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摘要 c s m a c d 用作e p o n 上行m a c 方案的研究 摘要 t j 接入网是连接骨干网与最终用户之间的一座桥梁。接入网在整个 通信网具有十分重要的地位。它不仅关系到骨干网资源的配置，更直 接影响着用户对通信网络的使用。在各种接入网的方案之中，基于 e t h e m e t 的无源光网络( e p o n ) 充分利用了以太网成熟的协议和设 备，无需进行a p o n 系统中i p a t m i p 之间的协议转换，成本低廉， 而且能克服a t m 信元开销大、带宽利用率低的缺点。目前，e p o n 是宽带接入技术中研究的热点之。 在目前i e e e8 0 2 3 a he f m 工作组对e p o n 的规范中，只有 t d m a 这一种上行多址接入控制方式，而完全摒弃了传统以太网的 c s m a c d 协议，为了使之与现有的以太网标准相兼容，必须增加复 杂的多点控制协议7 ( i p c p ) 及端对端( p t p ) 仿真功能，不易实现， 且成本相对较高，本文的研究内容主要围绕将c s m a c d 用于上行接 入控制的e p o n 系统来进行。 首先，本文系统地总结了目前e f m 工作组所规范的e p o n 的基 本网络结构，包括帧格式、多点控制协议、端对端仿真、o a m 信息 的传输机制，并分析了e p o n 的几项关键技术。 第三章首先详细地介绍了半双工以太网的c s m a c d 协议及其 工作原理、半双工千兆位以太网的载波扩展和帧突发机制。接着提出 了将c s m a c d 用作e p o n 上行接入控制的两种具体方案，用n n 无源星形耦合器s c 来代替l ns c ，通过在s c 处添加光环回方法， 从而解决了距离限制，成功地将c s m a c d 应用于p o n 上，最后还 给出了各o n u 上行信号的两种冲突检测方法。 第四章先运用数学分析法对c s m a c d 用作上行接入控制的 e p o n 两种接入方案进行了吞吐量性能的分析。滥于网络仿真技术是 网络性能分析的有效手段，简要介绍了先进的网络仿真工具o p n e t ， 分析了它的特点、仿真策略和建模机制。并利用o p n e t 构建了与使 用c s m a c d 的两种接入方案相应的e p o n 网络模型，并对它们的吞 吐量性能和平均延迟时间性能作了仿真分析。结果表明，这两种 e p o n 具体接入方案的吞吐量性能都与以太局域网吞吐量性能相当， 而从平均延迟时间性能上看，接入方案一适用于比较大的负载范围， 在轻载、中等负载、满载情况下，都有比较满意的平均延迟时间性能； 而接入方案二则只适用于上行负载比较小且下行响应也较小的场合， 当各0 n u 总的输入负载比较大、下行响应信号比较多时，平均延迟 时间呈指数增加。无论是运用数学分析法还是网络仿真法，结果都充 分说明将c s m a c d 用于e p o n 上行接入是可行的。、i ， 一v “ 一 。 关键词e t h e m e t 无源光网络，堑i ! ! 必憋捡烈，上行接入控制， 网络仿真 i i 尘堕坠 r e s e a r c ho fc s m a c dm e d i a a c c e s s s c h e m ef o re p o n a b s t r a c t t h ea c c e s sn e t w o r ki sab r i d g eb e t w e e nt h eb a c k b o n en e t w o r ka n d t h ee n du s e r s t h ea c c e s sn e t w o r kh a s g r e a ti m p o r t a n c ei nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s n o to n l yd o e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o no f b a c k b o n er e l yo nt h e a c c e s s n e t w o r k ，b u t i t d i r e c t l y a f f e c t st h e u s a g e o fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sa sw e l l t h ee t h e r n e tb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ， w h i c hu s e st h em a t u r ee t h e m e t p r o t o c o la n de q u i p m e n t ，h a sn on e e dt o m a k e p r o t o c o lc o n v e r s i o nb e t w e e ni pa n da t ma sa p o nd o e s w i t hl o w c o s t ，l o wo v e r h e a da n dh i 【g hb a n d w i d t hu t i l i t y , e p o nh a sb e c o m eo n eo f t h ep r o m i s i n g a p p r o a c h e so fb r o a d b a n d a c c e s s a c c o r d i n gt o t h er e c o m m e n d a t i o no fi e e e8 0 2 3 a h e f ms t u d v g r o u p f o re p o n a tp r e s e n t ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lc s m a c d p r o t o c o l ， t d m ai s a d o p t e da st h eu p s t r e a ma c c e s sc o n t r o ls c h e m e t om a k ei t c o m p a t i b l e w i t h e x i s t i n g e t h e m e ts t a n d a r d ，t h e c o m p l e xm u l t i p o i n t c o n t r o l p r o t o c o l ( m p c p ) a n dp o i n t t o p o i n t ( r t p ) e m u l a t i o nm u s tb e d e v e l o p e d ，i n c r e a s i n gt h ed i f f i c u l t y o fr e a l i z a t i o na n dt h ec o s t i nt h i s p a p e r , w ea n a l y z e dh o w t ou s ec s m a c da st h eu p s 订e a ma c c e s sc o n t r o l m e t h o do fe p o n f i r s t ，w ed e s c r i b e dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s so f e p o n ，i n c l u d i n gu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mf l a m ef o r m a t ，m u l t i p o i n t c o n t r o l p r o t o c o l ( m p c p ) ，p o i n t t o - p o i n t ( p t p ) e m u l a t i o n a n dt h e t r a n s p o r tm e c h a n i s mo fo a m a n ds o m ek e yt e c h n i q u e so fe p o na r e a n a l y z e d i n c h a p t e r3 w ef i r s t a n a l y z e di n d e t a i lc s m a c d p r o t o c o l o f f i i 一垒堕翌坚 h a l f - d u p l e xe t h e m e t a n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，t h ec a r r i e re x t e n s i o na n d f l a m eb u r s t i n gm e c h a n i s m si nh a l f - d u p l e xg i g a b i te t h e r n e t t h e n ，t w o d e t a i l e ds c h e m e so fu s i n gc s m a c da st h e u p s t r e a ma c c e s sc o n t r o l m e t h o do fe p o nw a s p u tf c l r w a r d an n s t a rc o u p l e rw a su s e di n s t e a d o f1 ns t a rc o u p l e r b ya d d i n gl i g h t w a v er e d i r e c t i n gm e c h a n i s mt ot h e s c ，t h ed i s t a n c e i i m i t a t i o nw a ss o l v e d ，c s m a c dw a s s u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e d o v e r p o n f i n a l l y , t w oc o l l i s i o n d e t e c t i n g m e t h o d so f u p s t r e a ms i g n a l so f 0 n uw e r es t a t e d i n c h a p t e r 4w ef i r s tu s e dm a t h e m a t i c a lm e t h o d t o a n a l y z e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo fe p o nu s i n gc s m a c da su p s t r e a ma c c e s s c o n t r o lu n d e rt h et w oa b o v e m e n t i o n e da c c e s ss c h e m e s s i n c en e t w o r k s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y i sa ne f f e c t i v e w a y o f a n a l y z i n g n e t w o r k p e r f o r m a n c e ，w e i n t r o d u c e dt h ea d v a n c e dn e t w o r k s i m u l a t i o nt o o l o p n e t , d i s c u s s i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，s i m u l a t i o ns t r a t e g ya n dm o d e l i n g m e c h a n i s m t h ee p o nn e t w o r km o d e lu n d e rt h et w oa c c e s ss c h e m e s w a sg i v e n ，t h e nt h e t h r o u g h p u ta n da v e r a g ed e l a yp e r f o r m a n c e sa r e s i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e t h r o u g h p u to f e p o nu n d e rt h et w o s c h e m e sw e r en e a r l yt h es a m ea st h a to fl o c a le t h e m e t w i t h r e s p e c tt o a v e r a g ed e l a y , a c c e s ss c h e m ei c o u l db ea p p l i e dt o l a r g er a n g eo fl o a d u n d e rl i g h t ，m e d i u ma n df u l ll o a ds i t u a t i o n s ，i th a ds a t i s f i e d a v e r a g e d e l a y ；a c c e s ss c h e m ei i c o u l do n l yb ea p p l i e dt ot h es i t u a t i o nt h a tt h e u p s t r e a ml o a dw a sl i g h ta n d t h ed o w n s t r e a m r e s p o n s ew a sl o w w h e n t h e i n p u t l o a do fo n uw a s h e a w a n dt h ed o w n s t r e a m r e s p o n s e w a s h i g h ，t h e a v e r a g ed e l a y w a si n c r e a s e d e x p o n e n t i a l l y r e g a r d l e s s o f u s i n g m a t h e m a t i c a lm e t h o do rn e t w o r ks i m u l a t i o n t h er e s u l t sa l ls h o w e dt h e f e a s i b i l i t yo fu s i n gc s m a c d a st h eu p s t r e a ma c c e s sm e t h o do f e p o n k e yw o r d s e p o n ，c s m a c d ，u p s t r e a ma c c e s sc o n t r o l ，n e t w o r k s i m u l a t i o n 上海交通大学 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，同意学校俣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。本人授权上海交通大学可以将本学 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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“，”) 篡i 羿f 1日期：d ) 年一月7 n ： 指导刻稚各侈 f 日期：七2 年( 月1 ) 日 上海交通大学 学位论文原剖性声躜 本人郑煎声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成栗。豫交巾已经注疆引用的内容外，本 论文不包含 墨俺其媳个入或集薅已经爱袭或撰霹过戆作品成暴。对本 文的研究做出重要贯献的个人和蒙体，均已在文中以瞬确方式标鼹。 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： 强期： 驴飞年 胃f 7 基 ，铂u1； 上海交通大学硕士学位论文c s m a c d 用作e p o n 上行m a c 方案的研究 第一章绪论 从2 0 世纪8 0 年代开始的全球信息技术革命已经极大地改变了我们的生活 方式，现代社会和个人对于信息的依赖与日俱增。社会对信息的需求和通信技术 的进步促使各类通信网络迅猛发展，并出现了多种业务网络互相融合的趋势。这 种融合的结果，就是以高速光纤网络为基础，承载图象、数据、语音等多种业务 的骨干通信网。而接入网就是解决如何将图象、数据、语音等多种业务综合传送 到用户的问题。接入网在整个通信网中占有重要的地位，它的发展建设直接关系 到通信持续发展、新业务的拓展、运营服务质量的保证、网络建设投资的提高以 及向宽带网的平滑过渡等。 1 1 接入网的定义及功能结构 根据i t u tg 9 0 2 的定义，接入网是由业务节点接口( s n i ) 和用户网络 接口( u n i ) 之间的传送实体所组成的为传送电信业务提供承载能力的实施系统， 可由q 3 接口进行配置和管理。通常，接入网对用户信令是透明的，不作处理， 可以看作是一个与业务和应用无关的传送网。接入网所覆盖的范围可由三个接口 来定界，即网络侧经由s n i 与业务节点( s n ) 相连，用户侧经由u n i 与用户相 连，管理方面则经0 3 接口与电信管理网( t m n ) 相连。 接入网的主要功能有5 种，即用户端口功能( u p f ) 、业务端口功能( s p f ) 、 核心功能( c f ) 、传送功能( t f ) 和接入网系统管理功能( s m f ) 。图1 1 给出 了其中各种功能的互连结构。 用户承载和用户信令信息 控制和管理 图l 一1 ：接入网的功能结构图 f i g 1 1 ：f u n c t i o nm o d e ld i a g r a mf o ra c c e s sn e t w o r k 第一章绪论 各个功能具体说明如下【2 j i j 】： 用户端口功能：将特定的u n i 要求适配到核心功能和系统管理功能。接入 网要求能支持许多不同的接入并且需要特定功能的用户网络接口。其主要功能包 括：u n i 功能的终接；m d 转换和信令转换；u n i 的激活去激活；u n i 承载通 路承载能力的处理等。 核心功能：位于用户端口功能和业务端口功能之间，负责将单个用户端口 承载通路或业务端口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。其功能还包括 为了通过接入网传送所需要的协议适配和复用所进行的对协议承载通路的处理。 其主要功能包括：接入承载通路处理；承载通路集中；信令和分组信息复用；a t m 传送承载通路的电路仿真：管理和控制功能等。 业务端口功能：将对特定s n i 规定的要求适配到公共承载体，以便于在核 一t l , 功能中处理，并选择相关的信息用于接入网的系统管理功能处理。主要功能包 括：s n i 功能的终接；将承载要求、实时管理和操作要求映射到核心功能等。 传送功能：在接入网的不同位置之间为公共承载体的传送提供通道，并对 所用的相关传输媒质进行媒质适配。主要功能包括：复用功能；含业务疏导和配 置的交叉连接功能等。 接入网系统管理功能：负责协调接入网中各功能模块的配置、操作和管理， 并协调用户终端和业务终端的操作功能。主要功能包括：配置和控制功能；故障 检测指示功能；采集设备信息功能；资源管理功能等。 1 2 接入网的几种形式 制约接入网发展的主要因素是接入的经济性，它与用户的业务需求、用户 密度、用户的经济能力、用户所处的地理环境、接入技术等多种因素有关，因此 针对不同的情况出现了多种接入技术和发展策略，包括铜线接入、光纤接入等有 线接入技术以及无线接入技术等，接入技术的研究己成为通信领域内最活跃的 “热点”之一。以下是几种近年来发展较快的接入网技术【4 】： ( 1 ) a d s l ：称非对称数字用户线系统，该接入方案采用先进的调制解调 技术和数字信号处理技术，实现利用铜线提供下行8 m b s 、上行6 4 0 k b s 的传输 能力。a d s l 支持的主要业务是因特网和电话，其最大特点是无需改动现有铜缆 网络设施就能提供宽带业务。由于充分利用了现有铜线资源，该方案初期建设费 用较少，并且能在目前的情况下，提供比较理想的上下行带宽。但这种方案在用 户端和局端需要增添变换设备，技术也比较复杂，从长远看，它只是f t t h 最终 解决方案的一种过渡。 ( 2 ) 无线接入：目前基于a t m 的c d m a 无线接入方式的主要优势在于使 上海交通大学硕士学位论文c s m a c d 用作e p o n 上行m a c 方案的研究 用灵活，施工和维护简便，缺点是在有限的频带资源下难以获得宽带接入，但作 为有线接入的一种有力补充而具有一定的市场。在低密度的分散小用户群领域、 急需电话用户线的地区以及有地理障碍的地区，无线接入网将占有重要地位。 ( 3 ) h f c ：称混合光纤同轴网，这种方案是在双向光纤同轴电缆c a t v 系 统的基础上，采用副载波调制和模拟光调制技术进行全业务传送的实现方式。由 于同轴电缆的分配网络采用双向放大器的树形分支结构，对上行的带宽和信噪比 有一定的限制，故上行方向难以提供宽带业务。但它在容量、分路比、成本上具 有优势，不失为一种有效的接入方式。 ( 4 ) 基于a t m 的无源光网络( a t mb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a p o n ) ： 该方案利用a t m 技术对无源光网( p o n ) 进行技术升级，带宽分配策略和组网 方式灵活，结合了a t m 多业务高比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能 力，同时具有由f t t c f t t b 至f t t h 平滑过渡等优点。 ( 5 ) 基于e t h e m e t 的无源光网络( e t h e m e tb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ， e p o n ) ：该方案利用p o n 的拓扑结构实现以太网的接入。它充分利用了以太网 成熟的协议和设备，无需进行a p o n 系统中i p a t m i p 之间的协议转换，减少 了许多协议转换设备，设备成本低廉，而且能克服a t m 信元开销大、带宽利用 率低的缺点。目前，e p o n 是宽带接入技术中研究的热点之一。 1 3 光接入网及其发展状况 随着计算机通信和多媒体等技术的迅速发展，人们对通信的要求越来越高， 用户接入的带宽将越来越宽，而现有的金属线将造成带宽瓶颈。目前出现的一些 技术如h f c 、x d s l 等作为过渡手段仅仅是权宜之计。光纤由于其巨大的带宽潜 力可以满足用户对带宽的需求，在今后的接入网中光纤的使用将是一种趋势。相 对于铜缆网，采用光纤传输技术的光接入网【5 j 不仅具有高速传送能力，同时还减 少了网络的运行维护费用，扩大了接入网的覆盖范围，降低了故障率，省去了许 多接入交换机和远端模块，能顺利地由f t t c f t t b 向最终的f t t h 解决方案演 进，并且支持新业务的开发，因此是未来宽带多媒体业务主流接入方式。 根据信息的传递方式的不同，光接入网可以应用基于同步传递( s d h ) 模 式、基于i p 技术和基于异步转移模式( a t m ) 的接入技术。前者运用了s d h 强 大的分接复用和交叉连接的功能以及保护倒换技术手段，使得接入网结构简单、 可靠性高、易于升级和维护。但由于s d h 固定分配时隙，接入的用户数有限， 难以满足接入网的多业务、多速率的需求。 而a t m 技术融合了电路交换和分组交换的优点，通过面向连接的机制保证 了连接端到端服务质量，并运用统计复用实现了高的带宽利用率【6 】。而且a t m 第一章绪论 技术具有相当完善的q o s 机制如流量控制和拥塞控制，在保证带宽利用率的同 时实现了网络的安全性和可靠性。基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 结合了a t m 多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力，是宽带接入网中比较 理想的长远解决方案。 正因为如此，i t u t 对a p o n 显示了很大的兴趣，1 9 9 8 年i t u t 正式通过 了g 9 8 3 1 建议【7 】，即“基于无源光网络的宽带光接入网”，对a p o n 系统作出 了详尽的规范。g 9 8 3 1 建议主要规定了标称线路速率、光网络要求、网络分层 结构、物理媒质层要求、会聚层要求、测距方法和传输性能要求等。1 9 9 9 年i t u 。t 又推出了g 9 8 3 2 建谢，即“a t m p o n 的o n t 管理和控制接口规范”，该建 议主要从网络管理和信息模型上对a p o n 系统进行了定义，以确保不同厂商的 设备可实现互操作。各设备厂商也相继推出a p o n 系统的各种商用化产品。 但是，a t m 技术并未能如预期的那样成为网络的主导技术。i p 技术由于 协议的开放性以及分布式的智能化管理方式在宽带网络中获得了极大的成功，在 宽带技术中与a t m 技术形成了激烈的竞争。随着成本低廉的以太网和绑定了 t c p i p 的个人计算机的普及，基于i p 的业务量持续快速增长，i p 层正在逐渐取 代a t m 层成为汇聚各高层业务的层面【9 j 。在这种大的网络环境下，a p o n 系统 往往在用户端与以太网相接，在网络端和i p 路由器相连。此时，中间仍进行以 太网帧及i p 分组与a t m 信元之间的映射显然是不必要的。另外，a t m 还存在 信元开销大及信令操作复杂等弊病f l 训。 在a p o n 中去除a t m 层使i p 分组成帧后直接在p o n 上传输的i po v e r p o n 接入方案近年来成为接入网的研究热点。但是，i po v e rp o n 绝不是简单的将i p 分组调制到光信号上就行了。需要什么开销、如何成帧以及具体采用哪种多址接 入方式等尚缺乏统一的标准，有待进一步的研究。 另一方面，作为i p 的自然载体的以太网由于成本低廉、技术成熟可靠、易 于组网等优点，目前已得到大量她普及。近年来，高速的千兆以太网已经投入市 场并被广泛应用，1 0 g 比特的以太网技术也已经成熟。鉴于此，采用以太网接入 的方式，制定统一标准相对来说比较容易。考虑到兼容性，它对原来以太网标准 i e e e8 0 2 3 的改动也相对较少，且易于升级。为此，i e e e8 0 2 3 工作组于2 0 0 0 年1 2 月成立了e t h e m e t i n t h e f i r s t m i l e ( e f m ，即以太网第一哩) 研究组来制定 相应的标准，将以太网的应用范围从局域网扩展至用户接入网，即实现以太网接 入。这样，既解决了用户宽带接入的急切需求，又利用了现有的成熟技术，是宽 带接入一个时期内的有效解决方案。 e f m 研究组的研究范围涵盖了几乎所有重要的位于用户和接入业务提供商 之间的有线链路f h 】：点对点的铜线链路、点对点有源光纤链路以及点对多点的 p o n 。其中，点对多点的p o n 由于能经济有效和透明地传输高速数据而被作为 上海交通大学硕士学位论文c s m a j c d 用作e p o n 上行m a c 方案的研究 研究的重点之一，即e t h e r n e to v e rp o n ( e p o n ) 。e p o n 系统无需进行a p o n 系 统i p a t m i p 之间的协议转换，减少了许多协议转换设备，设备成本低廉，而且 能克服a t m 信元开销大、带宽利用率低的缺点。 8 0 2 3 a he f m 的工作得到世界上8 0 多个公司的支持。目前e p o n 技术正处 于研究阶段，还未形成标准，但由于e p o n 具有其它接入技术无法比拟的优势， 可以预见在不久的将来，它将很可能成为i e e e 8 0 2 3 协议中的又一重要成员。 以态网第一公里联盟于2 0 0 1 年1 1 月1 0 日在美国加州成立，它的使命是促 进以太网接入技术和支持i e e e 的有关标准的努力。联盟由九个业界居领导地位 的设备和服务供应商组成：a l l o p t i c ，c i s c os y s t e m s ，e l a s t i cn e t w o r k s ，e r i c s s o n e x t r e m en e t w o r k s ，f i n i s a r , i n t e l ，n t t , a n dw o r l dw i d ep a c k e t s 。 我国也十分重视e p o n 的研究工作，国家“十五”8 6 3 计划通信技术主题光纤 通信分项研究计划中有基于干兆以太网的宽带无源光网络系统的课题，要求2 0 0 3 年1 1 月底前研制完成基于千兆以太网、可实用化的宽带无源光网络( e p o n ) 系 统，并规定了主要的技术指标和功能。国内的烽火公司的a p o n 研究小组已转 向研究e p o n ，中兴公司和北京邮电大学的a p o n 研究人员也转向研究e p o n ， 可以说国内p o n 的研究中心已转向研究e p o n 。e p o n 已成为宽带接入网的发 展趋势。 1 4 本文的研究内容 e p o n 目前是宽带接入网的主流发展方向。在目前i e e e8 0 2 3 a he f m 对 e p o n 的讨论来看，只有t d m a 这一种上行多址接入控制方式，而完全摒弃了 传统以太网的载波侦听冲突检测协议( c s m a c d ) ，为了使之与现有的以太网 标准相兼容，必须增加复杂的多点控制协议( m p c p ) 及端对端( p t p ) 仿真功 能，不易实现，且成本相对较高。本文的研究内容主要围绕将c s m a c d 用于上 行接入控制的e p o n 系统来进行。 本文的第二章系统地总结了目前i e e e8 0 2 3 a he f m 所规范的e p o n 的基本 网络结构，包括帧格式、多点控制协议、端对端仿真和o a m 信息的传输机制， 并分析了e p o n 的几项关键技术。 第三章首先详细地介绍了半双工以太网的c s m a c d 协议及其工作原理、半 双工于兆位以太网载波扩展和帧突发机制，并提出了将c s m a c d 用作e p o n 上 行接入控制的两种具体方案，即应用c s m a c d 的全双工e p o n 和半双工e p o n 接八方案，最后还给出了各o n u 上行信号的两种冲突检测方法。 第四章先运用数学分析法对应用c s m a c d 的两种e p o n 系统进行了吞吐量 性能的分析，接着利用先进的网络仿真工具o p n e t 构建了两种接入方案相应的 墨= 童缝堡 e p o n 网络模型，并对其吞吐量性能和平均延迟时间性能作了仿真分析。结果表 明，两种e p o n 具体接入方案的吞吐量性能都与以太局域网吞吐量性能相当，而 从延迟时间性能上看，接入方案二只适用于上行负载比较小且下行响应也较小的 场合，接入方案一则对比较大的负载范围都适用。无论是运用数学分析法还是网 络仿真法，结果都充分说明将c s m a c d 用于e p o n 上行接入是可行的。 上海交通大学硕士学位论文c s m a c d 用作e p o n 上行m a c 方案的研究 第二章e p o n 的系统结构 2 1 e p o n 的基本网络结构 e p o n 的网络结构在目前还没有定论，但在i e e e8 0 2 3 a he f m 的讨论中许 多成员都沿用了i t u tg 9 8 3 中定义的a t mp o n 的结构来描述e p o n 1 5 1 ，如图 2 1 所示。 用户侧 l e p o n 接入网! 网络侧 、卜! - 4 h 图2 - 1 ：b p o n 的参考配置 f i g 2 1 ：r e f e r e n c ec o n f i g u r a t i o n f o re p o n e p o n 接入网位于业务网络接口( s n i ) 与用户网络接口( u n i ) 之间，通 过s n i 与业务节点相连，通过u n i 与用户设备相连。e p o n 主要分成三部分： 光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 、光分配网络( o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，o d n ) 和光网络单元光网络终端( o p t i c a l n e t w o r k u n i t o p t i c a ln e t w o r k t e r m i n a l ，o n u o n t ) 。其中o l t 位于局端，o n u o n t 位于用户端( 其区别 是o n t 直接位于用户端，而o n u 与用户间还有其它的网络如以太网) 。o l t 至0 n u 0 n t 的方向为下行方向，反之为上行方向。光分配网络o d n 是o n u 和o l t 之间的光传输媒质，由单模光纤和光分路器等无源器件组成。 e p o n 在点对多点无源光网络上以千兆速率、全双工的模式传输以太网i e e e 8 0 2 3m a c 帧，所用的媒质为单模光纤，要求p o n 覆盖用户接入网的范围 l o k m ， 第二章e p o n 的系统结构 而且每个e p o n 网络至少能支持1 6 个用户的接入( 兰l ：1 6 的分光比) 。 e p o n 系统的上下行信息如图2 2 所示，它们分别承载于两路不同的波长在 单根光纤上传输。o l t 将数据以可变长度的数据包广播传输给所有在p o n 上的 o n u ，每个包携带一个具有传输到目的地o n u 标识符的信头。此外，有些包可 能要传输给所有的o n u ，或者指定的一组o n u 。当数据到达o n u 时，o n u 接 收属于自己的数据包，丢弃其它的数据包。多个o n u 的上行信息利用t d m a 技 术组成一个t d m 信息流传送到o l t 。在t d m a 技术中将合路时隙分配给每个 o n u ，每个o n u 的信号在经过不同长度的光纤( 不同的时延) 传输后，进入光 分路器的共用光纤，正好占据分配给它的一个指定时隙，以避免发生碰撞干扰。 图2 - 2 ：e p o n 系统的上下行信息【1 6 】 f i g 2 - 2 ：t h eu p s 圩e a ma n d d o w n s t r e a mt r a n s m i s s i o no f e p o n e p o n 尽管在结构上与a p o n 类似，但在功能和实现上都与a p o n 有所不 同，因此，其各部分实现的功能也和a p o n 不同川： ( 1 ) o l t ：作为e p o n 的核心，o l t 应实现以下功能： 向o n u 以广播方式发送以太网数据。 发起并控制测距过程，并记录测距信息。 发起并控制o n u 功率控制。 - 为o n u 分配带宽，即控制0 n u 发送数据的起始时间和发送窗口大小。 其它相关的以太网功能。 ( 2 ) o d n ：为o l t 和o n u 之间的物理连接提供光传输介质，主要包括一 些无源光器件( 单模光纤、光连接器、无源光分支器件、光纤接头等) 。 根据i t u t 的建议，系统中一个o d n 的分支比最高能达到1 ：3 2 ， 即一个o d n 最多支持3 2 个o n u 。 ( 3 ) o n u o n t ：o n u o n t 为用户提供e p o n 接入的功能。 上海交通大学硕士学位论文 c s m a c d 用作e p o n 上行m a c 方案的研究 选择接收o l t 发送的广播数据。 响应o l t 发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整。 对用户的以太网数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗口中向上行方 向发送。 从e p o n 中的功能划分可以看出，e p o n 中较为复杂的功能主要集中于 o l t ，而o n u o n t 的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。 2 2e p o n 的帧格式 e p o n 和a p o n 的主要区别是：在e p o n 中，根据i e e e8 0 2 3 以太网协议， 传送的是可变长度的以太网帧，最长可为1 5 1 8 个字节；而在a p o n 中，根据a t m 协议的规定，传送的是5 3 字节的固定长度信元。很显然，a p o n 系统不能直接 用来传送i p 业务信息。i p 要求将待传送的数据分割成可变长度的数据包，最长 可为6 5 5 3 5 个字节，其中典型的长度为5 7 6 字节。以太网适合携带i p 业务，与 a t m 相比，极大地减少了用于数据转换的开销，简化了设备，降低了成本。但 是由于以太网帧的长度不定而且较长，因此对服务质量( q o s ) 有一定的影响。 根据i e e e8 0 2 3 以太网协议，以太网的帧格式如图2 3 所示。 前导码帧起始定界符目的地址 源地址数据长度数据帧校验序列 图2 - 3 ：以太网帧格式 f i g 2 3 ：t h ef o r m a to f e t h e m e t f r a m e 前导码字段( p r e a m b l e ) ：由硬件产生，为1 0 1 0 交替码，共7 个字节。 其作用是使接收端能够迅速实现比特同步和建立阈值电平。 帧起始定界符字段( s f d ) ：同前导码一样，也由硬件产生，紧跟前导码， 共一个字节，为1 0 1 0 1 0 l l ，标志着以太网帧的开始。接收端利用帧起始定界符 可获得字节同步。在检测到连续两个l 时，就把这以后的信息交给媒质访问控制 子层( m a c 子层) 。 目的地址字段( d a ) ：用于标识目的站地址，共6 个字节，其中前2 4 位为 地址块代码，后2 4 位由厂商自行分配。d a 可为单播地址或组播地址。 源地址字段( s a ) ：用于标识发送站点地址，共6 个字节。s a 通常是单播 地址( 即第一位是0 ) 。 9 第二章e p o n 的系统结构 长度字段( 1 e n g t h ) ：标识数据字段的长度，共2 个字节。 数据字段( d a t a ) ：数据字段是变长的，长度最小为4 6 字节，最大为1 5 0 0 字节。 帧校验序列字段( f c s ) ：包含4 个字节，是d a 开始到数据字段结束这部 分的校验和。校验和的算法是3 2 位的循环冗余校验法( c r c ) 。 在传送以太网帧时，帧与帧之间必须至少有9 6 位的帧间隔( i f g ) 。 全双工千兆以太网利用全双工操作的设备( 交换机和其它缓冲型的转发设 备) 不作载波扩充、包突发修改m i 1 9 1 。 在e p o n 的上下行信息的传输过程中，由于原来以太包中没有用于系统操作 管理与维护( o a m ) 的开销，为加强系统的管理能力，应增加这方面的开销， 有关o a m 信息的传输，我们将在下文讲述。 2 3 多点控制协议( m p c p ) 由于e p o n 中点对多点( p t m p ) 的物理拓扑与现有的以太网有很大的不同， i e e e8 0 2 。3 a he f m2 1 2 作小组在强调尽量少地增加操作、以保持同现有i e e e8 0 2 3 协议兼容的同时，仍决定：所有由于p t m p 而与8 0 2 3 的背离都是合法的。事实 上e p o n 在体系结构上对8 0 2 3 并没有很大的变动，e p o n 的分层模型仍由物理 层( p h y ) 、媒质无关接口( g m i i m i i ) 和数据链路层( d a t al i n k ) 构成。其中 数据链路层由调和子层( r s ) 、m a c 子层、m a c 控制子层和m a c 客户子层( 如 桥接、l l c 等) 组成【2 l l 。 由于p t m p ，e f m 小组对现有8 0 2 3 分层功能的改动主要是在m a c 控制子 层中添加多点控制协议( m p c p ) ，在r s 子层中添加点对点( p t p ) 仿真功能。 多点控制协议规定了与p t m p 相连的主从单元( o l t o n u ) 之间的控制机 制以便有效地传输数据。m p c p 协议是通过在m a c 控制子层中规定新的操作、 增加新的接口来实现的。它的主要功能是轮流检测用户端的带宽请求并分配带宽 和控制网络启动过程( b o o t p r o c e s s ) 。m p c p 协议将引入五个新的控制消息：g a t e 和r e p o r t 用来分配和请求带宽，r e g i s t e rr e q 、r e g i s t e r 和 r e g i s t e ra c k 用来控制启动过程。 m p c p 协议主要包括以下几方面的内容： m a c 控制子层负责产生上述5 个新的控制消息。 o l t 和o n u 之间的通信采用g a t e r e p o r t 的机制。 采用时间标记( t i m e s t a m p ) 的方式进行测距。 采用自动发现( a u t od i s c o