（通信与信息系统专业论文）以太无源光网络epon中的动态带宽分配算法研究.pdf

摘要 以太无源光网络( e p o n ) 以其维护简单、成本低廉以及与现有以太网良好的兼 容性等特点，成为光纤接入的最佳候选解决方案。动态带宽分配( d b a ) 作为e p o n 中的关键技术，对于提高e p o n 系统的性能和效率至关重要。一种好的动态带宽 分配算法应该能够保证所有用户公平地共享上行带宽、系统的上下行信道均具有 较高的吞吐量。此外，动态带宽分配算法还应当支持业务分类和服务质量( q o s ) 保证。 现有的动态带宽分配算法，很少有能够同时满足上述这些要求的。本文在分 析总结大量现有动态带宽分配算法的优缺点后，提出了一种新的d b a 算法，它 采用纵坐标加斜率的方式来表示服务包络函数，从而实现了与i e e e 8 0 2 3 a h 标准 中所定义的r e p o r t 帧结构相兼容，有利于实现e p o n 系统的互通性，同时还 能够保证全局用户间的公平性；另一方面它采用固定轮询周期长度的双子周期轮 询机制，彻底消除了集中授权d b a 方案带来的周期间信道空闲损失问题，保证 了上行信道具有较高的吞吐量，同时也减少了g a t e 消息对下行信道带宽的占用 量，有利于提高下行信道的吞吐量。仿真结果表明，本文提出的新算法，虽然在 数据包的平均时延以及延时严重的e f 业务包所占的比例方面比i p a c t 算法的表 现要略差一些，但在公平性，上下行信道吞吐量以及e f 业务的时延抖动方面的 表现要显著好于现有的i p a c t 算法。 关键词：e p o n 全局公平性互通性双子周期服务包络 a b s t r a c t e m e m e tp a s s i v eo p t i c a ln c t w o r k ( e p o n ) w i 也i t ss i m p i em a i n t e n a n c e ，l o wc o s t 粕d9 0 0 dc o m p a t i b i l i t ) rw i m 也ee x i s 缸g 鼬啪e t ，e t c ，h 弱b e c o m em eb e s tc 觚d i d a t e f o rs o l u t i o mo ff i b e ra c c e 豁n e t w o r k 。a sal 【e yt e c h i l o l o g yi ne p o n ，d y n a m i c b 髓d w i d t h 触l o c 娟o n ( d b a ) i se s s 锄t i a l f o ri n l p m v i l l gm ep e 墒衄雒c e 缸d e m c i c yo fe p o ns y s t e m a9 0 0 dd y n 锄i cb 蛐d w i d 也a l l o c 抓0 na l g o m h 】皿s h o u l d b ea b l et 0g u a r 锄t e ea l lu s e r s f a i r l ys h 痂go fu p s 缸e 锄b 髓d w i d m ，a n da l s 0t oe n 姒r c m ee p o ns y s t e mh 嬲1 l i g hm r o u g h p u ti nb o t l lt h eu p l i n k 锄d 也ed o 砌试kc h 锄e l s b e s i d 鹪，t h ed y n a m i cb 锄d 、i d 也a l l o c 撕a l g o r i t h ms h o u l da l 姒p p o r tt h e c l 勰s i f i c a t i o no fs c i c e ( c o s ) 姐dq u a l 时o fs e r v i c e ( q o s ) g u 嬲m t e 鹤 t h ec x i s t i n gd ) ，n a m i cb 姐d w i d ma l g o r i 也m ，f - e wc 弛m e e ta l lt h e s er e q u i r c m 伽晦 1 1 1 i sp 印e r 距a l y z e d 觚ds u m m a u r 娩e d 也ea d v 趾t a g 懿dd i s a d v 锄t a g e so fal a f g e 试m 曲e ro ft h ee 妇s t i n gd b aa l g o r i t h m s ，a n dt h 髓p r o p o s e san e wd b aa l g o r i t h m ， 。 w h i c hu s e so r d i n a t 懿a n dt h ec 0 n e s p o n d i n gs 1 0 p e st 0r 印r e s e n t 也es e r v i c ce n v e l o p e f l 加c 6 0 mi nt l l i sm 锄盯i tc 锄瑚et l l es t a n d a r di 也p o i 盯m e s 船g ed e f m e di i l i e e e 8 0 2 3 a hs t 跚d a r d st 0r e p o r tt h et h es e r v i c ee n v e i o p e 觚c t i o nt 0t h eo l l it h i si s c o n d u c i v et 0 h i e v i n gi | 吐e r o p e 胁m 妙o f ( 1 i 伍：啪te p o ns y s t 锄sa n d 髓岫gt h e 9 1 0 b a lf a i l n e s s 锄o n ga l l 佻e r s o n 也eo t h 贸h 锄di t 吣嚣d l l a l s 1 1 b c y c l 懿w i t h f i x 酣- p o l l i n g c y c l e - t i m ep o l l i n gm e c h a l l i s m ，w l l i c hc 锄c o m p l e t c l ye l i 加妇a t e 也e b 锄d w i d 也1 0 s sc 叭s c db yt h ei d l e 缸eo fu p l i n ：kc h a 皿e li nc e n t r a l i z c d 一伊a n td b a h 锄e s ，t 1 1 e n 锄s u r et l l eu p s 廿e 锄c h 锄e lh 弱ah i g h e rt h r o u g h p u t w h a t sm o r e ，l e s s b 锄d w i d mo fd o w n l i 】出c h 锄e lo c c u p i e db yg a r em e s 昭g 髓i n 也en e wd l i a a l g o r i t h m ，c 0 砌b u t e st 0i l p r o v et h ed o w n l i n kc h 锄e i 也r o u g h p u t t h es i n m l a t i o n 瞅m l t ss h o wt h a tt h ep 刚0 衄蛐c eo ft l l en e wa l g o r i t h mi nt l l ea v e r a g ep a c k e td e l a y 粕ds 甜。吣l yd e l a y e de fp a c k e t s 枷oi s t 鹪9 0 0 d 蹒i p ：a c ta l g o r i t h m ，b u ti n f a i m e s s ，叩l i n l co rd o w n l i m ct h r o u g h p u t 锄dd e l a yj i t t e ro fe fs e n ，i c e m en e w a l g o d t h mi ss i 鲥f i c 龇l t l yb e t t c rt h a n 也ee x i s t i n gi p a c t “g o r i t h m k e yw o r d s ：e p o n ，g l o b a l 蜘妇鹤s ，i n t e 嘲p e 瑚l b i l i 以d l u a l - 眦b c y c l e s ，s e r v i c c 蚰v e l o p 髓 第一章绪论 1 1 互联网发展概况 第一章绪论 现代电信业的发展可谓一日千里，我们经历了从模拟到数字，从固定到移动， 从人工到智能，从语音到数据的全方位变化发展过程。这些发展对传统的网络和 人们的日常生活产生了深远的影响。一方面，数据业务的兴起，尤其是互联网的 迅猛发展，对传统的电信业产生了强大的冲击，i p 数据业务已经取代了p s t n 语 音业务的主导地位。另一方面，随着时代的发展和科技的进步，人们对宽带和多 媒体业务的需求越来越强烈，互联网流量随之急剧增长，这对现有的网络是一个 不小的挑战【1 1 。虽然，在过去1 0 年里，像密集波分复用( d w d m ) 、波长分插复 用( w a d m ) 、光路由波长交叉连接和高速交换等这些在广域网( w a n ) 主要用于 骨干网的先进网络技术有了巨大发展，使电信骨干网容量大幅增长而且可靠性大 大提高。同时随着百兆以太网的普及和千兆以太网的应用，局域网的容量和速度 也有了极大的提升。然而接入网技术的发展却相对滞后，随着骨干网、本地局域 网的发展和互联网流量的巨大增涨，接入网容量缺乏的问题更加突出，成为连接 大容量骨干网和局域网的瓶颈1 2 】。 1 2 接入网 如图l 一1 所示，作为信息高速路“最后一公里”的接入网是连接用户本地网 和核心骨干网的桥梁，在整个网络中处于极其重要的位置，但因其发展相对滞后， 已成为网络宽带化的瓶颈。 用户网络接口业务节点接口业务节点接口用户网络接口 用户本 地网 图1 1 互联网的组成示意图 用户本 地网 总的来说，接入网可以分为有线和无线两大类。无线接入网又可以分为固定 ：掣 第一章绪论 接入网和移动接入网两类：而有线接入网可以分为铜线接入网和光纤接入网以及 混合光纤同轴电缆网三类3 1 。其中光纤接入网以其高带宽和可靠性，必将成为未 来宽带接入的主流技术。 1 3 光接入网 光接入网( o p t i c a la c c e s sn e t 、o d 【o a n ) 是指采用光纤作为主要的传输媒体 来取代传统的双绞线的接入网，泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间采用 光纤通信或部分采用光纤通信的系统【4 】。一般情况下，o a n 是一个点对多点的光 传输系统。根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，光接入网又可以划分为 无源光网络( p 硒s i v eo p t i c a ln e 附o r k ，p o n ) 和有源光网络( a c t i v eo 砸c a l n e 佃o r k ，a o ，前者采用光分路器分路，后者采用电复用器分路【3 1 。 p o n 在所有网络节点上都采用无源器件，无源纯介质的光分配网路传输技 术体制完全透明，彻底避免了电磁和雷电的影响，没有有源器件使得p o n 的可 靠性比a o n 提高很多【5 1 。另外，它采用无源光节点将信号传送给终端用户，初 期投入少，易于扩展，结构灵活，维护简单，可充分利用光纤的良好的传输性能 和巨大带宽。因此p o n 将成为光纤接入网未来的发展趋势。 1 3 1 无源光网络( p o n ) 技术 上世纪9 0 年代中期，全业务接入网组织( f u l ls e r v i c ea c c e s sn e 抑o r l 岱， f s a n ) 发起了p o n 技术研究，该技术一经提出立即受到了广泛关注，并迅速掀 起了研究热潮。 p o n 按信号分配方式可以分为功率分割型无源光网络( p s p o n ) 和波分复用 型无源光网络m ，d m p c 小) 。当前正在应用的p s p o n 包括a p o n b p o n 、e p o n 和g p o i n ，它们采用星型耦合器分路，上下行传送采用t d m a 厂r d m 方式实现 信道带宽共享，分路器通过功率分配将o l t 发出的信号分配到各个0 n u 。 、d m p o n 技术则是将波分复用技术运用在p o n 中，光分路器通过识别o l t 发 出的各种波长，将信号分配到各o n u 。虽然w d m p o n 利用波分复用技术实现 上行接入，能够提供较高的工作带宽，可以实现真正意义上的对称带宽接入【6 】， 但是、加m a 解决方案要求网络运营商维护多种波长的不同o n u ，而不是一种 波长类型的o n u ，每个o n u 不得不使用窄光谱激光器，从而使其成本高了许多。 并且，相对于a p o n b p o n 、g p o n 、e p o n 这些t d m ap o n 技术而言，w d m a p o n 技术还不够成熟。由于这些原因，w d m ap o n 目前还不是有吸引力的解决 方案【2 1 。 ? 2 第一章绪论 1 9 9 9 年，i t u 批准了基于a t m 的p o n( a p o n ) 技术标准q 9 8 3 x ，并 于2 0 0 1 年改名为宽带p o n ( b r o a d b 锄dp o n ，b p o n ) 。然而由于a p o n 存在带 宽不足、技术复杂、价格高、承载i p 业务效率低等问题，第一英里以太网联盟 ( e f m a ) 在2 0 0 1 年初提出了在二层用以太网取代a t m 的基于以太网的p o n ( e t l l 锄e tp o n ，e p o n ) 技术，并由i e e e8 0 2 3 a h 工作小组对其进行了标准化， i t u 于2 0 0 4 年7 月批准了该标准。在e f m a 提出e p o n 概念的同时，f s a n 又 提出了吉比特p o n ( g i g a b i t c 印a b l ep o n ，g p o n ) 的概念，f s a n 与i t u 已 对其进行了标准化，系列标准g 9 8 4 x 于2 0 0 3 年得到l t u 批准。 1 3 2 三种p o n 技术的特点 l a p o n ，b p o n a p o n b p o n 是数据链路层的a 1 m 技术和物理层的p o n 技术相结合的光接 入网技术，它利用a t m 的集中和统计复用，结合p o n 对光纤和光线路终端的共 享作用，使其性价比有了极大提升。a p o n 在下行方向上传输的是连续的a t m 信 元流，每个a t m 信元包含5 3 个字节，每个光网络单元( o p t i c a ln 咖o r ku n i t ，o n 可以根据信元的目标地址从相应时隙提取出属于自己的信元。在上行方向上， a p o n 传输的是突发模式的a t m 信元，为实现有效、无冲突的上行接入，标准 建议采用时分多址( t d m a ) 的上行接入控制。 尽管a p o n 的典型主干下行速率可达6 2 2m b 彬s ，但分路后实际可分到每个 用户的带宽将大大减小，从长远的业务发展趋势看，a p o n b p o n 的可用带宽 远远不够。同时还存在技术复杂、价格高、承载口业务效率低等问题，因此 a p o n b p o i n 相较其它p o n 技术( e p o n 、g p o n ) 在光接入方案中不具有优势。 2 ，e p o n 目前，口e 也锄e t 应用在整个局域网通信中占有统治地位，e p o n 由于融合 了以太网和p o n 的技术结构优势，成为连接接入网终端用户的一种最经济、高 效的通信方式。e p o n 以以太网为载体，采用点到多点结构、无源光纤传输方式， 在以太网上提供多种业务。在e p o n 系统中，数据包以广播的方式传送到各 o n u ，每个信息包中都带有一个唯一的标识，标志着该信息包所要发送到的 o n u 。上行方向上，数据包从o n u ，经光配线网( 0 l p t i c a ld i s t r i b u t e d n e 附o r ko d n ) 汇聚到光线路终端( o p t i c a ll i l l et e m i n a l ，o l ，t ) ，并由其转发到骨干核心网络。为 避免来自不同o n u 的数据包发生碰撞，提高上行链路的效率，上行接入主要采 用t d m a 技术来进行管理控制，各o n u 以时分复用的方式共享上行带宽。采用 t d m a 厂r d m 的e p o n ，其传输距离最远可达2 0 k m ，并且系统支持上下行对称 l g b p s 的带宽。 第一章绪论 3 ，g p o n 与a p o n b p o n 基于a t m 格式的帧封装和e p c i n 基于e 锄e t 格式的帧封 装不同。g p o n 的帧结构不基于任何指定的类型格式，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 是国 际电联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来实现传输汇聚层协议，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；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。 g p o n 定义了一种全新的封装结构g e m ( g p o n 饥c 印叭l a t i o nm e t h o d ) ，可以对不 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 l ( h z 帧，从而能够直接支持t d m 业纠1 1 。相对于其他的p o n 标准而言， g p o n 标准提供了更高的带宽，下行速率高达2 5 g b i 讹，其非对称特性能很好 的适应宽带数据业务市场：可承载a t m 信元和( 或) g e m 帧，有很好的提供服务 等级、支持q o s 保证和全业务接入的能力，并具有强大的o 蝴功能。 1 3 3e p o n 的优势 a p o n b p o n 和g p o n 都是由f s a n 所倡导，由传统电信运营商所推动的， 因此，a p o n b p o n 和g p o n 技术面向t d m 业务做了优化设计，采用严格定时 同步的帧结构。这些优化设计虽然对它们承载传统的t d m 业务带来了极大的便 利，但同时也带来了不小的缺陷：高比特速率下，极短的同步开销对实际产品的 硬件提出了更为苛刻的要求，进而导致成本较高。例如g p o n 在1 2 4 4 g b p s 速率 时仅仅1 6 比特( 不到1 3 璐) 被用作激光器的开启和关闭时间。在如此短的时间 内要完成o m7 的切换，需要高速的o n u 激光器驱动电路，无疑会提高o n u 的 成本，进而影响其大规模应用。而i e e e8 0 2 工作组致力于企业网数据通信技术， 在e p o n 标准化过程中保留了以太网特性，e p o n 没有特定的帧结构，突发长度 和物理层开销都比较大。例如，最大a g c 时间规定为4 0 0 璐，这允许o l t 有足 够的时间调整增益而不必采用o n u 功率调整机制，o n u 无需用于功率调整的任 何协议和电路。此外，e p o n 激光器开启和关闭时间限定在5 1 2 n s ，也比g p o n 宽松许多。总之，相对宽松的物理层开销要求降低了e p o n 的成本，有利于其大 规模推广应用。 另一方面，e p o n 保留以太网变长帧结构不用拆分重组，不仅提高了其承载 传统以太网业务的效率，而且也降低了技术的复杂度，有利于降低其成本。相反， a p o n b p o n 和g p o n 都把数据包拆分：b p o n 使用a a l 5 方式发送时把数据包 4 第一章绪论 拆分成信元，接收时再重组。g p o n 采用g e m 封装进行数据包拆分，变长g e m 块界定和接收时重建都比较复杂【2 1 。这些不仅降低了它们承载以太网业务的效 率，更为重要的是在以太网应用占有绝对统治地位的今天，不能与以太网业务很 好的兼容，无疑会对它们的普及应用产生不小的阻碍。 1 4e p o n 的最新发展 e p o n 国际标准i e e e 8 0 2 3 a h 自2 0 0 4 年颁布以后，随着宽带接入市场的发 展得到了大规模商用。同时视频等新业务的不断发展，用户对带宽的需求也在不 断增加，e p o n 技术要继续满足用户的需求也在不断发展7 1 。 1 4 11 0 ge p o n 的出现 随着i p t v 等新业务的出现，为满足用户日益增长的带宽需求，1 0 ge p o n 标准应运而生。早在2 0 0 6 年i e e e 便成立了8 0 2 3 a v 工作组，致力于1 0 ge p o n 标准的研究制定工作。2 0 0 9 年9 月，i e e e8 0 2 a v 标准最终获得通过，这是e p o n 技术发展历程中的一座重要的里程碑。 1 0 ge p o n 在系统组成上与l ge p o n 相同，但采用支持1 0 g b p s 速率的光 线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 和光分配网络( o d n ) ，同时在系统结构上仍 然延续了l ge p o n 的典型树形拓扑结构。1 0 ge p o n 标准重新定义了分层结构 中的物理层，其中物理媒介接入( p m a ) 子层和物理媒介相关( p m d ) 子层将完全改 变，以避免m a c 层以上各层的改动。此外，l o ge p o n 将现有的g m i i 改为x g m i i 接口，还对定时( 恤i n g ) 做了调整。l ge p o n 中物理编码子层( p c s ) 的前向纠错 ( f e c ) 是可选的，但对于l o ge p o n ，f e c 必须存在。与现有p o n 技术相比，1 0 g e p o n 有如下特点嗍： ( 1 ) 提供突破性速率的同时，还引入对广域网的支持，使得以太网技术从局域 网向广域网领域拓展，这是现有的e p o n 所未能达到的。 ( 2 ) 与现有e p o n 兼容，具有足够的带宽支持多种新业务，而且可以进行灵活 部署，既可以配置1 0 g l o g 上下行对称速率，也可配置1 0 g l g 上下行非 对称速率。 ( 3 ) 继承了传统以太网的灵活性，与以太网兼容。以太网技术是迄今为止最成 熟的局域网技术，与其兼容是e p o n 相比于其它p o n 技术的最大优势之一。 ( 4 ) 成熟度高，技术简单。由于e p o n 标准完备，目前已进入商业部署阶段， 其成熟度领先于其它p o n 技术。 虽然l o ge p o n 标准出台后，e p o n 将具有更广阔的应用前景，但我们也应 第一章绪论 该清醒的认识到短时间内l o ge p o n 还无法完全取代l ge p o n 或是g p o n ，这 是因为【9 】：目前对称的l o ge p o n ，其部分关键器件尤其是光模块成本很高，是 目前e p o n 的数十倍，即使规模应用，其成本仍然远高于普通的1 0 g 以太网光 模块的成本。在城域l o g 以太网尚未普及的情况下，接入层大规模部署对称1 0 g e p o n 就会形成一个畸形的倒挂网络，导致建设成本压力巨大。因此，建设成本 是影响1 0 ge p o n 规模商用的最重要障碍。另外，与e p o n 一样，由于1 0 ge p o n 只定义了链路层以下的标准，标准的定义较淡薄，l o ge p o n 在具体应用时，需 要进行补充和完善，虽然有很多类似的规范可以借鉴继承，但仍需要一段时间。 但是我们有理由相信不久的将来，在相关规范得到完善和硬件成本降低后，1 0 g e p o n 必能得到大规模应用。 1 4 2e p o n 的新应用 随着e p o n 的逐步大规模应用和普及，e p o n 除了在传统的有线网络中扮演 重要的角色外，其应用范围也有所拓展：从有线领域拓展到无线领域。其中e p o n 与w i 融合宽带接入方案就是e p o n 在无线领域应用的典型案例。相比传统 的p d h 或者s d h 作为w i m a x 网络b a c l ( h 肌l 而言，由于e p o n 网络的无源性 和动态带宽分配机制，使得这种融合方案在网络成本上具有很大的优势。传统的 b a c l ( h 肌l 网路中，各基站带宽的分配只能通过网管进行静态配置的方式进行更 改。如果在某个时间段特定基站带宽需求增大，网管只能重新对各基站的带宽进 行人为的重新配置。由于e p o n 支持动态带宽分配，e p o n 作为w i 眦网络中 的b a c l ( h 叭l 可以动态地改变基站的带宽，无需人为地进行重新配置，不仅可以 降低维护成本，而且可以提高系统的性能，更好地保证多业务q o s 的要求【l 。 1 5e p o n 发展面临的挑战 e p o n 技术以其与现有以太网良好的兼容性和低成本等优势，获得了业界的 青睐，成为现阶段光纤接入的最佳解决方案。然而随着技术的发展，和人们对网 络服务质量的要求不断提高，e p o n 要想保持自己的优势，并在不久的将来得到 大规模的推广和应用，需要在以下方面要有所突破和提高： ( 一) 互通性问题。 互通性是指不同公司、不同型号，采用不同芯片的设备间的兼容性。虽然现 有的i e e e 8 0 2 3 a h 国际标准对e p o n 系统的物理层和数据链路层制定了相关规 范。但对动态带宽分配、终端设备认证、服务质量保证、业务层功能、指配和管 第一章绪论 理等方面均未进行详细的描述。由于e p o n 协议标准有着很多的“模糊”定义。 在为厂商开发带来巨大灵活性的同时，也给不同厂商产品之间的互通性带来了不 小的麻烦【1 1 1 。 为使e p o n 技术达到运营级要求、实现不同厂商设备的互通，推进e p o n 技 术发展和f t t h 网络应用，从2 0 0 5 年开始中国电信集团公司组织国内外主流的 e p o n 芯片供应商、设备厂商和研究机构，成立了e p o n 互通性工作组，开展 了e p o n 互通性研究工作，参加的e p o n 芯片厂商包括p m cs i e r r a 、t e l m o s 、 c o n e x a n t 、i m m 髓s t 盯、c e n t i l l i 啪、格林威尔等，设备厂商包括中兴、烽火、华 为、u ts t 嬲：0 m 、盛立亚( s a l h ) 等，同时，信息产业部电信研究院通信标准 研究所也参加了e p o n 互通性的研究工作。他们在e p o n 互通性方面开展了卓 有成效的研究和标准制定工作，并于2 0 0 8 年3 月1 3 日由信息产业部正式颁布我 国第一个e p o n 互通性标准：y d 厂r 1 7 7 1 2 0 0 8 一接入网技术要求e p o n 系统 互通性，极大地推动了e p o n 技术的发展和应用，为我国在通信技术标准化方 面做了有益的探索。然而互通性标准的制定只是完成了第一步，要实现e p o n 系 统真正意义上的互通，一方面要求我们的设备厂商严格遵循互通性标准，另一方 面还要求我们的运营商和设备厂商针对实际的运营和生产过程中产生的各种问 题对互通性标准不断地进行修订和完善，从而使不同厂商的设备真正能够互通， 进而推动e p o n 的尽快应用普及。 ( 二) t 蹦业务承载与q o s 保证能力 最近国家提出要加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合。在“三网 融合”的大背景下，e p o n 系统需要顺应时代发展的要求，除了能够承载传统的 m 业务外，还必须支持语言业务、视频业务等这些非传统的互联网业务，只有 这样，e p o n 才能不会被时代所淘汰，才能具有更强的生命力，得到更好的发展。 但是e p o n 对于承载像语音这样的t d m 业务存在先天的不足，因为e p o n 在设 计之初就是考虑与传统以太网的兼容性，而没有太多地关注传统的电信业务，故 相比g p o n 而言，e p o n 在承载t d m 业务方面的能力还有所欠缺。虽然，理论 上t d m0 v e re t l l e m e t 可以解决上述问题，但这种解决方案到目前为止还没有比 较成熟的标准和规范，有待我们进一步的探索和研究。 承载语音和视频业务后，e p o n 应该对所承载业务的q o s 提供保证，如业 务的时延、时延抖动、丢包率等。但e p o n 完全继承了传统以太网的特性，在 q o s 保证方面的能力较差，因此q o s 保证便成为e p o n 发展所面临的又一项挑 战。 第二章e p o n 系统 第二章e p o n 系统 2 1e p o n 系统功能结构 i t u t 于1 9 9 6 年6 月通过了g 9 8 2 标准，提出了一个与实现技术无关的无 源光网络功能参考配置【1 2 1 ，如图2 1 所示。e p o n 系统遵循了上述标准建议， 业务网络接口( s n i ) 到用户网络接口 咐i ) 之间部分为e p o n 系统，它通过s n i 与业务节点相连，通过u n i 与用户设备相连。 剐s s 瓜 o n u l 业务功 、1o d no l t 爿 能节点 o n u m l s 】虮 用户侧i接入链路i 网络侧 图2 1p o n 系统的功能结构 e p o n 系统主要分成三部分，即光线路终端( o p t i c a ll i n et e m i n a t i o n ， o l ，t ) ， 光配线网络( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t 、o r k ，o d n ) 和光网络单元( o p t i c a l 觚o r ku n i t ，o m 组成。下面对e p o n 系统的这三个部分的功能作简要的介绍： l 、o n u 的主要功能 o n u 需要提供与o d n 之间的光接口以及与用户侧的终端接口，同时提供传 递系统处理各种业务所需的手段，位于o d n 的用户侧。e p o n 中o n u 的功能 有： 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。 第二章e p o n 系统 提供用户业务接口以及其它相关的以太网功能。 2 、o d n 的主要功能 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 是由无源光器件( 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，具有光波长透明性、互换性和光纤兼容性 等光特性。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 l t 的主要功能 o l t 的作用是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 m ，的信令和监控信息，为o n u 提供维护和 供给功能。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： 向饼吼7 以广播方式发送以太网数据。能支持多种业务，提供多个与u n i 的接口。 发起并控制测距过程，记录测距信息。 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 2e p o n 系统中的数据传输 图2 2 下行数据流 e p o n 系统在单根光纤上采用下行1 5 5 0 加1 上行1 3 l o m n 波长组合的波分复用 技术( w d m ) ，下行数据以广播方式从o l t 经o d n 分发给各个o n u ，上行数据则 9 第二章e p o n 系统 利用t d m a 技术把各个o n u 的数据分时向o l t 发送，以保证o n u 之间的数据不 会发生冲突。e p o n 的上下行信道速率均为l g b i 讥( 由于其物理层编码方式为 8 b 1 0 b 码，所以其线路码速率为1 2 5 g b i t s ) 。e p o n 下行方向为从o l t 向o n u 发 送数据的方向。到达e p o n 的下行数据从o l t 处以广播或多播的形式发送到各 伪叮u ，数据是标准i e e e 8 0 2 3 协议的分组( 帧) ，每个分组( 帧) 头部都有一个逻辑链 路标识( l o g i c a ll i l l l 【i d ，l l i d ) 来标志不同的o n u ，每个0 i n u 只接收与其i d 相同的 分组，其他分组丢弃。如图2 2 所示，所有的分组都以广播的方式发送到饼州1 ， o n u l 只接收与其i d 相同的l 号分组，而丢弃其他分组。 e p o n 上行方向为从o l t 向o n u 发送数据的方向。上行信道采用的是t d m a 技术，每一个o n u 都在相互不重叠的时隙内发送分组到o d n ，在o d n 处汇总后， 排队到o l t ，其中每一个o m7 具体使用某个时隙，由o l t 统一分配、控制。这样 可以避免分组在o d n 处发生碰撞，如图2 3 所示。 2 3e p o n 的分层结构 图2 3 上行数据流 2 3 1e p o n 的分层结构参考模型 e p o n 协议参考模型是以吉比特以太网协议参考模型为基础提出的，并在数 据链路层和物理层作了相应的修改，以保证e p o n 系统的正常工作。其协议参考 模型如图2 - 4 所示。 e p o n 协议分层参考模型各部分的功能如下【2 】： 媒质相关接口( m c d i 啪d 印锄d ti n t e m 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。 令位于m d i 之上的媒质相关子层( p h y s i c a lm e d i 岫d 印d e n t ，p m d ) 负责提供与 传输媒质连接的接口。 l o 第_ 二章e p o n 系统 物理媒质附加子层负责发送、接收、定时恢复和相位对准功能。 夺物理编码子层( p h y s i c a lc o d i i l gs u b l a y e r ，p c s ) 负责把数据比特编成适合物理 媒质传输的码组。 吉比特m a c 和吉比特物理层之间的吉比特媒质无关接口( g i g a b i tm e d i a i i l d 印即d e n ti n t e r f a c e ，g m i i ) 允许多个数据终端设备混合使用各种吉比特速 率物理层。 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 ) 提供g m i i 信号到m a c 层的映射。 o s i 参考 模型分层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 ， ，g m 、煦兰； 剿) p 聃 p m al 妒h y p m dl - j l a n 分层 高层 g m = 千兆比特媒质无关接口0 1 叽- 光网络单元 m 肛媒质相关接口 ；渊子层 o a m = 操作管、理和维护 p m a ：物理媒质附加 o u _ 光线路终端 p m d = 物理媒质相关 图2 _ 4e p o n 协议分层与o s i 参考模型的对应关系 o n u 数据链路层由下列子层组成( 由下到上顺序) ： 媒质接入控制( m e d i aa c c e s sc o n 仃0 l ，m a c ) 子层负责向物理层转发数据的功 能( 与媒质无关) 。一般来说，m a c 子层负责封装( 成帧、地址标识、差错检测) 和媒质接入( 冲突监测和延时过程) 功能。 m a c 控制子层是可选的子层，负责m a c 子层操作的实时控制和处理。定义 了m a c 控制子层以允许未来加入新功能。 逻辑链路控制( l o g i c a ll i i l l ( c o n 臼o l ，l l c ) 子层负责数据链路层与媒质接入无 关的功能，它不在i e e e 8 0 2 3 标准范畴之内。m a c 层和可选的m a c 控制子层 并不“知晓上面是否存在l l c 子层或者是其他客户( 如网桥或中继器) 。 一榍一一一一一嗵一一孵 第二章e p o n 系统 2 3 2e p o n 协议对传统以太网协议所作的扩展 e p o n 协议对传统以太网协议在如下层次上做了相应的扩展： 1 协调子层( i 峪子层) i e e e 8 0 2 3 体系标准的一个基本假设是连接在同一媒质上的设备可以直接通 信。依据这样的假设，网桥从不转发帧到其输入端口。但在p o n 结构中便产生了 有趣的问题：位于o l t 的网桥可以“看到p o n 端口，不把上行流量转发给o n u 。 然而，由于光分路器的方向性，o n u 间不能直接通信。因此，p o n 网络出现了 为所联设备提供完全连接的困难。这与i e e e 8 0 2 3 体系( 尤其是i e e e 8 0 2 1 d 桥接协 议) 不兼容。 为了解决这一问题而与其他以太网无缝兼容，e p o n 使用扩展的协调子层， 它仿真点到点媒质。这样的拓扑仿真过程通过把以太网帧打上每个o n u 唯一的 标识来实现。这些标识称为逻辑链路标识( l o g i c a ll i n l ! ( d ，l l i d ) ，置于每帧前面 的前导码里。m e e 8 0 2 3 a h6 5 子句的第一节定义了帧前导码的新格式和点到点仿 真的过滤规则。 2 物理编码子层( p c s 子层) 为了避免较近。叭j 的自发辐射噪声干扰较远o n u 的信号，o n u 激光器在非 发送期应关闭。为控制激光器，p c s 子层扩展为监测高层要发送的数据以在正确 的时间开启和关闭激光器。 p c s 另外的扩展是可选的前向纠错编码( f e c ) ，f e c 可增加光链路预算或者说 传输距离。f e c 采用r s ( r e e d s o l o m o n ) 码，每2 3 9 个信息字节加上1 6 校验字节。 接收端利用附加的校验字节来纠正数据传输过程中可能出现的错误。e o p n 采用 基于帧的f e c ，即每帧被分别编码，校验字节加在帧的后面。这样的方法使不具 有f e c 功能的设备能够接收f e c 编码的帧，只不过误比特数多些罢了。 3 物理媒质附加子层( p m a 子层) p m a 子层需要扩展以规范接收机对输入数据流的相位和频率同步时间。这 一时间称为时钟和数据恢复时间( c d r 时间) 。i e e e 8 0 2 3 a h 规定o l ，t 的p m a 子层 在4 0 0 n s 内完成比特同步，3 2 n s 内完成码组对齐。 2 4 逻辑拓扑仿真 如上节所述i e e e 8 0 2 3 体系中网桥的特性在p o n 中引起了一个问题：在同一 个p o n 中连接到不同o n u 的用户不能属于同一个局域网，也不能在数据链路层 上进行相互通信。因为p o n 媒质由于无缘分路器合路器的方向性而不允许各 1 2 第二章e p o n 系统 o n u 之间直接相互通信。o l t 只有单个端口用来连接所有的o n u ，而o l t 的网桥 又不能将数据帧转发到其输入端口。这就引起了关于e p o n 如何兼容i e e e 8 0 2 体 系架构( 特别是8 0 2 1 d 网桥) 的问题。 为了解决这个问题并确保能与其它以太网络无缝兼容，连接到p o n 媒质上的 设备要实现逻辑拓扑仿真( l o g i c a lt 0 p o l o g ye m u l a t i o n ，l 1 - e ) 功能。在l e t 的基础 上，可以仿真共享媒质或者点到点媒质。 为了保持已有的在i e e e 8 0 2 3 标准中定义的以太网m a c 的操作，l 1 e 功能放 在m a c 子层以下的r s 子层来实现。该功能是通过在以太网帧结构中添加唯一标 识每个o n u 的l l i d 来实现的，l l i d 位于每一帧的前导码中。为了保证l l i d 的唯 一性，o l t 在每个o n u 进行初始注册( 自动发现) 阶段给它们分配一个或多个 l l i d 。 2 4 1 点到点仿真 点到点仿真( p o mt 0p o 缸e m u l a t i o n ，p 2 p e ) 的目的是为了实现与交换局域网 相同的物理连接性。在p 2 p 仿真模式中，o l t 包含n 个m a c 端口，一个端口对应 一个o my 。在o n u 注册过程中，o l t 给每一个o 7 分配一个唯一的l l i d ，同时 o l t 中的每一个m a c 端口将被配置一个同与其相连的伽州相同的l l m 。 当下行( o l t 到o n u ) 发送一个帧，o l t 的仿真功能将在帧内插入一个特定的 l l i d ，这个l l d 与数据帧将要前往的m a c 端口有关。虽然数据帧将通过分路器 到达每个o n u ，但只有一个o n u 的l l i d 值与数据帧的l l i d 匹配，进而p 2 p e 将接 收数据帧并把它传送到眦层