EPON动态带宽分配算法的研究毕业论文.doc

EPON动态带宽分配算法的研究摘要随着互联网的盛行，接入网速度影响着全世界的信息传递速度。因此，在光网络技术得到了巨大发展的前提下，如何有效地分配带宽是提高接入网技术的关键问题之一。首先，在本文的绪论部分简述了接入网技术的发展状况，提出了接入网在高速信息网络上的“最后一公里”瓶颈问题。此外，还介绍了接入网及光接入网的一些知识，如结构、功能、特点等等，叙述了目前带宽分配技术的发展现状。其次，本文还具体介绍了无源光网络（PON）的结构及功能，以及PON技术的优越性。引出了结合了以太网技术和PON技术优点的基于以太网的无源光网络（EPON）技术。接着，EPON技术作为下一代宽带接入技术的最佳解候选者，本文将对EPON技术展开初步研究。除了详细阐述EPON系统的的基本结构、帧结构、功能、基本工作原理及优越性外，还谈及了EPON的一些关键技术。其中，对多点MAC控制和多点控制（MPCP）协议两方面内容进行具体介绍。然后，本文把EPON带宽分配的研究单独作为一个章节，进行重点阐述。介绍了EPON的两种带宽分配方式，分别是静态带宽分配和动态带宽分配。由于EPON在上下行传输方式的不同，因此针对不同用户的不同业务提供不同的服务质量，而进行动态带宽分配算法的研究和探讨是有必要的。提出了EPON系统现有的一些DBA算法，比较各类动态带宽分配算法的优缺点。在此基础上，对采用动态时隙分配的EPON算法进行设计，阐述了轮询机制和最大传输窗口两方面的内容。最后,介绍了OPTNET8.0光学仿真仿软件，并OPNET Molder中选择所需的模型，在编辑窗口建立了星型和树形两种拓扑结构模型、进程模型、网络模型等。通过模型建立，加深对EPON动态带宽分配方案的理解。还对EPON动态带宽分配算法的研究设计进行总结，并提出对未来EPON技术发展的看法。 【关键词】以太无源光网络，动态带宽分配，仿真，建模ABSTRACTWith the fast development of Internet, the speed of network transmission has a large effect on the world .Therefore, under the optical network technology development, effectively improve bandwidth allocation is one of the key problems. Firstly, in the introduction part of this paper, it outlines the development of the access network technology, and proposes the problem that the access network exists the last mile bottleneck in the high-speed information network. In addition, it also introduces the structure, functions, features of the access network and the optical access networks (OAN), and has a description of the current status of bandwidth allocation technology. Secondly, the paper presents the structure and the function of the passive optical network (PON) as well as the advantages of the PON technology. Then leads to the Ethernet passive optical network(EPON) technology that combines the advantages of Ethernet technology and PON technology.Thirdly, EPON technology as the next-generation broadband access technology, it will be the best solution for the candidates. The paper will have a launched study on the EPON technology. EPON system will be described follow details: the basic structure, frame structure, function, basic working principle and technical nature, and the advantages of EPON technology. The paper also has the longer talk about some key technologies of EPON technology, and there are two aspects in detail: one is multi-point MAC control , the other is multi-point control (MPCP) protocol.Then, the paper puts the EPON bandwidth allocation technique as a single chapter, that focuses on the theme, and introduces two methods of bandwidth allocation , one is static bandwidth allocation, the other is dynamic bandwidth allocation. For EPON, it is necessary for different users and different business offers different quality of service. Studying and discussing the dynamic bandwidth allocation algorithms are also important. Made some EPON system existing DBA algorithm, comparison of various dynamic bandwidth allocation algorithm of advantages and disadvantages. On this basis, to adopt a dynamic time slot allocation EPON algorithm design, illustrates the polling mechanism and maximum transfer window. Finally, the introduction of the OPTNET8.0 optical simulation software simulation and OPNET Molder select the desired model, set up in the edit window, two star and tree topology model, process model, network model. Through modeling, EPON deepen the understanding of dynamic bandwidth allocation program. Also EPON Dynamic Bandwidth Allocation Algorithm design summarized, and future views of EPON technology.Keywords: EPON, DBA(dynamic bandwidth allocation),Simulation, Modeling目录第1章 绪论11.1 引言11.2研究背景11.3本文的主要工作1第2章 接入网32.1接入网概述32.2 宽带接入技术概述42.3 光接入网52.3.1无源光网络（PON）技术52.3.2 基于TDMA的PON技术82.3.3 APON(BPON)、GPON与EPON的比较9第3章 EPON技术的研究103.1 EPON的基本结构及功能103.2 EPON的基本工作原理113.3 EPON的关键技术133.3.1 EPON的多点MAC控制概述133.3.2 多点控制协议（MPCP协议）143.3.3 EPON系统的测距18第4章 EPON动态带宽分配算法的研究194.1 带宽分配方式194.2 动态带宽分配算法(DBA)194.3 EPON的DBA算法设计194.3.1轮询机制204.3.2 动态最大传输窗口算法的设计224.4本章小结22第5章 基于OPNET的模型建立及仿真235.1 OPNET仿真软件235.2 逻辑拓扑仿真235.3模型建立（配置拓扑结构）245.3.1节点建模（Node Modeling）245.3.2 进程建模（Process Modeling）265.3.3 链路建模（Link Modeling）275.3.4 网络建模（Network Modeling）27小 结29【参考文献】30第1章 绪论1.1 引言 在过去，由于各种条件的限制，接入网技术的发展速度相对缓慢。对于越来越多的用户需求数据量，接入网技术面临着巨大的考验。近10年，随着波分复用（WDM）、光信号放大等光通信技术的迅猛发展，使得电信网的核心网部分已经基本实现了光纤化、数字化和宽带化。 可是，企业网、骨干网和家庭网的发展和互联网流量的巨大增加使得接入网的带宽接入技术瓶颈问题更为突出。骨干网和局域网之间存在着的信息高速公路“最后一公里”的瓶颈问题，要求大幅度地提高电信骨干网的容量和可靠性成为了接入网技术的一项重要任务。为了解决接入网的这个瓶颈问题，无源光网络（PON）作为一种适用于接入网的解决方案，能为用户提供千兆甚至万兆的带宽，这也使得PON接入光网络实现带宽的有效分配成为了现实。因此，第一英里以太网联盟EFMA（Ethernet in the First Mile Alliance )提出了以太无源光网络(Ethernet Passive optical Network，EPON)的概念。EPON结合了以太网技术和无源光网络的有点，具有高带宽、低成本、易兼容的优点，EPON技术也被很多人认为是下一代宽带接入技术的最佳解决方案。1.2研究背景由于业务量和用户量的快速增长，如何有效地分配上行带宽是EPON技术的关键问题之一。带宽的分配主要有静态带宽分配(SBA)和动态带宽分配(DBA)。由于上行带宽是有限的，而DBA拥有自己的周期更新机制（即统计复用能力），且带宽利用率比SBA要高。为了实现所有用户的服务质量（QoS），采用动态带宽分配更能满足要求。因此，研究动态带宽分配算法非常重要。目前，已经提出了很多种EPON动态分配算法。这些算法有着各自的特点和不足，对这些算法进行深入研究是一项非常重要的工作。基于自适应周期间插轮询(IPACT)算法，该算法大大降低了由传输时延引起的带宽浪费，从而有效地提高了上行信道的带宽利用率。基于MPCP协议和突发业务流量预测的DBA算法，该算法能支持多优先级业务并有着优于已有算法的QoS性能。带有流量预测的限制共享(LSTP)算法，该算法通过预测授权等待时间内的业务到达情况并预留一部分发送带宽大大减小了数据传输时延并且能有效防止带宽的恶意请求。基于运营商与每个用户之间的服务等级约定的带宽保证轮询DBA算法，该算法带宽共享要。基于多优先级队列轮询机制与数据分组重新分类的MAC协议的DBA算法，该算法通过根据用户的定制速率分享剩余带宽来实现带宽在用户之间的公平分配。基于预测的DBA算法，该算法有效地减小了EPON中ONU队列长度和系统中的平均分组传输时延。基于采用加权优先级的两层带宽分配机制的DBA算法，该算法可以实现对多优先级业务的支持。1.3本文的主要工作本文首先介绍了EPON的基本结构、功能、工作原理以及EPON的MAC层核心协议MPCP等关键技术，并针对目前的EPON的动态带宽分配问题进行初步研究。接着提出了相关的DBA算法，并对这些算法进行了简要描述。通过优缺点的比较，本文考虑了在IPACT方法的基础上，进行了EPON动态带宽分配算法的设计。分别从轮训机制、分组时延等方面进行了详细介绍，动态带宽分配的具体要求。一个完备的带宽分配算法，必须是多个技术点的结合。那样才可以达到带宽利用率高，时延低，轮询消耗低，QoS高的目的。第2章 接入网2.1接入网概述在传统的电信网中，接入网是电信网的重要组成部分，负责将电信业务透明传送给用户。即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。从具体的电话业务来说，接入网就是本地交换机于用户之间的连接部分，通常包括用户线传输系统、复用设备、交叉连接设备回或用户、网络设备终端设备1。用户端口功能核心功能传送功能核心功能业务端口功能SNIUNI按功能划分，接入网可以由五个基本功能部分组成：用户端口功能（User Port Function ,UPF)、业务端口功能（Service Port Function ,SPF)、核心功能(Core Function ,CF)、传送功能（Transport Function ,TF)和系统管理功能（System Management Function ,SMF)。结构功能示意图如图1.1所示。Q3 接入网系统管理功能图1.1 接入网结构功能示意图UPF能将UNI要求适配到CF和SMF。SPF能将SNI规定的要求适配到公共载体，以便于在CF中处理。CF将单个用户端口承载体要求或业务端口承载体要求适配到公共载体。TF在接入网内的不同位置之间为公共载体的传送提供通道，并且对所用的相关传输媒质进行媒质适配。SMF协调UPF、SPF、CF和TF之间的指配、操作和管理。同时，也协调用户终端经（UNI）和业务节点经（SNI）的操作功能。由于接入网在电信网中位置和功能的不同，它与骨干网、城域网想比较，有着自己的独特地方。具体表现在以下几个方面：1）业务量密度低在统计结果中，骨干网的中继电路占用率在50%以上，而一般住宅用户接入链路的占用率在1%以下。很明显，与骨干网相比较，接入网的业务量密度低很多。2） 业务分部为集中型骨干网、城域网的业务量分布一般为均匀型，各节点之间业务量差不多。而接入网的业务量一般都市由靠近用户端的节点“集中”到位于端局的节点，是典型的集中分部。3） 成本必须低廉由于接入网是由少数用户占用，占用率低，成本必须要由用户来承担。与骨干网、城域网相较之下，接入网的成本不得不低廉。4） 成本差异大由于接入网覆盖各种类型的用户，不同类型客户的要求不同、建设条件不同，出现了成本差异大的问题。5） 成本与业务量无关核心网的总成本对业务量很重要，基于对业务量的预测，对网络进行最佳配置。而接入网的业务量密度很低，尽管在业务量变化可能较大的情况下，对成本也没有明显的影响。6） 用户需求多样化接入网直接连接用户，对于不同的用户会有不同的业务容量、业务性能、可靠性/生存性等方面的要求。对于接入网而言，用户需求的多样化决定了接入网技术的多样化。7） 运行环境差，维护量大 接入网设备一般要求安装在室外，运行环境会比较差。因此，室外的运行环境，对接入网的设备提出了更高要求。一旦出现故障问题，它的维护工作量也将十分庞大。8） 覆盖半径小一般的接入网的覆盖半径比较小，一般在我国10km能覆盖95%以上的用户。 2.2 宽带接入技术概述目前最广泛采用的宽带接入方案是“数字用户线（xDSL）”和“同轴电缆调制解调（CM）”方案。但是它们不能提供足够的带宽来支持视频点播（VoD）、双向视频会议等业务。由于宽带接入技术的瓶颈问题，它们已经无法满足用户的某些需求。1、数字用户线（xDSL）技术xDSL(Digital Subscriber Line)利用传统电话的双绞线作为传输媒质，在用户端需要调制解调器，局端需要接入复用器(Digital Subscriber Line Access Multiplexer，DSLAM)。xDSL技术基于普通电话线的宽带接入技术，它在1对（或2、3对）电话线上同时传输高速数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备，与拨号上网相比减轻了电话交换机的负载。xDSL技术能够在普通音频质量的双绞线上传输高速数据信号的关键是xDSL技术采用了高效的编码调制、数字自适应均衡等技术。x代表了4种数字用户线技术，分别是ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线)、HDSL（High bit-rate Digital Subscriber Line，高速数字用户线）、SHDSL(Single-pair High-Speed Digital Subscriber Line，单线对高速数字用户线)和VDSL(Very high speed Digital Subscriber Line,甚高速数字用户线)。2、“FTTB+LAN”以太网宽带接入技术“FTTB+LAN”是指从运营商局端设备到位于距用户群比较近的机房或楼道上的用户端设备之间采用以太网在光纤上全双工传输方式，接着在用户端设备到用户的接入技术。该技术的带宽接入网的局端设备一般位于城域网局端接入节点机房，用户端设备一般位于小区机房或大楼内；或者局端设备位于商业大楼内，而用户端设备位于楼层内。局端设备提供与IP骨干网的接口，用户端设备提供与用户终端计算机相接的10/100BASE-T接口。局端设备与用户端设备之间采用点对点的连接方式。局端设备具有汇聚用户端这杯网管信息的功能。3、CATV网络技术CATV（供天线电视/有线电视/电缆电视）网络原本旨在传送模拟的广播电视信号到用户的电视机上。为了实现这一个目标，CATV网络采用树形拓扑而且它的频谱都分配用作下行模拟信道。典型的，CATV网络采用混合光纤同轴电缆（Hybrid Fiber Coax ,HFC）结构。但是，CATV网络承载数据业务的局限性使得其不能够满足众多用户的需求。其主要局限在于它仅为传送广播模拟业务设计。换句话说，即它给上行信道容量的分配带宽过于紧张，使得用户在高峰期上网时网速过慢。4、“HFC + Cable Modem”宽带接入技术“HFC + Cable Modem”宽带接入技术除了提供原理是的CATV业务外还提供Internet接入业务的技术。“HFC + Cable Modem”系统中局端或者头端至用户群比较近的光节点采用光纤作为传输媒质，光节点至用户之间采用同轴电缆作为传输媒质。其本质特征是对原来单项HFC进行了双向改造使之能够除提供单向的图像业务还提供双向数据业务。5、光纤宽带技术随着持续增长的数据流量，上述的带宽接入技术已经无法满足用户对数据流量的需要。众多的电信、网络运营商认识到找出新的带宽技术解决方案是必要的，而且新的解决方案必需有低成本、简便灵活，容量大等技术特点。因此，光纤宽带接入技术应运而生。本文将对结合以太网技术和PON技术优点的基于以太网的无源光网络技术（EPON技术）展开重点研究，并对EPON的动态带宽分配算法进行初步的研究。2.3 光接入网光接入网(OAN)的概念出现于1996年通过的ITU-TG.982。光接入网是共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群，由一个光线路终端（OLT ）、至少一个光分配网（ODN）、至少一个光网络单元（ONU）及适配设施（AF）组成1。采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。OAN不是传统的光纤传输系统，而是一种针对接入网环境所设计的光纤传输系统。一般情况下，OAN是一个点对多点的光纤传输系统20。OAN具有带宽大、传输距离远、可靠性高等特点。首先由于光纤不受电磁波和电磁辐射的影响，无中继的情况下可传播上百公里，有效简化了光接入网的网络结构；另外，OAN故障率低，网络可靠性高，维护成本低，带宽容量大，理论上可达30亿兆赫兹，支持开发新业务，它可提供语音、低速数据、高速数据、CATV、VOD等业务，是一个全业务网；此外OAN能改进业务质量和可用性，并能迅速提供业务，总带宽可在用户之间重新分配而不影响业务。从系统配置上OAN可划分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)，本文将对PON技术进行研究。PON技术在物理上彻底避免了电磁和雷电的影响，无有源器件使得PON的可靠性比AON提高很多。无论在设备或维运网管方面，PON的成本都相对便宜，提供的频宽也足以应付未来的各种宽频业务需求。2.3.1无源光网络（PON）技术PON技术是光接入网的主流技术之一。OLT到各ONU之间是不存在有源设备的光接入网就是无源光网络。1、 PON的结构及功能 PON是拓扑结构的，由OLT、ODN、ONU、AF构成的。适合接入网的拓扑结构有树形拓扑、环形拓扑和总线型拓扑。结构如图3.1所示。OLTONU1ONU2ONU3ONU4(b)环形结构（采用2*2分接耦合器）OLTTTONU1ONU2ONU3ONU4(a)树形结构（采用1*N分路器/耦合器）OLTTONU1ONU2ONU3ONU4(c)总线型结构（采用1*2分接耦合器） 图2.1 PON的拓扑结构根据图2.1所示的PON结构图，可以分析PON的如下几点功能：1） OLT为光接入网提供了网络侧与业务节点之间的接口，通过ODN与用户侧的ONU通信。 2） ODN为OLT与ONU之间提供传输手段，能完成光信号的功率分配。网络（a）OLT功能块框图ODN接口功能ODN接口功能OAM功能传输复用功能交叉连接功能业务端口功能业务部分供电功能公共部分至网管核心部分ODN 3)ONU是为接入网提供直接或远端的用户侧接口，是用来终结来自ODN的光信号、处理光信号并为用户提供业务接口，实现OAN用户侧的接口功能。如图2.2所示的为PON的各功能块框图：业务部分用户端口功能供电功能OAM功能公共部分用户和业务复用功能传输复用功能ODN接口功能用户ODN核心部分（b）ONU功能块框图ONU1ONUnODNOLTOmR/SOrS/RO1保护(c)ODN通用物理结构图2.2 PON的功能块框图2、 PON的优越性PON因其独特的优越性而受世界电信界的关注。PON作为解决“第一公里”问题的最佳方案，有着以下几点优势：1）点对多点的拓扑结构适合汇聚多用户与DSL等技术相比较，PON的覆盖范围要更大些，这使得用户与端局的距离更长，能够汇聚众多用户的各类业务。PON的无源点对多点拓扑节约了光缆和光缆施工的大量费用，是一种那个经济而又有效地汇聚众多用户的方法。2）便于运行维护PON能使局端设备耗电更少、占空间更少，这使得户外和局端的设备最小化。PON中间采用无源设备/器件，能够取代有源复用/解复用设备的无源光分/合路器，免去了有源设备的维护之苦。此外，用户设备的增加，支路光缆故障等因素都不会影响到ONU/OLT的正常工作，这也使得PON的运行维护非常方便。3）低成本 PON之所以说是低成本，主要是PON的设备、线路方面的投资成本和运行维护方面成本的降低。因为PON的点对点结构，使用的光收发器等设备以及光缆的施工量都大幅下降，这使得投资成本大大降低。而PON的点对多点、无源特性和光缆较电缆的长寿命、高可靠性等优点，也使得PON的运行维护成本大大减少。因此，PON提供了更宽的带宽，使得光纤到楼（FTTB）、光纤到家（FTTH）、光纤到计算机（FTTPC）达到了光纤贯穿到用户所有路径的目标，而光纤到路边（FTTC）是目前最经济的。4） 承载数据业务效率高PON在进行时分多直接入（TDMA）控制时，能够快速实现各ONU用户之间的动态带宽控制，所以PON在承载突发性的数据业务时效率非常高。5） 适合承载广播/组播业务由于PON的拓扑结构在下行物理层采用广播的传输方式，且下行传输数据量大于上行数据传输量，所以PON能够实现下行视频广播/组播。6） 升级性好PON因无源光分/合路器对信号传输的完全透明性，能通过波分复用或提高速率升级。2.3.2 基于TDMA的PON技术PON一直被认为是光接入网中具有发展前景的接入技术，现有的PON技术都是带宽PON技术，包括APON、EPON、GPON。而BPON一般指的是线路速率高于155Mbps的APON。分别对这三类PON技术作如下简要描述。1、APON(BPON)APON(ATM PON)是将ATM（异步传输模式）和PON技术有点结合起来的一种宽带接入技术PON技术，它实现了PON网络中ATM的信源传输，后来被称作带宽PON（Broadband PON，BPON）。作为面世最早、标准化程度较高的APON技术，它以ATM为平台，以ATM作为通道层协议，它除了拥具有PON的优点外，还能支持各种带宽速率、各种QoS要求的业务等优点。它提供了明确的业务质量保证和服务级别，有着完善的操作维护管理系统。此外，APON是由ITU-TG.983序列标准所规范的，对APON网管、波长分配、动态带宽分配等技术上都进行了规范。即使APON结合了ATM和PON技术两者的优点，但是由于ATM技术较复杂、承载IP业务效率不高等原因使其成本较高，所以APON技术的应用并不是很广泛。2、EPON由于以太网的独特优点，以太网技术在LAN（局域网）中得到了大规模的应用。其中有95%的LAN接口是以太网的，所有的IP协议也都在以太网上运行。因此，以太网协议作为与IP协议配合得最好的协议之一，与PON技术相结合，形成了EPON技术。EPON技术结合了PON的容量大、寿命长、可靠性高等优势以及以太网技术与IP协议配合最好、成本低等优点，能够直接在PON上传输以太网帧。它代表了OAN的发展方向，并且适应于带宽接入市场的发展潮流。EPON技术作为一项拥有广泛应用前景的技术，值得深入研究。本文将在之后的章节中对EPON的动态带宽分配算法这个课题进行研究和讨论。 3、 GPON 由于业务流量的增大和EPON规范的出台，差不多在EFMA和IEEE802.3ah工作小组在提出EPON概念的同时，FSAN（全业务接入网）组织开始进行了支持更高比特速率、全业务的、承载数据业务效率更高的GPON（Gigabit-Capable PON）技术的研究。GPON是ITU-T提出的一种灵活的每秒吉比特级光纤接入网，它以ATM信源和GEM帧承载多业务，支持商业和居民业务的带宽全业务接入技术。该技术在2003-2004年间，获得了ITU-T批准的系列规范建议：G.984.1GPON一般特性：这项标准描述了GPON结构、比特率、保护和安全等一般特性。G.984.2GPON物理媒质相关层规范：这项标准规范了工作在下行1.25Gbit/s和2.5Gbit/s、上行155Mbit/s,1.5Gbit/s和2.5Gbit/s的物理媒质相关层要求。G.984.3PON传输层规范：这项标准规范了GPON传输汇聚帧结构、测距方法、OAM功能和安全要求等1。2.3.3 APON(BPON)、GPON与EPON的比较表2通过工作方式、帧结构、数据包拆分方式、优缺点等方面的内容，对基于TDMA的APON（BPON）、GPON和EPON技术进行了比较。PON技术名称组织名称帧结构数据包拆分方式优点缺点APON(BPON)FSAN提出定时同步拆分支持多比特业务能力；提供QoS保证；操作维护能力强；适合ATM城域网汇聚层衔接；网络资源利用率高数据传输效率低；在ATM层上的适配复杂；提供业务复杂GPONFSAN提出定时同步拆分带宽高；QoS保证的全业务接入；很好地支持TDM业务；简单、高效的适配封装；OAM功能强大技术相对复杂；设备成本较高EPONEFMA提出可变长帧结构不拆分运营维护成本低效率极低，难以支持以太网外的业务第3章 EPON技术的研究3.1 EPON的基本结构及功能 EPON是点到多点的无源光网络，由光线路终端(OLT) 、光分配网络(ODN) 和许多光网络单元(ONU) 组成,其中OLT位于中心局, ONU 位于用户端。EPON的基本结构就是在PON结构的基础上，结合以太网而形成的拓扑结构，如图3.1所示：ONUONU管理系统EMSOLTONUONUONUONUPSTNATM交换STM-1视频源图3.1 EPON的基本结构1、EPON的帧结构1）EPON下行信号传输帧结构EPON的下行信号帧结构由长度固定的多个帧构成。每一个帧都可以携带多个的长度可变的数据包，每一个数据包可以由心头、可变长度净负荷和误码检测三部分构成。为了使ONU和OLT保持同步，在每一帧前面都要使用1个字节的同步标识符，即每2ms发送一个同步标识符。图3.2为下行信号帧结构的示意图:2ms2ms33净荷1N111同步标识符同步标识符信头图3.2 EPON下行信号的帧结构2）EPON上行信号的传输帧结构EPON的上行信号传输采用了TDMA技术，每个ONU的上行信号占据不同的时隙，构成了一个TDM信号流，传送到OLT。由于每个ONU到无源光分路器（ODB）的距离各不同，时延也随之不同。因此为了避免每路信号在指定时隙内出现的碰撞拥塞的状况，规范EPON在上行信号的帧结构非常必要。图3.3所示的为上行信号帧结构的示意图，其中时隙3专门分配给第3个ONU使用。帧长2ms12233N.12233N.12233N.33净荷jinghe信头误码检测域长度可变第3个ONU的时隙图3.3 EPON上行信号的帧结构2、EPON的功能目前来说，EPON的拓扑结构就有树形结构、总线型结构、环形结构和混合型结构。其中，EPON中的ONU采用以太网协议在中宽带和高宽带的ONU中实现了以太网第二层、第三层交换功能。此类ONU可以为多个最终用户提供共享高带宽。在通信过程中，不需要协议转换，就可实现ONU对用户数据透明传送。ONU也支持其他传统的TDM协议，而且不增加设计和操作的复杂性。在带宽更高的ONU中，将提供大量的以太接口和多个Tl正1接口。对于曰叮H接入方式，ONU可以被集成在一个简单设备中，不要用EPON中的OTL和所有的ONU由网元管理系统管理，网元管理系统提供与业务提供者核心网络运行的接口。网元管理范围有故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理。EPON与其他PON结构最大的区别就是它是基于以太网技术的，它继承了以太网的核心遗传因子，将以太网最核心的最本质部分保存了下来，添加了多址接入和远距离传送的成分，使得传输距离和接入拓扑方面取得了突破。在制定的标准方面，针对PON这种新的媒质，8023工作组定义了新的物理层，而对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。3.2 EPON的基本工作原理EPON根据IEEE802.3ha协议使用标准的以太网协议。它所传输的可变长数据包可从64bytes到1518bytes。EPON在一根光纤上实现信号的双向传输，利用下行1550nm和上行1310nm的不同传输波长来实现信息的分离。根据上下行传输方式的不同，会有不同的工作方式。因此，在工作方式不同的前提下，所依靠的工作原理也是不同的。其运行基本工作原理图如图3.4所示。在下行方向 OLT广播所有下行数据分组，各个ONU选择性接收属于自己的分组。在上行方向，所有ONU共享同一个信道向OLT传输数据和控制信息。由于光分/合路器的方向性，在EPON中很难应用以太网中的带有冲突检测的载波侦听多址接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)机制23。因此，ONU无法检测到可能发生在OLT处的信号冲突，这样就必须要设计一个仲裁机制来保证各个ONU对信道的有效共享。这种仲裁机制可以通过设计合适的媒体接入控制(Medium Access Control ,MAC)协议来实现。现有的MAC协议一般是采用时分复用方式来避免冲突，ONU在一个确定的或动态分配的时隙中将其在此前收集到的来自用户的数据及控制信息发送给OLT。11233用户2用户1ONU1ONU22ONU3用户3IEEE802.3帧IEEE802.3帧OLT1111233112331123333（a）EPON的下行传输11OLTONU1ONU2用户1用户2用户311221123333表示光分/合路器ONU333（b）EPON的上行传输图3.4 EPON的工作原理框图由图3.4可知EPON的下行传输与通常的光千兆以太网物流层传输一样，OLT发出的是以太网帧经过8B10B编码后的连续的比特流，速率为1.25Gbps,到达光分路器被分录到各个支路光纤上，各支路光纤上还是OLT发给所有ONU的比特流，但信号光功率/幅度由于分路而变小。ONU接收到OLT发给所有ONU的比特率8B10B解码后根据以太网帧前导码中的LLID（逻辑连接标石）取出本ONU德以太网帧送上层进一步处理。上行方向OLT授权各ONU的发送时刻和发送时间的长短，在OLT指定的发送时间里，ONU也是发送符合光千兆以太网物流层要求,速率1.25Gbps的比特流。EPON系统的上下行传输是全双工工作的1。3.4 EPON的关键技术EPON在数据链路层上的关键技术主要有上行信道MAC子层控制的多址控制协议（MPCP）、ONU的即插即用问题、OLT测距和延时补偿兼容性等。EPON物理层的关键技术主要表现在OLT处，包括突发信号的快速同步、网同步、光发送和接收模块的功率控制以及自适应接收等。由于上行信道采用了TDMA技术，在传输20km光纤时，会产生0.1ms左右的时延。因此，OLT与ONU 保持同步是关键，并且在OLT处必须使用测距和时延补偿技术来实现网络时隙同步。即实现在几个比特的时间内达到相位同步和字节同步，从而避免数据传输所产生的碰撞。3.4.1 EPON的多点MAC控制概述PCSPMAPMDGMIIMDILAN层次高层MAC客户OAM（可选）多点MAC控制MAC协调EPON通过扩展的MPMP(Multi-point MAC Control )子层来进行上行多直接入和各ONU上行带宽分配。多点MAC控制定义了点到点光网络的MAC控制方式。它代替了原IEEE802.3ah中的MAC控制子层以支持多客户，增强了MAC控制的功能。多点MAC控制采用IEEE802.3ah以太网控制子层的机制，有着丰富的实时控制和操作MAC的管理功能。多点MAC控制子层用以支持因EPON的点对多点结构而需实现的新功能以及将来可能需要引入的功能。图3.5所示的是多点MAC控制子层与MAC和MAC控制客户子层之间的结构关系。无源光网络媒质多点MAC控制MACMACMAC协调MAC客户OAM（可选）MAC客户OAM（可选）MAC客户OAM（可选）PCSPMAPMDGMIIMDILAN层次高层OSI参考模型层次 应用层表示层会话层传送层网络层数据链路层物理层图3.5 多点MAC控制在EPON层次结构中的位置GMII=吉比特媒质无关接口MDI=媒质相关接口OAM=运行管理维护OLT=光线路终端ONU=光网络单元PCS=物理编码子层PMA=物理媒质附加子层PMD=物理媒质相关子层3.4.2 多点控制协议（MPCP协议）1.MPCP协议的涵义多点控制协议（Multi-Point Control Protocol ,MPCP)是为支持点对多点的EPON结构提出的。它对ONU进行测距、注册，使ONU自动加入EPON系统，能够实现多个ONU接入OLT的控制，还能提供动态带宽分配机制。2. MPCP的功能及基本工作原理多点控制协议的功能包括ONU的自动发现和加入，ONU发送时隙的分配，向高层报告拥塞情况以便动态带宽分配。图3.6为MPCP协议工作原理示意图，其具体基本工作原理如下：1）采用TDMA方式在共享媒质撒花姑娘某段时间只允许一个MAC客户发送以太网帧，OLT出生于驻地为奇偶那个值ONU发送时间，ONU处于从地位在OLT的授权下才能发送帧。该功能由“授权处理过程”负责。2）新ONU被发现注册后进入PON网络，进而被允许发送帧。该功能由“发现处理过程”负责。3）通过反馈机制以更好地利用PON网络宽带，即ONU上报、向OLT反馈其带宽需求。该功能由“报告处理过程“负责完成。4）多线MAC控制子层产生MAC控制帧，以进行“授权处理、发现处理和报告处理”。OLT ONU1 ONU2 ONUn.图3.6 MPCP协议工作原理示意图3. MPCP帧EPON中，一个OLT管理着多个ONU，ONU之间没有任何信息交流。为了这种点对多点的特殊网络结构能够顺利高效地开展工作，IEEE802.3ah制定了一个多点控制协议。为了实现点对多点主从设备之间数据的有效发送和接收，MPCP定义了5种控制帧用于OLT与ONU的信息交互：GATE(授权)帧、REPORT(报告)帧、REGISTER_REQ（注册请求）帧、REGISTER（注册）帧和REGISTER_ACK（注册确认）帧，并且设定了2种工作模式：在初始化工作模式下，通过REGISTER、REGISTER_REGQUEST和REGISTER_ACK这些控制帧来发现新加入的ONU，对新加入的ONU进行注册分配地址，实现同步、测距等功能；在正常工作模式下，通过GATE和REPORT两种控制帧来进行带宽的分配，ONU向OLT发送REPORT报告帧报告队列情况请求分配带宽，OLT以GATE帧应答授权带宽。所有的帧都是有64字节长度的MAC控制帧，其通用结构示意于图3.7。目的地址（DA）源地址（SA）长度/类型=88-0816时间标签操作码信息域帧序列校验（FCS）数据域66242404字节数图3.7 MPCP帧的通用帧结构 GATE帧:该帧由OLT发送给ONU，主要用于初始化启动注册和正常工作模式下进行时隙分配等过程。它有两个功能角色，一是发现授权，用于为所有未注册的ONU分配自动发现授权，该发