（通信与信息系统专业论文）gpon系统中共享缓存模块设计.pdf

摘要 摘要 近年来，随着语音数据网络业务的需求增长，在带宽要求和高价格敏感性的 问题上，按入网面临前所未有的挑战；传统的基于s o n l 玎s d h 或以太网的接入 方式无论成本还是可扩展性都无法与光接入技术竞争。无源光网络( p o n ) 技术 特别是新兴的g p o n 技术的到来，提供了一种低成本的，灵活的，可扩展性 的接入方式。g p o n 最高可以提供2 5 g b p s 的下行带宽和1 2 5 g b p s 的上行带宽， 可以满足多种业务的接入需求。r r ug 9 8 4 系列协议的发布标志着g p o n 协议体系 的成熟，进入芯片设计阶段。 系统数据交换结构是g p o n 系统设计的关键。共享缓存是一种较为成熟的通 用数据包交换结构，能够提供理想的吞吐量和延时性能；对于g p o n 传输速率来 说，共享缓存不失为一种结构简单，易于实现的数据交换结构。 本文主要研究共享缓存交换结构在g p o n 系统中的应用，并设计了一种基于 数据包描述符的缓存管理方式。这种方式采用“零拷贝”技术，避免了采用多次 复杂操作来实现数据包移动的方式，充分发挥了共享缓存池存储和交换数据的功 能。 新兴的接入网技术一般采用层次化调度的方式来分配有限的带宽。在这种结 构中，采用数据包描述符队列占用的芯片资源很少，使上千个队列的层次化调度 设计成为可能。将共享缓存结构引入到g p o n 系统设计中，是本文的创新和先进 之处。它为g p o n 数据交换以及层次化调度提出了一种可行的解决方案。这正是 本课题的意义所在。 本文前两章简单介绍了g p o n 的性能特性，以及g p o n 协议栈；第三章提出 了一种g p o n 系统o l t 和o n u 端的共享缓存模块结构设计，并分析了其中各个 子模块的功能特性；第四章叙述了在s y s t e m c 平台上对该模块的仿真设计，并对 结果进行分析；第五章对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工 作和未来的一些研究方向。 关键词：g p o n ，共享缓存，层次化调度，s y s t e m c 。 a b s t r a ( a b s t r a o t i nt h er e c e n ty e a r , w i t hg r o w t ho fr e q u i r e m e n t sf r o mb o t hv o i c ea n dd a t an e t w o r k s ， t h ea c c e s sn e t w o r k p r e s e n t s a n e v e n g r e a t e rc h a l l e n g ew h e nh i 曲b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t sa r ec o m b i n e dw i t hh i g hp r i c es e n s i t i v i t y ；l e g a c ys o l u t i o n sb a s e do ne i t h e r s o n e t s d ho re t h e r n e ta r en e i t h e rc o s t e f f e c t i v en o rs c a l a b l ea sa l la l t e r n a t i v ef o ra l l o p t i c a la c c e s ss o l u t i o n t h i si sw h e r ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ( p o n ) i ng e n e r a l a n d t h ee m e r g i n gg p o n t e c h n o l o g ys p e c i f i c a l l y c o m e i n t op l a yb yo f f e r i n gac o s t e f f e c t i v e ， f l e x i b l e ，s c a l a b l em e a n s t h ed o w n l o a dr a t eo fg p o ni s2 4 0 b p sa n du p l o a dr a t ei s 1 2 5 g b p s ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fm u l t i s e r v i c ea c c e s sn e t w o r k t h ei s s u e o fi t ug 9 8 4p r o t o c o l sh a sb r o u g h tt h er e c e l l tr e s e a r c ho fg p o nt ot h es t a g eo fc h i p d e s i g n i n g s h a r e m e m o r yi sam a t u r e ，c o m m o ns t r u c t u r eo fp a c k e ts w i t c h ，w h i c hc a ns u p p l y p e r f e c tt h r o u g h p u ta n dd e l a yp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fg p o n d a t a r a t e ，s h a r e m e m o r yc o u l db eas i m p l ea n de a s i l y d e s i g n i n gs t r u c t u r e t h i sp a p e rp r o p o s e das h a r e m e m o r ys w i t c hs t r u c t u r ew h i c hi sa d o p t e di n t og p o n s y s t e m ，a n dam e m o r ym a n a g e m e n tm e t h o db a s e do np a c k e td e s c r i p t o r t h i sm e t h o d w i t h “z e r o c o p y t e c h n o l o g yc a na v o i dt h ec o p yo p e r a t i o nf o rs e v e r a lt i m e sb e t w e e nt h e p a c k e tq u e u e s ，m a k eu s eo fd a t as w i t c ha n ds t o r a g eo fc o m m o nm e m o r yp 0 0 1 t h en o v e la c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yu s u a l l yh a su s e dh i b e r a r c h ys c h e d u l i n gm o d e t od i s t r i b u t et h el i m i t e db a n d w i d t h i nt h i sm o d e ，t h ep a g e td e s c r i p t o rq u e u eo c c u p i e d f e wc h i pr e s o u r c e ，a n dm a d et h eh i b e r a r c h ys c h e d u l i n gm o d u l ew i t ht h o u s a n d so f q u e u e sp o s s i b l e i nc h a p t e r1a n dc h a p t e r2 ，w ei n t r o d u c e dt h ep e r f o r m a n c eo fg p o na n dg p o n p r o t o c o ls t a c k i nc h a p t e r3 ，w ep r o p o s e d as t r u c t u r ei no l ta n do n ub a s e do n s h a r e m e m o r y , a n da n a l y z e dt h ef u n c t i o n o fe a c hs u b m o d u l e s i nc h a p t e r4 ，w e d e s c r i b e ds i m u l a t i o nd e s i g no ft h es h a r e m e m o r ym o d u l ei nt h es y s t e m cp l a t f o r m ，a n d a n a l y z e dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n i i a b s l r a c r t h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e di nt h el a s tc h a p t e r k e y w o r d ：g p o n ，s h a r e m e m o r y , h i b e r a r c h ys c h e d u l i n g ，s y s t e m c i 简略字表 p o n a p o n b p o n e p o n g p o n f i f 0 o n u o i t g e m t - c o n t h c o s s r a m g t c 简略字表 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k无源光网络 a t mp o n基于a t m 的p o n b r o a d b a n dp o n宽带p o n e t h e r n e tp o n 以太网无源光网络 g i g a b i t c a p a b l ep a s s i v e 吉比特无源光网络 o p t i c a ln e t w o r k f i r s ti nf i r s to u t 先进先出存储器 o p t i c a ln e t w o r ku n i t 光网络单元 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 g p o ne n c a p s u l a t i o ng p o n 封装方法 m e t h o d t r a n s m i s s i o nc o n t a i n e r 传输容器 h i b e r a r c h yc l a s so f 分级区分服务 s e r v i c e s t a t i cr a n d o m a c c e s s静态随机访问存储器 m e m o r y g p o nt r a n s m i s s i o ng p o n 传输汇聚层 c o n v e r g e n c e v i i 目录 t d m r e d w r r w f q o t p s t i m ed i v i d em u l t i p l e时分服用 r a n d o m e a r l yd e t e c t 早期随机丢弃 w e i g h t e dr o u n dr o b i n 加权轮循 w e i g h t e df a i rq u e u e i n g 加权公平排队规则 d i s c i p l i n e o n et i m e s t a m pp e r每个会话一个时标 s e s s i o n v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：缝丕垂：日期：劲8 6 年6 ，月2 6 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：挝五童导师签名：爱壁皇 日期：2 0 06 年f 月巧曰 第一章引言 第一章引言 近几年来，随着光通信技术和网络技术的迅猛发展。一方面。作为i n t e r n e t 核 心的骨干网发生了翻天覆地的变化。在传送网上d w d m 技术的应用，g 6 5 5 光纤 被大量地铺设，在骨干网的带宽已达到t b p s 级。另一方面，接入网却仍然停留在 以铜缆接入技术为主的低速率水平上。这种传统的铜缆接入方式显然已经无法满 足通信业务增长的需要。由于光纤具有传输频带宽、容量大、损耗低、抗干扰能 力强等优点，非常适合作为高速、宽带业务的传输媒体。而在各种光接入技术中， p o n 由于采用无源节点、铺设和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点 而备受业界关注。从最初的基于a t m 的a p o n 技术，到基于以太网的e p o n 技 术，再到现在的g p o n ，每一次p o n 标准的提出都促进了接入网技术的迅猛发展。 1 1g p o n 技术的演进 到目前为止，相继问世的无源光网( p o n ) 技术有四种：a p o n 、b p o n 、e p o n 和g p o n 。p o n 网的基本原理是在一定的物理限制和带宽限制条件下，让尽可能 多的终端设备( 光网络终端o n t ) 来共享局端设备( 光线路终端o l t ) 和馈送光 纤。由于在覆盖某地区时这种方案需要的光纤较少，端局的光接口成本较低( 一 个光接口可服务于整个网络) ，且o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，无源光分配器) 是无源器件，安装和维护都很方便。因此p o n 网络能为企业或住宅用户经济地提 供高速光连接，而用传统的点到点和环形结构则不可能经济1 1 j 。 9 0 年代中期，一些主要网络运营商成立了全业务接入网( f s a n ) 协会，其目 的是制定p o n 设备的统一标准，以使设备商和运营商一起进入p o n 设备市场， 开展竞争。其第一个成果是在u tg 9 8 3 建议系列中规范了1 5 5m b sp o n 系统 的标准。由于使用a t m 作为承载协议，该系统被称为a p o n 系统，后因常被人误 解为只能提供a t m 业务，故改称为宽带无源光网( b p o n ) 系统，以表明这种系 统能提供以太网接入、视频分配、高速租用线等宽带业务。但是，对这第1 代f s a n 系统来说，最常用的称呼还是a p o n 。后来，a p o n 标准经过增强，可支持6 2 2m b s 的比特率，并且在保护方式、动态带宽分配( d b a ) 和其它方面增加了新的特点。 电子科技大学硕士学位论文 与此同时，1 e e e 也成立了第1 英里以太网( e f m ) 研究组，在光接入网方面 推出基于以太网的e p o n ，为市场展示了很好的前景。该研究组归属制定以太网标 准的i e e e8 0 2 3 组。同样，它的研究范围也限于体系结构，并要符合现有8 0 2 3 的媒体接入控制( m a c ) 层。目前的工作中心是对只用于以太网传送的1 2 5 g b s 对称系统进行标准化。 在2 0 0 1 年，f s a n 启动了一项新的工作，对工作在1 g b s 以上的p o n 网进行 标准化。除了支持高速率的这一点以外，整个协议一直是开放的，以便重新考虑 和寻求在支持多业务、o a m & p 功能和扩展性方面最佳和最有效的方案 2 1 。作为其 最新的工作成果，即是推出了g p o n ，它能提供前所未有的带宽并支持多业务， 特别是以本色格式和极高的效率同时支持数据和t d m 。2 0 0 3 年1 月3 1 日，r r u t 批准了g p o n 标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 。2 0 0 4 年3 月和6 月发布了规范传输汇聚( t c ) 层的g 9 8 4 3 和运行管理通信接口的g 9 8 4 4 标准 从应用情况来看，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；而其强大的多业务接入功能和超越其他p o n 的上下 行带宽，使得g p o n 成为未来接入网技术中的一个亮点。 2 第一章引言 1 2g p o n 系统的特点 1 2 1g p o n 系统整体结构 网1 1p o t , i g p o n 网络拓扑 图1 - 1 借助f l e x l i g h t 公司的g p o n 体系结构来描述p o n 网通用体系结构和 网络拓扑以及g p o n 的特点_ 3 j 。图中o p t i m a t e 2 5 0 0 l t 和o p t i m a t e 2 5 0 0 n t 分别为光 线路终端和光网络终端。网络覆盖服务大于3 0 k i n ，采用环形与树形相结合的例络 拓扑，在p o n 上叠加了c w d m ，起到保护作用，比特率为2 4 8 8 g b s 1 2 4 4 g b s 。 该网络不仅支持快速以太网( 1 0 1 0 0 m b p s ) 和t 1 e l 业务，而且还支持v l a n 交 换和其它新出现的以太网业务。所有这些业务都从用户处集中回送到端局，分别 通过o c 3 s t m - 1 或千兆比以太网设各切换到城域设备。对已装用设备完全不需要 进行协议转换或替代。在光纤被切断或其它光纤设备中断时网络可以立即恢复。 这种全冗余度对运营商来说是十分重要的。 o n u 侧的主要业务接口： 以太网接口：以太网是目前最广泛的用户接口，在新建的小区和商业用户端 几乎都有以太网接口，有些甚至能提供干兆以太网接口。因此在用户侧必须提供 电子科技大学硕士学位论文 1 0 m 1 0 0 m 1 0 0 0 m 以太网接口。用户可以直接通过以太网接口接入o n u ，也可以 多个用户通过交换机或路由器共享接入o n u 。 e 1 t 1 接口：e 1 接口是在中国和欧洲使用的基群系统，速率为2 0 4 8 m b i g s ， 可以传输3 0 路数字话音。t 1 是日本和美国的基群系统，速率为1 5 4 4 m b i f f s ，可 以传输2 4 路数字话音。小型商业用户的p b x 交换机可以通过t 1 e l 接口接入 o n u ，提供有o o s 保障的话音服务。 a t m 接口：g p o n 技术由于从b p o n 技术发展而来，因此保留了对a t m 的 支持。实际在新建的小区和建筑中a t m 接口已经很少采用，其它的技术已经完全 能达到其水平。因此提供a t m 支持是没有多大必要。 视频接入( 可选) ：对于广播型视频流一般采用第三个波长来直接传输。对于 i p t v 的应用，可以采用通过以太网接口传输。 p o t 接口：p o t 接口的数据可以通过e 1 t 1 提供的通道来传输。 o l t 侧的主要网络接口： 以太网接口：提供千兆以太网接口接入主干网络，由于数据业务是主要业务， 因此千兆以太网接口是必不可少的。 e 1 t 1 接口：在网络连接侧可以提供单独的e 1 t 1 接口，通过主干网的e 1 f r l 接口接入主干网。也可以在o l t 设备内作业务汇聚，将e 1 t 1 业务汇聚成s t m 1 的接口接入主网。 视频接口( 可选) ：提供简单的视频信号的接入接口。 1 2 2g p o n 基本特点 g p o n 的网络结构由g p o n 局端设备o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) 、远端接 入设备o n t ( o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a t i o n ) 以及o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，无 源光分配器) 所组成f 4 】，其中o d n 不含有任何有源电子器件，o d n 全部光分支设 备都由无源光分支：器- ( s p i l i t t e r ) 等无源器件组成，不需贵重的有源设备，维护非常方 便，整个g p o n 系统成树形连接。 4 第一章引言 1 2 2 1g p o n 的全业务接入 g p o n 由f s a n ( 全业务接入网络) 联盟提出，顾名思义g p o n 应该支持全 业务接入。在2 0 0 1 年，大多数经济发达国家运营商代表，提出一整套“吉比特业 务需求”( g s r ) 文档，作为提交i t u t 的标准之一：后来又成为开发g p o n 的标 准的基础。e p o n 是由e f m a 提出的，主要是从投资方来考虑其标准的制定。e p o n 是建立在e t h e m e t 基础上的，其对t d m 业务的支持性比较差。远远达不到电信业 务级的要求。而g p o n 在多业务支持上明显要优于e p o n 。这点从他们所支持的 上下行数据速率就可以很容易地看出。e p o n 只支持对称的上下行1 , 2 4 4 g b p s 数据 传送速率。 g p o n 采用8 k h z 的帧头结构，g p o n 支持s o n e t s d h 的基群数据传送速率， 同时和e p o n 一样支持1 2 4 4 g b p s 数据传送速率，并且可以提供比e p o n 更高的 数据传送速率2 4 8 8 g b p s 。g p o n 是真正意义上的全业务支持。e p o n 刚一问世时， 也希望做到多业务支持，然而由于它的先天不足在一些实时性要求很强的业务， 例如话音业务上，就很难达到电信业务级的要求。我们知道，1 5 5 m 很容易复接到 2 4 8 8 g 上。但是要把1 5 5 m 的s d h 基群速率复接到e p o n 的1 2 4 4 g 传输速率上 并不是一件容易的事情，这种复接给e p o n 的实时性业务带来的传输损伤有可能 很不好。所以e p o n 并不能提供真正意义上的全业务支持。相反，g p o n 在这方 面就做得很好。g p o n 目前支持的业务有数据业务( e t h e m e t ) 、p s t n 业务( p o t s 、 i s d n ) 、专线接入业务( t 1 ，e 1 d s 3e 3 a t m ) 和视频流业务( v o d ) 等。 1 2 2 2g p o n 的成帧技术g e m g p o n 以“通用成帧协议”( g f p ：g e n e r i c f r a m i n g p r o t o c 0 1 ) 为基础改进的g e m 协议实现多种业务流的封装。同时g p o n 又保留了g 9 8 3 中的许多功能，如o a m & p 管理功能和动态带宽分配等。g e m 提供了一个通用的机制来适配自高层用户层信 号至传输网络层的数据流。传输网络可以是任何类型的，例如s o n e t s d h 、u t g t 0 9 ( o y r ) 。用户层信号可以是基于分组( 如i p p p p 或者e t h e r n e t m a c 帧) 、恒 定比特率或者是其他类型的信号。 g e m 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 帧，从而能够直接支持t d m 业务。我们知道，a p o n 是基于a t m 格式的封装；e p o n 是基于e t h e r n e t 格式的封装。总而言之，无论是 a p o n 还是e p o n ，他们都是基于- - t e e 单一格式的封装。而g p o n 的帧结构不基 电子科技大学硕士学位论文 于任何一种特定的格式，它是一种基于各种用户信号原有格式的封装。这就是 g p o n 能透传的原因所在，也是它能支持全业务的根本原因。 1 2 2 3g p o n 系统的安全性 g p o n 系统下行采用a e s 加密算法对下行帧的负载部分进行加密，这样有效 地防止下行数据被非法o n u 截取。另外，g p o n 系统通过p l o a m 通道随时维护 和更新每个o n u 的密钥。 1 2 2 4 网络管理功能 g p o n 的o a m 功能强大。g p o n 借鉴a p o n 中p l o a m 信元的概念，实现 全面的运行维护管理功能，使g p o n 作为宽带综合接入的解决方案可运营性非常 好。并且增加了o m c i 通道，增强了对用户端设备的监控。 1 2 2 5q o s g p o n 系统中将业务流分为5 类t - c o n t ，通过o l t 端的m a c 控制器对系统 上行数据的传输进行统一管理。g p o n 中o l t 检测每个t - c o n t 的业务负荷，用 于预n 分析o n u 的业务流情况和网络的拥塞情况，根据网络状况给每个t - c o n t 分配资源，但并不涉及v p i v c i 或p o r t i d 的o o s ，v p v c i 或p o r t i d 提供的o o s 保证由两端的a t m g e mc l i e n t 的相应机制来完成。对于有不同q o s 要求的业务， g p o n 通过使用指针安排o n u 用不同的传输方式来实现：调整其授权带宽和授权 周期来保证业务的带宽和时延要求。g p o n 的下行带宽也可以根据用户的要求灵 活安排，实现双向不对称传输。 1 2 2 6g p o n 现有设备 除g p o n 设备厂商自主设计的g p o n 芯片外，目前只有b r o a d l i g h t 公司推出 o n u 侧的g p o n 芯片，年底推出o l t 侧的芯片。在光模块方面，从技术角度来 看，由于g p o n 的光模块要满足很高的突发同步指标( 在1 2 4 4 g b p s 速率下，g p o n 标准规定突发同步物理层开销只有1 2 b y t e s ) ，对模块中的驱动和前后放大器芯片 的要求很高。目前提供g p o n 系统的只有几家专业厂商，如f l e x l i g h t 。与e p o n 相比，g p o n 的产业链还不完整。 另外，对于p o n 网络设备，主要成本在于光收发模块。而g p o n 系统中每个 o n u 端( 用户端) 设备必须有2 4 g b p s 的光收发模块，从而提高了g p o n 设备的 成本，降低了g p o n 的竞争力。 第一章引言 1 3 本课题要解决的问题及解决方案 g p o n 是一个高速输出传输网络，可以分为数据传输系统和网络管理系统两 部分。对于o l t 和o n u 端来说都存在数据的传输，存储和交换的过程。如何简 单有效地完成多种业务数据的交换和调度，充分利用g p o n 的上下行带宽是整个 系统设计的关键。共享缓存的交换结构是一种稳定有效的交换结构，而现在很多 公司的r a m 芯片完全能满足g p o n 下行2 5 g b p s 、上行1 2 5 g b p s 的传输速率。 本课题试图讨论共享缓存交换结构在g p o n 系统设计中的应用，并设计一个 有效的缓存管理模块，在这个模块中，尝试使用流量控制和层次化调度算法，有 效地分配上下行带宽，完成以太网数据和e 1 数据的传输；另外，研究该缓存模块 与系统其他模块的接口，有效地简化系统设计。 在后面的章节中，首先对g p o n 协议整体架构以及与数据传输相关的协议进 行介绍：然后对缓存管理模块的作用和接口进行详细分析，并在此基础上重点设 计缓存管理模块的内部结构，引入流量控制和调度算法；最后以s y s t e m c 为仿真 平台，对该模块进行仿真测试。 电子科技大学硕士学位论文 2 1g p o n 的概述 2 1 1g p o n 协议简介 第二章g p o n 技术简介 g p o n 的概念最早是由全业务接入网联盟( f u l ls e r v i c e a c c e s s n e t w o r k ，f s a n ) 在2 0 0 1 年提出的，之后在不同组织和厂商的推动下，r r u 在2 0 0 3 和2 0 0 4 年先后 正式通过并颁布了g p o n 标准系列中的四个标准：g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 和 g 9 8 4 4 。由于g p o n 标准是i t u 在a p o n 标准之后推出的，因此g 9 8 4 标准系列 不可避免的沿用了g 9 8 3 标准的很多思路。 g 9 8 4 1 ：吉比特级无源光网络的总体特性。该标准主要规范了g p o n 系统的 总体要求，包括o a n 的体系结构、业务类型、s n i 和u n i 、物理速率、逻辑传输 距离以及系统的性能目标【4 】。 c t 9 8 4 2 ：吉比特级无源光网络的物理媒质相关( p m d ) 层规范。该标准主要 规范了g p o n 系统的物理层要求【5 o g 9 8 4 3 ：吉比特级无源光网络的传输汇聚( t c ) 层规范。该标准规定了g p o n 的t c 子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配( d b a ) 、操作维护管理功能等 【6 1 。 g 9 8 4 4 ：吉比特级无源光网络的管理控制接口( o m c i ) 规范。该标准规定了 o l t 和o n u 之间的管理和控制消息交换的接口，协议和消息【”。 从下图g p o n 系统协议栈可看出，g p o n 的技术特征主要体现在传输汇聚层 ( t c 层) 。传输汇聚层又分为无源光网络成帧子层和适配子层。g p o n 传输汇聚 ( g t c ) 的成帧子层完成g t c 帧的封装，完成所要求的光分配网络的传输功能，光 分配网络的特定功能( 如测距、带宽分配等) 也在光分配网络的成帧子层完成。 g t c 的适配子层提供协议数据单元( p d u ) 与高层实体的接口。a t m 和通用成帧 协议( g f p ) 信息在各自的适配子层完成服务数据单元( s d u ) 与p d u 的转换。 操作管理通信接口( 0 m c i ) 适配子层高于a t m 和g f p 适配子层，它识别v p w c i 和p o r t ，并完成通道数据与高层实体的交换【6 1 。_ i do m c i 第二章g p o n 技术简介 ，鞠目爹避攀掣诌 避 ：， v o i p忆m d ) 管y ( it c p i u 弹e i l c ；】 v 【| i p 】 v 卜a a l l 坦晤 l e l h e m e t 】 r 1。“ 【 a t mc e l lg e 蝌f r a m e 。：；j ji 童 【 g t c t c f r a m e j j ig i g s p 鲥豫娟酾 v pohi-phy1 图2 - 1g p o n 系统协议栈 总之，g p o n 有支持全业务服务、各种比特率以及q o s 保证等优点，因此更 受各运营商的青睐。它是一个全面体现业务提供商需要的方案。但由于g p o n 标 准复杂且开发较晚，技术尚不成熟，因此目前g p o n 产品处于商品化的初始阶段。 2 1 2g p o n 与e p o n 的比较 e p o n 与g p o n 最主要的区别表现在t c 帧结构上。g p o n 通过a t m 和g e m 两种协议承载不同类型的用户数据。它的上、下行帧传输周期均为1 2 5 u s 。下行采 用t d m 方式，上行采用时分多址( t d m a ) 接入技术。上行帧由复用的突发传输 时隙( s l o t ) 组成，每帧包括一个或多个o n u 的传输时隙，通过下行帧的b w m a p ( 上行带宽映射) 字段指示相应o n u 的上行数据发送。而e p o n 帧格式基本与 i e e e 8 0 2 3 以太数据帧格式兼容，只在以太帧中加入时标及识别等信息，e p o n 数 据通过不定长的数据包传输。 g p o n 在用户净荷数据段承载a t m 信元和( 或) g e m 帧。在o l t 授权给o n u 的上行发送时隙中o l t 尽量使分配给o n u 的a t m 净荷块为5 3 字节的整数倍长， 如果净荷不是信元的整数倍，将进行碎片填充。信元总是被安排在净荷的开头部 分。g p o n 对g e m 信元定界没有严格的要求，但必须确保信元头中的字节的校验。 在g e m 区段，超过上行帧范围的g e m 帧可被分片，没有碎片产生，不会带来任 电子科技大学硕士学位论文 何效率损失。在操作完成前，o l t 必须要求能够维持多个g e m 定界和缓冲分片帧。 因此，从标准和理论上说，g p o n 与e p o n 相比有两个优势，效率高、支持 以太网之外的业务。e p o n 效率较低是因为使用8 b 1 0 b 编码作为线路码，其本身 就引入1 0 的带宽损失，1 2 5 g b i t s 的线路速率在处理协议本身之前实际就只有 1 g b i t s 了，g p o n 系统都使用扰码作为线路码，其机理与s o n e t 或s d h 一样， 由于只改变码，不增加码，所以没有带宽损失【5j 。在支持多业务方面，g p o n 能够 同时承载a t m 信元和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；e p o n 目前的标准和一些厂商提供的设备均支持t d m 业务。 但是，g p o n 在功能上的优势很大程度是以技术和设备的复杂性为代价换来 的，因此相关设备成本较高。而网络末稍的大量需求与骨干网络显然不同，对于 直接对应具体客户业务需求的“最后l k m ”光纤接入来说，以最佳的成本支持主要业 务需求比完美但昂贵的方案更易于成功。 下表给出了g p o n 与e p o n 在支持速率等级、协议封装格式、务能力以及同 步方式等的特点。 i e e e e p o n 1 t u tg p o n 下行线路速率( m b i t s ) 1 2 5 01 2 4 4 1 6 或2 4 8 8 3 2 上行线路速率( m b i t s 1 1 2 5 01 5 5 5 2 或6 2 2 0 8 线路编码8 b 1 0 b n r z ( + s c r a m b l i n g ) 最小分路比( o nt cl e v e l ) 1 66 4 最大分路比( o nt cl e v e l )n 淞 1 2 8 t c 层支持的最大逻辑传0 5 m 一1 0 k m 或0 5 6 0k m ，最大距离差不超过2 0 送距离m 2 0 k m k m 数据链路层协议 e t h e m e te t h e r n e to v e rg e ma n d o r a n v i 1 0 第二章g p o n 技术简介 t dm 支持能力t d mo v e rp a c k e tn a t i v et d ma n d o rt d mo a t ma n d o rt d mop a c k e t p o n 支持的最大业务流 d e p o n 舞o f l l i d s 4 0 9 6 o n t o a & m 和管理 e t ho a m ( + o p t i o n a lp l o a m + o m c i s n m p ) 下行数据流加密 n o td e f i n e d a e s ( c o u n t e rm o d e ) 2 2g t c 层功能结构 2 2 1g t c 概述 表2 1g p o n 和e p o n 的对比 g 9 8 4 3 为g p o n 定义了一个全新的传输会聚子层g t c ，该子层可以作为通用 的传输平台来承载各种客户信号( a t m 、g e m ) 。t c 包括的功能：成帧，m a c ， o a m ，d b a ，c r o s s c o n n e c t 功能的p d u 定界，o n u 管理。 2 2 2g t c 的层次 g t c 包括成帧子层和适应子层。如图2 2 所示，g t c 层由a t m 部分，g e m 部分，嵌入式o a m 和p l o a m 组成。只有嵌入式o a m 在这层终止，因为嵌入式 o a m 的信息直接嵌入到g t c 的帧头中。p l o a m 模块作为这个子层的客户端， p l o a m 信息在这个模块中处理。在a t m 和g e m 各自的适应子层中，s d u ( s e r v i c e d a t au n i t ，服务数据单元) 从各自p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ，协议数据单元冲提取或 加入。如果这些p d u 中含有o m c i 通道的信息，这些数据在这个子层中组织，然 后与o m c i 实体进行交互1 7 j 。 1 1 电子科技大学硕士学位论文 l 埘m d ；e m llt m c l| c 难m e ，弛m i p l o a m i 。；- ! nt r a n , q r 豳s i o n 土。驿。研训a v e r t c a d a p t a t i o n 卜m c l , x t a o t e ri sl d h l a v e r la t m 他a 蛳t e r ”n m t ca 舭ll 。队d i ii l f f f c 吣曲附 | lg f 。n p 坶s 记毗m 捌证。挚蝴d e n t t g p m ，k ，茁 图2 2g t c 系统协议栈 g t c 成帧子层在所有的数据传输中都是完全可见的。o l t 的g t c 成帧子层与 o n u 的成帧子层是完全对应的。 从另一种角度，g t c 可以分成c mp l a n e 和up l a n e 。 ( 1 ) c mp l a n e c mp l a n e 负责控制和管理g p o n 系统的信息，o m c i 的数据就是通过这个 p l a n e 传输的。c mp l a n e 管理用户的传输流，安全和o a m 特性。c m p l a n e 包括 嵌入式o a m 、p l o a m 和o m c i 。 嵌入式o a m 通道是通过g t c 帧头的相关字段信息来工作的。这个通道提供 那一个低延时路径用于传输紧急控制信息，这些信息片是映射到g t c 帧头的相应 字段中。这个通道的功能有：带宽确认，关键交换和d b a 分配信号处理。 p l o a m 通道是一个信息格式化系统，由g t c 帧的专门空间来承载。所有不 能通过嵌入式o a m 通道承载的p m d 和g t c 管理信息都是由这个通道来完成。 o m c i 通道用于管理g t c 上层定义的服务，比如，g p o n 协议之外的技术。 g t c 为o m c i 通道的传输提供了a t m 和g e m 两个可选择的传输接口。g t c 提 供那配置这两个接口的方法以适应设备的容量，包括指定传输协议流标志 ( v p w c i 或p o r t 。i d ) ，以及o m c i 信息格式和传输机制。 1 2 第二章g p o n 技术简介 c mp l a n e 的功能模块如图2 - 3 所示。 i l il ip t a 弘m i o 。 | 牛 t ( ：a d m i n n s u b - l a y e r o m c la d a p t e r 晕阜t i l t e r j m m t c 瓤i 甜，l o r( j e mt ca d a t ) t e r l0 g t cf l a r e i a gs u b l a y e r ll。le。-i。l| a l 撑k 。i d i8 | n 。b a c d m d 州l ， ：0： p i g ) a m a t mp a t t i l i o ng e ml 口t i t i o n 胖哦n m h e a d e r ： ： m u l t ( p l e x i a gb a s e do ni r a i o o n 图2 - 3c mp l a n e 功能模块 u p l a n e 负责处理用户数据。包含传输模式a t m 和g e m 。 b wg r 3 时i n b k 掣s w i t e h h l g d b a 数据流首先根据数据流的m l o c i d ，将数据分配到相应的t - c o n t 中，在一 个g p o n 网络中每个t - c o n t 有唯一的一个a l l o c i d ，每个t - c o n t 只能有一种 传输模式。 在每个t - c o n t 中，根据数据流的p o r t i d 或v p i 将流分类。带宽分配和q o s 控制是基于t - c o n t