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论文题目：e p o n 上行接入带宽分配算法研究 专业：通信与信息系统 硕士生：郭俊娜 指导教师：王亚民 摘要 ( 签名) 主皇垒竺煎 ( 签名) 玉兰堕 随着通信技术的迅速发展，用户对带宽的需求越来越高。以成熟的以太网技术为基 础的以太无源光网络e p o n ( e t h e m e tp o n ) 采用点到多点结构、无源光纤传输，能够在 以太网之上提供多种业务。它综合了无源光网络技术和以太网技术的优点，具有成本低、 兼容性好、技术成熟、便于维护、承载业务灵活等特点，成为下一代宽带接入网的最佳 候选之一。 由于e p o n 特殊的点到多点的网络拓扑结构，在上行方向各个光网络单元共享信道 带宽，采用时分多址方式发送数据，因此需要采用带宽分配技术来协调各个光网络单元 的发送，避免上行数据的冲突。带宽分配技术对提高系统的服务质量，改进系统时延及 网络吞吐量等性能指标有着重要意义，是e p o n 系统的核心关键技术之一。本文主要对 e p o n 系统上行接入的带宽分配算法进行研究。 在o p n e t 仿真平台上，以e p o n 系统的基本框架为参考，建立了e p o n 系统上行 信道的仿真模型。利用此模型对静态带宽分配算法与一种典型的动态带宽分配算法 ( i p a c t 算法) 的各项网络性能指标进行验证。仿真结果表明，动态带宽分配算法的网 络性能明显优于静态带宽分配算法的网络性能。 提出了一种改进型的动态带宽分配算法，有效地保证整个e p o n 网络的q o s 以及 带宽分配公平性，能较好的满足目前网络多业务、多优先级的要求。并利用所构建的 e p o n 系统仿真模型对该算法进行仿真试验。仿真结果表明，改进算法有效提高了上行 信道的带宽利用率，同时减小了e f 等级业务的时延抖动，具有较好的时延特性，为制 定多业务q o s 的e p o n 上行接入带宽分配标准提供参考。 关键词：e p o n ；动态带宽分配；时延；吞吐量 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho ne p o nu p s t r e a ma c c e s sb 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 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：g u 0j u n h a i n s t r u c t o r ：，a n gy a m i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 叠垒垒巡 ( s i g n a t u r e ) a l o n g 、析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 er e q u i r e m e n t so f u s e r sf o rb a n d w i d t hb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r t h ee 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 t h e m e tp o n ) b a s e do nm a t u r ee t h e m e tt e c h n o l o g yu s e sp o i n t - t o - m u l t i p o i n ts t n l c 臼l r e ， p a s s i v eo p t i c a lt r a n s m i s s i o n , a n di sa b l et op r o v i d eaw i d er a n g eo fb u s i n e s so nt h ee t h e r n e t i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g ya n de t h e r n e tt e c h n o l o g y i t h a sc h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ：l o w - c o s t ，c o m p a t i b i l i t y , m a t u r i t y , e a s yt om a i n t a i n , o p e r a t i o n a l f l e x i b i l i t ya n ds oo n i tb e c o m e so n eo ft h eb e s ts c h e m e so ft h en e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r k a se p o ns p e c i a lp o i n t - t o m u l t i p o i n tn e t w o r kt o p o l o g y , a l lo p t i c a ln e t w o r ku n i t s s h o u l ds h a r ec h a n n e lb a n d w i d t ha tu p s t r e a md i r e c t i o na n du s et d m at os e n dd a t a i tn e e d s b a n d w i d t ha l l o c a t i o nt e c h n o l o g yt oh a r m o n i z et h ev a r i o u so p t i c a ln e t w o r ku n i t ss e n d i n g u p s t r e a md a t aa n dt oa v o i dc o n f l i c t s i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rb a n d w i d t ha l l o c a t i o n t e c h n o l o g yt oi m p r o v es e r v i c eq u a l i t yo fs y s t e m , d e l a yo fs y s t e ma n dn e t w o r kt h r o u g h p u t i t i so n eo ft h ec o r ek e yt e c h n o l o g i e so fe p o ns y s t e m t h i sp a p e rm a i m yr e s e a r c ho nt h ee p o n s y s t e mu p s t r e a ma c c e s sb 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 o nt h ep l a t f o r mo fo p n e t , r e f e r r i n gt ot h eb a s i cf r a m e w o r ko fe p o n s y s t e m ，t h ep a p e r h a se s t a b l i s h e dt h eu p s t r e a mc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e lo fe p o ns y s t e m u s et h i sm o d e lt o v e r i f ys e v e r a ln e t w o r kp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fs t a t i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h ma n d a t y p i c a ld y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m ( 1 a c ta l g o r i t h m ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h en e t w o r kp e r f o r m a n c eo fd y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h mi ss u p e r i o rt o s t a t i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m t h ep a p e rh a sp r o p o s e dam o d i f i e dv e r s i o no fad 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 i te f f e c t i v e l yg u a r a n t e e st h eq o sa n dt h ef a i r n e s so fb a n d w i d t ha l l o c a t i o nf o ra l lo fe p o n n e t w o r k i ti sb e t t e rt om e e tt h ec u r r e n tn e t w o r kr e q u i r e m e n t so fm u l t i s e r v i c e sa n d m u l t i p r i o r i t i e s a n du s i n gc o n s t r u c t e de p o ns y s t e ms i m u l a t i o nm o d e ls i m u l a t e st h e a l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a se f f e c t i v e l ye n h a n c e d t h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o no fu p l i n kc h a n n e l ，a n dr e d u c e dt h ed e l a yi i t t e ro fe fc l a s sb u s i n e s s 1 1 l i sa l g o r i t h mh a sg o o dt i m ec h a r a c t e r i s t i c s i ti sp r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o re p o nu p s t r e a m a c c e s sb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns t a n d a r d so ft h em u l t i s e r v i c eq o s 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 kd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nd e l a y t h r o u g h p u t t h e s i s：t h e o r e t i c a lr e s e a r c h 要料技丈学 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：新f 笼讯日期：妒y 银i ， 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：即姆 指导教师签名：以仉 川年牛月f r 日 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 绪论 在网络建设过程中，网络核心部分发展突飞猛进，但作为骨干网和用户之间桥梁的 接入网技术发展较为缓慢，成为制约整个网络的性能“瓶颈”，这就是通常称作的“最 后一公里 问题【1 1 。目前，宽带接入技术很多，如电信的a d s l 、广电的c a b l e m o d e m 、 社区以太网、电力线上网、无线局域网等技术都可以实现宽带接入。但是，随着用户对 带宽需求的不断加大，这些技术将无法满足目前人们对高速通信、家庭购物、实时远程 教育、视频点播v o d 、高清晰度电视h d t v 等交互式业务的需求，因此光纤接入技术 将成为未来通信发展的趋势l 2 j 。 光纤具有容量大，损耗低以及抗干扰性强的特点，完全能够胜任高速、宽带的传输 要求，是理想的接入网传输介质。利用无源器件构造无源光网络，以其不占用有源节点， 运行维护成本低，结构简单的特点吸引了人们的目光。无源光网络( p o n ) 被认为是接 入网的最佳物理层协议。i t u 早年制定了以a t m 为传输平台的a p o n 协议标准g 9 8 3 。 但a p o n 技术存在一些缺点，如：视频能力差、带宽不足、技术复杂、价格昂贵等。此 外，在传递口业务时，必须进行a t m 及口的协议转换。而未来网络中，业务的比 重将急速增长，a p o n 的缺陷也就日益突出。人们将目光转移到让m a c 帧直接在p o n 上高速传输的e t h e m e t p o n 上，即以太无源光网络( e p o n ) 。2 0 0 0 年1 1 月，来自8 0 多家公司的2 0 0 多名专家组成了一个i e e e 研究组，开始研究以太网在用户接入网中的 应用问题。2 0 0 1 年9 月，该研究组定名为i e e ee f m ( e t h e m e tf o rt h ef i r s tm i l e ) i 作组。 该工作组致力于尽量在8 0 2 3 协议框架内，制定e p o n 标准。2 0 0 4 年4 月，通过了i e e e 8 0 2 3 a h 标准【3 】。e p o n 因其在初期投资少、维护简单、易于扩展、结构灵活、可充分利 用光纤的巨大带宽、性能非常稳定、低故障率、低维护成本、支持多种业务、系统可靠 性高和优良的传输性能等方面的优势，成为运营商解决“最后一公里 的一种非常经济 的宽带接入解决方案，可以说，e p o n 技术已经成为未来接入网技术的发展方向1 4 j 。 目前人们对e p o n 系统的接入已经做了大量的研究工作，这方面的课题包括：如何 实现动态带宽分配、测距和时延补偿技术、突发信号的快速同步技术等等，其中动态带 宽分配是e p o n 系统的关键技术之一，也是本课题所要研究的方向。e p o n 是一种共享 媒质网络，主要由o l t 、o d n 和o n u 三部分组成。o n u 通过公共信道( o d n 的主干 光纤) 与o l t 通信并通过o l t 访问各种业务。在这样的网络里，公共信道在一个时间 段中只能被一个用户占用来传输信息，因此就产生了一个关于信道的合理访问和使用问 题【5 1 。随着各种宽带业务的发展，用户对带宽的需求将越来越大，因此如何根据各种用 西安科技大学硕士学位论文 户的业务类型与业务特点合理分配信道带宽，是决定e p o n 系统性能的关键技术之一。 尽管e p o n 技术与应用已趋于成熟，但要达到各类通信都满意的电信级q o s 还有一定 距离。而且以太网承载的业务种类也越来越复杂，它们所要求的q o s 也会越加细化和严 格，这就要求e p o n 的接入算法较易实现，且能够满足各种业务对q o s 要求，并提高 e p o n 整体系统的可用性及性价比。 e p o n 系统的多个o n u 到o l t 的数据传输是基于t d m a 原理的，即多个o n u 分 时占用上行信道。o n u 从下行比特流中提取o l t 的时钟信息从而与o l t 同步；o l t 对各个o n u 测距得知它们到o l t 的时延；o l t 发送授权( 一般是m s 量级的时间改变 授权) 给o n u 指示o n u 的上行发送时刻和发送持续时间的长短，保证多个o n u 发送 出的时隙互不碰撞，也就是说多个o n u 通过时分复用共享上行的信道。而o l t 授权 o n u 上行发送时刻和时隙大小时就也决定o n u 的上行带宽分配【6 j ( 时隙的大小就对应 带宽的多少) 。 人们通常把研究重点放在上行接入的带宽分配上。实际上，上下行动态带宽分配的 基本原理是一样的，只不过下行的动态带宽分配要比上行容易些，因为决定授权的o l t 知道下行带宽的需求，不像上行接入中o n u 要把需求报到o l t ，因此本课题主要研究 上行接入动态带宽分配，它对改进系统时延及带宽利用率等性能指标有着重要的意义。 采用带宽分配方法的直接好处是能够适应突发数据的传输要求，提高上行带宽的利 用率，从而在相同带宽的情况下可以承载更多的终端用户，有利于降低单用户成本，提 高收益，而且带宽分配算法本身具备的灵活性也为进行服务水平协议( s l a ) 提供了很 好的实现途径。使用带宽分配方法可以充分利用带宽资源有效承载突发性很强的数据业 务，提高公共信道的利用率，减少传输中的时延，提高网络的吞吐量，并保证网络的性 能和业务质量。 1 2 无源光网络( p o n ) 技术发展现状 随着通信业务的发展及其对通信带宽的需求，接入网技术正向多元化发展，出现了 光纤接入、铜线接入、混合光纤同轴电缆网络、无线接入等各种接入技术，其中光纤 接入无疑是最有效的方法，特别是对于宽带业务。而在各种光纤接入技术中，无源光网 络( p o n ) 是一种很有吸引力的纯介质网络，其主要特点是避免了有源设备的电磁干扰 和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成 本，还能比较经济地支持模拟广播电视业务。据美国贝尔运营公司报道，采用无源光网 络每年每线可节约维护费用5 0 美元，是电信维护部门长期期待的技术。其次，p o n 的 业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。最后，由于其光发送机和光 纤由用户共享，因而线路成本较其它点到点通信方式要低，特别是随着光纤向用户端的 日益推进，其综合优势越来越明显【_ 7 1 。p o n 的灵活组网能力和经济适用能力使其最适合 2 1 绪论 于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又相对集中 的小面积密集用户地区。无源光网络由于具有敷设和运行维护成本低、对业务透明和易 于升级等优点而备受关注。 1 2 1 不同p o n 技术的特点 p o n 技术发展至今，主要出现了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 ) ，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 ) 和g p o n ( g i g a b i t - c a p a b l ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 三种基本类型。 a p o n 是异步传输模式无源光网络，是数据链路层a t m 技术与物理层p o n 技术相 结合的光接入网技术。a p o n 利用了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，使性价比有重要改进，a p o n 下行传输的是连续的a t m 信元流，每个a t m 信元含5 3 个字节，下行方向采用的是时分复用的广播方式，每个 o n u 都将收到所有的信元，它们可以根据信元的目标地址从相应时隙中取出属于自己 的信元。a p o n 上行传输的是突发模式的a t m 信元。为了实现无冲突的、有效的上行 接入，保证各个o n u 的上行信号都能完整地到达o l t ，g 9 8 3 建议采用时分多址 ( ) m a ) 的上行接入控制。这样，a p o n 必须对各个g n u 进行测距，并根据不同的 延时进行协调。为了实现同步，上行帧中的每个信元有5 6 个字节，由5 3 个a t m 信元 字节和3 个开销字节组成。a p o n 上行和下行速率都可达到1 5 5 m b i t s ，非对称应用时 下行方向的速率可达到6 2 2 m b i t s 惮j 。 随着m 业务的发展，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g 9 8 3 的基础上，设法 保留a p o n 的精华部分即物理层p o n ，而用以太网代替a t m 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e p o n 。2 0 0 0 年1 1 月，i e e e 8 0 2 3 通过成立以太网第一公里( e f m ) 研究组的方式开始了e p o n 的标准化 工作，i e e ee f m 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。 a p o n 的帧结构是基于a t m 格式的封装，e p o n 的帧结构是基于以太网( e t h e m e t ) 格式的封装，而g p o n 的帧结构是不基于任何指定类型的格式，它是一种基于各种用户 信号原有格式的封装，所以g p o n 也被称为“t h en a t i v em o d ep o n 。g p o n 是f s a n 组织提出的一种速率高达2 4 g b i t s 、能以原有格式和极高的效率( 9 0 以上) 传送包括 话音、以太网、a t m 、租用线等多种业务的技术。g p o n 的主要技术特点是采用全新的 封装方法g e m ( g p o ne n c a p s u l a t i o nm e t h o d ) 来实现传输汇聚层协议，该协议是从s d h 的“通用成帧协议( g f p , g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c 0 1 ) 借鉴过来的，可以实现多种业务码 流的通用成帧规程封装，为高层用户信号业务流和传输网络提供一种通用的适配机制； 3 西安科技大学硕士学位论文 另一方面又保持了g 9 8 3 中与p o n 协议没有直接关系的许多功能特性，如o a m 管理、 d b a 等。这里，传输网络可以是多种类型，如s o n e t s d h 和i t u tg 7 0 9 ( o t n ) ； 用户信号可以是基于分组的，或是持续的比特速率，或者是其它类型的信号；而g f p 则对不同业务提供通用、高效、简单的方法进行封装，经由同步的网络传输；因为使用 标准的8 k h z ( 1 2 5 u s ) 帧，从而能够直接支持t d m 业务1 9 。 从应用情况来看，a p o n 在欧美等a t m 原有设备较多的国家和地区使用较多； e p o n 在亚洲地区，尤其是日本使用较多，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【1 0 】；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用系统应用。 1 2 2e p o n 技术优点 从e p o n 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【l l j ： ( 1 ) 基于口及以太网技术：未来的网络必定是基于d 或以太网的，经由e p o n 传输i p 包是最好的方案。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 的每线设备接入成本已可与 a d s l ，c a b l em o d e m 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，e p o n 的基础是以太网，而以太网是当今和 未来世界上使用最广泛的网络技术，其相关器件、设备价格最低。用e p o n 做接入网，成本低、通用性好，免去了i p 数据传输的协议和格式转换，效率 高，管理简单。 ( 4 ) 低运营维护成本：局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等 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。 ( 5 ) 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达到2 0 k 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。 ( 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 各种以口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。 4 1 绪论 ( 7 ) 解决终端用户的带宽瓶颈：e p o n 上下行信道速率为1g b i t s ，这比目前的接 入方式，如m o d e l ，i s d n ，a d s l 甚至a t mp o n ( 下行6 2 2 1 5 5m b p s ，上 行共享1 5 5 m b p s ) 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。 ( 8 ) 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 干扰和雷电影响，保证信号传输质量。 ( 9 ) 便于管理：对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。 ( 1 0 ) 统一的标准：i e e e8 0 2 3a 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 c 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 h 协 议。 1 3 本文研究内容和章节安排 本论文所开展的研究工作主要集中于对现有的e p o n 上行接入带宽分配算法进行研 究分析，并做出改进，提高了数据传输的吞吐量，减少e f 等级数据包的时延抖动，最 大限度地保证不同数据流公平地使用带宽资源，保证系统的q o s 。 本论文共分为4 章，各章主要内容为： 第l 章讲述了课题研究背景及意义，并介绍p o n 技术的发展现状。 第2 章总结性介绍了e p o n 网络的体系结构、分层模型、多点控制协议( c p ) 及其关键技术，对e p o n 上行接入带宽分配算法的现状进行概述，为以后的带宽分配算 法研究奠定了理论基础。 第3 章对e p o n 系统上行接入中静态带宽分配算法( s b a 算法) 和一种典型的动态 带宽分配算法( i p a c t 算法) 进行研究，并分别搭建了基于o p n e t 的e p o n 网络模型、 结点模型和进程模型，并对这两种算法进行仿真试验，通过仿真对它们的性能进行对比。 第4 章讨论了设计动态带宽分配算法需解决的问题和设计原则，提出一种改进型的 支持q o s 的动态带宽分配算法，并基于o p n e t 建立e p o n 网络仿真模型，仿真结果显 示新算法具有良好的带宽利用率和时延特性。 第5 章总结了本论文的主要工作，并提出了进一步的工作方向。 5 西安科技大学硕士学位论文 2e p o n 系统概述及o p n e t 简介 2 1e p o n 系统概述 e p o n 基本构想是将成熟的以太协议引入p o n 系统，以提高效率，降低设备成本。 由于i p e t h e r n e t 结构在整个数据网络中占主导地位，而以太对的支持非常成熟，对 于e p o n 系统，可以直接使用i p 协议来进行管理，包括对用户端设备和业务的管理， 都可以很简单地实现，因此，在支持开展综合业务和多种服务质量的灵活性和方便性方 面，e p o n 的优势也很明显。本章对e p o n 的系统结构、功能特性、分层模型、传输帧 结构、m p c p 协议、关键技术，以及上行接入带宽分配算法进行概述，并对o p n e t 的 建模机制和进程建模进行简介。 2 1 1e p o n 拓扑结构及各部分功能 e p o n 在很大的程度上继承了i t u t 和f s a n 对a p o n 的建议，采用符合i e e e8 0 2 3 协议的以太帧承载业务信息。 如图2 1 所示为一典型的e p o n 系统结构图，e p o n 主要由三个部分构成，包括o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ，光线路终端) 、o d n ( o p t i c a ld i s t i l b u t i o nn e t w o r k ，光分布 网络) 和o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，光网络单元) 。其中，o l t 位于局端，一般放在 中心机房( c o ) ，o n u 位于用户端。它们各个部分都有特定的功能要求，下面对每一 部分的功能做出具体介绍【1 2 1 。 ( 1 ) o l t 功能要求 图2 1e p o n 拓扑结构图 6 2e p o n 系统概述及o p n e t 简介 在e p o n 系统中，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，它提 供面向无源光纤网络的光纤接口。根据以太网向城域网和广域网发展的趋势，o l t 上将 提供多个g b i t s 和1 0 g b i t s 的以太接口，支持w d m 传输。如果需要支持传统的t d m 话音，普通电话线和其他类型的t d m 通信( t 1 e 1 ) 可以被复用连接到附接口，o l t 除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的q o s s l a 的不同要求进行带宽 分配，网络安全和管理配置。 o l t 为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多个o d n 与用户 侧的o n u 通信，o l t 与o n u 的关系为主从通信关系。o l t 可以分离交换和非交换业 务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 提供维护和供给功能。o l t 可以直接 设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口。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 作为e p o n 的核心， 应实现以下功能： 向o n u 以广播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。 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。 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。 ( 2 ) o d n 功能要求 o d n 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能是分发下行数据和集中上行 数据。o d n 是由无源光元件( 诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等) 组成的纯无源 的光配线网，呈树形分支结构。o d n 由无源光分路器( p o s ) 和光纤构成。具有光波长 透明性、互换性和光纤兼容性等光特性。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。 ( 3 ) o n u 功能要求 e p o n 中的o n u 采用了技术成熟而又经济的以太网协议，在中带宽和高带宽的 o n u 中实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类型的o n u 可以通过层 叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通信的过程中，就 不再需要协议转换，实现o n u 对用户数据的透明传送。o n u 也支持其他的传统的t d m 协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的o n u 中，将提供大量的以太 接口和多个t 1 e 1 接口。 o n u 为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用户侧。o n u 的 主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信号并为多个小企业用户和居民住宅用户提供 业务接口。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此o n u 需要有光电和电光 7 西安科技大学硕士学位论文 转换功能，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。 其位置有很大灵活性，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 ( o p t i c a l a c c e s s n e t w o r k ) 划分为几种基本不同的应用类型，即光纤到路边( f 1 v r c ) ，光纤到楼( f t t b ) 以及光纤到办公室( f t t o ) 和光纤到户( f t t h ) 。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。 提供用户业务接口以及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备的成本。 2 1 2e p o n 分层模型与传输帧结构 ( 1 ) e p o n 分层模型 如图2 2 描述了e p o n 系统的协议分层以及与i s o i e co s i 参考模型之间的关系1 3 1 。 o s i 参考 模型分层 r s ：协调子层p c s ：物理编码子层p h y 物理层p m d - 物理媒质相关( 子层) g m i i ：吉比特媒体独立接口p m a ：物理媒质附加( 子层)f e c 前向纠错编码 图2 2e p o n 协议分层和o s i 参考模型之间的关系 由于e f m 工作组的目的是以尽量小的协议改动将以太网引入接入网范畴。对协议 分层与千兆以太网的协议分层相比较，物理层定义相同，主要的区别是在数据链路层有 了多点m a c 控制子层( m p c p 子层) 。多点m a c 控制子层用于支持上行和下行链路的 8 2e p o n 系统概述及o p n e t 简介 多点接入。 e f m 为e p o n 这种典型的点到多点传输接入设备，在m a c 层增加了m p c p ( m u t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l 多点控制协议) 子层。由于e p o n 是点对多点的物理拓扑， m p c p 就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制。其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r t t 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。 ( 2 ) e p o n 传输帧结构 长度可变 图2 3e p o n 下行帧结构 e p o n 下行帧结构如图2 3 所示，它由一个被分割成固定长度帧的连续信息流组成， 其传输速率为1 g b p s ，每帧又携带多个可变长度的数据包( 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。按 照i e e e8 0 2 3 组成可变长度的数据包，给各o n u 分配数据包，每个数据包由信头、可 变长度净荷和误码检测域组成【1 4 】。 长度可变 图2 4e p o n 上行帧结构 图2 4 表示e p o n 上行帧结构。各个o n u 发出的上行信息流通过光耦合器合并共 9 西安科技大学硕士学位论文 用光纤，以t d m 的方式复合成一个连续的数据流。该数据流以帧的形式组成，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 ，用于发送o l t 的上行数据。 在e p o n 系统内，o n u 根据传输帧的前导码中的逻辑链路标识( 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 ) 和帧定界符( s f d ) 修改为l l i d 定界符( s l d ) 与l l i d 以及8 位循环冗余校验码( 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， 如图2 5 所示。 注：s l d ：l l i d 定界符 l l i d ：逻辑链路标识 c r c ：冗余校验码 图2 5e f m 定义的e p o n 8 0 2 3 帧 在e p o n 系统中，数据以i e e e 8 0 2 3 帧格式的变长信息包从o l t 经过o d n 下行广 播到多个o n u ，每个信息包都带有一个唯一标识，标志该信息发给某个o n u 。上行方 向中，数据从各o n u 经过o d n 汇聚到o l t 。为了防止来自各o n u 的信息包发生碰撞， 上行接入主要采用t d m a 技术进行管理，各o n u 被分配给特定的时隙。采用时分复用 的t d m a t d m 的e p o n ，其传输距离最远可达2 0 k m ，一根光纤最多可支持6 4 个用户， 总带宽为6 2 2 m b i t s 到2 4 g b i t s 。 2 1 3 c p 协议 在上行方向上e p o n 系统是一种多点到点( m p 2 p ) 的拓扑结构，m p c p 使用消息、 状态机、定时器来控制访问p 2 m p 的拓扑结构。在p 2 m p 拓扑中的每个o n u 都包含一 个m p c p 的实体，用以和o l t 中的m p c p 的一个实体相互通信。e p o n 将树形拓扑结 构中的根结点认为是主设备，即o l t ；将位于边缘( 树叶) 部分的多个节点认为是从设 备，即o n u s 。m p c p 在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效 的发送和接收。系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个o n u 发送，位于o l t 的高层负责处理发送的定时、不同o n u 的拥塞报告、以便优化p o n 系统内部的带宽分 配。e p o n 系统通过m p c p d u 来实现o l t 与o n u 之间的带宽请求、带宽授权、测距 等。 e p o n 系统实现的重点和难点是在上行方向上，故i e e e8 0 2 3 a h 工作组重点讨论了 m p c p 协议，定义m p c p 协议的目标是5 】： 1 0 2e p o n 系统概述及o p n e t 简介 支持具体的点到点仿真( p 2 p e ) ； o l t 处支持多个l l i d s 和m a c 客户； 每个o n u 支持单个l l i d ； 支持单拷贝广播机制；允许动态分配带宽的灵活体系结构； 使用3 2 b i t 的时间标签； 基于体系结构的m a c 控制； 发现设备的测距目的是提高网络性能； 连续的测距目的是补偿i m 时间浮动。 另外为了实现m p c p 的控制功能，新定义了五个控制信息，分别是g a t e ，r e p o r t ，