寬帶上網技術簡史

在如今這個數字時代，寬帶已經成爲我們每個人、每個家庭的生活必需品。如果沒有它，我們會坐立難安、心緒不寧。

那麼，你知道寬帶背後的技術原理嗎？從最早期的 56k“貓”撥號，到現在的千兆城市、千兆家庭，我們的寬帶技術到底經歷了怎樣的變革？今天這篇文章，我們就來詳細瞭解一下 ——“寬帶的故事”。

█ xDSL 和 ISDN

下面這個界面，你見過嗎？我相信很多 70 後 80 後的小夥伴，肯定見過，並且非常熟悉。沒錯，這就是當年我們最初接觸互聯網時，進行“撥號上網”的界面。那還是 20 多年前，小棗君還在上大學的時候。爲了上網，我需要買一塊調制解調器卡（Modem，俗稱“貓”），插在電腦上。然後把宿舍僅有的一根電話線，插在“貓”上，設置完畢，才能開始撥號。一陣“撕心裂肺”的咯咯吱吱聲之後，顯示撥號已成功，那就是連上了互聯網。撥號上網的網速有多少呢？5KB/s……（號稱是 56K 撥號，實際速率是 45Kbps。真正使用時，經常是 1~2KB / s……）是的，你沒看錯，就是這麼慢。當初我們整個宿舍就靠這“涓涓細流”，連到學校系統上選課。當時的心情，請大家自行體會...採用這種原始方式，一旦你撥號上網，電話就無法打通，處於“佔線”狀態。而且，撥號上網的費用還特別貴，和打電話一樣，按照分鐘計費（大約 3 毛一分鐘）。速度本來就慢，眼看着錢嘩嘩流走，能把你急死。如果你覺得宿舍的網速慢，那麼，也可以選擇去網吧。最早的網吧，也是撥號上網。後來，部分網吧開始升級。在這些網吧的門口，往往會寫幾個大字 ——“ISDN 專線，高速衝浪”。ISDN，就是 Integrated Services Digital Network（綜合業務數字網）。它仍然是基於已有的電話網絡（PSTN，公共交換電話網）發展起來的技術，可以實現語音、數據和視頻等多種信號在同一條線路上進行傳輸。ISDN 的成本比較高，網速也沒快多少。當時中國電信提供的是窄帶 ISDN 標準，速率只有 128Kbps，比撥號快 2 倍多一點。幾年後，情況終於發生了變化。電信師傅帶了一個設備上門，說只要用了這個設備，網速就能“飛昇”。打聽了一下才知道，這個設備，叫 ADSL 貓（Modem）。電話線插在 ADSL 貓上，然後用網線連接 ADSL 貓和電腦，就可以撥號上網。採用 ADSL 之後，網絡速率確實得到了明顯提升，從 56Kbps 一下子變成了 1Mbps。到後面，又變成了 2Mbps。這個速率提升，帶來了巨大的體驗改善 —— 訪問網頁什麼的，都很流暢。聊天發 QQ，就更快了。下載軟件、電影和電視劇，也變得可行（以前 56K 根本不敢想）。作爲通信工程專業大學生，小棗君當時並不知道，ADSL 的全名叫 Asymmetric Digital Subscriber Line（非對稱數字用戶線路），屬於 DSL 技術的一種。DSL 技術，是美國貝爾通信研究所於 1989 年發明的。ADSL 技術剛剛出現的時候，我很好奇：同樣是一根電話線，又不是網線雙絞線，怎麼速度突然就上來了呢？原來，早期（56K）的時候，我們只佔用了銅線的低頻部分（4KHz 以下的部分），並沒有完全發揮它的全部潛力。而 ADSL 技術，採用頻分複用的方式，把普通電話線分爲電話、上行和下行三個相對獨立的通道，既避免了干擾，又提升了速率。注：具體來說，ADSL 採用 DMT（離散多音頻）技術，將原來電話線路 4KHz 到 1.1MHz 頻段劃分成 256 個頻寬爲 4.3125KHz 的子頻帶。其中，4KHz 以下頻段仍用於傳送 POTS（傳統電話業務），20KHz 到 138KHz 的頻段用來傳送上行信號，138KHz 到 1.1MHZ 的頻段用來傳送下行信號。相比原始方式，ADSL 不僅速率大幅提升，價格也大幅下降。上網時，不再需要“爭分奪秒”。而且，上網和打電話也不再衝突了，可以同時進行。後來，在 ADSL 基礎上，又升級出了 ADSL2、ADSL2+，速率也一度能達到 20Mbps。再後來，又有了 VDSL、VDSL2 等一系列技術。這些技術，通常被統稱爲 xDSL 技術。直到現在，國外有些地方仍然在使用 xDSL 技術。基於 VDSL2 演進出來的 G.Fast，最高理論速度竟然可以達到 1Gbps。前面我們說到，國內有的網吧使用了 ISDN 技術。其實，這個 ISDN 技術的生命週期也比較短，還沒怎麼搞，ADSL 技術就發展起來了。當時，有的網吧升級了 ADSL，也有的換了別的專線，例如 DDN（Digital Data Network，數字數據網）什麼的，那是後話。除了 ADSL 之外，我們身邊還出現了廣電寬帶（有線通）等上網方式。廣電寬帶，我相信用過的人都印象深刻。其實就是通過有線電視（CATV）的同軸電纜，提供寬帶接入的一種方式。

█ EPON 和 GPON

ADSL 帶來了網絡體驗的明顯改善。當我們沉浸在這個改善之中時，有一種新的、更牛掰的技術，來到了我們的面前。這個技術，當然就是光纖寬帶。ADSL、ISDN，都是基於金屬線纜，銅介質。上世紀 60 年代，英籍華裔科學家高錕發表了一篇論文，提出光纖（光導纖維）用於數據通信的理論依據。不久後，美國康寧公司真的拉出了世界上第一根衰耗滿足要求的光纖，從此將這個神奇的發明推到了世人面前。70-80 年代，光纖技術發展很快。通信廠商們除了將光纖用於骨幹網絡之外，也開始研究，將光纖用於接入網絡，取代銅纜。於是，就有了光纖接入網的構想。光纖接入網是一個典型的 P2MP（點到多點）架構。其實說白了，就是樹型結構，不斷分光，實現面向大量用戶的光連接。早期的光通信技術比較弱（PDH / SDH 階段），光纖傳輸信號衰減大。所以，搞的都是有源光網絡（Active Optical Network，AON），需要引入外部能源（電源）對光進行加強（中繼），設備更復雜，成本更高。後來，技術逐漸成熟了一些，光可以傳得更遠了，開始有了無源光網絡（Passive OpticalNetwork，PON）。無源光網絡，分爲 OLT、ODN、ONT / ONU。OLT（光線路終端）是局側設備，ONT / ONU（光網絡單元 / 終端）是用戶側設備（例如光貓）。ODN 是光分配網（Optical Distribution Network），可以理解爲 PON 的軀幹。PON 的無源，主要是指的這個部分無源，會大幅降低建設和維護成本。PON 的早期階段（80 年代末），廠商們推出的基本是窄帶 PON 技術。這種技術速率很低，不超過 2Mbps。而且，因爲廠商們各自爲戰，所以一直沒有形成統一的規範和標準。1995 年，包括 BELLSOUTH、BT、France Telecom 在內的 7 家網絡運營商共同發起成立了全業務接入網聯盟（FSAN），希望能提出一種統一的光接入網設備標準。不久之後，1997 年，根據 FSAN 的建議，ITU-T（國際電信聯盟電信標準分局）推出了 APON 技術體系，也就是 G.983.1 標準。APON，就是 ATM PON。ATM 可不是自動取款機，它是異步傳輸模式（Asynchronous Transfer Mode）的縮寫。ATM 的本質，就是一種傳輸協議。老一輩通信人肯定對 ATM 很熟悉，它曾經是 IP 協議的競爭對手，一度非常流行。到了 2001 年，FSAN 和 ITU-T 對 APON 規範進行了升級修訂，順便改了個名，叫做 BPON（Broadband PON，寬帶無源光網絡）。之所以改名，主要是他們不希望 APON 被人誤解爲只能提供 ATM 業務。爲了進一步提升 PON 的速率標準，2002 年，FSAN 啓動了一項新的工作，對 1Gbps 以上的 PON 網絡進行標準化。2003 年 3 月，在 FSAN 的建議基礎上，ITU-T 頒佈 G.984 標準，也就是 GPON（Gigabit-capable PON，千兆比特無源光網絡）。就在 FSAN 和 ITU-T 幹得熱火朝天的同時，另一家標準化組織也沒閒着，也開始搗鼓 PON 技術。它就是同樣大名鼎鼎的 IEEE（電氣和電子工程師協會）。IEEE 是以太網（Ethernet）標準的制定者和大靠山。IEEE 在 1998 年發佈了吉比特（Gigabit）以太網標準之後，就尋思着搞一個基於以太網的 PON 標準。2000 年，IEEE 成立了 EFM 工作組，正式啓動相關標準化工作。EFM 工作組的全名很有趣，叫做第一英里以太網工作組（Ethernet for the First Mile），歸屬於制定以太網標準的 IEEE 802.3 組。2004 年 4 月，EFM 工作組大功告成，正式推出了 IEEE 802.3ah 標準，也就是 EPON（Ethernet PON，基於 Ethernet 以太網的 PON）。後來，隨着時間推移，ATM 在與 IP 的競爭中逐漸失勢沒落。APON（BPON）也因爲成本、效率等原因被運營商們拋棄，退出了歷史舞臺。所以，APON（BPON）我就不多介紹了，大家也不需要了解太多。反正大家記住，當時的行業主流，就是 EPON 和 GPON。它們是不同標準組織推出的不同技術體系。兩者之間並沒有升級演進或替代的關係，可以算是平行發展。兩者具體的技術區別，網上資料很多，大家可以另行研究。總之，EPON 和 GPON 各有優劣。簡單來說，GPON 帶寬更大，帶的用戶更多，效率更高，但實現起來也更復雜，所以成本也更高。從國內的市場份額來看，EPON 當時在中國電信被普遍採用，而 GPON 更受中國聯通和中國移動的歡迎。在海外，除了日本以及少部分國家使用 EPON 之外，大部分國家和地區都是用的 GPON。大家如果有印象的話，大約 2010 年左右，電信師傅開始上門更換設備，不再使用電話線上網了。取而代之的，是接進弱電箱的一根網線。網線的內芯往往會被分開。8 根線芯，其中 2 根接 RJ11 口，連接電話；另外 6 根，接到電腦上，上網。那時候，Wi-Fi 無線路由器也逐漸開始出現，網線可以接到無線路由器上，讓更多的臺式電腦、筆記本電腦上網。2008 年左右出現智能機後，手機也可以通過 Wi-Fi 上網。我們的互聯網接入能力有了又一次飛躍。配合那時候開始出現的 3G / 4G，繁榮的移動互聯網時代，正式開啓了。剛纔說的接進弱電箱的網線，其實基本上屬於 FTTB（光纖到大樓）或 FTTC（光纖到路邊）技術。以 FTTB 爲例，來自運營商的光纖接到大樓弱電機房的 ONU，然後轉換成 LAN，接到用戶家中。那一時期，還有一個時代特點：2008 年國內電信運營商第三輪重組結束後，中國移動收了中國鐵通，也開始以鐵通的底子爲基礎，大力進軍家庭寬帶市場。後來，聯通也加入了戰局。這直接導致後來家庭寬帶激烈的市場競爭，寬帶費用開始大幅下降。沒過幾年，FTTB 開始變成了 FTTH。入戶的不再是網線，而是光纖。我們有了光貓，光纖插在光貓（ONT）上，網絡獨享，速度變得更快，而且更穩定。

█ 10G PON 和 10G EPON

EPON 和 GPON，都是 1Gbps 這個級別的 PON。注意，這個 1Gbps，並不是用戶側的速率。EPON 和 GPON 只能給用戶提供 100Mbps 的速率。很顯然，隨着時代的發展，這個速率無法滿足家庭和企業用戶的需求。於是，PON 開始向 10Gbps 級別的演進。2006 年，IEEE 開始立項制定 10Gbit / s 速率的 EPON 系統標準，也就是後來的 IEEE 802.3av，10G-EPON。在該標準中，10G EPON 分爲 2 個類型：一是非對稱方式，即下行速率爲 10Gbps，上行速率爲 1Gbps；另一個是對稱方式，即上下行速率均爲 10Gbps。ITU-T 的 GPON 那邊呢，也在演進。2008 年，ITU 啓動了下一代 GPON 標準的研究。2010 年，XG-PON 標準誕生，也就是 ITU-T G.987 系列。最開始的時候，XG-PON 也有兩種方式，一種是非對稱方式 XG-PON1，下行速率爲 10Gbps，上行速率爲 2.5Gbps；另一種是對稱方式 XG-PON2，上下行速率均爲 10Gbps。後來，2013 年左右，因爲 XG-PON2 這個對稱方案難以實現，所以被建議取消。XG-PON1 直接改名成爲 XG-PON。再後來，2015 年，對稱方案又重啓，採用了新名字，叫做 XGS-PON（S 代表 symmetric，對稱）。2017 年，ITU 正式通過了 G.9807 XGS-PON 國際標準。現在，業界會把 XG-PON 和 XGS-PON 統稱爲 XG (S)-PON。XG (S)-PON 和 10G-EPON，都是 10Gbps 級別。在用戶側，實現的速率是 1Gbps，也就是千兆。國內很多地方這些年拼命宣傳的千兆城市、千兆家庭，主要是基於這兩個技術。大家應該也注意到了，從 2018 年開始，我們家裏的寬帶，逐漸從 100M 到 200M、500M、1000M。電信師傅三天兩頭聯繫你，上門“免費”換設備。運營商也經常搞活動，辦理各種 199 元、299 元的套餐，升級家裏的寬帶。但實際上，大部分用戶可能會感覺到，從 100M 開始，升級所謂的寬帶網絡套餐，其實並沒有什麼體驗上的差異。這其實並不奇怪，100-200M 的帶寬，對於我們玩遊戲、追劇、看高清視頻，真的已經夠用了。除非家庭成員較多，或者是發燒友，否則，對高網速並沒有剛性需求。相比之下，Wi-Fi 的質量體驗，反而是一個瓶頸。經常出現家裏 100M 寬帶的情況下，手機仍然“轉圈圈”的現象。基於這一點，運營商提出的解決方案，是“全屋千兆”，也就是 FTTR，光纖入房間。把光纖拉到每一個房間，然後通過 Wi-Fi，實現體驗改善。小棗君個人認爲，對於大戶型和高端用戶，FTTR 確實是一個不錯的選擇。但是，對於大部分家庭來說，FTTR 似乎有一點“超前”。FTTR 也分爲 FTTR-H 和 FTTR-B。前者面向家庭，後者面向企業（商場、園區、醫院、學校等）場景。從這個角度來看的話，市場倒是非常廣闊的。好啦，寫到這裏，基本上就是我們目前的寬帶現狀了。那麼，我們的寬帶技術是不是已經到頂了？接下來，我們還會有更厲害的技術嗎？請看下期 ——50G PON 的隆重登場！本文來自微信公衆號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君

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