（光学工程专业论文）以太无源光网络（epon）mac协议研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 信息社会的到来，i p 业务迅猛发展，用户对数据量的要求与日 俱增，2 0 0 2 年，数据业务已经超过传统的电话业务。以双绞线和同 轴电缆为主的接入网越来越不能适应目前网络的发展，迫切需要一 种新的接入网技术来满足目前用户对带宽的需求。无源光网络因具 有不采用有源节点、成本共享、对业务透明、易于升级和运行维护 费用低等优点，深受电信部门的青昧，成为解决最后一公里的优选方 案。 无源光网络技术中，m a c 协议是一项非常关键的技术，长期以 来备受研究者的关注。如何设计一种公平、高效、支持不同业务q o s 的m a c 协议是无源光网络实现综合接入的关键。本文在研究a p o n 的基础上，对e p o n 的m a c 协议进行了深入的研究，提出了较有新 意的上行接入算法。通过仿真验证表明，我们提出的m a c 协议具有 很好的接入性能。 论文第一章主要介绍了按入网的发展现状、无源光网络的主要 技术类型以及接入网的发展前景。 第二章介绍了e p o n 系统结构、参考模型、工作原理和关键技 术。 第三章给出了e p o n 的多点控制协议以及目前已有的带宽分配 算法。详细地介绍了固定带宽分配算法和动态带宽分配算法。 第四章深入地研究了e p o n 的m a c 协议。传统的上行接入算法 是基于o l t 集中控制的，本章中提出了基于o l t 和o n u 的上行接 入算法，0 n u 参与上行接入计算，并且将授权信息集中于一个授权 帧中，具有良好的性能。再此基础上提出了支持q o s 的上行接入算 法，仿真结果表明，高优先级业务具有很好的时延和时延抖动性能。 接合a p o n 的优势，提出了一种固定帧长的e p o nm a c 协议，并且 给出了仿真结果。 最后，在第五章中，我们对本文的工作和所得到的结论进行了 总结。 关键词：无源光网络，媒质接入控制，时延，时延抖动，服务质量 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t w i t ht h ea r r i v a lo ft h ei n f o r m a t i o n s o c i e t y i p t r a f f i ch a sb e e n d e v e l o p e de x p l o s i v e l y ，u s e r sr e q u i s i t i o nf o rd a t ah a sb e e ni n c r e a s i n g d a ya n dd a y i n2 0 0 2 ，d a t at r a f f i ch a sa l r e a d ye x c e e d e dt h et r a d i t i o n a l t e l e p h o n et r a f f i c t h ea c c e s sn e t w o r kr e l y i n go np a i r e dl i n ea n dc o a x i a l c a b l ec a n ta d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka tp r e s e n t ，t h e r ei s an e e df o rn e wa c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g yt os a r i s f yt h eu s e r 。sd e m a n d s f o rb a n d w i d t h u r g e n t l y p o nh a sal o to fv i r t u e s ，s u c ha sn oa c t i v en o d e ， c o s t s h a r e s ，t r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o n ，a p tt ou p g r a d ea n do p e r a t i o n 、l o w e x p e n s e o f m a i n t e n a n c e ，s op o n i st h e f a v o r i t eo f t h e t e l e c o m m u n i c a t i o nd e p a r t m e n t ，w h i c hw i t lb et h eb e s ts c h e m et os o l v e t h ep r o b l e mo fl a s tk i l o m e t e r m a c p r o t o c o l i so n eo f k e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c h h a sb e e n c o n c e r n e do nb yt h er e s e a r c h e r sf o ra l o n gt i m e h o wt od e s i g n t h e m a cp r o t o c o lw i t h f a i r n e s s ，h i g h - e f f i c i e n c e ，s u p p o r t i n gq o si s t h e k e yt or e a l i z ec o m p l e t es y n t h e t i c a la c c e s so fp o n b a s e do ns t u d y i n g a p o n w eh a v e s t u d y e de p o nm a cp r o t o c o l a n dp u tf o r w a r dn e w u p s t r e a m a c c e s s a l g o r i t h m t h ep e r f o r m a n c e s o ft h e p r o p o s e d m a c p r o t o c o la r es i m u l a t e d ，t h es i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o c o l h a sg o o da c c e s sp e r f o r m a n c e s ， f i r s t l y ，c u r r e n ts i t u a t i o no ft h ea c c e s sn e t w o r k ，t h et e c h n i c a lt y p e o fp o na n dt h ep r o s p e c to fa c c e s sn e t w o r ka r ei n t r o d u c e db r i e f l y i n c h a p t e r2 ，w ep r o v i d e t h ee p o ns y s t e m s t r u c t u r e ，p r o t o c o l m o d e l ，t h ep r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g y i nc h a p t e r3 ，w ep u tf o r w a r dm p c po fe p o na n dt h eb a n d w i d t h a l l o c a t i o n a l g o r i t h m w h i c hh a sb e e ne x i s t e d s t a t i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h ma n dd y n a m i cb 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 ma r e d i s c u s s e di nd e t a i l i n c h a p t e r4 w es t u d y t h ee p o nm a cp r o t o c 0 1 t r a d i t i o n a l u p s t r e a ma c c e s sa l g o r i t h mi sb a s e do bo l t ，w ep r o p o s eu p s t r e a ma c c e s s a l g o r i t h mw h i c h i sb a s e do nb o t ho l ta n do n u ，o n uisp a r t i c i p a t e di n u p s t r e a ma c c e s sc a l c u l a t i o n ，a n dw ec o n b i n ea l lg r a n ti n f o r m a t i o ni na g r a n tf r a m e ，w h i c hc a nh a v eg o o dp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so ft h a t ，w e 一 旦王! ! 垫查主堡主兰垡竺兰 p r e s e n tt h ea l g o r i t h mi ns u p p o r to fq o s ，s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h i s a l g o r i t mh a sg o o dp e r f o r m a n c eo fd e l a ya n dd e l a y i t t e r i n a d d i t i o n ， c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fa p o n ，w es t u d ye p o nm a c p r o t o c 0 1o f f i x e df r a m el e n g t ha n d p r o v i d et h es i m u l a i o nr e s u i t i nt h ee n do ft h e d i s s e r t a t i o n ，t a s ko ft h e p a p e r a n dr e l a t e d c o n c l u s i o n $ a r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) d e l a y d e l a yj i t t e r q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：兰自煎e t 期：2 ，坷年亨月，；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：墨垒! 塑导师签名：雄 日期：7 0 妒年，月 日 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 接入网的发展现状 随着信息技术的发展和人们对高速数据业务和图像业务的迫切 需求，传统电信网的概念和体系正在发生变化，宽带化和i p 化成为 新一代电信网的基本特征。在这一大的背景和环境下，接入网技术 的发展呈现新的特点，宽带化和i p 化也将是未来接入网发展的主要 技术趋向。在我国接入网的建设中，遵循统一的技术标准体制，强 调统一的网管和集中管理，坚持以光纤接入为主，其他接入手段为 辅，敷设光纤尽量靠近用户，使我国的接入网建设得到了快速发展。 几年来，我国接入网的建设总量已接近1 0 0 0 万线，特别是具有开放 型v 5 接口的有源光网络已被大量使用。有些地区开始无源光网络 ( p o n ) 的建设，经济比较发达地区开始宽带接入网的试验与建设， a d s l ，c a b l em o d e m 等有一定规模的使用。随着今后几年宽带业务 特别是因特网的快速发展，必将推动宽带接入网的大发展。 接入网本身的特点决定了相对与核心网络发展缓慢、滞后。接 入网是一个复杂的网络，也是一个非常重要的网络。目前接入网技 术的开发和网络的建设已得到了包括政府部门、运营企业、开发生 产单位等各方面的关注。解决好接入网的问题，对当前和未来通信 网络的健康发展和演进具有十分重要的意义。 从宏观上着，电信网络由三部分组成：核心网、用户驻地网和 接入网。核心网络的光纤化已经实现，成熟的d w d m 技术已经广泛 的应用于核心网，使核心网络的成本大大降低。用户驻地网技术已 经非常成熟，如以太网技术的飞速发展，从快速以太网到现在广泛 应用的千兆以太网，再到万兆以太网。而连接用户和核心网络的接 入网络却发展缓慢。究其原因，主要是以下几个方面：一是接入网 在整个电信网设备的投资中占4 0 一5 0 ，高昂的接入费用严重阻 碍了用户接入的数量；二是接入网技术设备发展不够成熟，相应的 标准还没有制定，从而影响了网络运营商的投入发展：三是目前接 入网铺设了大量的双绞线和同轴电缆，升级这些基础设施不是一件 很容易的事情。传统的模拟钢缆接入方式已成为电信网和因特网发 展的瓶颈，无法满足数据、多媒体业务发展的需要，接入网必须采 用最新技术向数字化、光纤化、宽带化、综合化方向发展。如何使“最 电子科技大学硕士学位论文 后一公里”的接入网真正实现数字化、光纤化和宽带化，已成为宽 带接入技术的关键【1 。4 1 。 下面介绍几种宽带接入技术。 1 1 1 基于双绞线和同轴电缆的a d s l 技术i 5 j a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 是基于普遥电话 线的宽带接入技术，在一对电话线上同时传送一路高速下行数据、 一路较低下行速率数据、一路模拟电话。各信号间采用频分复用方 式占用不同频带，低频带传送语音；中间窄频带传上行信道数据及 控制信息：其余高频段传下行信道数据、图像或高速数据。a d s l 是 目前众多d s l 技术中较为成熟的一种，其带宽较大，连接简单，投 资较小，因此发展很快。a d s l 系统主要针对住宅用户设计，其下行 速率为6 - 9 m b p s ，传输距离为3 - 5 k m ，典型的下行速率有t l 、e 1 、 d s 2 ( 6 13 m b p s ) 、e 2 ( 8 4 4 8 m b p s ) 。上行速率低，随各公司产品而不 同，通常为1 6 6 4 0 k b p s 。 1 1 2c a b l em o d e m 技术1 6 - 7 1 c a b l em o d e m 技术是以有线电视网络或h f c 网络作为传输通道 然后用专用的c a b l em o d e m 转换信号，其下行传输速率根据频宽和 调制方式不同可以达到2 7 m b p s 一5 6 m b p s ，上彳亍传输速率可以达到 10 m b p s 。h f c 宽带网可分为3 个部分：前端、光节点、用户。前端是 发送、接收数据信号的各种设备统称。光节点是光转换成电信号的 地方。在前端和光节点之间采用光纤传输，而光节点到用户则经过 连串的有源放大器件和无源分支分配网络。由于有线电视网络是一 个单向网络，终端用户只具有接收信号的功能，不具有发送信号的 功能。为了能双向通信，必须增加反向光链路。在经过双向改造 7 5 0 m h z 同轴电缆网络中，低频段( 如5 m h z 4 0 m h z ) 用于回传信息， 中间频段仍然是电视信号，5 5 0 m h z 以上则用于数据信号以及将来出 现的数字电视信号。 1 1 3 无线接入技术【8 1 无线接入是指从公用电信网的交换节点到用户驻地网( c p n ) 或 用户终端之间的全部或部分传输设备采用无线手段的接入技术，即 电子科技大学硕士学位论文 用无线传输代替接入网的全部或部分，向用户终端提供电话和数据 服务。将用户终端与核心网络进行连接的无线传输设备称为无线本 地环路：由无线接入系统构成的用户接入网就称为无线接入网。 1 1 4 光纤接入技术 光纤接入网( o a n ) ，是指用光纤作为传输媒质，实现接入网的 信息传输功能。通过光线路终端( o l t ) 与业务节点相连，通过光网 络单元( o n u ) 与用户连接。 根据o n u 所处的位置，光接入网可以划分为3 种不同的基本应 用类型。光纤到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到办公室 ( f t t o ) 或者光纤到家( f t t h ) 。f t t c 中，光网络单元设置在入孔 或电线杆上的分线盒处，有时也可能设置在交接箱处，此时，o n u 到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆。如要传送宽带图像业务， 则除了距离很短的情况外，这部分会需要同轴电缆。f t t b 可以看 作f t t c 的一种变异，不同之外在于将o n u 直接放到楼内，再经过 多对双绞线将业务送给各个用户。f t t b 比f t t c 的光纤化程度更进 一步，光纤已敷到楼，因而更适于高密度用户区，特别是那些新建 工业区或居民楼以及与宽带传输系统共处一地的场合。f t t h 和 f t t o 将o n u 设置到用户家庭或者大学、公司、研究所等，这种结 构是一种全光纤网。 1 2 无源光网络( p o n ) 1 9 - 1 1 1 接入网是整个电信网最具有技术挑战性的区域之一。为了满足 用户对带宽日益增长的要求，实现接入网的高速化、宽带化和智能 化，如上所述各种接入技术层出不穷，然而被认为最有前途的是光 接入技术。无源光网络o o n ) 采用光纤作为传输媒质，由无源的光分 路和路器件( o d n ) ，光线路终端o l t ，光网络单元o n u 组成，因具有不 采用有源节点、成本共享、对业务透明、易于升级和运行维护费用 低等优点，深受电信主管部门的青睐，被认为是通过单一平台综合 接入语音、数据、视频等多种业务的理想物理平台，是众多新技术 中的姣姣者，成为解决网络瓶颈的优选方案。下面简要的介绍已经 比较成熟的a p o n 技术和目前研究比较热门的e p o n 技术、以及它 们之间的比较。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 1 基于a t m 技术的无源光网络 a t m 无源光网络是将a t m 技术应用于p o n 结构中。物理层采 用p o n 的网络拓扑结构，数据链路层采用a t m 协议。在p o n 中传 输a t m 信元。 在下行方向，由a t m 交换机来的a t m 信元先送给o l t ，o l t 将其变为连续的1 5 5 m b p s 或6 2 2 m b p s 的t d m 比特流并以广播方式 传送给所有与o l t 相连的o n u ，每个o n u 可以根据信元的虚信道 标识符( v c i ) 虚通道标识符( v p i ) 选出属于自己的信元送给用 户终端。 上行方向，各个o n u 收集来自用户的信息并以1 5 5 m b p s t d m a 突发模式发送数据。为了避免同一时刻多个o n u 往上行信道发信息 时发生冲突，a p o n 系统通过o l t 控制时隙划分，从而保证同一时 刻仅有一个o n u 发出上行信号，除去极少量的保护时间和同步等开 销外，频带几乎全部利用。此外，t d m a 在预分配和按申请分配方 面具有更大的灵活性，尤其适合基于信元分组方式的a t m 信元在上 行信道中的传输。为此，系统篙要有突发信号同步功能。另外，为 了解决各个终端所发信元发生冲突的问题，系统仍然需要有传输延 时调整对准功能。 1 2 2 基于e t h e r n e t 技术的无源光网络 以太无源光网络( e p o n ) 是由几个富于幻想的发起者充当先锋 发展两来的，如a l l o p t i e 公司，其认为a p o n 标准由于缺乏视频能 力，不充分的带宽，过于复杂，造价过高等因素不适合接入网方案。 随着快速以太网、干兆以太网、万兆以太网成为主流，a l l o p t i e 坚信 以太无源光网络会消除广域网与局域网链路上的a t m 和i p 协议的转 换。2 0 0 0 年1 1 月，在i e e e 组织下，通过创建“以太网最后一公里” 研究组，咀太网发展商们抛弃了自我的一些标准，瞄准接入网市场， 发展已广泛使用和证实的以太网协议标准。 在e p o n 中从o l t 侧发到多个o n u 的下行数据流的传输过程与 从多个o n u 发往o l t 的上行数据流传输过程有本质的区别。下行数 据采用广播方式从o l t 发给多个o n u ，根据i e e e8 0 2 3 协议，这些 数据包是不定长的，最长为l5 18 b y t e s 。每个包携带的信头唯一地标 识了数据所要到达的特定o n u ，此外有一些包发给所有的o n u ，称 电子科技大学硕士学位论文 为广播包，还有一些包是发给一组o n u 的，称为多播包。当o n u 接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其他o n u 的数 据包丢弃。上行数据流采用时分复用技术，每个o n u 都分配一个传 输时隙。这些时隙是同步的，因此当数据包耦合到一根光纤中时， 不同o n u 的数据包之间不会产生干扰。例如，o n u 1 在第1 个时隙 传输数据包1 ，o n u 2 在第2 个没有被占用的时隙传输数据包2 ，依 此类推。 1 2 3e p o n 和a p o n 简单比较 e p o n 和a p o n 都属于宽带无源光网络，它们有很多无源光网络 的共同点。具有相似的物理层特性，都使用光纤作为传输煤质，并 且具有相同的网络拓扑结构，区别在于它们在m a c 层采用不同的技 术，a p o n 将a t m 技术应用于无源光网络的m a c 层，而e p o n 是 将e t h e n e t 技术应用于无源光网络的m a c 层。e t h e r n e t 无源光网络 遵从i e e e s 0 2 3 协议，帧的长度最大可以达到1 5 1 8 b y t e s ，而a t m 无 源光网络的数据传送遵从a t m 协议，帧的长度是固定的 5 3 b y t e s ( 4 8 b y t e s 的净荷和5 b y t e s 的帧头1 。表1 1 给出了e p o n 和 a p o n 之间的主要性能差异。 表1 1e p o n 和a p o n 的比较 指标e p o na p o n 数据链路层协议 传输单元 速度 标准 价格 业务支持 以太网协议a t m 协议 以太帧 1 g b p s i e e e 低廉 i p 数据、视频等 固定长度信元 15 5 6 2 2 m b p s f s a n 昂贵 i p 数据、视频等 1 3 接入网的发展方向 随着宽带技术的发展，接入市场是备厂商目前大为关注的领域。 电子科技大学硕士学位论文 宽带接入是市场发展的总体趋势，光纤入户将是宽带接入的必然。 d s l 技术提供的数据速率典型的在1 2 8 m b p s 1 5 m b p s 范围中。 它不能同时支持语音、数据和视频全业务，而且一个中心局用d s l 覆盖的最远距离不会超过5 5 k m 的距离，能覆盖大约只有6 0 的终 端用户。因此d s l 技术只能作为接入网的过渡技术而不能成为解决 最后一公里的最终方案。 有线电视公司通过光纤同轴电缆和混合网( h f c ) 来传送综合数 据业务，通常在这些h f c 中，数据转发器到路边的光节点是用光纤 来传输，终端分配器到用户的设备有同轴电缆、放大器和终端耦合 器。一个光节点的带宽有限，当处于数据高峰时，速率急剧下降。 无源光网络使用高速率、高带宽的光纤，支持多业务传输、对业 务传输透明、易于升级，管理、并且使用无源技术，有非常低的接 入成本、能覆盖2 0 k i n 的范围，最终将成为解决最后一公里的最好方 案。 1 4o p n e t 仿真工具介绍1 1 2 - 1 3 】 o p n e t 软件是由美国的o p n e t 公司开发研制的，为开发使用人 员提供了建模、仿真以及分析的集成环境，可以支持所有的网络模 型。它采用模块化的设计和数学分析的建模方法，能够对各种网络 设备、通信链路和各层网络协议实现糖确建模。既可以得到非常详 细的模拟结构，又有比较快的仿真计算速度。o p n e t 提供了良好的 开发结构，能够根据网络和协议需要来建造不同的仿真环境。 o p n e t 的主要仿真思想如下： 面向对象的仿真思想。o p n e t 采用的是面向对象的网络仿真 思想。o p n e t 自带有一个比较齐全的基本模型库，有各种 k p 函数包( k e r n e lp r o c e d u r e s ) ，可以在p r o c e s sd o m a i n 中调 用它，用来实现各种基本操作。 层次化的仿真思想。o p n e t 模型分为n e t w o r k 、n o d e 和 p r o c e s s 三个层次，分别在图形界面p r o j e c t e d i t o r 、n o d ee d i t o r 和p r o c e s se d i t o r 中进行操作。n e t w o r k 模型是最高层次的模 型，由网络节点( n o d e ) 和连接网络节点的通信链路( l i n k ) 组成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构；n o d e 6 电子科技大学硕士学位论文 模型由协议m o d u l e 和连接m o d u l e 的各种c o n n e c t i o n s 组成， 如物理接口m o d u l e 、m a cm o d u l e 、i pm o d u l e 、r o u t em o d u l e 、 t c pm o d u l e 、a p p l i c a t i o nm o d u l e 、p a c k e ts t r e a m 、s t a t i s t i c w i r e s 等等。每个m o d u l e 对应一个或多个p r o c e s s 模型；p r o c e s s 模型由有限状态机f s m 来描述，有限状态机用c 语言编程。 用户可以在上述三个层次的任何地方切入编程，建立所需的 n e t w o r k 、n o d e 或p r o c e s s 模型。 o p n e t 采用基于包的建模机制( s i m u l a t i o no np a c k e tl e v e l ) ， 模拟实际物理网络中p a c k e t 的流动，包括在网络设备间流动 和网络设备内部的处理过程，模拟实际网络协议中的组包和 拆包的过程，可以生成、编辑任何标准的或自定义的p a c k e t 格式，利用d e b u g 功能，还可以在模拟过程中察看任何特 定p a c k e t 的包头和净荷。 o p n e t 采用离散事件驱动的模拟机理( d i s c r e t ee v e n t d r i v e n ) ，其中“事件”是指网络状态的变化，也就是说，只 有网络状态发生变化时，模拟机才工作，网络状态不发生变 化的时间不执行任何模拟计算，即被跳过。因此，与时间驱 动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。 o p n e t 具有丰富的统计收集分析功能。它可以直接收集常用 的各个网络层次的性能统计参数，并有多种统计参数的采集 和处理方法，还可以通过底层网络模型编程，收集特殊的网 络参数。o p n e t 还有丰富的图表显示和编辑功能、模拟错误 提示和告警功能，能够方便地编制和输出仿真报告。 0 p n e t 软件有强大的智能化网络仿真、优化、分析的功能，为 众多从事网络设计和研究的学者提供了有利的支持。本文的所有仿 真试验都是在o p n e t 仿真平台上进行的，在该仿真平台上对e p o n 的上行接入算法和动态带宽分配算法进行了仿真研究。 1 5 本文的主要研究内容 本文主要研究了e p o n 的关键技术一m a c 协议设计。m a c 协 议是e p o n 系统设计中最关键、最核心的技术，因此对e p o nm a c 7 电子科技太学硕士学位论文 协议的研究对接入网的发展有非常重要的理论和现实意义。 本文的组织结构如下： 第二章论述了e p o n 的系统。给出了e p o n 拓扑结构以及实现 系统的基本构架，并讨论了e p o n 的协议参考模型、工作原理以及 关键技术。 第三章给出了e p o n 的多点控制协议( m p c p ) ，并且详细介绍了 已有的各种带宽分配算法，并且分析了各种带宽分配算法的优劣。 第四章对e p o n 的m a c 协议进行了深入的研究。分析了m a c 协议设计中需要考虑的问题，提出了一种较有新意的上行接入算法一 基于o l t 和o n u 的上行接入算法，并且对此算法进行了深入的研究 和分析。最后提出了一种固定帧长的m a c 协议。 第五章给出了全文总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章e p o n 系统概述 2 1e p o n 的系统结构“5 j 一套典型的e p o n 系统由o l t o n u ，o d n 组成。o l t 位于根节 点，通过o d n 与各个o n u 相连，在下行方向，o l t 提供面向无源 光网络的光纤接口。在上行方向，o l t 将提供g 比特速率。将来 1 0 g b p s 的以太网技术标准定型后，o l t 也会支持类似的高速接口， 为了支持其他流行的协议，o l t 还可支持a t m ，f r 以及 o c 3 1 2 4 8 1 9 2 等速率的8 d h s o n e t 的接口标准。 o l t 和o n u 之间可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混 合型。图2 1 是e p o n 的参考配置：o l t 为光线路终端，它为光接入 网( o a n ) 提供网络侧接口并连至一个或多个o d n ( 光配线网) ；o d n 为 o l t 和o n u ( 光网络单元) 提供光传输手段，主要功能是完成光信号的 分配；o n u 为o a n 提供用户倒接口并和o d n 相连，其网络侧为光接 口，用户侧为电接口，o n u 需要光电和电光转换功能，还要完成对语 音、数据、视频信号的缓存及其处理；a f 为适配功能块。 s 瓜r ，s v 参考点 研证 t 参考点 u n i 图2 1 光接入网参考配置图 图2 2 是o l t 内部电路功能图。对于下行方向，o l t 接收高层 网络的数据业务流经过传输控制等模块下行广播发送给各o n u 。对 于上行方向，o l t 接收各o n u 的突发信号，在b i t 时间内完成同步， 完成帧定界。判别是o a m 帧( 包括测距，带宽请求以及注册等作用) 还是数据帧。如果是数据帧则直接送入g m i i 接口，o a m 帧则送入 9 电子科技大学硕士学位论文 芯片进行处理。e p o n 芯片则完成请求带宽等的计算处理，产生下行 o a m 帧并且缓存，由下行帧时序控制其发送时刻。 图2 2o l t 内部电路圈结构 图2 3 是o n u 内部电路功能图。上行方向，o n u 接收用户发送 的数据并且在队列中缓存，等待授权时隙的到达。下行方向，o n u 接收0 l t 发送的连续数据流，完成同步定界等功能，得到完整的以 太帧，根据下行帧中的m a c 地址是否符合，取出或者丢弃发送到自 己的数据包。如果是数据帧则发送到g m i i 接口，0 a m 帧则完成同 步，送到0 n u 芯片进行处理，得到授权，发送时刻以及产生前导码 和请求帧等。由发送控制模块控制数据帧和o a m 帧的发送。 o 电子科技大学硕士学位论文 l 一 i g m 嘴口n l 一陌习一i 解扰聘i lm c n * i 一i 、) 下行 。一1 q 黼：1 供电模块 l阿步l + 微 处 w d m l 1 硬址曩c r c 理 k 上行 甲错然i 嚣 冈出一仁 一 1 = ：n 竺广_ 删r l ：二 一 图2 3o n u 内部电路图结构 2 2 e p o n 协议参考模型【】 层 图2 4e p o n 协议参考模型 e p o n 协议参考模型是根据吉比特以太网协议参考模型提出的。 其中主要涉及数据链路层和物理层，图2 4 为e p o n 协议参考模型。 e p o n 在体系结构上对8 0 2 3 并没有很大的变动，e p o n 的分层 模型仍由物理层( p h y ) 、媒质无关接口( g m i i ) 、数据链路层( d a t a 电子科技大学硕士学位论文 l i n k ) 构成。其中数据链路层由调和( r s ) 子层、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 控制子层加上多点控制协议 f m p c p ) ，在r s 子层上加上点到点( p t p ) 仿真( 或共享仿真) 功能。 针对e p o n ，p m d 层也会有所改变。所有的层仍然使用标准接口。 2 3e p o n 的工作原理1 1 7 e p o n 不需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用 户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层， e p o n 使用通信光纤传输数据，同时在p o n 的传输机制上，通过新 增加的m a c 控制命令来控制和优化各o n u 与o l t 之间突发性数据 通信和实时的t d m 通信，在协议的第二层，e p o n 采用成熟的全双 工以太技术，由于o n u 在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞， 不需要c s m a t c d 技术，从而充分利用带宽。 如图2 5 所示，o l t 根据i e e e 8 0 2 3 协议，将可变长度的数据包 广播传输给所有在p o n 上的o n u ，每个包携带一个具有传输目的地 o n u 标识符的信头。此外，有些包可能要传输给所有的o n u 或者指 定的一组o n u ，当数据到达o n u 对，它接收属于自己的数据包丢 弃其它的数据包。 圈2 5e p o n 下行数据的分发 图2 6 表示使用t d m a 技术如何将多个o n u 的上行信息组织成 2 电子科技大学硕士学位论文 一个t d m 信息流传送到o l t 。在t d m a 技术中将合路时隙分配给每 个o n u ，每个o n u 的信号在经过不同长度的光纡传输后，进入o d n ， 正好占据分配给它的一个指定时隙，以避免发生相互碰撞干扰。 图2 6e p o n 上行数据的汇集 在一个e p o n 系统中，o l t 既是一个交换机或路由器，又是 个多业务平台( m s p p ) ，它提供面向无源光网络的光纤接口。根据以 太网城域和广域发展的趋势，o l t 将提供多个1 g b p s 和1 0 0 b p 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( p o t s ) 和其他类型的t d m 通信( t i e 1 ) 可以被复用连接到 p s t n 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。 2 4e p o n 的关键技术【1 8 】 e p o n 系统具有以下几个关键技术。 第一个关键技术是e p o n 带宽分配以及测距技术。由于多个 o n u 共享带宽，因此系统需要有一个公平、高效的带宽分配机制。 带宽分配是m a c 层关键技术。它直接关系到上行信遵的利用率和数 据时延，因此该关键技术是目前e p o n 研究的重要课题。e p o n 一般 采用t d m a 的上行多址接入，而各个o n u 到o l t 的距离不同，因 此需要一种测距技术对各o n u 采取时延补偿，使它们在逻辑上相对 于o l t 有相同的距离，从而可以避免各0 n u 发送数据的冲突。带宽 分配以及测距技术是通过e p o n 的o l t 和o n u 芯片完成，可通过 电子科技大学硕士学位论文 f p g a 编程实现。 带宽分配有动态带宽分配和静态带宽分配两种。静态带宽分配对 带宽采取固定配置的方式，系统按照各o n u 预定的带宽进行初始配 置，运行期间其值保持不变。静态分配时若以各o n u 的峰值速率为 基准分配带宽，因各o n u 的数据流往往不是同时处于峰值速率而导 致整个系统带宽没有充分利用，系统资源利用率大大降低。若以数 据的平均速率为基准分配带宽，常常会出现当某些o n u 有大的突发 数据分组到来时，数据不能及时发送出去，从而导致数据的丢包率 和时延增加，而另外一些o n u 的数据流量却小于平均速率，系统资 源没有被充分利用。由此可见当e p o n 承载突发性很强的数据业务 时，静态带宽分配的效率是比较低的。动态带宽分配( d b a ，d y n a m i c b a n d w i d t ha s s i g n m e n t ) 对带宽采取实时调度方式，系统按照o n u 实时上报的请求统筹安排，动态调整授权给o n u 的带宽，从而充分 利用系统资源，同时改善时延等性能。d b a 需要o l t 实时知道各 o n u 的请求带宽，根据各o n u 的请求来分配带宽。目前多采用间插 轮询的方案进行动态的带宽分配。 测距技术一般有两个步骤，第个步骤是当o n u 加入系统时的 静态粗测，这是用来补偿物理距离不同造成的差异：第二步是系统 在通信过程中对o n u 周期性的进行动态糟测，用来补偿光纤和器件 由温度交化或者老化而引起的时延变化。目前大多采用一种时间标 签法对o n u 进行动态测距。 第二个关键技术是是否支持q o s 问题。传输实时话音和视频业 务要求传输延时既恒定又很小，延时抖动也要小。如何保证实时语 音、视频业务的q o s 是目前e p o n 研究的重要课题。一般有两种方 法：带宽预留或者区分业务的方法：第一种为实时业务提供一个高 速的通道，是用来专门传输实时业务：第二种是通过i p 包中的t o s 字段对数据业务进行分类，不同的优先级业务可以缓存于不同的优 先级队列中，高优先级业务如语音业务可以优先传输，也可以保证 实时业务的o o s 。 第三个关键技术是突发同步问题。由于不同o n u 到o l t 的距离 不同，各o n u 光信号到达o l t 的功率幅度也不相同，e p o n 上行数 据流速率达到1 g b p s ，到达o l t 信号具有很强的突发性，o l t 必须 在极短的时间内进行时钟提取、判决获得信号。突发信号的特点决 定了上行信道的时钟恢复有很大的困难性，传统的锁相环法已不适 电子科技大学硕士学位论文 应突发信号，一般使用门控振荡法。 第四个关键技术是激光的突发发送问题。在p o n 系统中，o n u 的光发射机以突发模式工作，即只在分配给它的时隙内才有功率串 输出，其它在任何一个未分配给0 n u 的时限中，该o n u 不应有光 功率进入光纤。由于激光器从关断到正常的输出有个功率建立过 程，所以o n u 的发射机必须采取一定的措施减少和补偿突发延时， 这就是突发发射技术。 最后一个是安全性问题。e p o n 下行方向在物理层上数据比特流 采取广播形式传输到所有o n u ，但由于合法o n u 注册后才能获得 属于自己的逻辑链路标识( l l i d ) ，每个0 n u 设备只能处理接收属 于自己l l i d 的数据包。但考虑到e p o n 应用于通信网络的最边缘， o n u 设备往往位于用户领地，合法用户可以接触到o d n 的光纤端 口，而e p o n 下行物理层比特流符合标准的以太网帧格式，那么恶 意的合法用户可以截取非本o n u 的信息，用户信息的保密性受到威 胁，因此需要对数据信息进行加密和解密。 2 5e p o n 技术优势 第一个优势是e p o n 具有很高的传输效率。e p o n 和a p o n 的主 要区别是：在e p o n 中，根据i e e e 8 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 b y t e s ；丽在a p o n 中，传送的固定长 度的信元，大小为5 3 b y t e s ，由5 b y t e s 的信元头和4 8 b y t e s 的负荷组 成。由于i p 数据包是变长的，最长为6 5 5 3 5 b y t e s ，若用a p o n 传输 i p 业务则必须将i p 包拆为4 8b y t e s 的段，在每段前面加上5 b y t e s 的信头。这个复杂过程会造成时延，o l t 和o n u 也会因此增加额 外的负担。每4 $ b y t e s 的数据就消耗5 b y t e s 的带宽，浪费严重。况 且。在网络中，某个a t m 信元丢失或者传输失败，整个i p 包将