（通信与信息系统专业论文）以太网无源光网络mpcp协议的硬件实现技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 基于以太网的无源光网络是目前新兴的接入技术，能够通过光纤传输在中心局 和用户之间提供低成本的接入解决方案。本文根据目前i e e ee m f 提出的草案，分析 了e p o n 的关键技术提出了本论文的研究重点为e p o n 系统中m p c p 协议的硬件实现。 在e p o n 网络中，m p c p 协议为整个网络资源的优化提供了一系列机制，如采用测距 技术减少带宽冗余，o n u 采用带宽报告机制来实现自动带宽分配，对每个o n u 实行授 权来避免发送数据的碰撞，利用自动发现来实现o n u 的实时注册。本论文分析了e p o n 的协议层次，提出了e p o n 协调子层的对应模型以及在协调子层中对于逻辑链路标识 l l i d 的处理方式电路实现。本论文详细描述了m p c p 协议的的实现方案，特别提出 了自动发现，测距和硬件d b a 加速器的设计原理和实施步骤，同时阐述了m p c p 协议 的电路实现所选用的硬件测试平台并结合作者选用的硬件平台对m p c p 协议中的两 个特殊电路：动态带宽入口表的设计和流量存储器的设计进行了详细描述。 在论文中。作者认为应该采用s o c 的电路设计的方法，在设计中充分考虑设计 软核( s o f tc o r e ) 的重复使用，因此作者论述了为了保证设计软核( s o f tc o r e ) 的重 复使用应该实用的一些正确设计思想。最后作者阐述了m p c p 协议处理中的几个关键 模块的设计流程图和电路结构图。所有的这些设计电路都由v e r i l o g 硬件描述语言 设汁，经过专门的e d a 工具的功能仿真并且可以在e p o n 芯片设计中被重用。这些 工作对于e p o n 项目的发展积累了宝贵的经验。 关键词：自动发现测距授权逻辑链路标识动态带宽分配 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e t h e r n e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) a r e a n e m e r g i n g a c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g y t h a t p r o v i d e s al o w c o s tm e t h o do f d e p l o y i n go p t i c a la c c e s sl i n e sb e t w e e n ac a r r i e r s c e n t r a lo f f i c ea n dc u s t o m e rs i t e a c c o r d i n ga sc o n s t i t u t e dt h ed r a f tb yi e e e e m f , t h i sp a p e r f i r s ta n a l y s et h e e p o nk e y t e c h n o l o g ya n dp u tf o r w a r d t h a te m p h a s e so ft h i sp a p e ri s r e s e a r c h0 1 1 t e c h n o l o g i e so f t h em u l t i p o i n tm a cc o n t r o lp r o t o c o l ah a r d w a r ed e s i g n i ne t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k i ne p o n n e t w o r k ，t h e m p c p p r o v i d e s h o o k sf o rn e t w o r kr e s o u r c e o p t i m i z a t i o n ，r a n g i n gi sp e r f o r m e d t or e d u c es l a c k ，r e p o r t i n go fb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t s b y o n i sf o rd b a , a l l o c a t i n gat r a n s m i s s i o n w i n d o w ( g r a n t ) t o e a c ho n ut oa v o i d d a t ac o l l i s i o n s t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h er e a l i z e dm e c h a n i s mo fm p c p ，e s p e c i a l l y a u t o d i s c o v e r yp r o c e s s a n d r a n g i n gt e c h n o l o g y a n dh a r d w a r ed b aa c c e l e r a t o r s i nt h sp a p e r a u t h o rd e s i g nah a r d w a r et e s tc i r c u i tt oc o m p l t ew h o l em p c p f u n c t i o n a n dd e s c r i b es o m ec i r c u i t d e s i g ns c h e m e a l lt h i sd e s i g n e d c i r c u i tc a nb er e u s e di n e p o na s i cr e s e a r c h p r o g r a m m e db yv e r i l o gh d l ，v a l i d a t e dt h e f u n c t i o n a lc o r r e c t n e s s u s i n ge d a s o f t t h i sw o r k a c c u m u l a t e e x p e r i e n c e f o r c o m p a n y e p o n p r o j e c t d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a u t o m a t i cd i s c o v e r y r a n g e g r a n t l o g i c a ll i n ki d e n t i f i e r d y n a m i cb a n d w i t ha s s i g n 华中科技大学硕士学位论文 月i j茜 本论文选题是基于武汉烽火通信股份公司承担的国家8 6 3 项目“基于千兆以太网 宽带无源光网络技术( e p o n 技术) ”，本项目已经与2 0 0 4 年二月通过了国家8 6 3 专家 组的验收，目前已经转入系统工程试用阶段。e p o n 技术把以太网和p o n 技术结合起 来可以克n a t mp o n 的很多缺点，例如缺乏视频传输能力、带宽有限、系统复杂以及 价格昂贵等等，利用e t h e r n e t 的简单性，从而在接入网上提供低价格高效率的宽带。 是目前宽带接入中比较先进的接入方案。 论文的选题是e p o n 的核心技术之一，同时也是将来研制e p o n 核心芯片所涉及 的关键技术。作者作为烽火通信股份公司微电子部的研发工程师，承担了本项目中 有关m p c p 协议的电路设计和大规模f p g a 电路设计的部分工作。整个论文以m p c p 协 议的系统级设计和电路级设计为要点，论述了m p c p 协议处理器的实现需要考虑的问 题和一些具体方案，并且提出了m p c p 协议今后的改进方向。对于以后进行核心芯片 的研制有较大的借鉴作用。 独创性声明 本人声明所里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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：谨乞硬 日期：0 口牛年，月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密碰 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名前屯j 疋 指导教师签名：9 以彳多 日期：年月 日日期：牛年产月fp 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1e p o n 接入技术综述 利用以太网设备做接入网的第一英里以太网联盟e f _ i a 是2 0 0 1 年1 2 月由2 0 家 公司发起成立，主要工作是制定以太网在按入领域取得应用的系列标准，推动低成 本的以太网设备进入接入领域。所谓第一英里，也就是用户终端和公共网络之间的 通信架构。通常我们称这个网络为最后一英里，接入网或者本地环路。这个网络的 一端是所谓的接入节点，该设备是连向公网的接口，它实现各种信号的接收，会聚 以及整理。网络的另一端就是各种网络的终端用户设备。通常接入实现的办法包括 p s t n i s d n ，d s l ，有线电视，t 1 e 1 ，t 3 e 3 ，o c 一3 s t m 一1 等。所有这些技术在带 宽，成本，使用方便等领域都有这样那样的不足”“。接入网的发展迫切需要一种新 的体制，人们就此想到了以太网技术应用到接入网。目前全世界已经有5 亿多个以 太网端口，以太网技术已经证明是最成功的数据网络技术。以太网的标准简单而通 用。接入网设备不用在在各种协议问转换。未来的以太接入网将可以轻而易举地提 供l o o m 以上的接入带宽，用户可以在家享用高清晰度电视等宽带业务。而且带宽的 提供将可以按需满足，通过软件设置可以满足不同用户的不同带宽需求。最关键的 以太网技术正越来越进步，在不远的将来取得电信级的可靠性和服务质量已经可以 期待。目前以太网联盟e f m a 规定了3 种不同的以太接入网结构。e f m c ，在铜线上传 输i o m 信号，最远7 5 0 米。e f m f ，在光纤上传输i o o m i o o o m 信号，最远1 0 公里。 e f m p ，e f m 技术结合无源光网络技术，传输1 0 0 0 m 信号，最远1 0 公里“。 e f m p 也就是以太网技术和无源光网络技术的结合，被认为是目前宽带接入比较 好的一种应用方式，目前有两种方案，第一种方案是利用波分复用多址接入方式即 d w d mp o n 。第二种是时分多址复用t d m a 技术和以太网技术的结合即e p o n ，图1 1 为其结构示意图o 。 1 华中科技大学硕士学位论文 图1 1e p o n 接入不意图 图中o l t 为光线路终端，o n u 为光网络单元，o d n 为光配线架 13 。一般我们将 o l t 和o n i j 之间的接口定义为e p o n 接口，另- - 坝, j 定义为网络侧接口，可以接目前通 用的以太网交换机。所以传统的以太网技术和无源光网络技术的结合，再加上动态 带宽分配技术，形成了目前非常具有发展潜力的宽带接入技术e p o n 。e p o n 接口的物 理层和千兆比特以太网完全相同，在o l t 和o n u 之间传输的是符合i e e e8 0 2 3 定义 的干兆以太网数据。传输速率为1 2 5 g b i t s 。o l t 以广播方式传送数据到o n u ，而每 个o n u 则根据o l t 的授权，在授权的时间打开激光器发送数据到o l t ，并且保证一 次传送中数据包的完整性，不进行以太网包的重新分割。已经授权的o n u 站点具有 不同的发送时间段，这样多个o n u 的发送不会产生碰撞。因为i e e e8 0 2 3 对千兆比 特以太网的物理层，m a c 层都已经有了非常完整的定义，并且在市场上已经有了非 常成熟的芯片。所以e p o n 技术的重点是在已有的i e e e8 0 2 3 协议的基础上，对相 关层次的协议进行微小改动以适应点到多点传输的需要。同时完善点多点m a c 层控 制协议m p c p ( m u l t i p o i n tm a cc o n t r o lp r o t o c a l ) ，以实现动态带宽管理，o n u 自 动发现，o n u 测距，注册等功能，使整个e p o n 能有较低的网络管理成本，较好的带 宽利用率，较高的性能价格比。这也是e p o n 技术能在f t t h f t t c 中能获得应用的关 键川。 1 2e p o n 的关键技术 针对整个e p o n 系统，存在以下关键技术嘲需要解决： ( 1 ) 以太网在p o n 上的成帧技术与实现技术。良太网本来是基于载波侦听多路存 2 华中科技大学硕士学位论文 取或者点到点的双工通信方式，如何将这种通信体制转换成光域的点到多点无源光 网络方式，需要有一套通信规则和帧结构，使得转换过程简单、成本低廉，系统的 性能和指标满足要求。这套通信规则和帧结构就是以太网在p o n 上的成帧技术，它 包括数据平面和控制平面的转换内容。 ( 2 ) e p o n 的动态带宽分配算法：以太网传输结构是媒质共享，动态带宽，在e p o n 中保持其带宽上的特点，势在必行。对于在一点对多点的无源光网络，带宽的管理至 关重要，为了有效的管理e p o n 的带宽，我们要研究动态带宽管理的主体思想，即动 态带宽分配算法及其实现技术“。 ( 3 ) e p o n 的管理功能及实现技术：e p o n 的管理是系统重要的一环。e p o n 的管理 包括带宽管理，远端的设备管理，及包括配置管理、故障管理、性能管理、安全管 理、统计管理等等。 ( 4 ) 为了保障点到多点传输的安全性所涉及到的d e s 加密技术，为了保障数据传 输的低误码率所涉及到的f e c 前向纠错技术。 ( 5 ) 为实现点到多点控制而制定的m p c p 协议的电路实现技术。m p c p 多点控制协 议是e p o n 系统中o l t 和o n u 之间进行信息交换的协议，它由o l t 或o n u 设备的m p c p 处理模块产生并且在e p o n 系统的内部被终止，m p c p 协议的电路实现是整个e p o n 能 正常工作的基础，m p c p 协议的可靠性和有效性直接决定了e p o n 的系统性能。 ( 6 ) 为实现动态带宽分配和m p c p 协议涉及到的嵌入式微处理器技术。 ( 7 ) e p o n 的光器件的研制技术。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口内发送数据。因此，e p o n 上行信道中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( 几个比特) 内实现相位的同步，进而接 收数据。这就要求在o l t 中使用支持突发信号接收并能快速同步的光接收器件。同 时由于每个o n u 的距离不同，o b ；u 送到o l t 的光功率差异很大，所以在o l t 端的光 接收器件必须采用有效地自动增益控制电路。 在o n u 的光发送端，因为多个o n u 通过光耦合器件或波分复用器相连，虽然在 每个特定的时间只有一个o n u 在进行信号的发送，但其他的o n u 仍然有轻微的光泄 3 华中科技大学硕士学位论文 漏，因此必须有较好的背景光噪声抑制性能。同时o u n 端的光发送器件工作在突发 模式下，怎样进行有效地电路反馈来抑制激光器的温度漂移也有待进一步的研究。 除此之外，也要求激光器有良好的开关性能来保证各个通道之间的防护时问 3 “。 e p o n 系统的研制为烽火通信所承担的国家8 6 3 项目，在研制过程中，由于国外 并没有推出具有e p o n 功能的系列芯片，所以整个e p o n 系统的研制以自主开发为主， 系统研制基于大规模f p g a 为硬件平台，采用s o c 片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 的设 计手法，软硬件结合的设计思路，经过一年的研制已经在大型f p g a 上实现了以下关 键技术。 f p g a 上实现咀太网p g m i i 层、r s 层、p c s 层、m a c 层的功能。 f p g a 上实现p o n 的时分复用功能，即m p c p 层所描叙的功能，完成对各类m e s s a g e 的处理。 在f p g a 上实现p o n 的成帧技术，实现控制平面和数据平面的转换，完成c a m 的结构及地址老化算法。 在f p g a 上实现动态带宽分配的算法，并通过f p g a 向网管提供能用于带宽的管 理的信号。 向网管系统提供e p o n 管理所需要的信号，如异常管理、安全管理、地址查询等 所需的信号，以完成e p o n 网络的操作和维护( o a m ) 。 目前我的论文选题为m p c p 协议的电路实现技术。 1 3m p c p 协议的电路实现技术介绍 m p c p 协议的电路实现是整个e p o n 能正常工作的基础，m p c p 多点控制协议是 e p o n 系统中o l t 和o n u 之间进行信息交换的协议，它由o l t 或o n u 设备的m p c p 处 理模块产生并且在e p o n 系统的内部被终止。m p c p 协议的电路实现技术实际上是利 用硬件完成o l t 和o n u 之间一系列控制消息的解析产生 1 0 。主要涉及到以下方面 的内容： m p c p 协议的核心内容以及电路实现形式的研究。主要包括测距原理，自动发现 4 华中科技大学硕士学位论文 功能，授权发送，以及报告信号的处理，o n u 侧的数据包缓存等处理技术。 百万门级f p g a 的设计和仿真技术的研究。因为m p c p 的硬件实现必须利用f p g a 来实现，所以f p g a 的电路设计，功能仿真，电路综合也是m p c p 协议的电路实现所 涉及的研究内容。特别是设计电路的可重复使用，是电路设计中必须考虑的重要问 题，只有充分考虑了设计电路的重复使用，才可以保证从f p g a 到a s i c 的顺利过渡， 为e p o n 的实用化降低成本。 目前的i e e e 8 0 2 3 a h 建议对于m p c p 协议本身已经有了一个标准草案，国外 p a s s i v e 等芯片设计公司也准备推出包含m p c p 处理协议的e p o n 芯片，所以m p c p 协 议的研究和实现对于促进我国e p o n 系统的实用化有着较大意义。目前研究的主要方 法分为两个方面，一个是搭建e p o n 系统的硬件平台，提供m p c p 协议的测试环境和 硬件基础。其二是对协议本身进行研究，将m p c p 协议转化为具体的数字电路，利用 v e r il o g 等硬件描述语言进行电路设计和仿真。并将设计成熟的代码综合后下载到 f p a g 上进行测试。本论文研究主要的侧重点在于第二个方面。对e p o n 系统的硬件 平台将作简单介绍；本论文的章节安排如下： 第二章：介绍了逻辑链路标识的工作原理和处理方式。介绍了l l i d 的插入和处 理的基本方法。建立了m p c p 协议所对应的r s 子层的模型，建立了m p c p 协议的输入 输出接口模型。 第三章介绍了t p c p 多点控制协议的工作原理，主要包括：协议的组成，m p c p 的测距原理，发现过程，g a t e 消息的产生和处理过程。r e p o r t 信号的产生。在进行 原理介绍时同时给出了一些处理过程的处理框图。 第四章介绍了m p c p 的电路实现的方法。主要包括m p c p 的硬件处理平台，s o c 的同步化设计介绍和m p c p 协议中o l t 侧的一些关键处理模块的设计思路。最后分析 了m p c p 协议在带宽占用方面的性能并提出了今后研究的改进方向，为以后e p o n 芯 片的研制奠定了一定的基础。 华中科技大学硕士学位论文 2 逻辑链路标识的设计 本章主要阐述了m p c p 协议中的一个重要参数逻辑链路标识( l l i d ) 的基本工作 原理和l l i d 的处理电路。 2 1l l i d 的工作原理 我们由e p o n 的物理拓扑结构图2 1 可以看出：从o l t 到o n u 侧的数据传递从物 理传送方式而言是一个广播形式，发给一个o n u 的信号将会出现在所有o n u 的接收 端口上，如果在此种情况下o n u 不进行接收数据的过滤操作，则大量的和本站点不 相关的数据会堆积在o n u 的接收节点，增大处理节点的传输延时，严重时会造成用 户网络的拥塞”3 。为了解决此问题，我们提出了l l i d ( 逻辑链路标识) 的概念。对 于e p o n 节点上的o n u ，当进行了有效的注册确认后，都会被分配一个l l i d ( 逻辑链 路标识) ，当已注册的o n u 进行任何数据的上行发送都会加上l l i d 标识。当o l t 向一个特定的o n u 进行数据发送时，也会加上此o n u 的l l i d ，如图2 1 所示，尽管 到达o n u 节点1 的数据很多，但o n u 节点且可以通过某个特定标识只接收本节点数 据。l l i d 的管理和分配是i p c p 协议的一个重要内容，在本节我们首先讨论l l i d 的 加入和以太网m a c 帧的映射关系o “。 图2 1o n u 节点的过滤示意图 从o l ，t 设备侧发到o n u 的发送帧存在以下几种情况： 6 华中科技大学硕士学位论文 发送帧并不是e p o n 系统的内部控制帧，而是外部广播帧。在此情况下此信号 帧应该发送到每个o n u 节点。此时o l t 应该插入具有广播属性的l l i d 。 发送帧是发往某个特有o n u 的数据帧，在此情况下信号帧应该发送到特有的o n u 节点。o l t 应该插入具有私有属性的l l i d 。 发送帧是数据帧，但o l t 不能确定o n u 的l l i d ，此时o l t 应该插入具有广播属 性的l l i d ，将此帧发送到每个o n u 节点，再由o n u 节点的用户根据以太网的二、三 层协议进行进一步的滤除。 如果发送帧是e p o n 系统的内部控制帧，发往某个特有o n u ，o l t 应该加入具有 私有属性的l l i d 。 如果发送帧是e p o n 系统的内部帧，但属性未知，此时o l t 应该加入具有广播属 性的l l i d 。将此帧发送到每个o n u 的节点，由o n u 节点的m p c p 协议进行处理。 在o n u 侧接收到发送帧后，如果本o n u 没有进行有效的授权，没有被分配健全 的l l i d ，则此o n u 的l l i d 为广播属性，只能接收具有广播l l i d 属性的m p c p 控制帧。 如果o n u 进行了有效的授权，则除了接收具有广播属性l l i d 的数据帧，还可以 接受和本地l l i d 匹配的数据帧。 l l i d ( 逻辑链路标识) 仅仅在e p o n 内部进行数据传输和m p c p 协议的正常运行 时使用，此标识将会在e p o n 网络内部被终结，l l i d ( 逻辑链路标识) 的有效工作域 如图2 2 所示。 图2 2l l i d 的处理示意图 掣豳 1k a ；，；l 纛圈 h 扎帧，移l 以太l _ 熹嘣羽猜1 嗣话1 华中科技大学硕士学位论文 2 2 l l i d 的承载方式 l l i d 是e p o n 网络在m p c p 协议中引入的一种处理方式，但作为m p c p 协议本身 是一种具有特殊字节定义的m a c 帧，所以m p c p 协议层并不能承载l l i d 标识。l l i d 标识在e p o n 网络内部怎样承载，l l i d 标识怎样送到m p c p 子层是我们需要解决的首 要问题。根据i e e e 8 0 2 3 的定义，一个m a c 帧的结构如下，其中 d a ，s a ，t y p e l e n g t h ，d a t a ，f c s 是m a c 帧传送的主要消息，并且在传输中需要保证上 述字节的完备性。p r e a m b l e 、s f d 为帧定界标识符，考虑到前导码有7 个定义字节， 但在一般的m a c 帧定界时我们只需要检测出s f d 字节即可，同时e p o n 之间接口为全 双工操作，所以前导码的缩水现象不会很严重，最多只会存在一个字节的前导码缩 水现象 a 9 1 ，所以使用前导码和s f d 中的四个字节来承载l l i d 标识。e p o n 帧的前 导码，s f d 的对应关系如下所示： 一m 婿m n 惦i z 日1 一 卜一j i 口f r h r 坩- _ 一f 。8c a v 灌o 叫 h 一触t d i i 3 l o n 口n 啪i d ( f l l o t t j n y 。) ”h h | 一d 埘。日d d ( ：矗h i e re v 城叫 图2 3m a c 帧结构示意图 p r e a m b l e 8 0 2 3f r a m e 图2 4p o n 帧结构示意图 前导码字节的修改如下： 前导码的1 ，2 字节不变，第三个字节定义为s p d ( 起始定界符) 字节，值为o x d 5 。 前导码的6 ，7 字节由l l i d ( 逻辑链路标识) 和m o d e ( 工作模式) 比特替代 第8 个字节为一个c r c 8 的校验字节，将3 号字节到7 号字节的的内容按照多项 式：g ( x ) = x 8 + x 2 + x + 1 做c r c 校验。校验结果放在8 号字节。在接收端， 采用同样的校验多项式，得到的校验结果和收到第8 个字节进行比较，如相同则说 明3 号字节到7 号字节的的内容被正确接收，否则将会丢弃接受到的数据包。 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 1 前导码字节定义表 m m m m b i c t tl 讲1 5 ：哪 。1 h i 啦j 叩州i 诎 m l 。外4 l l i d it ：o 】 ：h - 辨a ll - 嘶7 州 1 h c8 i , i t c r cc a i # i # 州o t t w l s 3 t i n ”u 曲 , o a c ”印# i ot x t ) p ll 皑州 i n ki 珥1 刮m “p b t x r j l 6 1 ，i 呷“mj l 咄d f 州1 n a t o ，0 麓涨_ k j d 【7 i 。叩，k t x i ) f ? l1 雌哪 1 日i i qt n 叩，m t x d m 2 3l l i d 的处理流程 因为e p o n 的体系结构是在以太网的物理层，数据链路层的基础上建立起来的， 这种体系结构的一个最大特点就是不需要重新规范e p o n 的物理层及部分数据链路 层，可以利用目前比较完备的以太网处理芯片和m p c p 协议处理器一起来构建e p o n 系统，这样可以大大降低e p o n 系统的研发周期和商用成本。所以l l i d 的处理流程 应该遵循不改变以太网的各个层次的标准接口定义为原则。所以我们将l l i d 的处理 流程放在r s 协调子层中 2 2 o 在i e e e 8 0 2 3 建议中协调子层和其他子层的接口关系 如图2 5 所示： 在e p o n 系统中为了对l l i d 逻辑连接标识进行处理，将层次关系进行了改变， 如图2 6 所示： m a c 层接ur s 协调千层 p c s 子层 图2 5 阻太网协调子层接1 ：3 关系示意图 华中科技大学硕士学位论文 m p c p 协议2 s 协调子层p o s e n 图2 6e p o n 协调子层接口关系示意图 其中原语：l l i d d a t a r e q u e s t 指示发送的m a c 帧的l l i d 标识。 原语l l i d a t a i n d i c a t i o n 指示接收的e p o n 帧所携带的l l i d 标识。由以上的 接口模型可以看出，e p o n 接口遵循了以太网的t d a c 层，p c s 子层及物理层的相关建 议，这种处理方式使e p o n 系统的研制可以最大限度的利用了原有干兆以太网的成熟 芯片。 从p c s 子层的输入数据提取出l l i d 数据的工作方式如下： 首先进行s p d 字节的定位。我们一般采用图2 7 所示电路完成此功能。当输入 r xd v 信号由低变为高，启动以下比较电路，如果连续四个输入字节的码型和比较 电路一直，则 兑明找到了正确的s p d 定位字节。可以根据此定位字节的位置找到 l 。i i d 。如果当输入r x d v 信号由低变为高后的五个时钟脉冲内不能找到正确的s p d 字节，则会将此帧丢弃。 图2 7s p d 字节定位电路示意图 华中科技大学硕士学位论文 l l i d 健全性检查：当正确的s p d 定位后，对前导码的3 到7 号字节进行c r c 校 验，如果校验错误，则丢弃此帧。 l l i d 有效性检查：在o n u 节点对健全的l l i d 进行检查，如果提取出的l l i d 为 广播l l i d 或者和本节点的l l i d 一致，则接受此帧，否则丢弃此数据帧。 数据帧的复原：提取出l l i d 后，将输入的m a c 帧的前导码字节复原成为标准 m a c 帧。 华中科技大学硕士学位论文 3 多点控制协议( m p c p ) 的实现 m p c p 多点控制协议是e p o n 系统中o l t 和o n u 之间进行信息交换的协议，它由 o l t 或o n u 设备的m p c p 处理模块产生并且在e p o n 系统的内部被终止。信息格式和 作用类似于以太网中用于流控的p a u s e 帧。本章将介绍m p c p 协议各项功能的实现。 3 1m p c p 协议组成 图3 1m p c p 协议框架示意图 如图中描述的那样，m p c p 协议由下面的功能组成： 华中科技大学硕士学位论文 控制解析( c o n t r o lp a r s e r ) 该功能模块负责解析m a c 控制帧。对应的操作为： 从底层m a c 层接收到帧；根据长度类型域，帧被解析。 根据操作码，m a c 控制帧被转发给相关的处理功能单元；其中p a u s e 帧被送到 p a u s e 处理单元，m p c p 协议控制帧被送到m p c p 协议处理器。 通过插入m ad a t a i n d i c a t a t i o n 原语，数据帧被转发给m a c 客户。 控制复接( c o n t r o lm u t i p l e x )该功能块负责选择被转发帧的源：是m a c 控制 实例还是m a c 客户，或者都不是。对应的操作过程为： 客户层通过插入m ad a t a r e q u e s t 原语，客户标记了一个数据帧的发送。m p c p 协议处理单元企图发送一个帧，利用了m a _ c o n t r o l r e q u e s t 原语，产生了一个m p c p 的控制帧发送请求。利用控制帧优先发送的原理，控制送到m a c 层的数据。 复用控制模块：由e p o n 的协议系统可以知道，多点控制协议可以控制多个m a c 层的发送。这个功能在o n u 侧是不需要使用的，但在o l t 侧，即使存在多个m a c 层， 但也需要控制在一个时间段只有一个m a c 实例能够进行数据帧的发送。复用控制模 块可以完成此功能： m p c p 协议处理器：完成m p c p 协议的解释和产生，包括自动发现，注册和报告 处理三个子模块。 根据磁p c p 协议，在o l t 和o n u 之间的控制帧的格式如下：帧长度为6 4 字节， 各字段定义和m a c 帧一致，长度类型字段为：8 8 0 8 ，随后的操作码用于定义控制帧 的类型，m p c p 协议中共定义了五种不同的消息：注册( r e g i s t e r ) ，注册请求 ( r e g s t e r r e q ) ，注册应答( r e g s t e r a c k ) ，报告( r e p o r t ) ，门消息( g a t e ) 。不同 的消息对应于不同的操作码型。随后字节为时标定义字节。时标是e p o n 中非常重要 的一个概念，通过时标计数器，o l t 可以对不同o n u 的传输延时进行补偿，使各个 o n u 能在正确地时段发送信息。o l t 和o n u 通过互相传送时标字节来保证整个系统信 息的同步和测距功能的完成。图3 2 为m p c p 帧结构示意图。 华中科技大学硕士学位论文 o e s l i n e d “s s s o u r c e d s s l e n g l h t y p e2 8 8 0 8 * “ 妇胁 西n 娟e 鲫p 喇 f c s f 口1 相n 二p u o 啪0 0 _ 缸翻矧x t 坤 图3 2m p c p 帧结构示意图 3 2m p c p 中测距的实现 m p c p 协议工作为点到多点的工作方式，为了防止各个o n u 所发的上行信号发生 冲突。在o l t 对o n u 进行授权分配各自的发送时隙之前，需要对每个o n u 进行测距， 了解o l t 和每个o n u 之间数据传输产生的延时，以便o l t 能够根据此延时对每个o n u 进行时间补偿。数据传输延时由两部分组成：下行传输延时t d o w n s t r e a m 和上行传 输延时 1 n 9 t u p s t r e a m 。o l t 根据测距值对每个o n u 进行时间的校正。所以整个测 距由三个步骤举行： ( 1 ) o l t 的校时 o l t 的校时功能是一个逻辑功能，主要是通过m p c p 协议将o l t 侧的时间发布到 e p o n 网络中的每一个o n u 上，使每个o n u 都和o l t 具有相同的工作时间。o l 。t 能够 有效校时的一个基础是每个悄u 的工作时钟和o 岍侧的工作时钟的频差是在可控范 围以内( 一。般为l o o p p m ) 。因此在o n u 侧一般都采取环回定时模型，o n u 的发送时 钟将会锁定在o n u 的接收时钟上，采用此定时模型是整个e p o n 系统的上话数据流能 正常发送不产生冲突的基础。此定时模型也保证了o l t 校时功能的有效性o “。 在每个m p c p 帧中都包含3 2 比特的时标字节，它对应于一个3 2 比特的计数器， 计数器计时颗粒为6 2 5 m h z ，所以e p o n 时标最大计时长度为：6 8 7 1 9 4 秒。当o l t 华中科技大学硕士学位论文 上电复位后，此计数器就开始累加计时，并且在发送出的m p c p 控制帧的时标字节上 输出计时值。在o n u 侧同样也有计时颗粒为6 2 5 m h z 的3 2 比特的计数器，o n u 上电 复位后，此计数器夜开始累加计时，当o n u 接收到o l t 的m p c p 消息后，提取出帧的 时标字节并用此时标字节刷新自身的计数器，再进行累加计数。以后o n u 发送到o l t 的m p c p 帧的时标字节就是被o l t 校对后的时间。这个步骤称为校时功能。为了保证 在不同的工作环境下o n u 和o l t 的严格的同步关系( 此同步关系并非指o l t 和o n u 的时标计数值完全相同，而是两者的计数差值在一定的工作环境下没有太大的变 化) ，o l t 的校时功能是周期性不间断的，o l t 通过周期性的( 一般周期小于5 0 m s ) 发 送零授权的g a t e 信号( 零授权的g a t e 信号内部不包含任何授权，仅具有g a t e 信号 的格式) 来维持o l t 到o n u 网路的健壮性。为了保证o l t 校时功能的可靠执行，除了 o n u 侧需要采用环回定时以外，在硬件电路上需要有以下保证：m p c p 帧通过m a c 层 和r s 协调子层后送到e p o n 的以太网物理层接口，在此信号流的传送过程中，信号 的传送时延必须是固定的( 除了温度，环境影响之外) 。如果数据传送延迟是变化的， 将会使o l t 发布的时标信息非常的不可靠。 ( 2 ) o l t 的测距 o l t 的测距就是测量出o l t 和o n u 之间数据传输的整个时延，包括上行传输时 延t u p s t r e a m 和下行传输时延t d o w n s t r e a n 。此处的测距所涉及的延时由以下部分 组成：传输链路时延 无论是电信号还是光信号，其本质都是电磁场信号，在传输煤质中的传输速度 都是有限的。光信号的传输延时可由以下公式计算“1 ： t = l * n l c 其中c 为真空中的光速( 3 * 1 0 5 k m s ) ，l 为传输距离，n 1 为光纤的折射率。典型 值为1 4 8 ，由此可以算出光信号在光纤中的传输延时为4 9 u s k m 。一般e p o n 的覆 盖半径为2 0 k m ，引入的传输链路时延约为l o o u s 。 数字电路处理模块产生的延时，由e p o n 的协议层次可以看出：m p c p 协议的下 层依次为姒c 控制协议，r s 协调子层协议，p l s 物理编码子层协议，在通过各层协 华中科技大学硕士学位论文 议对数据进行封包处理时都会产生电路处理。在电路设计中针对此种延时需要严格 控制，因为e p o n 系统对延时的敏感性，此类延时应该有固定的时钟拍数。不能是随 意变化的延时，否则会使e p o n 的测距值产生误差。下行传输时延的组成如图3 3 所示，上行传输延时的组成和下行传输时延基本类似。 当o u 投送却c 帧时，对时 标字节进行时间打标 t i m e s t a 。p 字节 = t 0 m p c p 帧经过l i c 层产生数 据传送延时t 1 m a c 帧经过r s 协调子层p c s 物理编码子层产生数据传 送延时t 2 啪c 帧经过p m a 物理子层 变成光信号产生的电气延 时t 3 要求电路设计保证延 时为恒定的，不能因 为使用f i f o 等电路产 生变化的延时 光纤传输延时r 4 主要和芯片的温度特性和激 光器的温度特性相关 当0 l 【i 接收到b t p c , a 帧时提取 出时标字节进行本地时钟刷 新l o c a l t i m e = t o 帅。帧徽嚣i 宇螂据 于层，p c s 物理编丹子层变 换成m a c 帧产生的数据传送 光信号经过p 姒物理子层 转换为电信号的电气延时 t 4 图3 3e p o n 传输延时示意图 测距的原理如下图所示：当o l t 收到o n u 发送的上行的m p c p 信号以后，会将 本地时标计数值和收到的上行信号中的时标字节进行减法运算，得到的差值即为测 距值r t t 。o l t 对6 4 个o n u 都预留了特定的存储空间用来存储有效地的测距值。测 距的有效性是建立在o l t 和o n u 之间经过了校时的基础上的。测距流程如下： 华中科技大学硕士学位论文 0 l t 。 i o c ji t t m e ；t o0 l ti o c am 2 _t；respon - 一 t i m - k m m “! = 二卜t ：十”m 一_ r t i m t d c w n s t r e a m 。d , o w n s t r p r o p a g a t b nd e 目a y t u p s t r e a m 2 u p s y e a r np r q ，a 。a 6 0 nd e l 封 t w a r r ；w a i t i j r n e a t o n u = 1 1 一乜 t r e s p o n s e 4r e s p o n s et m e a to l t = t 2 - t 口 r t t t d c v n 5 1 r e a m + t u p b t r e a m 。t r e s p o n a e * t 姒i t 。 图3 4e p o n 测距原理示意图 每个o n u 和o l t 之间的测距值是存在差异的，由t u p s t r e a m 时间的组成可以看 出，如果忽略o l t ，o n u 自身的时钟系统随时间产生漂移，数字电路处理模块产生 的延时对于整个系统设备是一致的话，那么测距值的差异仅仅体现在光纤传输距离 的长短，0 n u 侧的光器件的响应特性以及o n u 的差异性工作环境对信号传输时延的 影响上。一般的e p o n 的覆盖半径为2 0 k m ，按照光纤的传输速率，往返的光路时间 延迟最大为约为：2 0 0 u s ，对应于6 2 5 m h z 的时钟而言为1 2 5 0 0 个计时颗粒 ( 2 0 0 * 6 2 5 = 1 2 5 0 0 ) 。如果加上上述其他因素的影响( 实际上非常小) ，正常工作情况 下不同0 n u 测距值