（通信与信息系统专业论文）epon上行接入中基于多业务类型的dba算法研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： e p o n 上行接入中基于多业务类型的d b a 算法研究 通信与信息系统 刘燕 王亚民 摘要 ( 签名)量! ! 蕊 ( 签名) 坳 以太无源光网络( e p o n ) 结合了以太网技术和无源光网络( p o n ) 技术的优势，能够以 较低的价格实现高达1g b p s 的接入速率和长达2 0k m 的接入范围。所以e p o n 被认为 是“第一英里”问题极富前景的解决方案。由于e p o n 系统在上行方向是一个多点到点 的结构，多个光网络单元( o n l d 共同占用一个标准信道，因此必须采用一定的动态带宽 分配( d b a ) 算法来控制信道的分配，以避免多个o n u 同时传送数据而造成的以太数据 帧的碰撞。并且d b a 算法直接关系到上行信道的带宽利用率和数据时延，以及各种业 务的服务质量( q o s ) 要求。所以d b a 算法成为e p o n 技术的关键。 本文首先介绍了e p o n 技术的优势，然后从e p o n 系统的定义出发，阐明了e p o n 系统的构成和工作原理，分析了e p o n 的相关协议以及几项关键技术。其次，在分析 e p o n 系统现有的带宽分配算法的基础上，结合已有算法的优缺点，提出一种新的支持 多业务的、保证q o s 的固定轮询周期的d b a 算法。该算法使用了两层调度机制，将带 宽分配分为o n u 间调度和o n u 内调度两层。在o n u 间层，光线路终端( o l t ) 负责分 配给o n u 一个传输时隙。在o n u 内层，o n u 将多种业务流分为不同的等级，对不同 等级的数据给予不同的传输带宽。为了满足e f 业务的周期性特性，高优先级带宽采取 固定分配，减少了空闲时间。中低优先级带宽则按照新算法提供的方案进行动态分配， 并在轻负荷的时候，简单地估计了等待时间内到达的a f 业务流量。 最后，本文利用先进的网络仿真工具o p n e t ，建立了e p o n 的仿真模型。分析仿 真结果表明，改进型的d b a 算法不仅保证了上行带宽的高效利用率，同时在吞吐量、 平均时延等重要指标上都表现出良好的性能。 关键词：以太网无源光网络；动态带宽分配；多点控制协议；o p n e t 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fd b a a l g o r i t h mb a s e do nm u l t i s e r v i c ei ne p o n u p l i n ka c c e s s s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：l i uy a n i n s t r u c t o r ：w a n gy a m i n a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) 厶以、八 ( s i g n a t u r e ) j 坐牡 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 ( e p o n ) c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fe t h e r n e t t e c h n o l o g ya n dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) t e c h n o l o g y , 研t ht h ea c c e s s i n gs p e e du pt o 1g b p sa tl o w e rp r i c ea n dt h ea c c e s s i n gs c o p eo f2 0k m s oe p o ni sc o n s i d e r e da st h ev e r y p r o s p e c t s o l u t i o no ft h e ”f i r s t m i l e ”p r o b l e m t h eu p l i n ko f e p o n s y s t e m i sa m u l t i p o i n t - t o - p o i n ts t r u c t u r e ，t h a ti s ，an u m b e ro fo p t i c a ln e t w o r ku n i t ( o n u ) o c c u p i e sa c o m m o ns t a n d a r dc h a n n e l i ti sn e c e s s a r yt oa d o p tac e r t a i nd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) a l g o r i t h mt oc o n t r o lc h a n n e la l l o c a t i o n ，i no r d e rt oa v o i dt h ec o l l i s i o no fe t h e m e td a t a f l a m e sw h e nm a n yo n u st r a n s m i td a t e ss i m u l t a n e o u s l y a n dd b aa l g o r i t h mi sr e l a t e d d i r e c t l yt ot h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n d d a t ad e l a yo f u p l i n kc h a n n e l ，a sw e l la sq o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) r e q u i r e m e n t s t h e r e f o r et h ed b a i st h ek e yo fe p o nt e c h n o l o g y t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fe p o nt e c h n i q u ef i r s t l y , t h e nf r o md e f i n i t i o n o fe p o ns y s t e m ，i l l u m i n a t e st h et r u c t o r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n da n a l y z e st h ek e y t e c h n i q u e sa n dr e l a t i o n a lp r o t o c o l so fe p o ns y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n ga l g o r i t h m s ，an o v e lf i x e dp o l l i n gc y c l ed b aa l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， w h i c hs u p p o r t sm u l t i - s e r v i c ea n dg u a r a n t e e sq o s t 1 1 ei m p r o v e da l g o r i t h mu s e st w o - t i e r s c h e d u l i n gm e c h a n i s m s ：i n t r a o n ua n di n t e r - o n u i nt h ei n t r a - o n u ，t h eo p t i c a ll i n e t e r m i n a l ( o l t ) a l l o c a t e sat r a n s m i s s i o nw i n d o w t oe v e r yo n u i nt h ei n t e r - o n u ，s e r v i c e s a r ec l a s s i f i e dd i f f e r e n tp r i o r i t yl e v e l sa n dd i f f e r e n ts e r v i c e sa r eg r a n t e dd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o n w i n d o w s 1 1 1 e1 1 i g hp r i o r i t yb a n d w i d t hi sg r a n t e dr e g u l a r l yf i x e da l l o c a t i o nt os a t i s f yt h e p e r i o d i c a lc h a r a c t e r i s t i co fe fs e r v i c e a n dr e d u c et h ei d i et i m e m i l et h em i d d l ep r i o r i t y b a n d w i d t ha n dt h el o wp r i o r i t yb a n d w i d t ha r eg r a n t e do w i n gt ot h ea l l o c a t i o ns c h e m e so ft h e i m p r o v e da l g o r i t h m a n di nl i g h tl o a d ，t h ea f t r a f f i co ft h ew a i t i n gt i m ei ss i m p l ye s t i m a t e d i nt h ee n d ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee p o ns y s t e mi ss e tu pu s i n gt h ea d v a n c e d n e t w o r ks i m u l a t i o nt o o lo p n e t b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n , i ts h o w e dt h a tt h e i m p r o v e dd b aa l g o r i t h mg u a r a n t e e st h ee f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fu p l i n kb a n d w i d t h ，a n dt h e t h r o u g h p u ta n dt h ea v e r a g ed e l a yh a v es h o w n ag o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：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 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 tc o n t r o lp r o t o c o l o p n e t t h e s i s ：t h e o r yr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丕。1 觌日期：_ 缈p 占罗 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：及。l 巍指导教师签名： 、i 、 1 每 多月，矿日 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 绪论 接入网已成为制约全网进一步发展的瓶颈，随着光纤传输技术的发展，光纤正逐渐 应用到接入网领域。由于光纤具有极高的带宽和优越的抗干扰传输特性，光接入网 ( o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，o a n ) 将成为未来有线接入网的必然发展趋势。所以光纤到家 ( f t t h ) 的技术和应用迅速发展，已经成为世界范围内的热点之一。 自从无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r t ，p o n ) 的概念提出以来，一直被业界看好。 p o n 是通过单一平台综合接入语音、视频、数据等多种业务的理想物理平台，由于其易 维护、高带宽、低成本等优点，成为光接入网未来发展的方向。 目前比较流行的p o n 技术主要有a p o n ( a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r t ，a t m 无源光 网络) 、e p o n ( 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 ，以太网无源光网络) 和g p o n ( g i g a b i t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r t ，吉比特无源光网络) 。起初人们认为将a t m 技术和p o n 技术相 结合的a p o n 技术是实现综合接入的理想模式。然而，由于数据业务的爆炸式增长， a t m 技术暴露出效率不高、协议复杂且成本过高等弱点，并未得到大规模的应用。在 这种背景下，由i e e e8 0 2 3 以太网第一公里任务工作组( e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l es t u d y g r o u p ，e f m ) 负责制定的e p o n 标准孕育而生。而g p o n 由于技术实现复杂，成熟的商 业产品还很少，目前还没有规模的商业应用系统。考虑到以太网的普遍性及其低成本高 带宽的优点以及光纤网的低成本、大容量的特性，e p o n 被认为是解决“最后一英里 或“第一英里”( 针对用户来说) 问题极富前景的解决方案【l 】。 i e e e 正式提出e p o n 的8 0 2 3 a h 标准之后，e p o n 技术的发展趋于稳定。但由于i e e e 8 0 2 3 a h 只定义了多点控制协议( m u l t i p l ep o i n t sc o n t r o lp r o t o c o l ，m p c p ) ，并没有规定具 体的算法，而是明确提出由制造方自行实现。因此e p o n 系统的带宽分配算法有着很大 的优化空间。又由于动态带宽分配( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，d b a ) 算法直接关系 到信道利用率和数据时延，以及各种业务的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，目前d b a 算法成为e p o n 技术研究的热点和重点【2 3 j 。最近几年，国内外很多企业和学术研究机 构都对e p o n 的d b a 算法进行了一些研究，本文的研究工作也是在这种背景下展开的。 e p o n 采用点到多点结构，无源光纤传输方式，比其他接入技术具有独特的优势， 主要体现在以下几个方面【4 j ： ( 1 ) 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 是对现有的i e e e8 0 2 3 协议作一定补充，基本上是与以太网技术兼容。考虑到以 太网的市场优势，p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之一。 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 低建设成本：e p o n 系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数量。 另外，由于光电子器件的成本不断降低，e p o n 的接入成本已可与a d s l ( a s y m m e t r i c a l d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，非对称数字用户线路) 、c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 相比，特 别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为f t t h 发展的基础。同时，以太网的相 关器件、设备价格低廉。用e p o n 做接入网，成本低、通用性好，效率高，管理简单。 ( 3 ) 低运营维护成本：局端与用户之间仅有光纤、光分合路器等光无源器件，无需 租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效节省运营维护成本。 ( 4 ) 覆盖范围大：e p o n 可以达到2 0k m 的传输距离，避免了传统传输介质( 如双绞 线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题。 ( 5 ) 高带宽：由于e p o n 采用复用技术，能够提供高达1g b p s 的上下行带宽。这比 目前的接入方式，如a d s l 、c a b l em o d e m 都要高得多。e p o n 可以为用户提供高带宽， 可以满足宽带上网、视频点播、在线游戏、可视电话、数字高清电视等各种业务的带宽 需求，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配 带宽。 ( 6 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 的技术上，因此，e p o n 系统支持各 种以i p 技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网( 三网) 的融合也成为现实。 ( 7 ) 高的接入可靠性：整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免电磁干 扰和雷电的影响，保证信号传输质量。 ( 8 ) 便于管理：对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。 ( 9 ) 统一的标准：i e e e8 0 2 3 a h 工作小组从2 0 0 1 年1 1 月就开始进行e p o n 的标准 化工作。大约有7 0 个公司加入了这个工作小组，包括c i s c o 、n o r t e l 、s b c 、w o r l d c o m 、 v e r i z o n 、s a l i r a 、b r o a d t o m 、a g e r e 、i n t e l 、b r o a d l i g h t 、a l c a t e l 等。2 0 0 4 年6 月2 7 日， i e e e 已经正式推出了关于e p o n 系统的8 0 2 3a l l 协议。 基于上述原因，e p o n 己经成为最具有发展前途的宽带接入技术，它得到了广泛的 重视，目前各国都投入一定的力量进行相关技术的研究。 1 2 国内外研究现状 因为目前运营商既追求网络的运维成本的降低又要实现可运营、可扩展、可盈利的 目标。面对着有巨大发展前景的e p o n 技术，国内外厂商都表现出浓厚的兴趣。如何把 e p o n 作为一项技术推广开去，应用到终端用户上，成为各大厂商最关心的问题。在过 去的几年里，盛力亚、富士通相继进入中国的市场，格林威尔、讯风光通信也不断有产 品问世。中国电信、联通、网通等电信运营商以及驻地运营商也对e p o n 倍加关注。 在当前的情况下，e p o n 技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进入市场。 f t t b f t t c + d s l ，f t t b f t t c + l a n 都是不错的选择。d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ， 2 1 绪论 数字用户线路) 和l a n ( l o c a la r e a n e t w o r k ，局域网) 是目前中国宽带的两种主要接入方 式。但d s l 的距离限制挡住了大量的客户，传统的l a n 技术也难以灵活地提供和保证 用户的带宽。采用e p o n 技术，可以通过无源传输网络直接连接到服务区域，再进行 d s l 或l a n 扩展，从而为大范围的用户提供服务，而且可以集中进行管理和带宽分配。 把o n u 集成到d s l a m ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n ea c c e s sm u l t i p l e x e r ，数字用户线路接入复 用器) ，使用e p o n 能使d s l 突破传统的距离，从而增加约5 0 的用户，d s l 可以到达 的范围和其潜在的用户群都会增加。通过集成o n u 到c m t s ( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o n s y s t e m s ，电缆调制解调器终端系统) ，e p o n 可以用来给现有的电缆连接提供带宽，而 且可以实现真正的交互式服务，同时降低建设和运营成本。e p o n 技术还可以用来给固 定的无线发射塔提供带宽，很好地解决无线接入技术中如何将上行数据汇集到中心机房 的问题。 运用e p o n 方式部署网络正逐渐成为宽带网络的一种主流方式。该技术充分利用光 网络以及无源光分合路器的特点，降低了运营商的设备成本、运维成本，并为用户提供 更快更稳定的宽带网络。在其网络上可以同时承载语音、视频和数据业务，做到三网合 一。业内人士预测，未来几年中国将在宽带接入方面进入新的增长期，尤其以解决f t t h 方案为主，e p o n 将成为一种主流宽带接入技术。 目前，富士通利用在日本成功推广e p o n 宽带接入的经验，与国内运营商、集成商 合作，已经成功地在中国多家运营商、写字楼等铺设宽带网络。另外，今年我国在武汉、 杭州、北京、绵阳等许多城市已经开始大量使用e p o n 系统。系统长时间可靠稳定运行， 得到用户认可。同时，系统在很大程度上降低了用户网络成本和运营成本。 从运营商和服务提供商的角度来看，e p o n 系统可以带来多方面的好处，包括降低 安装、管理和运营成本，提高投资回报率，增加新的赢利机会，长期保持竞争优势等。 在适当的场合，适时地采用e p o n 系统，无论对于原有的运营商还是新兴的运营商，都 将是一个明智的选择。 1 3 本文的主要工作 本文所展开的主要工作是对e p o n 的关键技术d b a 算法的研究，在原有支持 服务等级的d b a 算法的基础上，针对等待时间和空闲时间( i d l et i m e ) 弓l 起的问题，提出 了改进方法，在提高系统带宽利用率的基础上最大限度地保证不同数据流公平地使用带 宽资源，并进一步减少数据包的延迟，提高数据传输的吞吐量。 本文共分为5 章，各章的主要内容为： 第l 章介绍了e p o n 技术诞生的背景，及其技术特点，以及与传统接入网比较存在 的巨大优势，从而说明e p o n 技术具有巨大的市场前景，体现本文的研究价值，最后介 绍本文的主要研究工作及章节安排。 3 西安科技大学硕士学位论文 第2 章总结性的介绍了e p o n 的工作原理、上下行传输特点、系统各个部分的功能， 以及e p o n 的协议基础和传输帧的结构特点，最后简要的介绍了e p o n 的关键技术。 第3 章阐述了现存各种d b a 算法，并分析各自的优缺点，为算法的改进提供切入 点。 第4 章提出一种改进的d b a 算法，并利用o p n e t 软件建立e p o n 网络的仿真模型， 仿真结果显示改进算法( p d b a 算法) 具有良好的时延特性、较高的带宽利用率和吞吐量。 第5 章总结了本论文的主要工作，并对今后进一步的工作做出展望。 4 2 e p o n 系统概述 2 1e p o n 的系统结构 2 1 1e p o n 的网络结构 2 e p o n 系统概述 e p o n 的网络结构如图2 1 所示。e p o n 位于业务网络接口( s n i ) 至u 用户网络接口 ( u n i ) 之间( 即接入层) ，主要分成三部分：一个光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 、 多个光网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，o n u ) 和光分配网络( 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 d n ) p j 。其中o l t 设备位于中心局端( c e n t e ro f f i c e ，c o ) ，充当交换机和路由器的角色。 o n u 设备位于用户端，用于暂时存储用户端传来的上行数据或者o l t 传来的下行数据， 并在适当的时候进行数据转发。o d n 由光纤和光分路器合路器( s p l i t t e r c o m b i n e r ) 等无 源器件组成。用户经过e p o n ，通过o l t 所连接的不同s n i 节点，可以接入i n t e m e t 、 p s t n 等网络，能够为用户提供多种不同的网络服务。 o n u - -厮 i 一 o l t雨。 i 一 o n ul厮 i一 s n i u n i 图2 1e p o n 的网络结构 2 1 2e p o n 的拓扑结构 所谓拓扑可以理解为机械设备的几何排列形状，它反映了物理上的连续性。光接入 网的成本在很大程度上受网络拓扑结构的影响，考虑未来的光接入网时必需要考虑与目 前的用户设备的拓扑结构相兼容。 e p o n 具有一点对多点的网络拓扑结构，目前最具代表性的拓扑结构有环型( r i n g p o n ) 、总线型( b u sp o n ) 或树型( t r e ep o n ) 拓扑结构【6 | ，如图2 2 所示。环型结构线路设 定自由度和灵活性较好，又能组成自愈环，增强了网络的可靠性。但是搭建一个无源的 环型网络很困难，因为仅仅依靠无源器件几乎不可能剔除己经循环过一周的“过期”信 号。总线型结构的特点是所有节点串联起来，而首末两个节点是开放的。采用这种结构 时用户可以共享传输设备，增建节点容易，其缺点是保密性能较差。树型结构是目前使 5 西安科技大学硕士学位论文 用最多的拓扑结构，根据接入网业务的特点，为防止投资期过长，对于确有业务需要但 业务量不明朗的情况，可先将光纤接入n d , 区或大楼等，然后再根据具体的需求，接入 分支光纤。因此，树型结构非常适合接入网建设的初期。 ( a )环型( b ) 总线型( c ) 树型 图2 2e p o n 的拓扑结构图 2 1 3e p o n 的工作原理 在e p o n 系统中上、下行信道相分离，目前常见的是利用一根光纤分别在上行和下 行方向采用不同的波长进行数据传输，上行方向采用1 3 1 0 n m 波长，下行方向采用 1 5 5 0 n m 波长。 在下行传输方向f 从o l t 到o n u ) ，e p o n 系统是一个共享介质的广播网络【6 j ，节省 了大量的光纤铺设成本。以太网数据帧( 根据i e e e8 0 2 3 以太网协议，传送的是可变长 度的数据包，最长可为1 5 1 8 字节) 从o l t 经1 ：n 的s p l i t t e r 广播到各个o n u ，n 的典 型取值在4 6 4 之间，如图2 3 所示。每个信息包都带有一个报头，唯一标识该信息发送 给某个o n u 。各个o n u 通过检查接收到的数据帧的目的逻辑链路地址( l o g i c a ll i n k i d e n t i f i e r ，l l i d ) 矛i 帧类型提取属于自己的数据信息，丢弃其他的数据包。 图2 3e p o n 下行传输 在上行传输方向( 从o n u 到o l z ) ，采用时分复用( t d m a ) 技术，多个o n u 发出的 上行光信号经过1 ：n 的c o m b i n e r 合路成一路光信号，在一根光纤中传输给o l t 。上 6 2e p o n 系统概述 行信道划分为若干时隙，每个时隙内安排一个o n u 发送上行分组，即由o l t 安排o n u 按照一定的顺序依次向上发送e t h e r n e t 数据帧，如图2 。4 所示。由于c o m b i n e r 的方向属 性，o n u 的数据帧只能到达o l t ，而不能到达其它o n u 。为了保证各个o n u 发送的 数据包在上行传送时不发生相互的碰撞，需要严格对各个o n u 的发送进行定时。由于 各个o n u 到0 l t 的物理距离不同以及环境因素不同，各个o n u 到o l t 的传输延时和 信号衰减程度是不同的，所以除了要进行测距以便对各个o n u 的上行发送时刻进行规 定以外，还要在o l t 端采用突发模式的光接收机。同时，o l t 端也必须使用快速比特 同步的技术，以便在上行分组到达时迅速建立提取信号所需的时钟相位。 2 1 4e p o n 各部分的功能 图2 4e p o n 上行传输 可圈 ( 1 ) o n u 的功能 o n u 位于用户端，终结来自o d n 的光信号，并为用户提供各种服务接口，实现用 户接入。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此o n u 需要提供一系列光物理 接口，实现光电、电光的转换以及上行数据的突发发送和下行数据的连续接收，还要 完成对语声信号的数模和模数转换、复用、信令处理和维护管理功能。o n u 的位置有 很大灵活性，既可以设置在用户住宅处，也可以设置在d p ( 分线盒) 处甚至f p ( 交接箱) 处，按照o n u 在用户接入网中所处的位置不同，可以将o a n 划分为几种基本不同的 应用类型，即光纤到路边( f t t c ) ，光纤到楼( f t t b ) ，光纤到办公室( f t t o ) 和光纤到户 ( f t t h ) 。o n u 作为客户端设备，应该具有低廉的成本以及即插即用的特性。 o n u 实现的功能如下： 接收o l t 发送的广播数据，判断是否将数据转发给用户，取出属于该o n u 的 信息并合理安排要发送给o l t 的信息； 响应o l t 发出的注册、测距、带宽分配及功率控制等命令； 对用户的数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗口中向上行方向发送数据； 其它相关的以太网功能和q o s 功能。 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) o l t 的功能 o l t 是整个e p o n 系统的核心部件，既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提 供平台。根据以太网向城域网和广域网发展的趋势，o l t 向上将提供g p b s 和1 0 g p b s 的高速接口，支持w d m 传输：还提供在o d n 上高效发送或接收分组数据的能力，包 括复用需送至各o n u 的信息以及识别来自各o n u 的信息；同时利用突发业务的统计 复用特性，针对用户的服务等级协议( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 的不同要求进行带 宽分配，提高信道利用率，保证多种业务对传输带宽使用的公平性，支持q o s 功能；提 供有效的用户管理机制，能够实现a a a ( a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n da c c o u n t i n g ) 。 同样也提供光物理接口，实现光电、电光的转换以及上行数据的突发接收和下行数据 的连续发送。o l t 在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。 o l t 主要实现以下功能： 向o n u 以广播的方式发送以太网数据，能支持多种业务，提供多个用户网络接 口： 发起并控制测距过程，并记录测距信息； 发起并控制注册过程，使o n u 自动发现注册； 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； 为o l t 的o n u 侧的可用带宽与o l t 网络侧的可用带宽提供交叉连接功能； 其它相关的以太网功能。 ( 3 ) o d n 的功能 o d n 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，呈树形分支结构，具有光波长透明性、 互换性和光纤兼容性等光特性。它的功能是分发下行数据和集中上行数据。o d n 的部 署相当灵活。由于是无源操作，几乎可以适应于所有环境。一般一个o d n 的分线率为 8 或1 6 ，并可以进行多级连接。 从e p o n 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 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1 7 j 。 2 1 5e p o n 分层模型与传输帧结构 ( 1 ) e p o n 分层模型 图2 5 描述了e p o n 系统的协议分层以及与o s i 参考模型之间的关系引。e p o n 作 为一种接入网技术主要涉及物理层和数据链路层的一些技术和处理，这两层的每一层又 分为若干子层和接口。 8 2 e p o n 系统概述 o s i 参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 ， 数据链路层 一 ， 物理层 i e e e8 0 2 3 层次结构 逻辑链路控制子层 ， ， m a c 控制子层 十 媒质援八控制 r m a c l 子层 协调子层( r s ) ) 匕巷瑟薹 物理编码子层( p c s ) 物理媒质附加子层( p m a ) 物理媒质相关子层( p m d ) ) 匕接u ( m d 弓 媒质 图2 5 i e e e8 0 2 3 层次模型与o s i 参考模型的关系 物理层从低到高分成如下子层和接口：媒质相关接e l ( m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ， m d i ) 规范物理媒质信号和传输媒质与物理设备之间的机械和电气接口。位于m d i 之上 的物理媒质相关子层( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n ts u b l a y e r ，p m d ) 负责与传输媒质的接 口。物理媒质附加子层( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n ts u b l a y e r ，p m a ) 负责发送、接收、 定时恢复和相位对准功能。物理编码子层( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ，p c s ) 负责把数据比 特编成合适物理媒质传输的码组。吉比特媒质接入控制和吉比特物理层之间的吉比特媒 质无关接1 ：3 ( g 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 m i i ) 允许多个。 数据链路层由协调子层( r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r ，r s ) 、媒质接入控带l j ( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，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。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 控制子层加上m p c p ，在r s 子层上加上 点到点仿真( 或共享仿真) 功能。m p c p 的主要功能包括以下几个方面：发现处理，解决 o n u 的自动加入，同时对其i m 进行补偿；报告处理，管理和搜集o n u 在上行方向 上向o l t 发送的带宽请求；选通处理，管理g a t e 消息的产生和搜集，实现多个发送 端的复用。所有的层仍然使用标准接口。 ( 2 ) e p o n 传输帧结构 e p o n 下行帧结构如图2 6 所示，它由一个被分割成固定长度帧的连续信息流组成， 9 西安科技大学硕士学位论文 其传输速率为1 g b p s ，每帧又携带多个分配给各o n u 的可变长度的数据包( 时隙) 。每帧 的开头是同步标识符，占一个字节，携带时钟信息，用于o n u 与o l t 的同步，每2 m s 发送一次。每个数据包由信头、可变长度净荷和误码检测域组成。 长度可变 图2 6 e p o n 下行帧结构 长度可变 图2 7e p o n 上行帧结构 图2 7 表示e p o n 上行帧结构，帧长同下行帧，每帧一个帧头，表示该帧的开始。 每帧进一步分割成可变长度的时隙，每个时隙分配一个o n u 。 在e p o n 系统内，o n u 根据传输帧的前导码中的l l i d 来确认数据包的归属。对此 e f m 小组对8 0 2 3 标准以太网的帧结构做了部分修改，将原8 0 2 3 帧结构中的前同步码 ( p r e a m b l e ) 和帧起始定界符( s t a r t o f - p a c k e td e l i m i t e r ，s p d ) 修改为l l i d 起始定界符 ( s t a r t o f - l l i dd e l i m i t e r ，s l d ) 与l l i d 以及8 比特循环冗余校验码( c r c 8 ) ，使e p o n 中o n u 可以通过l l i d 进行数据包识别【9 1 0 】，如图2 8 所示。 1 0 2 e p o n 系统概述 大d , 字节 8 0 2 3 数据帧 大小字节 数据帧的 前导码 l86624 6 - - 1 5 0 04 s p d前导码 目的地址源地址长度类型负载 f c s i 力 i22 n 、 l 保留 s l d保留 l l i dc r c 8 图2 8e p o n 中帧前导码的格式 2 2m p c p 协议 前面分析过e p o n 的上行链路通信使用t d m a 的方式实现信道的共用，这需要由 o l t 进行全局控制，安排好各个o n u 的数据传送时隙。为了在o l t 和o n u 之间有效 地传输数据，需要一个有效的控制机制。m p c p 在已有的e t h e m e t 帧格式的基础上又定 义了5 个控制帧和两个相应的工作模式：在初始化工作模式下，注册请求帧 ( r e g i s t e rr e q ) 、注册帧( r e g i s t e r ) 、和注册确认帧( r e g i s t e r种控制帧ack)三 用于自动发现注册过程。发现新加入的o n u ，对其进行注册分配地址，并记录关于该 o n u 的一些必要信息，譬如：往返时延( r at 值) 、m a c 地址等。在正常工作模式下， 可以通过授权帧( g a t e ) 和报告帧( r e p o r t ) 两个控制帧来进行带宽的分配和测距，o n u 向o l t 发送r e p o r t 帧报告队列情况请求分配带宽，o l t 根据情况进行动态带宽分配， 给o n u 发送g a t e 帧应答授权带宽。所有的控制帧除去前导码和帧起始定界符以后均 是6 4 字节，正是以太帧的最小长度。这些帧由以下几个域组成，如图2 9 所示。 l 目的地址源地址 长度类型 操作码时间标签信息域 帧序列检验 l ( 6 字节)( 6 字节)( 2 字节)( 2 字节) ( 4 字节) ( 4 0 字节)( 4 字节) 图2 9m p c p 控制帧的一般结构 帧格式中各个字段的含义如下： ( 1 ) 目的地址( d e s t i n a t i o n a d d r e s s ，d a ) ：m p c p 帧要到达的目的端口的m a c 地址： ( 2 ) 源地址( s o u r c ea d d r e s s ，s a ) ：指m p c p 帧发送的源端口m a c 地址； ( 3 ) 长度类型：标明该帧的类型，以太控制帧的类型值为1 6 进制的8 8 0 8 ，以太数 据帧的字段为它的长度； ( 4 ) 操作码：不同的控制帧有着不同的操作码，表2 1 给出了m p c p 中各种控制帧 的操作码； 西安科技大学硕士学位论文 表2 1m p c p 协议中各种控制帧的操作码 ( 5 ) 时间标签：携带时间信息，即发送第一个字节的时钟值，用于同步o l t 与o n u 的m p c p 时钟； ( 6 ) 信息域：承载特定的m p c p 功能的信息，不同的控制帧在该字段中的内容都不 相同。信息域净荷不足4 0 字节时，未使用部分填充0 ； ( 7 ) 帧序列校验：用于纠错。 下面就g a t e 和r e p o r t 控制帧的信息域作分别介绍。 2 2 1g a t e 和r e p o r t 帧结构 ( 1 ) g a t e 帧结构： g a t e 帧的信息域格式如图2 1 0 所示： n u mo f g a t e s f l a g s g a t e | ls t a r tt i m e g a t e ll