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EPON 关键技术及其应用毕业论关键技术及其应用毕业论 文文 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 本论文的研究内容 4 第第 2 章章 EPON 技术概述技术概述 5 2 1 xPON 综述 5 2 2 EPON 技术的概念及特点 6 2 3 EPON 的网络结构和体系结构 11 2 3 1 EPON 的网络结构 11 2 3 2 参考模型 12 2 3 3 协议栈 13 2 3 4 EPON 各部分的功能 14 第第 3 章章 EPON 的关键技术的关键技术 17 3 1 多点控制协议 17 3 2 测距与同步 22 3 3 QoS 和 OAM 23 3 4 动态带宽分配 24 3 5 安全性考虑 25 第第 4 章章 EPON 的应用的应用 26 4 1 EPON 的应用特点 26 4 2 EPON 在接入网中的应用模型 26 4 2 1 EPON 在小区接入中的应用 26 4 2 2 EPON 在工业区接入中的应用 28 4 2 3 EPON 在商务街区接入中的应用 29 4 2 4 EPON 在边远地区接入中的应用 31 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 4 3 EPON 组网实例 32 4 3 1 商务街区应用实例 32 4 3 2 边远地区应用实例 32 第第 5 章章 总结与展望总结与展望 34 参考文献参考文献 35 致谢致谢 36 附录附录 主要英文缩写语对照表主要英文缩写语对照表 37 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 接入网已成为制约全网进一步发展的瓶颈 随着光纤传输技术的发展 光纤 正逐渐应用到接入网领域 由于光纤具有极高的带宽和优越的抗干扰传输特性 光接入网 Optical Access Network OAN 将成为未来有线接入网的必然发展趋 势 所以光纤到家 FTTH 的技术和应用迅速发展 已经成为世界范围内的热 点之一 自从无源光网络 Passive Optical Network PON 概念提出以来 一直被业 界看好 PON 是通过单一平台综合接入语音 视频 数据等多种业务的理想物理 平台 由于其易维护 高带宽 低成本等优点 成为光接入网未来发展的方向 目前比较流行的 PON 技术主要有 APON ATM Passive Optical Network ATM 无源光网络 EPON Ethernet Passive Optical Network 以太网 无源光网络 和 GPON Gigabit passive Optical Network 吉比特无源光网络 起初人们认为将 ATM 技术和 PON 技术相结合的 APON 技术是实现综合接入的 理想模式 然而 由于数据业务的爆炸式增长 ATM 技术暴露出低效率 协议 复杂且成本过高等缺点 并未得到大规模的应用 在这种背景下 由 IEEE 802 3 以太网第一公里任务工作组 Ethernet in the First Mile Study Group EFM 负责 制定的 EPON 标准孕育而生 而 GPON 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业应用系统 考虑到以太网的普遍性及其低成本高带宽 的优点以及光纤网的低成本 大容量的特性 EPON 被认为是解决 最后一英里 或 第一英里 针对用户来说 问题极富前景的解决方案 1 EPON 采用点到多点结构 无源光纤传输方式 比其他接入技术具有独特的 优势 主要体现在以下几个方面 2 1 与现在以太网的兼容性 以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域 网技术 EPON 是对现有的 IEEE802 3 协议作一定补充 基本上是以太网技术兼 容 考虑到以太网的市场优势 PON 与以太网的兼容性是其最大的优势之一 2 低建设成本 EPON 系统显著减少了光纤 光收发模块 中心局设备的 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 数量 另外 由于光电子器件的成本不断降低 EPON 的接入成本已可与 ADSL Asymmetrical Digital Subscriber Line 非对称数字用户线路 Cable Modem 电缆调制解调器 相比 特别是目前光纤的价格比电缆还低 这些条件 成为 FTTH 发展的基础 同时 以太网的相关器件 设备价格低廉 用 EPON 做 接入网 成本低 通用性好 效率高 管理简单 3 低运营维护成本 局端与用户之间仅有光纤 光分 合路器等光无源器 件 无需租用机房 无需配备电源 无需有源设备维护人员 因此可有效节省运 营维护成本 4 覆盖范围大 EPON 可以达到 20 km 的传输距离 避免了传统传输介质 如双绞线 五类线 Cable 等 的距离瓶颈问题 5 高带宽 由于 EPON 采用复用技术 能够提供高达 1 Gbps 的上下行带 宽 这比目前的接入方式 如 ADSL Cable Modem 都要高得多 EPON 可以为用 户提供高带宽 可以满足宽带上网 视频点播 在线游戏 可视电话 数字高清 电视等各种业务的带宽需求 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 6 支持多种业务 由于 EPON 系统建立在 IP 的技术上 因此 EPON 系 统支持各种以 IP 技术为基础的网络服务 使电视网 电信网 互联网 三网 的融 合也成为现实 7 高的接入可靠性 整个光传输通道为光纤和无源光器件 可以有效避 免电磁干扰和雷电的影响 保证信号传输质量 8 便于管理 对业务透明 便于系统升级 管理和引进新业务 9 统一的标准 IEEE 802 3ah 工作小组从 2001 年 11 月就开始进行 EPON 的标准化工作 大约有 70 个公司加入了这个工作小组 包括 Cisco Nortel SBC Worldcom Verizon Salira Broadcom Agere Inte BroadLigh Alcatel 等 2004 年 6 月 27 日 IEEE 己经正式推出了关于 EPON 系 统的 802 3 ah 协议 基于上述原因 EPON 己经成为最具有发展前途的宽带接入技术 它得到了 广泛的重视 目前各国都投入一定的力量进行相关技术的研究 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 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 EPON 技术 国内外厂商都表现出浓厚的 兴趣 如何把 EPON 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 EPON 倍加关注 在当前的情况下 EPON 技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进入市 场 FTTB FTTC DSL FTTB FTTC LAN 都是不错的选择 DSL Digital Subscriber Line 数字用户线路 和 LAN Local Area Network 局域网 是目前 中国宽带的两种主要接入方式 但 DSL 的距离限制挡住了大量的客户 传统的 LAN 技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽 采用 EPON 技术 可以通过无源 传输网络直接连接到服务区域 再进行 DSL 或 LAN 扩展 从而为大范围的用户 提供服务 而且可以集中进行管理和带宽分配 把 ONU 集成到 DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer 数字用户线路接入复用器 使用 EPON 能 使 DSL 突破传统的距离 从而增加约 50 的用户 DSL 可以到达的范围和其潜 在的用户群都会增加 通过集成 ONU 到 CMTS Cable Modem Termination Systems 电缆调制解调器终端系统 EPON 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 EPON 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如何将上 行数据汇集到中心机房的问题 运用 EPON 方式部署网络正逐渐成为宽带网络的一种主流方式 该技术充分 利用光网络以及无源光分 合路器的特点 降低了运营商的设备成本 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语音 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 FTTH 方案为主 EPON 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 EPON 宽带接入的经验 与国内运营商 集成商合作 已经成功地在中国多家运营商 写字楼等铺设宽带网络 另外 今 年我国在武汉 杭州 北京 绵阳等许多城市己经开始大量使用 EPON 系统 系 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 统长时间可靠稳定运行 得到用户认可 同时 系统在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 EPON 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 EPON 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 2 本论文的研究内容本论文的研究内容 本论文主要分为 5 章 具体划分如下 第 1 章介绍了 EPON 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 EPON 技术具有巨大的市场前景 体现本文的研究 价值 最后介绍本文的章节安排 第 2 章总结性的介绍了 EPON 的工作原理 上下行传输特点 系统各个部分 的功能 以及 EPON 的协议基础和传输帧的结构特点 第 3 章详细的介绍了 EPON 的关键技术 第 4 章阐述了 EPON 的组网应用以及浅谈了 EPON 的组网实例 第 5 章总结了全文的工作 并对今后的工作加以展望 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 第第 2 章章 EPON 技术概述技术概述 2 1 xPON 综述综述 1987 年英国电信公司的研究人员最早提出了 PON 的概念 1995 年 FSAN 联盟成立 目的是要共同定义一个通用的 PON 标准 1998 年 ITU T 以 155Mbit s ATM 技术为基础 发布了 G 983 系列 APON ATM PON 标准 同时 各电信设备制造商也研发出了 APON 产品 目前在北美 日本和欧洲都有 APON 产品的实际应用 但在我国由于价格较高且 ATM 技术效率不高 协议复杂推广 受阻 所以 APON 在我国几乎没有什么应用 2000 年底 一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟 EFMA 提出基于 以太网的 PON 概念 EPON 并促成 IEEE 在 2001 年成立第一英里以太网 EFM 小组 开始正式研究包括 1 25Gbit s 的 EPON 在内的 EFM 相关标准 EPON 标准 IEEE802 3ah 已于 2004 年 6 月正式颁布 我国在 十五 863 计 划中也设立了吉比特 EPON 的相应课题 2001 年底 FSAN 更新网页 把 APON 更名为 BPON 即 带宽 PON 实际上 在 2001 年 1 月左右 EFMA 提出 EPON 概念的同时 FSAN 也开始进行 1Gbit s 以上的 PON GPON 标准的研究 2003 年 3 月 ITU T 颁布了描述 GPON 总 体特性的 G 984 1 和 ODN 物理媒质相关 PMD 子层的 G 984 2 GPON 标准 2004 年 3 月和 6 月发布了规范传输汇聚 TC 层的 G 984 3 和运行管理通信接口 的 G 984 4 标准 表 2 1 依据相关标准规范描述了 BPON EPON 和 GPON 的主 要特征 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 表表 2 1 BPON GPON 和和 EPON 的技术参数的技术参数 2 2 EPON 技术的概念及特点技术的概念及特点 EPON 利用以太网作为其第二层的成帧协议 数据传输采用可变长度的包 最长达 1518 字节 这时 IP 数据来说是最好的 因为 IP 数据的平均包长为 500 1200 字节 EPON 对上行数据流和下行数据流传输采用不同的方法 在下行链路上 OLT 以广播方式发送以太网数据帧 通过 N 的无源分光器 数据帧到达各 项目BPONGPONEPON 下行速率 155 52M 622 08Mbit s 1 25G 2 5Gbit s1 25Gbit s 上行速率155 52Mbit s 156M 622M 1 25G 2 4 Gbit s 1 25Gbit s 分支数16 或 3264 理论上 128 32 64 线路编码NRZNRZ8B 10B 最大传输距离 km 206020 TDM 支持能力TDM over ATM TDM over ATM TDM over Packet TDM over Ethernet 上行可用宽带 Mbit s 传输 IP 业务 500 在上行 622Mbit s 速率情况下 1600 在上行 1 244Gbit s 速率情况下 760 860 OAM有有有 下行数据加密搅动或 AES 加密AES 加密没有定义 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 ONU ONU 通过检查接收到的数据帧的目的媒体接入控制 MAC 地址和帧类 型来判断是否接收此帧 3 4 图 2 1 表达 EPON 系统采用 WDM 技术 实现单纤双向传输 图图 2 1 EPON 的的 WDM 技术技术 为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号 采用以下两种复用技术 1 下行数据流采用 TDM 技术 2 上行数据流采用 TDMA 技术 图 2 2 中表述 EPON 的下行传输原理 数据从 OLT 到多个 ONU 广播式下行 根据 IEEE802 3 协议 每一个包的包头表明是给 ONU ONU1 ONU2 ONU3 ONUN 中的唯一一个 另外 部分包可以是给 所有的 ONU 广播式 或者特殊的一组 ONU 组播 在光分路器处 流量分成 独立的三组信号 每一组载有所有指定 ONU 的信号 当数据信号到达该 ONU 时 它接收给他的包 摈弃那些给其它 ONU 的包 举例说明 图 2 2 中 ONU1 收到 包 1 2 3 但是它仅仅发送包 1 给终端用户 1 摈弃包 2 和包 3 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 图图 2 2 EPON 工作原理工作原理 下行数据传送下行数据传送 图 2 3 中表述 EPON 的上行传输原理 在上行链路上 各 ONU 的数据帧以 突发方式通过共同的无源分配网传输到 OLT 因此必须有一种多址接入方式保证 每个激活的 ONU 能够占用一定的上行信道带宽 与卫星通信的多址方案类似 可选的方案有 波分多址 WDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 和随机接入 CSMA CD 最理想的接入方式应该是 WDMA 方式 即 每一个 ONU 占用一个波长 OLT 根据波长的不同来区别 ONU 但由于可调 光收发器成本较高 WDMA 方式使 EPON 的管理较为复杂 随机接入的 CSMA CD 协议的带宽利用率太低 网络跨距受协议限制 且无法支持 QOS 应用 CDMA 中存在多址干扰 光正交码有限和扩频带宽远大于用户数据带宽等问题 EPON 的服务对象是家庭用户和小企业 考虑到业务的不对称性和 ONU 的低成 本 EFM 工作组决定在上行链路上采用 TDMA 方式 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 图图 2 3 EPON 工作原理工作原理 上行数据传送上行数据传送 EPON 的标准是 IEEE802 3ah 标准中定义了 EPON 的物理层 MPCP 多点 控制协议 OAM 运行管理维护 等相关内容 IEEE 制定了 EPON 标准的基 本原则是尽量在 802 3 体系结构内进行 EPON 的标准化工作 最小程度地扩充标 准以太网的 MAC 协议 采用 1Gbps 双向对称数据速率 传输距离为 10km 和 20km 两种物理层规范 采用 WDM 方式实现单纤双向传输 上 下行分别使用 1310nm 波长和 1490nm 波长进行传输 目前可以提供 EPON 核心芯片的专业厂商不到 10 家 其中不包括自主设计 芯片的系统厂商 在标准讨论的过程中 这些厂商就已开始芯片的设计和验证 因此在 802 3ah 标准正式颁布时 他们大多数都已推出了第二代和标准完全兼容 的芯片 可以迅速支持 EPON 系统的大规模部署 日前 EPON 的核心芯片已发展到第三代 SOC system on chip 阶段 集成 了多端口标准以太网的 MAC 和 PHY SRAM CPU 以及 PON 专用的 SerDes 以这种芯片为核心 只需要增加少数的外围器件 如模块和接口电路 就可以构 成一个完整的系统 某些厂商提供的 ONU 参考设计 面积只有手掌一半那么大 最近 我国杭州开鼎科技有限公司 中国唯一拥有 EPON 芯片核心技术的国 内企业 日前与中国电力科学研究院通信与用电技术分公司就 基于 PON 的配 用电光通信 OLT ONU 芯片合作开发 正式投产强保护 高安全 低功耗 体积 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 小的芯片 据介绍 开鼎科技自创建伊始即专注于光接入网核心芯片的研发 是中国第 一家 全球第四家 EPON 系统核心芯片供应商 在对 EPON 系统核心芯片拥有自 主知识产权的基础上 KDT 为产业链提供应用系统的设计开发服务 为光网络终 端制造商提供简便易用 高性价比的芯片产品 EPON 光收发模块的产业链已经完整并开始与 EPON 系统的发展互相推动 二者开始步入良性循环的轨道 ONU 模块的价格从最初的 200 美元以上下降到目 前不足 50 美元 价格水平已经和普通的千兆以太网光模块相当 模块价格的下 降反过来又带动了 EPON 系统的规模部署速度 日本和韩国都已开始了大规模的 EPON 商业化应用 EPON 模块的主流厂商也从日本和美国转移到中国的台湾和内陆 现在能够 提供 EPON 模块的厂商已经有 10 20 家 提供 EPON 系统的最初都是一些新兴专业厂商 如 Alloptic 和 Salira 现在 传统的主流电信大厂也开始进入该领域 如 富士通 UT 斯达康和烽火集团 极大地带动了 EPON 的产业化发展 我国从 EPON 国际标准制订一开始就把 EPON 列入国家的 863 重大项目 支持格林威尔等国内厂商对 EPON 关键技术进行攻关 2004 年初完成 863 项 目的验收 之后滚动投入二期资金支持优秀厂商进行 EPON 系统的商业化推广 现在 能够提供商用 EPON 系统的厂商近 10 家 从技术水平上看 因为几乎同 步开发 国内外厂商的差别很小 而价格方面 国内厂商占优 影响成本的因素是多方面的 比如 技术复杂度 规模产量以及市场应用规 模 从技术角度来看 EPON 进入门槛 很低 容易吸引大批厂商加入 EPON 产业联盟 EPON 继承了以太网 简单即是美 的优点 尽量只做最小的改动来 提供增加的功能 这就使得传统的以太网芯片厂商可以很容易地进行 EPON 芯片 设计 新的设计公司也能利用随处可得的以太网相关 IP core 具有知识产权的设 计内核 来加入 EPON 芯片设计的阵营 目前 EPON 的第三代芯片的价格并不比 前两代芯片价格高 甚至还有下降的趋势 功能却不可同日而语 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 从产量规模角度来看 EPON 系统厂商在标准制订过程中就已经开发了早期 的系统 开始进行小规模现场试验 一方面随着标准的演化及时跟进 另一方面 也为将来的的大规模部署积累着相关的工程和服务经验 这样在标准颁布之时就 早已做好了各方面的准备 一旦需求爆发 马上就能够大规模部署 日本 Yahoo BB 之所以能在 EPON 标准刚正式颁布不久即大规模采用 EPON 部署 FTTH 就 是因为 EPON 的工艺技术如火纯青 这反而又大大促进了 EPON 产业的发展 仅 其一家的采购规模就足以拉低 EPON 光模块的价格 EPON 模块价格已接近传统 模块 目前对 EPON 多业务能力质疑最多的就是它传输传统 TDM 业务的能力 且 不说目前 EPON 设备厂商采用的各种 TDM over Ethernet 的专利技术提供了 EPON 单一网段的 TDM 业务传输通道 从测试结果来看 其性能完全满足 1 5ms 时延 等指标要求 完全符合传统 TDM 业务的应用标准 就是在普通的以太网设备上 也可以使用各种标准的 PWE3 Pseudo Wire Emulation Edge To Edge 设备提供跨 网段 端到端的 透明的传统点对点 TDM 通道 而且 随着传统 TDM 业务量 所占比例的日趋减少 使用分组交换技术 把 TDM 业务收容到日益扩大的分组 网络中来 无疑将是一种更为经济的手段 即使是现在部署的 G EPON 系统 也 会更看重其对各种以太网数据业务的支持能力 对于 IPTV VOIP 等 IP 以太网基础上的多业务 EPON 更是可以很好地承载 对模拟的 CATV 业务 EPON 采用增加一个波长进行承载 在安全性方面 EPON 也使用标准的基于 AES 的加密技术 2 3 EPON 的网络结构和体系结构的网络结构和体系结构 2 3 1 EPON 的网络结构的网络结构 EPON 的网络结构如图 2 4 所示 EPON 位于业务网络接口 SND 到用户 网络接口 UNI 之间 即接入层 主要分成三部分 一个光线路终端 Optical Line Terminal OLT 多个光网络单元 Optical Network Unit ONU 和光分 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 配网络 Optical Distribution Networks ODN 5 其中 OLT 设备位于中心局端 Center Office CO 充当交换机和路由器的角色 ONU 设备位于用户端 用 于暂时存储用户端传来的上行数据或者 OLT 传来的下行数据 并在适当的时候 进行数据转发 ODN 由光纤和光分路器 合路器 Sputter Combiner 等无源器件 组成 用户经过 EPON 通过 OLT 所连接的不同 SNI 节点 可以接入 Internet PSTN 等网络 能够为用户提供多种不同的网络服务 图图 2 4 EPON 的网络结构的网络结构 2 3 2 参考模型参考模型 以太网无源光纤网络 EPON 是一种采用点到多点 P2MP 结构的单纤双 向光接入网络 其典型拓扑结构为树型 参考结构如图 2 5 所示 图图 2 5 EPON 参考结构参考结构 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 EPON 系统由局侧的光线路终端 OLT 用户侧的光网络单元 ONU 和光 分配网络 ODN 组成 为单纤双向系统 在下行方向 OLT 到 ONU OLT 发送的信号通过一个 1 N 的无源光分路器 或几个分路器的级联 到达各个 ONU 在上行方向 ONU 到 OLT 一个 ONU 发送的信号只会到达 OLT 而不 会到达其他 ONU 为了避免数据冲突并提高网络利用率 上行方向采用 TDMA 多址接入方式并对各 ONU 的数据发送进行仲裁 ODN 在一个 OLT 和一个或多 个 OUN 间提供一条或多条光通道 每个光通道被限制在一个特定波长窗口内 由于是无源分路 因此在保密性和安全性方面需要采取特殊措施 ODN 由 POS 和光纤构成 POS 是一个连接 OLT 和 ONU 的无源设备 可以 置于全天候环境中 它分发下行数据并集中上行数据 一般一个 POS 的分线比为 8 16 32 或 64 并可多连接 OLT 位于中心交换局的机架上 它既是一个交换机或路由器 又是一个多业 务提供平台 提供 EPON 系统与业务供应商的核心数据 视频和电话网络间的接 口 它通过一个 EMS 链接到业务供应商的网络上 OLT 可提供各种广域网接口 可与 DCS 话音网关 IP 路由器等设备相连 还可提供多个吉比特以太网和 10 吉比特以太网接口 提供第二层和第三层的交换与路由功能 OLT 根据需要配置 多块 OLC 光线路卡 OLC 与多个 ONU 通过 POS 无源光切分器 连接 ONU ONT 位于用户端 放在一个住户 企业或 MDU MTU 处 ONU 与 ONT 的区别在于 ONT 直接位于用户端 而 ONU 与用户间还有其他网络如以太 网 ONU 提供客户的数据 视频和电话网络与 PON 间的接口 ONU 的主要功能 是接收光信号并将其转换为客户需要的形式 如以太网 IP 多播 POTS T1 等 EPON 的独特之处是 ONU 除了终接和转换光信号外 还提供第二层和第三层交 换功能 允许在 ONU 上实现企业数据流的内部路由 2 3 3 协议栈协议栈 图 2 6 描述了 EPON 系统的协议分层以及与 ISO IEC OSI 参考模型之间的关 系 由于 EFM 工作组的目的是以尽量小的协议改动将以太网引入接入网范畴 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 目前暂定的协议分层 图 2 6 与千兆以太网的协议分层相比 物理层定义几乎 相同 主要改动是增加功率控制功能 主要的区别是在数据链路层增加了两个 子层 多点接入子层和以太网仿真 安全子层 多点接入子层用于支持上行和下行 链路的多点接入 仿真子层的作用是将一点对多点的通信等效为传统以太网的对 等实体的通信 P2P 安全子层主要用于下行链路的 MAC 帧加密 6 图图 2 6 EPON 协议分层和协议分层和 OSI 参考模型间的关系参考模型间的关系 从 EPON 的结构图和协议分层图可以看出 EPON 中较为复杂的功能主要集 中于 OLT ONU 应尽量简单和廉价 并且在 EPON 中 一方面由于传统的点到 点的光纤线路已转变为点到多点的光传输结构 类似于卫星通信 在上行的 TDMA 方式中必须考虑延时 快速同步和功率控制等问题 另一方面由于传统的 MAC 层的 CSMA CD 协议在 EPON 中已被弃用 必须在 802 3 协议栈中增加支持 EPON 的 MPCP 协议 OAM 和 QoS 机制 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 2 3 4 EPON 各部分的功能各部分的功能 1 ONU 的功能的功能 ONU 位于用户端 终结来自 ODN 的光信号 并为用户提供各种服务接口 实现用户接入 ONU 的网络侧是光接口而用户侧是电接口 因此 ONU 需要提供 一系列光物理接口 实现光 电 电 光的转换以及上行数据的突发发送和下行数 据的连续接收 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 ONU 的位置有很大灵活性 既可以设置在用户住宅处 也可以设置 在 DP 分线盒 处甚至 FP 交接箱 处 按照 ONU 在用户接入网中所处的位 置不同 可以将 OAN 划分为几种基本不同的应用类型 即光纤到路边 FTTC 光纤到楼 FTTB 光纤到办公室 FTTO 和光纤到户 FTTH ONU 作 为客户端设备 应该具有低廉的成本以及即插即用的特性 ONU 实现的功能如下 1 接收 OLT 发送的广播数据 判断是否将数据转发给用户 取出属于该 ONU 的信息并合理安排要发送给 OLT 的信息 2 响应 OLT 发出的注册 测距 带宽分配及功率控制等命令 3 对用户的数据进行缓存 并在 OLT 分配的发送窗口中向上行方向发送 数据 4 其它相关的以太网功能和 QoS 功能 2 OLT 的功能的功能 OLT 是整个 EPON 系统的核心部件 既是一个交换机或路由器 又是一个多 业务提供平台 根据以太网向城域网和广域网发展的趋势 OLT 向上将提供 Gpbs 和 l OGpbs 的高速接口 支持 WDM 传输 还提供在 ODN 上高效发送或接 收分组数据的能力 包括复用需送至各 ONU 的信息以及识别来自各 ONU 的信息 同 时利用突发业务的统计复用特性 针对用户的服务等级协议 Service Level Agreement SLA 的不同要求进行带宽分配 提高信道利用率 保证多种业务对 传输带宽使用的公平性 支持 QoS 功能 提供有效的用户管理机制 能够实现 AAA Authentication Authorization and Accounting 同样也提供光物理接口 实现光 电 电 光的转换以及上行数据的突发接收和下行数据的连续发送 OLT 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 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 OLT 主要实现以下功能 1 向 ONU 以广播的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 2 发起并控制测距过程 并记录测距信息 3 发起并控制注册过程 使 ONU 自动发现注册 4 为 ONU 分配带宽 即控制 ONU 发送数据的起始时间和发送窗口大小 5 为 OLT 的 ONU 侧的可用带宽与 OLT 网络侧的可用带宽提供交叉连接 功能 6 其它相关的以太网功能 3 ODN 的功能的功能 ODN 是一个连接 OLT 和 ONU 的无源设备 呈树形分支结构 具有光波长 透明性 互换性和光纤兼容性等光特性 它的功能是分发下行数据和集中上行数 据 ODN 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 ODN 的分线率为 8 或 16 并可以进行多级连接 从 EPON 的功能划分可以看出 EPON 中较为复杂的功能主要集中于 OLT 而 ONU 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 7 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 第第 3 章章 EPON 的关键技术的关键技术 EPON 具有很高的性价比 能够为终端用户提供可靠的数据 话音和视频业 务 其带宽远远大于现有的其它接入网技术 目前对 EPON 系统的几种关键技术 的研究的内容和难点如下 8 9 3 1 多点控制协议多点控制协议 多种控制协议 Multi Point Control Protocol 由 IEEE802 3ah 任务组 10 开发 MPCP 是为 MAC 控制子层的一种双向消息协议 它使用消息 状态机和时钟来 控制 P2MP 拓扑结构的访问 一个 P2MP 的 PON 结构由一个 OLT 和多个 ONU 组成 结构中的每个 ONU 包含一个 MPCP 实例 用于和位于 OLT 的 MPCP 实 例通信 MPCP 负责仲裁多个 ONU 的数据传输 它指定了实现 P2MP 的 PON 结 构中上行信道资源的无碰撞分配机制 MPCP 不涉及任何具体的带宽分配算法 而是提供了一个实现 EPON 中各种带宽分配算法的框架 11 EPON 系统实现的重点和难点是在上行方向上 故 IEEE802 3ah 工作组重点 讨论了 MPCP 协议 定义 MPCP 协议的目标是 12 1 支持具体的点到点仿真 P2PE 2 OLT 处支持多个 LLIDs 和 MAC 客户 3 每个 ONU 支持单个 LLID 4 支持单拷贝广播机制 5 允许动态分配带宽的灵活体系结构 6 使用 32bit 的时间标签 7 基于体系结构的 MAC 控制 8 发现设备的测距目的是提高网络性能 9 连续的测距目的是补偿 RTT 时间浮动 MPCP 在已有的 Ethernet 控制帧的基础上又定义了 5 个控制帧 以实现 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 EPON 系统的启动注册 时间同步 时隙分配等功能 MPCP 功能的实现位于分 层结构的 MAC 控制子层 在 EPON 的标准体系中 IEEE802 3ah 中 主要定义了以下 5 种控制帧 GATE REPORT REGISTER REQ REGISTER 及 REGISTER ACK 其中前 两个用于控制数据的发送 后三个用于 ONU 的自动发现模式 自动发现模式用 于检测新连接的 ONU 并测量它的往返时间 RTT Round Trip Time 和 ONU 的 MAC 地址 控制帧的一般结构如表 3 1 所示 13 表表 3 1 MPCP 控制帧的一般结构控制帧的一般结构 Preamble SFD8bytes MAC DA 6bytes MAC SA 6bytes Length Type 8808 2bytes Opcode2bytes Time Stamp4bytes Data Reserved Pad40bytes FCS4bytes 以太控制帧的类型值为 0 x8808 以太数据帧的类型字段则为它的长度 不同 的控制帧有着不同的操作码和数据 保留 填充区 时间戳用于携带时间信息 以 同步整个 EPON 系统 其他部分与通常 MAC 帧定义均相同 由表 3 1 可以看出 每种控制帧除去前导码 帧起始定界符之后都是 64 字节 正是以太网帧的最小长 度 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 表表 3 2 MPCP 协议中各种控制帧的操作码协议中各种控制帧的操作码 从系统上行传输总带宽中减去各种系统运行开销就是上行可用带宽 它与系 统中包括的 ONU 数量 DBA 动态带宽分配 算法的轮询周期 承载业务的类 型以及各业务所占比例等都有很大关系 EPON 是宽带接入技术 承载的业务以 IP 数据业务为主 下面将计算 EPON 在包含 32 个 ONU 轮询周期为 750s 的情况下 承载纯 IP 业务时的上行可用带宽 EPON 的上行线路速率是 1 25Gbit s 因为采用了 8B 10B 线路编码 每 10bit 中有 8bit 有效数据 所有其有效上行传输总带宽为 1Gbit s 即 1000Mbit s EPON 上行的系统运行开销及其占总带宽的比例如下 1 用于突发接收的物理层开销 约 2 5 2 以太网帧的封装开销 约 7 4 3 MPCP 多点控制协议 和 OAM 运行管理维护 协议开销 约 2 9 4 DBA 算法造成的剩余时隙 即不足以传输一个完整以太网帧的时隙 浪费 约 0 6 EPON 上行总开销为上述开销之和 约为 144Mbit s 可用带宽约为 856Mbit s 即 1000Mbit s 144Mbit s MPCP 主要包括三个控制过程 GATE 过程 REPORT 过程 DISCOVERY 过程 其中 GATE 过程和 REPORT 过程 控制上下行带宽分配 保证数据有序 控制帧名称GATEREPORTREGISTER REQREGISTERREGISTER ACK 操作码 opcode 00 0200 0300 0400 0500 06 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 传输 实现一个 OLT 与多个 ONU 的正常通信 DISCOVERY 过程使 OLT 可以 自动发现并注册 ONU 1 GATE 过程 MPCP 的一个关键原则是每时刻只允许一个 ONU 占用上行信道 OLT 通过 发送 GATE 消息向 ONU 授权 告诉传送窗口的起始时间 Start Time 和间隔大 小 Length ONU 接收到 GATE 消息后等待自己的传送窗口打开 Start Time 到来 然后开始向 OLT 发送数据 当传送窗口关闭时 经过 Length 大小的时间 间隔后 停止发送 等待下一次授权和授权所指定的窗口 这里需要注意的是 授 权 GATE 只是一个控制命令 是 OLT 用来告诉 ONU 什么时候可以上传数据而发 送的一个消息 传送窗口是 ONU 上传数据的时间区间 通常 ONU 接收到授权后 需等待一段时间才能传送数据 GATE 具体过程如图 3 1 所示 图图 3 1 GATE 过程图过程图 2 REPORT 过程 为了优化带宽分配 OLT 须实时监控各 ONU 的传输需求 所以 OLT 的授权 必须以 ONU 的申请 REPORT 为前提 ONU 在传送窗口内除了发送一般数据也 会向 OLT 发送命令数据 REPORT 消息 向 OLT 报告本地还有多少数据等待下次 发送 OLT 才能够根据每个 ONU 的申请统筹规划 动态分配带宽 MPCP 没有 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 定义带宽分配算法 但自定义的算法需要符合 OLT 应尽量满足 ONU 需求 的 基本原则 MPCP 要求 OLT 必须定期向 ONU 授权 所以在 ONU 没有数据申请 时 也要向其发送一个空授权 窗口的 Length 仅够 ONU 发送下一个的 REPORT 帧 不附带任何其他上行数据 只有这样才可以保持链路激活和 OLT ONU 同步 3 DISCOVERY 过程 OLT 启动时首先要运行 DISCOVERY 过程 自动发现活动的 ONU 将它连 接到 EPON 上 ONU 登录 此后 OLT 还会周期调用 DISCOVERY 过程动态发 现新启动的 ONU 或掉线后重新恢复的 ONU 使它们能及时登录到 EPON 上 此 外还可以通过该过程实现重新登录 Reregister 和注销 Deregister 在登录过 程中 ONU 和 OLT 可以相互交换性能参数 使得 EPON 的介质更加广泛 不同厂 商的设备可以互连互通 DISCOVERY 具体过程如图 3 2 所示 1 OLT 广播 DISCOVERY GATE 向所有 ONU 通知 DISCOVERY 窗口 的时间范围 2 未登录的 ONU 在 DISCOVERY 窗内发送 REGISTER REQ 消息 告知 OLT 自己的 MAC 地址 及其他性能参数 3 OLT 在一个 DISCOVERY 窗内可能收到多个正确的 REGISTER REQ 请求 OLT 收到 REGISTER REQ 后 a 为该 ONU 分配 LLID 并将该 LLID 与其 MAC 地址绑定 b 记录 ONU 参数并作相应处理 c 发送 REGISTER 消息通知 ONU 登录是否成功 返回 LLID 等参数 并回 应 ONU 的性能参数 4 OLT 向 ONU 发标准 GATE 授权 ONU 回复 REGISTER ACK 5 ONU 在 GATE 所授权的窗口内回应 REGISTER ACK OLT 正确收到 REGISTER ACK 标志着对该 ONU 的 DISCOVERY 过程结束 ONU 登录后正常 的数据传送开始 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 图图 3 2 ONU 的的 DISCOVERY 过程过程 需要注意的是 DISCOVERY 窗口是唯一允许多个 ONU 同时占用上行信道 的时段 当 ONU 在发出 REGISTER REQ 的一段时间内 如果没有收到 OLT 发给自 己的 REGISTER 该 ONU 就认为自己发送的 REGISTER REQ 与其它 ONU 发送 的 REGISTER REQ 发生了冲突 从而自动进入冲突的处理算法 对于注册冲突 主要有两种处理方案 1 随机延迟时间 发生注册冲突后 发生冲突的 ONU 仍然每次都响应 DISCOVERY GATE 但它在新的注册窗口中 ONU 发送 REGISTER REQ 前随 机等待一段时间 时间小于 DISCOVERY 窗口大小 这种方法可以缩短 ONU 加入系统的时间 但是要增大注册开窗的长度 从而降低系统的带宽利用率 2 随机跳过开窗 发生注册冲突后 发生冲突的 ONU 随机跳过若干个 DISCOVERY GATE 才开始重新响应 采用这种方法比随机延迟时间的方法所需 时间多 但是不需要增大注册窗口 从而也不会影响到整个系统的带宽利用率 14 15 3 2 测距与同步测距与同步 EPON 中的各 ONU 上行接入采用 TDM 方式 因此 OLT 和 ONU 在开始通信 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 前以及通信过程中必须建立并保持同步 才能避免碰撞 而测距 ranging 是获 得 RTT 的过程 MPCP 位于 OLT 和所有 ONU 中的 各自维护一个本地时钟 OLT 中的时钟 作为全局时间 当 MPCP 消息从高层的 MAC 控制客户端到达 MAC 控制子层时 MPCP 用本地时间对消息标以时戳 time stamp EPON 的同步和测距正是通过 时戳完成的 基本过程如图 3 3 所示 16 1 OLT 在时刻 TI 发送 GATE 帧给 ONU 在 GATE 帧中加时间标签为 T1 2 ONU 在 T2 时刻接收 GATE 帧后 根据时间标签 T1 将自己的本地时钟 置为 T1 3 ONU 在本地时间为 T3 时开始上传 REPORT 帧 在 REPORT 中加时间 标签 T3 4 OLT 在时刻 T4 收到该 REPORT 帧 得到时间标签 T4 则 RTT TAB 十 TCD T4 Tl T3 T2 T4 TI T3 T I T4 T3 因此可以 看出 OLT 只需将收到 REPORT 帧时的绝对时间 T4 减去收到 REPORT 帧中时间 标签中的时间 T3 就可以得到 RTT 的值了 图图 3 3 RTT 测量测量 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 论文 3 3 QoS 和和 OAM 在 QoS 方面 EPON 定义了 8 个优先级队列 DBA 算法也考虑了对不同优 先级队列的宽带分配策略和公平性等问题 对于数据包中的 IP 优先级或以太网优 先级可以很容易地映射到这 8 个优先级队列中 再通过 DBA 算法保证其传输的 带宽和时延 因此完全可以满足不同业务的 QoS 要求 例如 对 TDM 业务 使 用 EPON 的 QoS 机制 就可以保证期各项指标要求 在 OAM 方面 EPON 标准中定义了远端故障指示 远端环回控制和链路监 视等基本的 OAM 功能 对于其它高级的 OAM 功能 则定义了丰富的厂商扩展 机制 让厂商在具体的设备实现中自主增强各种 OAM 功能 而且 EPON 标准还 从便于开通维护的角度定义了一套 OAM 能力的自动协商机制 与以太网端口的 自动协商机制类似 可以在无需人工参与的情况下 自动识别并配置 OLT 和 ONU 两端的 OAM 能力 另外 比较有特色的是 EPON 定义了一种 PON 端口 的环回测试功能 把 PON 链路的性能测试功能嵌入到系统之中 可以在无需外 部测试仪表的情况下 进行 PON 链路的性能检测 大大方便了系统的开通和故 障定位 3 4 动态带宽分配动态带宽分配 在 EPON 系统的上行方向 采用 TDMA 时分多址接入 方式实现多个 ONU 对上行带宽的多址接入 其带宽分配方案可分为静态带宽分配的和动态带宽 分配 静态带宽分配方式的原理是 OLT 周期性为每个 ONU 分配固定的时隙作为 上行发送窗口 其优点是实现简单 但存在带宽利用率低 带宽分