（最新）基于三网融合的EPON+LAN接入的楼道交换机方案

（最新）基于三网融合的EPON+LAN接入的楼道交换机 基于三网融合的EPON+LAN接入的楼道交换机方案 王学，张瑜，徐万彪(武汉光发科技有限公司，湖北省武汉市，430074) 摘 要: EPON+LAN的方案正成为许多广电运营商建设NGB和三网融合的理 想接入方案,但广电特殊的应用环境使得在实际网络接入中会遇到许多的问, 针对湖北广电网络在楼道接入中遇到的种种问题，武汉光发科技有限公司采用 了多种技术手段研制的TB系列楼道交换机产品，具备缆线供电，多重防雷，智 能检测，支持VLAN等特色功能，在广电NGB和三网融合建设中，发挥了重要作 用。 关键词 三网融合;防雷; 缆线供电; 楼道交换机 Guangfa TB Series corridor switches assist tri-networks integration Wang xue Zhang Yu, Xu Wanbiao (Wuhan Guangfa Technology Co., Ltd., Wuhan, Hubei Province, 430074) Abstract: EPON + LAN solution is the ideal access solution of tri-networks integration & NGB network building for many operators, but the specific application environment of radio and television made it will encounter many problems in the actual network , In order to resolve the problem of access for Hubei radio and television operators , Wuhan Guangfa Technology Co., Ltd. issued a variety of techniques to develop TB series corridor switch products .They have cable power supply, multi lightning protection ,intelligence testing, support VLAN and other features . They will play important roles in the construction of NGB and tri-networks integration . Key words tri-networks integration; lightning protection; cable power supply; corridor switch 1 引言 中国下一代广播电视网(NGB)是以有线电视数字化和移动多媒体广播(CMMB)的成果为基础，以自主创新的“高性能宽带信息网”核心技术为支撑，构建的适合我国国情的、“三网融合”的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。 中国NGB接入网要承载互动式多媒体业务，就必须实现双向化，但是传统意义上的HFC网双向化，是要为CMTS/CM系统和互动式机顶盒提供传输通道，但是CMTS/CM的数据传输能力即使采用DOCSIS 3.0也满足不了NGB对每户数据速率60,100Mbps的要求，因此HFC网的双向化将失去意义。 目前各种宽带接入网问题归根结底就是铜介质的带宽瓶颈，十多年来上述任何一种光电混合方式都在尽量延长光纤，缩短铜缆(即所谓“光进铜退”)，终于殊途同归，光纤到楼(FTTB)/光纤到家(FTTH)的出现，其解决了诸多介质瓶颈，同时带着三网融合(Triple Play)的光环，其势汹涌澎湃。 光纤作为一种损耗极低、频带极宽、抗电磁干扰，而价格又很低的信息传输物理介质，常规单模光纤的低损耗波长范围为1250nm,1620nm，相应的频率范围为240,185THz，频宽为55THz,55000GHz，是同轴电缆频宽范围(1GHz)的5.5万倍，而光纤的价格却远低于同轴电缆。一旦用光纤来尽量地取代同轴电缆，如实行光纤到楼(FTTB)就完全可以传输基带形式的数据信号，不必再把数据脉冲调制到射频副载波上。而如果将HFC与EPON结合起来，则可以形成一个三网融合包揽一切业务的宽带接入网。这种结合的物理基础在于以下两方面: 1、只要将HFC网的光节点下移到用户大楼，则HFC和EPON可共用一个点到多点的光纤分配网(ODN)，因为两者网络拓扑天生是匹配的; 2、HFC频分多路射频信号和EPON时分多路基带数据不能直接叠加，但是采用波分复用技术，两者光载波只要波长适当错开，就可复用在一条光纤中。为此IEEE802.3 LAN/MAN委员会在制定1G-EPON和10G-EPON标准时已考虑了网络融合问题，特别把1550nm留给射频电视，而将EPON的下行波长旁置。 基于此，FTTB的接入方式将成为目前一个特别适合于广电运营商新宽带发展和竞争的接入网方案，同时，FTTH成本高，鉴于用户经济承受能力和主要的居住环境，那么，FTTB将是NGB发展的必然趋势。 广电网络用户接入的几种方式分析 在目前的广电网升级中，主要有三种接入方案，各有利弊，各有千秋。 第一种:光纤到小区、同轴电缆调制入户(FTTC+CMTS)方案(见图1) 图 1 FTTC+CMTS方案 FTTC+CMTS 方案的特点是充分利用现有同轴电缆资源，入户施工难度小，可实现快速改造，但对 HFC 网络要求高，整改难度较大，后期带宽升级空间小，不能满足互动电视和下一代广电网络的需求。仅适用于已经严格按双向 HFC 网络标准设计和建设的网络。 第二种:光纤到小区、同轴线入户(FTTB+EPON+EOC)方案(见图2) 图 2 FTTB+EPON+EOC方案 FTTB+EPON+EOC 方案的特点是充分利用现有的同轴电缆资源，实现网络的快速双向化改造，改造工程量和成本颇高，同时此种方案仅适用于目前的3至4年网络，向后发展有点力不从心，也不利于当今的三网融合，乃至以后的四网融合的快速发展。 第三种光纤到楼、五类线入户(FTTB+EPON+LAN)方案(见图3) 图 3 FTTB+EPON+LAN方案 FTTB+EPON+LAN 方案特点是性能高，百兆入户，千兆到楼，可靠性高，建设和维护成本低，网络淘汰率低，完全符合互动新媒体网络的发展要求，有利于向 FTTH和三网融合业务的演进。可是它的入网是以双网入户为前提，施工证明，在某些装修过的老小区双网入户时难度有点大。 经过综合比较，EPON+LAN方案是当前广电接入最可行，性价比最高的方案。 2光发TB系列楼道交换机产品及其特色 武汉光发科技有限公司在广电领域是EPON+LAN方案的领军企业，自主研发了EPON+LAN方案中的关键设备楼道交换机，凭借性能优异，功能丰富，性价比高，武汉光发科技有限公司获得了良好的市场反应。 所谓楼道交换机就是楼层交换机。这个是建筑网络综合布线的一个概念，就是一个大楼要进行综合布线，有两种布线方式，1:所有房间的信息点都进入主机房，不设楼层交换机，全部接在主机房的交换机上 2:每个楼层设楼层交换机， 这个楼层所有信息点接入该楼层的交换机，然后各个楼层的交换机汇集后进入主机房。第一种情况是全部进入主机房，好处是，网管只要在主机房就可以管理整个大楼的网络，跳线啊，配置啊，比较方便，但是信息点不能太多，如果几千个信息点进进机房不太现实;第二种比较适合“大楼”，就是十几层的网络，信息点复杂而且特别多的，每个楼层设个网络间，里面有这个楼层的网络设备，此时作为终端用户接入的交换机就被称作楼道交换机。武汉光发科技有限公司开发的TB系列楼道交换机产品具有以下技术特色: 2.1、同轴60伏馈电供电 光发TB系列楼道交换机具有多种供电方式，不但可常规220V供电，内部设计有交流60V电源取电器，在不损失射频信号的情况下，方便的从有线电视网取电，适用于以太网方式的运营级宽带接入;同时同轴60伏馈电供电，可实现远程集中供电;支持 楼道交换机需要就地取电，需要专门设计供电方案，也受取电地点局部停电的影响。利用同轴电缆集中给放大器供电是较好的方法，有线电视网所传输的信号其频率最低是5MHz，最高达几百MHz，而供电的电源频率为50Hz，根据频分制原理，可以采用一根同轴电缆，既传输有线电视信号，又传送供给放大器的动力电源。交换机中有源器件所消耗的电功率一般为直流电压和电流，但通过同轴电缆供电时，一般不使用直流供电，而是用交流供电。主要是考虑交换机外壳是铁材质，电缆接头是铜材质，使用直流供电会产生“电解”作用，加快接头腐蚀，交流供电会减轻这一不良影响。 2.2、防雷设计 网络设备的防雷工作一直以来是运营商网络建设中的一个难点，尤其是宽带接入网建设中，数量众多的LAN交换机部署在楼道或者户外的交接箱中每年夏天，遇到雷暴天气后，楼道用交换机故障率很高。闪电发生的同时会产生强磁场对金属导线“切割”，在导线两端产生感应电压，是对交换机端口电子元器件造成损坏的主要原因。只要有闪电就会产生磁场，这是一种物理现象。雷电强度越大，闪电离地面越近，暴露在外面的空间的导线长度越长，“切割”的强度就越 大，感应电压也就越大，对设备损坏就越严重。 由于楼道交换机提供给几座楼群的用户宽带接入，交换机端口通过市话电缆线再跨楼连接到其他楼群用户的家里，跨楼电缆用的都是普通市话电缆，没有磁屏蔽功能，闪电发生时磁场对暴露在空间的导体进行“切割”，在导线上产生感应电压，感应电压达到某个强度值，就会对交换机端口电子元器件造成损坏。闪电时，综合光缆中输电导线受磁场感应，也会瞬时产生很高感应脉冲电压，对交换机造成损坏。很多运营商在网络建设的时候为了省事，对楼道交换机电源并没有进行接地连接，也没有安装电源防护装置，在交换机的上下行接口上也没有保护，因此在雷雨季节到来的时候，特别是在南方相当部分省市(例如广西、广东等省)频繁发生雷击情况时，造成双绞线引起过电压，从而使楼道交换机端口和电源被击坏，并对接入网络形成大规模瘫痪，给运营商带来了极大的损失，也直接导致宽带用户长时间断网，所产生的直接和间接经济损失和影响非常大 光发科技通过对以太网交换机在实际工程使用环境的分析，了解到雷电引起设备故障主要有以下两个原因:1、由于电源线和双绞线，都很容易对雷电产生感应，从而引起设备的损害2、雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，会产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备;或雷云在大地感应出相反电荷，若雷云消失时，大地上的电荷会向无穷远处流散，使地电位升高，产生反击有时感应的电压不足于一次击坏网络设备，但日积月累，由于过压冲击设备，引起设备的老化，设备寿命下降，所以在雷击中，老设备更加容易被破坏因此，参照相关国内外防雷标准，光发科技交换机产品进行了防雷性能的布置，提供了完善的解决方案该解决方案的推出大大提高了网络数据产品的雷击防护能力，提高了产品的市场竞争力 具体内置防雷措施是在设备内部，针对电源口和数据口增加防雷电路，以提高端口的防雷击性能，设计依据IEC61000-4-5的测试要求，电源口分别可以做到6KV/3KA的防护能力，依据邮电部标准YD/T1082---2000测试明，数据口能达到6KV的防护能力，都达到和超过标准所要求的防护等级，已经可以非常有效地防护大部分的感应雷击。横向防护采用了气体放电管和压敏电阻器相结合的方式气体放电管可以有效的消除压敏电阻器的漏电流，所以即使压敏电阻器随使用时间增加，其漏电流特性变差，也不会有大额的漏电流流过压敏电阻器而造成发热 和燃烧，保证了电路的安全性和可靠性;同样由于气体放电管存在续流现象，在雷击波消失后,电源线路上的工作电压依然会使气体放电管保持导通状态，这样就会造成电源线路的短路而压敏电阻器有效地解决了气体放电管的续流这一问题。由于考虑到在许多工程应用中，客户无法提供良好接地，故纵向保护主要是靠电源本身去"抗"雷击在具体设计中主要采用以下几点:加大共模抑制电感的感量;增强电源初次极各部分之间的绝缘强度;PCB合理的布线;合理地设置。雷电波放电的最薄弱点实际测试证明，这些改进措施效果很明显，即使在用户不具备接地条件的情况下，一样能有较强的共模防护能力 在数据口的防护中，采用了性能优良的气体放电管和退耦电路，并合理地设计了PCB走线考虑信号线平衡性，避免共模/差模的转换;合理布局，充分发挥防护器件的作用，减小不同模块间的耦合;加宽了PCB走线，增加通流能力;GDS附近布置接地螺柱，最小化浪涌泄放路径在大量实验的基础上，合理选择器件参数，使得防雷电路不但能有效地防护雷击，并使得防雷电路对数据通信的影响降到最校由于兼顾了工程实际情况的多样性，使得设备在强干扰的环境中也能可靠地工作 光发楼道交换机目前大量应用在三大运营商的宽带接入网建设中，在经历7月份的雷雨季节中，光发楼道交换机经受住了雷电的考验，获得了运营商的认可 交换机防雷解决方案的推出减少了电源防雷器和端口防雷器的使用，减少了网络上的故障点，提高了网络的可靠性 2.3、端口状态检测，异常状态会自动重启 对于可网管的交换机来说，端口状态监测是必不可少的。 如交换机的控制芯片可以以100Mbits/s的速率提供完全的监测能力。它可以复制被监测端口输出(TX)数据和输入(Rx)数据并发送给它们各自的“窥视”端口。可以通过配置监测寄存器来选择被监测端口和“窥视”端口。 由Watch Dog实现异常状态自动重启功能。Watch Dog的硬件主要由一个定时器组成，打开定时器开始工作，定时时间一到，触发系统复位。这样在软件上合适的地方需要在其定时时间到之前对Watch Dog Timer的计数器进行清零，只要软件运行正常，就不会出现复位。当软件死机或者运行出错时，则不对其定时 器的计数器清零，定时时间到后即对系统进行复位，使系统重新开始工作，从而保证系统的正常运行。 2.4、带VLAN功能 随着城域网宽带业务的高速发展， 宽带二层网络正不断发展演进， 一方面结构应更清晰、 合理， 另一方面能逐渐提供更高的网络带宽， 具备同时承载语音、 视频、 数据、 互联网等业务的能力， 并能根据客户和应用的需求提供差异化的服务。楼道以太网交换机位于城域网宽带接入网中的最底层， 下连LAN用户，上连园区交换机， 完成公众用户业务的接入。 为解决用户精确定位、业务安全隔离及端到端QoS等诸多问题，以实现城域网资源有效规划，位于接入层的楼道交换机至关重要。 随着运营商家庭网关业务的部署， 支持1:1和N:1 VLAN 转换功能的楼道交换机引起关注。VLAN映射其主要的功能是将用户报文中的私网VLAN Tag替换为公网的VLAN Tag，使其按照公网的网络规划进行传输。为了区分不同的用户，需要在楼道交换机处用不同的VLAN来承载不同用户的相同业务(包括PC、IPTV和VoIP)， 即进行1:1 VLAN映射。 但汇聚层网络接入设备可提供的VLAN数量有限， 因此需要在园区交换机上来进行VLAN的汇聚， 用一个VLAN来承载原本由多个VLAN承载的不同用户的相同业务， 即进行N:1 VLAN映射。通过VLAN映射技术，可以精确定位用户的地理位置和业务类型，为运营商实现用户及业务控制提供了精细化的手段。我们的楼道交换机带了VLAN功能，扩展了交换机的应用。 VLAN技术的实现: VLAN是指将一个大的网络逻辑地划分为多个较小的交换网络每个小网络是一个广播域，即虚拟局域网VLAN(Virtual Local Area Networks)。逻辑划分包含两层含义:第一是交换网络的划分方式是逻辑的，即VLAN的划分可以通过软件配置来实现，并可以反复修改，而不需要物理网络拓扑的变化。第二是这种交换网络本身的特性是逻辑的，与物理位置无关，并且无法通过网络的外部物理拓扑结构来判断VLAN的内部结构。 划分VLAN有多种方式，例如，基于端口的VLAN，基于MAC的VLAN，基于标 记的VLAN等。在本设计中，交换机采用基于端口的VLAN方式。IEEE2.3Q标准对基于端口的VLAN的原理作了明确的阐述。 从源端口来的帧只能转发到同一个VLAN域内的目的端口。广播/多播帧被转发到除了源端口外的本VLAN域内的所有端口。一个单播帧，只有在其目的端口和源端口在同一个VLAN内时，才会被转发至目的端口。否则，该帧会被当作一个未知DA的帧;如果目的端口位于其他VLAN，该帧就被抛弃掉。 在光发系列交换机上，VLAN的建立是通过修改每个端口的VLAN寄存器来实现。每个端口都应当被分配给一个明确的VLAN和Uplink端口。这样，未知DA的单播帧就可以被转发到源端口所属的Uplink端口，通过Uplink端口经过路由器转发给其他VLAN。什么是Uplink端口呢? Uplink端口是这样一种端口，它为交换机提供与路由器、Hub和工作组交换机相连接的一种手段。与交换机所有的MAC地址有不相匹配的目的地址的单播帧以及与Uplink端口在同一个VLAN内的端口所接收到的广播/多播帧都可以被转发到Uplink端口。 3 楼道交换机应用 交换机用于广电 EPON+LAN 解决方案中的楼道接入(见图4)。 广电HFC双向网改造的核心网，建设采用交换城域网的模型，采用万兆核心路由交换机构建双归属的核心层、二层网络和三层网络核心重叠，同时进行二层交换转发和路由转发:城域网汇接层采用二三层交换机组网，作为网关路由器直接接人LAN专线用户。同时作为二层交换机，汇聚片区内PPPoE用户到BRAS的二层流量:BRAS旁挂于核心二三层交换机，分片终结整个城域网的PPPoE用户。万兆核心路由交换机具有带宽控制的功能，并且这种带宽控制所达到的精细度非常高，也就是分给每台计算机的带宽能够非常小，能够满足各种层次不同的用户需要。同时，万兆核心路由交换机都提供了扩展插槽，能够通过自己公司的扩展模块达到多业务的实现。 EPON-OLT利用分前端光纤到园区机房分光器，分光器分光接入各个楼宇/道ONU，ONU采用LAN入户，承载数字电视点播信令同传和宽带上网等多业务，并根据多业务开展的需要，在用户侧增加家庭网管设备，完成对多业务终端的接入。下行的模拟和数字TV信号通过原有的光纤和HFC线路下行，HFC入户。最终双 线入户，一劳永逸地解决广电数字网络双向问题。另外如果CATV信号波长为1550nm，可将分前端光纤与 EPON-OLT进行合波，通过一根光纤进行传输，在园区机房进行分波，分别分出CATV信号和EPON光信号，由此可有效节省线路光纤资源。改造完成后，单位用户独占线路资源，不存在相互干扰的问题，开展点播业务不需要新增用户的终端投入，有效节省开通成本。存带宽规划上，建议1000M到小区，100M到楼道，10M到户，满足用户高带宽的需求和未来多业务接人的需要。 图 4 楼道交换机应用组网 结论 光发科技所研制的楼道接入交换机，充分分析用户需求，针对实际工程中的难题，采取多种技术手段和预防措施,在湖北广电EPON + LAN网络的实际应用中,完全满足广电应用需求。在复杂多变的环境中，工作稳定，保证广电业务的顺利 运行。得到广大运营商的充分好评。光发系列交换机产品的缆线取电，多重防雷，智能检测，支持VLAN的功能，在国内楼道接入交换机产品中独具特色 ，为三网融合和广电NGB建设，提供了强有力的技术保障。 参考文献 1) 廖志强. 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