光子通信在金融領(lǐng)域的應(yīng)用探析

吳永飛 王彥博 宮小奕 李東英

Analysis on Application of

Photon Communication in Finance

數(shù)字經(jīng)濟時代下，隨著移動大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算等一批新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)據(jù)快速傳輸都提出了更高的要求。在此背景下，基于光子科技的通信技術(shù)近年來發(fā)展日益加速。一方面，從政策端來看，各級政府高度重視相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)和信息化部印發(fā)的《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》強調(diào)要“重點發(fā)展高速光通信芯片”；另一方面，從需求端來看，中國是全球最大的移動通信市場之一，運營商和用戶對高速、大帶寬的通信需求旺盛，進一步推動了基于光子科技的通信發(fā)展進程。此外，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也給光通信行業(yè)帶來了巨大的機會，加快了光纖傳輸和光模塊設(shè)備的發(fā)展速度。

本文立足于金融科技視角，面向光子金融科技中的“光子通信”方向，聚焦其中的光子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)細分領(lǐng)域，通過構(gòu)建全光局域網(wǎng)以適用于銀行業(yè)務(wù)場景，并簡單有效地完成對局域網(wǎng)升級改造，從而進一步提升商業(yè)銀行辦公效率、降低建設(shè)成本，以期為光子金融科技時代背景下商業(yè)銀行廣泛應(yīng)用光子通信技術(shù)提供借鑒。

基于光子科技的通信技術(shù)發(fā)展

本文提及的基于光子科技的通信技術(shù)在廣義上是指以光波作為傳輸媒介、以光子作為信息載體的通信技術(shù)。光子同時具有波動性和粒子性兩個特性，從業(yè)界的應(yīng)用來看，如果僅使用單一粒子來做通信，則可能納入量子通信范疇；如果僅使用波動性來做通信，則往往更傾向于光學(xué)范疇。

基于光子科技的通信技術(shù)優(yōu)勢

具體來說，對比傳統(tǒng)的電子通信技術(shù)，基于光子科技的通信技術(shù)具有以下優(yōu)勢：一是在電子傳輸中，電阻等客觀因素影響了電子運動的速度，使數(shù)據(jù)的傳輸速度減慢；而光子不具有質(zhì)量，且不會受到類似電阻的阻力影響，因而傳輸速度更快。二是在電子電路中，傳輸電子的電子流在通過銅線與芯片晶體管時會產(chǎn)生大量電阻，進而產(chǎn)生大量熱量，且熱量與數(shù)據(jù)傳輸量成正比，一旦到達臨界點，數(shù)據(jù)的安全及設(shè)備的安全將難以保障；而基于光子科技的通信方案不產(chǎn)生熱量，信息在光子中傳輸，速度更快且能耗更低，在“銅退光進”的時代，使用光子方案可以有效降低能耗。三是使用光子作為信息載體，其容量超過電子載體多個儲存量級；傳輸速率方面，光子載體目前可達Tb/s的傳輸速率，遠超電子載體Gb/s的速率量級。

1966年，高錕從理論上分析并證明了用光纖作為傳輸媒體以實現(xiàn)光通信的可能性。1977年，美國通信服務(wù)商AT&T建立了第一條從紐約到芝加哥的光纖通信線路。此后的20年間，各個國家積極嘗試光纖通信模式，并研發(fā)出了光開關(guān)、光交換機等新技術(shù)。進入21世紀，光纖網(wǎng)絡(luò)逐漸成為全球化現(xiàn)代通信的重要組成部分之一。2010年以來，隨著5G通信、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，可以預(yù)見，基于光子科技的通信方案將有更大的發(fā)展?jié)摿笆袌錾仙臻g。

光子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

廣義來看，基于光子科技的通信技術(shù)涵蓋光子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和光子傳感技術(shù)兩個主要方面。

在光子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，全光局域網(wǎng)絡(luò)是其重要方向之一。全光局域網(wǎng)絡(luò)是一種點到多點的企業(yè)類局域網(wǎng)絡(luò)，通過一套光纖網(wǎng)絡(luò)為企業(yè)用戶提供多種類型的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)的接入。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全社會各類場景中，例如電信、醫(yī)療、教育及金融等領(lǐng)域。2013年，IBM組織成立了全球無源光纖局域網(wǎng)聯(lián)盟（Association for Passive Optical LAN，APOLAN），旨在通過產(chǎn)業(yè)鏈的合作，推進全光局域網(wǎng)在企業(yè)園區(qū)的商用進程。

全光局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的核心技術(shù)是無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）技術(shù)。該技術(shù)起源于20世紀90年代，從原始窄帶PON技術(shù)到GPON技術(shù)經(jīng)歷了多個階段：窄帶PON技術(shù)最初被提出時，只適用于2Mbit/s以下的業(yè)務(wù)；隨著技術(shù)的發(fā)展，窄帶接入技術(shù)逐漸被寬帶接入技術(shù)所取代；目前主要的寬帶接入技術(shù)包括APON（ATM PON）、EPON（Ethernet PON）和GPON（Gigabit-Capable PON）技術(shù)。

APON技術(shù)方面。20世紀90年代末期，國際電信聯(lián)盟（ITU）首次正式提出了一種新的PON技術(shù)，即APON。該技術(shù)使用異步傳輸模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）進行分組通信，但后續(xù)APON因ATM協(xié)議的逐漸退出，以及考慮到其產(chǎn)品的價格昂貴，最終無法在市場上得到廣泛應(yīng)用。

EPON技術(shù)方面。隨著以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)的興起，以太網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的PON技術(shù)傳輸結(jié)構(gòu)結(jié)合起來的EPON技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)采用點到多點結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸，可以在以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上提供多種業(yè)務(wù)。EPON部署系統(tǒng)具有經(jīng)濟靈活且高效可靠的雙重突出通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，這使得它能同時成為實現(xiàn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)合一”和“最后一公里”目標有效可行的通信系統(tǒng)方法。

GPON技術(shù)方面。全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)（Full Service Access Networks， FSAN）聯(lián)盟于2001年首次提出了GPON的基本概念。該技術(shù)是基于ITU-TG.984.x標準設(shè)計而成，具備高帶寬、高效率等多個優(yōu)點，被大多數(shù)行業(yè)人士認為是網(wǎng)絡(luò)全面改造的理想技術(shù)。中國移動率先按照用戶規(guī)模要求全面引入移動GPON光網(wǎng)關(guān)技術(shù)，并在2020年成功開發(fā)建成全球最大規(guī)模的GPON網(wǎng)關(guān)和光網(wǎng)絡(luò)傳輸接入系統(tǒng)。本文所描述的全光局域網(wǎng)建設(shè)中采用的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即為GPON技術(shù)。

光子傳感技術(shù)的發(fā)展

光子傳感技術(shù)是光子通信的另一個重要技術(shù)分支。與傳統(tǒng)電子傳感技術(shù)相比，光子傳感技術(shù)具有更低的噪聲、更高的精度和更強的抗干擾性能，因此在許多領(lǐng)域具有重要的研究及應(yīng)用價值。該技術(shù)主要利用光學(xué)原理檢測、傳遞或處理信息。一般情況下，基于光和物質(zhì)之間的相互作用，并利用這些相互作用來實現(xiàn)各種測量和控制任務(wù)。例如，利用光子傳感技術(shù)可以實現(xiàn)高靈敏度、快速響應(yīng)和高分辨率的溫度、壓力、濕度、化學(xué)成分等參數(shù)的測量和監(jiān)測，在醫(yī)療、能源等領(lǐng)域能夠發(fā)揮重要作用。2021年，蓋雪姣基于光子晶體傳感材料，以展青霉素適配體和巰基化的寡核苷酸序列為識別元件，分別建立了用于展青霉素和蓖麻毒素的超靈敏傳感檢測技術(shù)，實現(xiàn)了對展青霉素和蓖麻毒素的無標記超靈敏檢測。2022年，申慧婧利用高度有序的光子晶體作為傳感平臺，結(jié)合金納米顆粒（AuNPs）具有的局域表面等離子體共振（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）信號放大作用，構(gòu)建了操作簡單、響應(yīng)快速、特異性好的新型傳感檢測技術(shù)，成功應(yīng)用于伏馬毒素B1和金黃色葡萄球菌腸毒素的超靈敏檢測。

面向商業(yè)銀行的全光局域網(wǎng)建設(shè)

數(shù)字經(jīng)濟時代，金融行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型快速發(fā)展，不僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)的量級大幅增加，同時各項業(yè)務(wù)的融合創(chuàng)新也在催生著局域網(wǎng)的變革。業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)型升級迫使傳統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)做出改變，傳統(tǒng)局域網(wǎng)的帶寬和容量已經(jīng)難以適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢，面臨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、布線占用空間大、維護難度大、覆蓋距離短等問題。如何構(gòu)建一種安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟的局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，便于今后升級和再配置，適應(yīng)金融業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的辦公新模式，已經(jīng)成為當前商業(yè)銀行需要解決的問題。華夏銀行烏魯木齊分行通過構(gòu)建全光局域網(wǎng)，為商業(yè)銀行智慧運營場景提供了基于光子科技的通信新方案，有效降低了設(shè)備能耗，減少了系統(tǒng)故障點，提高了系統(tǒng)可靠性，具體方案如下。

在實施軟科學(xué)方法方面，全光局域網(wǎng)建設(shè)項目進行改造的試點辦公樓采用的是傳統(tǒng)雙絞線綜合布線，由于使用年限較長，弱電井中光纜、網(wǎng)線繁雜，既不利于日常管理維護且存在安全隱患。改造過程中構(gòu)建了科學(xué)工作流程，形成“3個確定+1個實施”，即一是確定業(yè)務(wù)場景、二是確定并發(fā)帶寬、三是確定組網(wǎng)類型、四是全光網(wǎng)絡(luò)布線實施。改造方案中根據(jù)功能區(qū)域具體劃分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)兩套網(wǎng)絡(luò)予以實施。

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選型方面，華夏銀行烏魯木齊分行建設(shè)的全光網(wǎng)絡(luò)是基于千兆比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)GPON技術(shù)構(gòu)建的企業(yè)類局域網(wǎng)。該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）網(wǎng)絡(luò)單元、用戶端設(shè)備連接的光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）模塊以及光線路信號傳輸中通道連接的光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）單元模塊組成，該系統(tǒng)架構(gòu)具有極高的安全性，能有效保護用戶數(shù)據(jù)信息安全與用戶傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隱私。

在實施效果方面，使用全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對銀行辦公環(huán)境的改造主要有如下四個優(yōu)勢：一是能夠提高網(wǎng)絡(luò)安全保障能力。全光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于光纖作為傳輸介質(zhì)被最大限度地應(yīng)用在全光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)當中，而非使用傳統(tǒng)電信號傳輸方式中的銅線作為介質(zhì)。在保障網(wǎng)絡(luò)安全的同時，光纖還可以提高對場地、設(shè)備、人員的保護能力，光纖使用環(huán)境溫度區(qū)間寬，光纖通信不帶電，所以使用起來十分安全，不同的護套材料和內(nèi)部構(gòu)造可以應(yīng)對惡劣的辦公環(huán)境。二是提高設(shè)備可靠性。全光網(wǎng)絡(luò)方案中需要在中心機房增加配置光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設(shè)備，將原來匯聚機房和接入機房內(nèi)的匯聚交換機和接入交換機分別用分纖箱和分光器替代，使有源變?yōu)闊o源，降低了設(shè)備能耗，減少了故障點，提高了可靠性。三是實現(xiàn)光纖直接入網(wǎng)。由于光纖的大面積使用，在中間段采用無源分光器替代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的交換機，光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）進一步下沉到用戶端，實現(xiàn)“光纖到桌面”。四是建造性價比高。光纖價格較低，安裝建設(shè)周期短，施工簡單方便，人工成本低，且不易損壞。五是符合業(yè)務(wù)發(fā)展方向。全光網(wǎng)絡(luò)方案實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化和運行維護的簡單化，并且大量減少了云業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，大大降低了傳輸網(wǎng)絡(luò)時延，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，使得辦公場所網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級迭代成為面向云業(yè)務(wù)的架構(gòu)，為滿足后期業(yè)務(wù)發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)資源的需求打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)語

在數(shù)字經(jīng)濟時代，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為金融機構(gòu)實現(xiàn)快速發(fā)展的一條必由之路。隨著業(yè)務(wù)發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)性能需求的不斷提升，金融行業(yè)對通信能力的要求也在持續(xù)提高。如何運用新興技術(shù)將傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進行升級改造，為業(yè)務(wù)的高效實現(xiàn)、數(shù)據(jù)的更加安全提供保障，是銀行金融機構(gòu)亟待解決的問題。本文面向光子金融科技的光子通信細分領(lǐng)域展開研究，并在華夏銀行烏魯木齊分行運用全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成了對局域網(wǎng)的升級改造，為全社會廣泛應(yīng)用光子科技提供了借鑒。

（龍盈智達﹝北京﹞科技有限公司楊璇、高新凱、徐奇、劉慧萍對本文亦有貢獻）

（作者單位：華夏銀行股份有限公司，

龍盈智達﹝北京﹞科技有限公司）

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