宽带上网技术简史
2024-04-15 12:32

宽带上网技术简史

本文来自微信公众号:鲜枣课堂 (ID:xzclasscom),作者:小枣君,题图来自:视觉中国

文章摘要
本文介绍了宽带上网技术的发展历程,从最初的拨号上网到现在的光纤宽带。通过不同的技术升级和演进,宽带的速度和稳定性得到了显著提升。

• 💡 宽带技术从最初的拨号上网到现在的光纤宽带,经历了巨大的变革和进步。

• 💡 xDSL和ISDN技术为宽带的发展奠定了基础,提高了上网速度和稳定性。

• 💡 光纤宽带的出现进一步提升了上网速度和稳定性,为移动互联网时代的到来奠定了基础。

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,这就是当年我们最初接触互联网时,进行“拨号上网”的界面。


那还是20多年前,小枣君还在上大学的时候。为了上网,我需要买一块调制解调器卡(Modem,俗称“猫”),插在电脑上。然后把宿舍仅有的一根电话线,插在“猫”上,设置完毕,才能开始拨号。


一阵“撕心裂肺”的咯咯吱吱声之后,显示拨号已成功,那就是连上了互联网。


拨号上网的网速有多少呢?5KB/s……(号称是56K拨号,实际速率是45Kbps。真正使用时,经常是1~2KB/s……)


是的,你没看错,就是这么慢。当初我们整个宿舍就靠这“涓涓细流”,连到学校系统上选课。当时的心情,请大家自行体会......


采用这种原始方式,一旦你拨号上网,电话就无法打通,处于“占线”状态。


而且,拨号上网的费用还特别贵,和打电话一样,按照分钟计费(大约3毛一分钟)。速度本来就慢,眼看着钱哗哗流走,能把你急死。


如果你觉得宿舍的网速慢,那么,也可以选择去网吧。


最早的网吧,也是拨号上网。后来,部分网吧开始升级。在这些网吧的门口,往往会写几个大字——“ISDN专线,高速冲浪”。


ISDN,就是Integrated Services Digital 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GPON


ADSL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 EPON


EPON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 (ID:xzclasscom),作者:小枣君

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