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哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，通信网的主干部分发生了巨大的变化，但在接入网部分却进展 缓慢。由于光纤具有传输频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点，非常适合 作为高速、宽带业务的传输媒质。结合口传输和无源光网络( p o n ) 透明宽带 传送能力优势的以太网无源光网络( e p o n ) ，被认为是实现未来宽带接入乃 至最终实现f ”m ( 光纤到户) 的主要手段。e p o n 中上行接入及动态带宽分 配对提高系统的服务质量，改进e p o n 系统时延及以太网帧丢失率等性能指 标有着重要的意义，是e p o n 系统的关键技术之一。目前，针对e p o n 的帧 结构、带宽分配与性能分析以及如何实现服务质量( q o s ) 保证等问题正成为 国内外的研究热点。 本论文主要对e p o n 上行发现过程和带宽动态分配技术进行了研究。本 文首先介绍了接入网的发展现状和趋势、几种光接入网比较，然后阐明了 e p o n 系统的结构和工作原理、协议层次结构和上下行传输帧结构，分析了 e o p n 的技术特点以及几项e p o n 的关键技术。对发现过程中的两种避免冲 突的算法，通过仿真比较分析，得出在线路利用率变化不大的情况下，随机 时延的算法在降低注册延迟方面更有优势。 本文在基于服务等级的带宽分配算法的基础上进行改进。该算法使用两 层调度机制，将带宽分配分为光网络单元之间( i n t r a o n u ) 和光网络单元内部 ( i n t e r - o n u ) 两层，在i n t r a - o n u 层，光线路终端( o l t ) 负责分配给光网络单 元( o n u ) 一个传输时隙。在i n t e r - o n u 层，o n u 将多种业务流分为不同的等 级，对不同等级的数据给予不同等级的传输带宽。但该算法仍然存在等待时 间和空闲时间的问题。改进后的算法通过对高优先级( e f ) 业务分配给除授权 带宽外的额外带宽，以传送e f 的空闲时间内到达的数据，降低e f 业务的时 延。并将o n u 分为轻重负载，对于轻负载的o n u ，收到报告帧( r e p o r t ) 后，直接进行带宽的分配，并计算剩余带宽。对于重负载的o n u ，o l t 等 待收到所有的r e p o r t 消息后，计算需要分配的带宽，并发送授权( g a t e ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 消息到o n u s 。为充分利用了空闲时间，需要在收到所有o n u 的r e p o r t 消息前，对一部分重负载的o n u 进行授权，以提高了带宽利用率，降低了 时延。 本文利用先进的网络仿真工具o p n e t ，建立了e p o n 网络上行信道介 质访问控制( m a c ) 子层时分复用( t d m a ) 模型，在此仿真平台上对改进算法 进行动态仿真。所有的仿真模型都是建立在有限状态机的基础上，通过与原 来算法进行分析比较，该算法有效的提高带宽利用率，降低平均包延时。 关键词：以太网无源光网络；动态带宽分配( d b a ) ；光网络单元；光线路终 端 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r eg r e a tc h a n g e si nt h eb a c k b o n ec o m m u n i c a t i o n n e w t o k r s ，b u tl i t t l ep r o g r e s si nt h ea c c e s sn e w t o r k t h ef i b e rh a st h ea d v a n t a g e s o fb r o a db a n w d i d t h ，h u g ec a p a b i l i t y , p 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 ne t c ，w h i c h a r eg r e a t l yg o o df o rt h et r a n s m i s s i o nm e d i u mo fh i 曲一s p e e db r o a d b a n dn e w t o r k t h i n k i n go ft h ea c t u a l i t yo ft h ei pn e t w o r ka n dt h ea b i l i yo fe p o nt r a n s p o r t , e p o n ( e t h e m e tp a s s v a eo p t i c a ln e t w o r k ) w i l lb eo n eo ft h em a i ns o l u t i o n st o i 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 w t o r k , e v e nb et h ef i n a lt e c h n o l o g yt o i m p l e m e n tf 兀h u p s t r e a ma c c e s sa n dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nw h i c hp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nr a i s 她t h es e v r i c eq u a l i t yo fe p o na n dr e d u c i n gp a c k e t d e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e ，i so n eo fk e yc r u c i a lt e c h n o l o g i e so fe p o ns y s t e m t h es t r u c t u r eo ff l a m ea n db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i h t m ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o fe p o n ，a n dh o wt or e a l i z eq o s g u a r a n t e e r r eb e c o m i n gd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o ts p o t s t h er e s e a r c hi s m a i n l yf o c u s e do nt h ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n s c h e m e sa n df i n d i n gp r o c e s so fe p o nu p s r t e a mc h a n n e l f i r s t l y , t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h e a c c e s sn e t w o r k , m a k e ss o m ek i n d s o f c o m p a r i s o nw i t ho t h e ro p t i c a la c c e s sn e t w o r k s t h e n ，i l l u m i n a t i n gt h es t r u c u t r eo f e p o ns y s t e ma n dt r a n s m i s s i o nf a m ep r o t o c o l ，o p e r a t i o n p r i n c i p l e ，f i n a l l y , a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e y t e c h n i q u e s o fe p o n a c c o r d i n gt o s i m u l a t i o nr e s u l t , g e t t i n gt h ec o n c l u s i o nt h a tr a n d o md e l a yh a sb e t t e rt i m ed e l a y t h a nr a n d o mb a c ko f f , w i t ht h el i t t l ec h a n g i n go fb a n d w i t hu t i l i z a t i o n b a s e do i l t h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i h t m , w h i c hi s s u p p o r t i n g s e r v i c el e v e l ，a n i m p r o v i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h ea l g o r i t h mu s e st w oa t t e m p e rm e c h a n i s m s ，i n t h ei n t r a - o n u ，t h eo l ta s s i g n sat r a n s m i s s i o nw i n d o wt oe v e r yo n u i nt h e i n t e r - o n u ，s e r v i c e sa r ec l a s s i f i e dd i f f e r e n tp r i o r i t yl e v e l s t r a n s m i s s i o nw i n d o w 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i 宣i is 1 ii lm li ；高譬胄 i sg r a n t e db yd i f f e r e n ts e r v i c e b u tt h e r ea r es i l lw a i tt i m ea n di d l et i m ep r o b l e m i nt h ea l g o r i t h m 1 1 1 ep r o p o s e da l g o r i t h mr e s o l v e dt h ew a i tt i m eb yr e s e r v i n g b a n d w i t hf o re fs e r v i c e ，r e s u l t i n gg o o dt i m ed e l a y a b o u tt h ei d l et i m e ，o l t c l a s s i f i e do n u s 嬲h e a v ya n dl i g h tl o a d n l el i g h to n u sa r eg r a n t e da ss o o na s o l tr e c e i v e sr e p o r t m e s s a g e ，a n do l tc a l c u l a t e st h es u r p l u sb a n d w i t ha tt h e s a m et i m e 1 1 1 eh e a v yo n u sa r eg r a n t e da f t e ra l lr e p o i u m e s s a g e sa r ea r r i v e d i no r d e rt os o l v et h ei d l et i m e ，s o m eh e a v yo n u ss h o u l db eg r a n t e db e f o r ea l l r e p o r tm e s s a g ea r r i v e i nt h i sp a p e r , e p o nn e w t o r km o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n ga d v a n c e d n e w t o r ks i m u l a t i o nt o o lo p n e tt os i m u l a t em p c p ( m u l t i p u lp o i n tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ，w h i c hi sb a s e d o nt d m a o u r p r o p o s e ds c h e m ei ss i m u l a t e db yu s i n g t h i sm o d e l a 1 lt h ee m u l a t i o n sa r eb a s e do nt h ef i n i t es t a t em a c h i n em o d e l c o m p a r i n gw i t ho r i g i n a la l g o r i t h m ，b a n d w i t ha n dt i m ed e l a yh a v em a d eag r e a t p r o g r e s s k e yw o r d s ：e t h e m e tp a s s v a eo p t i c a ln e t w o r k ：d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n o p t i c a ll i n e t e r m i n a l ；o p t i c a ln e t w o r k u n i t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：甜嚼才 日期：m 年3 月膨目 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 自在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：；智、，吞才 日期：叫年) 月f y 日 二罱0 略户口弋年且州 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 网络信息的迅速膨胀以及各种新业务的发展，特别是当前印t v 技术的 迅速发展，都极大的增加了接入网中对宽带的需求。相比于m t v 对带宽的 兆级要求，当前我国绝大部分宽带用户的接入带宽仅能达到几百k b p s 。在上 网高峰期，带宽甚至不能达到1 0 0 k b p s ，口t v 等新业务对接入带宽的要求已 经超出了当前a d s l 能力之所及1 。 在传输带宽方面，光纤具有无与伦比的优势。经过多年的发展，长途干 线光纤通信网络几乎已经铺满全球。过去的1 0 年里光网络经历了巨大的发 展，像密集波分复用( d w d m ) 、光放大、光路由波长交叉连接、波长分插 复用( w a d m ) 和高速交换等先进技术在广域网( w a n ) 获得了成功，从而使电 信骨干网容量大幅增长而且可靠性大大增加m 。骨干网、企业网和家庭网络 的发展和互联网流量的巨大增加使接入网内容量缺乏更加突出。“最后一公 里”依然是大容量骨干网和局域网之间的瓶颈所在。目前最广泛采用的带宽 接入解决方案是“数字用户线( d s l ) ”和“同轴电缆调制解调( c m ) 网络方 案。尽管它们比5 6 k b i t s 拨号接入有了很大的改进，但他们不能提供足够的 带宽以支持视频点播( v o d ) 、互动游戏或双向视频会议等这样的业务。因此 用低廉的无源光分路器取代对环境要求苛刻的有源复用器交换机是非常合 理的。人们认为无源光网络( p o n ) 是“第一公里”的颇具吸引力的解决方案， 它最小化了光收发器数、局端端接数( 指光纤连接器) 和户外光纤的敷设。 p o n 是点对多点，信号源至目的地之间没有有源器件的光网络。p o n 内部使用的部件是无源光部件，像光纤、光分路器等。p o n 技术作为“第一 公里”解决方案越来越受到电信界的关注。p o n 应用到接入网的优势如下： ( 1 ) p o n 使端局到用户的距离更长。基于p o n 的本地环路的距离可达 2 0 k m ，远超过d s l 的最大覆盖范围。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) p o n 最小化了户外和端局内光纤敷设工程质量。p o n 在局端仅用一 根光纤、一个p o n 端口，这样能使端局设备耗电更少，占空间更少。 ( 3 ) p o n 提供更宽的带宽( 由于光纤更靠近用户) 。光纤到楼( f t t b ) 、 光纤到家( f 1 m ) 、甚至光纤到p c 机( f t t p c ) 达到了光纤贯穿用户所有路径 的目标，而光纤到小区( f t t c ) 是目前最经济的。 ( 4 ) 作为点对多点的网络，p o n 适合下行视频组播广播。通过波分复 用可以叠加其他信道到p o n 上而不用改变设备电路。 ( 5 ) p o n 去掉了远置的复用解复用设备，这样免去网络运营商供电、 维护之苦，取代有源复用解复用设备的无源光分合路器可埋在地下。 1 2p o n 技术的发展及比较 光纤接入从技术上可分为两大类：有源光网络( a o n ，a c t i v eo p t i c a l n e t w o r k ) 和无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 。1 9 8 3 年，b t 实验室 首先发明了p o n 技术。p o n 是一种纯介质网络，由于消除了局端与客户端 之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外 部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门 长期期待的技术。p o n 的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率 的信号。目前基于p o n 的实用技术主要有a p o n b p o n 、g p o n 、 e p o n g e p o n 等几种，其主要差异在于采用了不问的二层技术p 1 。 a p o n 是上世纪9 0 年代中期就被i t u 和全业务接入网论坛( f s a n ) 标准 化的p o n 技术，f s a n 在2 0 0 1 年底又将a p o n 更名为b p o n ，a p o n 的最 高速率为6 2 2 m b p s ，二层采用的是a t m 封装和传送技术，因此存在带宽不 足、技术复杂、价格高、承载m 业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。 为更好适应i p 业务，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e p o n 技术，i e e e8 0 2 3a h 工作小组对其进行 了标准化，e p o n 可以支持1 2 5 g b p s 对称速率，随着光器件的进一步成熟， 将来速率还能升级到1 0 g b p s 。由于其将以太网技术与p o n 技术完美结合， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此成为了非常适合i p 业务的宽带接入技术。对于g b p s 速率的e p o n 系统 也常被称g e p o n 。1 0 0 m 的e p o n 与1 g 的e p o n 的不同在速率上的差异， 在其中所包含的原理和技术，是一致的，目前业界主要推广的是g e p o n ， 百兆位的e p o n 也有不多的一些应用。在后面文档中提到的e p o n ，如果没 有特别说明，都是指千兆位的g e p o n 。 e p o n 是几种最佳的技术和网络结构的结合。e p o n 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。目前，i p e t h e m e t 应用占到 整个局域网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上述经济而高效的结构，从而 成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。1 0 g b p s 以太主干和城域 环的出现也将使e p o n 成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决方案。 在一个e p o n 中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终 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1 0 0 0 b a s e 的以太p h y ，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光网络单元( o n u ) 与光线路终端( 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，使用t d m ，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c d m a c d ，从而充分利用带宽。另外，e p o n 通过在m a c 层 中实现8 0 2 1 p 来提供与a p o n g p o n 类似的q o s 。 在e f m a 提出e p o n 概念的同时，f s a n 又提出了g p o n ，f s a n 与i t u 对其进行了标准化，其技术特色是在二层采用i t u t 定义的g f p ( 通用成帧 规程) 对e t h e m e t 、t d m 、a t m 等多种业务进行封装映射，能提供1 2 5 g b p s 和2 5 g b p s 下行速率，和1 5 5 m 、6 2 2 m 、1 2 5 g b p s 、2 5 g b p s 几种上行速率， 并具有较强的o a m 功能h 。如果不考虑e p o n 可以看得到的不久将提升到 1 0 g b p s 速率( 1 0 g 以太网已经成熟) ，当前在高速率和支持多业务方面，g p o n 有优势，但技术的复杂和成本目前要高于e p o n ，产品的成熟性也逊于e p o n 。 光纤接入从9 0 年代初就走上了舞台，总的说来是一种“说得多，做得少” 的技术。p o n 系统无疑是其中佼佼者，e p o n 与g p o n ，两种技术各有千秋， 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 无论是e p o n 技术还是g p o n 技术，其应用在很大程度上决定于光纤接入成 本的快速降低和业务需求，而价格则是最核心因素，a d s l 的发展就充分证 明了这一点。 实现全光纤的f t t h 是宽带接入的发展方向，但是实现全部的光纤接入， 需要一个过程p 1 。设备、光纤、工程成本和应用的业务需求，都是其广泛推 广与使用的关键因素。第一步从f t t b 开始，充分利用p o n 的技术，和现有 的以太网的优势( 成本底、使用广) ，然后逐步过渡到删是一条比较合理 的选择。 1 3e p o n 的市场前景 因为目前运营商既追求网络的运维成本的降低又要实现可运营、可扩展、 可盈利的目标。面对着有巨大发展前景的e p o n 技术，国内外厂商都表现出 浓厚的兴趣。如何把e p o n 作为一项技术推广开去，应用到终端用户上，成 为各大厂商最关心的问题。在过去的几年里，盛力亚、富士通相继进入中国 的市场，格林威尔、讯风光通信也不断有产品问世。中国电信、联通、网通 等电信运营商以及驻地运营商也对e p o n 倍加关注。 在当前的情况下，e p o n 技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进 入市场。m b f t t c + d s l ，f t t b f t t c + l a n 都是不错的选择。d s l 和l a n 是目前中国宽带的两种主要接入方式。但d s l 的距离限制挡住了大量的客 户，传统的l a n 技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽。采用e p o n 技 术，可以通过无源传输网络直接连接到服务区域，再进行d s l 或l a n 扩展， 从而为大范围用户提供服务，而且可以集中进行管理和带宽分配。把o n u 集成到d s l a m ，使用e p o n 能使d s l 突破传统的距离，从而增加约5 0 的 用户，d s l 可以到达的范围和其潜在的用户群都会增加。通过集成o n u 到 电缆调制解调器终端系统( c m t s ) ，e p o n 可以用来给现有的电缆连接提供 带宽，而且可以实现真正的交互式服务，同时降低建设和运营成本。e p o n 技术还可以用来给固定的无线发射塔提供带宽，很好地解决无线接入技术中 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如何将上行数据汇集到中心机房( c o ) 的问题一。 运用e p o n 方式部署网络正逐渐成为宽带网络的一种主流方式，其成长 率超过1 5 0 。该技术充分利用光网络以及无源光分路器特色，降低运营商 设备成本，运维成本，并为用户提供更快更稳定的宽带网络。在其网络上可 以同时承载、视频和数据业务，做到三网合一。业内人士预测，未来几年中 国将在宽带接入方面进入新的增长期，尤其以解决f 1 w 方案为主，e p o n 将成为一种主流宽带接入技术。 目前，富士通利用在日本成功推广e p o n 宽带接入经验，与国内运营商、 集成商合作，已经成功在中国多家运营商，写字楼等铺设宽带网络。另外， 今年我国在武汉、杭州、北京、绵阳等许多城市已经开始大量使用e p o n 系 统。系统长时间可靠稳定运行，得到用户认可，同时，系统从很大程度上降 低了用户网络成本和运营成本。 从运营商和服务提供商的角度来看，e p o n 系统可以带来多方面的好处， 包括降低安装、管理和运营成本，提高投资回报率，增加新的赢利机会，长 期保持竞争优势等。在适当的场合，适时地采用e p o n 系统，无论对于原有 的运营商还是新兴的运营商，都将是一个明智的选择。 1 4 本文的主要工作 本文所展开的主要工作是对e p o n 的关键技术，自动发现和动态带宽分 配的研究，在原有支持服务等级的动态带宽分配算法的基础上，针对等待时 间、空闲时间引起的问题，提出了改进方法，在提高系统带宽利用率的基础 上最大限度地保证不同数据流公平地使用带宽资源，并进一步减少数据包的 延迟，提高数据传输的吞吐量。 本文共分为5 章，各章的主要内容为： 第1 章介绍了e p o n 技术诞生的背景，及其技术特点，以及与传统接入 网比较存在的巨大优势，从而说明e p o n 技术具有巨大的市场前景，体现本 文的研究价值，最后介绍本文的主要研究工作及章节安排。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章总结性的介绍了e p o n 的工作原理、上下行传输特点、网络系统 各个部分的功能，以及它的协议基础和传输帧的结构特点，最后简要的介绍 了它的关键技术，为研究方向的选择奠定基础。 第3 章介绍了o p n e t 仿真技术的基本知识和对e p o n 系统的搭建。在 对e p o n 的通信机制、建模机制、进程建模熟悉的基础上，构建网络仿真模 型，为后续章节算法仿真提供平台。 第4 章阐述了现存各种带宽分配算法，并分析其各自的优缺点，找出各 种算法存在的问题，为算法改进提供切入点。 第5 章主要对发现过程和支持业务等级算法两个问题的研究。对发现过 程遇到冲突时，两种避免方法的研究，以及对原有支持q o s 算法的改进，并 进行仿真，得出结论。 最后，是全文的总结，对今后进一步的工作做出展望。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章e p o n 体系结构及关键技术 2 ie p o n 系统概述 e p o n 基本构想是将成熟的以太协议引入p o n 系统，以提高效率，降低 设备成本。由于i p e t h e m e t 结构在整个数据网络中占主导地位，而以太对i p 的支持非常成熟，对于e p o n 系统，可以直接使用i p 协议来进行管理，包括 对用户端设备和业务的管理，都可以很简单地实现，因此，在支持开展综合 业务和多种服务质量的灵活性和方便性方面，e p o n 的优势也很明显。e p o n 媒质的性质，既不是单纯的共享媒质，也不是单纯的点到点网络，而是二者 的结合。在下行方向，它拥有共享媒质的连接性，而上行方向，它的行为特 性就是如同点到点网络。 2 1 1e p o n 体系结构 一个典型的e p o n 系统主要包含了一个o l t ( o p t i c a ll i n e t e r m i n a l ，光线 路终端) ，多个o n u ( o p f i c mn e t w o r ku n i t ，光网络单元) 和p o s ( p a s s i v e o p t i c a ls p l i t t e r ，无源分光器) 。o l t 位于根节点，通过光分配网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 ) 和各个o n u 相连u 。e p o n 使用的无源器件包括单模光 纤光缆，无源光分配器耦合器( s p l i t t e r c o m b i n e r ) 等。e p o n 使用的有源器 件主要是o l t 和多个o n u 。o l t 位于中心局端，充当交换机和路由器的角 色，o n u 位于用户端，用于暂时存储用户端传来的上行数据或者o l t 传来 的下行数据，并在适当的时候进行数据转发。下行方向，o l t 发出的下行光 信号经1 ：n 光分配器( s p l i t t e r ) 分成n 路光信号，在多根光纤中传输；上行 方向，多个o n u 发出的上行光信号经过n ：1 光耦合器( c o m h i n e r ) 合路成一 路光信号，在一根光纤中传输给o l t p l 。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 下行传输 在下行方向，如图2 1 所示，o l t 发出的以太网数据包经过一个1 ：n 的无源分路器传送到每一个o n u 。n 的典型值在4 - - 6 4 之间，在下行方向因 为以太网具有广播特性，o l t 广播数据包，目的o n u 有选择地提取。 2 1 3 上行传输 图2 1e p o n 下行传输 在上行方向，如图2 2 ，由于无源光合路器的方向特性，任何一个o n u 发出的数据包都只能到达o l t ，而不能到达其他的o n u 。也就是说，e p o n 在上行方向上的行为特性与点到点网络相同。但是，不同于一个真正的点到 点网络，在e p o n 中所有的o n u 都属于同一个冲突域来自不同o n u 的 数据包如果同时传输依然可能会冲突。因此，在上行方向，e p o n 需要采用 某种仲裁机制来避免数据冲突，并在o n u 之间公平的共享信道容量。 图2 2 e p o n 上行传输 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2e p o n 各部分的功能 2 2 1o l t 功能要求 在e p o n 系统中，o l t 既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供 平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口。根据以太网向城域网和广域网 发展的趋势，o l t 上将提供多个g b i t s 和1 0 g b i t s 的以太接口，支持w d m 传输9 1 。如果需要支持传统的t d m 话音，普通电话线和其他类型的t d m 通 信( t 1 e 1 ) 可以被复用连接到附接口，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。 o l t 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 n u 的信令和监控信息，为o n u 提供 维护和供给功能。o l t 可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远 端，与远端集中器或复用器接口。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o n u 以广播方式发送以太网数据。能支持多种业务，提供多个用 户网络接口。 发起并控制测距过程，并记录测距信息。 为o l t 的o n u 侧的可用带宽与o l t 网络侧的可用带宽提供交叉连 接功能。 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。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2o d n 功能要求 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 是由无源光元件( 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w 。o d n 由无源光分路器 ( p o s ) 和光纤构成。具有光波长透明性、互换性和光纤兼容性等光特性。o d n 的部署相当灵活。由于是无源操作，几乎可以适应于所有环境。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。 2 2 3o n u 功能要求 e p o n 中的o n u 采用了技术成熟而又经济的以太网协议，在中带宽和 高带宽的o n u 中实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类 型的o n u 可以通过层叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使 用以太协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现o n u 对用户数 据的透明传送。o n u 也支持其他的传统的t d m 协议，而且不会增加设计和 操作的复杂性。在更高带宽的o n u 中，将提供大量的以太接口和多个t 1 e 1 接口。 o n u 为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用户侧。 o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信号并为多个小企业用户和 居民住宅用户提供业务接口。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因 此o n u 需要有光电和电光转换功能，还要完成对语声信号的数模和模 数转换、复用、信令处理和维护管理功能“。其位置有很大灵活性，既可以 设置在用户住宅处，也可以设置在d p ( 分线盒) 处甚至f p ( 交接箱) 处，按照 o n u 在用户接入网中所处的位置不同，可以将o a n ( o p t i c a l a c c e s sn e t w o r k ) 划分为几种基本不同的应用类型，即光纤到路边( f t t c ) ，光纤到楼( f t t b ) 以及光纤到办公室( f t t o ) 和光纤到户( f 砌) 。o n u 为用户提供e p o n 接 入的功能： l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 提供用户业务接口以及其它相关的以太网功能。 从e p o n 中功能划分可以看出，e p o n 中较为复杂的功能主要集中于 o l t ，而o n u 的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。 2 3e p o n 分层模型和传输帧 2 3 1e p o n 协议层次 i e e e 8 0 2 3 层次结构 图2 3i e e e s 0 2 3 层次模型与开放系统互联参考模型的关系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 3 a h 定义的e p o n 协议分层结构如2 3 图所示。i e e e s 0 2 3 委员 会的工作范畴是在开发系统互联参考模型下面的物理层和数据链路层。这两 层的每一层又分为若干子层和接口。i e e e 8 0 2 3 标准把物理层从低到高分成 如下子层和接c i “。媒质相关( m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a 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。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 u nd e p e n d e n t ，p m d ) 负责与传输媒质的接口。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。物理编码子层 ( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ，p c s ) 负责把数据比特编成合适物理媒质传输的码 组。吉比特m a c 和解比特物理层之间的解比特媒质无关接口( g i g a b i t m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，g m i i ) 允许多个。 2 3 2e p o n 传输帧结构 m p c p 帧通常称作m p c p 数据单元，m p c p 定义了5 个帧用于在o l t 和 o n u 之间进行信息交互：授权( g a t e ) 帧、报告帧( r e p o r t ) 、注册请求帧 ( r e g i s t e rr e q ) 、注册帧( r e g i s t e r ) 、和注册确认帧( r e g i s t e ra c k ) 。 所有的数据单元均是6 4 字节的m a c 控制帧，这些帧由以下几个域组成，如 图2 4 所示。 数据域字节数 目的地址( d a ) 源地址( s a ) 长度类型- - - 8 8 明 操作码 时间标签 信息域 帧序列校验( f c s ) 图2 4 e p o n 传输帧结构 6 6 2 2 4 竹 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 目的地址( d a ) ：m a c 控制帧的目的地址域包含该帧发往地的4 8 比 特地址。除了注册帧以外，所有的m p c p 数据单元使用4 8 比特组播地址的： 0 1 8 0 c 2 0 0 0 0 0 1 ，注册帧的目的地址是目的o n u 的单播m a c 地址。 ( 2 ) 源地址( s a ) ：m a c 控制帧源地址域包含该帧发出地的4 8 比特地址。 在o l t 侧，l t e 功能用一个g m i i 接口承载多个m a c 实体，可以分配给这 些m a c 实体一个唯一的地址。从o l t 发出的帧应当使用发出帧的m a c 实 体所对应的地址作为源地址。 ( 3 ) 长度类型：m a c 控制帧的长度类型域是2 字节，值为1 6 进制的 8 8 0 8 。这个值用作标识m a c 控制帧。 ( 4 ) 操作码：操作码用于标识不同的m a c 控制帧，定义如下。 0 0 一0 1 ：p a u s e 帧( 暂停帧) 0 0 0 2 ：g a t e 帧( 授权帧) 0 0 0 3 ：r e p o r t 帧( 报告帧) 0 0 0 4 ：r e g i s t e rr e q 帧( 注册请求帧) 0 0 0 5 ：r e g i s t e r 帧( 注册帧) 0 0 0 6 ：r e g i s t e ra c k 帧( 注册确认帧) ( 5 ) 时间标签：时间标签域携带m p c p 时钟对应发送d a 第一个字节的 时钟值，时间标签用于同步o l t 与o n u 的m p c p 时钟。 ( 6 ) 信息域：该域承载特定的m p c p 功能的信息，信息域净荷不足4 0 字节时，未使用部分填充0 。 ( 7 ) 帧校验序列：该域包含该m a c 的c r c 3 2 校验值，用于校验接受 帧的完整性。 2 4e p o n 的关键技术 2 4 1o n u 的发现注册 图2 5 显示了自动发现的交互流程m 1 。自动发现过程包括如下几步： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) o l t 侧发现代理指示“生成发现授权过程 发送一个发现授权消息， 该消息目的地址的为组播m a c 地址并且在广播信道传送( l l i d = o x 7 f f f l 6 ) ， o n u 侧的“接受授权过程”将发现授权接受并校验，该发现授权在今后激活 时使用； o l t o n u 时间 时同 一- m p c p d u 在广播链路上发送 m p c p d u 在单播链路上发送 图2 5o n u 的发现注册过程 ( 2 ) 在初始化的同时，o n u 侧的发现过程生成注册请求信息，这条信息 一直存放在缓存中直到发现授权被激活； ( 3 ) 在处理o n u 注册帧的同时，发现代理生成一个唯一的l l i d 值，“生 成注册帧过程 将注册帧发给o n u 。该消息虽然是给特定的o n u ，但将在 广播信道上传输。此时l l i d 还没有分配到o n u 侧。在o n u 侧，注册消息 被交递给发现代理。一旦发现代理处理了注册消息，o n u 立即接受单播逻辑 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 链路上的数据( 所有的l l i d 指向该o n u 的帧) ； ( 4 ) 在处理完注册帧之后，d b a 代理为新近注册的o n u 分配一个普通 授权。这个授权的目的是让o n u 可以发送一个确认消息给o l t 。