EPON技术及工作原理

1、EPON技术工作原理及应用1.1 PON技术发展光纤接入从技术上可分为两大类：有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络(PON，Passive Optical Network)。年，实验室首先发明了技术；PON是一种纯介质网络，由于消除了局端与客户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等几种，其主要差异在于采

2、用了不同的二层技术。图1 PON的两个主要标准体系APON是上世纪90年代中期就被ITU和全业务接入网论坛（FSAN）标准化的PON技术，FSAN在2001年底又将APON更名为BPON，APON的最高速率为622Mbps，二层采用的是ATM封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。为更好适应IP业务，第一英里以太网联盟（EFMA）在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术，IEEE 802.3ah工作小组对其进行了标准化，EPON可以支持1.25Gbps对称速率，随着光器件的进一步成熟，将来速率还能升级到10Gbps。

3、由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。对于Gbps速率的EPON系统也常被称为GEPON。100M的EPON与1G的EPON的不同在速率上的差异，在其中所包含的原理和技术，是一致的，目前业界主要推广的是GEPON，百兆位的EPON也有不多的一些应用。在后面文档中提到的EPON，如果没有特别说明，都是指千兆位的GEPON。EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网上提供多种业务。目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终

4、用户的一种最有效的通信方法。10Gbps以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决方案。在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带宽。另外，EPON通过

5、在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。在EFMA提出EPON概念的同时，FSAN又提出了GPON，FSAN与ITU对其进行了标准化，其技术特色是在二层采用ITU-T定义的GFP（通用成帧规程）对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射，能提供1.25Gbps和2.5Gbps下行速率，和155M、622M、1.25Gbps、2.5Gbps几种上行速率，并具有较强的OAM功能。如果不考虑EPON可以看得到的不久将提升到10Gbps速率（10G以太网已经成熟），当前在高速率和支持多业务方面，GPON有优势，但技术的复杂和成本目前要高于EPON，产品的成熟性

6、也逊于EPON。光纤接入从90年代初就走上了舞台，总的说来是一种“说得多，做得少”的技术。PON系统无疑是其中佼佼者，EPON与GPON，两种技术各有千秋，无论是EPON技术还是GPON技术，其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求，而价格则是最核心因素，ADSL的发展就充分证明了这一点。实现全光纤的FTTH是宽带接入的发展方向，但是实现全部的光纤接入，需要一个过程。设备、光纤、工程成本和应用的业务需求，都是其广泛推广与使用的关键因素。第一步从FTTB开始，充分利用PON的技术，和现有的以太网的优势（成本底、使用广），然后逐步过渡到FTTH是一条比较合理的选择。1.2 EPON

7、的基本原理与其它PON技术一样，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的，主要由OLT、ODN、ONU三个部分构成，如下图2。图2：EPON的网络结构其中OLT作为整个网络/节点的核心和主导部分，完成ONU注册和管理、全网的同步和管理以及协议的转换、与上联网络之间的通信等功能；ONU作为用户端设备在整个网络中属于从属部分，完成与OLT之间的正常通信并为终端用户提供不同的应用端口；ODN在网络中的定义为从OLTONU的线路部分，包括光缆、配线部分以及分光器（Splitter）全部为无源器件，是整个网络信号传输的载体。其中光缆部分选用G.652、G

8、.657系列的全部型号光纤，分光器可以从1:21:32可选（1:64的分光器因成本原因基本上在现网上没进行使用，OLT到ONU之间的传输距离一般10km-20km,原则上是10KM用1:32的分光器，20KM用1:16,因为分光器分光比例越高，光衰耗越大。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit）放在用户设备端附近或与其合为一体。OND是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1490

9、nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟电视信号）。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（PON接口）。根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个1 Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM传输。OLT还支持ATM、FR以及OC31248192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1E1）可以被复用连接到出接口，OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoSSLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。OLT根据需要可以

10、配置多块OLC（Optical Line Card），OLC与多个ONU通过POS（无源分光器）连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个POS的分光比为8、16、32、64，并可以多级连接，一个OLT PON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关，一般是固定的。在EPON中系统，OLT到ONU间的距离最大可达20km。在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1：N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源分光器耦合到同一根光纤，

11、最终送到位于局端OLT接收端。根据ONU在所处位置的不同，EPON的应用模式又可分为FTTC（光纤到路边）、FTTB（光纤到大楼）、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。在FTTC结构中，ONU放置在路边或电线杆的分线盒边，从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆；传送宽带图像业务，则采用同轴电缆。FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。从目前来看，FTTC在提供2 Mbps以下窄带业务时是OAN（称光纤接入网）中最现实、最经济的方案，但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。在FTTB结构中，ONU被直接放到楼内， 光

12、纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN，即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。FTTB与FTTC相比，光纤化程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。 FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。1.3 EPON的技术优点 EPON的优点主要表现在：l 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，

13、长期运营成本和管理成本的节省很大；EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。l 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。l服务范围大，EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。l带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现

14、对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。1.4 EPON的传输原理 EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据，而APON根据ATM协议，按照固定长度53个字节包来传送数据，其中48个字节负荷，5个字节开销。这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。用APON传送IP业务，数据包被分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5个字节开销。这个过程耗时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本。此外，每一48个字节段就要浪费5个字节，造成沉重的开销，即所谓的ATM包的税头。相反，以太网传送IP流量，相对于ATM开销急剧下降。

15、 EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技术分别如图3所示：当OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后，根据OLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。 图3上下行传输原理数据从OLT到多个ONU以广播式下行（时分复用技术TDM），根据IEEE802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识（LLID），该标识表明本数据帧

16、是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3.ONUn）中的唯一一个。另外，部分数据帧可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播），在图3的组网结构下，在分光器处，流量分成独立的三组信号，每一组载到所有ONU的信号。当数据信号到达ONU时，ONU根据LLID，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它ONU的数据帧。举例，图4中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摒弃包2和包3。对于上行，采用时分多址接入技术（TDMA）分时隙给ONU传输上行流量。当ONU在注册时成功后，OLT会根据系统的配置，给ONU分配特定的带宽，（在采用动态带宽调整时，OLT

17、会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态的给每一个ONU分配带宽，动态带宽调整的进一步说明见后面章节）。带宽对于PON层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。在一个OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行包不会互相干扰。对于安全性的考虑。上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信号，所以ONU之间的通信，都必须通过OLT，在OLT可以

18、设置允许和禁止ONU之间的通信，在缺省状态下是禁止的，所以安全方面不存在问题。对于下行方向，由于EPON网络，下行是采用广播方式传输数据，为了保障信息的安全，从几个方面进行保障：l所有的ONU接入的时候，系统可以对ONU进行认证，认证信息，可以是ONU的一个唯一标识（如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号），只有通过认证的ONU，系统才允许其接入。l对于给特定ONU的数据帧，其它的ONU在物理层上，也会收到数据，在收到数据帧后，首先会比较LLID（处于数据帧的头部）是不是自己的，如果不是，就直接丢弃，数据不会上二层，这是在芯片层实现的功能，对于ONU的上层用户，如果想窃听到其它ONU的信

19、息，除非自己去修改芯片的实现。l加密，对于每一对ONU与OLT之间，可以启用128位的AES加密。各个ONU的密钥是不同的。l VLAN隔离：通过VLAN方式，将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的VLAN，保障相互之间的信息隔离。2.EPON协议和关键技术介绍2.1 EPON协议栈介绍2.1.1 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的层次模型如下： 图5 EPON的层次模型2.1.2 MPCP子层EPON系统通过一条共享光纤将多个DTE连接起来，其

20、拓扑结构为不对称的基于无源分光器的树形分支结构。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，建立在MPCP（Muti-Point Control Protocol多点控制协议）基础上，该协议是MAC control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。作为EPON/MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。该子层是通过在每个数据

21、报的前面加上一个LLD（Logical Link Identification）逻辑链路标识来实现的。该LLID将替换前导码中的两个字节。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ONU。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MPC PDU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

22、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MAC Control子层。MAC Control向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。2.1.3 EPON的物理层（RS子层、PCS子层、PMA子层、PDM子层）EPON物理层通过GMII接口与RS层相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。物理层的主要功能是将数据编成合适的线路码；完成数据的前向纠错；将数据通过光电、电光转换完成数据的收发。整个EPON物理层由如下几个子层构成：l物理编码子层(PCS)l 前向纠错子层(FEC)l物理媒体附属子层(PMA)l物理媒体依赖子层(PMD)同千兆以太网的物理层相比，唯一不同

23、的是EPON的物理层多了一个前向纠错子层（FEC），其它各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。前向纠错子层完成前向纠错的功能。这个子层是一个可选的子层，它处在物理编码子层和物理媒体附属子层中间。它的存在引入使我们在选择激光器、分光器的分路比、接入网的最大传输距离时有了更大的自由。从宏观上讲，除了FEC层和PMD层以外，各子层基本上可以同千兆以太网兼容1.PCS子层 PCS子层处于物理层的最上层。PCS子层上接GMII接口下接PMA子层，其实现的主要技术为8b/10b，10b/8b编码变换。由于10比特的数据能有效地减小直流分量，便于接收端的时钟提取，降低误码率，因此PCS层需要把从GMII口接

24、收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出。这个高速的8b/10b编码器的工作频率是125MHz，它的编码原理基于5b/6b和3b/4b两种编码变换。PCS的主要功能模块为：l发送过程：从RS层通过GMII口发往PCS层的数据经过发送模块的处理(主要是8B/10B)：根据GMII发来的信号连续不断地产生编码后的数据流，经PMA的数据请求原语把他们立即发往PMA服务接口。输入的并行八位数据变为并行的十位数据发往PMA。l 自动协商过程：设置标识通知PCS发送过程发送的是空闲码、数据、还是重新配置链路。l 同步过程：PCS同步过程经PMA数据单元指示原语连续接收码流，并经同步数据单元指示原语把

25、码流发往PCS接收过程。PCS同步过程设置同步状态标志指示是否PMA层发送来的数据是否可靠。l接收过程：从PMA经过同步数据单元指示原语连续接收码流。PCS接收过程监督这些码流并且产生给GMII的数据信号，同时产生供载波监听和发送过程使用的内部标识、接收信号、监测包间空闲码。PCS子层的发送、接收过程在自动协商的指示下完成数据收发、空闲信号的收发和链路配置功能。具体数据的收发满足RD平衡规则。在链路上传输的数据除了256个数据码之外，还有12个特殊的码组作为有效的命令码组出现。在EPON系统中，按照单纤双向全双工的方式传送数据。当OLT通过光纤向各ONU广播时，为了对各ONU区别，保证只有发送

26、请求的ONU能收到数据包，802.3ah标准引入了LLID。这是一个两字节的字段，每个ONU由OLT分配一个网内独一无二的LLID号，这个号码决定了哪个ONU有权接收广播的数据。这个两字节的字段所处的位置见下图所示。图6 LLID在帧中的位置这个字段占据了原千兆以太网802.3z中前导码（preamble）部分两个字节的空间，同802.3z标准相比SPD（或称SLD，LLID定界符 在EPON中为0XD5）的位置也滞后了。对于在EPON中新增的LLID，我们可以把它当作数据发送出去，不用对PCS作什么变动。但是对于EPON中SPD位置的这种变化，我们必须给以足够的重视。我们知道，普通的千兆网技

27、术发送状态机根据EVEN或ODD的指示选择第一个或第二个字节用/S/来替代，也就是说SPD的位置可以是变化的。而在EPON的PCS技术中，SPD的位置是固定的，我们要准确地把前导码的第三个字节用/S/来替代，否则ONU会收不到正确的以太网包。这是因为SPD在整个八字节的前导码中有固定的位置，它起着指示LLID和CRC位置的作用。如果它不能出现在以太网包头中的第三个字节的话，我们就不能够得到正确的LLID值。没有正确的LLID，处于等待状态的ONU就得不到想要的数据。在各ONU向OLT突发发送数据的时候，得到授权的ONU在规定时隙里发送数据包，没有得到授权的ONU处于休息状态。这种在上行时不是连

28、续发送数据的通信模式叫突发通信。在OLT侧，PCS的发送和接收都处于连续的工作模式；而在ONU侧的PCS子层接收方向是连续接收OLT侧来的广播数据，而在发送方向，却是在断断续续地工作。因此EPON的PCS子层不仅要能像普通的千兆PCS子层一样在连续的数据流状态下能正常工作，在面对突发发送和突发接收时也要保持稳定。其中OLT侧的突发同步和突发接收是实现EPON系统PCS子层技术的关键。2.FEC子层FEC子层的位置处在PCS和PMA之间，是EPON物理层中的可选部分。它的主要功能如下：l发送 FEC子层接收从PCS层发过来的包，先进行10b/8b的变换，然后执行FEC的编码的算法，用校验字节取代

29、一部分扩展的包间间隔，最后再把整个包经过8b/10b编码并把数据发给PMA层。l字节对齐 FEC子层接收从PMA层的信号，对齐帧。当选择FEC子层的时候，PMA子层的字节对齐就被禁止。l接收把经字节对齐之后的数据进行RS译码、插入空闲码后发送数据到PCS层。对于EPON系统而言，使用前向纠错技术的具体优点可以概括如下：l可以减小激光器发射功率预算，减少功耗；l可以增加光信号的最大传输距离；l能有效地减小误码率，满足高性能光纤通信系统的要求，可以使误码率从纠错前的10-4降至纠错后的10-12；l大分路比的分光器的衰减很大，配合使用前向纠错技术，在同样的接入距离内，可以使用大分路比的分光器，支持

30、更多的接入用户；l前向纠错技术在EPON系统中的应用使我们可以选择使用价格低廉的FP激光器作为光源，大幅降低成本，减小在光模块方面的开销。作为一项技术，它也有一些不足之处：FEC会增加开销，增加系统的复杂性，使有效传输速率减小。但总的看来，它为系统带来的好处远大于它给系统带来的不便，是一个很好的选择方案。此外EPON中所使用的光器件均为无源光器件，因此信号的传输距离有限，在一些接入距离较大的地方，FEC技术尤其重要。3.PMA子层EPON的PMA层技术同千兆以太网PMA层技术相比没有什么变化，其主要功能是完成串并、并串转换，时钟恢复并提供环回测试功能，它同相邻子层的接口是TBI接口。4.PMD

31、子层 EPON的PMD子层的功能是完成光电、电光转换，按1.25Gbps的速率发送或接收数据。802.3ah要求传输链路全部采用光无源器件，光网络能支持单纤双向全双工传输。上下行的激光器分别工作在1310nm和1490nm窗口；光信号的传输要做到当光分路比较小的时候，最大传输20km无中继。按所处位置的不同，光模块又可以分为局端和远端两种。对于远端的光模块而言，接收机处于连续工作状态，而发送机则工作于突发模式，只有在特定的时间段里激光器才处于打开状态，在剩下的时间段里，激光器并不发送数据。由于激光器发送数据的速率是1.25Gbps，因此要求激光器的开关的速度要足够快。同时要求在激光器处于关闭状

32、态时，要使从PMA层发送过来的信号全部为低，以确保不工作的ONU激光器的输出总功率叠加不会对正在工作的激光器的信号造成畸变影响。2.2 EPON关键技术2.2.1 EPON物理层的关键技术EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输、基于以太网和TDM时分复用的MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。从物理层看，EPON从电气、机械、规程、功能特性等功能基本上采纳了Ethernet的GE或1000BASE的标准，包含物理层协议 PHY（Physical Layer Protocol）和物理媒介协议PMD（Physical Medi

33、um Dependence Protocol）两大子层功能。在物理层，EPON使用1000BASE的以太网物理层协议PHY，无源光纤传输方式。（二）EPON数据链路层的关键技术EPON数据链路层分为逻辑LLC（Link Layer Control Protocol）和MAC两大部分。LLC遵循的标准为802.2 ，MAC遵循的标准为802.3（CSMA/CD）等。EPON在数据链路层的MAC层采用多点控制协议MPCP(Multi-Point Control Protocol，MPCP)，基于TDM时分复用的控制协议，OLT是控制中心，利用时间标记字段在下行传输GATE MAC控制信息，实现ON

34、U与OLT同步，ONU接收GATE信息并传送REGISTER_REQUEST信息，在预定的时间周期内将其注册到 OLT，OLT利用REGISTER信息回复给ONU，用以指明认可ONU的注册。这样通过对时间分片，将不同的时间片指定给不同的ONU设备使 用，ONU自动回报带宽需求给OLT， OLT自动发现ONU的过程，包含了带宽排序和Logical Link IDs(LLID)的指定，灵活地将不同的网络带宽赋予不同带宽需求的ONU，实现动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)，实现了用户带宽的有效控制，从而避免数据传输过程的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。而

35、这种带宽控制功能一般需要在路由 器或者宽带接入服务器上才能够实现，是Ethernet所不具备的。OLT与ONU的光收发器的参数由OLT与ONU的交流控制机制而达到最佳状态。2.2.2 EPON数据链路层的关键技术 数据链路层的关键技术主要包括：上行信道采用时分多址接入技术（TDMA），分时隙给各个ONU传输上行数据流。来自各个ONU的多种业务信息根据各自分配到的时隙，互不干扰地通过ODN无 源分光器耦合到同一根光纤，最后送到OLT接收头端。OLT每一个端口（PON口）下面所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能在OLT给它分配的特定允许时隙传输数据，通过时隙分配和

36、时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一 根光纤时，各个ONU的上行数据不会互相干扰。EPON具备一系列比如有效的带宽控制、优先权处理、点对多点等优越的特性。在传输机制上，通过MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线 路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，通过在MAC层中实现802.1p来提供 QOS确保服务质量。 下行信道采用广播方式，数据从OLT到多个ONU根据不同的时间片段以广播式下行（TDM时分复用技术），通过ODN中的1：N（一般是1：32）无源分 光器，分配给PON上所有ONU光网络单元。当OLT启动后，它会周期性地在各端口上广播允许接入的时隙允许接

37、入信息，ONU上电后根据允许接入信息，发 起注册请求，实现OLT对ONU的认证，允许请求注册的合法的ONU接入，并给ONU分配一个唯一的逻辑链路标识（LLID），当数据信号到达该ONU 时，ONU根据LLID在物理层上做出判断，接收给它的数据帧，摒弃不是给自己的数据帧。带宽分配和时延控制可以由高层协议完成，因而上行信道的MPCP便成为EPON的MAC层技术的核心。目前的802.3ah标准确定在EPON的MAC层中增加MPCP子层。MPCP子层的基石主要有3点：一是上行信道采用定长时隙的TDMA方式，但时隙的分配由OLT实施；二是对于ONU发出的以太网帧不作分割，而是组合，即：每个时隙可以包含若

38、干个8023帧，组合方式由ONU依据QoS决定；三是上行信道必须有动态带宽分配（DBA）功能支持即插即用、服务等级协议（SLA）和QoS。1.DBA目前MAC层争论的焦点在于DBA的算法及8023ah标准中是否需要确定统一的DBA算法，由于直接关系到上行信道的利用率和数据时延，DBA技术是MAC层技术的关键。带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽由打开的窗口尺寸决定，动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配。TDMA方式的最大缺点在于其带宽利用率较低，采用DBA可以提高上行带宽的利用率，在带宽相同的情况下可以承载更多的终端用户，从而降低用户成本。另外，DBA所具有的灵活性为进行服务水平协商（SL

39、A）提供了很好的实现途径。目前的方案是基于轮询的带宽分配方案，即：ONU实时地向OLT汇报当前的业务需求（Request）（如：各类业务的在ONU的缓存量级），OLT根据优先级和时延控制要求分配（Grant）给ONU一个或多个时隙，各个ONU在分配的时隙中按业务优先级算法发送数据帧。由此可见，由于OLT分配带宽的对象是ONU的各类业务而非终端用户，对于QoS这样一个基于端到端的服务，必须有高层协议介入才能保障。2.系统同步因为EPON中的各ONU接入系统是采用时分方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON

40、中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。OLT周期性的广播发送同步信息给各个ONU，使其调整自己的时钟。EPON同步的要求是在某一ONU的时刻T(ONU时钟)发送的信息比特，OLT必须在时刻T(OLT时钟)接收他。在EPON中由于各个ONU到OLT的距离不同，所以传输时延各不相同，要达到系统同步，ONU的时钟必须比OLT的时钟有一个时间提前量，这个时间提前量就是上行传输时延，也就是如果OLT在时刻0发送一个比特，ONU必须在他的时刻RTT(往返传输时延)接收。RTT等于下行传输时延加上上行传输时延，这个RTT必须知道并传递给ONU。获得RTT的过程即为测距(ranging)。

41、当EPON系统达到同步时，同一OLT下面的不同ONU发送的信息才不会发生碰撞。3.测距和时延补偿由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多点接入导致各ONU的数据帧延时不同，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞，并支持ONU的即插即用。准确测量各个ONU到OLT的距离，并精确调整ONU的发送时延，可以减小ONU发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外，测距过程应充分考虑整个EPON的配置情况，例如，若系统在工作时加入新的ONU，此时的测距就不应对其它ONU有太大的影响。EPON的测距由OLT通过时间标记（Timestamp）在监测ONU的即插即用的同时发起和完成。

42、图7测距和时延补偿基本过程如下：OLT在T1时刻通过下行信道广播时隙同步信号和空闲时隙标记，已启动的ONU在T2时刻监测到一个空闲时隙标记时，将本地计时器重置为T1，然后在时刻T3回送一个包含ONU参数的（地址、服务等级等）在线响应数据帧，此时，数据帧中的本地时间戳为T4；OLT在T5时刻接收到该响应帧。通过该响应帧OLT不但能获得ONU的参数，还能计算出OLT与ONU之间的信道延时RTTT2T1T5T3T5T4。之后，OLT便依据DBA协议为ONU分配带宽。当ONU离线后，由于OLT长时间（如3 min）收不到ONU的时间戳标记，则判定其离线。 4.RTT补偿在OLT侧进行延时补偿，发送给O

43、NU的授权反映出由于RTT补偿的到达时间。例如，如果OLT在T时刻接收数据，OLT发送包括时隙开始的GATET-RTT。在时戳和开始时间之间所定义的最小延时，实际上就是允许处理时间。在时戳和开始时间之间所定义的最大延时，是保持网络同步2.2.2 EPON的QoS问题 在EPON中支持QoS的关键在3个方面：一是物理层和数据链路层的安全性；二是如何支持业务等级区分；三是如何支持传统业务。 1.安全性在传统的以太网中，对物理层和数据链路层安全性考虑甚少。因为在全双工的以太网中，是点对点的传输，而在共享媒体的CSMACD以太网中，用户属于同一区域。但在点到多点模式下，EPON的下行信道以广播方式发送

44、，任何一个ONU可以接收到OLT发送给所有ONU的数据包。这对于许多应用，如付费电视、视频点播等业务是不安全的。MAC层之上的加解密控制只对净负荷加密，而保留帧头和MAC地址信息，因此非法ONU仍然可以获取任何其它ONU的MAC地址；MAC层以下的加密可以使OLT对整个MAC帧各个部分加密，主要方案是给合法的ONU分配不同的密钥，利用密钥可以对MAC的地址字节、净负荷、校验字节甚至整个MAC帧加密。根据IEEE 802.3ah规定，EPON系统物理层传输的是标准的以太网帧，对此，802.3ah标准中为每个连接设定LLID逻辑链路标识，每个ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据报，其余的数据

45、报丢弃不再转发。不过LLID主要是为了区分不同连接而设定，ONU侧如果只是简单根据LLID进行过滤很显然还是不够的。为此物理层ONU只接收自己的数据帧，AES加密，ONU认证。2.业务区分由于EPON的服务对象是家庭用户和小企业，业务种类多，需求差别大，计费方式多样，而利用上层协议并不能解决EPON中的数据链路层的业务区分和时延控制。因此，支持业务等级区分是EPON必备的功能。目前的方案是：在EPON的下行信道上，OLT建立8种业务队列，不同的队列采用不同的转发方式；在上行信道上，ONU建立8种业务端口队列，既要区分业务又要区分不同用户的服务等级。此外，由于ONU要对MAC帧组合，以便时隙突发

46、并提高上行信道的利用率，所以进一步引入帧组合的优先机制用于区分服务。3.EPON Q-in-Q基本原理3.1 QinQ技术简介QinQ技术（也称Stacked VLAN 或Double VLAN）是指将用户私网VLAN标签封装在公网VLAN标签中，使报文带着两层VLAN标签穿越运营商的骨干网络，在公网中只根据外层VLAN标签传播，私网VLAN标签被屏蔽，这样，不仅对数据流进行了区分，而且由于私网VLAN标签被透明传送，不同的用户VLAN标签可以重复使用，只需要外层VLAN标签的在公网上唯一即可，实际上也扩大了可利用的VLAN标签数量。因为标准vlan id有限（1-4094）， 通过在原有80

47、2.1Q tag标签的之外再增加一个VLAN 标签（40944094）。 QinQ的标准是IEEE802.1ad（IEEE802.1ad的全称是:Virtual Bridged Local Area Networks Amendment 4: Provider Bridges）该标准是在2006年5月份才形成正式标准的，所以当前我们常见的各厂商实现的QinQ和该标准有较大的不同，但各厂商的实现均大同小异。3.2 QinQ的产生随着三层交换机的不断成熟和大量应用，许多企业网和小型城域网用户都倾向于使用三层交换机来搭建骨干网，由于以下三个原因，这些用户一般都不愿意使用基于MPLS或者IP协议的VP

48、N：配置、维护工作相对比较繁杂；许多厂商的三层交换机不支持MPLS功能，如果用户搭建基于MPLS的VPN，势必要淘汰这些设备，浪费资源；支持MPLS功能的单板一般价格昂贵，小型用户难以承受。而QinQ可以提供一种廉价、简洁的二层VPN解决方案，不需要信令协议的支持，可以通过纯静态配置实现，而且只需要网络边缘设备支持QinQ，内部只需要可以支持802.1Q的设备即可，所以越来越多的小型用户倾向于使用该功能构建自己的VPN网络。运营商在通过Ethernet提供Internet接入业务时需要对客户标识，做到精细化管理，而且随着新业务的开展（如Triple-Play、Wholesale、VPN），运营

49、商还需要对业务进行细分，以区别提供不同的管道、QoS策略。原有基于802.1Q只有4096个vlan标识不能满足这样的需要，QinQ正好可以扩展这样的标识，同时还可以利用不同的VLAN来区分运营商的服务和不同的客户。利用QinQ提供接入时具用以下的优点：可以解决日益紧缺的公网VLAN ID资源问题；用户可以规划自己的私网VLAN ID，不会导致与公网VLAN ID冲突；提供一种较为简单的二层VPN解决方案；使用户网络具有较高的独立性，在服务提供商升级网络时，用户网络不必更改原有的配置；可以按不同层次的VLAN ID来区分不同的业务；QinQ技术上完全可以多层嵌套，没有限制，仅受Ethernet

50、报文长度的限制，具有很好的扩充性。3.3 QinQ报文封装QinQ的报文封装就是在原有802.1Q报文中的TAG头上再加上一层TAG封装，用来扩展VLAN的范围，如图1所示：图1 QinQ报文封装IEEE 802.1q与IEEE802.1ad帧的比较：3.3 QinQ报文转发过程在通过QinQ实现简单的二层VPN过程中报文是按如下方式转发：图2 QinQ报文转发过程图2中在运营商网中使用VLAN20来标识客户A、VLAN30标识客户B，当客户A的报文到达运营商的边缘交换机时，边缘交换机均给客户A的报文打上一个外层标签（VLAN20），然后在VLAN20中转发，不会转发到VLAN30，报文在离开

51、运营商网络时再剥离掉外层的标签，转发到用户A的网络，从而实现一个简单二层VPN功能。3.4 QinQ报文的TPID值可调功能TPID（Tag Protocol Identifier，标签协议标识）是VLAN Tag中的一个字段，IEEE 802.1Q协议规定该字段的取值为0x8100。IEEE 802.1Q协议定义的以太网帧的Tag报文结构如下：图3 IEEE 802.1Q报文结构通常在QinQ中设备的内外层标签的TPID值均采用协议规定的0x8100，但是某些厂商的设备将QinQ报文外层Tag的TPID值设置为0x9100或0x9200，为了和这些设备兼容，并提供较高的灵活性，我司支持Qin

52、Q功能的交换机基本上均提供了QinQ报文TPID值可调功能（需要注意有的设备整机支持，有的设备是端口支持），能修改QinQ设备的外层标签的TPID值。（在本文的802.1ad部分我们将会看到802.1ad所规定的TPID为0x88a8，所以当设备同标准802.1ad设备作QinQ对接时也需要TPID可调功能）。3.5灵活 QinQ及应用在前面我们所讲的QinQ中，通常是以物理端口来划分用户或用户网络，当多个不同用户以不同的VLAN接入到同一个端口时则无法区分用户。另外前面的QinQ方案是一种简单二层VPN的应用，在运行营商接入环境中往往需要根据用户的应用或接入地点（设备）来区分用户，基于这种应用产生了灵活QinQ方案。简单讲灵活QinQ就是根据用户报文的Tag或其他特征（IP/MAC等），给用户报文打上相应的外层Tag，以达到区分不同用户或应用的目的。当前灵活QinQ主要应用在运营商的接入网络中，在运营商网络中给接入用户分配一个VLAN，以达到便于问题追踪和防止不同用户间互访，用外层标签区分用户的应用；或在