（光学工程专业论文）epon中光线路终端的mpcp协议功能的实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 现在通信的主干网发生了巨大的变化，但在接入部分的“最后一公里”却变化很少。 而将以太网和无源光网络结合的e p o n 被认为是解决“最后一公里”问题的最佳选择。随 着i e e e 8 0 2 3 a h 协议的正式公布，标志着e p o n 向成熟迈出重要的一步。 尽管e p o n 的i e e e s 0 2 3 a h 协议标准已经出台，但其中仍有许多细节问题尚未解决。 例如e p o n 注册功能中的两个重要的参数注册窗口的大小和注册周期，以及动态带宽 分配方案，协议都没有作具体规定，这也是需要我们研究的地方。m p c p 协议是整个e p o n 系统的基础，它位于m a c 层之上，负责用户的接入控制。而将m p c p 协议作为一个模块 实现，就可以在m p c p 模块上进行e p o n 的一些次要功能的研究，如加密功能等。m p c p 模块是通过判断m p c p 协议的五种控制帧的不同完成不同的功能和操作。这五种控制帧是 在以太网的的最小帧结构的基础上定义的不改变以太帧的结构和大小，与以太网有很好 的兼容性。 本文所做的工作是实现o l t ( 光线路终端) m p c p 扔议的主要功能。文章首先简要叙 述了e p o n 的关键技术、系统结构和原理。接着详细介绍了o l t 端的功能和m p c p 协议 的发展、功能及操作，并给出了协议的五种控制帧授权( g a t e ) ，报告( r e p o r t ) ， 注册( r e g ) ，注册请求( r e gr e q ) 和注册证实( r e g _ a c k ) 的具体含义。 接着我们对实现的主要功能自动注册，测距以及动态带宽分配分别进行了描述， 并在l i n u x 系统下用c 语言给出m p c p 模块的实现过程，同时与o n u 端的m p c p 模块进 行连接，并分析我们所完成的m p c p 模块的结果，给出几项建议。 最后文章分析了注册过程中的冲突问题，提出一种注册冲突解决的方案。并用o p n e t 实现注册算法仿真。实验结果分析表明：此注册算法适合e p o n 系统刚开启或o l t 重启时， 有大量o n u 进行注册的情况。该算法可提高此种情况注册时的效率，并减少注册时延。 关键词：以太无源光网络m p c p 协议光线路终端注册冲突解决 网络仿真 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t n o wt h ea c c e s sn e t w o r k si n “t h el a s tm i l e s ”h a v en o tb e e nc h a n g e dm u c hw h e n 也e b a c k b o n en e t w o r k sh a v ee x p e r i e n c e ds u b s t a n t i a lc h a n g e s e p o nw h i c hm i x e dp o na n d e t h e m e ti s e x p e c t e d t ob eo n eo ft h eb e s ts o l u t i o n sf o rt h e p r o b l e mo f “t h el a s t m i l e s ”a n de p o nh a sb e c o m em a t r n e r a f t e ri e e e 8 0 2 3 a h p r o t o c o l h a sb e e n p u b l i s h e d a l t h o u g h i e e e 8 0 2 3 a h p r o t o c o l h a sb e e n s t a n d a r d l i z e d ，i t h a ss o m ed e t a i l s w h i c ha r en o tt ob es o l v e d f o r e x a m p l e ，t h e t w om a i n p a r a m e t e r s o ft h e m p c p a u t o d i s c o v e r ym e c h a n i s m 一一d i s c o v e r y w i n d o w f r e q u e n c y a n d c a p a c i t y a n d d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t e ds c h e m ea r en o td e f i n e d i ti sn e e d e dt ob e s t u d i e d m p c pw h i c hi sa b o v em a cl a y e ri st h eb a s i so fe p o n i tc o n t r o l t h ea c c e s s p r o c e s s i n g 1 1 1 e p u r p o s e o f p r o d u c i n g m p c p m o d u l e i s t h e r e s e a r c ho fo t h e rm o d u l eo nt h eb a s i so fm p c pm o d u l e ，s u c ha s e n c r y p f i o n m o d u l e t h em p c pm o d e li s o p e r a t i n gb yj u d g i n g t h ed i f f e r e n c e so ft h e f i v ec o n t r o lf l a m e s t h e s ef r a m e s c o m e f r o m t h em i n i m u me t h e m e tf r a m e w i t h o u t c h a n g e s o fi t ss t r u c t u r ea n ds i z e i th a s g o o dc o m p a t i b i l i t y 、i m e t h e m e tn e t w o r k t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h es y s t e m k e yt e c h n o l o g i e s ，s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f e p o n i nt h ef o l l o w i n gs e c t i o n s t h ep a p e rp r e s e n t sa na n a l y s i so ft h eb a s i si e e e 8 0 2 ，3 a h m p c pa n di t e x p l a i n st h e f i v ec o n t r o lf r a m e s o f m p c p 一一g a t e ， r e p o r t ，r e 0 ，r e gp e qa n dk e ga c k i t sm a i nf u n c t i o n sa r e a u t o d i s c o v e r y ，r a n g i n g a n d d y n a m i c b a n d w i d t h a l l o c a t e d t h e nt h i s p a p e rp r e s e n t s t h e t h r e e f u n c t i o n sa n d p u t s t h e mi n t o r e a l i t i e sw i t hc l a n g u a g e i n t h el i n u x s y s t e m t h r o u g h t h ec o m m u n i c a t i o n f r o m o l tm p c pm o d u l et oo n um p c pm o d u l e , t h e p a p e rg i v e s a n a n a l y s i so ft h e r e s u l t sa n dd r a w ss o m e c o n c l u s i o n s a tl a s t ，t h i sa r t i c l ee x p l a i n sc o l l i s i o n p r o c e s s i na u t o d i s c o v e r ym e c h a n i s ma n d i t g i v e s a a u t o - c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m w e u s et h en e t w o r ks i m u l a t i o n s o f t w a r ec a l l e d0 p n e tt oc o n s t r u c t t h em o d e lo ft h ea u t o d i s c o v e r y a l g o r i t h m a n dc a r r yo u tas e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a n a l y z i n gt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n s ， c o m p a r e d w i t ht h eo t h e ra u t o - d i s c o v e r y a l g o r i t h mm e t h o d s , w ed r a wac o n c l u s i o n ： i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 i tf i t st h es i t u a t i o no f r e c o v e r i n gq u i c k l y f r o m f a i l u r e s m o r e o v e r ，i t l e a d st o e f f i c i e n ts c h e m ef o r b a l a n c i n gs y s t e mr e s p o n s e a n db a n d w i d t h e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：e t h e r n e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，m u l t i p o i n t c o n t r o l p r o t o c o l ( m p c p ) ，a u t o - c o n f i g u r a t i o n a l g o r i t h m s i m u l a t i o n i i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：光纤通信及其接入技术 作 者：塑级研究生 刘恒 指导教师整堑 题日：e p o n 中光线路终端的m p c p 协议功能的实现 英文题目：m p c pf u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o ni no p t i c a ll i n et e r - m i n a t i o no fe p o n 主题词：以太无源光网络m p c p 协议光线路终端 注册冲突解决网络仿真 k e y w o r d s ： e t h e r n e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) m u l t i - p o i n tc o m m lp r o t o c o l ( m p c p ) a u t o - c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m s i m u l a t i o n 南京邮电大学硕士学位论文 缩略词 缩略词 a p o n基于a t m 的无源光网络 w d m 波分复用 m a c媒体接入层 e p o n基于e t h e r n e t 的无源光网络 f c s帧校验序列 g p o n 吉比特无源光网络 l a n局域网 o a n 光接入网 0 d n光配线网 o l t光线路终端 o n u光网络单元 p o n 无源光网络 t d m a 时分多址 d b a动态带宽分配 m p c p多点控制协议 q o s 服务质量 g a t e 授权帧 r e p o r t报告帧 r e g i s t e rr e q注册请求帧 r e g i s t e r 注册帧 r e g i s t e ra c k 注册证实帧 l l i d逻辑连接标识号 s y n ct i m e 同步时间 o p c o d e 操作码 d a t a r e s e r v e d p a d数据，保留，填充 d a目的地址 s a源地址 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：型! 望日期：型：垒! z 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期 南京邮电大学硕七研究生学位论文 第一章绪论 1 1无源光网络 第一章绪论 信息化进程的推进和网络应用的需求，快速推动着网络的发展。在网络的总带宽以 每半年翻一番的速度递增的推动下，新的网络应用和网络技术也不断地涌现。p o n 技术 就是顺应这股潮流而走向市场的一种质优价廉的宽带接入技术。从整个网络的结构来看， 由于光纤的大量铺设，d w d m 等新技术的应用使得主干网络在几年之内已经有了突破 性的发展。同时由于以太网技术的进步，由其主导的局域网带宽也从i o m ，1 0 0 m 到l g 甚至1 0 g 。而目前大家关注的，也是最需要突破的地方就在于连接网络主干和局域网以 及家庭用户之间的一段，这就是常说的“最后一公里”问题，这还是个瓶颈，必须打破这 个瓶颈，才可能迎来网络世界的新天地。 在这种情况下，市场呼唤新技术登场，来解决这些目前难以解决的问题，便于以更 低的价格，向用户提供更高的带宽，更好的服务质量。已经发展多年的p o n ( p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ：无源光纤网络) 就正式揭开面纱，被大众所认识，它被认为是“最后一 公里”问题的理想解决方案，相信在今后将会有很大的应用前景。 无源光网络p o n ( p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ) ：指o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ： 光配线网) 不含有任何电子器件及电子电源，o d n 全部由光分路器( s p l i t t e r ：分支器) 等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。 p o n 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。 1 2以太无源光网络及关键技术 i t u t 已经制定了a p o n 技术的g 9 8 3 建议。但是a p o n 有两个问题：一是传 输速率不够高，下行为6 2 2 m b i t s 或1 5 5 m b i t s ，上行为1 5 5 m b i t s ，带宽被1 6 3 2 个o n u 所分享，每个o n u 只能得到5 2 0 m b i t s 。另一个更主要的问题是，与以太网 南室塑皇盔堂塑主竖塑当学堕丝茎 第一章 绪论 设备相比，a t m 交换机和a t m 终端设备相当昂贵。而且，现在因特网工作于t c p i p 协议，用户终端设备都是i p 设备，采用a t m 技术必须将i p 包拆分重新封装为a t m 信 元，这就大大增加了网络的开销，造成网络资源的浪费。 而e p o n 融合了p o n 和以太数据产品的优点，形成了许多独有的优势。e p o n 系统 能够提供高达1 g b i t s 的上下行带宽，这一带宽能够适应现在及将来1 0 年内用户对带 宽的需求。由于e p o n 采用复用技术，支持更多的用户，每个用户可以享受到更大的带 宽。e p o n 系统不采用昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，能与现有的以太网相兼容，大 大简化了系统结构，成本低，易于升级。由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维 护费用大为减少。标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备。而p o n 结构本身就决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到 1 0 g b i t s 或者更高速率。e p o n 不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务，还能兼 容未来业务如数字电视、v o l p 、电视会议和v o d 等等，实现综合业务接入。 虽然a p o n 对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交换( m p l s ) 等新的 i p 服务质量( q o s ) 技术的采用，高层协议与e p o n 的m a c 协议相配合，e p o n 已完 全可能以相对较低的成本提供足够的q o s 保证加之e p o n 的价格优势明显，因而被认 为是解决电信接入瓶颈，最终实现光纤到家的优秀过渡方案。 e p o n 的关键技术如下： 1 ) 上行信道复用技术 可以说上行的复用技术是e p o n 技术的核心，从目前的研究来看，大多数方案都使 用了d w d m + t d m a 的复用方法。d w d m 的使用是发展的趋势，但主要取决于光器件。 因此，主要讨论的焦点将是t d m a 的实现方法，即如何使用t d m a 的方法使上行信道 的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中，上行带宽的分配方法、发送给 o n u 的注册授权窗口大小及频率等问题都有待于研究和确定。 2 ) 测距和时延补偿技术 由于光纤信道时延较大的特点，o n u 与o l t 之问的距离将会影响到上行信道的复 用如果准确测量各个o n u 到o l t 的距离并能精确的调整o n u 的发送时延，则可以减 小o n u 发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外，测距过程 应充分考虑到整个e p o n 的配置情况。例如，系统在工作中加入新的o n u ，此时对它 的测距不应对其它o n u 有太大的影响。 童型b 电大塑圭型塞皇璺垡堡塞 第一章 绪论 3 ) 光器件 由于e p o n 上行信道是所有o n u 分时复用的，每个o n u 只能在指定的时间窗1 2 1 内 发送数据。因此，e p o n 上行信道中使用的是突发信号，这就要求在o n u 和o l t 中使 用支持突发信号的光器件。现在随着e p o n 标准的制定，已有很多满足要求产品出现。 现有的光器件已能满足1g b i t s 的传输。 4 ) 突发信号的快速同步 由于o l t 接收到的信号为突发信号，o l t 必须能在很短的时间( 几个b i t s ) 内实现 相位的同步，进而接收数据。这一技术与a p o n 中使用的类似，因此可以借鉴a p o n 的 经验 7 】o 1 3本文的主要工作 本文的第一章为绪论部分，概述了无源光网络及以太无源光网络发展历程，对目前 的以太无源光网络的关键技术进行简单介绍。第二章中首先对e p o n 的系统构成和工作 原理进行了扼要介绍，随后对光线路终端( o l t ) 的功能进行了描述，最后详细介绍了 m p c p 协议。第三章分析了m p c p 协议三个主要功能，给出m p c p 模块的实现过程。并 分析了实现m p c p 协议各个功能的结果，提出几项改进意见。第四章首先提出一种解决 自动注册冲突的算法，接着介绍了网络仿真软件o p n e t 的工作原理，最后描述如何用 o p n e t 仿真软件实现自动注册的算法模型，并对仿真结果进行分析。最后一章对全文进 行简单的总结，并提出对下一步工作的展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光线路终端( 0 l t ) 的功能m i k ：p 协议的描述 第二章光线路终端( o l t ) 的功能m p c p 协议的描述 2 , 1e p o n 的系统构成和工作原理 2 1 1e p o n 的系统构成 e p o n 采用的是点到多点的无源光网络，主要由o l t 、o d n 、o n u 组成，由无源 光分路器件将o l t 的光信号分到各个o n u 。 o l t 的作用是为光接入网提供网络侧与局端之间的接口，并通过一个或多个o d n 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 的关系为主从通信关系。o l t 可以分离交换和非 交换业务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 和本身提供维护和供给功能。 o l t 可以直接设置在局端接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接1 ：3 。o l t 在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。 o d n 的作用是为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率 的分配。o d n 是由无源光器件( 诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等) 组成的纯无源 的光配线网，呈树形一分支结构。 o n u 的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用户侧。 o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信号并为多个小企事业用户和居民住宅 用户提供业务接口。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此o n u 需要有光 电和电光转换功能，还要完成对语声信号的数模和模数转换、复用、信令处理和维护 管理功能。其位置有很大灵活性，既可以设置在用户住宅处，也可以设置在分线盒处( 即 d p ) 甚至交换箱处( 即f p ) ，按照o n u 在用户接入网中所处的位置不同，可以将o a n 划分为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边( f t t c ) ，光纤到楼( f t t b ) 以及光纤 到办公室( f t t o ) 和光纤到家( f t t h ) 。 e p o n 系统通常采用总线型( b u sp o n ) 、树型( t r e ep o n ) 或环型( r i n gp o n ) 拓 扑结构 5 j ，如图2 1 所示： 4 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章光线路终端( o l t ) 的功能m p c p 掷议的描述 bu s l jl _ jl j r i n g 图2 1 e p o n 的拓扑结构 2 1 2e p o n 的工作原理 在e p o n 中o l t 将由e t h e r n e t 帧组成的下行帧向o n u 广播发送信息，每个o n u 收到全部的数据流，然后根据o n u 的媒体访问控制( m a c ) 地址提取出特定的数据包。 如图2 , 2 所示【7 】= 图2 2e p o n 下行数据流示意图 e p o n 的上行信道则采用时分多址技术，将上行信道划分为若干时隙，每个时隙内 安排一个o n u 发送一个上行分组，即由o l t 安排o n u 按照一定的顺序依次向上发送 e t h e m e t 数据帧，如图2 3 所示。为了保证各个o n u 发送的数据包在上行传送时不发送 相互的碰撞，需要严格对各个o n u 的发送进行定时。由于各个o n u 到o l t 的物理距 堕塞塑皇奎兰婴主堕壅生堂堡堡苎 塑三里垄垡堕竺塑! ! ! ! ! 塑堡堂! ! 竺塑堡塑塑堕 离不同以及环境因素不同，各个o n u 到o l t 的传输延时和信号衰减程度是不同的，所 以除了要进行测距以便对各个o n u 的上行发送时刻进行规定以外，还要在o l t 端采用 突发模式的光接收机，在每个o n u 的上行分组( e t h e m e t 帧) 的最先几个比特到达时根 据其幅度动态地决定合理的信号判决门限。同时，o l t 端也必须使用快速比特同步的技 术，以便在上行分组到达时迅速建立提取信号所需的时钟相位，目前多采用a s i c 来完 成高速码流的快速比特同步。 图2 3e p o n 上行数据流示意图 2 2 光线路终端( o l t ) 的功能 o l t 为o a n 提供网络侧接口并连到一个或多个光分配网( o d n ) 。o l t 提供传送 到o n u 所需各种业务手段。o l t 的其中一种功能框图示于图2 4 。 圈2 4o l t 功能框图 由图2 4 可见，o l t 由三部分组成，定义为核心层，业务层和公共层。 6 堕型皇点塑主蜒塞兰堂堡婆文 第二章 光线路终端( 0 l t ) 的功能m p c p 协议的描述 2 2 1o l t 核心层 o l t 核心层功能包括数字交叉连接功能，传输复用功能和o d n 接口功能。 传输复用功能提供在o d n 上发送或接收业务通路所要求的功能。 数字交叉连接功能为o l t 的o d n 侧与o l t 网络侧的可用带宽提供交叉连接功能。 o d n 接口功能提供一组物理光接口功能，终端相应的o d n 的一组光纤，它包括光 电和电光转换。为了实现从o l t 到o d n 中光分路器处灵活分配点之间不同地理路由 间的保护倒换，o a n 系统应能为o l t 装备可选的备用o d n 接口。 2 2 2o l t 业务层 o l t 业务层包括业务端口功能。业务端口应能配置成一种业务或者能同时支持两种 或多种不同的业务。任何提供两个或多个端口的支路单元( t u ) 都应该能以每个端口为 基础独立地进行配置。对这种多端口t u 都将每个端口配置不同的业务。o l t 设备中的 每个t u 位置能安排任一类型的t u 。该层还能提供处理通过o l t 的信令信息。 2 2 3o l t 公共层 o l t 公共层包括供电和o a m 功能 供电功能将外部电源变换为所要求的机内电压。 o a m 对o l t 的所有功能块提供处理操作，管理和维护的手段，它提供o a m 接口 功能。对于本地控制，提供一个接口用于测试和通过协调功能，经接人网的接口与上层 网管操作系统相连。 2 3m p c p 协议的介绍 2 3 1m p c p 协议的发展及在i e e e 8 0 2 3 a h 协议层次中的位置 i e e e 8 0 2 3 a h 的标准从草案到正式发布，其中的焦点之一就是定义m p c p 协议( 多 点控制协议) 。m p c p 方案是为了回答业务提供者可能会提出的所有问题。i e e e8 0 2 3 a h 在这里不定义所有高层的家庭宽带业务，丽是在这里定义一个m e d i u m ，它将实现两个 目标： 1 ) 给企业或家庭的宽带提供者提供它们所需要的媒介。 2 1 仍然是一个以太网。 第一目标是非常重要的，因为这个新的媒介有许多潜在的用户。第二目标之所以重 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章光线路终端( 0 l t ) 的功能m , p g p 协议的描述 要是因为定义一个基本的新m a c 业务对公众而言是一个巨大的伤害。而且满足第二个 目标是满足第一个目标的最大保证。 对于第一个目标：给企业或家庭的宽带提供者提供它们所需要的媒介。m p c p 协议 给出了其相应的低层协议。其主要内容是在p o n 的拓扑结构基础上，提供点到多点的承 载媒体，维持良好的t d m a 机制和带宽管理功能。 面对上述的第二个目标：仍然是一个以太网。m p c p 协议给出了其相应的高层协议。 这个协议是以u l s l e 协议为代表。这是一个类似于8 0 2 1 d 桥协议差不多的协议。 对于以太网技术而言，p o n 是一个新的媒质。8 0 2 3 工作组定义了新的物理层，而 对以太网m a c 层以及m a c 层以上则尽量做最小的改动，以支持新的应用和媒质。e p o n 系统通过一条共享光纤将多个o n u 连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源光分路 器的树形分支结构。多点控制协议( m p c p ) 就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制 机制弘i 。 删- 耕冁撇黼雠雌蝌冁辩蛾 柚i - 枷嘲嘲艟耀n 幄孵耐幽晌啦 h - 弹昧盯鹏。加酗悄盯鼬m h i 叫孵酬 h 渔 0 1 t 潮删 佣0 - 竞曦麟是 p 髓- 舟撑婚o o o m 氍棚j 歙 升憎i i 升姒嗍啦眦e p 姒鞭w 懿l 明朗胤一硒强褂棚盯 p d p m 融l 啪 喇鞠俚嘲能k i 圈2 5m p c p 协议的分层图 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章光线路终( 0 l t ) 的功能f l p c p 协议的描述 图2 5 为m p c p 协议的分层概述【2 1 。 e p o n 作为e f m 讨论标准的一部分，建立在m p c p 基础上，该协议是m a c 控制子层 的一项功能。e p o n 的分层结构与传统的分层结构相比，在m a cc o n t r o l 层增加了m p c p 子层作为e p o n 的控制层，m a c 层不做改变，在m a c 层下增n s e e u d t y 层，并且为 e p o n 新增的功能定义了一个新的管理实体。针对e p o n ，p m d 层也会有一定的改变。 所有的层仍然使用标准接口。在接收方向，m p c p 要将从m a c 转发过来的帧中的前导 码中的l l i d 去掉，并进行分析，将数据帧转发到相应的m a cc l i e n t ，将控制帧转发到 相应的处理进程。在发送方向，从c l i e m 来的数据帧和从各处理进程来的控制帧将向 m p c p 中的复接控制功能块发出请求。如果被允许，则将控制帧加上l l i d ，打上时戳， 和数据帧一起发送到m a c 层。m p c p 子层取代了m a c 控制子层的位置，使用了m a c 控制子层的工作机制和一些定义，支持多个m a cc l i e m 和e p o n 特定的m a c 控制功 能m p c p 子层还扩展了m a c 控制的机制，使其可以同时控制下面的多个m a c 层。非实 时的、静态( 如m a c 操作参数的配置) 的控制可以由层管理来完成1 2 4 。 2 3 2m p c p 协议的内容，功能和操作 m p c p 多点控制协议是在m a c 控制层实现的。原来的i e e e 8 0 2 3 第3 1 子句指出： “m a c 控制提供实时控制和m a c 子层操作的处理”。m p c p 多点控制协议的主要的手 段是增加新的控制消息。新的控制消息如下：授权( g a t e ) ，报告( r e p o r t ) ，注册( r e g ) ， 注册请求( r e gr e q ) 和注册证实( r e q a c k ) 。m p c p 通过这些消息来控制启动导 入过程。 在采用点对多点( p 2 m p ) 通信的网络设备中，主单元和从单元之间要采用m p c p 来 实现数据的有效传输。e p o n 系统是一种典型的点到多点传输，接入设备，采用m p c p 是 为了实现一个可控制的网络配置，如光网络单元( o n u ) 的自动发现、终站点的带宽分配 及查询、监控等m p c p 在m a c 控制层实现，除i e e e 8 0 2 3 的3 1 子句定义的消息外，还 要引入5 条新的控制消息。采用m p c p 可以优化网络资源，如利用测距，可以实现多个 o n u 共享传输线路，提高了带宽利用率；o n u 可以报告其带宽需求，使网络管理者根据 情况进行动态带宽分配( d b a ) 。通过p 2 p 仿真，m p c p 可以和现有的以太网兼容，传统 的以太网帧格式仍然被保留，对等层之间的通信可以由网桥来控制，生成树算法可以用 来消除环路【2 1 1 。m p c p 子层应该使得各个m a cc l i e m 能够在p 2 m p 的光网络中不受干 扰地发送和接收帧，好像p 2 p 的情形一样，这就提出了以下的功能要求。 堕堕苎壁苎兰堡圭里窭兰苎燮壅 笙三空些垡堕垒堂! 旦! ! ! 盟生丝! ! ! ! 垫坚塑堂垄 多点控制协议的功能： 1 ) 提供实时控制和m a c 子层操作处理。 2 ) 有效保证以太数据的点到多点传输，使以太网结构不发生变化。 3 ) 完成o n u 的自动发现和注册。 4 ) o l t 与o n u 的测距。 5 ) 实现对o n u 的动态带宽分配。 复接控制子层的功能应该包括两方面： ( 1 ) 对m a c 控制帧和m p c p d u 的解析。这样可以将各项控制功能分解到相应的 服务功能块，并保持各模块的同步，和层管理一起完成网络管理的相关功能。 ( 2 ) 根据解析的结果及状态机的要求，复接从各个m a cc l i e n t 来的数据帧、m a c 控 制帧和各种m p c p d u 。 此外，m p c p 是建立在严格的“时戳”机制上的，要根据系统要求，对时序进行严 格的计算。 m p c p 的实现过程如图2 6 所示【2 1 】： 图2 6m p c p 的实现结构 图2 6 中，o l t 的操作如下： 1 1 要产生一个时戳消息，作为全局的时钟参考。 2 ) 控制o n u 的注册进程。 3 ) 为新o n u 测距产生发现窗口。 4 1 执行测距操作。 5 1 为已发现的o h u 分配授权时隙。 1 0 堕至坚皇查兰堡主堡墨兰兰堡丝兰 篁三兰垄丝堕竺塑! ! ! ! ! 墼塑堕! ! ! 塑望塑塑堕 从以上的操作可以看到，在发现的过程中可能会出现碰撞，对每一个已注册的0 n u 都 要分配一个最小带宽用于对它的管理，还需要一套灵活的机制来实现d b a 。这些操作的 实现要依赖于e p o n 中所定义的m p c p 及m p c p 消息帧结构。 2 3 3 m p c p 协议的五种控制帧结构及其介绍 以太控制帧的类型值为0 x 8 8 0 8 。不同的控制帧有不同的操作码( o p c o d e ) 和数据，保留 填充( d a t g r e s e r v e d p a d ) 区，时戳用于携带时间信息，以同步整个e p o n 系统，其它部 分与通常m a c 帧定义均相同。由表2 i 可以看出，每种控制帧除去前导码、帧起始定 界符之后都是6 4 字节，正是以太网帧的最小长度。 数据保留填充区为m p c p 协议数据单元的有效载荷，不用部分用零填充，在接收 端可忽略。 项目字节 目的地址( d a )6 源地址( s a ) 6 长度类型= 2 8 8 0 8 操作码 2 时间标签4 数据保留填充 4 0 f c s4 表2 1m p c p 协议控制帧结构 表2 2 是每种控制帧对应的操作码。其中，操作码为o o o l 的控制帧已定义实现 p a u s e 功能。 m p c p 协议r g 矾e e l k b g e t 目i l 靛觯元 g a t er e 阳r tr e g e t e r r 丑q a c x o p m d e o o 0 2 0 0 - 0 30 0 - 0 40 0 - 0 5o 昏0 6 表2 2咿c p 控制帧操作码 塑塞堕皇奎堂堡圭曼茎兰兰丝笙奎 苎三茎鲞望堕竺堂! ! 坚! 堕翌墼! ! ：竺堡竖塑i 塑 p r e a m b l e s f d 域在m a c 之下还起到一个携带逻辑连接标识的作用，以配合上层 实体实现点到点仿真功能。当帧传到m a c 之下的协调子层限s ) 时，p r e a m b l e s f d 域 的第3 字节由原来的0 x 5 5 修改为0 x d 5 ，第6 、7 字节被修改为逻辑连接标识号 ( l l i d ) ，第8 字节( o ps f d ) 被用作第3 到7 字节的c r c 校验域。在接收端的r s 层 完成相应的逻辑连接识别功能后则还原为标准的p r e a m l e s f d 。 m p c p 各控制帧的详细结构图如图2 7 和图2 8 所示1 2 3 1 。下菌给出各控制帧各个部 分的含义【2 3 】： o c t a l p n m b 雠f d j n m _ o f o n _ 卵峨 m c d ao 舢is h n ”撇 m a cs 。托硝一il 蛐山 l 嘲哪 _ 强 o 椭t _ 肇s t n t i o p “e j j o m 垤l t n l i h 节m e s m f o n m s m ，h d 越- 艉t 山审_ do l | 岫 f c s g t ms m t i m - a m t 4l 日蛐 | 两，n c 们i n o p 岫r d h f 嘲 n 岫h r “d 圳 岫e 扭 r e p o r t b i q t l _ q u m r u - or 爿，州 q u - u # j 冀爿州 q m 糖t q q t - 州，r q ，o r t q u m “r 嘲， q t 蜂，r q ，o q u m 黼r a l p o r t o * ”r e p o r t p i d r e a r e d g a t e 帧 一 i q l e p o r t _ 图2 7g a t e 及r e p o r t 帧结构详图 i 一 l i a 控 罹攮 。口m h 7 f - t 健 n n 采t 丝 3 敬 g a t e 帧： n u m b e ro f g r a n t s f l a g s ：其中，第o 2 比特的值表示该帧含有几个确认( g r a n t ) ， 值为o 4 ，当值为0 时该帧主要目的是向o n u 传递时间戳( t i m es t a m p ) ，第3 比特 为0 时表示该帧为普通g a t e 帧，为l 时表示该帧为启动注册g a t e 帧，第4 比特 值为0 时表示o n u 对g r a n t l 不需要做任何动作，值为l 时则要求o n u 在g r a n t l 的 所指定的时段内必须发送r e p o r t 帧，第5 、6 、7 比特含义与第4 比特相同， 只是 对应的g r a n t 是2 、3 、4 。 g r a n t 掸1 1s t a r tt i m e ：第r 1 个确认的开始时间。 g r a n t # nl e n g t h ：第r 1 个确认允许的长度。 s y n ct i m e ：为o l t 同步所需时间，该时间为接收机p m a ，p m d 及p c s 所有部 分的同步时间之和， 该域为当g a t e 帧为启动帧时有效。 p a d r e s e r v e d ：以0 填充该域，在接收端忽略，以下各帧也一样。该帧可用于启动注 册过程，也可用于时隙分配等过程中。 1 2 上，| | 蚍叽 一 拍| | |一m曼 堕! 塑查兰壁笙茎生堂堡垒奎 苎三童垄丝壁塾塑! ! ! ! ! 塑垫壁竺鲨堡堡箜垫垄 r e p o r t 帧： n u m b e ro fq u e u es e t s ：显示该r e p o r t 有几组请求，一个r e p o r t 可有多组请求。 r e p o r t b i t m a p ：从0 到7 比特对应表示0 到7 队列是否存在，0 表示存在，l 表示不存在。 q u e u e # 1 1r e p o r t ：表示第岸n 个队列请求传输数据的大小，其值为2 个字节的倍 数。 r e p o r t 帧可用于启动注册过程， 也可用于时隙分配等过程中。 图2 8m p c p 协议注册控制帧结构详图 r e g i s t e r _ r e q 帧： f l a g s ：当值为1 时为请求注册，为3 时为请求注销，为0 、2 、4 2 5 5 时保留， 在接收端忽略。 p e n d i n gg r a n t s ：该值为o n u 配置缓存的最大数，也是o l t 在今后发送确认时的 最大值。 r e g i s t e r _ r e q 帧仅用于启动注册过程。下面的两帧r e g i s t e r 帧和 r e g i s t e ra c k 帧也仅用于启动注册过程。 r e g i s t e r 帧： a s s i g n e dp o r t ：该值为分配给随后建立的逻辑链接的标识值( l l i d ) 。 f l a g s ：其值为1 时表示明确要求o n u 重新注册；为2 时表示注销，收回端口并 释放l l i d ，相应m a c 也被释放；为3 时表示注册成功；为4 时表示注册