EPON基础原理.ppt

epon基础知识,2,what is epon?,啥是pon？ 啥又是epon?,3,what is epon?,什么是pon？ pon是一种点到多点(p2mp)结构的无源光网络 pon是无源光网络的简称 passive optical network 与之相对的是有源光网络 aon，active optical network 什么是epon? 以太网无源光网络 ethernet passive optical network,4,pons history,question: pon是咋来的？ pon它用来干啥的呀?,5,pons history,pon的发展历史 apon(2001年改名为bpon):20世界90年代中期出现,二层采 用atm封装和传送技术,最高速率为622mbps epon(gepon):2001年提出,二层用以太网代替atm.支持 1.25gbps对称速率.对于gbps速率的epon系统也常被 称为gepon gpon:与epon几乎同时提出，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1.25gbps和2.5gbps下行速率 ，和155m、622m、1.25gbps、2.5gbps几 种上行 速率，并具有较强的oam功能。 asynchronous transfer mode（atm） 异步传输模式 操作(operation)、管理(administration)、维护(maintenance),简称oam。,pon的出现,是用来解决接入网带宽瓶颈,6,why pon?,questions: 为啥接入网要使用pon呢? 它和现有的dsl接入和无线接入比较有啥优势呢? 在pon的众多技术中,为啥我们要选用epon来作为接入网ftth方案?,7,why pon?,questions: 为什么接入网要使用pon呢? 它和现有的dsl接入和无线接入比较有什么优势? 物美:光纤是一种纯介质网络,能避免外部干扰,提高系统可靠性。与dsl（铜双绞线）和无线相比，质量很好很强大。 价廉：消除了局端与客户端之间的有源设备。不用再在用户小区架设机房 方便：接入距离远远超过无线和dsl。增加用户的模式支持“热拔插”。,8,why epon?,questions: 在pon的众多技术中,为什么我们要选用epon来作为接入网ftth（光纤到户）方案? apon:由于二层采用的是atm封装和传送技术，所以存在带宽不足，技术复杂，承载ip业务效率在协议上就先天不足（48/53）。垃圾，format，永不录用。 gpon：二层采用gfp（通用成帧规程）对ethernet、tdm、atm等进行封装映射，速率高（上下行能达到2.5g），协议比epon成熟。牛，牛的不行。就是太贵（技术复杂、成本太高），咱老百姓用不起。 epon：二层采用ethernet封装，对现在的ip业务支持的最好，产品成熟度高，成本最低。就是它了。我选择，我喜欢。,9,epon fantasy ！,epon的优点总结 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。 提供非常高的带宽。 服务范围大。 带宽分配灵活，服务有保证。,10,how does epon work?,questions: epon这么好，那么它是怎么在接入网工作的呢？ 它的结构是怎么样的？,11,how does epon work?,12,how does epon work?,几个名词的解释： olt optical line terminal 光线路终端 ont optical network terminator 光网络终端 pos passive optical splitter 无源分光器,他们的作用和位置： pos：是一个连接olt和onu的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。 olt：既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（pon接口）。放在电信的co（中心机房）中。 oun：放在用户终端设备附近或者与其合为一体，epon系统中的用户节点。,13,how does epon work?,下行波长中还有一个1550nm的波长，用来模拟电视信号,14,epon原理：单纤双向传输机制,epon系统采用wdm技术，实现单纤双向传输。 为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术： 下行数据流采用广播技术； 上行数据流采用tdma技术。,1490nm,1310nm,epon基本原理,15,epon原理：下行,在onu注册成动后分配一个唯一的llid； 在每一个分组开始之前添加一个llid，替代以太网前导符的最后两个字节； olt接收数据时比较llid注册列表，onu接收数据时，仅接收符合自己的llid的帧或者广播帧。,广播方式,epon基本原理,16,epon原理：上行,olt接收数据前比较llid注册列表； 每个onu在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧； 分配的时隙补偿了各个onu距离的差距，避免了各个onu之间的碰撞。,tdma方式,epon基本原理,17,epon原理：系统工作过程,onu的操作 onu通过下行控制帧的时间戳同步于olt； onu等待发现帧（gate） onu进行发现处理，包括：测距，指定物理id和带宽。 onu等待授权，onu只能在授权时间发送数据,olt的操作 产生时间戳消息，用于系统 参考时间 通过mpcp帧指配带宽 进行测距操作 控制onu注册,epon基本原理,18,采用802.3标准帧格式，分为上、下行帧 下行帧是一个复合帧，包含多个变长数据包和同步标签。每一个变长数据包是对应每一个特定地址的的，数据格式遵从ieee802.3标准，传输速率为gbps。每一个数据包都包含帧头，变长数据包以及校验码几部分。 上行帧分为若干时隙，每个侦听时隙标志，在属于自己的时隙上将数据发送出去，时隙结束时关闭发送。,epon帧结构介绍,epon基本原理,19,epon帧结构-上行,上行帧由突发的以太网帧mpcp上行控制帧物理层的突发开销组成,epon基本原理,20,how does epon work?,看图说话： 小明说：下行的数据是广播，那各个oun是怎么区分是不是自 己的数据呢？ 小白说：我家要接光网络宽带了，新加入的oun怎么获得自己 上行数据的时间呢？ lucy说：下行广播？那别人不是就可以知道我上网在干什么了 lily说：oun和olt的距离肯定都是不一样的，那会不会由于“ 时差”造成上行数据撞车呢？,21,llid,小明的问题: 下行的数据是广播，那各个oun是怎么区分是不是自己的数据呢？,答： 下行的每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定onu的逻辑链路标识（llid），该标识表明本数据帧是给onu（onu1、onu2、onu3onun）中的唯一一个。当数据信号到达onu时，onu根据llid，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它onu的数据帧。,注：这里引入了一个新的问题-oun是怎么注册的？,22,带宽分配,小白的问题: 新加入的oun怎么获得自己上行数据的时间呢？,答： 当onu在注册时成功后，olt会根据系统的配置，给onu分配特定的带宽，（在采用动态带宽调整时，olt会根据指定的带宽分配策略和各个onu的状态报告，动态的给每一个onu分配带宽，动态带宽调整的进一步说明后面讲）。带宽对于pon层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。,注：这里又引入了一个新的问题-olt是根据什么机制来通知oun已分配的带宽,23,下行广播的安全问题,lucy的问题: 下行广播，如何保证用户数据的安全性？,答： 硬件方面：所有的onu接入的时候，系统可以对onu进行认证，认证信息，可以是onu的一个唯一标识（如mac地址或者是预先写入onu的一个序列号），只有通过认证的onu，系统才允许其接入。 协议方面（这个是最主要的方法）：对于给特定onu的数据帧，其它的onu也会收到数据，在收到数据帧后，首先会比较llid（处于数据帧的头部）是不是自己的，如果不是，就直接丢弃，数据不会上二层，这是在芯片层实现的功能，对于onu的上层用户，如果想窃听到其它onu的信息，除非自己去修改芯片的实现。 软件方面：加密，对于每一对onu与olt之间，可以启用128位的aes加密。各个onu的密钥是不同的。 策略方面：vlan隔离，通过vlan方式，将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的vlan，保障相互之间的信息隔离。,注：又有新问题了，epon在二层承载的是以太网帧，以太网帧里是没有地方让给llid这个字段的，那么llid是怎么实现的呢？,24,测距、时隙补偿,lily的问题: oun和olt的距离肯定都是不一样的，那会不会由于“ 时差”造成上行数据撞车呢？,答： 传统以太网中使用以太网帧的前导码来同步数据，而epon中的上行是采用分时发送的方式。 epon中采用测距和时隙补偿的方式来实现onu和olt的时间同步。,注：又来了，olt和onu是用什么方式来测距？怎么实现时隙补偿的呢？,25,mpcp,强大的mpcp,26,mpcp,mpcp：multipoint control protocol （多点控制协议）,epon系统是一种典型的点到多点传输/接入设备,采用mpcp,可以实现一个可控制的网络配置,如光网络单元(onu)的自动发现、终端站点的带宽分配及查询、监控等.,mpcp在mac控制层实现 在epon中mpcp和现有的以太网兼容 传统的以太网帧格式仍然被保留,27,mpcpdu,mpcp：multipoint control protocol （多点控制协议）,mpcp有5种消息帧 gate report register-request register register-ack,下面我们来看一下mpcp是如何通过这5种mpcpdu来解决前面我们提出的问题的。,28,onu的注册和自动发现,第一步：olt发送一条“discovery gate”消息,消息的内容包括用于发现的授权(grant),包括其长度和开始时间,还有物理层的一些参数,如agc建立时间、cdr锁定时间等.,olt大声对周围喊：”我是格林耐特的hr大l，有没有人要加进来啊，要的在明天12点到1点把简历给我。现在是北京时间12点整“,29,onu的注册和自动发现,第二步：新加入的oun,发送”register-request“给olt，在其中包括了onu的能力矢量(capability vector)和物理层的一些参数.,第二天12点半，小o把简历交给了大l。,如果在指定时间内，olt收到了两个oun来的register-req会怎么样？,30,onu的注册和自动发现,第三步：olt接收到后，经过验证，给onu发register，消息的内容包括分配给这个onu的llid值、olt所支持的onu能力、对onu能力及物理层参数的回应等.,大l电话通知小o：你的资料我看过，行，你的工号是9527，一会邮件告诉你上班时间。,31,onu的注册和自动发现,第四步：onu收到register后，经过验证，给olt发register-ack,消息的内容包括被onu所支持和确认的olt能力、onu对被分配的llid和被设置的物理层参数的回应等.,小o回答：我知道了，很高兴 加入。,32,onu的注册和自动发现,问题1： oun是怎么注册的？,答：如图所示的4步曲，就是oun的注册过程。,33,onu的注册和自动发现,问题2： olt是根据什么机制来给oun分配带宽的？,答：如图所示，在注册过程中，olt在发送register后，还会发送一个gate报文（gatempcpdu），在这个包中包括授权的数目、授权的开始时间及其长度等信息,这样oun上行的数据包和控制包的发送时隙就可以被确定，从而实现各个onu的有序发送.,小l给小o发的邮件：请于2007年11月7日到公司来报道，合同为期半年。,34,测距和时隙补偿,问题3： olt和onu是用什么方式来测距？怎么实现时隙补偿的呢？,答：1，olt在绝对时间t1时，发出一个gate包，时戳字段的值为t1 2，onu在绝对时间t2时收到这个gate包，把本地时间调整为t1 3，在绝对时间t3时，oun发送一个report包，时戳字段的值为t4 4，在绝对时间t5，olt收到这个reprot包 5，通过该响应帧olt不但能获得onu的参数，还能计算出olt与onu之间的信道延时rttt2t1t5t3t5t4。 （t4=t3-t2+t1）,gate,report,35,mpcp,mpcp：multipoint control protocol （多点控制协议）,前面提到的问题： epon在二层承载的是以太网帧，以太网帧里是没有地方定义了llid这个字段的，跟llid一样，像时间戳字段也在传统的以太网帧结构中没有定义，那么llid和时间戳在哪？,答：mpcp是在二层实现的，它在传统的以太网帧的基础上，做了扩展。,36,mpcp的帧结构,前导码 8bytes,da 6bytes,sa 6bytes,长度/类型 2bytes,数据 461500bytes,填充 不定,fcs 4bytes,以太网mac帧,epon mac帧,37,mpcp的帧结构,现在我们看一下mpcp的帧结构,前导码：1bit的模式位，用来标示是p2p模式还是广播方式,llid是逻辑链路标记.,00-02:gate 00-03:report 00-04:register-request 00-05:register 00-06:register-ack,mpcp的类型值：88-08,前面说的那个时间戳字段，用来使olt和 oun同步,各个参数和状态等信息在这里体现，不使用 时为全0,38,onu和olt的行为,dba：动态带宽分配,前面我们说过，epon支持dba，他是通过mpcp来实现的。它是如何操作的呢？ 要解释这个问题，就要从oun和olt的行为说起。,39,onu和olt的行为,olt和onu通过mpcp实现动态带宽分配的行为： olt上电后，会周期性的产生下发”发现窗口“（discovery gate） 未注册的oun在接到discovery gate后，与olt一起完成注册过程（前面我们讲过的），oun与olt同步时间，测距，获得llid。 在注册过程中，oun会接到olt给他的一个授权”gate“，这个gate中指定了一个给oun的最小带宽，用于oun的管理。 olt还会周期性的下发一个gate消息，与已经注册的oun进行全局时间同步。 已经注册的oun在给自己分配的带宽时间内，上报一个report消息。这个消息内说明了目前自己需要的带宽。 olt根据自己配置的规则，下发gate消息给oun，给oun指定一个发送带宽。,olt是领导，下属oun们可以提需求，给不给、给多少还是领导说了算,40,mpcp结束语,结束语 epon系统是一种结合了成熟的千兆以太网技术和pon技术的理想的光接入解决方案,而mpcp是解决epon系统技术难点的关键协议.它通过定义特定的控制帧消息结构,可以解决上行信道复用、测距及时延补偿等epon的难点问题,同时还能实现对epon系统的动态带宽分配和灵活的网络管理。 但是mpcp依然存在一些问题，如：无法实现网络管理，协议本身有很多定义不明确的地方（for example:没有规定异常处理)，单oun多llid问题，qos的实现方案没有统一。,在epon中mpcp不是万能d， 但没有mpcp是万万不能d,41,what is oam?,什么是oam呢？ 下面有同学抢答了：“我知道我知道，是偶阿妈。”,oam - operation administration and maintenance。 根据运营商网络运营的实际需要，通常将网络的管理工划分为3大类：操作（operation）、管理（administration）、维护（maintenance），简称oam。操作主要完成日常网络和业务进行的分析、预测、规划和配置工作；维护主要是对网络及其业务的测试和故障管理等进行的日常操作活动。 itu-t对oam功能进行了定义：1）性能监控并产生维护信息，根据这些信息评估网络的稳定性；2）通过定期查询的方式检测网络故障，产生各种维护和告警信息；3）通过调度或者切换到其它的实体，旁路失效实体，保证网络的正常运行；4）将故障信息传递给管理实体。,42,epon中的oam,oam是一种可以监控网络、检查错误原因的工具，是每一种接入网络都需要具备的，它能帮助运营商有效的管理网络。 传统的以太管理往往采用简单网络管理协议（snmp）或者tr069的方法实现。 epon系统作为一个接入网络，需要电信级的的管理能力。 传统的snmp和tr069并不适合epon，因为snmp和tr069都是三层ip层以上的协议，他们使用的前提就是下层网络正常，不能对epon网络链路层进行管理。 ieee802.3委员会在新的以太网接入标准802.3ah中制定了关于链路层oam标准。,上面的说都太玄了，那oam到底能干什么呢？,43,oam的作用,以下问题，就能使用oam完美的解决,电信员工：”老大，我们南山区格林耐特的客户最近一直抱怨说上网老掉线“（异常诊断） 电信老总：”小的们，你们去统计一下，南山那边有多少用户用的是格林耐特公司做的oun“（状态查询） 老板：“所有中毒的设备，全部重起”（管理操作）,44,epon中oam运行机制,mac客户端：负责802.3mac数据的接收和发送 oam客户端：配置oam子层，处理接受oam协议数据单元（oampdu），发送pdu 控制模块：提供oam客户端与oam子层的接口 解析模块：解析接受到的帧，将oampdu送往控制模块，非oampdu发往上层 复用模块：将oampdu和非oampdu复用并发送,45,oam帧结构,da:oampdu中的目的地址是slow-protocols-multicast地址 sa：发出oampdu的源mac地址 类型：88-09（慢协议类型）（什么是慢协议？） 子类型：03（oam） 标示：包含状态标示 代码域：表明oampdu类型 数据域：用与oampdu有效载荷,00：状态信息（information oampdu） 01：事件报告（event notification） 02：变量获取（variable request） 03：变量返回（variable response） 04：环回控制（loopback control） fe：自定义（organization specific）,oampdu中的数据都是tlv的格式 （type | length | value）,46,oam事件,发现过程：发现过程是所有规程的第一步，只有成功完成了发现过程后，才能运行其他的oam规程。oun和olt的oam子层通过交换information oampdu 来获取对方的oam性能配置和标示，并确定对方支持oam。oam采用周期性的通告来保持一个oam会话。如果超过本地定时器的时间没有收到远端通告报文，则结束此oam会话。,olt,oun,information （我支持oam）,information （我支持oam）,information,information,47,oam事件,远端错误报告：当onu发生错误时，将会发送一个event notification oampdu信息，说明错误的类型和错误信息。当出现严重错误时，使用flag字段的3个bit来区分类型（链路错误、突发错误、严重错误）。由于上述3种错误都比较严重，所以当他们对应的flag被置位时，oampdu不受慢协议的限制而重复多次发送。,onu,olt,event notification (出错啦！),event notification (出错啦！),event notification (出错啦！),48,oam事件,远端环回测试：olt的oam通过发送loopback control oampdu将对端oun设置为环回检测状态。oun在此状态下除oampdu外所有的数据帧都将被反送回olt。环回测试是最有效的诊断网络故障的工具，它用来在一个大范围内的网络中定位一个小的分段的错误，它还能检测出网络性能（吞吐量、时延等参数）。,olt,onu,loopback control (你，给我环回),data xxx (给你),data xxx (还给你),loopback control (行了，别环回了),49,oam事件,一般事件报告：802.3ah中定义了一些事件的触发条件（如：链路恶化、错帧突发），当链路时间达到触发条件的时候，oam层就会发送一个事件报告（ event notification ），时间报告oampdu因为不能保证被接收到，所以会多次发送，每个event notification中有一个发送序号（sequence number）字段来标示重复发送的序号。,onu,olt,event notification no.1 (有情况，丢包),忽然出现大段丢包,event notification no.2 (有情况，丢包),event notification no.3 (有情况，丢包),50,oam事件,mib变量获取：当olt需要oun的一些参数的时候，oam发送variable request oampdu。oun收到后返回variable response oampdu给olt，此帧的数据域内包含了olt请求的参数。,olt,oun,request （贵性？）,response （免贵，姓王）,注：epon的802.3ah只支持对远端变量的查询，并不支持参数的修改。,51,oam结束语,结束语 oam为epon系统的优化作出了重要的贡献，它使epon系统能够支持链路的管理和维护。但是，在802.3ah中对oam所做的规范远远不够标准，它仅仅提供了5种标准帧和5种基本管理流程。虽然802.3ah中定义了可以由厂家自己扩展的帧，但是对这个帧的标准没有定义，需要厂家自己来规范，这就造成了各个厂家的oam肯定会存在不能互通的问题，需要运营商和各厂商之间协商标准。（中国电信的“epon设备技术要求”中对投标设备的oam层扩展做了很详细的规范）,oam还不到家，规范还要靠你我他。,52,中兴epon整体解决方案,53,gpon和epon比较-速率,epon 提供固定上下行1.25 gbps,采用8b/10b线路编码,实际速率为1gbps gpon支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，下行2.5gbps 或 1.25gbps，上行1.25gbps 或 622 mbps，根据实际需求来决定上下行速率，选择相对应光模块,提高光器件速率价格比。 本项结论：gpon优于epon 最大传送距离 gpon系统可支持的最大物理距离，当光分路比为1:16时，应支持20km的最大物理距离；当光分路比为1:32时，应支持10km的最大物理距离。 epon与此相同 本项结论：相等,54,gpon和epon比较-分路比,分路比即一个olt端口(局端)带多少个onu(用户端) epon 标准定义分路比1：32。 gpon标准定义分路比下列几种 1:32； 1:64；1:128 。 其实，技术上epon系统也可以做到更高的分路比,如1：64，1:128，epon的控制协议可以支持更多的onu。 分路比主要是受光模块性能指标的限制,大的分路比会造成光模块成本大幅度上升; 另外,pon插入损失1518db，大的分路比会降低传输距离; 过多的用户分享带宽也是大分路比的代价。 本项结论：gpon提供多选择性,但是成本上考虑优势并不明显,55,运营、维护 oam,epon 没有对oam进行过多的考虑,只是简单的定义了对ont远端故障指示、环回和链路监测. 并且是可选支持. gpon在物理层定义了ploam（physical layer oam）,高层定义了omci（ont management and control interface）,在多个层面进行oam管理. ploam用于实现数据加密、状态检测、误码监视等功能. omci信道协议用来管理高层定义的业务，包括onu的功能参数集、t-cont业务种类与数量、qos参数，请求配置信息和性能统计，自动通知系统的运行事件,实现olt对ont的配置、故障诊断、性能和安全的管理。 本项结论：gpon优于epon,56,gpon和epon比较-结语,epon和gpon各有千秋，从性能指标上gpon要优于epon,但是epon拥有了时间和成本上的优势,gpon正在迎头赶上,展望未来的宽带接入市场也许并非谁替代谁, 应该是共存互补。对于带宽、多业务,qos和安全性要求较高以及atm技术作为骨干网的客户，gpon会更加适合。而对于成本敏感,qos,安全性要求不高的客户群，epon成为主导。,57,中国电信为什么要搞光进铜退,现在的adsl技术不能承载高速视频业务 铜缆被盗割严重，铜价不断上涨 成本考虑，卖铜的钱就可以支持光进铜退的改造成本 缺点：受停电的影响大,58,建设模式分析,从网络发展的角度看，ftth 是接入网的终极目标。中国电信现有的接入网建设是以fttn 模式为主进行建设的，铜缆和接入设备间