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上蒋大学硕士学位论文e p o nm a c 掷议姘究与o n u 实现讨论 摘装 e p o n 怒目前国际上最新的按入网技术，才猩阑际上提出，本校就迅速成立 了有多位资深专家组成的e p o n 研究课题组，对e p o n 进行了深入研究，并致力于 e p o n 瓣产渡纯工作，凌瓣内处予簿浍。 本谋麓作为上海市科委的研究项西，对于魏以太无源壳嘲络( e p o n ) m a c 屡 协议程带宽分配算法遂行了研究。并讨论te p o n 的用户终端o n u 的较硬 串实现 方褰 本文酋先讨论了备种目前流行的接入嗣技术，接着讨论了i e e e 8 0 2 ，3 a h 研 究小组芷搬制定中的e p o nm a c 协议标准的结构和特点，探讨了m a c 协议的具体 内容，著对一些正在争议中豹润越提出了嚣恐豹凳熬。 文中对e p o n 的j 主耱和钡4 溅过程进行了深入丽广泛的讨论。并对b i a c 层的带 宽分配算法展开了深入鸵磷究，提出了适应予e p o n 阏络带宽分配策略，弗进行了 瑾谂分横濑计算凝谤翼蚕拜究，鞠步验证了文中提蹬豹带宽分甏黧法静合疆侄帮可 实行性。 最后撮出了e p o n 中的用户终端o n u 的软硬件突现整体方黧，在此撼础上， 详缳讨论了羯f p g a 实璇p c sn 予麓的突发发送秘接浚辍裁，为下爹豹工俘羹下 了麓实的繁础。 【头键词】 e p o n i e e e 8 0 3 a h 测距淀j l 目l 带宽分醚党鄹终擎元 l 海大学硕士学位论文 e p o nm a c 怫议研究与o n u 实现讨论 a b s t r a c t e p o nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kp r o v i d e su san e wm e t h o d w h i c h1 c a d s t oi n f o r m a t i o nh i g h w a y ，f u r t h e r m o r e ，m u l t i m e d i ad a t ac o m m u n i c a t i o nb a s e d o ne p o ns y s t e mi sm o s ta t t r a c t i v es e r v i c ef o rt h eu s e r s s o m ev e t e r a n p r o f e s s o r sa n dt a l e n t e ds t u d e n t sh a v ef o r m e das t u d yg r o u pt or e s e a r c h e p o n ，h o p i n gt om a k ee p o np r o d u c t i nat w oy e a rl o n gp r o j e c t b e c a u s eo ft h es p e c i a lt o p o l o g ys t r u c t u r e ，c h a n n e la l l o c a t i o na n d t r a n s m i s s i o nd e l a ya r ei m p o r t a n tp r o b l e m si ne p o nn e t w o r k s oi tb e c o m e s af o c u st od e s i g nas u i t a b l em e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lf o re p o n ， i nt h i st h e s i s ，w ed i s c u s si nd e t a i lt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em e d i a a c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，t h e nw ed i s c u s sr a n g i n ga n dd i s c o v e r yp r o c e s s i ne p o n w ef o c u so nd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m ea n dp o s s i b l e a l g o r i t h m s 。 a tl a s tw ed i s c u s st h es c h e m eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n to f o n u e s p e c i a l l v w er e a l i z ep c sf u n c t i o nw i t hx i l i n xf p g a ，a n dm a k eaf i r m f o u n d a t i o nf o rt h ew h o l ep r o j e c t k e yw o r d s 】 e p o nt e e e 8 0 3 ，a br a n g i n gd i s c o v e r yb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mo n e 【：海大学硕士学位论文 e p o nm a c 掷议研究与o n u 实现讨论 第一章绪论 近年来，随着i n t e r n e t 网络技术的发展和成熟以及用户对电信新业务需求 的不断增长，高速的接入技术已经成为通信、信息技术领域研究的前沿和热点， 而经济、有效地利用现有电信资源，提高服务质量适应各种信息业务的发展已成 为网络发展的重要问题。由于i p 骨干网的高速向前发展，接入网已经成了信息 高速公路的瓶颈。 接入网在当前和未来电信建设中占有很大的投资比重，传统的接入网主要以 双绞线的形式为用户提供电话等一般电信业务，难以满足人们对各种新业务，特 别是宽带综合业务的需求。各种新的接入网技术和相应的产品应运而生，主要有 高比特率数字用户线( h d s l ) ，不对称数字用户线( a d s l ) ，光纤同轴混合网( h f c ) 和无源光网络但o n ) 等等。其中p o n 技术因为成本低、对业务透明、易于升级 和易于维护管理而深受用户欢迎。基于以太网技术的e p o n 是最新的接入网技 术，它是能实现电话网、数据网、有线电视网三网合一的综合业务接入平台，满 足用户对高速数据、图像等宽带电信业务的需求，并向数字化、智能化、综合化、 宽带化和个人化的方向发展。尤其是它的成本较低，是适合中国特色的宽带接入 系统，有着广阔的应用前景。 1 1 接入网概述 整个电信网按照功能分为三个部分：传送网、交换网和接入网“1 。它们的关 系如图1 1 所示。电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信服务的所有传 输及复用设备、交换设备以及各种线路设施等。 日 区并啊牛匡薹一卜 i 接入“41 交换| i 牝输州：i 交换阿 ! 接八到! 1 一】1 且“7 船7 ，、也q 一1 引、“ 接入网是电信网的组成部分，负责将电信业务透明传送到用户，也就是说剧 户通过接入网的传输，能灵活的接入到不同的电信业务节点上。具体而言，接入 网即为本地交换机与用户之间的连接部分。 国际电信联盟( i t u ，t ) 第1 3 组于1 9 9 5 年7 月通过了关于接入网宽架结构 方面的建议g 9 0 2 ，其中对接入网的定义如下口j - 接入网由业务节点接口( s n i ) 年u 用户网络接口( u n i ) 之问的一系列传送实体 ( 如：线路设施和传输设施) 组成，为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施 系统，可经由管理接口( q 3 ) 配置和管理。原则上对接入网可以实现的u n i 和s n i 的类型和数目没有限制接入网不解释信令。 接入网山其接口界定，用户终端通过用户网络接 - 1 ( u n i ) 连接到接入卅，接 入网通过业务节点接口f u n i ) 连接到业务节点( s n ) ，通过q 3 接口连接到电信管 海人学硕二e 学位论文e p o n m a c 协议研究与o n u 实现讨论 图l - 2 是接入网与其他网络实体之间由u n i 、s n i 和q 3 接口连接的示意图。 幽1 2 接入网的界定 接入网可以连接到多个业务节点，以这种方式，接入网可以提供到支持相同 业务的不同业务节点的接入，也可以提供到支持相同业务的的多个业务节点的接 入。而今后的接入网则可以通过某个标准接口，支持到提供多业务的业务节点的 接八，如p s t n 、i s d n 、d d n 、a t m 等等。如图1 3 所示的接入网是未来的理 想接入网的形式，它通过一种标准的s n i 接口，使用户的不同业务接入到支持 多种不同业务的网中。 图1 3 接入网与各种业务节点的关联 国际上关于接入网的界定、接口、功能模型、分层模型和传送能力、接入网 支持的接入类型，以及管理、控制、操作等方面都已经进行了深入的研究，很多 已形成了国际标准，在此不作赘述。 1 2 无线接入网简介 作为国际上流行的接入网技术和有线接入网的竞争对手，我们有必要对无线 j 羞1 、_ i m l n 介? 州。一。：戈按、h 1 f 、i 。：毫“足1 。一j 以多j ，疗为l i - 限l 叠二j i ；j 卫，、1 i i l 夕 动终端接入。 固定终端接入主要有：卫星直播( d if e e tb r o a d b a n ds y s t e m ，d b s ) 系统、 采用c 或k u 波段的同步卫星通信( s y n c h r o n o u ss a t e l i r ec o m m u n i c a t i o n ，s s c ) 系统、甚小孔径终端卫星( v e r ys m a l la p e r t u r et e r m in a ，v s a t ) 系统、单 区制无线接入、微波点对多点通信系统( m u t i p l e c c e s sr a t j i os v s t e m m a r s ) 、本地多，矗分g l i q k 务( l o c a lm l i 】ti p led i s t r i b u t i o ns e r v ic e 1 ，i i ) s ) 系统、多路多点分布业务( m u l tjp o in tm u i t i ch i f lr l e ld is lr l i l ) u ti 。ns er 、r i ( - e 上海大学硕士学位论文 e p o nm a c 协议研究与o n u 实现讨论 m m d s ) 系统等等。 移动终端接入主要有：无线寻1 1 乎( p a g i n g ) 系统、无绳电话( c o r e l e s st e l e p h o n e ， c t ) 系统、集群通信系统、蜂窝移动通信系统、同步卫星移动通信系统、低轨 道卫星移动通信系统( l o we a r t ho r b i ts a t e l l i t em o b i l es y s t e m ，l e o s m a ) 和公 共陆地移动通信系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ，f p l m t ) 等 等。 固定终端接入和移动终端接入都得到了广泛的应用，但是由于光接入网相比 带宽比较低，因此有一定的局限性。 1 3 光接入网( 0 a n ) 介绍 光接入网是目前比较流行的宽带接入技术，定义为共享相同网络侧接口并由 光接入传输系统所支持的接入链路群。一般来说，o a n 是一个点到多点的光传 输系统。从系统配置上可分为无源光网络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) 【4 】。 由于无源光网络( p o n ) 价格低廉，在光接入网中处于主导地位。典型的p o n 参考配置如图1 4 所示。 图1 4 无源光网络( p o n ) 的参考配置 图1 - 4 中的英文缩写词含义如下： o d n ：彤，j 配网络它早0 t - t 和0 兀j 方问j ，i 二轮樽质，开濒! 粥卵瞒 0 1 3 ：光线j i 】 终端。它提供o a n 例络侧谈l i ，扑连接一个或多个o d n 。 o n u ：光网络单元。它提供o a n 用户侧接口，并连接一个o d n 。 a f ：适配功能。 u n i ：用户网络接口。 s n i ：业务节点接口。 s ：光发送参考点。 “ r ：光接收参考点。 v ：与业务节点间的参考点。 t ：与用户终端间的参考点。 a ：a f 与o n u 剐的参考点。 无源光网络在o l t 和o n u 之刚没有征何有源r n 了设备，对各种业务呈透明 状态，易于升级扩容，便于维护管理。一般来晚p o n 可以采用星形、叼：形、总 海大学硕i 学位论文 e p o nm a c 伽议研究1jo n u 实现讨论 线型等拓扑结构。但p o n 的结构选择取决于大量的经济和技术因素，任何一种 结构都不能完全适用与所有的实际情况，有时采用集中结构组合而成，典型的有 单星形网、双星形网、总线形网和环形网等等，在实际应用r ，星形网得到了比 较广泛的采用。典型的p o n 系统有窄带无源光网络( n p o n ) 、基于a t m 技术的a p o n 和基于以太网的e p o n 等等。 目前国外很多电信公司有了一些p o n 的商用产品，如a l c a t e l 公司的 1 5 7 0 n b 系统和e r i c s s o n 公司的l o c ，2 i 系统，但由于价格等原因没有得到大 范围推广【5 1 。 1 4 e p o n 技术简介 1 4 1e p o n 的技术特点 1 9 9 6 年i t u t 完成了对g 9 8 2 的标准化，其主要目标是对2 m b i t s 以下接入 速率的窄带p o n 系统进行定义。与此同时，以a t m 为基础的p o n ( i j ja p o n 系 统) 也发展较快。1 9 9 8 年i t u t 正式通过了g 9 8 3 1 建议，即“基于无源光网络 f p o n ) 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g 9 8 3 2 建议，即“a t m p o n 的o n t 管理和控制接口规范”，浚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。 虽然e p o n 的网络结构在目前还没有定论，但肯定会采用p o n 的结构，因此， 讨论中许多成员都沿用了i t u - t g 9 8 3 中定义的a p o n 的结构来描述e p o n ，如图 1 5 所示。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，它们的主要区别如下 6 】 e p o na p o n 2 层协议以太a t m 传输数据帧 以太帧a t m 信元 速率 1 2 5 g b p s 15 5 6 2 2 m b p s 国际标准i e e e 8 0 2 3 a h i t u tg 9 8 3 上行接入t d m at d m a 。叛弧m|j 摘 【成本低廉( m l 承载业务p o t s ，数据，1 p 业务p o t s ，数据，a t m 业务 表1a p o n 与e p o n 的初步比较 e p o n 系统由光链路终端( o l t ) 、光分路器和光网络终端( o n u ) 组成， 采用树形拓扑结构。o l t 放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监 控、管理及维护功能，o n u 放置在用户侧，o l t 与o n u 之i - j 通过无源光分合 路器连接。e p o n 使用波分复用( w d m ) 技术，同时处理双向信号传输，上卜 行信号分别用不同的波长，采用w d m 器件外一卜f 行数据流在同 根光纤巾传 j 墓。 h 海人学硕士学位论文e p o nm a c 协议研究与o n u 实现讨论 图1 5e p o n 总体结构示意 i e e e 于2 0 0 0 年底成立了e f m 工作组( e t h e m e t i n t h e f i r s t m i l es t u d y g r o u p ) ， 研究一种新的接入技术标准一e m e m e tp o n ( 或e t h e i n e to v e rp o n ，以下简称 e p o n ) 。顾名思义，e p o n 是利用p o n 的拓扑结构实现以太网的接入。除i e e e 研究组外，e p o n 提倡者们还计划参加其它标准化组织，例如i t u t 和 i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) ，即因特网工程工作组) 。他们还有可能就此 计划和f s a n 组织联系，很可能i e e e 8 0 2 3 的e f m 工作组会集中精力为e p o n 开发m a c 协议，其他的所有部分都引用f s a n ，这也是e p o n 实现标准化的最 快途径。 根据o n u 的位置不同，e p o n 支持很多接入应用，如光纤到户( f t t h ) 、 光纤到楼( f t t b ) 、光纤到多住所单元( f i b e rt ot h em d u ，m t u ) 、光纤到路边 ( f t t c ) 等。e p o n 解决了传统的本地交换局( i l e c ) 、电缆多业务经营商( m s o ) 、 新兴的本地交换局( c l e c ) 、楼宇本地交换局( b l e c ) 、建筑总承包商( o v b ) 、 公用事业部门和刚刚起步的服务提供商的各种应用问题。 i e e ee f m 工作组的目的是在现有i e e e s 0 23 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。e p o n 相对于现有类似技术的优势归纳 起来主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 与现有以太网的兼容性。以太网技术是迄今为| 上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。 随着e p o n 标准的制定和e p o n 的使用，在w a n 和l a n 连接时将减少a p o n 八j 1 川【f7 ”i 、1 h ? ：l ：鼻， ( 2 ) 高带宽。根据目前的讨论，e p o n 的下行信道为百兆干兆的广播方式， 而上行信道为用户共享的百兆千兆信道这比目前的接八方式，如m o d e m 、i s d n 、 a d s l 甚至a p o n ( 下行6 2 2 1 1 5 5 m b i t s ，卜行共享1 5 5 m b i f f s ) 者g 要高得多。 ( 3 ) 低成本。e p o n 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。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，降低 了预先支付的设备资金和与s o n e t 及a t m 有关的运行成本。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 t m p o n 所无法比拟的 低成本。 ( 4 ) 为灵活和快速的服务重纵提供了方便。提供了多层安全，例如限制用户、 支持虚拟专用网的v l a n 、i p 安全( i p s e c ) 等。最后，电信公司可以通过番：e p o n 休系结构上丌发的广泛而灵活的服务_ ：增儿i 收入，例如管理防火墙、语爵交易支 l 海大学硕士学位论文e p o nm a c 协议研究与o n u 实现讨论 持、v p n 和i n t e m e t 接入。 1 4 2e p o n 的工作原理 i t u t 已经制定了基于a t m 信元的a p o n 技术的g 9 8 3 建议【”。但是a p o n 有两个问题：一是传输速率不够高，下行为6 2 2m b s 或1 5 5 m b s ，上行为1 5 5 m b s ， 带宽被16 32 个o n u 所分享，每个o n u 只能得到5 20m b s 。另一个 更主要的问题是，与以太网设备相比，atm 交换机和atm 终端设备相当昂贵。 而且，现在因特网工作于t c p i p 规约，用户终端设备都是i p 设备，采用a t m 技术必须将口包拆分重新封装为5 3 字节的固定长度a t m 信元，大大增加了网 络的开销，造成网络资源的浪费。而e p o n 将尽量保持i e e e 8 0 2 3 以太网的帧结 构，可以直接传送可变长度的p 数据包。出丁以太网适合携带口业务，与a t m 相比，极大地减少了开销。 e p o n 技术的基本网络结构可简述如下，由业务网络接口到用户网络接口问 为e p o n ，而e p o n 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 l t ) 、光分配网( o d n ) 和光网络单元( o n u ) 。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o 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。由无源光分路器和光纤构成。o n u 为用户提供e p o n 接入的功能。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。其它相关的以太网功能。从e p o n 中功能划分可以看出，e p o n 中较为 复杂的功能主要集中于o l t ，而o n u 的功能较为简单，这主要是为了尽量降低 用户端设各的成本p j 。 凹1 6e p o nf 行1 ：作方式 o l t 到o n u o n t 的方向为下行方向，反之为上行方向。e p o n 只在i e e e 8 0 2 3 的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太f 陨中加入时戳( t i m es t a m p ) ， l l i d ( 逻辑连接i d ) 等内容。如图1 6 所示，e p o n 下行采用纯广播的方式，注册 后，o i 为已注册的o n u 分配l l i d ，由各个o n u 来监测到达帧的l l i d 来决 定是否接收该帧，如果该1 9 贞所含l l i d 和自己的l l i d 相同则接收该帧，反之丢 弃，传输速率可达12 5 g b i t s 。上行采用时分多址接入( t d m a ) 技术，如图1 7 所示，每个o n u 分配卟上行时隙，每个时隙小包含多个未拆分的以太数据包， 每个数据包信头、可变 乏度净茼和误鹏睑i 则域t j 【成。具体绷i 节将在卜文洋细讨 ：海大学砸i 。学位论文 e p o nm a c 坼议研究与o n u 实现讨论 论。此外e p o n 还需通过己定义的接r 1 与电信管理网相连，进行配景管理、性 能管理、故障管理、安全管理及计费管理，完成操作维护管理( o a m ) 功能。 倒i 一7e p o n t d m a 上行接入 众所周知，a t m 网络能针对不同的应用提供各种服务，基于a t m 技术的 a p o n 提供显式的q o s 保证，对实时业务的支持良好，但是缺点在于成本太高。 在e p o n 系统中，因为网络端到端连接起始于o s i 模型的第三层，基于i p 技术的e p o n 不能单独实现端到端q o s 。如果把i e e e 8 0 2 1 p 和i e e e 8 0 2 1 q 引 入e p o n 协议，则很容易在3 位的i p 优先级字段和i e e e 8 0 2 1 p3 位优先级字段 进行映射。e p o n 协议与网络层协议互连就能提供端到端q o s 。这是在一系列标 准上实现的，包括资源预留协议( r s v p ) ，i e e e 8 0 2 1 p 和i e e e 8 0 2 1 q 以及专用 链路层上的综合服务( i s s l l ) 。i e t f 提出了两种典型的体系结构模型：综合服 务( i n t s e r v ) 模型和区分服务( d i f f s e r v ) 模型。综合服务结构控制颗粒度细，信令比 较复杂，可扩展性能不太好。而区分服务模型利用i p 的服务类型( t o s ) 字段将 业务进行分类，使得对r s v p 协议的使用仅局限在用户端，但区分服务只是实现 了“域”内的q o s 保证，还不是端到端q o s 体系结构，q o s 管理还有待进一步 完善。 因而e p o n 为实现q o s 保证必需考虑采用何种服务模型，并提出公平高效 的调度算法和灵活的分组丢弃策略。但随着m p l s ( 多协议标记交换) 等新的q o s 技术的采用，e p o n 已完全可能以相对较低的成本提供足够的q o s 保证。由于 e p o n 的价格优势明显，e p o n 已成为解决“第一英里”电信接入瓶颈，向光纤 到家( f t t h ) 过渡的最件方案。 1 4 ，3e p o n 系统的技术难点 如前所述，e p o n 技术目前还处在研究讨论阶段，还有许多问题有待解决， 基于以太网技术的e p o n 宽带接入网，与传统的用于计算机局域网的以太网技术 不同，它仅采用了以太网的帧结构和接口，而网络结构和工作原理完全不同。虽 然e p o n 有许多诱人的优点，但是要想解决关键技术问题，难度却很大。 ( 1 ) 亍信道复用技术。上行的复用技术是e p o n 技术的核心，从目前的研 究来看，大多数方案都使用了d w d m + t d m a 的复用方法。d w d m 的使用是发 展的趋势，但这主要i 改决于光器件。冈此，讨沦的焦点将是t d m a 的实现方法， 叫如阿使用t d m a 的方法使j ：情道的带宽利用率、f l , r 延乖i 时延纠动等指标达 到蛩求。其r i ，i 带宽的分配方法、o n u 发送窗i - i 固定还是可变、最人的o n u 海大学删十学位论文e p o nm a c 价议研究，o n u 实现时论 发送窗口应为多大、o n u 发送窗口的问隔、以太网i 噱是否切割等问题都有待于 研究和确定。 ( 2 ) 测距和时延补偿技术。测距的目的是补偿斟为o n u 与o l t 之间的距离 不同而引起的传输时延差异，使所有o n u 感觉到与o l t 的逻辑距离相同。由于 光纤信道时延较大的特点，o n u 与o l t 之间的距离将会影响到上行信道的复用， 如果准确测量各个o n u 到o l t 的距离并能精确地调整o n u 的发送时延，则可 以减小o n u 发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。 测距的进行不应中断业务，而且刁i 应对e p o n 的影响f 常传输过程。另外， 测距过程应充分考虑到整个e p o n 的配置情况。例如，系统在工作中加入新的 o n u ，此时对它的测距不应对其它o n u 有太大的影响。由于测距在e p o n 中的 重要地位，在下文中将进行详细讨论。 ( 3 ) 突发信号的收发。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 上行信道中传输的是突发 信号，这就要求在o n u 和o l t 中使用支持突发信号的光器件。现有的大部分光 器件还不能满足这一要求，少数突发模式的光器件也只能工作在1 5 5 m b i t s 的速 率上，而且价格昂贵。为了实现突发模式，在收发端也要采用特别的技术。光突 发发送电路要求能够非常快速地开启和关断，迅速建立信号，因而传统的电光转 换模块中采用的加反馈自动功率控制将不适用，并且需要使用响应速度很快的激 光器。而在接收端，由于来自各个用户的信号光功率是不同的而且是变化的，所 以突发接收电路必须在每次收到新的信号时调整接收电平( 门限) 。突发模式前置 放大器的阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起闽值，接收电路根据这个门 限正确恢复数据。可以说，这是e p o n 技术面临的一大问题，但是，目前已有厂 商正在研制满足e p o n 要求的光器件，相信随着e p o n 标准的制定，会有更多 的产品出现。此外，突发模式的上行信号会引入光放大器的“浪涌”效应。e d f a 输出会达到数瓦，这种高功率有可能“烧坏”光连接器和接收机。 ( 4 ) 实时业务传输质量。e p o n 具备许多成本和性能方面的优点，使得服务提 供商能够在高度经济的平台上传输可产生收益的服务。然而，对于e p o n 厂商 来说，关键的技术挑战是增强以太网的能力，以保证实时语音和i p 语音服务能 够在单一平台上传输，而且与a t m 或s o n e t 有同样的服务质量，易于管理。 目前e p o n 厂商正在着手解决这个问题。其中一种实现技术是采用t o s 字段， t o s 字段提供8 层优先级，从而保证信息包按照重要程度传输；另一种技术叫 做带寅予币留，它提供了一条开放的大路，为p o t s 交易保证反应时间，从而使数 j j i 一，1 、业、觅jj 。 此外，下行信道安全性、如何实现v l a n 等也是影响e p o n 应用前景的问题， 必须加以考虑基于以太网技术的宽带接入网应该具有高度的信息安全性、电信 级的网络可靠性、强大的网管功能，并且能保证用户的接入带宽，这些问题也需 要解决。 e p o n 现在还处于商业开发的早期阶段，今年出现了初步的试验配置。相比 之下，虽然a p o n 已经优先启动了一小部分市场，但是企业界的趋势更看好 e p o n ，这包括快速增长的数据交易和r = i 益重要的快速以太网和千兆以太网服 务。另外，光i p 以太网结构承诺根本改变在单一网络上传输打包的语音、数据和 电视服务的方法，可以把内容提供商、服务提供商、网络运营商和设备制造商集 合到一起，为企、i k 提供通信打包服务。7 i ：r 泛采纳光纤平以太刚技术的i 芦丈基础 上，通信行业不久将可能进入一个全新的设备配胃时期。另外，随着城域网络：手【i 上海大学坝士学位论义e p o nm a c 协议研究io n u 实现讨论 接入网系统中以太网技术的大量使用，p o n 技术也逐渐发展出与以太网相兼容 的e p o n 技术，e p o n 通过对 e e e 8 0 23 咖议进行一些修改，以实现在用户接入 网络中传输以太网帧。利用以太网的优势，e p o n 成为p o n 技术发展的一个方 向。可以预见，不久以后e p o n 将很可能成为i e e e 8 0 2 3 协议中的又一重要成员， e p o n 的快速发展将进一步表明p o n 具有其他接入技术无法比拟的优势。 1 5 本校e p o n 项目组的研究计划 本校一直致力于宽带接入刚技术的研究，并承担了多项接入网领域的国家 8 6 3 项目和上海市重点学科课题，有雄厚的技术实力和研究基础。从e p o n 在国 际上提出开始，我校就对此进行了关注。并在2 0 0 1 年1 0 月正式成立了由多位资 深专家教授和多名研究生组成的e p o n 项目组，并参加了国家8 6 3 计划基于千 兆以太网的宽带无源光网络系统招标活动。并最终承担了上海市科技发展基金项 目，对e p o n 的物理层、m a c 层机理和网络管理等方面进行全面研究。计划在 两年中完成e p o n 系统的产业化。 在本项目组中，作者与主要进行m a c 协议的研究，网络管理方面和物理层 方面内容请参考本课题组其他同学的学位论文。由于国际上的研究e p o n 刚刚 开始，本校的e p o n 项目为期两年，因此有很多方面还有待进一步深入研究， 作者的工作为下一步研究打下了良好的基础。 1 6 本文的主要内容 本文的主要内容是研究e p o n 的m a c 协议，并对e p o n 的m a c 层带宽分 配算法进行了研究，并对e p o n 的硬件实现方案进行了深入讨论。 第一章概述了e p o n 这种新型宽带接入网的系统结构，它的特点和系统的 技术难点。第二章讨论了e p o nm a c 协议的内容与i e e e 8 0 2 3 a h 工作组的协议 制定进展。第三章详细讨论了e p o n 中的带宽分配问题，并进行了计算机仿真。 第四章讨论了e p o n 中的测距和注册问题。第五章中提出并讨论了e p o no n u 的软硬件实现方案。 本文的主要贡献是：总结了e p o n 的的协议，并对其中有争议的问题提出 了自己的见解，并给出了详细阐述。存o p n e t 下搭建了e p o n 带宽分配仿真模 。_ 拦jl ! ，l ) i x , 比 阢辩。j 、j 逃nj 仙ll 。，j 、0 5 4 的测。| ，槲江n ；。 讨论，给出了相应的流程，进行了计算机仿真。提出了o n u 的软硬件实现方案。 作者重点讨论了m a c 层的带宽分配问题，提出了具体的分配方案，对传统 的m a c 性能进行了理论分析，由于自相似流量的理论分析难度很大，主要在 o p n e t 下进行了网络仿真，并对其性能进行了评估。由于在o p n e t 软件中， 没有现成的商业模型整个仿真环境需要自己搭建，我们成功建立了能够实现 r e q u e s t g r a n t 机制的仿真模型，并建立了白相似业务源，并对其进行了 理论分析。最后，我们致力于e p o n 中的用户终端o n u 的实现丁：作，提出了具 体的软硬件实现方案，并对讨论了m a c 功能的实现。最后，用f p g a 实现了 p c s 子层的功能，为下一步工作扣下了曙同的基础。 上海大学颀上学位论文 e p o nm a c 协议j f i f 究与o n u 实现讨论 第二章e p o n 媒体接入控制协议研究 2 1e p o nm a c 协议的要求 m a c 协议的目的是为了使多个站在都要传送数据时，可以决定在给定时刻哪 一个站能够使用信道。当多个站共享一个公共底层物理信道并且能同时发送数据 时，这种算法就非常必要。也就是晚，只有在两个或两个以上的站同时使用一个 传输信道时才需要m a c 协议，协议提供了一组规则，网络上的没备利用这些规则 协商对共享信道的访问【9 】。 e p o n 的m a c 面临更多的挑战，因为e p o nm a c 必须运行在比以往开放的公共 环境，其业务质量和用户期望都是至关重要的。e p o nm a c 必须处理交互式多媒 体业务，用非常紧张的带宽来满足多业务要求的应用。 目前各国际标准组织对于开放的e p o nm a c 层一般有如下共识： m a c 必须支持无连接与面向连接的业务。 m a c 必须在每个连接基础上支持服务质量的概念，每个连接应该能够规定它自 己的有关带宽、延时和抖动的要求。 m a c 的带宽接入必须符合象c r b 、v r b 、u r b 与a b r 这些业务的应用有关的各项。 m a c 必须具有与a t m 的互操作性。 m a c 必须在区分业务级别上，对共享接入网具有公平的仲裁。 m a c 必须简单、且提供有效的测距。 m a c 必须建立在不复杂的电子器件的基础上，这样才会有低成本的实现( 硬件 和软件) 。 m a c 必须容易安装、业务灵活。 m a c 必须具有方便的业务供应商的供应、运行、管理和维护。 m a c 必须允许检测共享通路准确的用法。 m a c 必须提供在不可控制的方式下防止错误终端传输的保护级别。 m a c 必须设计成工作于树和分支体系结构。 m a c 必须能对业务罱摔制及其行为作m 响廊( 如流帚摔制和阻塞摔制) 以保 “一瑚络山传输分组的数l - i 小低引m j ：自酬0 级别。 m a c 必须可靠耐用，在理想情况下处理中断或阻塞，不会丢失数据或需要重建 连接。 m a c 必须使c b r 业务的信元延时变化减至最小。 m a c 咖议必须权衡实施时的带宽效率、公平性、实施的简易性及有效地解决竞 争。 2 2e p o n 的协议制定 2 0 0 0 年j1 月荚凼i e e e h 0 2 周域网城域网标准委员会成市的 上海大学硕士学位论义 e p o nm a c 协议研究，o n u 实现讨论 8 0 2 3 e f t | ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ) 工作组，正在致力于e p o n 体系舰约的 标准化。e p o n 协议制定主要是在i e e e 8 0 2 3 协议的基础上进行补充修订。 i e e e 8 0 2 3 以太网参考模型及与o s i ( 开方式系统互联) 的7 层模型的对应关系如 图2 一l 所示。 6 1 p 稿 p n 蚴i 幽2 1o s i 和i e e e 8 0 2 3 以太网参考模型的相互关系 e p o n 的标准位于o s l 7 层参考模型的第1 层( 物理层) 和第2 层( 数据链路 层) 。由于国际上对e p o n 协议的制定正在进行之中，因此我们必须关注并跟踪它 的制定过程。整个标准制定过程由最底层开始，起初由一群人向高层工作组请求 考虑一个新的工作领域，一旦工作组内成员对其有浓厚兴趣并愿意在该主题上进 行详细研究，工作组将成立一个研究小组( s t u d yg r o u p ) 。如果成功地确定了某 一种问题及可能的技术方案，那么研究小组将制定出一个项目认可请求( p a r ) ， 以及“五条标准”。它们将被提交给负责人工作组，如果被接受就将使标准认可 过程到达i e e e 8 0 2 执行委员会并最终到达i e e e 标准委员会。为了判断某项工程 在技术上和经济上是否可行，五条标准是用于衡量研究小组工作的关键性需求。 它们是： 1 广阔的市场潜力( 引起工业界的广泛的兴趣) 。 2 与现有标准的兼容性( 不破坏现有的标准) 。 3 鲜明的特点( 不与现有的标准或正在进行的工作相重复) 。 1，i 1 1 ? 一：| | 、j if ：i 】：i _ _ ，卜l 5 经济可行性( 可以用成本效率的方式实现) 。 如果p a r 被接受，那么一个新的工作请求将得到认可，研究小组被解散，一 个新的任务组( t a s kf o r c e ) 将得以形成，这才是真f 标准开发的地方。通常情况 下，真正用于草案文档撰写的时间是几个月甚至是几年。在这一段时期，任务组 的成员可以提出各种建议或相反的建议，并将考虑分析各种不同的解释方案。参 与者通常来自那些对之感兴趣的供应商、j ! ：= 片制造商以及个人。此外还将和对其 感兴趣的其他国家和国际型标准化组织进行联络。 最后，如果任务组工作的得以胜利完成，那么他们制定出的草案将移交给投 票过程。文档首先存任务组内进行投票，然后是在：l 作组内，接着是l s i cs p o n s o r b a l l o t 级投票。在每一阶段中，来自r 再个组中投票成员的建议将被认真分卡i ， 这样是为了确保最终标准在技术上的诈确肚。 r 每人学坝i j 学位论殳e p o n m a c 悱议究4 。o n u 实眦l 、j 论 最终，修f 过的草案文档将等待i e e e 标准委员会的认可，并且存顺利通过 这一阶段之后成为币j l f f , jj l e e 标准。正常情况下文档将进一步移交给洲际标 准化组织( i s o ) 进行认i l j ，r l hi g o 认可羽i 出版。 圈2 - 2i e e ee p o n l 作组协议制定时间表 i e e e8 0 2 3 a he t h e r n e ti nt h ef i r s tm il e 工作组一直在制定关于e p o n 的、议，预期的时间表如图2 2 所示，但是由于种种原因，协议的实际制定进度滞 后于此时间表，目前，b a s e l i n ep r o p o s a l 已经获得通过，在进行协议草案1 0 的 讨论。协议的某些内容已经达成共识，但很多还在争论之中。i e e e8 0 2 3 a h 协 议将会留在8 0 2 3 协议框架之内，而不是制定一个全新的协议。 e p o n 协议尽量与以前的8 0 2 3 曲、议兼容，只通过最小的改动增强i e e e8 0 23 协议功能以适应e p o n 点到多点( p 2 m p ) 的要求。由于协议涉及面广泛，因此e f m 工作组成立了几个分组分别讨论操作维护管理( o a m ) 、p 2 m p ( e p o n ) 、光物理介 质相关( o p t i c a lp m d ) 、铜线物理层( c o p p e rp h y ) 等相关技术，并提出了b a s e l i n e p r o p o s a l 。对原有的i e e e 8 0 2 3 踟议的修改及补充如下。 修改的子句： 第1 予句一介绍 第2 2 子句一调和子层和介质无关接口( r s & m i i ) 第3 0 子旬一管理( m a n a g e m