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网络技术论文：浅谈EPON技术及其发展【摘 要】首先我们将从PON 技术的发展谈起,通过不同的PON技术的比较让我们走进最近比较热捧的EPON 技术及其发展。最后要看到此技术的发展前景及其所面临的亟需解决的诸多问题。 【关键词】PON;EPON;ONU;OLT;光分路器;FTTH1. 引言 1.1 PON技术 1.1.1 PON。PON(无源光网络)是指ODN(光配线网)中不含有任何电子器件及有源设备,DN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成,不需要贵重的有源电子设备。 PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备,所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小,大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短,覆盖的范围较小,但它造价低,无须另设机房,维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。 PON的复杂性在于信号处理技术。在下行方向上,交换机发出的信号是广播式发给所有的用户,在上行方向上,各ONU必须采用某种多址接入协议如时分多路访问TDMA(Time Division Mutiple Access)协议才能完成共享传输通道信息访问。光接入网演进的首期目标是FTTB(fiber-to-the-business)和FTTC(fiber-to-the-curb)系统,然后再发展到FTTH(fiber-to-the-home),通过一个简单的平台为用户提供包括数据、视频和语音在内的全面服务。EPON可以提供比APON更高的带宽和更全面的服务,成本却很低,同时EPON的体系结构也符合G.983标准的大多数要求。目前PON技术主要有APON、EPON 和GPON等几种,其主要差异在于采用了不同的二层技术。(APON的最高速率为622Mbps,二层采用的是ATM技术。EPON可以支持1.25Gbps对称速率,将来速率还能升级到10Gbps,二层采用的是Ethernet技术。GPON是指支持Gbit/s速率的EPON, FSAN与ITU已对其进行了标准化,其技术特色是在二层采用ITU-T定义的GFP(通用成帧规程)对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射,能提供1.25和2.5Gb/s下行速率和所有标准的上行速率,并具有强大OAM功能,在高速率和支持多业务方面,GPON有明显优势,但成本目前要高于EPON,产品的成熟性也逊于EPON。业界最引人注目的两个PON标准,一个由IEEE802.3ah工作组制定的EthernetPON(EPON)标准,另一个是由ITU/FSAN制定的GigabitPON(GPON)标准。 1.1.2 PON的应用。从运营商和服务提供商的角度来看,PON系统可以带来多方面的好处,包括降低安装、管理和运营成本,提高投资回报率,增加新的赢利机会,长期保持竞争优势等。在适当的场合,适时地采用PON系统,无论对于原有的运营商还是新兴的运营商,都将是一个明智的选择。 总的看来,PON系统非常适合于以下应用。 (1)高速接入和传输。PON系统可以提供DSL、LAN、Cable Modem等接入方式无法提供的高质量的宽带。这非常适合于FTTB模式,接入到中小型甚至大型商业用户。PON系统所能提供的可调节的、有优先级和带宽保证的服务,将非常有吸引力。 (2)集成数据、音频、视频业务。 大多数PON系统都可以同时提供IP业务和传统的TDM业务,Salira的EPON系统还提供纯通道的TDM服务,这样,原有的ATM、FR、DDN等业务都可以通过这套系统继续提供,因为采用独立的带宽,服务质量可以完全保证。这不但使运营商在同一套传输平台上就可以根据用户的要求随时开通所需要的业务,而且非常容易向全IP业务网络过渡。 (3)整合T1/E1传输线路,降低T1/E1维护和运营费用。 T1/E1因为其高质量的服务和带宽保证一直受到重视,然而T1/E1线路的开通和维护都比较昂贵,尤其是在由于距离限制而需要使用中继器的地方更是如此。很多PON系统在每个ONU上都可以提供多条T1/E1链路,使用单路光线代替大量的铜线,在提供同样服务的同时,节省了大量的设备、运营和管理成本。 (4)DSL、LAN扩展。 DSL和LAN是目前中国宽带的两种主要接入方式。但DSL的距离限制挡住了大量的客户,传统的LAN技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽。采用PON技术,不仅可以通过无源传输网络直接连接到服务区域,再进行DSL或LAN扩展,从而为大范围用户提供服务,而且可以集中进行管理和带宽分配。 (5)广播视频和视频会议。 PON的点到多点结构非常适合广播和多点广播应用,这种网络结构恰好与我国目前网络建设的小区化相适应。这与传统的点到点结构的网络相比,优势是显而易见的。越来越多的广播视频、视频会议、VOD等应用将会给PON系统带来更多的机会。 EPON是基于以太网承载技术的一种PON标准,采用上下行各1.25Gbit/s的速率,其对于IP业务有较好的支持能力及效率,并且技术相对简单、成本低,对于采用以太网络为基础的运营商来说是个不错而且性价比较高的选择。 GPON相对EPON来说,更注重对多业务的支持能力(TDM、IP),上联业务接口及下联用户接口更为丰富(Ge、Fe、STM-1、E1)。GPON下行速率高达2.5Gbit/s,上下行可采用不对称的速率。GPON标准的制定就是面向运营商提供综合业务接入的。 1.2 EPON技术 1.2.1 EPON。EPON(Ethernet Passive Optical Network)是PON技术中最新的一种,由IEEE802.3 EFM(Ethernet for the First Mile)提出。EPON采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式,也是一种能够提供多种综合业务的宽带接入技术。 EPON是一种结合了Ethernet和PON的宽带接入技术。众所周知,Ethernet简单易用,安装方便,运用广泛,但是一直也存在一些问题,传输距离短,只有100米,共享的工作方式,特别是在大规模使用时这些问题更加明显。因此通信业界推出了一系列的解决方案,包括EPON、RPR(Resilient Packet Ring)、MSTP(Multi Service Transport Protocol)等。1.2.2 EPON高效运转的网络系统。典型的EPON系统由OLT,ONU,POS组成。OLT(Optical Line Terminal)放在中心机房,它可以是一个L2交换机或者L3路由器。在下行方向,它提供面向无源光纤网络的光纤接口;在上行方向,OLT将提供了GE(GigabitEthernet)。将来10Gbit/s的以太网技术标准定型后,OLT也会支持类似的高速接口,为了支持其他流行的协议,OLT还支持ATM,FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准。OLT通过支持E1口来实现传统的TDM话音的接入。在EPON的统一网管方面,OLT是主要的控制中心,实现网络管理的五大功能。如通过在OLT上通过定义用户带宽参数来控制用户业务质量、通过编写访问控制列表来实现网络安全控制、通过读取MIB库获取系统状态以及用户状态信息等,还能提供有效的用户隔离。 POS(Passive Optical Splitter)是无源光纤分支器,是一个连接OLT和ONU的无源设备。它的功能是分发下行数据和集中上行数据。无源分光器的部署相当灵活。由于是无源操作,几乎可以适应于所有环境。一般一个POS的分线率为8,16,并可以进行多级连接。 ONU(Optical Network Unit)放在用户驻地侧CPE,EPON中的ONU主要采用以太网协议。在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层交换甚至是第三层路由功能。这种类型的ONU可以通过堆叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。由于使用以太网协议,在通信的过程中,就不再需要协议转换,实现ONU对用户数据的透明传送。从OLT到ONU之间可以实现高速的数据转发。 1.2.3 EPON的四大优点。 长距离,高宽带(20Km,1.25G)是EPON的一大优点。克服以太网铜线传输距离只有100米的限制,同时使网络结构更加简单,层次更加清晰。光纤化的ONU/ONT,非常适合于FTTB和FTTO模式(非常有利于光纤在大楼内的布线和用户扩容),光纤直接到商业用户。EPON系统所能提供的可调节的、有优先级和带宽保证的服务,将非常有吸引力。同时EPON能使维护量大大减少,大楼内无需占用机房和供电设施,大大的减少了有源设备的数量,因有源设备造成网络中断的概率降低。同时支持远端设备ONU/ONT的自动测距和自动加入,网络扩容便利,且局端设备和用户端设备为统一网管,对于运营商来可以大大降低运营维护费用。 EPON是面向未来的技术,它是一个多业务平台,可以同时提供IP业务和传统的TDM业务。QoS可以完全保证,而且完全遵循IEEE 802.3ah的标准。这不但使运营商在同一套传输平台上就可以根据用户的要求随时开通所需要的多种业务,而且非常容易向IP业务网络过渡。 带宽分配灵活,服务有保证也是EPON不可忽视的一个方面。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系,EPON可以通过DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现用户级的SLA。MS-EPON可以根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配(区别于普通交换机的基于端口的速率限制),并可根据业务合约保证每个用户连接的QoS。 纵观通信产业的发展,三网合一是必然的趋势,三网合一后必将向NGN网络演进。NGN是电信史一块里程碑,标志着新一代电信网络时代的到来。EPON技术很好的解决了目前接入网的诸多问题,它可以使IP接入网络更可靠,更稳定。它使得在新一代网络上语音、视频、数据等综合业务成为了可能。 鉴于上述的EPON技术的很多优点,接下来我们将对其做进一步的探究: 2. EPON的技术发展背景 早在2000年11月,来自80多家公司的200多名专家组成了一个IEEE的研究组,开始研究以太网在用户接入网中应用的问题,后来在2001年9月,这个研究组正式成为IEEE的第一英里以太网(EFM)工作组(TaskForce)。在802.3协议框架内,制定EPON标准是这个工作组最重要的任务之一。在制定EPON标准的过程中,EFM工作组又划分为PMD,P2MP和OAM三个小组分别研究EPON的物理层(特别是光接口)规范,点对多点的控制协议和OAM。PMD小组的研究成果是定义了两种EPON的光接口:1000BASE-PX10-U/D和1000BASE-PX20-U/D,分别指工作在10km范围和20km范围的EPON光接口;P2MP小组的研究成果是定义了MPCP(多点控制协议),使EPON系统具备了下行广播发送,上行TDMA(时分多址接入)的工作机制;OAM小组的工作成果是定义了可选的OAM层功能,力图在EPON系统中提供一种运营、管理、维护的机制,使其具有符合电信应用要求的接入网的特性。上述内容于2004年4月通过的IEEE802.3ah标准中描述。 3. EPON的技术原理 3.1 系统结构。 与所有的PON系统一样,EPON系统由OLT、ONU和ODN组成,如图1所示。 图1 EPON的系统结构 OLT位于局端,是整个EPON系统的核心部件,向上提供接入网与核心网/城域网的高速接口,向下提供一点对多点的PON接口;ONU位于用户端,终结光纤链路,并提供对用户业务的各种适配功能;ODN是由无源光分支分配器组成的光纤分配网络,使得一个PON接口的光纤传输带宽可以由多个ONU共享,节省了大量的光纤铺设成本。EPON技术利用这种点对多点的拓扑结构,以以太网为承载协议,因此而得名。 3.2 多点控制协议(MPCP)。 EPON以MAC控制子层的MPCP(multipointcontrolprotocol)机制为基础,MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体,它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的有效发送和接收:系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送,位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告从而优化PON系统内部的带宽分配。 P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件,通过给每个分组包增加LLID(logicallinkidentification)从而替代2字节的前缀,它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。图2表示了EPON中MPCP在IEEE802.3体系结构中的位置,图3表示了P2P仿真子层的实现原理。 3.3 EPON的OAM功能。 如图2所示,IEEE在802.3ah中定义了可选的OAM功能,但目前只包含以下这些基本的OAM功能。 RemoteFailureIndication(远端故障指示) a.提供一种机制来向对端指示接收端的DTE已不能运行。 b.物理层链路要支持单向传输,以使OAM远端的故障指示能够在链路故障状态下单向传递到对方。 c.RemoteLoopbak(远端环回)提供一种机制来支持让所有帧在数据链路层环回的模式。d.LinkMonitoring(链路监视)提供一种支持事件报告的机制,报告中可包括诊断信息;提供一种支持变量轮询的机制,可获取任何在802.3ahMIB中定义的变量的值。 图3 P2P仿真子层的实现 802.3ah明确说明,EPON的OAM不包含如下功能: (1)和单条链路不相关的管理功能,比如保护倒换和设备管理。标准定义的OAM只是定位在链路段(OAM帧不能穿过交换机),不支持端到端的OAM通信。 (2)业务提供和协商功能,比如带宽分配,速率适配和速度/双工协商等功能。 (3)OAM数据的安全性保证和OAM实体的认证不在标准定义的范畴。 (4)不支持设置写远端MIB变量的能力。(即MIB变量的SET操作)。 因此,EPON中定义的OAM有如下特点: (1)OAM的实现和使能是可选的。 (2)提供一种实现OAM能力发现的机制。 (3)提供一种扩展机制使高层管理功能的应用成为可能。 4. EPON 的网络结构 由业务网络接口到用户网络接口间为EPON,而EPON通过SNI与业务节点相连,通过UNI与用户设备相连。EPON主要分成三部分,即OLT(Optical Line Termination)、ODN(Optical Distribution Network)和ONU/ONT(optical network unit/ optical network Termination)组成。其中OLT位于局端,ONU/ONT位于用户端(其区别为ONT直接位于用户端,而ONU与用户间还有其它的网络如以太网)。OLT到ONU/ONT的方向为下行方向,反之为上行方向。 尽管在结构上与ATM PON类似,但EPON在功能和实现上都与ATM PON有所不同,因此,其各部分实现的功能也和ATM PON不同: 4.1 OLT:作为EPON的核心,OLT应实现以下功能。 (1)向ONU以广播方式发送以太网数据。 (2)发起并控制测距过程,并记录测距信息。 (3)发起并控制ONU功率控制。 (4)为ONU分配带宽,即控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小。 (5)其它相关的以太网功能。 4.2 ODN:由无源光分路器(assive Optical Splitter,POS)和光纤构成。 4.3 ONU/ONT:ONU/ONT为由户提供EPON接入的功能。 (1)选择接收OLT发送的广播数据。 (2)响应OLT发出的测距及功率控制命令,并作相应的调整。 (3)对用户的以太网数据进行缓存,并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。 (4)其它相关的以太网功能。 从EPON中功能划分可以看出,EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT,而ONU/ONT的功能较为简单,这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。 EPON的应用: 近几年,EPON随着技术的不断成熟、各类成本的不断下降得到各运营商的重视,利用其实现FTTH在国外取得了很大进展,国内也有越来越多的商用试点。现阶段,国内运营商最关心的是哪种业务模型下适合开展EPON建设及如何部署EPON。 5. EPON应用模型 利用EPON技术是实现FTTP的有效网络解决方案,根据目前各运营商对于信息化的需求来看,大致可分为小区、工业区、商业街区和边远地区几种接入方式,下面将逐一进行分析。 5.1 在小区接入中的应用。在小区接入中,ONU可设置在用户端(FTTH)或楼道(FTTB),光分路器可设置在楼道或小区机房。 对于FTTH模式,由于用户数不确定,为了提高设备的利用率、降低成本及方便维护,光分路器的设置应相对集中,采用一级分光,可选择在小区机房或者小区内的光交接箱。采用这种方式建设,无论用户数多或少,设备的利用率都是最大化的,但是用户数较多时对接入光缆的需求量相对较大。网络结构如图4所示。 图4 小区FTTH模式 对于FTTB模式,ONU设置在楼道,一般需要配合楼道交换机进行业务的接入,光分路器的设置建议与FTTH方式相同。网络结构如图5所示。 图5 小区FTTB+LAN模式 小区FTTH将在实现“三网合一”的时期体现出巨大的优势,但考虑到相关政策的限制,并不是所有运营商都能实现,因此目前在利用EPON进行小区接入时采用FTTB+LAN的模式将是最佳方案。 5.2 在工业区接入中的应用。工业区一般均为企业用户,建议将ONU设置在企业的接入机房,结合其内部交换机完成各类业务的接入。这种模式类似于小区接入中的FTTB模式,建议在工业区所属区域设置合适的接入汇聚节点,将OLT放置在接入汇聚节点;在工业区范围内,可采用树型结构,沿着主干道选择合适的点(机房或光交接箱)放置一级光分路器,再根据企业的分布情况布设二级分路器和ONU,以最大限度地节省光缆。网络结构如图6所示。 图6 工业区EPON接入模式 考虑到分路器的多级设置,每个分路器将覆盖一定范围内的企业用户,因此建议多设置光交接箱。若无法设置较多的光交接箱,则建议增大光缆芯数,便于未来大量企业的接入。此外,如果需要采用EPON的环路保护,则需要将从汇聚点引出的骨干光纤以成环方式建设。 5.3 在商务街区接入中的应用。 商务街区的特点是沿街分布众多的商务楼,楼内分布着多家公司,因此一般将ONU设置到公司,即FTTO(光纤到办公室),ONU通过交换机或路由器与公司内部网相连。网络结构如图7所示。 图7 商务街EPON接入模式1 FTTO模式类似于小区接入中的FTTH模式,建议将光分路器设置在每栋大楼内,ODN采用树型或链型组网。建设初期,建议将OLT放置在附近的接入汇聚机房内,光缆可沿大楼的分布情况建设,在每栋大楼的地下室或者在大楼相对集中的地带设置光交接箱,用来放置光分路器。考虑到这种模式在用户数较多时对ODN骨干光纤的需求量较大且采用环型组网方式,建议EPON的ODN骨干光纤使用较大芯数光缆。如果条件允许,建议在大楼相对集中、业务需求较大的区域内寻找合适的点作为未来的接入汇聚节点,将OLT的位置往用户侧靠近,并结合光交接箱的设置,采用星型模式接入附近的业务点以减少光纤的使用量,为将来大规模接入打好基础。网络结构如图8所示。 5.4 在边远地区接入中的应用。对于距离已有传输接入点较远、用户相对集中的边远地区,采用EPON技术将能够很好地发挥其技术优势。将OLT设置在汇聚节点,在用户集中的区域设置光分路器,ONU设置在用户接入点,利用ONU丰富的接口就可以利用极少量的光缆解决众多用户的各类业务需求。网络结构如图9所示。 应用实例。 (1)商务街区应用实例。 网吧对于接入带宽要求较高,现有的光纤直连方式解决网吧接入导致宝贵的城域光纤资源被大量占用。某运营商采用EPON利用少量的城域光缆解决了网吧一条街的业务接入。如图10所示,OLT放置在网吧一条街所在的模块局,在网吧一条街附近的光交接箱内放置光分路器,ONU放置在各网吧内,通过少量的城域接入光缆实现了多个高带宽需求的接入,取得了良好的效果。 (2)边远地区应用实例。 某移动公司在一山谷地区采用WiMAX进行覆盖,对于WiMAX覆盖盲区的用户则采用EPON接入。如图11所示,OLT放置在数据汇聚节点,ONU放置在某一用户的室内,利用五类线和光纤收发器完成本用户及邻近用户的接入。6. EPON面临的技术挑战 EFM制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作,最小程度地扩充以太网MAC协议。虽然增加了可选的OAM功能,并提出需支持IP业务所需的各种业务配置和管理功能,但在电信级的应用领域,仍然面临诸多技术挑战。在与GPON技术比较时,这些问题尤为明显。 6.1 GPON标准介绍。 GPON技术由ITU-T提出并标准化。2003年1月31日,ITU-T批准了GPON标准G.984.1和G.984.2,2004年,相继批准了G.984.3和G.984.4,形成了G.984.x系列标准,至此,GPON技术标准已经完成。 各标准内容如下: (1)G.984.1(G.gpon.gsr):千兆比无源光网络的总体特性。 该标准主要规范了GPON系统的总体要求,包括OAN的体系结构、业务类型、SNI和UNI、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。 G.984.1对GPON提出了总体目标,要求ONU的最大逻辑距离差可达20km,支持的最大分路比为16、32或64,不同的分路比对设备的要求不同。从分层结构上看,ITU定义的GPON由PMD层和TC层构成,分别由G.984.2和G.984.3进行规范; 图11 EPON在边远地区的应用实例 (2)G.984.2(G.gpon.pmd):千兆比无源光网络的物理媒质相关(PMD)层规范。 该标准2003年定稿,主要规范了GPON系统的物理层要求。G.984.2要求,系统下行速率为1.244或2.488Gbit/s,上行速率为0.155、0.622、1.244或2.488Gbit/s。标准规定了在各种速率等级下OLT和ONU光接口的物理特性,提出了1.244Gbit/s及其以下各速率等级的OLT和ONU光接口参数。但是对于2.488Gbit/s速率等级,并没有定义光接口参数,原因在于此速率等级的物理层速率较高,对光器件的特性提出了更高的要求,有待进一步研究,从实用性角度看,在PON中实现2.488Gbit/s速率等级将会比较难。 (3)G.984.3(G.gpon.gtc):千兆比无源光网络的传输汇聚(TC)层规范。 该规范2003年完成,规定了GPON的TC子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配(DBA)、操作维护管理功能等。 G.984.3引入了一种新的传输汇聚子层,用于承载ATM业务流和GEM(GPONEncapsulationMethod)业务流。GEM是一种新的封装结构,主要用于封装那些长度可变的数据信号和TDM业务。 G.984.3中规范了GPON的帧结构、封装方法、适配方法、测距机制、QoS机制、加密机制等要求,是GPON系统的关键技术要求; (4)G.984.4(GPONOMCI规范):GPON系统管理控制接口规范。 2004年6月正式完成的G.984.4规范提出了对OMCI的要求,目标是实现多厂家OLT和ONT设备的互通性。该建议指定了协议无关的MIB管理实体,模拟了OLT和ONT之间信息交换的过程。 6.2 EPON对TDM业务承载。 从IEEE802.3工作组制定EPON标准的原则来看,具体的业务封装由高层协议支持,因此,对于TDM业务在EPON中的传送,大部分厂家认为应该采用VoIP的业务方式。但目前对于电路交换方式TDM业务的需求占主要地位,主要是一些企事业单位希望光纤接入网能提供E1的传输能力,所以,一些厂家各自推出了私有的TDMoverEPON的解决方案。总的来看,TDMover EPON需解决如下问题: (1)TDM信号与以太网之间高效合理的适配封装; (2)TDM信号的严格同步定时; (3)电路业务的QoS的保证。 目前,EPON对于以上问题的解决主要集中在以下方式上: (1)提供的电路型TDM业务以NE1类型为主,这主要是因为NE1的TDM信号封装在以太网帧中的效率较N64kbit/s的方式要高,提供以64kbit/s为单位的业务在设备实现上成本与复杂度都较高; (2)定时发送E1overEthernet帧。发送E1over Ethernet帧的周期有具体的系统设计决定; (3)采用预留带宽的方式保证TDM业务的传送是最高优先级的业务。 以上方式虽然很好地解决了EPON承载TDM业务的问题,但其仍然是一种非标准化的基于厂家私有协议的解决方案,这与GPON的TC层具有天然的承载TDM