CXTEPON原理介绍.ppt

EPON 介绍,杭州晨晓科技有限公司 2010.09,EPON概述 EPON原理 组网应用,主要内容,EPON是什么？,目前主流FTTx接入网技术之一； 组网方式采用扁平化的P2MP网络结构； 局端到用户端使用有源设备，中间节点使用无源器件连接； 采用WDMA技术，连接光纤使用单纤，上行波长为1260nm1360nm，下行波长为14801500nm，CATV使用15401560nm波长； 采用TDMA技术，由于P2MP是一种非对称网络结构，下行数据采用广播信道，上行数据采用TDMA方式共享一条光纤信道； 网络覆盖范围大于20km； EPON系统可以承载以太网/IP业务、语音业务、TDM业务和CATV业务等，其中TDM业务为E1电路仿真业务。,EPON下行发送,EPON上行发送,EPON网络主要组件,OLT：部署在局端，每个OLT可根据业务需求配置一定数量PON口，最多可达128个PON口。每个PON口连接一根主干光纤，经光分路器分光后接入N个ONU（分光比为1：N）。 ONU：部署在用户侧，每个ONU可通过E1、FE、WiFi、POTS接口接入用户,FTTH/O模式下每个ONU接入1个用户，FTTB模式下每个ONU接入8/16/24个用户。 光分路器：部署在OLT和ONU之间，为无源器件，向上连接一根主干光纤，向下经分光后通过多根光纤与ONU连接，光分器分为均分，非均分，1：N，2：N等多种型号，根据组网方式应用在不同的场合。,EPON相关建议和标准,IEEE 802.3ah。 CTC 2.1规范。 国标YD/T 1475-2006。,EPON协议栈 EPON帧格式 EPON突发发送与接收 MPCP控制协议 ONU注册和测距 DBA带宽分配 EPON中的P2PE和SCB EPON数据加密 FEC信道编解码 EPON光纤保护 EPON光功率预算 OAM和扩展OAM FPGA实现举例,深入EPON,EPON协议栈,OAM层：使用OAM协议数据单元，管理、测试和诊断已激活OAM功能的链路； 多点MAC控制：使用MPCP（多点控制协议），实现点对多点的MAC控制； MAC：实现对Media的控制； RS：调和多种数据链路层能够使用统一的物理层接口； PCS：支持在点对多点物理介质中的突发模式 支持FEC算法（可选）； PMA：支持P2MP功能，实现PMD的扩展； PMD：PMD（使用1000BASE-PX 接口）实现PMD服务接口和MDI接口之间的数据收发功能。,EPON帧格式,为了适应EPON P2MP网络的需求，IEEE将原始的以太网帧的前导码做了适当的修改，修改后的格式如下：,EPON数据的突发发送和接收（一）,连续发送模块,连续发送模块,突发发送模块,快速开启和关断能力 消光比大（10dB）,连续接收模块,突发接收模块,EPON数据的突发发送和接收（二）,EPON数据的突发发送和接收相关时间参数； ONU的激光器开关时间，打开时间512ns，关闭时间512ns； 自动增益调整时间，=400ns，可以协商； BCDR数据恢复时间，=400ns，可以协商； 字节对齐时间，32ns。 GEPON中最初考虑到ONU的实现成本，激光器的开关时间是固定值，不可协商，在10GEPON中已经变为可协商。,MPCP控制协议,MPCP（multi-point control protocol）的主要功能是确保EPON的上行链路多点共享； IEEE 802.3ah通过引入MPCP控制帧，包括5种MPCP消息，指定了完善的MPCP工作机制确保P2MP的实现； MPCP工作在两种模式：ONU自动发现和正常工作模式； MPCP在自动发现模式下，发现没有上线的ONU，进行认证注册和测距，并为合法的ONU分配LLID，OLT一般会发起周期性的自动发现过程； MPCP在正常工作模式下通过gate message和report message的交互，结合每个ONU的测距信息，按照一定的原则分配上行链路的时隙，确保每个在线ONU的正常工作。,MPCP控制帧的包长是固定64字节； MAC DA目的MAC地址，单播地址或者知名组播地址； ONU或者OLT PON口的源MAC地址； Length/Type=0x8808,表示以太网控制帧； Opcode，以太网控制帧类型，目前16； Timestamp，测距发送参考点的时戳，用于ONU同步本地时间和OLT测距； DATA/Reserved/Pad，净荷，内容与控制帧类型相关，无用数据填0； FCS校验字节。,MPCP帧格式,MPCP消息类型,IEEE规定了5种MPCP控制帧消息类型： GATE（opcode=00-02），OLT发出，为ONU分配上行时隙，同时用来维持MPCP连接；根据其中的标志位区分为discovery gate和normal gate； REPORT（ opcode=00-03），ONU发出，ONU上报带宽需求，同时用来维持MPCP连接； REGISTER_REQ（ opcode=00-04），ONU发出，用于发起注册请求； REGISTER（ opcode=00-05），OLT发出，用于对发起请求的ONU进行授权注册，分配LLID和对在线ONU进行解注册和重注册； REGISTER_ACK（ opcode=00-06），ONU发出，用于最终确认ONU完成注册。,MPCP的ONU自动发现机制（一）,第一步，OLT发起ONU发现过程，停止当前在线ONU上行数据发送，通过广播通道下发一个dicovery gate消息，在上行方向开启一个注册窗口，允许没有注册的ONU发起注册请求； 第二步，ONU收到dicovery gate后更新本地时间，此时已经注册上的ONU不响应该消息，没有注册的ONU发起注册请求，发送register_req消息，为了避免多个ONU同时发起注册请求导致持续冲突而注册不上，采用随机延时机制避免注册窗口冲突，即ONU在OLT指定的开始时间再间隔一段随机延时再发送register_req消息； 第三步，OLT在注册窗口内收到register_req消息，记录测距参考点本地时间，并提取消息中携带的ONU发现测距参考点的时戳，计算ONU的RTT值； 第四步，OLT对发起注册的ONU进行认证（基于MAC地址），对于合法的ONU下发REGISTER with ACK消息，分配一个LLID；对于不合法的ONU下发REGISTER with NACK消息；,第五步，对于合法的ONU，OLT在发出register with ACK 消息后等待一段时间后发送一个normal gate消息，分配一个ONU发送regsiter_ack消息的带宽已完成注册确认；对于非法的ONU，OLT在发出register with NACK 消息后回到初始态等待下一次发现过程启动； 第六步，收到register with ACK 消息的ONU获取自己获得的LLID，等待normal gate并发送注册确认消息regsiter_ack消息；收到register with NACK 消息的ONU进入静默状态，静默时间结束后等待注册窗口发起下一次注册请求； 第七步，OLT在相应时隙接收regsiter_ack消息，确认反馈信息正确则登记注册ONU，完成注册；如果反馈信息不正确则发送deregister ONU 消息，回到初始态等待下一次注册过程。,MPCP的ONU自动发现机制（二）,所谓开窗，是指停止当前已注册ONU的上行数据发送，给未注册ONU上报注册请求； 开窗的大小与最大支持的差分距离和ONU数量相关，disvovery window = MaxRTT-MinRTT+Discovery slot； RTT是指OLT和ONU之间的Round Trip Time； Discovry slot是指每个ONU实际可以发送注册请求的时间段，所有不同距离ONU的Disvovery slot叠加起来就是整个Discovry window；相同距离的ONU会在相同的Discovry slot发送注册请求，就会发生冲突，EPON采用随机延时的方式避免冲突，冲突的几率同ONU的数目和Discovry slot的大小相关；,MPCP的ONU自动发现机制-开窗,MPCP的ONU自动发现机制-测距,ONU测距的目的是用测得RTT值控制不同距离的ONU的上行发送时间以确保从ONU发送到OLT的数据不冲突； ONU自动发现时的首次测距过程 如右图所示；RTT = Tdownstream + Tupstream = Tresponse - Twait = (t2 - t0) - (t1 - t0) = t2 - t1，RTT的单位是TQ（16ns）； 测得每个ONU的实际RTT之后，OLT根据带宽分配算法确定每一个ONU的上行突发数据块的开始时间Tbase和长度，通过normal gate发给ONU的Tgate=Tbase-RTT； 以上过程能正确工作的前提是ONU的时间必须跟踪OLT的时间，即ONU用每次收到的MPCP中的时戳更新本地的时间； 在注册完成后的正常工作状态下，ONU每次收到MPCP报文都会更新本地时间并监视变化情况（timedrift），OLT每次收到MPCP报文都会更新并监视RTT的变化（timedrift），当变化值大于规定的门限值（典型值812）后ONU会掉线； 为了保证timedrift足够小，ONU的工作时钟必须跟踪OLT的发送时钟。,GATE和REPORT消息（一）,ONU注册上后，MPCP连接靠GATE和REPORT的交互维持，一旦ONU长时间收不到GATE或者OLT长时间收不到REPORT，MPCP Timer超时，ONU就会掉线，通常超时时间设为50ms； ONU上行时隙的分配通过GATE消息，分配的方法可以是固定时隙或者根据ONU的带宽需求分配，ONU的带宽需求通过上报REPORT消息通知OLT。GATE和REPORT的格式如下：,GATE和REPORT消息（二）,每个GATE消息可以下发多个GRANT，每个GRANT由Starttime和length构成，grant结构如下图所示：,每个REPORT可以上报多个队列的当前buffer状态，可以根据门限值报告多个Queue Set以指示多个包边界，上报的结构示意如下图所示：,DBA的必要性 -DBA可以提高上行链路的利用率； -DBA可以通过带宽的动态回收和分配提高带宽的利用效率，与静态带宽分配相比同等条件下可以接入更多用户； -DBA可以有效保证业务的QOS； DBA实现目标与要求 -DBA应该能支持固定带宽（FIR），保证带宽（CIR-FIR），和尽力而为带宽（PIR-CIR）的分配； -DBA应该能支持多业务接入环境下的QOS，应能根据LLID对应的多个队列的状态信息和业务优先级约定进行该LLID的上行带宽分配； -DBA应能保证各LLID带宽分配的公平性，支持加权公平算法； -DBA应能提供尽可能高的上行带宽利用率，16个ONU的情况下至少上行吞吐量大于900Mbps； -DBA应能提供尽可能小的上行数据包延迟，90%吞吐量的情况下平均延时小于1.5ms； -DBA带宽分配的颗粒不应大于256kbps，最小带宽不应大于512kbps，精度小于5%； DBA实现算法 -EPON协议本身没有规定标准的DBA算法，所以不同的厂家都有自己的DBA算法，而且大部分是基于软件加硬件加速的方法实现，并开放用户自己DBA算法的接口； -EPON DBA算法研究国内外也有很多论文，大体上可以分为周期性带宽分配和非周期性带宽分配两类，最经典的IPACT算法是非周期性的带宽分配算法； -我们目前FPGA实现的DBA算法是全硬件实现，目前来看基本满足需求，效果还有待进一步考验；,DBA带宽分配（一）,DBA带宽分配示意,DBA带宽分配（二）,EPON中DBA带宽分配中的几个问题 EPON中报文不支持切片，所以存在上行分配时隙最后一个报文阻塞问题，一方面影响带宽利用率和带宽分配精度，另一方面影响时延； 带宽分配时ONU请求report中报文边界问题，如果DBA每次分配的时隙都分配在ONU请求队列中以太网报文的边界上，那么就可以减少带宽浪费和提高分配精度； EPON的上行业务调度是两级调度机制（DBA调度+ONU本地调度），由于DBA调度和ONU本地调度获取队列的状态信息不同步导致多优先级队列调度时DBA带宽分配的包边界被ONU调度破快掉，降低带宽利用率和精度； DBA算法是一种远程调度机制，如果完全按照请求分配请求分配的轮询机制来，由于请求在光路上有很大的延迟，会造成带宽浪费； 当无法做到时隙的分配都在报文的边界上时，每个ONU每次最大分配的时隙与报文的延时是一对矛盾，需要折中处理。,DBA带宽分配（三）,CXT的EPON DBA调度机制,DBA带宽分配（四）,CXT的EPON DBA分配算法 分配注册窗口； 分配register_ack所需带宽； 分配report上报超时的ONU的上报report所需带宽； 分配固定带宽； 分配CIR带宽； 分配高优先级业务的queue set 0请求带宽； 配高优先级业务的queue set 1请求带宽； 分配低优先级业务的queue set 0请求带宽； 分配低优先级业务的queue set 1请求带宽； 分配PIR带宽； 分配权重满足需求的ONU带宽； 分配高优先级业务的queue set 0请求带宽； 配高优先级业务的queue set 1请求带宽； 分配低优先级业务的queue set 0请求带宽； 分配低优先级业务的queue set 1请求带宽； 分配借贷权重满足需求的ONU带宽； 分配高优先级业务的queue set 0请求带宽； 配高优先级业务的queue set 1请求带宽； 分配低优先级业务的queue set 0请求带宽； 分配低优先级业务的queue set 1请求带宽； 分配补充CIR带宽； 分配补充PIR带宽。,DBA带宽分配（五）,P2P,传统的交换机的每一个端口被认为是一个接入域，接入域内的所有终端有能力互相通信（CSMA/CD），不需要借助于bridge的帮助；在EPON网络中同一个PON口下的ONU之间没有通信信道，ONU之间必须借助于EPON Bridge的P2P仿真在二层直接通信，如下图所示：,SCB,PON的下行天然是广播通道，所以为了充分利用下行带宽，对于各个ONU的广播或者组播报文不需要复制，EPON增加了一个单拷贝广播通道（广播LLID为0x7fff），用于发送广播和组播报文； ONU除了发送MPCP注册协议报文，其他报文不能发送携带广播LLID的报文； ONU只接收mode位（LLID的最高位）为1的报文，广播信道报文和LLID匹配的报文，其他报文丢弃。,EPON数据加密,由于EPON下行是广播信道，所以相邻用户和恶意用户很容易获取其他用户的网络通信数据，是不安全的，所以通常需要加密；上行由于窃取数据需要从光纤中截取光信号，实现难度和成本较大，所以可以认为是安全的，不用加密； 目前EPON的加密主要有两种算法：CTC规定的搅动算法（源于早期的APON和BPON）和AES加密算法； 对于搅动算法，CTC规定详细的算法和密钥交换过程，所以实现和互通都较容易，只是没有AES安全； 对于AES算法，算法都是通用的，但IEEE没有规定明确的密钥交换协议，所以不太容易互通，实现也较搅动算法困难，但更安全，目前很多厂家密钥交换都是走的自己的私有协议（通过扩展OAM）。,FEC信道编解码,FEC编码的目的是提高光功率预算从而增加分光比或者增大最大传输距离，提高光功率预算的大小跟链路参数有关，理论上在加性高斯白噪声信道中可以提高功率预算5.6db，根据测试在我们的系统中实际测试值约在3db左右，可以增加一倍的分光比或者10km距离； FEC编码使用RS（255,239）编码，块大小255字节，校验字节16字节，每个块可纠随机或连续8字节，每个字节的多比特错误也是一个字节错误，所以对于突发错误很有效； EPON中FEC是可选项，FEC的块结构是基于帧的，增加的开销平均大约为9.25%，支持部分ONU使能FEC，部分不使能，比较灵活。,EPON的光纤保护（一）,为了提高网络的可靠性和生存性，EPON网络可以采用光链路保护机制，光链路保护主要有以下四种类型： 类型a：OLT的两个PON口采用一块PON MAC芯片，通过1:2电开关连接至连个光模块，实现连个PON口的保护，适用于同一PON板内的PON口间保护（保护主纤）。,EPON的光纤保护（二）,类型b：OLT的两个PON口采用两块PON MAC芯片和两个光模块，实现两个PON口的保护，适用于同一OLT不同PON板间和同一PON板内的PON口间保护（保护主纤）。,EPON的光纤保护（三）,类型c： OLT双PON口，ONU双光模块，主干光纤、光分路器和分支光纤均双路冗余。具体实现方式包括OLT同一PON板内同一PON MAC芯片（一个PON MAC芯片支持多个PON 口的情况下）、同一PON板内不同PON MAC芯片和PON板间的PON口保护等三种。这种方式支持不同的ONU分别工作于OLT的主用和备用PON接口（保护主纤和分支光纤）。,EPON的光纤保护（四）,类型d： OLT双PON口，ONU双PON口，主干光纤、光分路器和配线光纤均双路冗余）。具体实现方式包括OLT同一PON板内同一PON MAC芯片（一个PON MAC芯片支持多个PON 口的情况下）、同一PON板内不同PON MAC芯片和PON板间的PON口保护等三种。这种方式支持不同的ONU分别工作于OLT的主用和备用PON接口（保护主纤和分支光纤）。,EPON光功率预算（一）,在EPON组网时，首先必须保证光路合格，下面是光功率预算估算公式（单位dBm），可以作为实际工作中的参考。,接收侧光功率 发射光功率- 光路损耗,光路损耗=所有分光器插损值之和+光纤长度（KM）*0.4+熔纤点数目*0.1+法兰盘个数*0.2,上面的公式中的损耗值是一个估算值，实际中与选用的光模块，分光器，光纤和连接器以及波长等参数都相关，下面列出一些光器件的参数典型值。,参数项目 10KmOLT光模块典型值 10KmONU光模块典型值 20KmOLT光模块典型值 20KmONU光模块典型 接收灵敏度 24dBm 24dBm 27dBm 24dBm 接收饱和度 1dBm 3dBm 6dBm 3dBm 发射光功率 32dBm 14dBm 27dBm 14dBm,OLT 发射光功率参考下面表格：,光纤传输过程中光功率衰减：,参数项目 1310nm 典型值 1490nm典型值 光衰 0.34dBm /km 0.2dBm /km,EPON光功率预算（二）,分光器插入损耗：,分光比 功率分配比 最大插入损耗（dBm） 1:2 5:95 15.5/1.0 1:2 50:50 3.8 1:2 40:60 5/3 1:2 25:75 7.1/1.9 1:4 均分 7.8 1:8 均分 11.0 1:16 均分 15.0 1:32 均分 18.7,实际工作中以光器件标称参数为准。,OAM和扩展OAM,IEEE802.3ah规