寬頻上網技術簡史

在現今這個數位時代，寬頻已經成為我們每個人、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，你知道寬頻背後的技術原理嗎？從最早期的 56k「貓」撥號，到現在的千兆城市、千兆家庭，我們的寬頻科技到底經歷了怎樣的改變？ 今天這篇文章，我們就來詳細了解一下 ——「寬頻的故事」。

█ xDSL 和 ISDN

下面這個介面，你看過嗎？ 我相信很多 70 後 80 後的小夥伴，肯定見過，非常熟悉。 沒錯，這就是當年我們最初接觸網路時，進行「撥接上網」的介面。 那還是 20 多年前，小棗君還在上大學的時候。為了上網，我需要買一塊調變解調器卡（Modem，俗稱「貓」），插在電腦上。然後把宿舍僅有的一條電話線，插在「貓」上，設定完畢，才能開始撥號。

Modem

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。 撥接上網的網路速度有多少呢？ 5KB/s…（號稱是56K 撥號，實際速率是45Kbps。真正使用時，常常是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，撥接上網的費用還特別貴，跟打電話一樣，依照分鐘計費（約 3 毛一分鐘）。速度本來就慢，眼看著錢嘩啦流走，能把你急死。 如果你覺得宿舍的網路速度慢，那麼，也可以選擇去網吧。 最早的網吧，也是撥接上網。後來，部分網咖開始升級。在這些網咖的門口，往往會寫幾個大字 ——「ISDN 專線，高速衝浪」。

2000 年代的網咖

ISDN，就是 Integrated Services Digital Network（綜合業務數位網）。它仍然是基於現有的電話網路（PSTN，公共交換電話網）發展的技術，可以實現語音、數據和視訊等多種訊號在同一線路上傳輸。 ISDN 的成本比較高，網路速度也沒快多少。當時中國電信提供的是窄頻 ISDN 標準，速率只有 128Kbps，比撥號快 2 倍多一點。 幾年後，情況終於改變了。電信師傅帶了一個設備上門，說只要用了這個設備，網路速度就能「飛升」。

就是這個設備

聽了一下才知道，這個設備，叫 ADSL 貓（Modem）。電話線插在 ADSL 貓上，然後用網路線連接 ADSL 貓和電腦，就可以撥接上網。 採用 ADSL 之後，網路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 2Mbps了。 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。下載軟體、電影和電視劇，也變得可行（以前 56K 根本不敢想）。 身為通訊工程專業大學生，小棗君當時並不知道，ADSL 的全名為 Asymmetric Digital Subscriber Line（非對稱數位使用者線路），屬於 DSL 技術的一種。 DSL 技術，是美國貝爾通訊研究所於 1989 年發明的。 ADSL 技術剛出現的時候，我很好奇：同樣是一條電話線，又不是網路線雙絞線，怎麼速度突然就上來了呢？

電話線通常是2 芯，採用RJ11 介面

網路線（雙絞線）是8 芯（4 對），採用RJ45介面

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，把普通電話線分為電話、上行和下行三個相對獨立的通道，既避免了乾擾，又提升了速率。 附註：具體來說，ADSL 採用 DMT（離散多音訊）技術，將原廠電話線路 4KHz 到 1.1MHz 頻段分割成 256 個頻寬為 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訊號，138KHz 到 1.1MHZ 的頻段用來傳送下行訊號。 相較於原始方式，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，通常被統稱為 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，國內有的網咖使用了 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，有的網咖升級了 ADSL，也有的換了別的專線，例如 DDN（Digital Data Network，數位資料網路）什麼的，那是後話。 除了 ADSL 之外，我們身邊還出現了廣電寬頻（有線通）等上網方式。 廣電寬頻，我相信用過的人都印象深刻。其實就是透過有線電視（CATV）的同軸電纜，提供寬頻存取的一種方式。

廣電寬頻機上盒，同軸電纜進，網路線出

同軸電纜

█ EPON 和GPON

ADSL 帶來了網路體驗的明顯改善。當我們沉浸在這個改善時，有一種新的、更牛掰的技術，來到了我們的面前。 這個技術，當然就是光纖寬頻。 ADSL、ISDN，都是以金屬纜，銅介質為基礎。 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）用於資料通訊的理論依據。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。

高錕

70-80 年代，光纖技術發展很快。除了將光纖用於骨幹網路之外，通訊廠商們也開始研究，將光纖用於接入網絡，取代銅纜。 於是，就有了光纖接入網路的構想。 光纖接取網路是一個典型的 P2MP（點到多點）架構。其實說穿了，就是樹型結構，不斷分光，實現面向大量用戶的光連結。 早期的光通訊技術比較弱（PDH / SDH 階段），光纖傳輸訊號衰減大。所以，搞的都是有源光網路（Active Optical Network，AON），需要引入外部能源（電源）來加強光（中繼），設備更複雜，成本更高。 後來，科技逐漸成熟了一些，光可以傳得更遠了，開始有了被動光網路（Passive OpticalNetwork，PON）。 被動光網絡，分為 OLT、ODN、ONT / ONU。 OLT（光線路終端）是局側設備，ONT / ONU（光網路單元 / 終端）是用戶側設備（例如光貓）。 ODN 是光分配網（Optical Distribution Network），可以理解為 PON 的軀幹。 PON 的被動，主要是指的這個部分被動，會大幅降低建造和維護成本。 PON 的早期階段（80 年代末期），廠商們推出的基本是窄頻 PON 技術。這種技術速率很低，不超過 2Mbps。而且，因為廠商們各自為戰，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 家網路營運商共同發起成立了全業務存取網路聯盟（FSAN），希望能提出統一的光纖存取網路設備標準。 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 不是自動櫃員機，它是非同步傳輸模式（Asynchronous Transfer Mode）的縮寫。 ATM 的本質，就是一種傳輸協定。老一輩通訊人肯定對 ATM 很熟悉，它曾經是 IP 協定的競爭對手，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，寬頻無源光網路）。之所以改名，主要是他們不希望 APON 被誤解為只能提供 ATM 業務。 為了進一步提升 PON 的速率標準，2002 年，FSAN 啟動了一項新的工作，對 1Gbps 以上的 PON 網路進行標準化。 2003 年 3 月，在 FSAN 的建議基礎上，ITU-T 頒布 G.984 標準，也就是 GPON（Gigabit-capable PON，千兆位元被動光網路）。 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著，也開始搗鼓 PON 技術。它就是同樣大名鼎鼎的 IEEE（電機電子工程師協會）。 IEEE 是乙太網路（Ethernet）標準的製定者和大靠山。 IEEE 在 1998 年發布了吉比特（Gigabit）乙太網路標準之後，就尋思著搞一個基於乙太網路的 PON 標準。 2000 年，IEEE 成立了 EFM 工作小組，正式啟動相關標準化工作。 EFM 工作小組的全名很有趣，叫做第一英里乙太網路工作小組（Ethernet for the First Mile），歸屬於制定乙太網路標準的 IEEE 802.3 組。 2004 年 4 月，EFM 工作小組大功告成，正式推出了 IEEE 802.3ah 標準，也就是 EPON（Ethernet PON，基於 Ethernet 乙太網路的 PON）。 後來，隨著時間推移，ATM 在與 IP 的競爭中逐漸失勢沒落。 APON（BPON）也因為成本、效率等原因被營運商們拋棄，退出了歷史舞台。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，當時的產業主流，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。 兩者俱體的技術區別，網路資料很多，大家可以另行研究。總之，EPON 和 GPON 各有優劣。簡單來說，GPON 頻寬更大，帶的用戶更多，效率更高，但實現起來也更複雜，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，除了日本以及少數國家使用 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路了。取而代之的，是接進弱電箱的網路線。 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，網路線可以接到無線路由器上，讓更多的桌上型電腦、筆記型電腦上網。 2008 年左右出現智慧型機後，手機也可以透過 Wi-Fi 上網。我們的網路存取能力有了另一個飛躍。配合那時開始出現的 3G / 4G，繁榮的行動網路時代，正式開啟了。 剛才說的接進弱電箱的網路線，其實基本上是屬於 FTTB（光纖到大樓）或 FTTC（光纖到路邊）技術。以 FTTB 為例，來自營運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，還有一個時代特色：2008 年國內電信業者第三輪重組結束後，中國移動收了中國鐵通，也開始以鐵通的底子為基礎，大力進軍家庭寬頻市場。後來，聯通也加入了戰局。這直接導致後來家庭寬頻激烈的市場競爭，寬頻費用開始大幅下降。 沒過幾年，FTTB 開始變成了 FTTH。入戶的不再是網路線，而是光纖。 我們有了光貓，光纖插在光貓（ONT）上，網路獨享，速度變得更快，而且更穩定。

█ 10G PON 和 10G EPON

EPON 和 GPON，都是 1Gbps 這個等級的 PON。注意，這個 1Gbps，並不是用戶側的速率。 EPON 和 GPON 只能提供使用者 100Mbps 的速率。 很顯然，隨著時代的發展，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 等級的演進。 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。 在本標準中，10G EPON 分為 2 種：一是不對稱方式，即下行速率為 10Gbps，上行速率為 1Gbps；另一個是對稱方式，即上下行速率均為 10Gbps。 ITU-T 的 GPON 那邊呢，也在演進。 2008 年，ITU 啟動了下一代 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，一種是不對稱方式XG-PON1，下行速率為10Gbps，上行速率為2.5Gbps；另一種是對稱方式XG-PON2，上下行速率均為10Gbps。 後來，2013 年左右，因為 XG-PON2 這個對稱方案難以實現，所以被建議取消。 XG-PON1 直接改名成為 XG-PON。 再後來，2015 年，對稱方案又重啟，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 統稱為 XG (S)-PON。 XG (S)-PON 和 10G-EPON，都是 10Gbps 等級。在使用者側，實現的速率是 1Gbps，也就是千兆。國內許多地方這些年拼命宣傳的千兆城市、千兆家庭，主要是基於這兩種技術。 大家應該也注意到了，從 2018 年開始，我們家裡的寬頻，逐漸從 100M 到 200M、500M、1000M。電信師傅三天兩頭聯絡你，上門「免費」換設備。業者也常搞活動，辦理各種 199 元、299 元的套餐，升級家裡的寬頻。

「三千兆」

但實際上，大部分用戶可能會感覺到，從100M 開始，升級所謂的寬頻網路套餐，其實並沒有什麼體驗上的差異。 這其實並不奇怪，100-200M 的頻寬，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，或是發燒友，否則，對高網速並沒有剛性需求。 相較之下，Wi-Fi 的品質體驗，反而是一個瓶頸。經常出現家裡 100M 寬頻的情況下，手機仍然「轉圈」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。把光纖拉到每個房間，然後通過 Wi-Fi，實現體驗改善。

FTTR

FTTR 裝置

小棗君個人認為，對於大戶型和高階用戶，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 也分為 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，寫到這裡，基本上就是我們目前的寬頻現狀了。 那麼，我們的寬頻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！ 本文來自微信公眾號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君

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