（通信与信息系统专业论文）以太网无源光纤接入网动态带宽分配算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘摘 要要 以太网无源光网络（epon）综合了以太网技术成熟、成本低、兼容性好以及无源光 网络的高可靠性和便于运营维护等优点，成为目前最具吸引力的用户接入网解决方案。 epon 采用的是点到多点的网络拓扑结构，上行方向多个光网络单元（onu）属于同一个 冲突区域，需要采取带宽分配算法来控制上行信道的分配，以避免多个 onu 同时传送造 成的冲突。动态带宽分配算法(dba)能够根据网络负荷实时的分配带宽，提高上行信道的 带宽利用率并保证业务的服务质量(qos)，是 epon 最核心的技术之一。论文针对 epon 系统中的动态带宽分配算法进行了深入的研究。 论文首先介绍了接入网的现状和主要技术、epon 的技术特点和发展趋势，并给出了 epon 的系统结构、工作原理和关键技术；而后深入研究和分析了两种经典算法：ipact 算法和 cyclic-polling 算法并比较了各自的优缺点；在对现有上行信道传输方案全面深入分 析的基础上，提出了一种新的消除空闲时间的改进传输方案。针对不同的负载情况，论文 给出了对应的分配方案并通过数值计算方法对比了改进方案的链路利用率，验证了改进方 案的可行性；论文最后使用 opnet 搭建了 epon 仿真环境并对改进算法的性能进行了分 析。仿真结果表明：改进算法不仅提高了上行带宽的利用率，而且保证了不同业务的服务 质量，具有良好的时延特性。 关键词关键词：以太网无源光网络；动态带宽分配；服务质量；空闲时间；多点控制协议 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract ethernet passive optical network (epon) combines boths the advantages of ethernet (e.g. mature technology, low cost, good compatibility, etc.) and passive optical networks (high reliability and good oam capability) which makes it one of the best choices in customer access networks. epon adopts point-to-multiple-ponints topology which makes all the optical network units (onu) placed in same conflict area. the bandwidth allocation algorithm is intrudced to avoid the conflict. dynamic bandwidth allocation (dba) algorithm can assign bandwidth according to the network load while also improving the bandwidth utilization efficicency in upsteam link and the quality of sevrvice (qos). this thesis presents a comprehensive and indepth study on dba algorithm in epon. firstly, this thesis presents the current situation of access network and major tecgnologies, epon technical features and development trends, respectively. follwed are the introduction of epon system architecture, working principles and key techniques. then two classic dba algorithsms (ipact and cyclic-polling) are studied in detail and compared. a novel transmission scheme which can eliminate the idle time is proposed on base of the analysis of the existing schemes. various allocation schemes and numerical calculation of link utilizations improvements are presented for different load conditions. finanly, this thesis gives a performance analysis of modified algorithm with opnet tools. simulation results show that the modified algorithm improves upstream bandwidth efficiency, ensures qos for different services and has good delay characteristics. keywords：ethernet passive optical network, dynamic bandwidth allocation, quality of service, idle time, multi-point control protocol 南京邮电大学学位论文原创性声明 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。 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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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院（筹）办理。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 近年来，随着传输技术和交换技术的不断进步，核心网已经基本实现了光纤化、数字 化和宽带化。同时，随着 ip 业务的迅速增长和多媒体业务的日益丰富，使得用户驻地网的 业务需求也不仅局限于原来的语音业务，数据和多媒体业务的需求已经成为不可阻挡的趋 势。根据中国互联网络中心（cnnic）发布的第 27 次中国互联网络发展状况统计报告显 示，截至 2010 年 12 月，中国网民规模达到 4.57 亿，居世界第一。其中，宽带网民规模为 4.5 亿，手机网民规模达 3.03 亿。整体互联网应用中排前十位的应用以及使用率依次为： 搜索引擎(81.9%)， 网络音乐(79.2%)， 网络新闻(77.2%)， 即时通信(77.1%)， 网络游戏(66.5%)， 博客应用(64.4%)， 网络视频(62.1%)， 电子邮件(54.6%)， 社交网站(51.4%)， 网络文学(42.6%)。 网民手机网络应用继续发展，手机即时通信使用率仍位居首位，达到 67.7%；手机新闻和 手机搜索分别以 59.9%和 56.6%的使用率分别排名二、三1。可以看出，我国宽带接入领域 的业务发展非常活跃，保持了持续高速的增长势头。 面对迅速增长的带宽需求量和多元化的需求模式，传统的面向语音业务为主的窄带接 入网越来越成为制约信息高速公路建设的瓶颈，成为发展宽带综合业务数字网的障碍。进 入 20 世纪 90 年代以来，新的政策法规、新的业务需求以及一系列新的技术手段的出现为 接入网发展提供了新的契机，使得占电信网络总资产 50%左右的接入网变得十分活跃，各 种技术方案不断出现，宽带接入网已经成为世界各国研究和开发的热点。 1.2 接入网接入网 1.2.1 接入网概述 接入网的概念最早于 1992 年在欧洲被首次提出，1994 年国际电联 itu 正式采纳了接 入网这个名词，确立了接入网在电信网中的位置以及包括传送网、交换网和接入网三者构 成的电信网组成模式。 为了进一步规范用户网的概念， 国际电联标准部(itu-t)根据近年来通信网的发展演变 趋势， 在建议 g.963 中定义接入网(an， access network)为本地交换机(le， local equipment) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 与用户端设备(cpe，customer premise equipment )之间的实施系统，它可以部分或全部代 替传统的用户本地线路网，包含复用、交叉连接和传输功能。 1996 年，原邮电部根据 itu-t g.902 接入网功能框架建议制定了我国邮电标准 ydn005-1996，该标准提出的接入网定义为：接入网是由业务节点接口(sni，service node interface)和用户网络接口(uni，user network interface)之间的一系列传送实体(如线路设施 和传输设施)组成， 为供给电信业务而提供所需传送承载能力实施系统， 可经由管理接口(q3) 配置和管理，如图 1-1 所示。 接 入 网 业 务 网 电 信 管 理 网 uni q3q3 sni 用 户 图 1-1 接入网的定界 接入网的基本功能概括来说主要有用户接口功能(upf，user port function)、核心功能 (cf，core function)、传送功能(tf，transport fucntion)、业务端口功能(spf，service port function)和接入网系统管理功能(an-smf，access network system management function) 等2。接入网功能结构如图 1-2 所示。 接 入 网 系 统 管 理 功 能 用户 端口 功能 业务 端口 功能 核心 功能 传送 功能 核心 功能 q3 sniuni 图 1-2 接入网功能结构图 (l)用户接口功能 spf。spf 的主要功能是将用户网络接口 uni 的要求适配为核心和管 理功能，即在接入业务上包括电话、数据、传真、视像和多媒体等窄带和宽带业务，并将 这些业务终接、数/模转换、信令变换、激活/去激活、承载通道/能力处理、接口测试、维 护及管理控制。 (2)业务端口功能 upf。 upf 的主要功能是将业务节点接口 sni 的要求适配为公共承载 信道，并为在接入网的系统管理中处理选择信息。包括 sni 功能的终接、将承载要求、定 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 时管理及操作要求映射进核心功能，并在需要时对特殊 sni 协议映射和业务节点接口的测 试、端口的维护及管理控制。 (3)核心功能 cf。cf 的主要功能是将各个业务端口承载要求和用户接口承载要求适配 为公共传送承载。该功能完成根据被要求的协议适配和通过接入网的传送复用进行协议承 载处理。主要包括承载通道集线、信令和分组信息复用、为异步转移模式(atm， asynchronous transfer mode)传送承载进行电路仿真和控制、管理功能。核心功能可分散在 整个接入网内。 (4)传送功能 tf。tf 为公共承载的传送提供通路并为所用的传输媒介提供媒介适配、 完成复用。根据重组和配置的交叉连接、管理、物理媒介等。 (5)系统管理功能 an-smf。an-smf 对接入网中的用户接口功能、业务端口功能、核 心功能、传送功能的指标、操作和维护进行协调。同时，通过业务节点接口对业务网、通 过用户网络接口对用户终端的操作功能进行协调。如进行配置和控制、指配协调、故障检 测/指示、使用信息和性能数据采集、安全控制、定时精度管理和对用户接口功能操作要求 的协调、资源管理等。 由于接入网具有的上述功能，它可以部分或全部代替传统的用户本地线路网，其传输 媒体具有多样性， 可灵活支持各种接入类型和业务。 接入网在电路结构上包括 n64kbit/s、 (l/n) 64kbit/s 分组交换、帧中继、atm、ip 等基本形式；在通道方面有基于 64kbit/s 通道、 基于帧中继通道、基于 atm 通道；在传输上覆盖了双绞线系统、同轴系统、光纤系统和 无线系统等用户接入手段。 1.2.2 接入网主要技术 接入网技术种类繁多，根据传输媒介的不同可以将其分为有线接入、无线接入和有线 /无线综合接入等主要类型3。 有线接入又分为金属线缆接入、光纤接入和混合接入。 (1)金属线缆接入技术 迄今为止，世界各国金属电话用户缆线仍然大量存在，如何充分利用这些金属缆线使 其成为数字用户线(dsl，digital subscriber line)，实现交互式多媒体信息的入户传输，便 成为新技术研究的热点。 xdsl 技术于 80 年代末期开始实用化，目前已经进入比较成熟的实用阶段。xdsl 中 的“x”代表了各种数字用户线技术，按上行(用户到通信网局端)和下行(通信网局端到用 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 户)的速率是否相同，可分为速率对称型和速率非对称型两类，其中速率对称型的 xdsl 包 括高速率用户线(hdsl，high-speed digital subscriber line)、单线对数字用户线(sdsl， single-line digital subscriber line)和综合业务数字用户线(idsl，isdn digital subscriber line)；速率非对称型 xdsl 包括非对称数字用户线(adsl，asymmetrical digital subscriber line)、低速率数字用户线(adsl.lite)、甚高速率数字用户线(vdsl，very-high speed digital subscriber line)、速率自适应数字用户线(radsl，rate adaptive digital subscriber line)、 甚高速率以太网数字用户线(eovdsl，ethernet over very-high speed digital subscriber line) 和以太网数字用户线(edsl，ethernet digital subscriber line)等。 非对称数字用户环路 adsl 是目前众多 dsl 技术中较为成熟的一种。其上行速率低， 下行速率高，特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播(vod，video on demand)、多媒 体信息检索和其他上下行带宽需求不对称的交互式业务。adsl 在一对铜线可以实现上行 速率为 512kbit/s1mbit/s， 下行速率为 1mbit/s8mbit/s， 有效传输距离可达 35 公里。 adsl 技术的优点是带宽相对较大、连接简单、投资较小，可充分利用已有电话网络的铜缆资源， 因此发展很快。 高速率数字用户环路 hdsl 是一种上、下行速率相同的 dsl 技术。hdsl 是利用两对 或三对双绞线，为用户提供相当于准同步数字体系(pdh，pseudo-synchronous digital hierarchy)一次群速率(tl 或 e1)的双工数字连接。其优点是充分利用现有电缆实现扩容， 并可以解决少量用户传输 384kbit/s 和 2048kbit/s 带宽信号的要求。 其缺点是目前还不能传 输 2048kbit/s 以上的信息，传输距离限于 610km 以内。hdsl 广泛应用于移动通信基站 中继、无线寻呼中继、ddn 节点中继、网络互联、租用线路、视像业务等。 (2)光纤接入技术 光纤接入网(或称光接入网)是以光纤为传输介质，并利用光波作为光载波传送信号的 接入网，泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的 系统。 光纤技术具有频带宽、容量大、衰减小、抗干扰性强、可提供多种类型业务等一系列 优点，因而成为用户接入网的主流。从固定接入带宽角度而言，光纤到户(ftth，fiber to the home)将是接入网发展的最终目标。但目前 ftth 的成本比较昂贵，投资回收期也比 较长，普及还需要一个渐进过程。因而目前出现多种应用形式。除光纤到户外，还包含光 纤到驻地(fttp，fiber to the premise)、光纤到大楼(fttb，fiber to the building)、光纤 到路边(fttc，fiber to the corner)、光纤到邻里(fttn，fiber to the neigbour)、光纤到 小区(fttz，fiber to the zone)和光纤到办公室(ftto，fbier to the office)等多种接入方 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 式。 从 ftth 近几年在世界各国的发展形势来看，光纤到户正成为光通信的一个新亮点。 随着世界经济的发展，在日本、北美、欧洲等国家和地区已经掀起了大规模建设光纤到户 工程的热潮，用户数和业务总量都在快速增长。ftth 在全球的迅速发展，对于我国光纤 到户的发展有一定的推动作用。在我国，光纤到户的建设已经开始启动，部分运营商已经 进行试点工程的建设。数年内，运营商将会陆续完成论证、试验和入网选型等工作，从小 批量的建设试点逐渐转为大规模的商用。随着采购和建设量的逐步加大，光接入网设备的 价格将会逐步下降，预计会在未来几年内迅速成为主要的接入手段。 (3)混合接入技术 目前已成规模的有线接入网除了电信业务的金属线缆接入网、光纤接入网之外，就是 传统上用于广播电视业务的有线电视(catv，cable television)同轴电缆接入网。随着新业 务的发展，要求能够在一个接入网内传送多种业务乃至全业务。catv 采用的同轴电缆接 入网无疑是一种具有优势的发展基础。 因而出现了混合光纤同轴(hfc， hybrid fiber coaxial) 接入网。 hfc 的技术特点是能够充分利用现有同轴电缆资源为用户提供较高的接入速率， 将用 户高速接入 internet。hfc 的建设成本低、接入带宽高，最低接入带宽一般为 10mbit/s，因 此能够实现各项数据及多媒体应用4。 (4)无线接入技术 无线接入技术是指接入网的某一部分或全部使用无线传输媒质，向用户提供固定和移 动接入服务的技术。无线接入系统主要由用户无线终端、无线基站、无线接入交换控制器 以及与固定网的接口网络等部分组成。无线接入网可以分为无线个域网(wpan，wireless personal area network)，无线局域网(wlan，wireless local area network)和无线城域网 (wman，wireless metropolitan area network)。 无线个域网的通信规范标准为 ieee802.15， 工作在 2.4ghz 频段，其新的标准将可以支持最高达 55mbit/s 的多媒体通信。代表技术有 蓝牙(bluetooth)和超宽带 uwb(ultra wide bandwidth)，由于其覆盖范围一般为几厘米到几 米，适合于居家或办公设备间的局部组网。基于 ieee802.11 标准的无线局域网允许在局域 网络环境中使用 2.4 或 5.3ghz 频段进行无线连接，应用非常广泛，从家庭到企业甚至是 internet 接入热点，其代表技术是 wi-fi。无线城域网制定了 802.16 标准，工作频段为 2 11ghz，代表技术是全球微波互联接入(wimax，worldwide interoperability for microwave access)等，符合 802.16 标准的设备可以在“最后一英里”宽带接入领域替代 cable modem、 dsl 和 t1/e1，也可以为 802.11 热点提供回传。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 6 无线接入的优点是可以提供一定程度的终端移动性，开设速度快，投资省，缺点是传 输质量不如光缆等有线传输方式，同时对于无线频段的使用需要仔细的规划。 1.2.3 光纤接入网 光纤接入网(oan，optical access network)是指采用光纤作为主要的传输媒介来取代 传统的双绞线的接入网，泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间采用光纤通信或部分 采用光纤通信的系统5。oan 不是传统的光纤传输系统，而是一种针对接入网环境所设计 的光纤传输系统。 在电信网中引入光纤接入网的主要目标如下： (1)减少铜缆的维护运行费用并降低故障率。传统接入网中的用户线路网络主要是铜缆 网，主要传送电话业务。相对而言，铜缆网由于自身传输特性和外界电磁环境的影响，故 障率较高。光纤接入网可显著降低线路费用和日常维护管理费用。同时，由于光纤网的故 障率低，从而提高了网络的总体可靠性。 (2)支持开发新业务，特别是多媒体和宽带业务。传统电信网难以同时提供网络电视、 视频点播、高速数据等宽带业务，而光纤网可提供语音、低速数据、高速数据、视频点播、 ip 电话等业务，是一个全业务网。 (3)增加传输距离，加大覆盖区面积，减少节点数目，有利于简化网络结构。由于传输 距离限制，铜缆网服务区域较小(r5km)，铜缆不够时很难接入新用户，而新建局所的费 用高，时间长。光纤网服务区域大(r50km)，很容易接入新用户，不用建新的交换局即能 迅速提供业务。 (4)便于实现混合接入结构网。引入光纤接入网后，特别是光纤到社区以后，剩下的双 绞线或同轴电缆段的距离已经很短，因而使宽带业务的传送成为可能，而这一部分的投资 最大，这样将光纤与现有双绞线或同轴电缆结合可以充分利用现有巨大网络资源，提供一 种经济的宽窄带混合接入结构。 光纤接入网又可划分为有源光网络(aon， active optical network)和无源光网络(pon， passive optical network)。两者的主要区别是分路方式不同，前者使用电复用器，如准同步 数字系列 pdh、同步数字系列(sdh，synchronous digital hierarchy)或异步传输模式 atm， 而后者使用无源分路器6。 相对而言，无源光网络 pon 具有系统成本低、可靠性高和透明承载业务灵活等许多 优点，因此现阶段光纤接入网几乎都采用无源光网络结构。pon 采用无源光节点(光纤和 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 7 光分路器)将信号传送给终端用户，初期投资少，维护简单，易于扩展，结构灵活，可充分 利用光纤的巨大带宽和优良的传输性能。另外，pon 在所有网络节点上都采用无源器件， 无源纯介质的光分配网络传输技术体制完全透明，物理上彻底避免了电磁和雷电的影响， 没有有源器件，使得 pon 的可靠性比 aon 提高很多。 1.3 基于以太网的无源光网络基于以太网的无源光网络 1.3.1 epon 产生背景 1997 年，根据全业务接入网组织(fsan，full service access network)的建议，itu-t 提出了以 atm 为基础的上下行速率均为 155mbit/s 的无源光网络(apon，atm pon)标准 g.983 系列。2001 年，相关标准又被修正为上行 155mbit/s 和下行 622mbit/s 的不对称传输 系统和上、下行均为 622mbit/s 的对称系统，统称为宽带无源光接入网(bpon，broadband pon)。鉴于数据流量的剧增，apon 和 bpon 所采用的物理层速率已难以提高，而且它们 在传送 ip 流量时效率很低，因此，apon 和 bpon 的实际应用并不成功。 2000 年 11 月，来自 80 多家公司的 200 多名专家组成了一个 ieee 研究组，开始研究 以太网在用户接入网中的应用问题。2001 年 9 月，该研究组定名为第一英里以太网(efm， ethernet for the first mile)工作组。该工作组致力于尽量在 802.3 协议框架内，通过较小的 修改实现在接入网络中直接传输以太网帧， 最终制定了以太网无源光网络(epon，ethernet pon)标准7。2004 年 4 月，ieee 通过了 epon 的 802.3ah标准。epon 因其在设备投资成 本以及操作和维护等方面的优势，成为运营商解决“最后一公里”的一种非常经济的宽带 接入解决方案，已经成为未来接入网技术的重要发展方向之一。 ieee802.3ah 标准中着重定义了 epon 的物理层、多点控制协议(mpcp，multi-point control protocol)和运行维护管理(oam， operation administration and maintenance)等相关内 容。其重点是解决如何将 pon 的点到多点拓扑结构引入以太网原有的体系。根据协议标 准，在 epon 的媒体接入控制(mac，media access control)层中增加了 mpcp 子层。尽管 mpcp 不涉及到任何具体的带宽分配，但是它的使用可以便于 epon 中各种带宽分配算法 的实现。epon 中的每个用户侧光网络单元(onu，optical network unit)都包括一个 mpcp 实体，用来与网络侧的光线路终端(olt，optical line terminal)中的一个 mpcp 实体相互 通信。mpcp 使用消息、状态机和定时器来控制访问点到多点的拓扑结构。mpcp 子层的 基础原理主要有 3 点：一是上行信道采用一定长度时隙的时分多址接入(tdma，time 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 8 division multiple address)方式，时隙的分配由 olt 实施；二是对于 onu 发出的以太网帧 不做分割，而是组合，即每个时隙可以包括若干个 802.3 帧，组合方式由 onu 依据服务质 量(qos，quality of service)决定；三是上行信道必须有动态带宽分配功能，支持即插即用、 服务等级区分和 qos8。 1.3.2 epon 技术特点 epon 技术的特点和优势主要有以下几点9： (1)基于 ip 及以太网技术。epon 是对迄今为止最成功、最成熟、应用最广泛的以太网 技术等有关协议的补充，基本上是兼容的，这样一来可以节省大量的投资。 (2)低建设成本，低运营维护成本，容易扩展，易于升级。光电子器件的成本不断降低， 无源设备也降低了维护成本，同时，epon 的基础是以太网而以太网是当今和未来世界上 使用最广泛的网络技术，其相关器件、设备价格最低。 (3)高带宽。由于 epon 采用统计复用技术，能够提供高达 1gbits/s 的上下行带宽。 (4)解决远端用户的接入问题。epon 可以达到 20km 的传输距离，避免了传统传输介 质(如双绞线、五类线、cable 等)的距离瓶颈问题。 (5)带宽分配灵活，服务有保证。epon 通过动态带宽分配算法来灵活的为各 onu 分 配上行传输时隙，提高系统利用率降，降低系统时延，并可以通过区分服务等来实现和保 证不同用户的 qos。 1.3.3 epon 发展趋势 自 efm 发布 epon 技术规范 ieee 802.3 ah 以来，epon 技术得到了快速发展，目前 相关的芯片和设备均已基本成熟，并有较大规模的应用。在日本，ntt、kddi、yahoobb 等运营商从 2004 年即开始部署 epon，采用 ftth、fttb/c+vdsl/adsl2+等多种组网 方式，为用户提供高带宽互联网接入业务。目前，日本市场上已经部署了超过 500 万线的 epon 设备，而且每月新增的 ftth 用户数已经超过了 dsl 用户。 国内 epon 产业链的主要技术已经成熟，在包括中国电信等在内的主流运营商的主导 下，已经实现了 epon 芯片级和系统级的互通测试；epon 芯片和设备领域形成了良性的 市场竞争格局，成本进一步下降，已达到规模商用水平。目前中国市场 epon 部署规模已 经超过 2000 万线，包括华为、中兴通讯和烽火等一线设备商均可以提供成熟的 epon 产 品。与此同时，在 epon 部署的过程中，针对 epon 网络的新特点，已经提出了成熟的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 9 epon 规划设计和运维解决方案。 随着通信网络中业务和应用的快速发展，对于接入网中更高带宽的需求已经提到了议 事日程之上，10g epon 的相关标准已经提出。10g epon 继承了 epon 和以太网技术简 单、价格低廉和产业链成熟等优点10。10g epon 和 epon 在标准定义方面一脉相承，最 新的 ieee802.3av 10g epon 标准在波长规划、控制协议和管理机制等方面都进行了完善 的考虑，几乎完全继承了现有的 epon 标准，仅仅是对 epon 的 mpcp 协议(ieee802.3) 进行扩展，增加了 10gbit/s 能力的通告与协商机制，保证了 10g epon 可以充分利用现有 epon 的运维方案和管理机制。 由于 10g epon 标准充分考虑了 10g epon 网络与现有 epon 网络的兼容和平滑演 进。因此在 epon 运维方案日渐成熟，广泛应用的基础上，10gepon 的运维方案可谓水 到渠成。国内外主流运营商都非常关注 10g epon 技术，部分运营商在进行 10g epon 技 术和设备的评估，如日本的 nttdocomo、韩国的 kt、法国电信、意大利电信和台湾地区 的中华电信等，其中部分运营商已经开展 10g epon 的现场试验。 从国内宽带网络建设现状及未来需求、电信运营商对于 10g epon 的建设部署、10g epon 设备及芯片、模块的成熟情况等方面进行了深入研究和技术储备，预计很快就会推 动 10g epon 在中国的规模应用。 1.4 论文的主要工作和结构论文的主要工作和结构 论文主要研究 epon 动态带宽分配算法，以提高算法的带宽利用率和减少业务时延为 主要性能目标对已有经典算法提出了改进。论文在对已有经典算法的工作原理进行理论分 析基础上，着重研究了现有算法的轮询方式，并提出了一种新的提高带宽利用率的轮询方 式和在此基础上的保证不同服务等级的带宽分配算法。通过理论分析和计算机仿真对新算 法的性能进行了验证，得到了新算法可以提高带宽利用率并减少业务时延的结论。 论文共分六章： 第一章，介绍了接入网的概念和主要技术、光接入网基本概念，给出了 epon 的产生、 技术特点和发展趋势； 第二章，对 epon 系统的系统结构、工作原理及其关键技术进行了详细的分析； 第三章， 介绍了现有的 epon 上行动态带宽分配算法， 分析了这些算法的优势和劣势， 为后面新算法的提出奠定了基础； 第四章， 对现有算法的轮询方式进行了总结， 提出一种新的消除 idle time 的轮询方式， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 10 并在此轮询方式的基础上完善了一种支持多业务类型的动态带宽分配算法； 第五章，介绍了在 opnet 仿真平台上搭建 epon 动态带宽算法的模型，并用仿真结 果证明算法的的可行性和有效性； 第六章，总结了本文的工作，并提出今后进一步的研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 基于以太网的无源光接入网 11 第二章第二章 基于以太网的无源光接入网基于以太网的无源光接入网 光纤到户是宽带接入的最终目标，epon 技术是当前实现光纤到户最为成熟的解决方 案之一。epon 可以灵活地组成树型、星型、总线型等不同拓扑的结构以适应差异性较大 的接入网环境。此外，epon 在光分支点不需要有源节点设备，只需要安装一个简单的光 分路器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建 网速度快、综合建网成本低等优点。epon 的基本构想是将成熟的以太网协议引入 pon 系 统，以提高效率，降低设备成本。由于 ip/ethernet 结构在整个数据通信网络中占主导地位， 而以太网对 ip 的支持非常成熟，因此 epon 系统使用 ip 协议来管理用户端设备和业务实 现较为便捷，尤其在支持开展差异化服务质量的综合业务接入的灵活性和方便性等方面， epon 都具有明显的优势。 本章主要介绍 epon 系统结构、 系统组件的基本功能、epon 系统的工作原理、 mpcp 协议和 epon 的其他关键技术。 2.1 epon 系统结构系统结构 2.1.1 epon 的功能模型 epon 的功能结构模型如图 2-1 所示11。epon 位于网络侧接口(sni)到用户侧接口 (uni)之间(即接入层)，主要分成三部分：一个光线路终端 olt、多个光网络单元/终端 onu/ont 和光分配网络(odn，optical distribution network)。其中 olt 设备位于中心局 端(co，center office)，充当交换机和路由器的角色。onu 设备位于用户端，用于暂时存 储用户端传来的上行数据或者 olt 传来的下行数据， 并在适当的时候进行数据转发。 odn 由光纤和光分路器/合路器(splitter/combiner)等无源器件组成。用户经过 epon，通过 olt 所连接的不同 sni 节点，可以接入 internet、pstn 等网络，能够为用户提供多种不同的网 络服务。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 基于以太网的无源光接入网 12 onu/ont1 onu/ont2 onu/ontn . 无源光分路器 网络侧 接口 ifpon ifpon 用户侧 接口 ifpon:pon专用接口 odn olt 图 2-1 epon 的功能模型 2.1.1.1 光线路终端 olt 光线路终端(olt)的作用是提供业务网络与 odn 之间的光接口，提供各种手段来传递 业务。olt 的存在可以降低上层业务网络对接入侧设备之间的具体接口、承载手段、组网 形式、设备管理等的紧耦合，并可以提供统一的光接入网的管理接口。 olt 是 epon 的核心部分，包括如下几个主要功能12。 (1)连接接入网的服务网络接口 sni。在 epon 系统中，olt 既具有交换机或者路由器 的功能，并且是一个多业务提供平台。为了支持多媒体业务以及传统的话音和数据业务， olt 对外可以连接各种端口，包括 t1/e1，fr，atm，gbe，sdh 以及波分复用(wdm， wavelength division multiplexing)，通过这些端口连接城域网或广域网。除了网络接口外， olt 还提供带宽分配、系统安全和服务质量等功能。 (2)以广播方式通过无源光分路器向 onu 发布下行的以太网帧。 (3)负责产生用于全局时钟参考的时间标签信息。 (4)发现和启动新的 onu。 olt 通过测距机制获得 olt 与新的 onu 之间的距离信息， 并根据各个用户的服务等级协议(sla，service level agreement)，进行带宽和时隙的分配， 从而调整 onu 的发送时延， 这样每个 onu 发送的帧不会与其它 onu 发送的帧产生碰撞， 这种机制还能提高整个上行信道的传输效率。 2.1.1.2 光网络单元 onu 光网络单元(onu)位于 odn 和用户设备间，提供用户与 odn 之间的光接口和与用户 侧的电接口。onu 的网络侧具有光接口，用户侧有电接口，onu 具有光电转换功能，能 实现对各种电信号的处理与维护管理。其主要功能如下： (1)连接接入网的用户网络接口 uni，即为用户提供 epon 接入功能，可提供二层或者 三层交换功能，支持数据、语音和视频业务。用户与 onu 的连接可以是用户终端；也可 以是用户驻地网的以太网接口(10m/100m/1gbit/s)， 目前绝大部分均是如此情况， 或者诸如 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 基于以太网的无源光接入网 13 模拟 modem电话接口等其他形式的网络连接。 (2)有选择地接收 olt 发送来的广播信息。凡是目的地址与 onu mac 地址相符合的 下行广播帧就被该 onu 接收。 (3)响应 olt 的控制命令，并作相应的功能调整。 (4)对用户接入的数据进行缓存，并按 olt 分配的发送时间和时隙进行发送。 (5)以点对点方式通过无源光分线器向 olt 发送上行的以太网帧等。 onu 的功能与 olt 比较，要简单的多，这样可以大大降低用户端的投资。 2.1.1.3 无源光分路器 odn odn 是一个简单的无源光器件， 不需要电源， 因此与有源器件比较具有极高的可靠性 和环境适应性。它用在 olt 与多个 onu 之间进行光功率的分配，一个 odn 一般的分路 比为 8、16 或 32，并可以多级连接。在一个分路比为 16 或 32 的系统中，olt 和 onu 之 间的设计距离最大可以是 10km20km。如果使用有源光放大器，距离可以进一步延伸。 2.1.2 epon 的层次结构 对于以太网技术而言，pon 只不过是一个新的媒质。efm 工作组定义了新的物理层， 而对以太网的 mac 层以及 mac 层以上的层次则尽量做最小的改动，以支持新的应用和 媒质。 根据 ieee 802.3ah标准， epon 的层次结构与传统以太网的分层结构的对比如图 2-2 所示13。 上层 llc或mac客户端 oam（可选） mpmc mac rs pcs pma pmd fec(可选) 应用层 表示层 会话层 传送层 网络层 数据链路层 物理层 osi 参考模型 层次 gmii mdi 上层 llc或mac客户端 oam（可选） mpmc mac rs pcs pma pmd fec(可选) gmii mdi 无源光网络媒质 lan分层lan分层 phyphy olt onu llc逻辑链路控制层 oam运行、管理和维护 mpmc多点mac控制 mac媒体接入控制 rs调和子层 onu光网络单元 olt光线路终端 gmii千兆比特媒质独立接口 phy物理层 pcs物理编码子层 fec前向纠错 pma物理媒质附加子层 pmd物理媒质相关子层 mdi媒质相关接口 图 2-2 epon 的层次结构模型 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 基于以太网的无源光接入网 14 其中，逻辑链路控制(llc，logical link control)子层负责提供使本地网络层实体与远 端对等网络层实体之间交换协议数据单元的服务； oam 层是 ieee802.3ah工作组考虑以太 网应用到公网时， 运营商对网络的运行、 维护和管理需求而增加的； 多点mac 控制(mpmc， multipoint mac control)子层提供对 pon 这样的无源点对多点拓扑的多点接入控制； mac 层根据llc层所提供的参数对llc来的信息进行成帧(加mac帧头和差错校验用的帧尾)； 调和子层除在通常以太网中的 gmii 接口信号到 mac 信号之间映射外，在 epon 中更重 要的是在这里进行点对点的仿真(p2pe，point to point emulation)；gmii 接口的目的是规范 一个清晰的便于实施的划分 mac 层和物理层的接口； 物理编码子层(pcs， physical coding sublayer)负责 8b/10b 码转换；物理媒质接入(pma，physical medium attachment)子层负责 并串/串并转换；物理媒质相关(pmd，physical medium dependent)子层则负责串行比特流 的传输，包括光电/电光转换，产生合适的脉冲形状、功率，适当地均衡、判决接收信号等； 媒质相关接口 mdi 是光的连接器，把信号连接到光纤线路上。 2.2 epon 业务实现业务实现 2.2.1 epon 下行工作原理 在下行方向(从局端到用户)，olt 发出的以太网数据包经过一个 1:n 的无源分路器或 几级分路器传送到每一个 onu。 n 的典型取值在 464 之间(由可用的光功率预算所限制)， 这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向，因为以太网具有广播特性，它与 epon 结构很适配：olt 广播数据包，目地 onu 有选择地提取。epon