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EPON网络及其应用 唐明光中国电子科技大学2008 3 19 1 业务需求从业务需求观点分析 近年随着Internet接入的普及 以及网络视频 网络音频 网络游戏等应用的增长 用户对带宽提出了越来越高的需求 表1给出了这些要求的参考数据 表1居民用户带宽需求 引自 中国电信互联网需求书 业务类型1年3年5年远期各业务所需带宽 下行 IPTV2 3M5 6M10 12M20M视频通信500K1M2M4M上网业务512K2M4M10M网络游戏20K300K300K2MVOIP100K100K100K100K各业务所需带宽 上行 语音 视频通信500K1M2M4M上网业务512K1M2M4M视频监控0002M总计下行带宽512K 4M2M 8M4M 18M10M 30M总计上行带宽512K 1M1M 2M2M 4M4M 10M 从表1 中国电信互联网需求书 中可以看出 用户对带宽的需求在3年内就能到2 8Mbps 户 在5年之内可能到达4 18Mbps 户 采用什么宽带接入技术能满足带宽增长的发展趋势 并能做到逐步扩容 保护设备投资 所有的运营商都面临这一挑战 2 广电城域网承载的几类主要业务有 1 VOD点播业务 该业务为数字电视点播下行通道 传输点播的视频并发流 其占用的带宽与用户数量有关 通常一个视频流2 4Mbps 与采用的压缩编码标准有关 上行通道 提供电视节目互动的回传业务 其突发带宽在100Kbps以内 具有平均带宽很小业务的特点 但是上行点播和互动操作作为交互电视的配套服务 业务接入率可能会很高 2 宽带上网业务 提供宽带上网服务 包括网页浏览 文件下载 即时通信 网络游戏 P2P下载等等 业务带宽 根据表1中的数据 目前宽带业务带宽需求为512k 5年内将发展到4M 业务特点 具备一定突发性 对网络时延和QoS不敏感 3 IPTV业务 利用IP技术 向用户提供视频广播 视频点播和互动视频业务 其带宽标清视频需要2Mbps 高清视频需要6M 15Mbps 在黄金时段 每晚8 00 10 00 业务并发率很高 需要高效的组播和较大的下行业务带宽 由于该类业务对网络延时和QoS很敏感 需要保证网络时延和QoS 4 VoIP业务 提供网络电话 或网络视频电话等服务业务 语音通信业务需要带宽小于100Kpbs 视频电话带宽在500K 2Mbps之间 5 专线接入业务 为企业提供宽带接入 以太网专线 其带宽2M 10Mbps TDM专线业务 TDM专线业务 其带宽2M 8Mbps 要保证较高网络可靠性 保证业务的安全性和隔离性 TDM业务对时延 抖动要求较高 3 EPON在广电网中的应用自从2004年IEEE发布了EPON技术标准以来 EPON作为光接入网的一种优选技术 在市场的需求中迅速成熟并得到了广泛应用 目前仅在日本就已经铺设了超过600万个ONU 局端容量超过1000万线 EPON的全千兆带宽 简单而成熟的以太网技术 无源光网络特点也受到了广电运营商的关注 由于EPON网络的树状无源光分配网络拓扑和广电的HFC网络拓扑的相似性 使EPON网络技术迅速成为广电HFC网络双向改造的热点技术之一 EPON系统特点 1 电信运营级多业务EPON系统 能满足广电城域网络多业务接入需求 2 EPON产品基于IEEE802 3ah的以太网无源光网络标准生产 3 EPON系统在一根光纤上可以同时为多个用户提供以太网数据接入 POTS语音接入和CATV IPTV视频接入等不同类型的业务 4 EPON系统的目标以提高基础网络资源利用效率 以相对低廉的建设成本实现 光纤到用户 解决边缘网络接入段的带宽瓶颈问题 5 EPON采用无源光网络技术 无论从使用寿命 还是长期的运营维护费用等方面 都是其它技术无法比拟的 6 在现有大用户接入设备技术当中 EPON具备最佳的投资回报比 同时其方便运行管理的OAM 多业务技术 可以为用户提供可靠的数据 语音和视频等综合业务 EPON系统组成 EPON系统由头端设备OLT 称为光线路终端 用户端设备ONU 称为光网络单元 无源光网络PON三大部分组成 PON由主干光纤 分光器和分支光纤组成 PON将OLT和ONU连接起来 就构成了EPON系统 如图1所示 图1EPON系统图 4 EPON工作原理简介 1 EPON的网络结构EPON系统是一个典型的光接入网 它由ITU T定义 如下图示 按ONU安放的位置 可以将EPON分为三种接入方式 FTTH FTTO ONU安置在用户家中或办公室中 即光纤入户 此时ONU称为ONT FTTB ONU安置在楼棟或楼棟单元 即光纤到楼 FTTC ONU安置在街边 即光纤到街边 除了FTTH FTTO是光纤入户外 从ONU到用户采用双绞线或铜轴电缆接入用户 EPON三种接入方式 2 EPON的构成一套典型的EPON系统由硬件和软件两大部分构成 硬件部分主要包括有源网络设备和无源光分配网两大部分 有源设备包括 光线路终端OLT 光网络单元 光网络终端ONU ONT 无源光分配网 由局端到用户端的光纤和无源光分配器组成 称为无源光网络 光分配网PON ODN OLT位于根节点 通过PON ODN与各个ONU相连 在下行方向 即向ONU方向 OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口 在上行方向 即向城域骨干网方向 OLT将提GE GigabitEthernet 接口 将来 OLT也会支持10Gbit s以太网的高速接口 根据需要 也可以配置其它接口 为了支持其他流行的协议 OLT还可支持ATM FR以及OC3 12 48 192等速率的SDH SONET的接口标准 OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入 在EPON的统一网管方面 OLT是主要的控制中心 实现网络管理的主要功能 PON ODN 由光纤 无源光纤分配器组成 它是一个连接OLT和ONU的无源设备 ONU 放在用户驻地侧 接入用户终端设备 软件部分 按照802 3以太网体系设计思想 MAC子层只提供尽力而为的数据报服务 不提供差错控制 确认机制 和流量控制 滑动窗口 通常情况下 这种服务已足够 当需要差错控制和流量控制的时候 这种服务就不能满足 需要LLC 逻辑链路子层 LLC子层提供差错控制和流量控制 LLC隐藏了不同802MAC子层的差异 为网络层提供单一的格式和接口 对于同一个LLC逻辑链路 可以提供多个MAC选择 EPON的OLT和ONU之间的连接也要通过逻辑链路的控制 即LLID技术 在网络层次结构中EPON增加了MPCP 多点控制协议 协议功能 它是MAC控制子层MAC C的一部分内容 如下图所示 MPCP是MAC控制层的组件 MPCP主要完成两种功能 ONU自动发现 注册和测距 在上行信道中 用于数据传输有一整套信令体系 如带宽分配等 实现的手段是增加了控制消息 下行为Reports 上行为Getes 如下图 EPON的光纤网络结构OLT和ONU之间的无源光网络可以灵活组建成树形 环形 总线形 以及混合型 A 树型拓扑 B 总线型拓扑 C 环型全保护的拓扑结构 D 主干路带保护的树型拓扑 E 主 支路带保护的树型拓扑 利用不同的分光方案 可以构成花样繁多的网络结构 不同的分光方案举例如下图 3 EPON工作原理a EPON的层次模型对于以太网技术而言 PON是一个新的媒质 802 3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 EPON的层次模型按照2003年1月发布的IEEE802 3ahDraft1 3规定如下 IEEE802 3层次模型 IEEE802 3ah层次模型 b EPON系统的信号传输EPON采用单纤波分复用技术下行1490nm 上行1310nm 数字 模拟电视1550nm EPON是由OLT 光线路终端 ONU 光网络单元 以及ODN 光分配网络 由无源分光器和光纤组成 等单元构成的点到多点系统 其系统拓扑多为星型或树型分支结构 OLT位于EPON系统的局端一侧 负责EPON系统外部资源与终端用户的连接 汇聚外部业务 协调远端ONU 外部资源包括语音 数据及视频业务 除了这些基本功能外 高等级的OLT还具备数据路由 交换和语音网关等功能 ONU负责用户的接入 业务的覆盖 下行方向 由OLT到ONU 采用广播方式 每一个ONU将接收到所有下行信息 根据其MAC地址提取有用信号 上行方向 由ONU到OLT 采用时分方式共享系统 为了避免数据碰撞和公平的信道共享 采用OLT分配静态或者动态带宽的方式 给每个ONU分配一个时间没有重叠 时隙可变的传输窗口 用于ONU数据的传递 为了实现时隙的管理 IEEE802 3ah中采用了多点控制协议 MPCP 采用Report和GATE两个MAC控制消息来实现 OLT发送 门 GATE 消息 给ONU用来分配时隙 而ONU采用 报告 Report 消息 向OLT获取时隙或者请求时隙 通过接入控制机制将各个ONU有序接入 EPON的上 下行信息速率均为1Gb s 由于其物理层编码方式为8B 10B码 所以其线路码速率为1 25Gb s 由一根光纤采用波分复用实现全双工通信 其结构示意图如下图所示 c EPON网络每用户平均带宽在EPON中 因为所有用户终端共享OLT和光纤 所以每个用户终端的可用带宽也是共享的 可共享的总带宽取决于分光器的分支比 例如 EPON的分支比为1 32时 每个ONU的平均可用带宽是30Mb s EPON能以较低的分支比来提高每用户的带宽 但这会增加每用户的成本 例如 EPON的分支比从1 32降到1 16 可使每用户的带宽增至60Mb s 但是每用户均摊的OLT的成本也翻番了 当业务带宽需求与成本相比居于主要考虑时 降低分支比来提高每用户带宽就成为必需的技术措施 d EPON中的关键技术 多点控制协议MPCPEPON系统通过一条共享光纤将多个OUN连接起来 其拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支结构 MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制 EPON作为EFM讨论标准的一部分 是建立在MPCP Muti PointControlProtocol多点控制协议 基础上的系统 MPCP协议是MACcontrol子层的一项功能 MPCP使用消息 状态机 定时器来控制访问P2MP 点到多点 的拓扑结构 在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体 用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信 为此 EPON实现了一个P2P仿真子层 P2P仿真子层是EPON MPCP协议中的关键组件 该子层通过在每个数据报的前面加上一个逻辑链路标识LLID LogicalLinkIdentification 该LLID将替换前导码中的两个字节 它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合 PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备 即OLT 将位于边缘部分的多个节点认为是从设备 即ONUs MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收 系统运行过程中 上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送 位于OLT的高层负责处理发送的定时 不同ONU的拥塞报告 以便优化PON系统内部的带宽分配 EPON系统通过MPCP来实现OLT与ONU之间的带宽请求 带宽授权 测距等 MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配 ONU的自动发现和加入 向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽 MPCP多点控制协议位于MACControl子层 MACControl向MAC子层的操作提供实时的控制和处理 系统同步 系统同步是指由于EPON上行为多点到一点的拓扑结构 每个ONU发送时隙必须与OLT的系统分配的时隙保持一致 以防止各个ONU上行数据发生碰撞 ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步 EPON时钟同步采用时间标签方式 在OLT侧有一个全局的计数器 下行方向OLT根据本地的计数器插入时钟标签 ONU根据收到的时钟标签修正本地时钟 使本地时钟与OLT时钟同步 完成系统同步 上行方向ONU根据本地时钟插入时钟标签 OLT根据收到的时钟标签完成测距 ONU的自动识别 ONU自动识别的目的是通过系统的自动运行 不需人工干预完成对新ONU的发现和注册 使新ONU能够自动加入到EPON系统而不影响其他ONU运行 EPON中TDM业务的传输尽管数据业务的带宽需求正快速增长 但现有的电路业务还有很大的市场 在短期内仍将发挥其巨大的作用 在今后几年内仍是业务运营商的主要收入来源 所以在EPON系统中承载电路交换网业务 将分组交换业务与电路交换业务结合有利于EPON的市场应用和满足不同业务的需要 因此 现在的EPON实际都是考虑网络融合需求的多业务系统 EFM对TDM在EPON上如何承载 在技术上没有作具体规定 但有一点是肯定的就是要兼容以太网帧格式 如何保证TDM业务的质量实际上也就成为多业务EPON的关键技术之一 4 EPON是三网融合的解决方案以太网无源光网络 EPON 的很大一个优势 就是利用丰富的带宽开展多种业务和应用 为最终的三网融合奠定良好的基础 目前可以开展的业务有语音 包括POTS和VoIP 视频点播 VOD 标准电视和高清电视 STVandHDTV 视频会议 实时或者准实时的电子交易和数据等等 针对以上各种不同的业务 有各种接入业务种类 针对不同的用户需求 在传输带宽 质量和价格等方面提供差异性的接入服务 下列表格列出了一些基本的业务类型以及相应的要求 5 EPON系统优点 1 千兆速率带宽EPON具有双向千兆的的带宽 能充分满足用户日益增涨的带宽需求 ONU具备业务感知和差异化多业务接入能力 ONU可根据端口 MAC IP VLAN 端口号等特征区分业务流 针对不同业务流实施不同的QoS策略和带宽策略 可以保证视频 语音 数据和其他宽带增值业务的运行 如果最后入户100米采用LAN 五类线 方案 用户终端无需供电 故障率低 易维护 每个用户独享10 100M带宽 2 高效的网络维护EPON系统层级简单 OLT到ONU ONU到OLT 只有无源光网络 实现了端到端的网络接入 网络维护更加简单 EPON可以实现带宽的动态分配 在效率和公平上取得平衡 EPON拥有的丰富的OAM管理特性 可以集中管理所有的远端ONU 并通过各种性能告警和故障定位机制 迅速判断故障点 提高运维效率 3 灵活的升级方式用户需要增加带宽时 只需减小每个PON口的分支数 即可增加用户带宽 从而为业务升级提供空间 如图2所示 以一个PON接口1万元计算 每用户上行带宽每增加1M只需要10元 另外 10GEPON的标准已经颁布 产品也已供应市场 可充分保证网络的可持续发展 图2EPON网络带宽升级方式采用EPON方式 还可以为一些高端客户开展FTTH业务 实现FTTB FTTH的混合组网 4 容易实现多业务运营EPON网络可利用已有的光分路器预留的光分支 向周围的企业提供宽带接入 E1专线 以太网专线 语音等多种业务 能极大地扩展运营商的业务来源 采用EPON方案 可以利用设置在城区各处的每一个内置光分路器的光交接箱 都成为业务发放节点 成为用户接入的虚拟机房 如图3所示 图3EPON网络的多业务拓展 6 EPON业务提供方案1 宽带上网业务提供针对居民用户的宽带上网业务 相关组网结构如图4所示 远端用户利用PPPoE 直接和BR