（通信与信息系统专业论文）基于自相似业务源的epon上行调度机制的研究.pdf

摘要 以太无源光网络( e t h e m e tp o n ) 融合以太网技术的简单性、光纤传输的高 带宽性以及点到多点的p o n 传送方式，已经成为未来全光网中最后一公里的最 佳解决方案。 本文重点对e p o n 系统基于自相似源的上行调度机制进行了研究。首先回 顾了接入网技术的演变过程及发展现状，对当前各种接入网技术的特点、性能、 前景等问题进行了全面评述，介绍了e p o n 国际标准i e e e8 0 2 3 a h 的协议栈分 层结构，着重分析了多点m a c 控制协议的功能和原理。 考虑到传统泊松模型无法表征l a n 数据和v b r 等业务流普遍存在的自相 似特性，对网络业务自相似性的产生原因及其对网络性能的影响展开了深入研 究，提出了利用叠加多个服从p a r e t o 分布的o n o f f 源来生成自相似源的方法， 采用网络协议仿真工具o p n e t 建立了它的数学模型，用于模拟e p o n 中o n u 端用户的自相似业务流。 作者将e p o n 的上行调度分为各个o n u 之间的i n t e r - o n u 调度( 动态带宽 分配) 和单个o n u 内部的i n t m o n u 调度( 分级调度) 两个过程，在详细研究 各种动态带宽分配算法普遍存在的弊端及其根源基础上，提出了一种基于滑动窗 的动态带宽分配算法，来缓解服务公平性和业务突发性之间的矛盾；同时，对传 统的区分业务分级调度机制进行了适当改进。运用o p n e t 编程实现了改进后的 e p o n 上行调度全过程，通过仿真结果验证了其可行性。 最后，对e p o n 系统的安全机制进行了尝试性研究，针对e p o n 点对多点 这种特殊拓扑结构，分析了数据加密和用户认证的必要性，提出了一种信息加密 与消息认证相结合的e p o n 系统安全问题解决方案。 【关键词】 e p o n 自相似性上行调度动态带宽分配信息安全 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e t h e r n e tp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，w h i c hc o m b i n e se t h e r n e tt e c h n i q u ea n dp o n sa r c h i t e c t u r e ， e m e r g e st o a na t t r a c t i v es o l u t i o nt ot h el a s tm i l ep r o b l e m t h i sp a p e rd e v o t e st o s t u d y i n gt h eu p s t r e a ms c h e d u l i n gm e c h a n i s mb a s e do ns e l f - s i m i l a rt r a f f i cf o rt h e e p o ns y s t e m t h ee v o l u t i o na n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ea c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g i e sa r er e v i e w e d ，b o t ht h ea r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o ls t a c ko fi e e e8 0 2 3 a h ， e p o n si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，a r ed i s c u s s e da sw e l l a f t e rd e e p l ya n a l y z et h en a t u r e a n df o m l a t i o no f l a n ss e l f - s i m i l a r i t y , a ne f f e c t i v em e t h o dt og e n e r a t es e l f - s i m i l a r t r a f f i ci s p r o p o s e d ，w h i c ha g g r e g a t e sm u l t i p l e o n o f fs o u r c e sw i t h p a r e t o d i s t r i b u t i o n h e r et h em a t h e m a t i ca n ds i m u l a t i o nm o d e li sa l s ob u i l tu pu s i n go p n e t s o f t w a r e t h i sp a p e rd i v i d e se p o n su p s t r e a ms c h e d u l i n gi n t ot w op h a s e s ， i n t e r - o n us c h e d u l i n g ( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) a n di n t r a - o n us c h e d u l i n g ( p 打0 r i t ys c h e d u l i n g ) w h i l em a k i n gac o m p a r i s o no fv a r i o m ；d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h m s ，a ns wa l g o r i t h mb a s e do ns l i d i n gw i n d o wm e c h a n i s mi s p r o p o s e dt os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e ns e r v i c ef a i r n e s sa n dt r a f f i cb u r s t i n e s s m o r e o v e r t r a d i t i o n a lp r i o r i t ys c h e d u l i n gm e c h a n i s mi si m p r o v e ds oa st oo v e r c o m e t h ep h e n o m e n o no fh i g h e r - p r i o r i t yq u e u ep r e e m p t i n gb a n d w i d t h s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e du p s t r e a ms c h e d u l i n gs c h e m ec a na c h i e v en e t w o r ke f f i c i e n c y a n di m p r o v eq o sp e r f o r m a n c eo ft h ee p o ns y s t e m ，f i n a l l y ，t h es e c u r i t yi s s u ei s s t u d i e d ，a n das e c u r i t ym e c h a n i s mc o m b i n i n gi n f o r m a t i o ne n c r y p t i o na n ds o u r c e a n t h e n t i c a t i o nf o re p o nn e t w o r ki so f f e r e d “ k e yw o r d s e p o n ，s e l f - s i m i l a r i t y ，u p s t r e a ms c h e d u l i n g ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ， i n f o r m a t i o ns e c u r i t y 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。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 发表或撰写过的研究成果。参与同工作的其他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。 签名：鲰日期尘幽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文 及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 翎签名：冱燧日期：肋，z 夕 上海大学硕士学位论文基于亡i 楣 歧业务镡的e p 洲l 行诵度帆锄的研究 1 1 引言 第一章绪论 迄今接入网技术的发展就是想在用户端构建一个多功能的独立网络平台，即 全业务接入网( f s a n ) ，不仅融合传统的话音业务，承载翳前已进入实用的视频 点播、视频会议，在眼见的未来还要涉及个人交互式的可视电话乃至数字高清晰 度电视播放。 近年来，随着接入网市场的逐渐开放，竞争的日益加剧，新业务需求的迅速 出现，各种接入网技术和相应的产品应运而生，主要有综合业务数字网( i s d n ， i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 、数字用户线( x d s l ，d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 、 光纤同轴混合网( r f c ) 【i j 等等，这几种方式都各有缺点而不能最终解决宽度综 合业务对带宽的需求问题。于是点到点星型按入的各种f t t c 、f t l b 乃至f t t h 系统成为研究热点，整体趋势表现为光节点逐步移向终端用户，基于以太网技术 的无源光网络( e p o n ，e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 就是在这一背景下发展 起来的光纤入户技术。 1 2 接入网概述 从籀个电信网的角度讲，可以将全网划分为公用网和用户驻地网( c p n ， c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ) 两大块，其中c p n 属用户所有，因而，通常意义的 电信网指的是公用电信网部分。公用电信网又可以划分为长途网、中继网和接 入网三部分，最近国际上已将长途网和中继网合并称为核心网( c n ，c o r e n e t w o r k ) ，相对于核心网的其他部分称为接入网( a n ，a c c e s s n e t w o r k ) 忙j ，如 图1 1 所示。接入网介于本地交换机和用户之间，负责将电信业务透明传送到用 户，也就是说用户通过接入网的传输，能灵活的接入到不同的电信业务节点上。 u n s n fs n ju n 图1 1电信网的基本组成 国际电信联盟对接入网的定义如下f “： 接入网由业务节点接口( s n i ，s e r v i c en e t w o r kl a t e r f a c e ) 和用户网络接i _ i ( u n i u s e r n e m o l - k i n t e r f a c e ) 之i u j 的1 系列传送实体( 如：线路施和传输哎施) 鲥i 成，为供给i 【l 信、l k 务m 摊供所需传送哌拽能力的实施系统，t j 经竹川! 接l l ( q 3 ) 配胃和管理，原则上列接入h i , j 以实现们u n i 和s n i 的类趔昶瞰h 没有 1 上海大学顶上学位论文 基于自相似业务源的e p o n 上行调度机制的研究 限制。 接入网由其接口界定，用户终端通过u n i 连接到接入网，接入网通过s n i 连接到业务节点( s n ) ，通过q 3 接口连接到电信管理网( t m n ) 。 图1 2 是接入网与其他网络实体之间由u n i 、s n i 和q 3 接1 2 1 连接的示意图。 l lr 霄趟列 i 一0 ： l 一0 、l 珑，到q f ：蛩话囊 1 2 1 接入网发展现状 图1 2 接入网的界定 1 0 0 多年以来，电信网技术已发生了翻天覆地的变化，大约每隔1 0 - - 2 0 年 就会有新的技术和系统诞生。远距离网络传输的带宽因为波分复用( w d m ) 等 新技术的应用而迅速增长，近年来w d m 技术已经开始渗透到城域网范围。与此 同时，企业内部的局域网已经从1 0 m b i t s 升级到1 0 0 m b i t s ，不久还会升级到 1 0 0 0 m b i b s 。城域网具有巨大的带宽容量，木端用户的带宽需求也不断增长，而 “最后一公里”的接入网就成了这二者之间的瓶颈。一直以来接入网始终是电信 网领域中技术变化最慢、耗资最大、成本最敏感、运行环境最恶劣的老大难领域。 制约接入网发展的主要因素是接入的经济性，这与用户的业务需求、用户密 度、用户的经济承受能力、接八技术等多方面因素相关。因此针对不同情况出现 了多种接入技术，诸如基于双绞线的x d s l 技术，基于光纤同轴混合网( h f c ) 的c a b l em o d e m 技术、基于五类线的以太网接入技术以及光纤接入技术。 1 2 1 1 基于双绞线的x d s l 技术 d s l 是2 0 世纪8 0 年代后期的产物，主要用于i s d n 的基本速率业务，在 一个双绞线对上获得全双工传输，采用的技术是时l 日j 压缩复接( t c m ) 和回波 消除。但传输速率受串扰和符号问干扰的限制。为了改善通信质量，在d s l 技 术的基础上，提出了高速数字用户线( h d s l ) 技术，速率从2 b + d ( 1 4 4 k b i t s ) 提高到t 1 e i 。 非对称数字用户线( a d s l ) 具有下行速率高、频带宽、性能优、安装也较 为方便等特点。j cj ：行速率为6 4 0 k b p s l m b p s ，下行速率为1 m b p s 8 m b p s 。 似a d s i 。披术成小较商 馊1 ；- jr j n 0 数引曰ii , r , - l 分离器，j 。效1 i 输趴离仪 局限j 二3 5 公f i 范卦以| j ，小利j 。火胤模摊7 。 ? 上海大学颈士学位论文 基于自捆似业务彝的e p o nl 行调度机制的研究 甚高速数字用户环路( v d s l ) 比a d s l 具有更大的传输带宽，在传输距离 上不超过3 0 0 米时，上行速率为2 6 m b i t s ，下行速率可达5 0 m b i t s ；在传输距离 为1 5 公里时，上行速率为1 6 m b i t s ，下行速率为1 3 m b i t s 。其主要缺点为传输 距离短，而且v d s l 技术仍处于发展初期，长距离应用仍需测试，端点设备的 普及也需要时间。 e d s l 是一种结合以太网和d s l 技术，以包传输为基础的以太环系统。以 太环系统利用d s l 技术可以在现有电话网基础设施上实现高速数据传输， 1 0 m b i t s 的传输距离可望达到1 公里左右。同时。可以利用以太网半双工模式和 突发包交换技术来减轻d s l 的缺点，并提供低成本的接口。但由于技术复杂， 其成本是否有竞争力还需市场检验。 1 2 1 2 基于h f c 的c a b l em o d e m 技术 线缆调制解凋器( c a b l e m o d e m ) 利用现成的有线电视( c a t v ) 网进行数 据传输，已是比较成熟的一种技术。随着有线电视网的发展壮大和人们生活质量 的不断提高，通过c a b l em o d e m 利用有线电视网访问i n t e r n e t 已成为越来越受业 界关注的一种接入方式。 c a b l em o d e m 连接方式可分为两种：即对称速率型和非对称速率型。前者的 数据上传速率和数据下载速率相同，都在5 0 0 k b p s 2 m b p s 之间；后者的数据上 传速率在5 0 0 k b p s l o m b p s 之问数据下载速率为2 m b p s 4 0 m b p s 。 采用c a b l em o d e m 上网的缺点是由于c a b l em o d e m 模式采用的是相对落后 的总线型网络结构，这就意味着网络用户共同分享有限带宽。此外h f c 网的共 享式同轴电缆部分( 树枝形结构) 存在上行带宽( 5 6 5 m h z ) 拥塞和电磁干扰 与噪声的漏斗效应问题，使光节点必须缩得很小，方才有比较好的性能。 1 2 1 3 以太网接入技术 对于企事业用户，以太网技术一直是最流行的方法，全球用户已达1 亿，目 前每年新增用户3 0 0 0 万。采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已 有巨大的网络基础和长期的经验知识，性能价格比好、可扩展性、容易安装以及 高可靠性等。以太网接入方式与i p 网很适应，技术已有重要突破，容量分为 l o m b s 、l o o m b s 、1 0 0 0 m b s 三种等级，可按需升级，1 0 g b s 以太网技术也己 问世。采用专用的无碰撞全双工光纤连接，已可以使以太网的传输距离大为扩展， 完全可以满足接入网和城域网的应用需要。然而，由于涉及计费、管理、有源器 件多以及布线安全问题等多反面因素，以太网作为居民用户的接入方式目前尚不 适用。 上海大学硕士学位论文基于自相似业务源的e p o n 上行调度机制的研究 1 - 2 1 4 光纤接入技术 从总的发展趋势看，在接入网中馈线光纤必将代替馈线电缆，直接向用户 挺进，实现纯光纤接入，即光纤到家( f 1 v r h ) 方式。这种光纤入户方式，一般 仅需要一至二条用户线，是长远的发展方向和最终的接入网解决方案。 光纤接k i w l 4 1 ( o a n ) 是采用光纤传输技术的接入网，即本地交换局和用户 之间全部或部分采用光纤传输的通信系统。光纤接入网又可划分为无源光网络 ( p o n ，p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ) 和有源光网络( a o n ，a c t i v e o p t i c a l n e t w o r k ) 。 p o n 是指光配线网( o d n ，o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 中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 r l i t t e r ) 等无源器件组成。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通过交换机和用户宅内 设备完成。它的传输距离比a o n 短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设 机房，易于维护。 1 , 2 2 无源光网络p o n 的发展现状 业界多年来直认为，p o n 是接入网未来的方向。它在解决宽带接入问题 上被普遍看好，无论在设备或网管方面，它的成本相对低廉，提供的频宽足以 应付未来的各种宽频业务需求。p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今为止已 经历经几个发展阶段电信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术以便使 p o n 解决方案能更好的满足接入网市场需求。利用p o n 的拓扑结构，采用不同 的技术方案可以构造多种类型的光纤接入网，如：采用a t m 技术的a p o n 、采 用以太网技术的e p o n 和采用波分复用技术的w d m p o n 等。 1 2 2 1a p o n 技术 所谓a p o n 就是利用无源光网络的拓扑结构传输承载多种业务的a t m 信元 的一种网络形式，即p o n 光纤中传输的是长度固定的a t m 信元。 1 9 9 8 年i t u t 制定了基于a t m 信元的宽带p o n 技术( a p o n ) 标准 g 9 8 3 1 l ”，2 0 0 1 年又扩展为g 9 8 3 3 标准。但a t m 终端设备与a t m 交换机由于 极其昂贵而始终无法进入家用；而且a t m 信元5 3 个字节中的5 字节丌销，使 编码和传输效率均不高，同时建立呼叫连接时间太长；更进一步，a t m 传输速 率也不高，下行为6 2 2 m b s 或1 5 5 m b s ，上行为1 5 5 m b s ，这些速率为1 6 3 2 个 o n u ( 光网络单元) 所分享，每个o n u 只能得到5 - 2 0 m b s ，不足以支持宽带 综合业务( 如数字电视等) 。 1 2 2 2e p o n 技术 所谓e p o n 就是利”j 无源光j 一日络n 0 i i 扑结构传输乐载多利，_ k 务的以太网信 0 的种网络形- ，洲p o n 比? 川i f 辅的址 ：皮川变n 0 以人m 坎信i j 。 e p o n 的外发足a l l o p t i c 等公- d 排2 力删“j ，起在j 。a p o n 标准巧i 适合奉 4 ：海人学硕1 - 学位论文基于白相似业务源的e p o n 。f ：行调度机制的研究 地环，因为它缺少视频传输功能，带宽有限，结合复杂，造价昂贵。随着g 比 特以太网和现在的1 0 g 比特以太网逐渐成为主流，a l l o p t i c 坚信结合p o n 和以 太网技术优势的e p o n 以其优良的性能价格比，将具有良好而广阔的应用前景。 2 0 0 0 年1 1 月美国i e e e 8 0 2 局域网城域网标准化委员会成立了8 0 2 3 e f m 工作组( e f m 意指e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ，即以太网接入网) ，致力于e p o n 体系规约( 8 0 2 3 a h ) 的标准化，准备在现有i e e e 8 0 2 3 协议的基础上，引入一 些新的以太网接入技术标准，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网 帧7 1 。目前，8 0 2 3 a h 协议标准尚未最终形成，但有关e p o n 的体系结构、协议 栈、多点m a c 控制协议、物理层标准都已基本确定，而且市场上已有一些低端 的产品出现，可以预见在不久的将来，8 0 2 3 a h 将成为i e e e 8 0 2 3 协议簇中又一 重要成员。 1 2 2 3w d m p o n 随着接入网进一步要求增加带宽和用户数，又有人提出了利用w d m 技术建 设接入网，即w d m p o n 方案。w d m p o n 与前面所讲的a p o n 、e p o n 有较 大的差别，其基本原理是上行采用w d m a ( 波分多址接入) 方式，每一个o n u 分别采用不同的波长承载业务，以避免时分多址接入( t d m a ) 在时域上所遇到 的一些难点( 如测距等) 。w d m p o n 技术要解决的是波长资源预留与高效使 用问题、用户的动态带宽分配阅题、上下行配合问题、以太网交换机的支持问题 以及最为关注的成本问题等，这些问题目前都还在研究之中。 综上所述，目前国际和国内对p o n 系统的应用与发展都十分关注，并积极 推进其标准化进程和商业化进程。而影响应用的最主要因素仍然是价格与需求， 由于接入网本身对价格因素的特殊敏感性，因此不管采用哪种p o n 技术，价格 与需求仍将是决定其能否长期生存与发展的关键因素。从长远发展上看，结合多 种先进技术的下代e p o n ，传输容量将更大、o n u 数将更多、价格将更低， 可称之为超级p o n ( s u p e r - p o n ) ，它将在未来的宽带接入中具有广阔的发展前 景。 1 3 本文的研究重点与内容安排 本论文的研究重点是e p o n 系统的上行调度机制的研究和仿真实现。建立 了自相似业务源的生成模型，提i 叶 了一一种基于滑动窗的动念带宽分配算法，并对 传统的基于优先缎的分缎澍凄策略进彳了改进，以改善e p o n 网络的服务质量， 最后对e p o n 的安全问题进行了碑论硼f 究。 第拳概迷了接入网技术的发腮脱状，分析了“锕f n 0 再种拨入网技术的划能 殷| 】| _ ；j ：卅千接入州l 绛成为悖i ? 川 = | | 川p m 之川的j 眦j “11 p o nj 垃为“ k i 公川”n ，j 州jf 砖f 1 m g j 上l ，。雾， ) 海人学硕i ：学位论文 摹于自相似业务源的e p o nj ：行调度甘l 制的毋f 究 第二章介绍了e p o n 的国际标准i e e e8 0 2 3 a h 的胁议栈体系结构及其各个 三个协议子层，重点论述了多点m a c 控制子层的功能和工作原理。 第三章研究了网络业务的自相似特性和它的产生原园，提出了利用叠加多个 p a r e r o 分布的o n o f f 源来生成自相似源的方法，采用仿真软件o p n e t 建立了 自相似业务流的数学模型，作为e p o n 上行调度算法的业务源。因为信源模型 如果能够真实反映网络的业务流量，上行调度仿真得到的网络参数的可信度才 高。 第四章分析了现有的各种上行带宽分配算法存在的缺陷和它的产生根源和 分级调度策略中及其，提出了一种基于滑动窗的动态带宽分配算法，同时对传统 的分级调度策略进行了改进，缓解了带宽抢占现象。全面模拟了e p o n 上行调 度全过程，并通过计算机仿真结果验证了其性能。 第五章对e p o n 的安全机制进行了理论研究，全面比较了a p o n 的扰码加 密机制和a e s 加密机制，指出了e p o n 系统中数据加密和用户认证的必要性， 提出了一种信息加密与消息认证相结合的e p o n 系统安全问题解决方案。 6 上海大学硕j 学位论文基于自相似业务源的e p o nl ： ， 佩度机制的研究 第二章e p o n 的协议栈体系结构与多点m a c 控制协议 2 1e p o n 系统的结构 近年来，随着日益丰富多彩的多媒体业务和呈爆炸式增长的i p 业务的出现， 大多数电信运营商和设各皋造商已经将i p 技术作为数据网络的主要承载技术。 由于目前局城网中i p 协议都是运行在以太网上( 目前9 0 以上的l a n 接口是 基于以太网的) ，即i p 包直接封装在以太网帧中，以太网协议是目前与i p 配合 最好的协议之一。以太网在局域网上取得的巨大成功，正推动它向城域网、甚至 核心网进军。因此，把p o n 结构与以太技术相融合的e p o n 具有其它接入技术 无法比拟的优势，必将成为下一代宽度接入网的发展方向。 2 i 1e p o n 的技术优势 i e e ee f m 工作组的目的是在现有i e e e8 0 2 3 协议的基础上，通过较小的修 改实现在用户接入网络中传输以太网帧。为实现这一目的，工作组提出了e p o n 的概念，并对其目标、优势及关键技术问题进行了全面讨论。总结起来，e p o n 相较于现有的其它接入技术的优势主要体现在以下几个方面【6 】： 大容量：e p o n 系统能够提供达1 2 5 0 的上。卜行带宽，这一带宽能够适应现 在乃至将来十年内用户对带宽的需求。每个e p o n 接入网可以比其它接入网支 持更多的用户，由统计复用，每个用户可以享受到更大的带宽。这样的带宽也为 提高服务质量( q o s ) 提供了保障。 费用低廉：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，大大简化 了系统结构。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 准的以太网接口容许利用现有的价格低廉的以太网设备。 易于升级：p o n 结构本身就决定了网络的可升级性眈较强，只要更换终端 设备就可以把网络升级到1 0 g 或者更高的速率。 实现综合业务：e p o n 不仅能综合现有的有线电视、数据、话音业务，还能 兼容未来的业务如数字电视、v o i p 、电视会议和v o d 等等。 兼容性：相对于以往的接入方式，以太网技术是迄今为止最成熟的局域网技 术。e p o n 协议只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充基本上是与后者兼容 的。考虑到以太网的市场优势和价格优势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的 优势之一。 2 1 2e p o n 的架构与工作原理 e p o n ；l i i t ：c j p o nf j ，j f j ，1 i 样j “， j _ n ：j 7 海人学珂l 学位论文 蛙f 白相似业务源的e p o nf ：行调度机制的研究 ( 1 ) 它是基于点对多点( p 2 m p , p o i n t t o m u l t i p o i n t ) 方式的光纤连接，相 较于基于点对点( p 2 p ，p o i n t 。t o p o i n t ) 方式的光纤接入网方案，能极大地减少光 纤收发器数目和光纤用量，降低用户成本，它能应用于f t t b 和f t t c 并为最终 实现f t t h 甚至f t t p c 提供途径，充分支持通过下行信道进行视频广播； ( 2 ) 它的部件一般仅包括合波器、分路器、耦台器等无源光器件，摈弃了 复用器和鳃复用器的套路，无需供电维护其运行； ( 3 ) 相较于数字用户环路和c a b l e m o d e m 等过渡型接入网方案，能以千兆 以太网的传输速率在2 0 k m 范围内进行传递。 、。 一一 、i ，h i 、i 剀2 1e p o n 的构造 见图2 1 ，一个典型的e p o n 系统主要由三部分组成，即光线路终端( o l t ， o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 、光配线网( o d n ，o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 和光网络 单元( o n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 。其中o l t 位于局端，般放在中心机房( c o ， c e n t r a lo 施c e ) ，o n u 位于用户端，o d n 骰采用无源光纤分路器( p o s ，p a s s i v e o p t i c a ls p l i t t e r ) ，它是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能是分发下行 数掘和汇聚上行数据。从o l t 到o n u 的方向为下行方向反之为上行方向。 o l 丁上行链路通过业务节点接口( s n i ) 与各业务节点相连，o n u 下行链路则 通过用户网络接口( u n l ) 与各用户终端没备连接。 一个e p o n 系统中的o n u 数量大约在1 6 6 4 个之| 日j ，最远传输距离控制 在2 0 k m 左右。在波分复用技术尚未解决成本问题之前，经济实用且效率较高的 多址接入方法便是基于t d m a 技术的时分复用方式。在e p o n 中从0 l t 端发送 到多个o n u 的下行数据流的传输过程与从多个o n u 发f to l t 的上行数据流的 化输过程有着木质区别。下行数掘采川一播方式以变长以太包的形式从o l t 发 给彩个o n i j ，何个以爪也俯仃十，j ：叭i | ，j ：o n ij | 门逻撕链蹄柏：以( 【1 ，i d i ，o g i ci i n k j d ) j l i l 过眺刖j ，j 1 1 ) 刈h 衍“，心也址毁给粜个o n u 们t1 n 插也) ，二犍技给 定的 8 上海人学顾f 。学位论义基于自相似业务源的e p o ni 行调度机制的研究 o n u 组( 多播包) ，还是发给所有o n u 的( 广播包) 。当数据流到达o n u 时， o n u 只提取发给它的信息包而丢弃发给其他o n u 的信息包；而上行数据则采用 t d m a 方式，每个o n u 都分配一个传输时隙( t i m e s l 0 1 ) ，所有时隙保持同步， 彼此间留有间隙，保证不同o n u 的数据包汇聚到公共光纤时不发生相互碰撞。 2 1 3e p o n 的技术难点 图2 2e p o n 的上、下行传输机制 如前所述，e p o n 技术目前还处在研究讨论阶段，还有许多问题亟待解决， 主要包括以下几个方面：【6 i ( 1 ) 上行信道复用技术 可以说上行信道复用技术是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w d m + t d m a 的复用方法。w d m 的采用是发展的趋势，但主 要取决于光器件。因此，讨论的焦点集中在t d m a 的实现方法上，即如何使用 t d m a 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， 上行带宽分配方法、o n u 发送窗长度固定还是可变、最大发送窗应为多大等问 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 之间的距离将会影响上行信道 的复用，如果能够准确测量各个o n u 到o l t 的距离，并实时调整o n u 的发送 延时，则可以减小o n u 发送窗之间的间隔，从而提高信道利用率并减小时延。 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。 ( 3 ) 突发发送技术 存e p o n 系统巾，o n u 的光发送机以突发模式工作，即只在分配给它的h ：r 隙内彳订功一年输m ，作1 e 他时问内州处j 必晰：i k 忿扒散光搽扶天断刽i l j 常的 功毕输f i个j 率处、n 堕样，返 1 ：o n u 的毁塍 【心i 袭浆川；l - - 的 扑施术缩艇 和补偿突发时延，这就是突发技j 薹技术 9 j ：海人学旗j j 学位论文壮于自相似业务源的e p o n 。打调度机制的耐f 究 ( 4 ) 突发接收技术 由于不同o n u 发送到o l t 的信号所经历的路程不同，传输衰减的差异很 大，因此在o l t 处必须采取相应的突发接收技术。一种方法是调整o n u 的发 送功率，使不同o n u 发出的上行信号到达o l t 时的功率相同。这种方法成本高， 实现繁琐。为了降低成本，通常不改变o n u 的发送功率，这就要求o l t 的突 发模式接收机必须能够快速适应各个o n u 的功率变化，即要求接收机能以最快 的速度动态设定判决门限电平。 ( 5 ) 突发同步技术 突发同步是e p o n 系统中的关键技术之一，其要求是能够在很短的时间内 恢复高速时钟。由于上行信号在光分路器上进行时分交织复用，因此采用测距技 术来保证上行数据帧不发生碰撞。同步必须在几个比特时间内完成，否则不仅会 导致本数据包丢失，还会影响到下一个数据包的时钟恢复。传统的锁相环法速度 太慢，不适合于突发同步，因此目前已提出了几种数字和模拟的突发同步方法。 除此之外，下行信道安全性、如何实现q o s 、如何实现v l a n 和网管等也 是影响e p o n 应用前景的问题，必须加以考虑。 2 1 4e p o n 的应用方案 e p o n 作为i p 城域网的延伸，对社会信息化起很大的作用。按用户不同， o n u 所处的位雹不同，e p o n 应用的方案有以下几种。 ( 1 ) 高档别墅和小区光纤到户( f t t h ) 在高档别墅和高档小区实现完全意义上的光纤到户，用户可以享受1 0 0 m 宽 带接入因特网。o l t 可以放在某个中心机房，通过p o n 口的星状光纤组网，光 纤直接延伸到附近的多栋高档别墅和小区，o n u 放在用户的家中( 如图2 3 ) 。 这种应用模式要求o n u 的功能尽量简单，只需要为用户提供1 0 1 0 0 m 以太网接 口就可以了。 _ 雌宅 h13，l j h j h ：( 川| ) 架陶 2 ) l ：计i 。j 。f f 女) u _ - - f 至r l 髅ef i f 1 a n ) f ：海人学预j 。学位论文苹予二自相似业务源的e p o nl 行涮度甘【制的研究 对于高档写字楼，可以使用e p o n 系统来为商业大厦的商务用户提供可靠、 高速的宽带接入。o l t 可以放在某个中心机房，p o n 口的星状光纤延伸到附近 的多栋大楼。通过o n u 直接将带宽分配给多个用户终端，也可以在o n u 下使 用二层以太交换机组成局域网。对于商务用户的室内布线，一种方式是在公司内 用5 类网线来布线。由于一般商务用户都有规模不同的局域网，可以充分利用 o n u 的1 0 1 0 0 m 以太口，也可以通过二层交换机来组网。 ( 3 ) 高档写字楼光纤到楼( f t t b + v d s l ) 在一些高档写字楼不方便布放网线的情况下，也可以采用e p o n + v d s l 系 统( 如图2 4 ) ，在楼内通过o n u + v d s l 设备，利用楼内现有的电话线，为客户 提供宽带接入和p s t n 业务。该方案要求e p o n 系统同时支持e l 的传送，并要 求e l 的性能符合国家标准的要求。 ，留葛藉。”“i ” l p 城域网二兰舅 蕾一 图2 4 光纤至q 楼( f t t b ) 架构 ( 4 ) 普通住宅小区 e p o n 宽带接入系统也可以应用于普通住宅小区。出于o l t 到o n u 之问的 虽大距离为15 2 0 公里，一套o l t 可以覆盖大量用户( 如图2 5 ) 。一般在o n u 下使用二层交换机或v d s l 设备分享带宽，从而降低每个用户的接入成本。可 以为每个用户划分v l a n ，或通过o n u 下的二层交换机进行端口隔离，以保证 用户的数据安全。 海大学碳f 二学位论支 基于臼薜i 似业务灏的e p o n1 行调度机制的研究 2 2e p o n 协议栈分层结构 图2 5 光纤到夺区拓扑图 e p o n 是一种以太接入网，它的协议规约i e e e 8 0 2 3 a h t 8 】是i e e e8 0 2 3 1 9 1 的延 伸，它采用的是下行p 2 m p ，而上行p 2 p 的工作方式，有着不同于以太局域网的 新特点。为了支持这种特殊的传输机制，必须对原有的i e e e8 0 2 3 以太网协议 栈的分层结构迸行扩充和修改，但从协c 义的后向兼容性和易于实现的角度出发， 又要尽力以最小的修改来满足对e p o n 的性能要求。 2 2 1 各协议子层功能分析 e p o n 的协议栈结构采用这样一种设计思路。为兼容p o n 网络结构与以太 网的协议标准，e p o n 的8 0 2 3 a h 协议栈在以太网协议栈8 0 2 3 的基础上增加了 多点m a c 控制( m u l t i p o i n tm a cc o n t r 0 1 ) 、点到点仿真( e m u l a t i o nl a y e r ) 和 运行管理维护( o a m ，o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n n a n e e ) 三个子层。多 点m a c 控制子层负责o n u 的注册、测距和带宽分配，执 于的是e p o n 的m a c 层核心协议多点m a c 控制协议( m p c p , m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ：点到 点仿真子层实现e p o n 协议与以太网8 0 2 1 d 网桥协议的兼容，使e p o n 具备点 到点通信的功能；o a m 子层负责e p o n 系统的网络管理，包括o n u 配置、状 态与流量监测、告警和环回测试等。e p o n 的m a c 子层沿袭了i e e e8 0 2 3 以太 网的m a c 子层其主要功能和接口定义基本保持不变。 ， 至于物理层的各个协议予层，包括物理介质相关予层( p m d ，p h y s i c a l m e d i u md e p e n d e n ts u b l a y e r ) 、物理介质附加子层( p m a ，p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) 、物e 编码f 层( p c s p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ) 、干兆位介质无芙 接【 ( 0 m 1 1 g i g b i tm e d i u mj n d e p e n d e n ti i l t c i l h c e ) 以及f 嘲和rj ：r r s r e c o n c i l i a l i o ns u b l a 、c i ) n 0 功能j i l 小邢1 l q l ：8 0 23 物川jj 川- 0 必缬曲 qt i ，l 1j 。1 0 统r 兆以爪i t ql 作- j 点y i j 点的连续光传输坝j 1 1 0 1 ， 1 2 f ：海大学顶f 学位论文堪于白相似业务潭的e p o n 卜彳于调度机制的研究 在收和发