宽带上网技术简史

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。

Modem

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”。

2000 年代的网吧

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。电信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”。

就是这个设备

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。

广电宽带机顶盒，同轴电缆进，网线出

同轴电缆

█ 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。

高锟

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 OpticalNetwork，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 2010 年左右，电信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 年国内电信运营商第三轮重组结束后，中国移动收了中国铁通，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。电信师傅三天两头联系你，上门“免费”换设备。运营商也经常搞活动，办理各种 199 元、299 元的套餐，升级家里的宽带。

“三千兆”

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

FTTR 设备

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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