EPON网络基础.ppt

PON装维培训基地参考教材-PON网络基础,大纲,一、PON介绍二、EPON关键技术三、ODN网络概述,一、PON介绍1.1PON的定义和组成1.2主流PON技术比较1.3各网络组件主要功能1.4PON网络保护方式,PON（PassiveOpticalNetwork）无源光网络的定义PON是一种应用于接入网，局端设备（OLT）与多个用户端设备（ONU/ONT）之间通过无源的光缆、光分/合路器等组成的光分配网（ODN）连接的网络。在OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)之间的ODN(光分配网络)没有任何有源电子设备的光接入网。无源光网络的构成OLT（OpticalLineTerminal）光线路终端ONU（OpticalNetworkUnit）光网络单元ONT（OpticalNetworkTerminal）光网络终端ODN（OpticalDistributionNetwork）光分配网,PON的定义和组成,OLT,ONU,OpticalLineTerminal,OpticalNetworkUnit,PassiveOpticalSplitter,PSTN,Internet,CATV,ONU,ONU,PassiveOpticalSplitter,PON是以点到多点为特征的单纤双向无源光网络,无源分光器,无源分光器,PON的定义和组成,主流PON技术比较,主流PON技术比较,a、OLT基本功能:在一个EPON系统中OLT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，是整个EPON系统的核心部件。主要功能有：1）向ONU以广播方式发送以太网数据2）发起并控制测距过程，并记录测距距离信息3）发起并控制ONU功率的大小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）其它相关的以太网功能,EPON各网络组件基本功能,b、ONU基本功能:在EPON系统中ONU采用了技术成熟而又经济的以太网协议。在ONU中可以实现成本低廉的以太网第二层、第三层交换功能。主要功能有：1）选择接收OLT发送的广播数据，通过下行控制帧的时间戳同步于OLT2）响应OLT发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整3）对用户的以太网数据进行缓存并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送4）其它相关的以太网功能,EPON各网络组件基本功能,c、ODN位于OLT和ONU之间，包括其间的所有光缆和无源光器件。ODN为OLT与ONU之间提供双向光传输。ODN以树型结构为主。d、水平电缆子系统提供ONU至用户的接入线路，由楼层配线设备、入户电缆、信息点和跳线等组成。,EPON各网络组件基本功能,根据光纤到达用户侧的位置不同，宽带光接入网的应用包括:FTTN，光纤到节点FTTCab，光纤到交接箱FTTC，光纤到路边FTTB,光纤到楼FTTH，光纤到户FTTO，光纤到办公室等多种方式。,宽带光纤接入及FTTX的概念,PON网络所处层面,a.OLT的设备级保护功能:1)主控板的11冗余保护，保护时间应为毫秒级2)OLT设备应配2个电源模块，形成11冗余保护，并做到业务无中断的电源切换（业界普遍采用分布式供电，电源倒换一般对业务无影响）3）OLT支持对板卡和终端配置信息的保护，能够在板卡或中端重新上线后的自动配置恢复4）OLT板卡热插拔,PON网络保护方式,b.OLT上联链路的链路聚合:1)提高链路的上联流量，并能实现上联链路之间的保护，将OLT的多个上联端口成为一个聚合组，以扩展OLT的需求。2)OLT应支持至少4个链路聚合组，GE端口的链路聚合组的最大可聚合的端口数不应小于4个3)OLT应支持上联板内的端口链路聚合和上联板间的端口链路聚合。4)主流OLT设备普遍支持链路聚合功能，但在板间保护保护以及倒换时间上存在一定的差异,PON网络保护方式,c.骨干光纤冗余保护:OLTPON口处内置12光开关，采用2:N光分路器，在分路器和OLT之间建立2条独立的、互相备份的光纤链路，由OLT检测线路状态，一旦主用光纤链路发生故障，切换至备用光纤链路。,PON网络保护方式,d.PON口、骨干光纤冗余保护：,OLT采用两个PON端口，备用的PON端口处于冷备用状态，采用2:N光分路器，在分路器和OLT之间建立2条独立的、互相备份的光纤链路，由OLT检测线路状态、OLTPON端口状态，一旦主用光纤链路发生故障，由OLT完成倒换。,PON网络保护方式,e.全保护：,PON网络保护方式,OLT采用两个PON端口，均处于工作状态；ONU的PON端口前内置12光开关；采用2个1:N光分路器，在ONU和OLT之间建立2条独立的、互相备份的光纤链路；由ONU检测线路状态，一旦主用光纤链路发生故障，由ONU完成倒换。,二、EPON关键技术1.1EPON单纤双向传输机制1.2EPON协议栈1.3主要技术介绍1.4主要产品介绍,单纤双向传输机制：PON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。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：下行数据流采用广播技术；上行数据流采用TDMA技术。,EPON单纤双向传输机制,EPON工作原理下行：广播方式-在ONU注册成功后分配一个唯一的LLID；-在每一个分组开始之前添加一个LLID，替代以太网前导符的最后两个字节；-OLT接收数据时比较LLID注册列表，ONU接收数据时，仅接收符合自己的LLID的帧或者广播帧。,EPON单纤双向传输机制,EPON工作原理上行：TDMA方式-OLT接收数据前比较LLID注册列表；-每个ONU在由OLT设备统一分配的时隙中发送数据帧；-分配的时隙补偿了各个ONU距离的差距，避免了各个ONU之间的碰撞。-当ONU没有数据传送时，也需要填充OLT分配给自己的时隙。,EPON单纤双向传输机制,在以太网架构中实现P2MP拓扑结构的机制和控制协议,EPON协议栈,MACClient(媒体访问控制客户端)子层：提供终端协议栈的以太网MAC和上层之间的接口OAM层：使用OAM协议数据单元，管理、测试和诊断已激活OAM功能的链路；定义了EPON各种告警事件和控制处理多点MAC控制：使用MPCP（多点控制协议），实现点对多点的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MAC：实现对Media的控制；负责物理层的数据转发功能。将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中，并决定数据的发送和接收方式,各子层基本功能,RS：调和子层，为EPON扩展了字节定义，调和多种数据链路层能够使用统一的物理层接口；将MAC层的业务定义映射成GMII接口的信号。RS子层定义了EPON的前导码格式，它在原以太网前导码的基础上引入了逻辑链路标识（LLID）区分OLT与各个ONU的逻辑连接，并增加了对前导码的8位循环冗余校验（CRC8）GMII(GigabitMediaIndependentInterface,吉比特媒质无关接口)：允许多个数据终端混合使用各种吉比特速率物理层PCS：物理编码子层，将GMII发送的数据进行编码/解码（8B/10B），使之适合在物理媒质上传；FEC(可选)：使用二进制运算（例如Galois算法），附加一定的纠错码用于在接收端进行数据校验和纠错；,各子层基本功能,PMA：物理媒质附加子层，支持P2MP功能，实现PMD的扩展；为PCS提供一种与媒介无关的方法，支持使用串行比特的物理媒介，发送部分把10位并行码转换为串行码流，发送到PMD层；接收部分把来自PMD层的串行数据，转换为10位并行数据。生成并接收线路上的信号PMD：物理媒质相关子层（使用1000BASE-PX接口），PMD子层定义了EPON兼容器件的指标，实现PMD服务接口和MDI接口之间的数据收发功能。主要完成光纤连接、电/光转换等功能。PMD为电/光收发器，把输入的电压变化状态变为光波或光脉冲，以便能在光纤中传输MDI(MediumDependentInterface,媒质相关接口)：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器接口,各子层基本功能,IPG,DA,SA,FCS,.,IPG,CRC,EPON,IPG,Preamble,DA,SA,FCS,.,IPG,Ethernet,SLD,LLID,基于802.3帧格式新增LLID：用于在OLT上标识ONU,EPON帧格式,FCS：该域为帧校验序列，一般由下层MAC产生。MODE:标记是P2P模式还是Broadcast模式；LLID：逻辑链路标记，maxnum32767；目的地址(DA)：MPCPDU中的DA为MAC控制组播地址，或者是MPCPDU的目的端口关联的单独MAC地址；源地址(SA)：MPCPDU中的SA是和发送MPCPDU的端口相关联的单独的MAC地址；Length/Type：MPCPDU都进行类型编码，并且承载MAC_Control_Type域值；Opcode：操作码指示所封装的特定MPCPDU；Timestamp：在MPCPDU发送时刻，时间戳域传递localTime寄存器中的内容；Data/Reserved/PAD：这40个八位字节用于MPCPDU的有效载荷。当不使用这些字节时，在发送时填充为0，并在接收时忽略；帧序列校验(FCS):该域为帧校验序列，一般由下层MAC产生,EPON帧格式,a.MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制MPCP来协调数据的有效发送和接收：1)系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送2)位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告，从而优化3)PON系统内部的带宽分配b.MPCP有两种GATE操作模式：初始化模式和普通模式。1)初始化模式用来检测新连接的ONU，测量环路延时和ONU的MAC地址2)普通模式给所有已经初始化的ONU分配传输带宽,多点控制协议（MPCP）,c.MPCP在MAC控制层实现，引入了5条新的控制消息GATE（Opcode0002）（OLT发出）：允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指的时间段发送数据；REPORT（Opcode0003）（ONU发出）：向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳、以及是否有数据需要发送；REGISTER_REQ（Opcode0004）（ONU发出）：在注册规程处理过程中请求注册；REGISTER（Opcode0005）（OLT发出）：在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求；REGISTER_ACK（Opcode0006）（ONU发出）：在注册规程处理过程中表示注册确认。,多点控制协议（MPCP）,GATE消息指示ONU的发送窗口，包括窗口的开始时间和长度。当ONU的LocalTime计数器和GATE消息中的StartTime相同时，ONU开始发送。ONU将给结束发送留有足够的余量，从而保证在授权长度间隔用完前关闭激光器。REPORT用于上报带宽的需求，也可用来为OLT安装看门狗定时器（watchdogTimer）。即使没有带宽请求，也应该周期性的产生报告，这将保证OLT的看门狗定时器不会因超时注销ONU。为了保证该机制正常运转，OLT将周期性地向ONU授权。,GATE和REPORT交互过程,ONU自动注册流程见右图：-第一个gate广播帧有注册窗口的起始时间、窗口大小和同步时间；-第二个gate普通帧有请求ONU回送ack的grant信息；-OLT可以要求ONU重新执行发现进程并重新注册。-ONU也可以通知OLT请求注销，然后通过发现进程进行重注册。,发现握手操作完成,发现时间窗口,随机延迟时间,开始,REGISTER_REQ,REGISTER,GATE,REGISTER_ACK,广播通道,单播通道,发现处理的握手消息流程,OLT,ONU,Gate,ONU自动注册流程,ONU完成注册后，系统维持一个Keep-alive机制OLT定期（最低50ms一次）发送Gate消息给ONU，ONU也定期（最低50ms一次）的发送Report消息给OLT如果OLT在一定时间内没有收到ONU发来的任何MPCP消息，则认为该ONU的MPCP协议异常，将解注册（Deregister）该ONU如果ONU在一定时间内没有收到OLT发来的任何MPCP消息，则认为与OLT之间的链路异常或者OLT的MPCP协议异常，也将自动解注册MPCP协议基于MPCPDU中的timestamp进行动态测距，确保多个ONU上行TDMA的有序性,ONU完成注册后的MPCP协议交互,由于EPON系统采用点到多点的拓扑结构，网络管理系统难以从物理端口上判断ONU的合法性。为防止非法ONU接入EPON系统，应提供ONU认证功能。主流实现方式：基于MAC地址的认证基于ONU的MAC地址对ONU合法性进行认证基于逻辑标识的ONU认证采用ONU的逻辑标识码（LOIDPassword或者SN）进行合法性认证混合认证模式同时支持基于MAC地址的ONU认证方式和基于逻辑标识的ONU认证方式,ONU完成注册后的MPCP协议交互,OLT与各ONU间的环路时延不同：各ONU距OLT的光纤路径不同各ONU元器件的不一致性环境温度的变化和器件老化，环路延时也会发生不断的变化测距是保证PON系统内ONU上行方向不发生时隙冲突的基础测距包括静态测距和动态测距：静态测距：用在新的ONU安装调试阶段、停机的ONU重新投入运行时，通过开窗测距技术获得往返时延，并对时延差异进行补偿动态测距：应用于系统运行过程中，通过检测往返时延的变化对温度、光电器件老化等因素的影响进行补偿,测距原理,测距的方式：扩频法，带外法，带内开窗法,测距要求：测距精度高，一般要求在全12BYTE内测距过程对运行中的其它ONU的影响最小，保证运行业务的QOS测距范围大，即能提供的均衡延时大,测距原理,a.开窗法测距：-补偿因ONU距离不同而产生的时延差异：RTT（RoundTripTime）-在注册过程中，OLT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。b.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=T2-T1+T5-T3=T5-T4,测距原理,相对于静态带宽分配（SBA），DBA是指OLT基于用户的业务等级协议（SLA），结合ONU的本地队列状态的汇报（Report帧中的QueuenReport）或者业务预测,动态的给ONU分配上行带宽的技术，能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配。优点：实现高效的上行带宽利用率和保证业务的公平性和QoSDBA是采用轮询ONU的方式，例如每1ms给该PON下所有ONU各分配一次grant（每个ONU的grant的大小可能是不同的）。轮询周期Cycletime对上行业务时延有一定影响,动态带宽分配(DBA),-根据业务的优先级，系统对每个ONU设置SLA，对业务的带宽进行限制；-最大带宽和最小带宽是对每个ONU的带宽进行极限限制，保证带宽根据业务的优先级不同而不同；-OLT根据业务和SLA及ONU的实际情况进行带宽许可，优先级高的可以得到更高的带宽，满足业务需求。,SLA:ServiceLevelAgreementBW:BandwidthMaximum：最大带宽Guaranteed：保证带宽Minimum：最小带宽,动态带宽分配(DBA),EPON系统采用多点控制协议(MPCP)。MPCP协议的功能之一就是提供OLT和ONU之间的控制方法DBA的工作流程是GateReportGateReport，如此循环OLT给ONU发布的grant在Gate消息中承载ONU通过Report消息使OLT了解其本地的队列状态和业务流量DBA要按照SLA(包括保证带宽、最大带宽等参数)，结合ONU本地流量情况，通过特定算法为每个ONU进行带宽分配,DBA控制机制,OLT的DBA算法(DBA功能的核心)功能性：应支持固定带宽、保证带宽、尽力而为带宽3种带宽类型高性能：DBA算法应尽可能简单、高效、保证调度的实时性、精细度和精确性扩展性：DBA应支持至少32个ONU同时在线时的调度，在线ONU数量的多少也不应影响DBA的性能指标强健性：DBA算法和实现DBA的软硬件模块应足够稳定可靠两级调度算法OLT和ONU的两级调度算法,DBA控制机制,EPON具有完善的OAM功能，除基本功能远端故障指示、远端环回、链路管理外，EPON提供OrganizationSpecificExtension机制，各厂商可以使用这个机制来实现丰富的ONU远程操作、维护和管理（OAM）所必须的管理维护功能。OAM层的基本功能有：远端故障指示、远端环回、链路管理。扩展的OAM发现过程包括OAM能力发现、协商、附加信息的交换，以完成在执行其他扩展的OAM功能前所必需的能力确认过程。OAM信息由OAM协议数据单元（OAMPDU）承载，OAMPDU包含的控制和状态信息可用于管理、测试和诊断已激活OAM功能的链路。OAMPDU仅在对等OAM实体间的单一链路上传送，不会被MAC客户端（如桥设备和交换机）转发。,OAM,在EPON系统运行中，OLT设备通过OAM协议实时的控制和监控ONU设备的运行状态。EOAM（扩展OAM）是在OAM基础上，实现OLT对ONU的操作、维护和管理操作。配置下发配置查询事件通知文件下发批量配置下发批量配置查询,OAM协议数据单元,OLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式:OLT光接收机的突发同步技术上行接收数据相位的突变要求OLT的接收机工作在突发模式接收状态OLT光接收机的快速功率恢复要求OLT在每个接收时隙的开始处迅速调整0-1判决门限OLT还要进行大范围的自动增益调整（AGC）ONU光发射机的突发发射和关断为抑制自发散射噪声，要求ONU的激光器能够快速的冷却和回暖,突发模式光收发器技术,主要设备介绍-中兴,主要设备介绍-中兴,主要设备介绍-华为,主要设备介绍-华为,主要设备介绍-烽火,主要设备介绍-烽火,三、ODN网络概述1.1ODN网络概述1.2ODN网络规划1.3典型场景介绍,ODN的界定：光分配网（ODN）位于OLT和ONU之间，其定界接口为紧靠OLT的光连接器后和ONU光连接器前。ODN的作用：光分配网（ODN）将一个光线路终端（OLT）和多个络单元（ONU）连接起来，提供光信号的双向传输。,ODN网络概述,从网络结构来看，光分配网由馈线光纤、光分路器和支线组成，它们分别由不同的无源光器件组成，主要的无源光器件有：a.光纤光缆：城域光缆、室内调度光缆、蝶形光缆等b.光分路器：包含2/4/8/16/32/64/128多种分光比c.光纤配线设备：ODF、接头盒、分光分纤盒等d.光纤连接器：活动连接器、光纤机械式接续子、光纤现场连接等器等,ODN的组成,ODN网与接入光缆网没有一一对应，分光模式多样，光缆网的节点定义不宜已分光器为主要参照,ODN网络规划,a.OLT的位置:-原则上，OLT集中布放，以减少机房站点数量和维护成本。根据OLT的可覆盖范围进行OLT的布点设置。我市典型的光缆网，OLT至ONU间ODN中活接头为7个左右，如PON网络采用1:32分光(FTTH)，则OLT传输距离可达5km；如PON网络采用1:16分光(FTTB)，则OLT传输距离可达10km；如进一步减少活接头数量和PON网络分光比(1:8)，则OLT传输距离可达20km。OLT尽量利用现有机房设置，不可因设置OLT而新建接入点，对于OLT的设置位置，可根