（通信与信息系统专业论文）以太无源光网络中的服务质量管理.pdf

摘要 摘要 近年来通信业得到了迅猛的发展，骨干网和高速局域网随着人们对带宽越来 越大的需求而不断升级，但是连接两者之间的接入网戍了整个网络的瓶颈。当前 广泛使用的宽带接入方案如x d s l 、h f c 很难为新兴网络业务如视频点播、v o i p 提供足够的带宽以及服务质量保证，所以需要一种新的接入网技术来满足今后用 户对带宽的需求。e p o n 是一种基于以太网的无源光网络，结合了以太网的广泛性、 易于升级和维护的优点以及光纤网的低成本大容量，成为下一代宽带接入网的最 佳候选技术之一。 由于以太网提供尽力而为的服务，不能保证不同业务的服务质量以及不同用 户的公平性；另外，e p o n 系统的拓扑结构是由多个o n u 采用时分复用方式共享 上行链路带宽。为了提高上行带宽的利用率，保证不同业务的q o s ，本文将对上 行带宽分配算法做详细讨论。 本文首先介绍接入网技术的发展状况和无源光网络的主要技术类型，以及 e p o n 系统的网络结构、o s l 分层模型，重点介绍e p o n 系统特有的m p c p 子层， 分析e p o n 系统对以太网数据帧所做的修改和新添加的e p o n 控制帧。同时对 e p o n 系统采用的q o s 管理策略做了详细的阐述，分析了报文分类方法、拥塞管 理策略、缓冲队列管理策略，对比了f i f o 队列、p q 队列和w f q 队列等几种主要 的队列特点，以及尾丢弃和主动队列管理a q m 的区别。 接下来重点分析目前已有的带宽分配算法，包括固定带宽分配算法和动态带 宽分配算法，在此基础上提出了一种高效的保证q o s 的固定周期的动态带宽分配 算法。此算法将带宽分配过程分为两部分，首先是o n u 之间的调度，即o l t 给 每个0 n u 分配带宽；其次是o n u 内部的调度，即o n u 将带宽分配给各个优先 级队列。通过o p n e t 软件仿真，验证了这种算法的有效性，并且对算法的改进提 出了一些意见。本文还对e p o n 系统的硬件原型平台做了简单分析，对o l t 端和 o n u 端的设计电路原理图，以及核心功能处理模块做了详细说明。本文的最后对 论文的工作和所得到的结论进行了总结。 关键词：接入网，以太无源光网络，服务质量，动态带宽分配 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h e f a s t d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y , b a c k b o n e n e t w o r ka n dh i g hs p e e dl a na r eu p d a t e dc o n t i n u o u s l yw i t hi n c r e a s i n gd e m a n do f b a n d w i d t h h o w e v e r ，t h ea c c e s sn e t w o r kc o n n e c t i n gb a c k b o n en e t w o r ka n dl a n b e c o m e st h eb o t t l e n e c ko ft h ew h o l en e t w o r k c u r r e n tb r o a d b a n da c c e s sm e t h o d ss u c h a sx d s la n dh f ca r ew i d e l yu s e d ，b u tt h e yc a nn o tp r o v i d es u f f i c i e n tb a n d w i d t ha n d q o sf o rn e wk i n d so fn e t w o r ks e r v i c e ss u c ha sv o d ，v o i pa n d s oo n ，e p o ns y s t e mi s ak i n do fp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kb a s e do ne t h e m e t e p o nh a sb e c o m eo n eo ft h eb e s t t e c h n o l o g i e si nt h en e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kb e c a u s e i th a sm a n y v i r t u e s ，s u c ha se a s yt ou p g r a d ea n do p e r a t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hb a n d w i d t h e t h e m e tp r o v i d e sb e s te f f o r ts e r v i c e ，w h i c hd o e sn o tp r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c ea n d e q u i t yf o rd i f f e r e n tu s e r st h et o p o l o g ys t r u c t u r eo f e p o ns y s t e mc o n t a i n sm a n yo n u s ， w h i c hs h a r eb a n d w i d t hi nt h eu p l i n kd i r e c t i o nu s i n gt d mm e t h o d s o ，b a n d w i d t h a l l o c a t i o ns c h e m ei sv e r yn e c e s s a r yf o re p o ns y s t e md u et or e q u e s t so fh i g h e ru p l i n k b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dq o sf o rd i f f e r e n ts e r v i c e s i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，c u r r e n ts i t u a t i o no ft h ea c c e s sn e t w o r ka n dt h e t e c h n i c a lo fp o na r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h e n ，t h ee p o ns y s t e ms t r u c t u r e ，o s ip r o t o c o l m o d e l ，e s p e c i a l l yt h em p c ps u b l a y e ra r ei n t r o d u c e d ，t h ee p o nc o n t r o lf r a m ea n dd a t a f l a m ec h a n g e df o r me t h e m e tf r a m ea r ea n a l y z e d a f t e rt h a t ，q o sm a n a g e m e n tm e t h o d s a r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gp a c k e tc l a s s i f i c a t i o n ，c o n g e s t i o nc o n t r o la n db u f f e rq u e u e m a n a g e m e n t s e v e r a lq u e u i n gp r i n c i p l e s a r e c o m p a r e ds u c h a sf i f oq u e u i n g ， p r i o r i t i z e dq u e u i n ga n dw e i g h t e df a i rq u e u i n g t a i ld r o pa n da c t i v eq u e u em a n a g e m e n t a r ea l s oi n t r o d u c e di n t h i sp a r t i nt h en e x tp a r to ft h i st h e s i s ，t h ee x i s t i n gb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r e d i s c u s s e di nd e t a i la tf i r s t ，i n c l u d i n gs t a t i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h ma n dd y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m t h e nan e wf i x e dc y c l ep o l l i n gd 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 mi sp r o p o s e dt os u p p o r tq o sa n di m p r o v eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o ni n e p o n t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc o n s i s t so ft w op a r t s ：o n ei ss c h e d u l i n gb e t w e e no l t a n do n u s a n dt h eo t h e ri ss c h e d u l i n gb e t w e e np r i o r i t yq u e u e si no n u s i m u l a t i o n i l 垒堕竺! r e s u l t sa n d p e r f o r m a n c e a r e p r e s e n t e da t t h ee n do ft h e p a p e ri n c l u d i n gp a c k e t e n d - t o e n dd e l a ya n dt h et h r o u g h p u to ft h e s y s t e m a tt h ee n do ft h i sd a r t a n a p p l i c a t i o np l a n i s p r o p o s e df o re p o ns y s t e m t h ed e s i g nd e s c r i b e st h ec i r c u i t d i a g r a m so ft h eo l ta n do n u ，w h i c hi st h ek e yp a r to ft h ew h o l ee p o ns v s t e mi nt h e e n do f t h i st h e s i s ，t h et a s ko ft h ep a p e ra n dr e l a t e dc o n c l u s i o n sa r es u m m a “z e d k e yw o r d s ：a c c e s sn e t w o r k ，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 ，q u a l i t yo fs e r v i c e 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 i i 缩略字表 a p o n a t m c a t v c o d a d s l e f m e p o n f s a n f t t b f t t c f t t h g f p g m i i g p o n h f c i e e e l t l l i d 缩略字表 a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e c a b i et e l e v i s i o n c e n t r a l0 f f i c e d e s t i n a t i o na d d r e s s d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k f u l ls e r v i c e sa c c e s sn e t w o r k f i b e rt ot h eb u i l d i n g f i b e rt ot h ec u r b f i b e rt ot h eh o m e g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c o l o i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k h y b r i df i b e rc o a x i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s l i n et e m a i n a t i o n l o g i c a ll i n ki d e n t i f i e r v l i a t m 无源光网络 异步传输模式 有线电视 中心机房 目的地址 数字用户环路 以太网第一公里 以太无源光网络 全业务接入网 光纤到大楼 光纤到路边 光线到户 通用成帧协议 千兆比媒质独立接口 千兆无源光网络 混合光纤同轴网 国际电信联盟 电气与电子工程师学会 线路终端 逻辑链路标识 型墼一 m a c m e d i aa c c e s sc 。n t r 0 1 媒体访问控制 m d i m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e 媒体相关接口 m p c p n t o a m od _ n o l t o n u p 2 p e p c s p m a p m d p o s q o s r t t s a s l a 代 t d m v o i p v o d w d m m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l 多点控制协议 n e t o w r kt e r m i n a t i o n o p e r a t i o n s ，a d m i n i s t r a t i o n ，a n d m a i n t e n a n c e o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i c a ll i n et e m l i n a i o p t i c a ln e t w o r ku n i t p o i n t - t o p o i n te m u l a t i o n p h y s i c a lc o d es u b l a y e r p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r q u a l i t yo fs e r v i c e s r o u n dt r i pt i m e s o u r c ea d d r e s s s e r v i c el e v e la g r e e m e n t t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g v o i c eo v e ri n l e m e tp r o t o c o l v i d e oo nd e m a n d w a v ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g v f i i 网络终端 运营、管理、维护 光分配网络 光线路终端 光网络单元 点到点仿真 物理编码子层 物理媒质附加( 子层) 物理媒质相关( 子层) 无源分路器 服务质量 往返时间 源地址 服务等级协议 传输汇聚( 子层) 时分复用 互联网电话 视频点播 波分复用 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 盏遏日期：矽d 占年3 月曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应 签名：盈缝 第一章引； 第一章引言 任何一种新技术的出现与发展都是与市场的需求以及原有技术的积累密切相 关的，接入网从以双绞铜线为代表的窄带技术发展到以p o n 为代表的宽带技术也 不例外。 i t u t 提出了接入网的概念，目的是综合考虑解决将本地交换机、用户环路 和终端设备通过有限的标准化接口，将各种用户接入到业务节点的问题。接入网 的前身就是电信网中的本地交换端局与用户电话之间的双绞铜线，主要用来传输 音频信号和低速数字信号。随着现代通信的发展，人们对高速数据、图像、视频 等多媒体业务的需求越来越多。骨干网和高速局域网随着人们对带宽的需求而不 断升级，但是连接两者之间的接入网没有得到很好的发展，成了整个网络的瓶颈。 所以，接入网技术将成为以后网络发展的一个亮点。 在接入网发展的最初阶段，人们主要考虑如何利用现有的网络资源，通过技 术升级来提供新兴业务。于是在2 0 世纪9 0 年代初出现了以铜缆技术为基础的接 入方式，如非对称数字用户线( a d s l ) 、高速数字线( h d s l ) 以及甚高比特速率 数字用户线( v d s l ) 。后来随着有线电视c a t v 网的普及，又出现了基于c a t v 网的混合光缆同轴网( h f c ) 。除此以外，电力线载波接入、无线接入也正在发展 之中。 以上方式都只能算是一些过渡性或者补充性的解决方案，最有前途的还是光 接入技术。无源光网络( p o n ) 采用光纤作为传输媒质，没有有源节点，具有对 业务透明、易于升级和运行维护费用低等优点，是通过单一平台综合接入语音、 数据、视频等多种业务的理想物理平台【l 】。本文介绍的e p o n 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，可以说，e p o n 技术已经成为未来接入网技术的发展方向。 本章首先简述接入网的发展，提出研究的基本问题和主要目标，最后，概述 论文结构和内容安排。 1 1 接入网技术 电信运营商通常把网络分成几部分：核心网( c o r en e t w o r k ) ( 即骨干网) 、接 1 电子科技大学硕士学位论文 入网( a c c e s sn e t w o r k ) 和用户驻地网( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ) 。核心网是指 服务供应商之间的网络；接入网通常指服务供应商和终端用户之间的网络，是终 端用户进入骨干网的桥梁，是信息传送通道的“最后一公里” i - 3 1 。 用户 用户 室内网 室内网 用户所在地用户交换网传送网交换网用户用户所在地 网络 接入网 接入网 网络 、 蚀u 硬 图1 1 接入网在通信网中的位置 i t u t 对接入网( a n ) 的定义是本地交换机与用户终端设备之间的系统，或 者说是在业务节点接口f s n 0 和与其关联的每一个用户网络接口( u n t ) 之间由提供 电信业务的传送实体组成的系统。接入网是多种设备与功能的统一体，一般包括 缆线设施和传输设备，可含有复用、交叉连接等传输功能，还有与u n i 有关的用 户端口功能、与s n i 有关的业务端1 ：3 功能以及核心功能( 如集线、电路仿真和通 路选择) 。接入网本身并不解释用户信令，也就是说接入网不受用户信令所控制。 在接入网中有3 种类型的接1 ：3 。s n i 是提供交换机与接入网之间的业务节点接 口，有对交换机的模拟接口( z 接口) 、数字接口( v 接口) 。用户网络接1 ；3 ( u n i ) 是终端设备与接入网之问的接口。最后种是接入网网管的q 3 接口。随着数字化 从核心网扩展到用户接入网，s n i 和u n i 也多样化了它们之间的传送实体也变 得更复杂了，i t u t 就专门制定了接入网的业务节点接口规范。s n i 统称为v 接 口，根据帧格式等而区分为v 1 v 5 ，其中v 5 又依据集线能力分为v 5 1 ( g 9 6 4 ) 与v 5 2 ( g 9 6 5 ) ，宽带则称为v b 5 1 和v b 5 2 。u n i 的类型也很多，i t u t 已经规 定的有i s d n 的t 接口和b i s d n 的t b 接口，实际上大量使用的还有t 0m b i t s 、 1 0 0m b i t s 和1 0 0 0m b i t s 咀太网接口。 接入网支持的业务类型除了原有的电话业务和低速数据业务以外，还包括最 近发展很快的宽带业务，如视频点播业务( v o d ) 、交互式图像游戏、交互式图像 业务、远程教育、可视电话业务、v o i p 业务等。 2 第一章日i 吉 1 i 2 数字用户线路 数字用户线路h 1 ( d s l ) ：能以6 4k b i t s 5 0m b i t s 的速率经双绞线传输数据和 语音信号。d s l 有以下几种不同的实现技术。统称x d s l ：非对称数字用户线 ( a d s l ) 、高速数字用户线( h d s l ) 和甚高频数字用户线( v d s i ) 。 a d s l 采用特殊的调制技术将传统电话线使用的o 4k h z 的带宽增加到 1 1 m h z ，在一对电话线上同时传送一路高速下行数扪、一路较低r 行速率数据和 一路模拟电话，各信号间采用频分复用方式占用不同频带。a d s l 的上行数据速率 是1 6k b i t d s 6 4 0k b w s ，下行数据速率是1 5mb i t s 8m b i t s ，并且数据速率的大 小依赖用户和电话交换机之间的距离。a d s l 的最大特点是无须改动现有网络设施 就能提供宽带业务，主要缺点是对线路的苛刻要求，与同轴电缆和光纤相比，传 输带宽和传输距离受到限制。 h d s l 是x d s l 中发展最成熟的技术是在无中继的用户环路网上使用无负载 电话线提供高数字接入的传输技术，可以为用户提供2m b i t j s 的速率，可在任意双 绞线上传输，可无中继运行，距离达3 5k m 。主要用于替代传统的t 1 e i 接入技 术。 v d s lu r 以在很短的双绞线上传输比a d s l 更高的速率在3 0 0m 以内的距 离v d s l 下行速率最高可达5 0m b i t s 。v d s l 系统中的上下信道频谱是利用频分 复用拄术分开的，上下行速率也是不列称的。v d s l 技术在实际的接人应用中使用 得比较少。 1 1 3 混合光纤同轴网 h f c ( h y b r i d f i b e r c o a x ) 网是以现有的c a t v 网为基础开发的一种同轴电 缆光纤混合嘲，可以提供图像、语音、数据和其它交互型业务，被称为全业务网。 h f c 的主干部分采用光纤，用光分配器将光信号分配到各个服务区，在光节点处 完成光，电转换再用同轴电缆将信号分至用户家中。h f cf 行传输速率根据调制 方式不i j 可以达到2 7m b i t j s 5 6m b i f f s ，上行传输速率u 以达到1 0m b i t s 。 h f c 频谱的划分一般在低频端的5 3 0m h z 用于上行通道，即回传通道，主 要用来传输电话信号。5 0m h z 到1 0 0 0m h z 频带用于b - w 信道，其中5 0m h z 5 5 0 m h z 频段用来传输现有的模拟c a t v 信号，每一通路的带宽为6 8m h z ：5 5 0 m h z 7 5 0m h z 频段允许用来传输附加的模拟c a t v 信号或数字c a t v 信号：高 端的7 5 0m h z 1 0 0 0m h z 仅用于各种双向通信业务。 端的7 5 0m l l z 1 0 0 0m h z 仅用于各种双向通信业务。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 1 4 无线接入技术 无线接入j6 j 是指从公用电信网的交换节点到用户驻地网或用户终端之间的全 部或部分传输设备采用无线手段的接入技术，即用无线传输代替接入网的全部或 部分，向用户终端提供电话和数据服务。无线接入技术具有很多优点：无线接入 网应用灵活，适应性强，可以提供一定程度上的移动性，可以克服自然环境的限 制。 无线接入方式的分类方法有很多，根据多址方式可分为f d m a 、t d m a 、 c d m a ：根据用户是否移动可分为固定无线接入和支持用户低速移动的移动无线 接入：根据所使用的网络技术可分为蜂窝、无绳电话、集群以及卫星等接入方式。 1 1 5 光纤接入技术 光纤接入网( o a n ) 是用光纤作为传输媒质来实现接入网的信息传输功能。 光纤接入网从技术上可分为两大类：有源光网络( a o n ) 干n 无源光网络( p o n ) 。有源 光网络又可分为基于s d h 的a o n 和基于p d h 的a o n ；无源光网络可分为窄带 p o n 和宽带p o n 。根据光纤深入用户的程度，光纤接入网可以划分为5 种不同的 类型；光纤到路边( f t t c ) 、光纤n d , 区( f t t z ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到 办公室( f t t o ) 和光纤到家( f t t h ) ，它们统称为f t t x 。 光纤接入网中光线路终端( o l t ) 与业务节点相连，光网络单元( o n u ) 与用户 连接。光纤接入网包括作为远端设备( r e ) 的o n u 和作为局端设备( c e ) 的o l t ， 它们通过传输设备相连。o l t 和o n u 是光纤接入网的主要组成部分，完成从业务 节点接口到用户网络接口之间有关信令协议的转换。接入设备具有本地维护和远 程集中监控功能，并通过相应的网管协议纳入网管中心统一管理。 有源光网络的局端设备和远端设备通过有源光传输设备相连，传输技术采用 s d h 和p d h 技术，以s d h 技术为主。远端设备主要完成业务的收集、接口适配、 复用和传输功能；局端设备主要完成接口适配、复用和传输功能，此外还向网元 管理系统提供网管接口。 1 2 无源光网络p o n 介绍 无源光网络 7 】是指在o l t 和o n u 之间的光分配网络( 0 d n ) 没有任何有源电子 4 第一章引言 设备，全部由光分路器( s p l i t t e r ) 等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低。 p o n 包括基于a t m 的a p o n 和基于i p 的e p o n 以及g p o n 。 p o n 主要由o l t 、o d n 和o n u 三部分组成。o l t 位于接入网的局端，为光 接入网提供网络侧和本地交换机之间的接口，并通过o d n 与用户端的o n u 通信。 o l t 分离交换与非交换业务，为自身和o n u 提供维护和配置功能。o d n 为o l t 和o n u 之间的光传输手段。o n u 位于接入网的远端，为光接入网提供用户端接 口并终结来自o l t 的光纤，完成网络侧光接口和用户侧电接口之间的光电和电 光转换功能、信号处理、复用和维护管理功能。p o n 技术是一种点对多点的光纤 传输和接入技术，下行采用广播方式，上行采用时分多址方式，可以灵活地组成 树型、星型、总线型等拓扑结构。在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个 简单的无源光分路器，光信号在传输过程中不再经过放大和再生，网络的分路由 光分路器来实现。 u n l n n l 用户侧接口 网络侧接口 图1 - 2p o n 结构模型 p o n 技术的概念是2 0 世纪9 0 年代初提出的，经过十多年的发展，p o n 技术 经历了从窄带p o n 到b p o n ( a t mp o n ) 再到e p o n 以及g p o n 的发展过程。 a p o n 的标准是i t u t 推出的g 9 8 3 系列，e p o n 标准是i e e e 推出的8 0 2 3 a h ， g p o n 标准是i t u t 推出的g 9 8 4 系列。下面分别介绍这三种技术。 最初提出的是以a t m 技术为基础的宽带p o n ，即a p o n 8 - 9 1 。i t u t 在1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年正式通过了g 9 8 3 1 、g 9 8 3 2 、g 9 8 3 3 协议，完成了对a p o n 的规范。a p o n 物理层采用p o n 的网络拓扑结构，数据链路层采用a t m 协议。 a p o n 的典型网络拓扑结构为星型结构，线路速率是下行6 2 2m b i t s 、上行1 5 5 m b i f f s 。 在下行方向，由a t m 交换机来的a t m 信元先送给o l t ，o l t 以广播方式将 信元发送给所有o n u ，每个o n u 可以根据收到信元的标识符判断是否是发送给 自己的信元，如果是就发送给用户端。在上行方向上，由o l t 轮询各个o n u ，得 e 电予科技火学硕士学位论文 到o n u 的上行带宽请求，然后给每个o n u 分配带宽。o n u 采用时分多址的方式 向o l t 发送信元。 i p 技术的不断完善使得a t m 技术逐渐退出了市场。在这种背景下，基于i p 技术的新的p o n 标准便提出来了，其中一个是由i t u - t 负责制定的g i g a b i t p o n ( g p o n ) 标准，另一个是由i e e e 8 0 2 3 a h 工作组负责制定的e t h e r n e tp o n ( e p o n ) 标准。i t u t 在2 0 0 3 年颁布了g , 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 和g 9 8 4 3 ，并于2 0 0 4 年4 月颁布 了g 9 8 4 4 ，完成了g p o n 的标准化工作。而e f m 也在2 0 0 4 年6 月正式发布了 e p o n 的相关标准8 0 2 3 a h 。 g p o n 最大的特点是基于一个全新的t c 层( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e r ) ， 采用g f p ( g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c 0 1 ) 将各种业务映射到物理层。在1 2 5 9 s 的帧周期 内将任意类型的业务进行g f p 封装。所以g p o n 能很好地支持多种协议和业务， 包括以太网、a t m 、t d m 、p o t s 、m p e g 等。 g p o n 支持多种速率等级，下行方向支持1 2 4 4o b i t s 和2 4 8 8g b i t s ，在上行 支持1 5 5m b i t s ，6 2 2m b i t s ，1 2 4 4g b i t s ，2 4 8 8g b i t s 。g p o n 可支持长达2 0k m 的传输距离和6 4 个o n u 。g p o n 标准规定t c 子层可以采用a t m 和g f p 两种封 装方式。g p o n 能以原有格式和极高的效率传送多种业务。 1 3e p o n 技术介绍 e p o n 1 0 - 】l j 与a p o n 相比，上下行传输速率比a p o n 高，达到1 2 5g b i t s 。e p o n 采用以太网帧结构，遵从i e e e 8 0 2 3 协议，帧的长度最大可以达到1 5 1 8 字节，而 a p o n 的数据传输遵从a t m 协议，帧的长度是固定的5 3 字节，包括4 8 字节的净 荷和5 字节的帧头。在下行方向上，e p o n 采用广播方式发送数据帧，每个帧头的 标识符唯一地标识了数据所要到达的特定o n u ；上行方向上，根据o l t 的授权， o n u 采用时分多址技术向o l t 传输数据。 e p o n 技术具有显著的优点：采用基于i p 的以太网技术，而以太网使用广泛， 其相关器件、设备价格低；运营维护成本低，o l t 与o n u 之间仅有光纤、光分路 器等光无源器件，无需配备电源，因此可有效节省运营维护成本；接入距离远， e p o n 可以达到2 0 k m 的传输距离，避免了传统传输介质的距离瓶颈问题；支持各 种以i p 技术为基础的网络服务，推动电视网、电信网、互联网三网融合；可以为 用户提供几十兆至几百兆的上下行对称带宽，可以满足宽带上网、视频点播、在 线游戏、可视电话等各种业务的带宽需求。e p o n 系统的结构将在第二章具体介绍， 6 第一章引言 e p o n 、g p o n 和a p o n 三种技术的主要参数的比较见表1 - 1 。 表1 - 1e p o ng p o na p o n 主要参数列表 i e e ee p o nl t u tg p o ni t u ta p o n 下行线路速率( m b i t s ) 1 2 5 01 2 4 4 2 4 8 81 5 5 6 2 2 1 2 4 4 上行线路速率( m b i t s ) 1 2 5 0】5 5 6 2 2 1 2 4 4 2 4 8 8 1 5 5 6 2 2 线路编码 8 b 1 0 b n r zn r z 最小分路比( t cl e v e l ) 1 6 6 43 2 最大分路l t ( t cl e v e l ) n a1 2 8 6 4 t c 层支持最大逻辑 0 5m 1 0k m 2 0k m2 0k m 传输距离 0 5 m 2 0k m 数据链路层协议 e t l l e r n e t e t h e r n e t 和a t ma t m p o n 支持最大业务流取决于每个o n u 4 0 9 6 2 5 6 的l l i d 个数 下行数据流加密 未定义 a e s a e s 1 4e p o n 中存在的问题 e p o n 存在两个主要的问题，首先是传输效率低，其次是难以支持以太网之外 的业务，当遇到实时业务时，会引起q o s 问题。 e p o n 传输效率低，首先是因为e p o n 使用8 b 1 0 b 编码作线路码，其本身就 引入2 0 的带宽损失，1 2 5g b i t s 的线路速率编码后只有1g b i t s 。而a p o n 和 g p o n 系统都使用n r z 编码作线路码，只改变码，不增加码，所以没有带宽损失。 其次e p o n 的带宽利用率还与其采用的带宽分配机制相关，如轮询周期、问隔时 间( g u a r dt i m e ) 以及未用时隙大小( u n u s e ds l o tr e m a i n d e r ) 。 e p o n 是基于以太网的技术而以太网采用尽力而为( b e s te f f o r t ) 的机制，对 实时业务和t d m 业务很难提供q o s 的保证。所以在设计e p o n 系统时，就必须 考虑对多业务的支持。 皇士型丝查堂堡主堂垡望塞 i 5 课题来源及本文主要工作 1 5 1 课题来源 “e p o n 系统的研究和实现”是四川汇源光通信公司研发中一心设立的研究课 题，研究成员包括四川汇源光通信公司技术总监聂为清博士，四) l l _ 7 e 源光通信公 司研发中一心宋昌林博士、余健工程师，电子科技大学通信学院光纤重点实验室研 究生6 人，共9 人。 课题组从2 0 0 4 年7 月起开始进入第一期研发，到2 0 0 6 年1 月结束。论文的 主要工作是在2 0 0 4 年7 月到2 0 0 5 年6 月期间完成的。 1 5 2 论文主要工作 论文主要完成了以下工作： 1 ) 对e p o n 系统结构、帧结构以及o s i 模型层次作了详尽的分析： 2 ) 对e p o n 系统采取的q o s 机制作了仔细讨论； 3 ) 分析现有e p o n 上行接入算法，提出一种能够保证系统q o s 、提高带宽利 用率的动态带宽分配算法，并通过仿真实验证明此算法的可行性和有效性。 1 6 论文结构及内容安排 第一章简述了论文工作的研究背景，介绍了接入网几种类型，分析了a p o n 、 e p o n 、g p o n 的异同，并阐述了本论文的课题来源、主要工作及论文结构。 第二章详细介绍了e p o n 系统的结构，讨论了并讨论了e p o n 的协议参考模 型、工作原理以及e p o n 的帧结构。 第三章详细分析了e p o n 中q o s 的机制，对e p o n 支持的q o s 模型、拥塞管 理、报文分类、缓冲队列管理等机制做了详细分析。 第四章分析了现有的e p o n 上行接入算法，在充分考虑e p o n 的q o s 问题以 及带宽利用率问题的基础上，提出新的固定轮询周期动态带宽分配算法。 第五章分析了e p o n 系统的q o s 性能，在o p n e t 软件建立的e p o n 仿真环 境下对算法进行仿真，分析了仿真结果，提出了改进的意见。 第六章是全文总结及未来研究方向。 第二章e p o n 系统结构 2 1e p o n 结构介绍 第二章e p o n 系统结构 e p o n 技术结台了以太网和无源光网络的优点，即采纳了以太网灵活组网的优 点，又突出了p o n 的点到多点拓扑结构的特点。 2 1 1e p o n 系统结构 和其它p o n 结构一样，e p o n 也是由o l t 、o n u 以及o d n 等单元构成的点 到多点系统。图2 1 显示了e p o n 可能的网络结构，根据o n u 所在位置的不同， 可以组网成光纤到户( f t t h ) 、光纤到大楼储边f f t t b c ) 、光纤到交换箱( f t t c a b ) 等。 图2 1e p o n 网络结构 为了保证e p o n 系统的兼容性和互通性，厂商生产的设备应该符合我国对 e p o n 系统的标准：接入网技术要求基于以太网方式的无源光网络( e p o n ) ， 具体说明如下： e p o n 系统采用单纤双向系统，上行使用1 2 6 0n m 1 3 6 0r i m 波长，下行使用 1 4 9 0m 1 5 0 0n m 波长，如果实现c a t v ，则可以使用1 5 5 0m 1 5 6 0n l i l 波长。 在f t t h 网络结构中，e p o n 的s n i 必须支持g e 接口，同时还应该支持e 1 9 电子科技大学硕士学位论文 和v 5 2 接口中的一种，可选支持1 0 1 0 0 b a s e t 接口；而u n i 必须支持 i o i o o b a s e t 接口，同时还需要支持e l 接口、z 接口、z a 接口中的一种，可选 支持g e 接口。g e 接口可以是1 0 0 0 b a s e l x 、1 0 0 0 b a s e s x 、1 0 0 0 b a s e c x 和 1 0 0 0 b a s e t 接口中的一种或多种，均符合i e e e8 0 2 3 的相关规定。 e p o n 系统可能承载的业务类型包括i p 业务、t d m 业务和c a t v 业务等，其 中t d m 业务包括语音业务和数据专线业务( 2 0 4 8k b i l l s 或n 6 4k b i t s 数据业务) 。 对于