（通信与信息系统专业论文）以太无源光网络的mac协议研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着通信技术的迅速发展，用户对带宽的需求越来越高。骨干网上的带宽 基本能够满足高带宽业务的需要，但是接入网技术却成为宽带网络发展的瓶颈， 制约着信息高速公路的发展。以太无源光网络( e t h e r n e t b a s e dp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ，e p o n ) 是基于以太网的无源光纤接入网，采用点到多点结构，能够在 以太网上提供多种业务。由于目前宽带骨干网大多基于以太网协议，e p o n 本 身也具有高带宽，兼容性好，技术成熟，低故障率，低维护成本，性能稳定， 承载业务灵活等等优点。所以e p o n 技术成为宽带业务综合接入的重要手段之 一，是解决接入网“最后一公里”问题的下一代宽带接入网的最佳方案之一。 在e p o nm a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层，为了避免不同用户数据的冲突， 上行链路通信采用t d m a 的方式传输数据，因此一个好的上行链路带宽分配算 法就决定了整个网络的性能。 本文主要是研究e p o m 的m a c 层算法以及对其进行优化，来得到更 好的带宽利用率，q o s 保证以及更小端到端延迟和延迟抖动。 第一章介绍了接入网的现状和发展，a p o n ，e p o n 以及g p o n ，总结了由 于目前e p o n 的优势，在不久的将来必定会是解决“最后一公里 的最佳方案 之一。 第二章分析了e p o n 的体系结构，提出几种e p o n 关键技术，包括同步、 测距、d b a 算法( d y n a m 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 m ) 、l l i d ( l o g i c a ll i n k i d ) 、a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 力h 密、o a m ( o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o n a n dm a i n t e n a n c e ) 以及q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证，并对各个技术进行分析研 究。 第三章分析了e p o n 的m a c 层m p c p 协议的5 个帧：g a t e 、r e p o r t 、 r e g i s t e r r e q 、r e g i s t e r 和r e g i s t e r a c k ，详细分析了o u n 的自 动发现过程，总结了影响带宽利用率的几个时隙损耗因素并对其进行研究。 在第四章比较了静态宽带分配算法和动态宽带分配算法( d b a ) 算法，详 细研究了其中一种经典算法一i p a c t ，仿真证明了动态算法具有更高的宽带利 用率和更好的q o s 性能。最后对旧的i p a c t 算法进行优化并仿真，结果表明， 经过算法优化，网络性能确实得到了有效的提高。 关键词：以太无源光网络( e p o n ) ，多点控制协议( m p c p ) ，动态带宽分 配算法( d b a ) 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e m a n d sf o r b a n d w i d t ho fu s e r sa r ei n c r e a s i n g t h eb a c k b o n en e t w o r kc a i ls a t i s f yb r o a d b a n d s e r v i c e sd e m a n db a s i c a l l y , b u tt h ea c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yo fb r o a d b a n dn e t w o r k d e v e l o p m e n th a sb e c o m eab o t t l e n e c kr e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n s u p e r h i g h w a y e t h e r n e t b 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 ) i st h ep a s s i v eo p t i c a l b a s e do ne t h e m e t ，s t r u c t u r eu s i n gm u l t i p o i n t , c a np r o v i d em u l t i p l es e r v i c e so v e r e t h e r n e t s i n c em o s tb r o a d b a n db a c k b o n en e t w o r k su s ee t h e r n e tp r o t o c o la n d e p o nh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sb r o a db a n d w i d t h , g o o d c o m p a t i b i l i t y , t e c h n o l o g y i s m a t u r e ，l o wf a i l u r ep r o b a b i l i t ya n dl o wm a i n t e n a n c ec o s t ，s t a b l e p e r f o r m a n c e ，b e a r i n gb u s i n e s sf l e x i b i l i t y , e t c e p o nt e c h n o l o g yh a sb e c a m eo n eo f t h ei m p o r t a n tm e t h o d st op r o v i d em u l t i p l eb r o a d b a n ds e r v i c e sa c c e s s ，a n di th a s e m e r g e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n ga c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g i e s o ne p o nm a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) l a y e r , t op r e v e n td a t ao fd i f f e r e n tu s e r s f r o mc o l l i s i o nu p l i n kc o m m u n i c a t i o n su s eat i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( t d m a ) t ot r a n s f e rd a t a s a c c o r d i n g l y , a no p t i m a lb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m ec a ni m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ea c c e s sn e t w o r k t h i sp a p e ri st os t u d yt h ee p o mt h em a cl a y e ra l g o r i t h m sa n dt oo p t i m i z e t h e m t og e tm o r eb e t t e rb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，q o sg u a r a n t e e s ，e n dt oe n dd e l a y a n dd e l a y j i t t e rp e r f o r m a n c e t h ef h s tc h a p t e rd e s c r i b e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa c c e s s n e t w o r k s ，a p o n ，e p o na n dg p o n ，s u m m e du pt h a ti nt h en e a rf u t u r ee p o nw i l l b eo n eo ft h eb e s tw a yt os o l v et h e ”l a s tm i l e ”a si t sa d v a n t a g e s i nc h a p t e rt w ow ea n a l y s i s e dt h ee p o na r c h i t e c t u r ea n dp r o p o s e ds e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e so fe p o ni n c l u d i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，r a n g i n g ，d b aa l g o r i t h m ( d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m ) ，l l i d ( l o g i c a l l i n k i d ) ，a e s ( a d v a n c e d e n c r y p t i o n s t a n d a r d )e n c r y p t i o n ，o a m ( o p e r a t i o n a d m i n i s t r a t i o na n d m a i n t e n a n c e ) ，a n dq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) g u a r a n t e e ，a n da n a l y s i s o fv a r i o u s 武汉理工大学硕士学位论文 t e c h n o l o g i e s c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e da n da n a l y z e df n ef r a m e so fm p c pp r o t o c o lo ft h e m a cl a y e ro ft h ee p o n ：g a t e ，r e p o r t , r e g i s t e r - r e q ，r e g i s t e ra n d r e g i s t e r - a c ka tf i r s t a n a l y s i st h eo l i na u t o m a t i cd i s c o v e r yp r o c e s s ，a n dt h e n d e t a i l e da n a l y s i ss e v e r a lt i m es l o t sa st h ef a c t o r si m p a c t sb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e rw ec o m p a r et h es t a t i ca n dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m ( d b a ) ，d e t a i l e da n a l y s i so n eo ft h ec l a s s i c a la l g o r i t h m i p a c t , s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i ca l g o r i t h mh a sah i g h e rb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n d b e t t e rq o sp e r f o r m a n c e f i n a l l y , o p t i m i z e dt h eo l di p a c ta l g o r i t h ma n ds i m u l a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a t ，a f t e ra l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n ，n e t w o r kp e r f o r m a n c eh a sb e e n e f f e c t i v e l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：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 ，m u l t i p l ep o i n tc o n t r o lp r o t o c l ， d y n a m 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 m h i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 武汉理工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。 期：丝丝曼兰! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢引獬删翮滏：弘嗍驯叮。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着信息时代的来临，网络技术和通信技术迅速发展，网络已经越来越普 及，人们也大大加深了与网络的之间的密切程度，网络业务已经从传统的单一 的数据业务发展到了现在的语音，数据，多媒体，图像等多业务的综合体。宽 带是衡量网络性能的一个重要指标，这对通信网络的各个方面都提出了更高的 要求。 现在i p 城域网和i p 骨干网是宽带网络的主要传送方式，目前局域网的宽 带达到了千兆，而骨干网的宽带大约在几十g 到几百g 的水平。 接入网被认为是信息高速的“最后一公里 。随着d w d m 的迅速发展，骨 干网和核心网已经实现了宽带化，但是，现在的接入网仍然是以双绞线铜线为 主，原先的模拟系统和传统的接入网技术已经难以胜任。 1 1 接入网现状及发展趋势 按网络功能来分，电信网可以分为三个部分：传输网、交换网和接入网【l j 。 接入网负责将电信业务透明的传送到用户，具体来说，接入部分就是本地交换 机和用户之间相连接的部分，一般都是指用户线传输系统、复用设备、交叉连 接设备或者用户网络终端设备。实际上业务结点就是接供业务的实体。 接入网部分指的是骨干网到用户终端之间的所有设备。由于长度一般为几 百米到几公里，所以也被称为“最后一公里 。骨干网一般采用光纤结构，它的 传输速度很快，所以，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。 国际电信联盟( i t u t ) 第1 3 组1 9 9 5 年7 月通过了关于接入网框架结构方 面的新建议g 9 0 2 1 2 1 ，对接入网的定义如下：接入网( a c c e s sn e t w o r k ，a n ) 为供 给电信业务提供所需传送承载能力的实施系统，可由管理接口( q 3 ) 配置和管 理，其由业务节点接口( s e r v i c en o d ei n t e r f a c e ，s n i ) 和用户网络接口( u s e r n e t w o r ki n t e r f a c e ，u n i ) 之间的一系列传送实体( 如传输设施和线路设备) 所 组成。对接入网可以实现的用户网络接口和业务节点接口的类型和数目都没有 限制。接入网不解释信令。接入网一般包括用户传输系统，复用设备和交叉连 接设备以及用户网络终端设备。对接入网来说成本是最敏感的因素，这是由于 武汉理工大学硕士学位论文 接入网的网络资源设备的共享性远远低于核心网络资源设备的共享性。也正是 由于成本的敏感性，某些在骨干网和城域网中适用的技术并不一定适用于接入 刚3 1 。接入网技术出现正是出于对成本的考虑，需要实现业务交换节点和业务 接入节点分离。接入网本质上就是一个与业务和应用无关的传送网，它的主要 功能是复用，交叉连接和传输。 接入网可以按照接入方式和传输的介质来分类。按不同的接入方式来分可 以分为铜线接入，光纤接入，光纤同轴电缆混合接入，无线接入以及以太网接 入等；按其传输的不同介质来分，接入网可以分为有线接入网和无线接入网【4 j 。 无线接入技术在本地网中的重要性日益增长，发展势头强劲。无线接入网成为 有线接入网的有效支持、补充和延伸，它已经可以实现接入网的全部或部分功 能。无线接入主要包括多址接入、无线a t m 、无线空中接口、抗衰落、数字调 制与扩频等等技术。除此之外，近年来还出现了很多无线接入的新技术，例如： 蓝牙、红外无线、w c d m a 接入、g p r s 接入、h o m e r f 和d b s 卫星接入等等。 有线接入网可以分为铜线接入网和光纤接入网。在实际的接入网中，还会用到 其它传输介质，组成混合接入网。在有线接入网，数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n ed s l ) 技术的出现是在2 0 世纪8 0 年代，并得到了应用广泛。它主要包括 h d s l 和a d s l ，以及v d s l 几类【5 】。但是d s l 只能实现基本速率的业务。 电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 6 】技术是在混合光纤同轴n ( h f c ) 的基础2 ： 发展起来的。这种技术建立强大的数据接入网，在有线电视( c a t v ) n 络内增添 电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 。不但可以提供高速的数据业务，也支持电话业 务。 1 2 光纤接入网 光纤接入网也一种重要的接入网，光纤接入网( o a n ，o p t i c a la c c e s s n e t w o r k ) 可以实现很高的网络带宽，能够满足用户对网络带宽日益增长的的需 求。光纤接入网采用光纤传输介质来组成光纤用户环路，实现信息传送的宽带 接入的网络形式。光纤接入网可以分为有源光网络( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k , a p o n ) 和无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 两种。二者的区别在于有 源光网络采用电复用器分路，而无源光网络采用分路器分路。 无源光网络( p 研0 【7 j 自2 0 世纪8 0 年代被采用以来，历经了几个发展阶段。 最开始人们认为实现综合接入的理想模式是a t m 技术与p o n 技术结合的 2 武汉理工大学硕士学位论文 a p o n b p o n 技术，但是随着数据业务的疯狂增长，a t m 技术暴露出许多弱点， 比如协议复杂、效率不高等，而且它的成本过高，因此并没有大规模的投入到 应用中。在这种情况下，两个新的p o n 标准产生了，一个是e t h e m e t p o n ( e p o n ) 标准，由i e e e 8 0 2 3 a h 工作组负责制定的；另一个g i g a b i t p o n ( g p o n ) 标准，由 i t u f s a n 负责制定，用来替换a p o n t b p o n 标准。 无源光网络通过无源光节点把信号传给终端用户，相比较于有源光网络， 其投资成本低，维护成本低，结构灵活，便于扩展，能够充分利用光纤的巨大 带宽和优良的传输性能。所以，无源光纤网络( p o n ) 是目前的光纤接入网大多 采用的形式。再者，由于大多数p o n 系统都是多业务平台，对于向全光i p 网 络过渡来说是一个不错的选择。 目前无源光网络中，用于接入网的技术只有三种：1 基于a t m 技术的 a p o n ；2 基于以太网技术的e p o n ；3 具有多种传输功能的千兆以太网无源光 网络g p o n h j 。 a p o n ( a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) a p o n 是采用异步转移模式( a t m ) 的无源光网络。a p o n 将a t m 的多比特 速率传输能力、统计复用的功能以及多业务与无源光网络( p o n ) 的透明的传 输宽带能力结合起来，是一种能长远使用的宽带接入方案。于1 9 9 5 年提出，并 在1 9 9 6 年由1 3 家大型网络运营商同它们的主要设备供应商组成了f s a n 伊u l l s e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ) 联盟，a t m 传输协议，1 5 5 m b s 的p o n 系统技术规范， i t u tg 【9 8 3 系列标准。2 0 0 1 年改名为b p o n ( b r o a d b a n dp o n ) ，a p o n 标准 后来得到了加强，加上了动态带宽分配、保护等功能，可以提供以太网接入、 视频发送和高速租用线路等业务，能够支持6 2 2 m b s 的传输速率。 g p o n ( g i g a b i t c a p a b l ep o n ) 9 1 千兆无源光网络吉比特无源光网络技术最新一代宽带无源光综合接入标 准，它基于i t u t g 9 8 4 x 标准，具有高带宽，高效率，用户接口丰富，大覆盖 范围等众多优点，大多数运营商都视其为一种实现接入网业务宽带化，综合化 改造的理想技术【l 叭。最早是由f s a n 组织于2 0 0 2 年9 月提出g p o n ，i t u t 在 此基础上于2 0 0 3 年3 月完成了i t u tg 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 的制定，2 0 0 4 年2 月 和6 月完成了g 9 8 4 3 的标准化。从而最终形成了g p o n 的标准族。 g p o n 技术的设备基本结构类似于p o n ，同样是由局端的o l t ( 光线路终 端) ，用户端的o n t o n u ( 光网络终端或称作光网络单元) ，网管系统以及连接 武汉理工大学硕士学位论文 前两种设备的单模光纤( s mf i b e r ) 和无源分光器( s p l i t t e r ) 和o d n ( 光分配网络) 所 组成。 g p o n 标准对于其他的p o n 标准而言提供了极高的带宽，它的下行速率达 到了2 5 g b p s ，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。提供全业务的q o s 保障，同时承载g e m 帧和a t m 信元，具备很好的提供服务等级、全业务接 入和支持q o s 保证的能力。承载g e m 帧的时候，可以将t d m 业务映射到g e m 帧中，使用标准的8 k h z ( 1 2 5 u s ) 帧能够直接支持t d m 业务。g p o n 作为电信 级的技术标准，还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的o a m 功能。 但是，g p o n 和e p o n 相比，也存在如下缺点：1 g p o n 的设备成本要远 远高于e p o n ；2 e p o n 能对业务合理的区分，使得高优先级的队列获得高的 带宽利用率和尽可能低的端到端延迟l l ，但是g p o n 无法体现；3 面向普通用 户的接入业务主流仍然是简单的上网业务，传输的主要业务依然是i p 业务；4 g p o n 的标准体系还远远没有成熟，设备的商业化还有待时日。 e p o n ( e t h e r n e tp o n ) 1 2 】 8 0 2 3 e f m ( e t h e m e t i nt h ef i r s tm i l e ) 研究组是i e e e 在2 0 0 0 年11 月成立的， e f m a 是由业界2 1 个网络设备制造商发起成立，实现g b s 以太网点到多点的 光传送方案，所以也称为g e p o n ( g i g a b i t e t h e m e tp o n ) 。 e p o n 通过一个单一的光纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务 接入，是一种新兴的宽带接入技术，具有良好的经济性。大多数人认为，宽带 接入的最终解决方式是f t t h ，而e p o n 也马上成为一种主流的宽带接入技术 【1 3 】。专家们普遍认为，由于e p o n 宽带入户的特殊优越性，网络结构特点，以 及与计算机网络的天然有机结合，无源光网络是解决信息高速公路“最后一公 里 和实现“三网合一”的最佳传输媒介。 根据i e e e 的8 0 2 3 以太网协谢1 4 j ，e p o n 将p o n 技术与以太网技术相结 合，在a p o n 中，传送的是4 8 个字节的净荷和5 字节信头的5 3 个字节的固定 长度信元；而在e p o n 中传送的是可变长度的数据包，数据包长度最小为6 4 字节，最大为1 5 1 8 字节。所以i p 业务信息不能由a p o n 系统直接传送，如果 要用a p o n 传送口业务，就需要将p 包进行拆分，每4 8 个字节为一组，并在 5 个字节的信头加在每组前面，形成a t m 的帧格式。这样不仅浪费时间，5 字 节的信头对带宽是一种浪费，大大增加了o l t 和o n u 的成本。然而以太网适 合携带业务，与a t m 相比，以太网大大的节约了成本和带宽。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3e p o n 的优势 e p o n l l 5 】接入系统有如下特点【1 6 1 ：局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间只有 光纤、光分路器等光无源器件，不需要租用机房、配备电源，也不需要有源设 备维护人员，能够有效节省建设以及运营维护成本； e p o n 也是用户局域网驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，采用 以太网的传输格式，消除了复杂的传输协议转换所带来的成本因素； 采用单纤波分复用技术( 上行1 3 1 0 n m ，下行1 4 9 0 n m ) ，只需要一个o l t 和一根主干光纤传输的距离就可以达到2 0 公里。o n u 端通过光分路器可以分 送最多3 2 个用户，所以大大降低了主干光纤和o l t 的成本压力； 上下行均为千兆速率，上行采用时分复用( t d m a ) 共享带宽，下行采用 加密广播传输的方式共享带宽。高速的宽带充分满足了接入网客户的带宽需求， 并能够按照用户需求的变化动态地进行带宽分配； 由于点对多点的结构，只需要增加少量用户侧光纤和o n u 数量就可以对 系统方便地进行扩容和升级，充分保护了运营商的投资； e p o n 能够同时传输视频广播、p 数据和t d m ，其中采用i e e e8 0 2 3 以 太网的格式来传输t d m 和i p 数据，加上电信级的网管系统，完全能够保证传 输质量。通过扩展第三个波长( 通常是1 5 5 0 n m ) 就能够实现视频业务广播的传 输。 1 4e p o n 的发展趋势 在2 0 0 0 年底，美国电气与电子工程师学会( i e e e ) 成立了e f m 研究组 ( e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l es t u d yg r o u p ) 来研究一种新的接入技术标准一 e t h e m e tp o n ( e p o n ) 。e p o n 是指采用无源光网络( p o n ) 的拓扑结构来实现 以太网的接入。i e e e 局域网标准委员会( l m s c 8 0 2l a n m a ns t a n d a r d s c o m m i t t e e ) 在2 0 0 1 年7 月批准了e f m 研究组的项目认定请求( p a r ) ，成立 并且授权e f m 任务实施组( 8 0 2 3 a he f mt a s kf o r c e ) 来负责起草用户接入网 的以太网标准以供i e e e 标准协理事会讨论批准。e f m 研究组提出了几个主要 的研究议题给e f m 任务实施组：1 不小于1 0 m 以太网利用现有的铜线传送点 到点的7 5 0 米，2 1 0 0 0m b p s 以太网利用光纤传送点到点的1 0 公里，3 1 0 0 0 兆 速率的以太网点到多点的光传送( e p o n ) ，传输距离为l o 公里。 武汉理工大学硕士学位论文 到目前为止，研究e p o n 标准的e f m 研究组，工作进展顺利，发展也比 较迅速。国外已经有几家公司推出了e p o n 产品，还有更多的厂商正在试制或 计划研制，目前e p o n 可能够提供的带宽是上下行对称的1 2 5 g b p s ，随着以太 技术的发展，还能够升级到1 0 g b p s 。 2 0 0 9 年，运营商的重组使国内三大运营商进入了全业务运营的时代，运营 商之间移动和宽带领域的竞争也将变得愈加激烈。3 g 网络业务的迅速发展，高 速无线宽带给有线宽带带来了冲击，促进了“光进铜退”战略的实施和传统固 网宽带接入的提速。业界一直争论是选择e p o n 还是g p o n 。然而从目前看来， e p o n 的发展无论从产业链规模、产品成熟度、或者是从技术演进来看，都是 比g p o n 领先的，e p o n 目前在国内市场仍然处于主导地位。而1 0 ge p o n 的 快速崛起，也e p o n 的后续发展增添了动力。 尤其是进入2 0 0 9 年之后，无论是e p o n 还是1 0 ge p o n 都取得了一系列 重大成就。首先，在业务创新方面e p o n 取得重大进展。上海电信完成了基于 e p o n 的c d m a l x 业务以及e v d o 高速数据业务割接，首次实现了全球e p o n 对3 g 业务的承载，是继2 g 基站承载之后，在移动业务承载方面e p o n 取得的 又一个巨大成就。其次，在2 0 0 9 年北京举办的中国f 1 1 h 高峰发展论坛上，中 兴通讯发布了全球首台“对称 1 0 ge p o n 设备样机，使得1 0 ge p o n 成为率 先成熟的下一代p o n 技术标准。 1 5 本文的研究内容 本文主要是对e p o nm a c 层上行链路的动态带宽分配算法进行了优化， 主要是为了提高e p o nm a c 层的上行带宽利用率，尽量减小和消除各个时隙 损失因素，减少业务数据的端到端的延迟和缩小延迟抖动并满足网络流量的 q o s 要求。 本文的主要工作如下：首先是介绍了e p o n 体系结构，e p o n 系统同步、 延迟补偿、测距、l l i d 、o n u 注册以及q o s 保证等关键技术，研究了m p c p 协议的控制帧格式，e p o n 的通信模式以及上行链路带宽的分配原理。分析总 结e p o n 上行链路通信周期中的时隙损耗因素；对i p a c t 算法进行分析研究， 并提出了基于i p a c t 的优化方案，最后进行仿真比较。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章e p o n 系统及相关技术研究 e p o n 通过一个单一的光纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务 接入，是一种新兴的宽带接入技术，具有良好的经济性。大多数人认为，宽带 接入的最终解决方式是f t t h ，而e p o n 也马上成为一种主流的宽带接入技术。 专家们普遍认为，由于e p o n 宽带入户的特殊优越性，网络结构特点，以及与 计算机网络的天然有机结合，无源光网络是解决信息高速公路“最后一公里 和实现“三网合一”的最佳传输媒介。 2 1e p o n 系统结构 e p o n 1 7 】具有一点对多点的网络拓扑结构 1 8 1 1 9 1 1 2 0 1 ，它的结构如图2 1 所示。 核心网 接入网 图2 1e p o n 系统结构图 其中o l t 功能框架如图2 2 所示。 7 驻地网 武汉理工大学硕士学位论文 业 核心功能 务 汇聚分发和业 。 琴 d n 业务网 适配 业务 公共功能 功能 接口 功能 供电功 o a m 功能 图2 2o l t 功能框架 o n u 功能框架如图2 3 所示。 核心功能 业务功能 d n r 蒜f j 物理。 接口 功能。 d n 适配功能 业务处理功 - - - 用户 端口 公共功能 功能 供电功能o a m 功能 图2 3o n u 功能框架 p o s 功能框架如图2 - 4 所示。 图2 4p o s 功能框架 8 o u t d n 武汉理工大学硕士学位论文 一个e p o n 系统，主要是由一个o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，光线终端) ， 多个o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，光网络单元) 和无源分光器( p a s s i v eo p t i c a l s p l i t t e r ，p o s ) 所组成。其中o l t ( 光线终端) 位于根节点，通过光分配网( o p t i c a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 和各个o n u 相连。 e p o n 主要使用的有无源光分配器耦合器( s p l i t t e r c o m b i n e o 以及单模光纤 光缆等无源器件，主要使用o l t 和多个o n u 等有源器件。其中o l t 作为交换 机和路由器的角色位于中心端，o n u 用于暂时存储用户端传来的上行数据和 o l t 传来的下行数据并且转发数据，位于用户端。发出的下行光信号在下行o l t 经过1 ：n 光分配器( s p l i t t e r ) 而分成n 路光信号，在多根光纤中传输给多个o n u ， 多个o n u 发出的上行光信号在上行经过1 ：n 光耦合器( c o m b i n e r ) 合成一路光 信号，在一根光纤中传输给o l t ，传输的距离可以长达2 0 公里。通过光分路器 分送给最多3 2 个o n u 用户，这样大大降低了o l t 和主干光纤的成本压力。 e p o n 能够同时传输视频广播、t d m 和i p 数据，t d m 和i p 数据采用电信级的 网管系统，使用i e e e 8 0 2 3 以太网的格式进行传输，完全能够保证传输质量。 通过第三个波长( 一般是1 5 5 0 n m ) 扩展，可以实现视频业务广播传输。o n u 和o l t 之间能够灵活地组建成环形、树形、总线形以及混合型的网络。 在上面的e p o n 的体系结构图我们可以看到，o l t 可以和各个o n u 之间 传递数据，相互通信，但是各个不同的o n u 之间不能相互传递数据和通信。 各个o n u 在向o l t 发送数据的时候，由于信道是共用的，不同的o n u 数据传送之间就有可能相互发生冲突，所以，为了避免共用信道的时候不同 o n u 数据间相互冲突，我们需要使用复用技术。在e p o n 上行链路能够采用多 种复用技术：1 时分多址( t d m a ) ；2 频分多址( f d m a ) ；3 波分多址( w d m a ) ； 4 码分多址( c d m a ) 。其中时分多址复用技术( t d m a ) i 扫于只需要一个o l t 转发 器，结构简单，成本低，而且所需的波长也少，所以，一般现在的e p o n 系统 为了避免不同o n u 之间的数据冲突，使用的都时分多址复用接入技术。o d n ( 光分布网络) 在一个o l t 和多个o n u 之间提供一条或者多条光通道( 都限 制在一个特定波长范围，下行用1 4 9 0 n m 一1 5 0 0 n m 的波长，上行使用 1 2 6 0 n m 一1 3 6 0 n m 的波长，如果想实现c a t v ，就可以使用1 5 5 0 r i m 一1 5 6 0 n m 的 波长) 。 e p o n 系统能够承载的主要业务是t d m 业务、c a t v 业务和m 业务等等， 其中t d m 业务包括数据专线业务以及语音业务。对于f t t b c ，e p o n 系统应 9 武汉理工大学硕士学位论文 该能够同时承载t d m 业务和m 业务，可以选择是否支持c a t v 业务；对f 删， e p o n 系统应该能够同时承载语音业务和i p 业务，可以选择是否支持数据c a t v 业务以及数据专线业务。 2 2e p o n 的关键技术分析 通常说的e p o n 技术2 1 1 有以下几种：1 同步【2 2 】；2 测距；3 d b a ；4 l l i d ； 5 a e s 加密；6 o a m 【2 3 】；7 q o s l 2 4 保证。 2 2 1 同步 系统的同步，指的是为了防止各个o n u 的上行数据之间发生冲突，每一 个o l t 所分配的时隙必须与o n u 的发送时隙保持一致，这就需要o n u 的时 钟和o l t 的时钟同步。 一般来说，在e p o n 系统里，o l t 到各个o n u 之间的物理距离不是相等 的。每一个o n u 的上行数据在共用信道时，为了保证不受物理距离产生的延 迟所影响和精确的插入到指定的时隙，并使各个o n u 之间相互不发生碰撞， 就需要e p o n 系统有一种功能，来实时测量o l t 和每一个o n u 之间的距离， 并计算o n u 与o l t 之间数据发送所带来的时延，之后o l t 根据延迟信息来实 时动态的具体控制分配每一个o n u 的发送时间，来保证在o l t 规定的时刻， 各个o n u 的上行数据都能到达共用信道，而且相互之间不会冲突。 m p c p 时钟的同步( 时间标签同步) 一个3 2 比特的计时器，每比特代表1 6 n s 。 在g a t i n g 进程产生的g a t e 消息发出去之前，o l t 加上一个时间戳用来记 录当前的时间( 由c o n t r o lm u l t i p l e x e r 完成) 。 在o n u 收到g a t e 消息之后，就把本地的m p c p 时钟设为时间戳携带的 时间( 由c o n t r o lp a r s e r 完成) 。 o n u 根据从线路数据中恢复的时钟不断的来校准自己的时钟。 这种同步方案需要两个前提： ( 1 ) m a c 层和p h y 层的处理时延是常量。 ( 2 ) o l t 知道每个o n u 的r 1 r t 时间( 自动发现的时候已经完成) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 测距 测距是指实时的测量o l t 与各个o n u 之间延迟的过程。根据实时的时延 信息，o l t 来动态的指挥分配每一个o n u 具体的发送时间。延迟补偿就是这 种把每一个o n u 都调整到o l t 相同的“虚距离”地方的过程。 e p o n 测距原理如图2 - 9 所示。 o l t m p c p t i m e = 屯 o l tl o c a ll i m e = r 2 jl ri ) i s e o v e qg a t e r e g i s t e f r e q j j _ ， t i m e 。，一，。? ， 融叩= 岛砌箩泖= ，_ 7 ，r 。 ， ， ， io t s e o v 艄g a t e1r e g i s t e r 一嗣 瓦丁诎 。i r t i i t i e q 持扛1 m 一1 r s e to n um p c pc l o c i ( = 毛s e tt l m e s t a m p = o n um p c pc l o c k 图2 9e p o n 测距原理 ( 1 ) 在o l t 和o n u 的内部，有一个记数器，每传输1 6 比特数据计数器 就增加1 。如果有m p c p 协议数据单元发送，o l t 把记数器的值“写进控制帧 的t i m es t a m p 字段。o n u 收到控制帧之后，就将其本地记数器中的值替换为 该控制帧中t i m es t a m p 字段的值。这个实时过程使得o n u 侧的时钟与o l t 侧 的时钟时刻同步，也就是系统的同步。 ( 2 ) o n u 发送r e p o r t 帧的时候，在r e p o r t 控制帧的t i m es t a m p 字 段写上记数器的值f 1 ，o l