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EPON原理及相关协议介绍 华为技术有限公司HuaweiTechnologiesCo Ltd OFA5920产品高海g hai EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 WhyEPON HDTV VoD IPTV P2P等高带宽应用的出现使基于铜线技术的DSL接入网成为带宽瓶颈 接入网从上而下的光纤化是不可避免的大趋势 光纤接入技术中P2MP的PON技术最受瞩目EPON GPON是目前应用最广 成熟度最高的一种PON技术 接入网的光纤化 光纤接入网中P2PvsP2MP比较 PON及其网络结构 无源 没有室外有源设备由有源OLT和ONT 以及无源ODN 光分配网络组成 ODN 由光纤 光分路器 Splitter 和其他无源器件组成非常低的生命周期费用 无室外有源设备维护费用能够很容易承载语音 Voice 视频 Video 和数据 Data 相对P2P方式的光纤接入 成本低一半左右 PON技术比较 TPON APON BPON GPON EPON WDMPON 国际标准 ITU TG 983 x ITU TG 984 x IEEE802 3ah 国际标准 国际标准 国际标准 国际标准 ITU TG 982 国家标准 YD T1077 2000 国家标准 YD T1090 2000 国家标准 国家标准 国家标准 PON技术标准化状况 下行信号 OLT连续广播发送 ONU选择性接收 根据LLID PON基本技术 下行 PON基本技术 上行 上行信号 TDMA突发发送 采用测距技术保证上行数据不发生冲突 OLT ONT ONU ONU Splitter PON基本技术 测距和突发控制 OLT根据DBA算法向ONU发布授权时间窗口测量OLT下行发送到上行接收的数据信号环路时延 并据此对ONU授权时间窗口进行延时补偿 从而保证上行数据不会发生冲突测距方式 定时自动 初始测距 自动相位补偿 PON基本技术 突发发送和接收 ONU上行为TDMA方式OLT指定时隙有数据时发送 无数据时断开OLT多个ONU数据源ONU距离 功率不同突发接收AGC突发技术都时在光模块上实现的时间要求EPON OLT恢复时间400ns ONU开关时间512nsGPON OLT恢复时间60 8ns ONU开关时间12 8ns PON基本技术 突发发射 快速开启和关断能力消光比大 10dB 0 ONT 0 ONU 1 ONU 0 ONT 连续模块 0 ONU 1 ONU 突发模块 快速AGC 光模块 动态范围 20dB 快速时钟恢复 B CDRSERDES 有快速AGC 阈值线 PON基本技术 突发接收 EPON基本特征 单纤双向 上行1310nm 下行1490nm下行广播发送 选择接收上行TDM方式发送 分享带宽直接基于以太网包传输 数据业务不需映射或处理 与IP网络紧密结合TDM等异质协议数据包需要映射 关键特性能够保证传输距离 20Km 分支比1 32IEEE802 3ah 2004年7月定稿 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 EPON协议总体介绍多MAC控制简介MPCP协议介绍RS PCS PMA子层简介 EPON协议简介 一 EPON协议由IEEE802 3ah定义 主要参考章节如下 56 EPON介绍57 OAM定义60 EPONPMD子层定义64 Multi PointMACControl子层定义65 EPON对于RS PCS PMA子层的扩展和FEC67 EPON系统建议 标准的基本内容 在以太网架构中实现P2MP拓扑结构的机制和控制协议多点MAC控制实现在不同的ONU中分配上行资源 在网络中发现和注册ONU 允许DBA调度RS子层为EPON扩展了字节定义PMD子层定义了EPON兼容器件的指标OAM定义了EPON各种告警事件和控制处理 P2P拓扑下的协议架构 P2MP拓扑下的协议架构 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 EPON协议总体介绍多MAC控制简介MPCP协议介绍RS PCS PMA子层简介 多点MAC控制 多点MAC控制的实现目标 支持P2PE这种特例OLT支持多个LLID和MAC客户端ONU支持单个LLID支持单拷贝广播机制允许动态带宽分配的灵活架构使用32位时间戳使用基于MAC控制的结构对发现的设备进行测距以改进网络性能用持续测距的方式实现对RTT补偿 多点MAC控制 在IEEE802 3中的层次 多点MAC控制 在IEEE802 3中的层次 代替了MAC控制子层的位置 位于DLL的底层 支持多个客户和其他的MAC控制功能通过特定的协议实现实时控制多个MAC的机制 并实现对MAC子层的操作MPCP是一种管理P2MP的协议 目前还没有制定管理P2MP的标准多个MAC共用一个物理层 每一个独立的MAC给OLT和ONU提供P2PE 附加的一个MAC提供SCB功能ONU的RS层完成了帧过滤 所以只要一个MACEPON终端在注册过程中分配的LLID唯一标识了MAC EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 EPON协议总体介绍多MAC控制简介MPCP协议介绍RS PCS PMA子层简介 MPCP 发现处理 发现处理报告处理门限处理MPCPDU的结构和编码 MPCP 发现处理 发现处理为新添加的的或离线的ONU提供PON接入 发现处理的过程OLT广播一个发现GATE消息 该消息包括开始时间和发现时间窗的长度未注册ONU等待一个随机时间后发送REGISTER REQ消息 ONU采用竞争算法和测量来避免碰撞 REGISTER REQ中包括ONU的MAC地址和最大等待时间 OLT接收到一个可用的REGISTER REQ消息后 注册该ONU 分配一个LLID并绑定正确的MAC地址到LLID上 OLT发送Register消息 包括ONU的LLID和OLT的同步时间 到ONU OLT现在可以发送标准的GATE消息允许ONU发送REGISTER ACK消息 发现处理完成 OLT和已注册的ONU开始正常的通讯整个发现处理的消息流程如下页图示 MPCP 发现处理 OLT ONU 发现握手操作完成 发现时间窗口 随机延迟时间 开始 GATE REGISTER REQ REGISTER GATE REGISTER ACK 广播通道 单播通道 图1 11发现处理的握手消息流程 在Discovery过程中 OLT下发Register消息给ONU 消息包含OLT的一个TimeStamp ONU收到此消息后 将一个内部的32位计数器初始化为这个TimeStamp的值 这样 ONU和OLT就取得了时间同步 实际上 我们可以发现 ONU的计数器时间比OLT慢 慢了RTT 2的时间 此后OLT发出的所有Gate消息中的StartTime就是基于这个同步时间的偏移 可以想像 Gate消息中的StartTime也会针对RTT作相应补偿和调整 MPCP 发现处理 MPCP 报告处理 发现处理报告处理门限处理MPCPDU的结构和编码 MPCP 报告处理 报告处理负责对网络中报告的产生和终止进行排队 报告有较高层产生 通过MAC控制的客户端送入MAC控制子层 状态报告用于带宽需求和OLT的watchdog时钟 即使没有带宽需求 也需要周期性地产生报告 报告处理功能模块和它的MPCP协议被设计成与802 1P桥接 MPCP Report报文格式 MPCP 门限处理 发现处理报告处理门限处理MPCPDU的结构和编码 MPCP 门限处理 多点MAC控制的关键概念是公平裁决多个ONU进行传输的能力 OLT通过许可分配的方式控制ONU的传输ONU通过GATE消息设置传输窗口产生周期性的许可 发送GATE消息 以防止watchdog超时ONU注册以后 如果设置了Discovery标志 则忽略所有的GATE消息 MPCP Gate消息报文格式 MPCP MPCPDU的结构和编码 发现处理报告处理门限处理MPCPDU的结构和编码 MPCP MPCPDU的结构和编码 MPCPPDU是IEEE802 3的基本帧 DA MPCPDU的DA是MAC控制的广播地址或者MPCPDU定义的独立MAC地址SA 与MPCPDU相关的独立的MAC地址Length Type MPCPDU携带MAC Control Type字段 按Type编码Opcode MPCPDU封装的Opcode标识Timestamp MPCPDU在传输时的localTime的内容Data Reserved PAD 这40个八位元是MPCPDU的有效载荷 如果没有内容 则在传输式用0填充 接收时忽略FCS FrameCheckSequence 通常由下一层的MAC产生RS层生成合适的LLID MPCP PDU帧结构 MPCP帧结构 MPCP消息类型 Code域 MPCP 消息结构 Gate消息包括最多4个授权窗口的StartTime和Length等 Report消息包括ONU多个队列的长度 Register REQ消息包括Register和Deregister请求Register消息包括OLT对ONU注册请求的响应 ACK或NACK 以及分配的LLIDRegister ACK消息包括ONU的响应其他消息格式和细节描述请参考协议文本64 3 6章节 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 EPON协议总体介绍多MAC控制简介MPCP协议介绍RS PCS PMA子层简介 RS子层定义了LLID LLID域内详细定义 对PCS PMA的扩展 PCS的扩展 用于数据检测和前向错误校正扩展后的PCS支持P2MP的突发工作模式 PCS子层扩展定义了FEC FEC时域图示 EPON原理 自动发现和测距 自动发现是少量的 尽量不占用有效带宽何时启动可以静态设置Discovery操作频率可以按照DBA算法指定多个ONU避免注册冲突ONU采用随机算法 保证ONU尽量在不同的时刻响应 提高成功率 随机延迟法 ONU自行延时一段时间随机跳过窗口 ONU自行决定是否响应OLT广播Discovery窗口按照最大窗口 20km按照软件设置的最大窗口参数 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 ONU自动发现和测距DBA技术介绍EPON传送效率分析QoS和组播简单分析 EPON原理 ONU自动发现 自动发现不必等序列号登记认证以后才使能数据通路软件可设置该操作的频率OLT定时分配discovery时隙OLT发出GATECDR AGCONU立即响应Register REQMAC地址光ON OFF时间待定的授权数OLT接收REQ校验ONU数据有效性交给OLT处理器鉴定分配LLID计算RTTOLT再次确认 ONU响应确认若不成功 则下次再进行发现 EPON原理 为什么要测距和动态测距 各个ONU到OLT传输时延变化物理距离环境温度的变化光电器件的老化等因素在ONU的注册阶段进行静态测距补偿由物理距离差异造成的时延通信过程中实时进行动态精测校正环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移 EPON原理 测距的实现 补偿因ONU距离不同而产生的时延差异 RTT RoundTripTime 在注册过程中 ONU对新加入的ONU启动测距过程OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间OLT也可以在任何收到MPCPPDU的时候启动测距功能 测距精度 3 2米使用注册冲突避让 在EPON系统中 解决ONU的注册冲突的方案有两种 随机延迟时间法和随机跳过开窗法 RTT T3 T1 T2 T1 T3 T2 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 ONU自动发现和测距DBA技术介绍EPON传送效率分析QoS和组播简单分析 DBA的概述 1 作用 根据ONU ONT上行突发流量需要 通过在ONU ONT之间动态调整带宽提高了PON上行带宽的有效性 意义 采用传统的静态带宽分配 一般的信道利用率只有40 左右 而采用动态带宽分配后 信道利用率可以达到80 因为有更有效的带宽可用 网络管理者可以在PON中增加更多用户用户可以享受更好的服务 比如可以更好的运行那些具有上行突发的业务 两种实现方法 空闲信元调整 NSR OLT监视被每个ONU ONT使用的带宽 如果使用带宽不超过预先SLA 则分配额外带宽给此ONU ONT 通过Gate消息 如果使用带宽超过预先SLA 则短期内不下发Gate消息 抑制其带宽 缓存状态报告 SR ONU ONT上报它们缓存状态 OLT根据ONU ONT的报告重新分配带宽目前EPON缺省使用SR方式 SR方式支持不同类型业务的能力更好 带宽利用率更高 但实现较为复杂 DBA的概述 2 DBA基本概念 SLA serverlevelagreement服务等级协议授权实体 有权分配授权的时间间隙 可以是单个ONU 也可以对应于特定的服务或者设备LLID 逻辑链路标识 EPON采用的授权实体为LLID 并且一个ONU只有一个LLID 所以也可以说授权实体是单个ONU DBA的性能评价 响应时间等待带宽分配的时间恢复时间公平性粒度业务优先级保证带宽最大带宽公平分配 DBA对用户提供什么 DBA对用户提供SLA定义 实现用户带宽调整 最小保证带宽 MIN 最大带宽 MAX 服务优先级 Clase 请求服务时延 DELAY CBR constant bit rate 服务 类似TDM 在DBA算法中CLASS用来决定一个授权实体的调度级别 例如高优先级实体将获得所有请求的分配 而低优先级类实体将只得到它们请求的某些片段 根据CLASS可以区分授权实体获得的授权多少 这在上行带宽拥塞时非常重要 SLA管理 大多数的DBA算法都依赖于一个循环或者伪循环的过程 这样一个循环定义为授权周期 或Cycle 如下示意图所示 实际操作 DBA算法实现 EPON技术背景介绍EPON协议内容简介EPON关键技术介绍 ONU自动发现和测距DBA技术介绍EPON传送效率分析QoS和组播简单分析 EPON效率影响因素 光电开销碎包损失协议报文开销 EPON效率分析 EPON效率分析 光电开销 EPON上行时域图示 更详细的图示 EPON效率分析 光电开销 在Grant消息中 OLT会向ONU发布Grant窗口的一个SyncTime 这个事件就包括了OLT端的AGC CDR ByteAlign 在这段时间内 ONU只能在线上发Idle符号 LaserOn和LaseOff时间参数 ONU是知道自身参数的值 不必OLT下发 EPON效率分析 光电开销 当前一些参数的典型值 LaserOn LaserOffONU光模块的手册值小于16nsAGC OLT光模块的手册值为400ns左右CDR 使用普通SERDES 手册值为400ns按上述计算 ONU每次上行传输的开销为16 2 400 400 832ns未来光模块和SERDES器件升级 这个开销可降低到约400ns 甚至更低 如果按DBA调度Cycle为1ms计算 每个Cycle内32个ONU各得到一次授权窗口 整个系统上行效率损失为 400ns 32 1ms 1 5 开销带宽为15M左右 EPON效率分析 光电开销 如下图所示 红色Idle区间由于长度不足以传送第5个包 所以这段时间被浪费 也就造成了碎包损失 碎包损失和包长 流量模型等有关 按照我们的测试结果 碎包损失 32ONU 在30M到160Mbps之间 随着ONU数目的增多或减少 碎包损失也会增加或减弱 EPON效率分析 碎包损失 EPON效率分析 协议报文开销 一 EPON网络的上下行通道首先要承载MPCP协议报文 其次协议标准OAM报文也应该被优先处理 通常EPONMAC芯片会把协议报文列为最高优先级 在带宽拥塞的情况下 所有业务数据报文在协议报文之前被丢弃 因此协议报文的流量称为系统中的一个基本开销 MPCP协议报文因为需要及时响应ONU的带宽请求 在系统出现的次数非常频繁 形成了主要的带宽开销 OAM协议属于SlowProtocol 占用带宽较小 基本可以忽略不计 EPON效率分析 协议报文开销 二 由于MPCP协议报文 诸如Gate Report等的发生频率和DBA算法紧密相关 无法准确衡量计算 我们实际测试的数据基本如下 下行方向 每个ONU的MPCP协议报文占用带宽1 5Mbps左右 32个ONU总共占用带宽45M左右 即 下行方向32个ONU时的吞吐率在955M左右 1个ONU吞吐率可以达到99 以上 上行方向 每个ONU的MPCP协议报文占用带宽600 1000Kbps左右 32个ONU总共占用带宽20Mbps左右 EPON效率分析 总结 综上所述 当前EPO