（电磁场与微波技术专业论文）接入网中以太网汇聚技术的研究与实现.pdf

i ；。 - 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文上作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本人签 导师签名：j 斟堡盘l 年解密后适用本授权书。 日期： 日期： 册m i 朋 16 6 j 一 r t i 以太网汇聚技术的研究与实现 摘要 随着i p t v 、互动游戏、电子商务、e l e a r n i n g 等高带宽业务的 出现，用户对接入带宽的需求将进一步增加，现有的以铜线接入为 主的x d s l 、c a b l em o d e m 、e o c 等宽带接入方式已经很难满足电信 新业务发展的需求，并逐步成为宽带综合业务数字网的瓶颈所在。 具有高带宽、大容量、低损耗等优良特性的光纤成为将数据传送到 客户端的媒质的必然选择，光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e - f t t h ) 接入技术成为未来最终的、一劳永逸的宽带接入解决方案。 本文的第一部分简要分析了接入网的内涵，并讨论了f t t h 接 入技术与其它接入技术相比的优点，揭示了f t t h 接入网的发展趋 势的必然性；第二部分首先介绍了f t t h 的发展方向，并通过对p 2 p 与p o n 技术的对比，得出p 2 p 的实际应用价值，最后对北京科委 f ”眦p 2 p ( 点到点) 设备的结构和功能进行讲解；第三部分是本文 的重点，首先讲述了北京科委的f t t h p 2 p 的项目中的以太网汇聚 卡的实现方案，最后对以太网汇聚卡制作过程中必须注意的电路细 节加以详细分析；第四部分详细阐述了以太网汇聚卡的调试细节， 对于以太网汇聚卡的调试提出了一整套的调试理论和方法，并对各 部分的调试加以详述。 关键词：f t t h 、p 2 p 、以太网汇聚 一i k v 即 c 产 a r c ha n di m p l e m e n t a l t i o no f h e r n e tc o n v e r g e n c i n gi nt h e a c c e s sn e t w o r k a b s t r a c t a st h eh i g h b a n d w i d t hb u s i n e s ss u c ha si p t vi n t e r a c t i v eg a m e s ， e - b u s i n e s s ，e - l e a r n i n gi se m e r g i n g ，x d s l ，c a b l e m o d e m ，e o cb e c o m e t h eb o t t l e n e c kf o rt h ed e v e l o p m e n to fb i d s n ( b r o a d b a n di n t e g r a t e d s e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k 1 i no r d e rt om e e tt h ea c c e s sb a n d w i d t h r e q u i r e m e n t s ，f r m ( f i b e rt ot h eh o m e ) b e c o m e st h ep r i n c i p a l s o l u t i o nt oh i g hb a n d w i d t h ，l a r g ec a p a c i t ya n d l o wc o s ta c c e s s t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h ec o n c e p to fa c c e s sn e t w o r k ，p r e s e n t s m a jo rs t r e n g t h so ff 硎a n dc o n c l u d e st h a tf 删w i l li n e v i t a b l yb e t h en e x tg e n e r a t i o no fb r o a d b a n da c c e s ss t a n d a r d t h es e c o n dp a r to f t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n to ff t t h ，c o m p a r e sm a jo r t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o l u t i o n so fp 2 pa n dp o na n dc o n c l u d e s t h ep r a c t i c a lv a l u ef o rp 2 et h e na ni n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ff t t h p 2 pe q u i p m e n ti sg i v e n t h et h i r dp a r ti st h em a i n p a r to ft h i sp a p e r i ti n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e e t h e m e t c o n v e r g e n c i n gc a r df o rf t t l p 2 pp r o j e c ta n dg i v e se m p h a s i so nt h e s p e c i f i ct i p so fm a k i n gc i r c u i t s t h ef o u r t hp a r td e s c r i b e sh o w t od e b u g t h ec a r d ，a n dp r e s e n t saw h o l es e tt h e o r yf o rd e b u g g i n g k e y w o r d s ：f t t h ，p 2 p , e t h e r n e tc o n v e r g e n c i n g r i 产 2 2 2e p o n 的f t t h 解决方案5 2 2 3g p o n 的f t t h 解决方案7 2 2 4 p 2 p 技术与p o n 技术实际应用的比较9 2 3 f t t h p 2 p 设各的研制1 2 2 3 1 p 2 p 系统的总体结构1 2 2 3 2 p 2 p 接入系统的组网方式1 3 2 3 3 o l t 设备结构1 3 2 3 4 o l t 硬件框架1 3 2 4 d 、结1 4 第三章以太网汇聚卡的设计与实现1 5 3 1 单板功能概述1 5 3 2 以太网m a c 层汇聚及交换芯片。1 8 3 3 v t 6 5 1 0 芯片的特性1 9 3 3 1 g m a c 与g10 模块2 0 3 3 2 包寄存器管理( p a c k e tb u f f e rm a n a g e m e n t ) 2 1 3 4 p h y 芯片：1 1 3 4 1v s c 8 2 11 千兆p h y 芯片2 2 3 4 2 百兆以太网p h y 芯片2 7 3 5g mi i r mi i 接口。2 8 3 5 1 刚i i 接口2 8 3 5 2g i 接口2 9 3 6 v t 6 5 1 0 与a d u c 8 3 l 之间的c p u 接【j 3 1 3 7 千兆串行媒质接口3 3 3 8 百兆以太网接u 设计和e m i 抑制3 5 3 9 s m i 串行管理接口3 7 3 1 0 复位电路设计研究及方案选择3 9 3 1 l 时钟电路4 l 3 1 2 p c b 板的整板布局4 2 3 1 3 背板接【j 设计4 4 3 14 ，j 、结z 1 4 第四章以太网汇聚卡的调试4 5 p j 一 附录 检测报告5 5 参考文献 致谢 5 6 5 7 一 1 1引言 绪论 绪论 传统电信界( 主要关注传统的电话业务及其网络) 从整个电信网的角度将 全网划分为公用电信网和用户驻地网( c p n ，c u s t o m e rp r e m i s en e t w o r k ) 两部 分，其中c p n 属用户所有，通常所说的电信网是指公用电信网部分。公用电信 网又可分为三部分：长途网、中继网和接入网。人们倾向于将长途网和中继网 合在一起称为核心网( c o r en e t w o r k ) ，剩下的部分称为用户接入网或接入网， 如图卜l 所示： c p n 用户驻地网 u n i ：用户网络接口s n i ：业务节点接口 图2 - 1 电信网的组成示意图 接入网是电信网的组成部分，负责将电信业务透明传送到用户，也就是说 用户业务通过接入网的复用、传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。 具体就电话业务而言，接入网即为本地交换机与用户之间的连接部分，通常包 括用户线传输系统、复用设备、交叉连设备或用户网络终端设备。 当前存在的主要的接入网方式： ( 1 ) 利用现有铜缆方式可以采用h d s l ( 高速率数字用户环路) 方式，它是利用 两对铜线开通2 m b s ，以满足一般用户线平均距离的用户需要。或采用a d s l ( 不 对称数字用户环路) 方式，它是利用铜线，除了可以传送原有电话业务外，还可 以单向传送约6 m b s 速率的业务。 ( 2 ) 光纤和同轴电缆混合方式当用户接入的业务量较大，和需要接入有线电 视等业务时，可以采用一段光纤，连接一段铜缆的混合方式。比如在发送端把 模拟信号和有线电视信号调制成光信号后，送入光纤。在接收端通过光电变换 后，用同轴电缆把有线电视信号送至各用户电视接收机，其它信号可以用对绞 铜线分别接入各有关家庭中。 北京邮电大学硕士学位论文绪论 ( 3 ) 光纤到路边和光纤到家根据发展需要，可以用光纤光缆代替原主干电缆， 或代替原主干电缆和配线电缆，其它段落仍用铜缆或铜线。这种连接方式，可 以根据光纤到达地点分别称为f t t c ( 光纤到路边) ，或f t t b ( 光纤到大楼) 等。 对于已经具备或即将具备宽带需求的用户，也可以考虑直接把光纤引入家庭， 称作f t t h ( 光纤到家) 。 ( 4 ) 还可利用无线构成的用户接入网。对于距离局交换设备较远、用户密度较 稀的一些郊区、农村、山区等用户，由于用户线太长，分布很分散，投资较大。 采用无线接入方式往往显得比较方便，节省投资。尤其对于可能出现自然灾害 ( 如水灾、地震等) 地区来方，为了提高通信的可靠性，也可以考虑采用无线接 入方式。 随着各种电信业务的迅速发展，用户将不仅要求利用电话业务，还将要求 接入计算机数据、传真、电子邮政、图像、有线电视等多媒体服务，对现有的 以多个双绞线构成的铜缆的接入网技术提出了带宽以及传输距离的挑战，网络 的最后一公里称为网络传输的“瓶颈 。各国电信商把目光投向了迄今为止最后 的传输媒质，f t t h 成为突破此瓶颈的最佳方案。 f t t h 与其他接入技术相比具有如下优点： ( 1 ) f t t h 接入网能满足用户对各种业务的需求。人们对通信业务的需求 越来越高，除了打电话、看电视以外，还希望有高速计算机通信、家庭购物、 家庭银行、远程教学、视频点播( v o d ) 以及高清晰度电视( h d i v ) 等。这 些业务用铜线或双绞线是比较难实现的。 ( 2 ) f t t h 接入网克服铜线电缆无法克服的一些限制因素。光纤损耗低、 频带宽，解除了铜线径小的限制。此外，光纤不受电磁干扰，保证了信号传输 质量，用光缆代替铜缆，可以解决城市地下通信管道拥挤的问题。 ( 3 ) f t t h 接入网的性能不断提高，价格不断下降，而铜缆的价格在不 断上涨。 ( 4 ) f t t h 接入网提供数据业务，有完善的监控和管理系统，能适应将 来宽带综合业务数字网的需要，打破“瓶颈”，使信息高速公路畅通无阻。 由于f t t h 以上的诸多优点，使其成为目前研究的热点，被许多行业专家 视为未来接入网的最佳方案。f t t h 有着基于媒体转换器m e d i ac o n v e r t e r ( m c ) 的p 2 p ( 点对点) 及无源光网络p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) 两项技术，许多 设备商针对不同的应用环境提出了各自的f t t h 解决方案，并且目前已经研制 出了基于p 2 p 和p o n 的f t t h 设备。 2 绪论 本人参与了下一代光网络研究室北京科委f t t h p 2 p ( 点到点) 设备的研 发工作，在了解和分析了目前f t l h 的一些关键技术和发展方向的基础上，负 责设计并制作了p 2 p 系统中o l t 机箱中的以太网汇聚板卡，并与项目组内其他 同学一道完成了o l t 的软硬件调试，同时还参与了百兆以太网媒质变换卡的设 计工作。根据本人在研究生期间的主要研究工作和硬件开发工作，本论文将首 先从理论上对f 1 v r h 若干关键技术进行深入的探讨，然后重点对p 2 p 设备中的 以太网汇聚板卡的研制情况进行详细介绍和说明。具体来说，本论文各章的主 要内容包括以下几个方面： 第一章简要分析了接入网的内涵，并讨论了f t t h 接入技术与其它接 入技术相比的优点，揭示了f 1 v r h 接入网的发展趋势的必然性。 第二章将介绍f t t h 的发展方向，并通过对p 2 p 与p o n 技术的对比， 得出p 2 p 的实际应用价值；最后对北京科委f t l h p 2 p ( 点到点) 设备的结构、 和功能进行讲解。 “ 第三章将对以太网汇聚板卡的研制过程做一个较详细的介绍，其中包 括主要芯片的功能介绍和主要电路的设计方案。 “ 第四章将对以太网汇聚卡的调试方案及调试过程进行详细的介绍。 第五章中作者给出了论文结论和对进一步工作的展望。 ， 譬 北京邮电大学侦 ：学位论文 f 1 v r h 的解决方案及p 2 p 设备研制 第二章f t t h 的解决方案及p 2 p 设备研制 f t t h 是接入网的明日之星，因此对它的研究已经成为接入网探索的主流。 本章将简要介绍p 2 p 的f t t h 解决方案、e p o n 的f 1 v r h 解决方案、g p o n 的 f t t h 解决方案，并对e p o n 技术与g p o n 技术进行比较。然后分析接入网目 前的状况，探讨p 2 p 的市场价值，最后详细介绍下一代光网络实验室申报的北 京科委的f t t h p 2 p 项目方案。 2 1f t t h 概述 宽带市场的不断发展让光纤日益贴近用户，因此出现了f t t x 系列概念， 并被写入i t ug 9 8 2 和g p o n b 等标准。f t l x 根据光网络单元( o n u ) 的位置， 可以划分为f t t h ( 光纤到户) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到驻地( f t t p ) 和光纤 到路边( f t t c ) 等几种情况。 f t t h 是指将光网络单元( o n u ) 安装在住家用户或企业用户处，是f t t x 系列中除f t t d ( 光纤到桌面) 外最靠近用户的光接入网应用类型。f t t h 的显著 技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和 协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。 f t t h 一直被认为是接入网的明日之星，也是宽带发展的最终理想。因为 它能够满足各类用户的多种需求，像高速通信、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 ) 等等，这些业务都是铜线或双绞线勉力为 之才能达到的目标，而对f t t h 来说则是轻而易举。1 0 0 m 秒带宽的f t t h 成 为实现电话、有线电视和上网的”三网合一”的最佳保证。 网络用户对于带宽的需求总是不断增长的。a d s l 接入方式的带宽在不久 的将来将成为网络应用的瓶颈。而f t t h 在带宽方面的优势使得它成为未来网 络接入发展的理想方向。 未来的f t t h 是多种宽带接入方式最好的一种，也是最贵的种。但它是 可以提供最多服务、最大价值的一种接入方式。 2 2 光纤到户的主要方案 f t t h 有着媒体转换器m c 及无源光网络p o n 两项技术。m c 主要用来 4 北京邮电大学硕士学位论文f 刑的解决方案及p 2 p 设备研制 取代传统以太网络所使用的铜线，采用p 2 p 的网络拓朴方式，将1 0 0 m b p s 的 服务通过光纤传送到用户家中。 p o n 的架构主要是将从光纤线路终端设备o l t 下行的光信号，通过一根 光纤经由光分路器s p l i t t e r 无源器件，将光信号分路广播给各光用户终端设备 o n u t ，大幅减少网络机房及设备维护的成本，更节省了大量光缆资源等建置 成本，而成为f t t h 最新热门技术。 用光纤连接用户，目前常用的有三种方案：点到点的f t t h 解决方案、 e p o n 的f t t h 解决方案、g p o n 的f t t h 解决方案。 下面对这三种f t t h 的解决方案分别进行介绍。 2 2 1 点到点的f t t h 解决方案 采用点到点的结构，从中心局到每个用户都用一根光纤。图2 1 是最新建 议草案o p t p1 0 0m b i t s 基于以太网的点到点的系统配置。对于具有n 个终端 用户的距离为mk m 的无保护f t t h 系统，如果采用点到点的方案，需要2n 个光收发器和n mk m 的光纤。但如果采用点到多点的方案，则需n + 1 个光收 发器、一个或多个( 视n 的大小) 光分路器、和大约mk m 的光纤，在这_ 点上，点到多点有着明显的成本优势；采用点到多点的方案，大大地降低了光收 发器的数量和光纤用量，并降低了中心局所需的机架空间。 当然，点到点系统避免了复杂的上行同步技术和终端自动识别技术，另外 上行的全部带宽可被一个终端所用，这非常有利于带宽的扩展，但这些优点远 不能抵消它在器件和光纤成本方面的劣势。 1 u s 参考点 图2 - 1 点到点的系统配置 2 2 2e p o n 的f t t h 解决方案 p o n 技术始于2 0 世纪8 0 年代初，目前市场上的p o n 产品按照其采用 的技术，主要分为a p o n b p o n ( a t m p o n 宽带p o n ) 、e p o n ( 以太网p o n ) 和 北京邮电大学硕士学位论文 f t t h 的解决方案及p 2 p 设备研制 g p o n ( 干兆比特p o n ) ，其中，g p o n + 是最新标准化和产品化的技术。a p o n 是 在1 9 9 5 年提出的，当时，a t m 被期望为在局域网( l a n ) 、城域网( m a n ) 和主 干网占据主要地位，然而从那以后，以太网技术发展超过了a t m 现在以太网 已经发展成为了一个广为接受的标准，现在全球有超过4 0 0 力个以太端口，9 5 的l a n 都是使用以太网技术。以太网技术发展很快，传输速率从1 0 m b i t s 1 0 0m b i t s 、到l0 0 0 m b i t s 、1 0g b i t s 甚至4 0 g b i t s ，呈数量级提高：应 用环境也从l a n 向m a n 、核心网发展。 e p o n 是由i e e e8 0 2 3 工作组在2 0 0 0 年1 1 月成立的e f m ( e t h e m e ti n t h ef i r s tm i l e ) 研究小组提出的。e p o n 是几个最佳的技术和网络结构的结合。 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，下行速率目 前可达到1 0g b i t s ，上行以突发的以太网包方式发送数据流。另外，e p o n 也 提供一定的运行维护和管理( o a m ) 功能。 和传统的以太网相比，e p o n 主要增加了两部分功能：位于媒体接入控制 ( m a c ) 层之下的仿真子层和被作为m a c 层一部分的多点控制协议( m p c p ) 。 仿真子层使得下面的点到多点网络在协议上层看来象是多个点到点链路，这一 点是通过在每一个分组的开始加上逻辑链路标识( l l i d ) 以取代2 个字节的 前导来实现的。 e p o n 技术和现有的设备具有很好的兼容性。而且e p o n 还可以轻松实现 带宽1 0g b i t s 的平滑升级。新发展的服务质量( q o s ) 技术使以太网对语音、 数据和图像业务的支持成为可能。这些技术包括全双工支持、优先级( p 8 0 2 1 p ) 和虚拟局域网( v l a n ) 。 e p o n 接入系统具有如下特点： ( 1 ) 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，可有效节省建 设和运营维护成本： ( 2 ) e p o n 采用以太网的传输格式同时也是用户局域网驻地网的主流技术， 二者具有天然的融合性，消除了传输协议转换带来的成本因素； ( 3 ) 采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 n m ) ，仅需一根主干光 纤和一个o l t ，传输距离可达2 0 公里。在o n u 侧通过光分路器分送给最多 3 2 个用户，因此可大大降低o l t 和主干光纤的成本压力； ( 4 ) 上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带 宽，上行利用时分复用( t d m a ) 共享带宽。高速宽带，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： ( 5 ) 点对多点的结构，只需增加o n u 数量和少量用户侧光纤即可方便地对系 6 北京邮电大学硕士学位论文f t l w 的解决方案及p 2 p 设备研制 统进行扩容升级，充分保护运营商的投资； ( 5 ) e p o n 具有同时传输t d m 、i p 数据和视频广播的能力，其中t d m 和 i p 数据采用i e e e8 0 2 3 以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足 以保证传输质量。通过扩展第三个波长( 通常为1 5 5 0 n m ) 即可实现视频业务 广播传输。e p o n 光接入系统具有网络部署快速灵活，多业务、高性能接入， 性能价格比高的优点。因此被是一种宽带光纤化接入的理想技术之一。 但目前以太网支持多业务的标准还没有形成，它对非数据业务，尤其是t d m 业 务还不能很好地支持。另外，和g p o n 相比它的传输效率较低。 实现e p o n 也需要突破一些技术难点，具体如下： ( 1 ) 因为p o n 是一种点到多点的物理和逻辑拓扑结构，而传统的以太网是点 到点的协议，如何在点到多点的e p o n 中传送点到点的以太网协议，是以太网 应解决的技术问题，通过对m a c 的改造可以实现。 ( 2 ) p o n 中不同o n u 与o l t 的距离相差较大，如何解决到达o l t 光信号 强度的巨大偏差问题。 ( 3 ) 如何解决非授权o n u 的累积噪声对授权o n u 发出的光信号的干扰问 ， 题。 ( 4 ) e p o n 中带宽共享和动态带宽分配的处理。 ( 5 ) 如何解决窄带话音和宽带业务在e p o n 中的兼容等。 2 2 3 g p o n 的f t t h 解决方案 2 0 0 1 年，f s a n 组启动了另外一项标准工作，旨在规范工作速率高于 1 g b i t s 的p o n 网络。这项工作被称为g i g a b i tp o n ( g p o n ) 。2 0 0 3 年，i t u 批 准g p o n f s a n 标准( 2 9 8 4 ，g p o n 除了支持更高的速率之外，还要以很高的效 率支持多种业务，提供丰富的o a m & p 功能和良好的扩展性。大多数先进国家 运营商的代表，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；反过来又成为提议和开发g p o n 解决方案的基础。这说明g p o n 是 一种按照消费者的准确需求设计、由运营商驱动的解决方案，是值得产品用户 信赖的。在g s r 文档中所列举的要求主要有以下几点： ( 1 ) 支持全方位服务包括话音( t d m 、p d h 和s o n e t s d h ) 、e t h e m e t ( 1 0 1 0 0b a s e t ) 、a t m 、专线等等。 ( 2 ) 物理覆盖至少2 0k m ，协定内逻辑支持范围6 0k m 。 ( 3 ) 支持同一种协定下的多种速率模式，包括同步6 2 2m b i t s 、同步1 2 5 g b i t s 、以及不同步的下行2 5g b i t s 、上行1 2 5g b i t s 及更多( 将来可达到同 7 北京邮电大学硕士学位论文 f 1 _ r h 的解决方案及p 2 p 设备研制 步2 5g b i t s ) 。 ( 4 ) 针对点对点的服务管理需提供o a m & p ( o p e r a t i o n 、a d m i n i s t r a t i o n 、 p r o v i s i o n i n g ) 的能力。 ( 5 ) 针对p o n 下行流量是以广播传送之特点，提供协定层的安全保护机制。 g p o n 标准的设置是基于不同服务需求，提供最有效率和理想的传输速率，同 时兼顾o a m & p 功能以及可扩充的能力。基于这样的设计原则下，g p o n 的 技术得已成为f t t h 一种全新的解决方案。不但提供高速带宽，而且支持各种 接入服务，特别是在d a t a 及t d m 的传输并且支持原有数据的格式无须再次 转换。 g p o n 主要分成三部分，即o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) 、o d n ( o p t i c a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 和o n u o n t ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ln e t w o r k t e r m i n a t i o n ) 组成。其中o l t 位于局端，o n u o n t 位于用户端( 其区别为 o n t 直接位于用户端，而o n u 与用户问还有其它的网络如以太网) 。o l t 到 o n u o n t 的方向为下行方向，反之为上行方向。 g p o n 拥有高速宽带及高效率传输的特性。g p o n 采用全新的传输汇聚层 协议”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 ) ，实现多种业务码流的 通用成帧规程封装：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。 g p o n 传输网络可以是任何类型，如s o n e t s d h 和i t u tg 7 0 9 ( o n t ) ； 用户信号可以是基于分组的( 如i p p p p ，或e t h e m e tm a c ) ，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；对于最靠近用户的接入层来说，g p o n 具有前所未有的高比特率、高带宽；而其非对称特性更能适应未来的f 删宽 带市场。因为使用标准的8 k h z ( 1 2 5l a ) 帧，从而能够直接支持t d m 业务。 g p o n 传输网络支持对称和非对称的线路速率选择，包括对称6 2 2 m b i t s 、对 称1 2 5 g b i t s 、2 5 g b i t s 下行和1 2 5 g b i t s 上行等。 总之，g p o n 继承了g 9 8 3 的成果，具有丰富的业务管理能力。g p o n 的 核心基础是g f p ，它具有覆盖任何可能出现的新业务的适配能力，包括数字视 频、存储网络( s a n ) 、电子商务等。g p o n 具有面向未来的、可升级的多业 务环境，能为将来的业务提供清晰的转移路线，而不需要中断和改变现有的 g p o n 设备，也不需要以任何方式改变其传输层。 8 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 4 p 2 p 技术与p o n 技术实际应用的比较 f 硎的解决方案及p 2 p 设备研制 目前，我国f 1 m 主要目标市场无疑是大中小城市住宅小区的住户，城市 住宅小区一般为花园式住宅小区，其突出特点是：住户密度高，单一花园住宅 小区一般有5 0 0 - - - 3 0 0 0 住户，有些甚至是上万个住户；住宅小区( 包括商业大厦) 一般配备通信机房，用于安装整个小区通信接入设备和线路交接，这种配置是 电信运营商相互竞争和多种电信业务综合接入的需要，机房到用户距离普遍小 于l k m ；主要电信运营商和有线电视运营商普遍都已铺设小芯数( 一般为4 到 1 2 芯) 光缆到住宅小区或商业大厦的机房；小区内住户通信和c a t v 接入线缆 资源归属各运营商所有。我国f t t h 目标市场另一特点是电信业务提供存在行 业壁垒：电信运营商不容许经营c a t v 业务，而且这一现状在未来相当一段时 间无法改变。 图2 2 是无源光网络( p o n ) 在住宅小区的理想布局：o l t 置于电信运营 商中心机房，根据s p l i t t e r 尽量靠近用户原则，s p l i t t e r 放置于楼层配线箱。很 0 。显然，这一理想布局能突显p o n 的固有优势，但将不可避免带来以下问题：首 。 先，从中心机房至小区需要高芯数光缆，如3 0 0 0 户小区，按l ：1 6 分支比计算， 需要近2 0 0 芯的光缆，而目前一般只有4 1 2 芯，增加铺设光缆非常困难：其次， _ 无源光分配器置于楼层配线箱将使配线节点非常分散，导致放号、维护和管理 。 非常困难，甚至几乎不可能；再者，无法提高网络设备及其接入端口的利用率， 因为在单一p o n 的覆盖范围内，用户接入率很难做到1 0 0 。 罐詹、 图2 - 2 无源光网络( p o n ) 在住宅小区的理想布局 9 北京邮电大学硕士学位论文 f 1 - r h 的解决方案及p 2 p 设备研制 图2 3 是无源光网络( p o n ) 在住宅小区的现实布局：o l t 和s p l i t t e r 均放 置在小区机房里。这种现实布局优点是：中心机房至住宅小区只需要低芯数光 缆，现有光缆资源就能满足需要；整个住宅小区接入线路均在小区机房配线， 非常容易放号、维护和管理；由于接入设备和配线架同在小区机房，无疑显著 提高设备端口利用率，接入设备可以根据接入用户数增加而逐步扩容。但这种 现实的布局也有其明显的缺点：首先，丢弃p o n 的网络结构是无源网络的最大 优势，中心机房至用户网络还是有源网络；其次，并没有因为p o n 而节约光缆 资源；再者，p o n 设备成本高、网络结构复杂。 小区机房 住宅小区 图2 - 3 无源光网络( p o h ) 在住宅小区的现实布局 综上所述，p o n 在住宅小区f t t h 应用中存在矛盾的两面：按p o n 的理 想网络结构和布局固然可以发挥其原有优势：从中心机房至用户的整个网络为 无源网络，大量节约中心机房至用户的光缆资源，精简中心机房设备数量与规 模；但同时也带来几乎无法接受的缺点：须大量增加铺设光缆，配线节点分散， 放号、维护和管理异常困难，网络设备及其接入端口利用率低。而如果采用无 源光网络( p o n ) 在住宅小区的现实布局，现有光缆资源就能满足需要，小区 机房统一配线，非常容易放号、维护和管理，显著提高设备端口利用率，但同 时也丢弃了p o n 是无源网络和节约光缆资源这两大优势，就目前还必须忍受 p o n 设备成本高、网络结构复杂等劣势。很明显，p o n 的优势在高密度住宅小 区中荡然无存。在目前p o n 技术不十分成熟，而且设备价格居高不下情况下， 我们认为f t t h 接入选择小区有源交换点对点( p 2 p ) 技术更为科学和可行， 因为： 小区普遍设有机房； l o 北京邮电大学硕士学位论文 f 1 1 h 的解决方案及p 2 p 设备研制 小区有源交换的p 2 p 技术成熟、成本低，能轻易提供1 0 0 m 或1 g 的带 宽，与现有计算机网络实现无缝链接； 无需增加铺设中心机房至小区的光缆； 网络结构简单、建设和运营维护成本低； 集中在小区机房配线，易于放号、维护和管理； 设备端口利用率非常高，可以根据接入用户数增加而逐步扩容。 图2 4 是典型小区有源交换f t t h 网络结构，从电信运营商中心机房至小 区机房沿用目前已有的低芯数光缆，而从小区机房至用户端采用点对点( p 2 p ) 组网方式，接入设备和配线架统一放置小区机房，整个网络采用技术成熟、成 本低廉的以太网协议。有源交换点对点f t t h 网络是目前在日本和美国普遍采 用的f t t h 接入技术，在目前全球5 0 0 万线的f t t h 用户中，9 5 以上采用有 源交换的p 2 p 技术。其突出优势有： 高带宽：轻易实现稳定双向1 0 0 m 宽带接入； 可以支持i n t e m e t 宽带接入、c a t v 接入和电话接入，在接入网实现三网 合一； 支持未来可预见的新业务：可视电话、v o d 、数字影院、远程办公、在 线展览、电视教育、远程医疗、数据存储及备份等等； 网络结构简单、技术成熟、接入成本低； 只有小区机房是有源节点，集中机房配线，降低维护成本，提高设备端 口利用率； 有效节约中心机房至小区的光缆资源，无需增加铺设中心机房至小区的 光缆。 从小区机房至用户 以p 2 p 方式连接 接入交换机 图2 - 4 小区有源交换f t t h 网络结构 北京邮电人学烦t 学位论文f 1 1 h 的解决方案及p 2 p 设备研制 我们认为f t t h 接入选择小区有源交换的p 2 p 技术更为科学和可行。 2 3f t t h - p 2 p 设备的研制 下一代光网络实验室申报了北京科委的的f t t h p 2 p 项目，设计了p 2 p 设 备。下面将进行p 2 p 系统的总体结构、组网方式、o l t 设备结构、o l t 硬件框 架进行简要介绍。 2 3 1p 2 p 系统的总体结构 p 2 p 系统由用户侧的o n u 设备和局端的o l t 设备组成。如图2 2 所示，8 个o n u 设备和o l t 设备组成8 个p 2 p 传输子系统，o l t 设备提供e 1 和以太 网业务的汇聚功能。 参 。卿 曙矿叼1 一i o o o b a s e l x 臼- 0 n u 光纤 一 嘲一， 一 光纤 一 o l t 爨k 。蚓 。 光纤 矽n _ s t m i 酌盹- o n u一 光纤 一 l i ， 图2 - 2p 2 p 系统结构图 o n u 设备的功能是t d m 和以太网业务信号的分离汇聚，并通过光口将业 务从用户侧传输到局端o l t 设备，o l t 设备把t d m 和以太网业务分别汇聚成 s t m l 信号和千兆以太网信号。o n u 在用户侧提供四个e 1 接口和一个f e 接 口，低速业务经过汇聚后用一对s f p 光收发模块在o l t 和o n u 之间传送。o l t 设备将e 1 信号汇聚成s t m 1 信号，同时完成以太网信号的二层交换，上行提 供千兆以太网的光接口。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 2 3 2p 2 p 接入系统的组网方式 f t l h 的解决方案及p 2 p 设备研制 p 2 p 接入系统中，o n u 提供的接口容量较大，o n u 和o l t 子板可以单独 作为点到点的传送系统使用。以太网接口可以连接交换机，以扩展接口数量。 用户侧可以利用e 1 通道连接电话交换机，作为p s t n 的传送通道。移动通信 网中也可以利用该传输系统中的e 1 接口作为n o d e b 与r n c 的传送模块。 2 3 3 0 1 _ t 设备结构 o l t 提供的主要功能是完成同用户间的接口，用户各种业务的汇接接入公 众网络、提供网络接口。o l t 提供一个与o n u 相连的光接口，在光接入网 ( o a n ) 的网络端至少提供一个网络业务接口，它位于本地交换局或远端，为 o n u 所需业务提供必要的传送方式。( o l t ) 核心功能模块包括数字交叉连接、 传送复用和o n u 接口功能。 2 3 40 1 _ l 硬件框架 本方案中o l t 由8 个o l t 子板、一个e 1 汇聚板( 包含控制板) ，一个e t h e m e t 汇聚板和背板组成。如图2 3 所示。各个o l t 子板和o n u 板采用对称的设计， 采用一对光模块通过光纤连接。o n u 中的t d m 数据汇聚分离器模块可以 将t d m 信号( 4 路2 m b s 的e 1 信号) 和数据信号( 1 0 0 m b s ) 汇聚到一起， 用15 5 0 n m 波长传送至o l t ，同时o l t 用1 31 0 n m 波长将下行信号传送到o n u 。 o l t 子板与对应的o n u 板构成点到点传输系统。 北京邮电大学硕十学位论文f t l h 的解决方案及p 2 p 设备研制 图2 30 l t 单元组成模块框图 o l t 中e 1 汇聚板和e t h e m e t 汇聚板与各o l t 子板的网口和e l 口分别用 网线连接，e l 汇聚板汇聚2 4 路e l 信号成1 5 5 ms d h 光接口信号，e t h e m e t 汇 聚板完成8 路1 0 0 m 以太网信号的二层交换，上行口为千兆以太网接口。所有 的板卡全部连接到背板上，由背板统一供电，考虑背板上信号可能过多( 每路 以太网最少需要4 跟信号线，每路e 1 最少需要2 跟信号线) 背板的设计难度 比较大，所以如上述各个需要汇聚的业务的信号线通过双绞线连接到各个汇聚 板上。考虑到系统安全性，整个系统机框采用2 2 0 v 交流电源供电，内部由电 源模块转换为一4 8 v 电源通过背板为各单板供电，各单板采取单独电源模块对 4 8 v 电源进行转换，完成本单板供电 2 4 小结 本章讲述了f 1 v r h 的主要接入方案，并对p 2 p 与p o n 技术进行了比较， 得出了p 2 p 入技术有一定的实际应用价值，并阐述了下一代光网络实验研制的 p 2 p 的方案。 1 4 p茹一 卡鞭一 上糕 +b_一器+卡糍 ，上嚣 ，傺。 b_一凝 ，上裟| ，高一 +。p|!一 第三章以太网汇聚卡的设计与实现 卡的设计与实现 由于p 2 p 项目的中为用户提供1 0 0 m b p s 带宽的以太网业务，因此在设计中 如果采用传统的以太网交换机的设计方法，那么在公网上传输的每个用户的以 太网业务速率远