业务按需部署分发。

在上述需求的驱动下，工业PON未来需要具备必要的边缘计算能力，具备通用计算资源，例如采用OLT侧配备必要的通用计算业务板卡（X86）的方式，实现安装工业生产管理系统、部署工业云平台边缘、提供网络业务层面灵活功能加载部署等能力，满足企业智能柔性制造的网络演进升级需求。

同时，工业互联网场景中，相比公众接入网，面临更多个性化的业务定制、调整和快速部署开通的需求，因此，在工业互联网场景中引入针对性的SDN智能化运维技术，可以满足多行业、各类场景下工业企业工业PON网络的高效率灵活运维需求。

（2）时延抖动 =》 时延敏感、低时延

TSN（时间敏感网络）是新兴的统一的确定性时延网络技术，在工业场景下有着重要的应用场景，具备归一化承载目前各类时延敏感的工业总线协议的底层网络承载技术的能力。以太网就无法承担此重任。

现有PON技术体系中，OLT和ONU之间由于是点到多点的架构，上行数据方向采用时分复用技术，导致上行方向存在不同ONU之间业务队列和等待的问题，上行数据存在一定的固有时延，尚无法完全支持TSN技术，需要在PON DBA机制等方面进行针对性优化，实现PON+TSN功能的整合。

（3）私有的传感器数据采集接口 =》 基于容器技术的工业开放能力平台

工业PON目前通过定制化的工业数采网关功能和硬件集成，已经具备一定的工业数据采集和协议转换能力，但是目前技术方案缺乏工业数采功能灵活扩展和个性化开发的能力。

同时由于工业PON的物理设备存在多个设备厂商，每个设备厂商在ONU侧所采用的物理层芯片、底层硬件架构、网络OS系统等方面，目前均自成体系的系统。从工业数据采集的需求来看，需要一个统一的工业数据采集软件平台和相应的标准化软硬件接口（不同工厂，需要采集的数据不同），实现第三方工业APP厂商的软件“一处开发，到处运行”的需求，屏蔽底层设备差异，提升工业软件的开发和迭代效率，满足工业企业需求多样化和柔性化制造等快读迭代相应的需求。

因此，需要探索研究实现工业数据采集等功能的统一平台，以及工业数采软件的APP化部署。具体实现方式上，可以采用软件层面开放式平台架构，业务功能容器化和APP化的方案。按照业务功能将软件划分为多个业务APP，实现快速迭代和部署，并通过容器技术，将业务软件与操作系统隔离，提升系统的安全性。

                         基于容器技术的开放平台的架构

上图所示为一种开放平台的架构方案，该开放平台软件架构抽象为双系统，包括PON网络的OS系统、数据采集功能的容器系统。双系统运行在同一个Linux内核上。

PON网络OS系统：实现工业PON设备管理、维护，各种网络服务协议支持，实现路由器网关功能；PON网络OS系统一般基于PON设备厂商成熟稳定的PON OS系统平台，可以实现PON层面的所有网络业务功能，并可以根据工业场景的应用需求，进行网络功能定制和扩展。

数据采集容器系统：提供轻量级的虚拟化，根据客户需求运行第三方工业应用程序。

（4）工业PON+5G融合组网承载

工厂内网络可以细分为企业内网和运营商网络。

企业内网可以部署下沉UPF+MEC，起到业务分流、降低时延、数据不出厂的作用。

办公类数据可以经城域网进入运营商外网。

企业内的5G无线部署可以多种方式相结合，包括宏站、皮站、室分、一体化小基站等。

对于运营商外网，需要考虑如何把小基站的数据经由PON回传后分流至5GC。

对于宏站，也可以考虑采用工业PON作为回传，只用于BBU下沉工厂内的情况，BBU如果放在电信机房，则无需通过工业PON回传。

对于企业内网，根据企业业务的不同，可能需要部署MEC（边缘计算），将部分WiFi、5G小基站、宏站的流量分流到工厂内部。

工业PON承载5G组网架构

在上述架构中，PON网络作为5G接入网与5G核心网之间的传输网络。

• OLT就必须具备分流私网数据UPF1和公网数据UPF2的能力。=>根据IP地址路由即可
• OLT就必须具备分流私网数据UPF1和公网信令AMF的能力。 =>根据IP地址路由即可

4.3 总结及未来展望

工业PON技术是采用先进的无源光纤通信技术和工厂自动化融合而构建的一个新兴的网络平台，是构建未来工厂智能化的基础。

工业互联网PON技术可以有效解决智能工厂和数字车间的通信交流，构造安全可靠的工厂内网络，完成智能制造基础设备、工艺、物流、人员等各方面基础信息采集，解决困扰企业的工业协议繁多和异构网络互联问题，实现工业现场协议的灵活转换和统一格式，同时为企业上云做好基础网络和数据服务。

未来，工业PON将针对工业制造转型升级的需求，提供完善的边缘计算、低时延业务承载、开放的工业APP平台和生态、智能化的运维管控能力。

同时，与5G技术进行有效结合，提供对公网/专网5G业务的回传承载能力，为企业提供一整套的工业互联网工厂内网络承载和智能化业务平台。

工业PON网络不可能一蹴而就，工业PON网络也不能举一家之力，这都不符合工业PON网络健康、快速、可持续发展的客观规律。

结合工业互联网的发展，我们从工业网络连接的角度，做好基础连接的服务，满足海量连接的要求，就需要从云网、设备、管理和运维等集成产链伙伴的集体智慧和技术突破，共同发展和繁荣光网产链，推动设备商、运营商、集成商和企业用户等多个角色的商业成功，为工业互联网在网络发展上贡献力量。