（通信与信息系统专业论文）分布式epon接入结构及dba算法的研究与仿真.pdf

武汉邮电科学研究院硕士学位论文 摘要 勰嗍嬲豳豳删硼勰鞠馥 y 19 9 6 7 4 3 光纤接入网是近年来电信技术界及运营业共同关注的热点。光纤到户是最终 目标，无源光网络是实现这一目标的理想技术之一。其中，基于以太网的无源光 网络技术代表了国际上光纤接入网的最新发展趋势。目前，基于以太网无源光网 络的接入结构主要采用局端集中控制远程接入的集中式结构，为了能够更好的实 现e p o n 多业务承载，更好的支持d b a 算法，从而提高e p o n 上行信道的带宽 利用率并保证q o s ，本文提出了“分布式e p o n 接入结构及d b a 算法研究”这一 课题。主要研究内容如下： 1 分析了目前典型的e p o n 集中式接入结构及其工作机制，说明了该接入 结构及支持该结构的上行带宽分配工作机制存在的问题，在此基础上，提出了对 该接入结构进行改进的一种方案，即分布式e p o n 接入结构，并对这两种接入 结构进行了对比分析。 2 研究了分布式e p o n 接入结构的工作原理。该结构通过在o d n 中引入一 种星型连接器来支持分布式的网络，从而可以实现o n u 之间的互通；同时，该 结构中上行信道时隙分配的仲裁权利交给o n u 自己完成，能够更好支持多业务 承载的q o s 。在这一研究工作的基础上，说明实现分布式e p o n 接入结构需要 解决控制周期时隙分配和等待周期时间利用两个关键问题。 3 为了研究支持分布式e p o n 接入结构的d b a 算法，对e p o n 系统的上行 带宽分配调度机制和典型的d b a 算法进行了理论研究。重点研究了e p o n 上行 通信的工作机制与特征，e p o n 远程调度系统的报告与授权机制，带宽授权实体 的构成、o n u 的多l l i d 技术以及具有动态带宽分配方案的自适应循环时间的 交错轮询( p a c t ) 算法。 4 针对分布式e p o n 接入结构需要解决的关键问题，对i p a c t 的d b a 算 法做了改进，设计出了适合于分布式e p o n 结构的d b a 算法。主要设计工作包 括支持o n u 顺序的d b a 算法设计和支持剩余带宽利用的d b a 算法设计。最后， 对分布式e p o n 结构的d b a 算法进行了仿真实验，实验结果表明，分布式e p o n 结构的d b a 算法比集中式e p o n 结构的d b a 算法具有更好的性能。 关键词：以太网无源光网络；动态带宽分配；分布式调度算法；多点控制协议 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a la c c e s sn e t w o r ki sah o ts p o to fc o m m o ni n t e r e s ti nt h ef i e l do f t e l e c o m m u n i c a t i o na n do p e r a t i o nr e c e n t l y f i b e rt ot h eh o m ei st h ef i n a lg o a l ， p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ki so n eo ft h ei d e a lt e c h n o l o g i e st or e a l i z et h a t , a n de t h e m e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kr e p r e s e n t st h el a t e s td e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea t c 7 , c s s n e t w o r k a tp r e s e n t , e t h e m e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ka c c e s sa r c h i t e c t u r e m a i n l yu s e st h es t r u c t u r eo fc e n t r a l i z e dc o n t r o lo fr e m o t ea c c e s st oc e n t r a lo f f i c eo f t h ec e n t r a l i z e ds t r u c t u r ea r c h i t e c t u r e ，i no r d e rt ob e t t e rs a 矗s f ye p o nm u l t i s e r v i c e d e m a n da n ds u p p o r td b a a l g o r i t h m , s oa st oe n h a n c et h ee p o nu p s t r e a mc h a n n e l b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dt oe n s u l q o s ，i nt h i sp a p e r , ”d i s t r i b u t e de p o na c c e s s a r c h i t e c t u r ea n dd b aa l g o r i t h mr e s e a r c h ”t h i st o p i c t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 a n a l y s i so ft h ec u r r e n tt y p i c a le p o na c c e s sc 2 n t r a l i z e da r c h i t e c t u r ea n d w o r k i n gm c g ：h a n i s m s h o w st h a tt h ea c c e s ss t r u c t u r ea n ds u p p o r tf o rt h es t r u g t u r co f w o r k i n gm e c h a n i s mo fu p s t r e a mb a n d w i d t ha l l o c a t i o np r o b l e m s ，o nt h i sb a s i s ，t h e p r o p o s e da r c h i t e c t u r et oi m p r o v et h ea c c e s so fap r o g r a m , t h a ti sd i s t r i b u t e de p o n a c c e s ss t r u c t u r e ，a n dt h i st w ot y p e so fa c c e s sa r c h i t e c t u r ea n a l y z e d 2 d i s t r i b u t e de p o na c c e s sa r c h i t e c t u r et os t u d yt h es t r u c t u r ew o r k s t h e s t r u c t u r eo fo d n t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no f as t a rc o u p l e rt os u p p o r tt h ed i s t r i b u t e d n e t w o r k , s ot h a tw ec a na c h i e v ei n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e no n u ；t h es a m et i m e ，t h e s m l c t u r eo fu p s t r e a mc h a n n e ls l o ta u o c a t i o no ft h ea r b i t r a t i o nr i g h tt oo w no n u c o m p l e t e d , m o r et os u p p o r tm u l t i s e r v i o fq o s i nt h i ss t u d y , b a s e do nt h e r e a l i z a t i o no fd i s t r i b u t e de p o na c c e s sa r c h i t e c t u r en e e dt oa d d r e s st h ec y c l eo fs l o t a l l o c a t i o na n d 墩o fc y c l et i m et ow a i tf o rt w ok e yi s s u e s 3 i no r d e rt os t u d yt h es u p p o r ts t n l c m 他o ft h ed i s t r i b u t e de p o na c c e s sd b a a l g o r i t h m , o nt h ee p o ns y s t e mu p s t r e a mb a n d w i d t ha l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n g m e c h a n i s mt y p i c a ld b aa l g o r i t h mt h e o r e t i c a lr e s e a r c h f o c u s e do nt h ew o r ko f e p o n u p l i n kc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，e p o nr e m o t ed i s p a t c h 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 s y s t e mr e p o r t i n ga n dl i c e n s i n gm e c h a n i s m , t h ec o m p o s i t i o no fe n t i t i e sa u t h o r i z e d b a n d w i d t h , o n um u l t il l i dt e c h n o l o g ya sw e l l 嬲d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n p r o g r a ma d a p t i v ec y c l et i m eo f t h es t a g g e r e dp o l l ( i p a c t ) a l g o r i t h m 4 d i s t r i b u t e de p o na c c e s ss t r u c t u r ef o rt h en e e dt oa d d r e s st h ek e yi s s u e so ft h e d b a a l g o r i t h mi p a c tm a d ei m p r o v e m e n t st od e s i g ns u i t a b l ef o rd i s t r i b u t e de p o n s t r u c t u r ed b a a l g o r i t h m t h em a i nd e s i g nw o r k ，i n c l u d i n gs u p p o r tf o ro n uo r d e r d b a a l g o r i t h md e s i g na n ds u p p o r to ft h er e m a i n i n gb a n d w i d t hu s ed b aa l g o r i t h m d e s i g n f i n a l l y , d i s t r i b u t e de p o ns t r u c t u r ed b aa l g o r i t h ms i m u l a t i o n , e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e dd b a a l g o r i t h me p o nt h a nc e n t r a l i z e d e p o ns t r u c t u r ed b a a l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ke t h e m e t ；d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ；m u l t i - p o i n te o n t r o lp r o t o c o l ； 1 1 选题背景 第1 章绪论 目前，电信骨干网持续发展，但接入网进展不大。“最后一英里”仍是大容量 局域网和骨干网之间的瓶颈，而且解决这一问题的呼声越来越高。为了突出它的 优先地位与重要性，以太网圈子的人已经把“最后一英里”这一网络段改称为“第 一英里”。第一英里连接服务提供商中心局与企业及住宅用户，也称用户接入网 或本地环路，它是街区一级的网络基础设施。宽带的第一英里接入方案不仅能提 供丰富的互联网服务与应用，而且在价格上还要与现有网络相当。 目前最常使用的宽带接入是数字用户线和电缆调制解调器( d s l ) 。传统电 话公司采用技术能提供的速率为1 2 8 k b i t s 1 5 m b i t s ，比调制解调器快了许多， 但还称不上真正的宽带，因为它不能综合支持话音、数据和视像，而且传输距离 小于5 5 k i n ( 在美国只有6 0 左右的用户线比这个短) 。因此网络运营商不得不 在靠近用户的地方架设远端数字用户线接入复用设备。通常，因为成本太高，服 务提供商不为到中心局距离大于几英里的用户提供服务。有线电视公司采用混合 光纤铜缆和技术，在摄像头端或集线器与路边光节点之间用光纤，从路边光节点 到用户的最后一段用同轴电缆。每一光节点的有效数据吞吐量小于3 6 m b i t s ，一 般要供2 0 0 0 个家庭分享，在高峰期间速度很慢。 然而，和技术实际上不能满足将来的用户需求，因为它们都是利用原有为电 话或电视设计的基础设施来传数据，不是最佳的技术。因此，需要有新的技术彻 底解决这一带宽瓶颈问题，它要经济、简单、可扩展，能向最终用户综合提供话 音、数据和视频服务，而且这种技术必须是以数据为核心的解决方案，并对数据 业务是最优的，诸如话音和视频等业务将融入数据流中。现在，以太无源光网络 被视为能满足上述要求的下一代接入网的最佳技术，它代表了低成本高带宽以太 网设备与低成本光纤网的融合。 a p o n 是数据链路层，技术与物理层技术相结合的光接入网技术，被认为是 当时的最佳结合。然而，随着碑这几年的崛起和发展，由于a t m 不敌以太网而 导致a p o n 的发展受阻，针对这一问题有人提出了e p o n 的概念和实施方案， 即在与a p o n 类似的结构和的基础上，设法保留a p o n 的精华部分即p o n 物理 层，而用以太网代替作为数据链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成 本和更宽业务能力的新的结合体。这一思想已经在以太网界获得积极响应。2 0 0 0 年1 1 月，i e e e s 0 2 3 通过成立第一英里以太网研究组的方式开始了e p o n 的标 准化工作，最初6 9 个公司参与这一领域的工作，后来发展为1 0 0 多家公司，工 作组的目的是在现有i e e e 8 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。i e e e 8 0 2 3 a h 协议于2 0 0 4 年7 月正式完成。 从的结构上看，其关键是消除了复杂而昂贵的a t m 和s d h 网元，从而极 大地简化了传统的多层重叠网络结构，也消除了伴随多层重叠网络结构的一系列 弱点。总结起来，e p o n 相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个方面： 与现有以太网的兼容性以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。 e p o n 只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。考虑到 以太网的市场优势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之一。 高带宽：上下行信道速率为1 g b i f f s ，这比目前的接入方式，都要高得多。 低成本：首先，由于采用p o n 的结构，e p o n 网络中减少了大量的光纤和 光器件以及维护的成本。其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维 护使e p o n 具有a p o n 所无法比拟的低成本。 1 2e p o n 技术的研究现状及发展趋势 e p o n 是基于千兆以太网的无源光网络技术，是光纤接入网的重要解决方案 之一，具有良好的市场发展空间，随着e p o n 国际标准i e e e 8 0 2 3 a h 的正式发 布，e p o n 进入到快速发展阶段，产业链已经日趋成熟。同时，以i p t v 为代表的宽 带应用的迅速普及，f t r 的商用化步伐将不断加快，从而为无源光网络市场的发 展带来广阔的空间。 e p o n 系统主要由光线路终端( o l t ) 、光分布网( o d 、光网络单元( o n u ) 和网元管理系统( e m s ) 组成。o l t ( o p f i e a ll i n et e r m i n a l ) 放置在中心局端c o ，可以 是一个交换机或者路由器，它分配和控制信道的连接，并具有实时监控、管理及维 护功能。e p o n 采用点到多点的分布结构，在下行方向，多种业务信号通过光纤传 输到中心局( c o ) ，然后被o l t 经光分配器( o b d ) 无源地分配到o n u 单元，经过 o n u 的光电转换和信号处理后为用户服务，采用的是广播方式。在上行方向一般 2 采用波分多址( w d m a ) 技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的 波长。在c o 端用e m s 来管理e p o n 的不同网元并且提供和运营商骨干操作网 的接口。e m s 可提供全程错误报警、配置、统计以及安全性等功能。 宽带p o n 当前已经标准化的是i t u t 于1 9 9 8 年推出的a p o n 的相关建议 g 9 8 3 ，2 0 0 3 年1 月i t u t 通过的g p o n 的相关建议g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 和q 9 8 4 3 ， 以及2 0 0 4 年6 月通过的i e e e 8 0 2 3 a h 即e p o n 。 a p o n 是2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的，通过利用a t m 的集中和统计复 用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使成本比传统的、以电 路交换为基础的p d h s d h 接入系统降低2 0 - 4 0 。 g p o n 是i t u 提出的g 比特级的无源光网络。1 1 u 在2 0 0 3 年正式通过并颁 布了g p o n 标准系列中的三个标准：g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 和g 9 8 4 3 。由于g p o n 标准是i t u 在a p o n 标准之后推出的，因此g 9 8 4 标准系列不可避免的沿用了 g 9 8 3 标准的很多思路。g p o n 与e p o n 都是干兆比特级的p o n 系统，与e p o n 力求简单的原则相比，g p o n 更注重多业务和q o s 保证，因此更受运营商的青 睐。但由于g p o n 标准复杂且开发较晚，技术尚不成熟，因此目前g p o n 产品 还未到商品化阶段。随着d 技术的不断完善，大多数的运营商已经将口技术作 为数据网络的主要承载技术。由此也衍生出大量以以太网技术为基础的接入技 术。同时由于以太技术的高速发展，使得a t m 技术完全退出了局域网。因此把 简单经济的以太技术与p o n 的传输结构结合起来的e t h e m e to v e ! rp o n 概念，自 2 0 0 0 年开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。在i e e e 8 0 2 3 e f m ( e t h e m e tf o r t h ef i r s tm i l e ) 会议上，加速了e p o n 的标准化工作。i e e e 提出的e p o n 实现方 案是：在与a p o n 类似的结构和g 9 8 3 的基础上，设法保留a p o n 的物理层 p o n ，而以e t h e m e t 技术代替a t m 技术作为数据链路层协议，构成一个可以提 供更大带宽、更低成本和更强业务能力的新的结合体e p o n 。 2 0 0 4 年6 月，i e e e 8 0 2 3 a h 标准正式被i e e e 标准协会批准。a p o n 、g p o n 和e p o n 的结构图如图1 1 所示。三者相同之处就是物理层，都是p o n - p h y ， 不同之处则是数据链路层，e p o n 的数据链路层是以太网8 0 2 3 ，a p o n 的数据 链路层是a t m ，g p o n 从a p o n 演化而来，其数据链路层采用g f p ( c , e n e r i e f r a m i n gp r o c e d u r e ) ，g f p 已经被1 1 - 【j t 正式标准化为g 7 4 0 1 。 3 心o n b p o ng p o ne p o n 一 一 龠 习 行i e n ir 琢矽彳而杰 d 、一 v o i p 、。7、=三yv o i p 、一一 - , i t i= y v o i p 、一一 q n n 气， 、 i t c p + u d p t c m i d pt i 删7 d p i pi pi p tt 以太网以太同 1r 1 t 1r 1r 阻l 眦】 a l l 5 【p w e 31 1r 1r 1r 1r ， 1r a - n “a t m g f p 1 以太网 p o n 删物理层 图i ia p o n 、e p o n 、g p o n 的结构图 从系统上行传输总带宽中减去各种系统运行开销就是上行可用带宽。它与系 统中包含的o n u 数量、d b a ( 动态带宽分配) 算法的轮询周期、承载业务的类 型以及各业务所占比例等都有很大关系。 下面将分别计算e p o n 和g p o n 在包含3 2 个o n u ，轮询周期为7 5 0 s 的情 况下，承载纯m 业务时的上行可用带宽。e p o n 的上行线路速率是1 2 5 g b i t s ， 因为采用了8 b 1 0 b 线路编码，每1 0 b i t 中有8 b i t 有效数据，所以其有效上行传 输总带宽为1 g b i t s ，即1 0 0 0 m b i f f s 。e p o n 上行的系统运行开销及其占总带宽的 比例如下：用于突发接收的物理层开销：约3 5 ；以太网帧的封装开销：约7 4 ；c p ( 多点控制协议) 和o a m ( 运行管理维护) 协议开销：约2 9 ；d b a 算法造成的剩余时隙( 即不足以传输一个完整以太网帧的时隙) 浪费：约0 6 ； e p o n 上行总开销为上述开销之和，约为1 4 4 m b i t s ；可用带宽约为8 5 6 m b i t s ( 艮p 1 0 0 0 m b i t s - - 1 4 4 m b i t s ) 。上行线路速率为1 2 4 4 g b i t s 的g p o n ，采用n r z 编码， 上行总带宽为1 2 4 4 g b i t s ，即1 2 4 4 m b 矾g p o n 上行的系统运行开销及其占总带 宽的比例如下：用于突发接收的物理层开销：约2 0 ；g e m ( g p o n 封装方法) 帧和以太网帧的封装开销：约5 8 ：p l o a m ( 物理层运行管理维护) 协议开销： 约2 1 ；d b a 算法剩余时隙引入额外的封装开销( g p o n 中允许分割帧，当剩 余时隙不足以传输一个完整的以太网帧时，该以太网帧可以被分割成多个g e m 帧传输，但每段分割的帧都要再额外增加一个新的g e m 帧头) ：约o 8 ；g p o n 4 上行总开销为上述开销之和，约为1 3 3 m b i t s ，可用带宽约为1 1 1 1 m b i t s 。这中 间的差异主要有3 个方面原因构成：第一，e p o n 延用了e t h e m e t 的8 b 1 0 b 物理 层的编码方式，导致了2 0 的开销。其次，物理层突发发射、接收的参数不同， g p o n 对于突发发射、接收的开销有严格的规定，对于上行1 2 4 4 g 的g p o n 其 开销为1 2 字节，而e p o n 没有定义严格的突发开销，只定义了激光器开关时间 ( 5 1 2 n s ) 以及o l t 侧光功率恢复时间4 0 0 n s ，因此e p o n 的突发开销在1 2 5 字节 以上。最后，e p o n 为了简化设计、保证e t h e m e t 的兼容性，不进行数据报的分 割，即上行带宽不足以发送完整的数据报时，丢弃带宽。而g p o n 利用g e m 实 现数据分割，接收侧重组数据，不存在此类问题。 e p o n 的标准是i e e e 的8 0 2 3 a h ，标准中定义了e p o n 的物理层、c p ( 多 点控制协议) 、o a m ( 运行管理维护) 等相关内容。i e e e 制定e p o n 标准的基 本原则是尽量在8 0 2 3 体系结构内进行e p o n 的标准化工作，最小程度地扩充标 准以太网的m a c 协议。这就最大程度地继承了以太网经过长期、大规模实践检 验积累下来的宝贵技术经验。g p o n 的标准是i t u t g 9 8 4 系列标准，规定了 g p o n 的物理层、t c 层和o a m 相关功能。g p o n 标准的制订考虑了对传统t d m 业务的支持，继续采用1 2 5 s 固定帧结构，以保持8 k 定时延续。为了支持a t m 等多协议，g p o n 定义了一种全新的封装结构g e m ( g p o ne n c a ps t r i a t i o n m e t h o d ) ，可以把a t m 和其他协议的数据混合封装成帧。g p o n 标准相当复杂， 在已有技术基础上，以可接受的成本实现完全符合标准要求的设备比较困难。 表1 1p o n 的各种标准的比较 a p o n b p o ng p o ne p o n 标准 i t u tg 9 8 3n u tg 9 8 4狂e e 8 0 2 3 下行线路速率 1 5 5 6 2 2 1 2 4 4 1 2 4 4 忽4 8 8 1 2 5 0 上行线路速率 1 5 5 6 2 215 5 6 2 2 1 2 4 4 亿4 8 81 2 5 0 线路编码 s c r a m b l e dn r zs c r a m b l e dn r z 8 b 1 封装格式 a 1 1 mg e me t b 锄c t 分路比 3 26 4 - 1 2 8 3 2 - 6 4 最大传输距离 2 06 02 0 t m d 支持能力 田d mo v e i a 1 1 mt d mo v e i g e m1 f 1 d mo v g l e 出啪e t 安全标准c h u r n i n g a e sa e s o a m 有有有 5 下一代网络将是基于分组的网络，目前以太网作为分组网络的绝对主流承载 平台，已经是一个不争的事实。将来用户侧的网络接口肯定是一个以太网的接口， 城域网上的以太网接口肯定也会随处可见，使用以太网技术把两侧的以太网接口 连接起来将会是一件很自然的事情。试想，光纤带宽资源无限，是舍易求难，为 提高一点传输效率而非要把两侧的以太网数据进行复杂的“背对背”g e m 协议转 换，再在p o n 上传输? 还是简单地增加波长和速率，平滑地扩展网络容量? 以 太网从1 0 m b i f f s 、1 0 0 m b i t s 、1 0 0 0 m b i t s 到1 0 g b i f f s 的发展历史可以告诉我们正 确的选择。 1 3 论文主要研究内容及创新点 本文主要研究的内容如下： 1 首先分析了现阶段无源光网络的发现的现状和发展的趋势。 2 通过研究分布式e p o n 接入结构特点，制定了分布式e p o n 结构的工作 的机制。重点阐述了三个周期的工作原理。 3 研究了e p o nd b a 算法实现机制。重点研究了现在流行的i p a c t 机制的 d b a 算法。 4 通过上面的分析，提出了d b a 算法面临的挑战和需要达到的目的。分析 了现在d b a 算法的不足。设计分布式e p o n 系统d b a 算法，利用仿真软件对 其进行仿真测试并与集中式e p o n 的d b a 算法做了比较，证明了分布式e p o n 系统的优势。 本文主要的研究的成果： 1 制定了分布式e p o n 结构的工作机制，讨论了分布式e p o n 需要解决的 问题并给出了建议方案。 2 根据分布式e p o n 的特点，设计了分布式e p o n 的d b a 算法并做了仿真 测试。证明了分布式e p o n 结构比集中式e p o n 具有更好的性能。 1 4 论文组织结构 第一章绪论对e p o n 的技术和p o n 的发展趋势做了简要的介绍。 第二章提出了分布式的e p o n 接入结构并与集中式e p o n 结构做了比较。 6 对分布式e p o n 接入结构工作原理做了详细的讨论。提出了分布式e p o n 接入 结构需要解决的一些问题。 第三章对e p o n 上行信道的通信机制和d b a 算法做了研究。 第四章首先分析了现在集中式d b a 算法的不足，然后设计了分布式e p o n 的d b a 算法，最后建立仿真模型，得出仿真结果。从而证明了分布式e p o n 结 构的优势。 第五章对所做的工作进行总结，指出了工作中的不足。从商用的角度分析了 分布式e p o n 结构，论述了这种结构面临的挑战。 7 第2 章分布式e p o n 接入结构及需要解决的问题 在本章中，我们首先回顾了集中式e p o n 结构及其工作的原理，然后引入 分布式e p o n 接入结构，根据分布式e p o n 结构的特点，将其工作机制分为三 个周期分别进行讨论。最后，比较分布式和集中式e p o n 结构，得到分布式e p o n 结构的优点。 2 1 集中式e p o n 接入结构 以太网无源光网络( 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 , e p o n ) 以其网络共享、成 本分摊以及易于维护和升级等优点【1 1 成为光纤接入的主流方式，逐渐为运营商所 青睐。顾名思义，以太网无源光网络是按照i e e e 8 0 2 3 标准以太网帧的传输方式， 利用无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k , p o n ) 媒体，来实现宽带数据业务接入的 一种光接入方式。 目前，采用铜线媒体的接入技术( 如不对称数字用户线a d s l 接入设备) ， 存在着传输距离短和带宽不足的缺陷。符合i e e e 8 0 2 3 标准的单纯数据接入技术 ( 如l a n 接入技术) ，缺乏丰富的业务提供能力和相应的维护能力，难以满足各 种运营条件下的要求。而利用光纤媒体的以太网技术逐渐成为学术界和工业界所 看好的宽带接入技术。 主要用于企业网的以太网接入技术正从可运营和可管理特性上进行适应性 改变，以满足向居民接入系统演进的需求。在过去5 年当中，针对光纤媒体的以 太网接入开发的技术主要有： ( 1 ) 点到点( p o i n t - t o - p o i n l p 2 p ) 光纤媒体的以太网数据接入技术，主要包 括g 9 8 5 技术和i e e e 的8 0 2 3 a h 点到点的以太网接入技术。 ( 2 ) 点到多点技术( m u l t i p o i n t - t o - m u l t i p o i n t , p 2 m p ) 接入技术，即e p o n 。 前者由于缺乏集中管理、资源共享不够，成本居高不下，发展遇到一些障碍。后 者利用了无源光网络新媒体，具有长距离、高带宽和资源共享的优势，是接入网 令人瞩目的发展方向。 2 0 0 1 年到2 0 0 4 年6 月，i e e e 的8 0 2 3 a h 即e f m 工作组对e p o n 技术进行 了深入研究和讨论，完成了e p o n 的标准化工作( 标准为 i e e e s t d 8 0 2 3 a h - 2 0 0 4 ) t 8 】【9 】。其制定的e p o n 标准侧重于适合p o n 的以太网m a c 8 层协议的修改，主要在m a c 控制层增加了多点控制协议( m p c p ) ，在r s 子层 加上点到点仿真功能。另外根据e p o n 上行链路数据突发的特征，对物理层也 进行了一些小的改动。可以说e p o n 标准在整体结构上与i e e e 8 0 2 3 并没有很大 的变动，保持以太网m a c 协议的兼容性，因而为支2 持高速数据接入的e p o n 奠定了技术基础。 e p o n 在以太网技术体制中首次采用长距离、点到多点的网络结构解决宽带 数据业务接入，随之而来的问题是，如何向多种业务提供和服务质量控f l i t ( q u a l i t y o fs e r v i c e ，o o s ) 方向拓展。e p o n 系统的q o s 问题的核心和难点之一便是支持 多业务接入的动态带宽分配( d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o e a t i o n , d b a ) 算法及技术。 如图2 1 所示，e p o n 系统主要由光线路终端( o l t ) 、光配线网叶o d 、光 网络单元( 组成。e p o n 采用点到多点的分布结构，多种业务信号通过光纤 传输到本地网c o ，然后被o l t 通过o d n 无源地分配到o n u 单元，经过o n u 的y f , 电转换和信号处理后，为用户服务。下面简要介绍o d n 、c o 和o n u 。 用尸 图2 1 集中式e p o n 的接入结构 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 ) ：即光配线网络，这部分由单模光纤和 分路耦合器、连接器、光纤接头等无源器件组成( 这些光缆和器件均在室外) 。 有源器件如o l t 和o n u 在p o n 的两端。光信号在p o n 中的传输要么是分路到 多个分支光纤要么是合并到主干光纤，这取决于光信号是上行还是下行。o l t ( o p t i c a ll i n et e m a i n a l ) ：它是e p o n 系统中的局端设备，放置在中心机房c o 。 占 o l t 既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台0 v i s p p ) ，它提供连接 p o n 的接口。根据以太网向城域和广域发展的趋势，o l t 上会提供多个g b 和 1 0 g b 以太接口，支持w d m 传输。为了支持其他流行的协议删，f r 以及以 o c 3 1 2 4 8 1 9 2 等速率的s o n e t 的连接都可以使用。如果需要支持传统的t d m 话音，普通( p o t s ) 电话线和其他类型的t d m 通信( t 1 e 1 ) 可以被复用连接到 p s t n 1 0 】接口。o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) ：它连接p o n 的另一端，为用户数 据、视频和电话网提供到p o n 的接口。o n u 的最重要的功能就是将接受到的光 信号格式的业务转换成用户所需的格式( e t h c r n a ，i p 广播，p o t s ，t 1 等等) 。 e p o n 还有一个独特的特征就是o n u 除了终结和转换光信号外，还能提供 l a y e r - 2 和3 的交换功能。这就允许在o n u 内部路由。e p o n 也可以再加一个波 长来传送模拟的c a t v 1 2 1 业务或者视频业务。 2 2 分布式e p o n 接入结构 分布式e p o n 结构是在集中式e p o n 的结构上改进得到的。如图2 2 ，在 o d n 处增加了一个星型连接器( 3 x ns t a r c o u p l en 表示星型连接器可以连接 o n u 的数量) ，其中一个端口用于将收到的上行数据传输给o l t ，另外两个端口 用于将o n u 上行的数据反射到下行的信道。由于e p o n 结构中采用的上下行的 波长不一样，所以，这种机制并不会影响下行数据的传输。同样，就需要在o n u 侧新增加一个光接收器来接受o n u 上行信道的数据。通过这样的结构o n u 就 能彼此知道各自的状态。从而o n u 就能独自执行d b a 算法来完成上行信道时 隙的分配。 1 0 图2 2 分布式e p o n 的接入结构 2 3 分布式e p o n 工作原理 根据上面提到的分布式网络结构特点，我们下面对上行链路的周期做一个详 细的定义。将上行链路的周期分为三个阶段为，分别称之为：控制周期、等待周 期和传输周期。如图2 3 所示。这三个阶段具体完成的功能如下： 第一个阶段称为：控制周期，在此周期中o n u 接受到d b a 算法需要的控 制消息( r e p o r t 消息) 。在控制周期中，为了避免所有o n u 发送的控制消息发 生碰撞，采用t d m a 的方式来分配控制时隙。考虑到o n u 发送的控制消息具 有固定的长度，所以可以使用给每个o n u 分配固定的时隙来完成控制消息的传 送。整个过程分为三步来完成，第一步，每个o n u 通过分配固定的时隙来发送 r e p o r t 消息。第二步，r e p o r t 消息到达s c 后，将r e p o r t 消息分为两部分，分 别传输给o l t 和所有的o n u 。第三部，o n u 接受所有从s c 返回的r e p o r t 消 息。 第二个阶段称为：等待周期，在此周期中o n u 执行各自的d b a 算法。此 周期中没有任何的信息传送。这个周期用于o n u 处理自己接受到的的r e p o r t 消息。每个o n u 维护一个状态表格，这个表格中包括所有o n u 的队列的状态。 通过接受到的r e p o r t 消息来更新表格中各个o n u 队列的状态。最后，o n u 的 d b a 调度器利用状态表格中每个o n u 队列的状态信息来完成上行时隙的分配。 第三个阶段称为：传输周期，在此周期为中o n u 进行上行数据的传输。每 个o n u 根据第二阶段d b a 调度器分配上行时隙来传输各种队列的数据。o n u 的传输周期跟控制周期一样也分为三个步骤，通过s c 将一部分的数据发送给 o u ，另外一部分广播到所有的o n u 。 算法( d b a ) 匣二瞿e ： 口l 矧一 匦三j 麦 津坷 台并后的0 n u台并后的0 0 d u 更新信息更新信息 画叫薹怠 t ! 闼t 国二二斟l 二坷 【时问l 图2 3 分布式e p o n 的工作周期 2 4 集中式与分布式e p o n 接入结构的比较 从上面的分析中能够看到分布式和集中式结构的区别在于分布式结构中增 加了一个s c 连接器将o n e 上行的数据反射广播到所有的o n u 。下面我们来讨 论这样的机制带来的好处。 在r e p o r t 消息的处理机制方面，在集中式的结构中，o n e 的r e p o r t 的信息 传输必须等待o l t 分配一个g a t e 消息来分配发送时隙并且r e p o r t 消息是和上行 1 2 传输的数据以一起发送。而在分布式的结构中，r e p o r t 消息是和上行传输的数据 相分离，不需要等待上行数据传输的时间，这样就使得r e p o r t 消息能够更加即 时被传输，从而就增加了d b a 算法执行的效率。 在上行数据传输方面，集中式结构是由o l t 来仲裁上行信道的时隙的分配， 所有的o n u 的传输顺序是相对固定的。而在分布式的结构中，仲裁的权利交给 了o n u 自己完成，o n u 之间可以根据各自队列的情况来决定o n u 占用上行信 道的顺序，这就可以让具有队列优先级比较高的o n u 先传输上行的数据，从而 更好的支持多业务承载q o s 。 增加了全局性的考虑。因为在分布式e p o n 结构中，d b a 调度器在接收到 所有o n u 的r e p o r t 消息后才开始执行d b a 算法。d b a 算法调度器知道整个 网络的状态，从而，d b a 调度算法能够全局的考虑所有o n u 的信息。 2 5 分