網絡是怎樣連接的學習筆記-第四章-光纖接入網（FTTH）
4.2 光纖接入網（FTTH）
4.2.1 光纖的基本知識
FTTH，是一種基於光纖的接入網技術。FTTH 的關鍵點在於對光纖的使用，所以先來介紹一些光纖的基本知識。
光纖的結構
它是由一種雙層結構的纖維狀透明材質（玻璃和塑料）構成的，通過在裏面的纖芯中傳導光信號來傳輸數字信息。
光信號和電信號的相互轉化
光信號非常簡單，亮表示 1，暗表示 0。但是數字信息並不能一下子變成光信號。
需要像下圖所示，先將數字信息轉換成電信號，然後再將電信號轉換成光信號。
這裏的電信號非常簡單，1 用高電壓表示，0 用低電壓表示。
電信號轉換為光信號
將這樣的電信號輸入 LED、激光二極管等光源後，這些光源就會根據信號電壓的變化發光，高電壓發光亮，低電壓發光暗。
在光纖中傳導之後，就可以通過光纖到達接收端。
光信號轉換為電信號
接收端有可以感應光線的光敏元件，光敏元件可以根據光的亮度產生不同的電壓。
當光信號照射到上面時，光亮的時候就產生高電壓，光暗的時候就產生低電壓，這樣就將光信號轉換成了電信號。
最後再將電信號轉換成數字信息，我們就接收到數據了。這就是光纖的通信原理。
4.2.2 單模與多模
光纖通信的關鍵技術就是能夠傳導光信號的光纖。
光的傳導方式是非常復雜的，不同材質的光纖其透光率和折射率也不同，纖芯的直徑等因素也會影響光的傳導。
纖芯的直徑對光的傳導影響很大
光在光纖中的傳導
入射角度太大的光纖會折射出去
光源在所有方向上都會發光，因此會有各種角度的光線進入纖芯。
入射角度太大的光線會在纖芯和包層的邊界上折射出去，只有入射角較小的光線會被包層全反射，從而在纖芯中前進。
不同相位的光在反射時會相互幹涉抵消
光也是一種波也有相位，當光線在纖芯和包層的邊界上反射時，會由於反射角產生相位變化。
當朝反射面前進的光線和被反射回來的光線交會時，如果兩條光線的相位不一致，就會彼此發生幹涉抵消，只有那些相位一致的光線才會繼續在光纖中傳導。
光在反射時相位會發生變化，這個變化的量隨光在反射面的反射角度不同而不同，大多數角度下都會因為相位不同而被幹涉抵消。
有幾個特定的角度下，向反射面前進的光和反射回來的光的相位是一致的，只有以這些角度反射的光才能繼續向前傳導。
進入光纖的光線有各種角度，其中只有少數按照特定角度入射以保持相位一致的光線才會繼續傳導。
根據不同的纖芯直徑劃分光纖種類
這個角度非常關鍵，纖芯的直徑也是根據這個角度來確定的，而且纖芯的直徑大小會極大地改變光纖的性質。
根據纖芯直徑，光纖可以劃分成幾種類型，大體上包括較細的單模光纖（8～10 μm）和較粗的多模光纖（50 μm 或 62.5 μm）。
單模光纖
單模光纖的纖芯很細，只有入射角很小的光線才能進入。
因此在能夠保持相位一致的角度中，只有角度最小的光線能進入光纖。
單模光纖的纖芯直徑就是按照只允許相位一致的最小角度的光進入而設計的。
多模光纖
多模光纖的纖芯比較粗，入射角比較大的光也可以進入。
在相位一致的角度中，不僅角度最小的可以在光纖中傳導，其他角度更大一些的也可以，即可以有多條光線在纖芯中同時傳導。
單模和多模實際上表示相位一致的角度有一個還是多個（圖 4.14）。
單模光纖和多模光纖對光源和光敏元件的要求
多模光纖中可以傳導多條光線，這意味著能通過的光線較多，對光源和光敏元件的性能要求也就較低，從而可以降低光源和光敏元件的價格。
單模光纖的纖芯中只能傳導一條光線，能通過的光線較少，相應地對於光源和光敏元件的性能要求就較高，但信號的失真會比較小。
信號失真與光在纖芯傳導時反射的次數相關
多模光纖中，多條反射角不同的光線同時傳導，其中反射角越大的光線反射次數越多，走過的距離也就越長。相對地，反射角越小的光線走過的距離越短。
光通過的距離會影響其到達接收端的時間，也就是說，通過的距離越長，到達接收端的時間越長。
結果，多條光線到達的時間不同，信號的寬度就會被拉伸，這就造成了失真。
因此光纖越長失真越大，當超過允許範圍時，通信就會出錯（圖 4.15）。
單模光纖則不會出現這樣的問題，因為在纖芯傳導的光線只有一條，不會因為行進距離的差異產生時間差，所以即便光纖很長，也不會產生嚴重的失真。
光纖的最大長度也是由上述性質決定的，單模光纖的失真小，可以比多模光纖更長。
因此多模光纖主要用於一座建築物裏面的連接，單模光纖則用於距離較遠的建築物之間的連接。
FTTH 屬於後者，因此主要使用單模光纖。
4.2.3 通過光纖分路來降低成本
用光纖來代替 ADSL 將用戶端接入路由器和運營商的 BAS 連接起來的接入方式就是 FTTH ，從形態上可大致分為兩種。
第一種：用一根光纖直接從用戶端連接到最近的電話局
這種類型的 FTTH 中，用戶和電話局之間通過光纖直接連接，網絡包的傳輸方式如下。
用戶端的光纖收發器將以太網的電信號轉換成光信號
這一步只進行電信號到光信號的轉換，而不會像 ADSL 一樣還需要將包拆分成信元，大家可以認為是將以太網包原原本本地轉換成了光信號。
光信號通過連接到光纖收發器的光纖直接到達 BAS 前面的多路光纖收發器
FTTH 一般使用單模光纖，因此其纖芯中只有特定角度的光信號能夠反射並前進。
多路光纖收發器將光信號轉換成電信號
BAS的端口接收之後，將包轉發到互聯網內部。
把網絡包發送到互聯網之後，服務器會收到響應，響應包的光信號也是沿著同一條光纖傳輸到用戶端的。
波分復用
前往互聯網的上行光信號和前往用戶的下行光信號在光纖中混合在一起，信號會變得無法識別。
因此我們需要對它們進行區分，辦法是上行和下行信號采用不同波長的光。
波長不同的光混合後可通過棱鏡原理進行分離，因此光纖中的上行和下行信號即便混合起來也可以識別。
像這樣在一條光纖中使用不同的波長傳輸多個光信號的方式叫作波分復用。
第二種：用戶附近的電線桿上安裝分光器
通過這個設備讓光纖分路，同時連接多個用戶。
通過光纖分路連接多個用戶的光纖接入模式統稱為 PON（Passive OpticalNetwork，無源光網絡）。
ONU和OLT
在這種方式下，用戶端不使用光纖收發器，而是使用一個叫作 ONU 的設備。
它將以太網的電信號轉換成光信號之後，會到達 BAS 前面的一個叫作OLT 的設備。
OLT，光線路終端。
ONU，光網絡單元。它和光纖收發器一樣，可以將電信號轉換成光信號，除此之外還具有和電話局的 OLT 相互配合避免信號碰撞的功能。
這個設備有時也被叫作終端盒，因此終端盒這個詞本身是對光纖收發器和 ONU 等光纖終端設備的統稱。
通過調整信號收發時機來避免碰撞
光信號的傳導方式和剛才介紹的直連方式是一樣的，但有一點不同，因為多個用戶同時收發網絡包時信號會在分光器產生碰撞。
因此OLT 和 ONU 中具備通過調整信號收發時機來避免碰撞的功能。
具體來說，OLT 會調整信號發送時機並向 ONU 下發指令，ONU 則根據 OLT 的指令來發送數據。
反過來，當 BAS 端向用戶發送數據時，分光器只需要將信號發給所有用戶就可以了，這裏並不會發生碰撞。
但這樣做會導致一個用戶收到其他所有用戶的信號，造成信息泄露的問題。
因此需要在每個包前面加上用於識別 ONU 的信息，當 ONU 收到信號後，會接收發給自己的信號並將其轉換成以太網信號。
使用光纖傳輸網絡包
像這樣，FTTH 可以分為直連和分路兩種方式，這兩種方式只是光信號的傳輸方式有一些區別，實際傳輸的網絡包是相同的。
當使用 PPPoE 來傳輸包時，其工作過程和剛才講過的 ADSL 類似。
由互聯網接入路由器在 IP 頭部前面加上 MAC 頭部、PPPoE 頭部和 PPP 頭部。
然後由光纖收發器或者 ONU 轉換成光信號，不使用信元而是將以太網包原原本本地轉換成光信號。
並通過光纖到達 BAS 前面的多路光纖收發器和 OLT，最後被還原成電信號並到達 BAS。
網絡是怎樣連接的學習筆記-第四章-光纖接入網（FTTH）