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基于q o s 的e p o n 关键技术研究 于葡费 近年来，随着通信网骨干网和局域网的巨大变化，“最后一公里 的接入网部分成了 高速局域网和主干网之间的瓶颈。具有传输频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点的无源 光网络p o n ，非常适合作为高速、宽带业务的接入网传输媒体。然而p o n 只是单纯的物理 媒介，必须结合一种链路层协议工俸，此时专为承载王p 业务覆开发的| 以太霹逐渐成为了 一个普遍接受的标准，以太网协议成了p o n 最佳的链路层协议，因此结合i p 传输和p o n 透明宽带传送能力优势的戳太无源光接入网( p 系统被认为楚实现未来宽带接入乃至 最终实现f t t h 的主要手段。同时，数据，声音，视频三网的逐渐融合，对传输网提出了 低时延、低抖动的新要求，如何改进e p o n 系统时延及以太网帧丢失率等性能指标，实现 q o s 保证有着重要的意义。本论文分析了接入网的发展现状以及e p o n 的优势，介绍了 e p o n 工作原理及e p o n 的注册、测距、动态带宽分配等一系列关键技术，并深入研究了 e p o n 系统在进行数据传输时煞q o s 策略。 ( 1 ) 对光网络单元( o n u ) 自动发现与注册技术进行了研究，比较了注册冲突的两种解决 方案，并在此基磁上提出了基于注册周期的冲突避让机制，探讨了周期的选取策略以 优化带宽利用率和提高q o s 保证。 ( 2 ) 搓述了e p o n 系统的体系结构移上下行数据传输原理，详细分析了上行传输中有利于 实现q o s 的多址复用策略。深入研究了t d m a 的原理。 ( 3 ) 对t d m a 方案中的测距技术进彳亍了研究，分析了时间标签法( t i m e s t a m p ) 的原理及 其初始测距移动态测距的过程。 ( 4 ) 深入研究了e p o n 系统的m p c p 协议，分析了典型动态分配算法在q o s 上存在的不 足，在此基础提澎7 一种基于i n t s e r v 模型藕预测修芷机制的动态分配算法。该算法 引入的预测修正机制可以提高信道利用率，一旦出现带宽剩余现象，就从下一周期开 始对预测流量作进一步修正，使其更加逼近真实流量。仿真实验显示该算法优子现有 的d b a 算法，不仅能够满足高优先级业务的延时要求，而且有效控制了低优先级业 务延时异常现象的发生。 关键词：接入网无源光网络以太网无源光网络多点访问控制协议 时分多址访问动态带宽分配 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h es u b s t a n t i a lc h a n g eo ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nb a c k b o n e ，t h ea c c e s s n e t w o r kh a sb e c o m eab o t t l en e c kb e t w e e nh i g h c a p a c i t yl o c a ln e t w o r ka n dt h eb a c k b o n e n e t w o r k t h ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 口0 mw h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h 私b r o a d b a n d w i d t h , h u g ec a p a b i l i t y , a n dp o w e r f u li n t e r f e r e n c er e j e c t i o ns u i t sv e r yl a c ha st h e t r a n s m i s s i o na c c e s sn e t w o r km e d i u mf o rh i g h - s p e e db r o a d b a n dn e t w o r k h o w e v e r , p o ni sa k i n do fp u r em e d i u mn e t w o r ka n di tm u s tw o r kw i t ht h ed a t al i n k l a y e rp r o t o c 0 1 d u et o p o p u l a r i z a t i o no fi n t e r a c ta n dt h ei ps e r v i c e ，t h ee t h e m e tw h i c hw a sd e v e l o p e df o rt h el o a d b e a r i n gi ps e r v i c eh a sb e c o m et h es t a n d a r dw h i c hg e n e r a l l ya c c e p t e d t h i n k i n go ft h ea c t u a l i t y o ft h ei pn e t w o r ka n dt h ea b i l i t yo fp o nt r a n s p o r t ，e p o n ( 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 ) i s c o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h ei d e a ls o l u t i o n st oi m p l e m e n tf u t u r eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，e v e n b et h ef i n a lt e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tf t t h a tt h es a m et i m e ，t h eg r a d u a li n t e g r a t i o no ft h ed a t a v o i c ea n dv i d e on e t w o r k sh a sb r o u g h tn e wr e q u i r e m e n t st ot h et r a n s m i s s i o nn e t w o r kc a l l e dl o w d e l a y , a n dl i t t l ej i t t e rs oi ti sv e r yi m p o r t a n tt or e d u c et h ep a c k e td e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t et o r a i s et h es e r v i c eq u a l i t yo fe p o n t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fa c c e s sn e t w o r ka s w e l la st h ee p o n s u p e r i o r i t y , i n t r o d u c e dt h ee p o np r i n c i p l ea sw e l la ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s o ft h ed a t a l i n kl a y e ra n dm a i n l yf o c u s e do nr a i s i n gt h es e r v i c eq u a l i t yo fe p o n t h ep a p e r s a r g u m e n ta n da c h i e v e m e n tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： f i r s t l y , r e s e a r c h e do nt h ed i s c o v e r ya n dr e g i s t e rt e c h n o l o g yo fo n u ( o p t i c a ln e t w o r k u n i t ) ，c o m p a r e dt w os o l u t i o no fr e g i s t e rc o n f l i c t t h ep a p e rp r o p o s e dan e ws o l u t i o nb a s e do n r e g i s t e rc y c l ea n dc a r r i e do na na n a l y s i st ot h er e g i s t e rc y c l ea p p r o p r i a t es e l e c t i o nt oi m p r o v e t h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dt h es e r v i c eq u a l i t y s e c o n d l y , e l a b o r a t e dt h ea r c h i t e c t u r ea n dt r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo fe p o ns y s t e m , t o o ka n a n a l y s i so nt h em u l t i p l ea c c e s ss c h e m ei nd e t a i l sa n dad e e pr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo f t d m a t h i r d l y , c o n d u c t e dt h er a n g i n gr e s e a r c ht e c h n o l o g yi nt h et d m as c h e m e p r o p o s e dt h e t i m e s t a m pr a n g i n gs c h e m ea n de l a b o r a t e di t sp r i n c i p l ea sw e l la st h ei n i t i a lr a n g i n ga n d d y n a m i cr a n g i n gp r o c e s s f i n a l l y ，t h ep a p e rc o n d u c t e di n - d e p t hr e s e a r c ht ot h em p c pp r o t o c o la n dt h ed y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) a f t e ra n a l y z i n gt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n td b a a l g o r i t h m s ， t h i st h e s i sp r e s e n t sa ni n t e r s e r v s u p p o r t e da l g o r i t h mb a s e do np r e d i c t i o nr e c t i f i c a t i o nt h a t s u p p o r t sb a n d w i d t hp r e - a l l o c a t i o n t h er e c t i f i c a t i o ns c h e m ei s i n t r o d u c e dt o i m p r o v et h e b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n o n c et h eb a n d w i d t hp r e a l l o c a t e dt oh i g hp r i o r i t ys e r v i c e si ss u r p l u s ，t h e r e c t i f i c a t i o ns c h e m ew i l ls t a r tt ow o r kf r o mt h en e x tc i r c l e c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a ti s d pa l g o r i t h mc o u l dm e e tt h ed e l a yd e m a n d so fh i g hp r i o r i t ys e r v i c e sa n dc o n t r o lt h ed e l a y 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 a b n o r m i t yo fl o wp r i o r i t ys e r v i c e ss i m u l t a n e o u s l y k e yw 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 ) ， 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 ) ， m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ， m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) ， t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( t d m a ) ， d y n a m i cb a n d w i d t ha i l o c a t i o n ( d b a ) 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士回论文基于q o s 的e p o n 关键技术研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻 读博士口硕士囱学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中 除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究 工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中己明确的方式注明。本 声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 毛痄隧匕、 日期：7 护护g 、尹7 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 基于q o s 的e p o n 关键技术研究系本人在曲阜师范大学攻 读博士口硕士囤学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士囹学 位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容 不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、 使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以 采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分 内容。 作者签名：o 森磊、 刷谧辄搠舍 日期一。留、红7 日期：翮4 - 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 第一章绪论 1 1引言 随着通信产业的发展，电信网、广播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、 并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络是网络发展的必然趋势，这就是信息层面上的 三网合一。三网合一意味着通信网络规模和用户数量的迅猛发展以及口业务种类的与日 俱增，意味着整个传输网必须从当初单纯传送数据的网络向传送数据、语音和视频的多媒 体网络转变。在这种转变中各种实时与多媒体业务的引入对数据的传输提出了低时延、低 抖动等要求。 然而互联网的最初应用主要局限于数据通信领域，相应的互联网网络架构、传输协议 以及对服务质量( q o s ) 的要求也都是按照数据通信的要求来设计的，其设计的特点是对数 据传输的可靠性有严格的要求，对时延和时延抖动的要求却比较宽松。即现有的互联网没 有“服务质量”的概念，只是尽力而为( b e s t e f f o r t ) 地满足客户的需要【l l 。在这种服务模型 下，允许所有的业务流公平地竞争网络资源，路由器对所有的p 包都采用先来先处理 ( f c f s ，f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ) 的工作方式，尽最大努力将口包送达目的地。显然这种 工作方式对w w w ，f t p ，e m a i l 等互联网传统业务是非常合适，却无法很好地支持语 音、视频类多媒体业务和实时业务等要求低时延、低抖动的数据的传输。 特别是随着网络用户的不断增加，范围的不断扩大，带宽等网络资源的增长速度远远 落后于用户业务量的增加速度，最初的不具备q o s 保障特性，不能预留带宽，不能限定 网络时延的互联网无法满足各种业务的q o s 要求。 综上所述，对通信网的发展而言，目前最迫切的问题就是怎样改进现有传输网络的 q o s ，为三网合一中数据的双向传输提供最好的解决方案。 q o s 指应用程序、主机或路由器等网络单元能够在一定级别上确保业务流和服务要 求得到满足。端到端q o s l 2 3 】研究的最终目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制 或保证。一个数据包的发送过程必须经过发送端和接收端之间的所有传输网络结构( 包括 骨干网、接入网和用户网) ，以及发送端主机和接收端主机的所有o s i 协议层。 ( 1 ) 骨干网：目前，随着传输网络技术的发展，使得骨干网络的带宽得到大幅增长，从而 以前口在支持有服务质量保证上的带宽问题、路由器瓶颈问题都得到了极大的缓解。 带宽的增长为服务质量减轻了压力，而且流量工程技术的引入和i pq o s 服务模型的 部署进一步缓解了p 网络流量的突发性和不均衡性。可见，在骨干网络上，服务质 量己不再是主要的问题。 ( 2 ) 用户网：作为网络终端部分的用户网络( 企业内部网络，也包括住宅小区网络) ，由于 其q o s 需求更多的是资源的服务质量管理，包括带宽管理和服务等级协定( s l a ) 监测 等，也已经通过一些手段，在承载网络没有或者缺乏服务质量提供能力的情况下， 部分地实现q o s 。目前，所采用的主要方法是通过带宽管理设备。这些设备具有对流 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 量的识别、分析和策略处理能力，即可以实现内部的带宽管理( 如流量限制、优先级 队列) ，也可以和承载网的服务质量机制配合实现q o s 保证( 如流量标记能力) 。 ( 3 ) 接入网：传统的接入网f 4 】仍然是采用基于电路交换的、窄带的、模拟化的电缆传输系 统进行信息传输和交换，此种接入网与光纤化、数字化和宽带化的骨干网以及1 0 0 m b i t s 、lg b i f f s 的用户局域网在传输速率上的巨大差距导致接入网成为全球信息高 速公路的瓶颈。随着骨干网带宽的不断拓宽和用户侧需求的不断增加，解决接入网这 一“瓶颈就变得愈发迫切，接入网已成为未来国家信息基础设施( n i l ) 的发展重点 和关键。因此，本文重点研究了传输网中宽带接入网的体系结构及其q o s 关键技术。 1 2 宽带接入网技术的发展 1 2 1 接入网发展现状 电信部门采用的光纤到路边( f t t c ) + 双绞线a d s l ，在原理上下行速率可到8 m b i t s ， 上行速率可到1 5 m b i t s 。但由于电话电缆各线对之间串音的限制，实际上一根电缆中只 有很小一部分线对能用于a d s l ，推广普及很不容易。而且容许速率随距离增大而降低， 其带宽不足以实现全业务网。表1 1 给出了各种宽带业务的带宽要求，显然，a d s l 不能 满足大部分商业应用和消费应用的需求p 一1 。 表1 1 各种宽带业务对带宽的要求 t a b l e1 一lb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so fv a r i o u sb r o a d b a n da p p l i c a t i o n s 商业应用带宽( m b i t s )消费应用带宽( m b i t s ) 家庭办公 o 0 1 4 , - 一6因特网接入o 5 1 5 因特网接入 o 5 1 5 教育 0 5 6 可视会议 0 1 2 8 6 视频游戏 0 1 2 8 6 远程教学 0 5 6 购物 0 5 1 5 远程医疗 o 5 6点播电视 4 - - - , 8 本地网主机 0 5 - - 6h d t v1 6 2 0 计算机电话 o 1 2 8 2 广播电视部门按光纤到节点( f t t f ) 模型建造的光纤同轴混合网( h f c ) 具有5 8 6 0 m h z 的带宽，利用频分复用可以兼容模拟和数字业务( 包括电视、电话和数据) ，经过 对射频载波的调制数字业务由电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 或机顶盒( s t b ) 承载，一个上 行、下行通道的传输速率可以分别达到4 1 0 m b i t s 和5 3 6 m b i t s 按最新的d o c s i s2 0 标 准分别采用2 5 6 q a m 和1 0 2 4 q a m 调制，但点对多点的h f c 网存在上行频段拥塞和上行 噪声干扰严重的问题，为了克服这些困难，只好把光节点规模逐步缩小，例如从 2 0 ，0 0 0 2 ，0 0 0 户缩小到5 0 0 3 0 0 户。即使这样，由于上行带宽共享，在确保2 5 d b 载波干扰 2 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 比的前提下，每户的平均传输速率最高只能达到1 3 6 5 k b i t s ，这不足以支撑全业务网。 数据网络公司提倡的f t t b ( 光纤刭楼) + 5 类线蜀域阙( 己斌) ，在现有的以太阙技术体 制和速率下( 例如1 0 0 m b i t s 到楼，1 0 m b i t s 到家) ，不能兼容电视业务，又存在信息私密 性问题和住宅布线方面的困难。即使采用1 , 0 0 0m b i t s 到楼，1 0 m b i t s 到家，带宽虽然足 以支撑全业务鼹，但要保证家庭用户的信息私密性就必须在住宅楼内装设干兆位以太交换 机并采用v l a n 工作模式，使网络造价很高。从本质上看，传统以太网是局域网而不是 接入网，它是一个点到点( p e e rt op e e r ) 的对等网络，没有网络管理，本来就是设计给办 公室共享环境的，不满足面向公众用户的本地接入网的要求。 上述三种接入方式都因带宽有限、可靠性差、安全性不高丽只能是过渡的技术。放本 质上说，唯一能够根本上彻底解决宽带接入瓶颈的技术手段是全光接入网：光纤到楼 ( f t t b ) 和光纤到家( f t t h ) 。 l 。2 。2 光纤接入技术 光纤接入网可以划分为无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和有源光网络 ( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 两种类型。p o n 是指光配线网( o d n ，o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) 中不含有任何电子器件及电源，o d n 全部自光分路器( s p l i t t e r ) 等无源器件组成。 p o n 网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有豹信号处理功能通过蜀端交换机帮 用户宅内设备完成。它的传输距离比a o n 短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设 机房，易于维护。 表1 - 2p o n 采用不同数据链路层协议的优缺点 数据链路层的协议优点缺点 s o n e 影s d h 具有强大的故障保护积故障硬件昂贵，传输数据效率低。 管理能力 a t m在0 l t 和o n u 中的队列能 需要复杂的适配层来支持礤 方便地实现各种q o s 策略， 业务，复杂的分割和重组过 适合予支持实时韭务( 语音和程，增加了局端和远端设备熬 图像)复杂性和成本，降低了网络效 率。 以太网非常适合于携带璎包：硬件 便宜：可逐步升级( 1 0 0 m b s 、 l g b s 、1 0 g b s ) 综上所述，p o n 是接入阕未来豹方尚。无论在设备或网管方面，它的成本相对低廉， 提供的频宽足以应付未来各种宽频业务的需求。p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今 3 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 己经历经几个发展阶段，电信运营商和设备制造商开发了多种p o n 的数据链路层协议以 便使p o n 解决方案能更好地满足接入网市场的需求。p o n 是一种物理网络，利用p o n 的拓扑结构，采用不同的协议可以构造多种类型的光纤接入网，如采用a t m 技术的 a p o n 、采用以太网技术的e p o n ，采用同步光网络的s o n e t ，同步数字系列的s d h 等。 表1 2 总结了p o n 中采用s o n e t s d h 、a t m 、和以太网作为数据链路层技术的优缺点。 从中可以看出e p o n 技术更适合与p o n 网络传送多媒体业务及实时业务数据，本文下面 一节将详细阐述e p o n 的优势。 1 2 3e p o n 技术概述 e p o n 秉承了p o n 的拓扑结构，如图1 1 所示，它由置于局端的光线路终端( o l t ， o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 、置于用户端的光网络单元( o n e ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 以及两者 之间的l ：n 光纤分配网( o d n ) 组成。n 个o n l 共享一个o l t 和长达1 0 - 2 0 k m 的光纤干 线，并利用波分复用器( w d 旧工作于单纤双向传输方式。从o l t 到o n e 的传输方向称 为下行方向，反之为上行方向。o l t 上行链路与各业务节点相连，o n l 下行链路则与各 用户终端设备连接。 ，蒜簖拶猎一 删 印+ ，署，即 2 - 、一 ) n l ， 、一屯l l 棼 图1 1e p o n 系统架构 f i g 1 - 1 a r c h i t e c t u r eo fa c c e s sn e t w o r kb a s e do ne t h e r n e tp o n 一d紫。 一 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 目前，局城网中协议都是运行在以太网上( 有资料显示，目前9 0 以上的l a n 接 1 2 1 是基于以太网的) ，以太网协议是目前与d 配合最好的协议之一。把p o n 结构与以太 技术相融合的e p o n 具有其它接入技术无法比拟的优势，主要表现在【9 1 0 】： ( 1 ) 大容量：e p o n 系统能够提供达1g b i t s 的上下行带宽，这一带宽能够适应现在乃至 将来十年内用户对带宽的需求，每个e p o n 接入网可以比其它接入网支持更多的用 户，由统计复用，每个用户可以享受到更大的带宽。这样的带宽也为提高服务质量( q o s ) 提供了保障。 ( 2 ) 费用低廉：e p o n 系统不采用昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，大大简化了系统结构。 由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少。标准的以太网接口容 许利用现有的价格低廉的以太网设备。 ( 3 ) 易于升级：p o n 结构本身就决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备就可以 把网络升级到1 0 g b i t s 或者更高的速率。 ( 4 ) 兼容性：相对于以往的接入方式，以太网技术是迄今为止最成熟的局域网技术。e p o n 协议只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与后者兼容的。考虑到以太 网的市场优势和价格优势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之一。 可见，在各种宽带接入技术中，e p o n 是最经济的、应用前景最好的接入方式，必将成为 下一代宽带接入网的发展方向。因此，本文对宽带接入网中的的q o s 机制探讨将以e p o n 作为系统传输平台。 1 3 本章小结 本章从当前信息社会中多媒体及实时业务的q o s 需求入手，阐述了通信网中骨干网， 用户网和接入网的q o s 实现方式以及光纤接入技术现状，并分析了e p o n 系统的在光纤 接入技术中的优势。 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 第二章e p o n 的工作原理 2 1e p o n 的体系结构 e p o n 的层次模型如图2 - 1 示。e p o n 在体现结构上对8 0 2 3 并没有大的变动，改动 主要是在m a c 控制子层加上多点控制协议( m p c p ) ，在r s 子层加上点对点仿真功能。 o s i 参考模型分层 o u 应用层高层 逻辑链路层 o a m 层( 可选) 多点m a c 控制子层 m a c 控制子层 仿真安全子层 协调子层 o n u 高层 逻辑链路层 o a m 层( 可选) 多点m a c 控制子层 m a c 控制子层 兆媒质无关接 物理编码子层 物理媒质接入子层 物理媒质相关子层 仿真安全子层 协调子层 物理编码子层 物理媒质接入子层 物理媒质相关子层 质无关接口 无源光网络媒质 图2 1e p o n 体系结构 f i g 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo fe t h e m e tp o n 6 一一一一一一一一一一一 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 2 2e p o n 的传输原理 e p o n 的上行线路的光信号占用c 波段( 1 5 5 0 n 窗口) 的某两个波长，速率均为1 g b i t s ， 传输距离可达2 0 k m 。e p o n 并不能简单的看作是共享媒体或点到多点的网络，上下行 的传输过程有着本质的区别”12 1 。 ( 1 ) 下行传输：e p o n 的下行数据采用广播连续发送、连续接收的方式，o n u 根据到达 帧的p o n 标记决定接收或是丢弃该帧。 ( 2 ) 上行传输：上行方向上，数据流采用点对点的突发发送、突发接收方式，多个o n u 共享一个上行信道。由于无源合路器( 光分配器) 的定向性能，各个o n u 的数据帧只 能到达o l t ，而不是其他的o n u ，因此在上行方向，以避免各个o n u 之间的数据冲 突，需要使用特殊的媒质接入控s 0 ( m a c ) 协议来调度o n u 的上行发送。这就是所谓 的p o n 的多址接入问题。传统的以太网中采用具有冲突检测的载波侦听多址接入 ( c s m m c d ) 技术在e p o n 中很难实现。由于光分路器混合器的方向性，使得o n u 很难检测出上行信号在o l t 处发生冲突。虽然0 l t 可以检测冲突并通知o n u ，但是 由于e p o n 的距离跨度一般为0 - 2 0 k m ，甚至更长，这么长的传播延迟将会极大地降 低e p o n 的效率。而且采用c s m m c d 方式无法控制或保证分配给o n u 的带宽，因 而不能支持q o s 。 解决o n u 上行多址复用的有效方案主要有波分复用w d m ，时分多址复用t d m a 等， 综合考虑技术、成本和现有基础设施条件等，时分复用多址接x , ( t d m a ) 技术是多数e p o n 系统所采用的方案。 所谓t d m a ，就是各o n u 共享同一波长的传输容量，每个o n u 分配一个固定长度 或可变长度的发送窗口( 时隙) ，每个o n u 只能在自己的时隙内发送一个或多个以太网包， o n u 要将用户发送来的包缓存起来，直到它的时隙到来时，o n u 要以全信道速率“突发” 所有缓存的包。基于t d m a 技术，所有o n u 使用一个波长，因而只需一种类型的收发 器，这样就使得系统设备更加容易实现操作管理和维护。采用t d m a 方案不但可以消除 o n u 之间的冲突，还能根据需要或根据用户签定的s l a 来分配带宽。在t d m a 方案中， 所有的o n u 使用同一个波长来发送数据，因此所有o n u 可以使用同一种类型的激光器， 而且o l t 只需要一套接收机。与采用w d m a 的方案相比系统成本大大降低且易于维护。 因此本文所研究的e p o n 系统就是基于t d m a 方案的。 7 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 2 3o l t 和o n u 的功能模块图 图2 - 2e p o n 系统的组成 f i g 2 - 2e p o ns y s t e mc o m p o s i t i o n e p o n 尽管在结构上与a p o n 类似，但在功能和实现上与a p o n 有所不同，一个典 型的e p o n 系统由光线路终端o l t ，网元管理系统( e l e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) ， 光分配网络o d n 和光网络单元o n u 组成，如图2 2 所示。 ( 1 ) o l t ：作为e p o n 的核心，o l t 应实现的功能：向o n u 以广播的方式发送以太网数 据包并控制测距过程，记录测距信息：为o n u 分配带宽，控制o n u 发送数据的起始 时间和发送窗口的长度以及其他相关的以太网功能。 ( 2 ) o n u ：为用户提供e p o n 接入功能，具体如下： ( 3 ) 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； 其他相关的以太网功能。 ( 4 ) o d n 是由无源光分路器和光纤组成的光线分配网络，使得一个p o n 接e l 的光纤传输 带宽可以由多个o n u 分享。 e p o n 技术就是采用上述的点对多点的拓扑结构，并以以太网为承载协议。它通过 e m s 实现网络管理的主要功能。 8 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 2 4e p o n 数据链路层的关键技术 下面我们基于2 3 中描述的e p o n 系统，分析一下e p o n 数据链路层的关键技术1 1 3 d5 1 。 由于以太网包的长度可变而且具有很强的随机性，所以e p o n 中的数据链路层的技术与 a p o n 有很大的差别。概括来说，主要包括：上行信道的多址控制协议( m p c p ) 、动态的 带宽分配( d b a ) 、o l t 的测距( 绝对时标技术) 和延时补偿协议以及协议兼容性问题等等。 ( 1 ) 多点控制协议( m p c p ) e p o n 系统是由一个位于局端的o l t 和若干个远端的o n u 组成的。o l t 和o n u 相当 于以太网交换机，它们之间的关系是主从关系。o l t 如何在现有的以太网协议的基础上 对散布在不同地点的o n u 进行控制，如何实现o n u 的自动发现和注册；如何将上行发 送带宽分配给每一个o n u ；o n u 又是通过怎样的方式向o l t 报告自己的状态，以 便支持o n u 的统计复用和动态带宽分配等等。这些都是e p o n 的多点控制功能必须解 决的问题。由于下行信道采用广播方式，带宽分配和时延控制可以由高层协议完成，因 而上行信道的m p c p 便成为e p o n 的m a c 层技术的核心。本文将在第五章动态分配算 法中详细分析e p o n 的多点控制协议。 ( 2 ) 支持动态带宽分配( d b a ) 方案【1 6 j 采用动态带宽分配算法可以根据o n u 突发业务的要求实时地( m s u s 量级) 改变e p o n 的 各o n u 上行带宽的机制，使系统的带宽利用率大幅度提高。目前m a c 层争论的焦点 在于d b a 算法，由于直接关系到上行信道的利用率和数据延时，d b a 技术是m a c 技 术的关键。考虑到不同的业务或应用场合可能需要不同的d b a 算法，例如，在有的场 合下，需要按照一定的公平原则( 如用户签定的s l a 等) 将带宽分配给o n u ，或者在多 业务环境中，d b a 算法还必须考虑为每一种业务都提供合适q o s 保证。因此e p o n 的 m a c 必须要能提供一种机制，这种机制并不拘泥与某一种具体的d b a 算法。本文将 在第五章动态分配算法详细讲述e p o n 的动态分配q o s 机制。 ( 3 ) 测距技术 测距技术是t d m a 方案中的一个关键问题。它实质上是上行信号的同步问题。由于各 o n u 距o l t 的光纤路径的不同和各o n u 元器件的不一致性造成o l t 与各o n u 间的 环路时延不同，而且由于环境温度的变化和器件老化等原因，环路延时也会发生不断的 变化。因此必须引入测距对上述原因引发的时延差异进行补偿，以确保不同o n u 所发 出的信号能在o l t 处准确地按时隙复用在一起，避免上行信元间的不同步而导致在o l t 上发生信元碰撞现象。 ( 4 ) 与现有以太网设备的兼容技术 e p o n 的下行方向为点到多点、上行为多点到点的特性使它非常适合下行单拷贝广播 ( s c b ) 业务，但不能与只支持i e e e8 0 2 3 标准的点到点( p 2 p ) l a n 和共享l a n 的路由器 和网桥等设备兼容。考虑这些设备正在被大量地使用，e p o n 要能被广泛地接受并应用， 9 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 就必须能与这些设备互通。因此e p o n 必须具有仿真成标准的p 2 pl a n 或共享l a n 的 能力。 目前e f m 争论的焦点是【17 】：单逻辑口支持还是多逻辑口支持。即对于o l t 而言。其 逻辑对象是o n u 还是具体的终端用户。如果o l t 的逻辑对象是o n u ，则对o n u 内用 户的桥接，流量控制和q o s 功能由o n u 完成( o n u 含以太网交换柳桥接功能) ，o n u 间的桥接和流量控制由o l t 控制：如果o l t 的逻辑对象是每个用户，则o l t 的逻辑链 路控匍j ( m a c 层以上功能) 直接面向用户，因此o n u 必须有多个逻辑链路标识( l l i d ) 对应多个终端用户。 2 5 本章小结 本章首先描述了e p o n 系统的体系结构，和上下行数据传输原理，详细分析了上行 传输中有利于实现q o s 的多址复用方式，接着描述了e p o n 系统的典型拓扑结构并在此 拓扑结构基础上简单介绍了e p o n 系统数据链路层的关键技术，为接下来的深入研究提 供了基础。 1 0 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 第三章e p o n 的注册技术 3 1e p o n 系统o n u 自动发现与注册原理 3 1 1e p o n 系统中与注册相关的m a c 控制帧 根据i e e e8 0 2 3 a hd 1 1 t 1 8 】的建议，确定e p o n 中用到的m a c 控制帧为6 4 字节( 从 d a 到f c s ，不计前导码) ，其上、下行帧格式相同。 下面介绍一下与o n u 自动加入相关的几种m a c 控制帧： ( 1 ) 注册开窗授权g a t e 。 注册开窗是带宽授权帧的一种，由o l t 发送给未注册的 o n u ，o p c o d e 为0 x 0 0 0 2 ，其中包含目的m a c 地址、源m a c 地址、时间标签、 未注册o n u 的l l i d ( 一种用于区别o n u 的数字标识，系统默认为全零) 、开窗的 起始时间以及开窗的大小等信息。 带宽授权帧中的d i s c o v e r y = l 时即为注册开窗授 权，它每隔一定的时间以广播的形式发送一次，所有未注册的o n u 都能接收到。 ( 2 ) 注册请求帧r e g i s t e r 。 注册请求帧是未注册的收到发来的注册p,eqo n u o l t 开窗授权后发送的m a c 控制帧，o p c o d e 为0 x 0 0 0 4 ，其中包含目的m a c 地址、 源m a c 地址、未注册o n u 的l l i d 、时间标签、o l tc p um a c 地址、o l tp o n i d 、 o n ui d 、o n u 类型和o n up o ni d 等信息。 ( 3 ) 注册帧r e g i s t e r 。注册帧是o l t 在收到未注册的o n u 发来的注册请求帧后发送 给该o n u 的m a c 控制帧，o p c o d e 为0 x 0 0 0 5 ，其中包含目的m a c 地址、源m a c 地址、时间标签、f l a g s 字节和分配给该o n u 的l l i d 等信息。 ( 4 ) 注册确认帧r e g i s t e rr e q 。注册确认帧是未注册的o n u 在收到o l t 发送给它 的注册帧后发送给o l t 的，o p c o d e 为0 x 0 0 0 6 ，其中包含目的m a c 地址、源m a c 地址、时间标签、f l a g s 字节和该o n u 的l l i d 等信息。 通过以上的m a c 控制帧，o l t 和o n u 之间就能相互通信，进而完成o n u 的自 动加入。 基于q o s 的e p o n 关键技术研究 3 1 2o n