《EPON技术与应用》PPT课件.ppt

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1、第 八 章 EPON技 术 与 应 用 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON的 协 议 模 型 （ a） 分 层 结 构 参 考 模 型 (b)分 层 结 构 参 考 模 型 细 化 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 从 图 8-1中 可 以 看 出 ， 和 以 太 网 协 议 参 考 模 型 相 比 ， EPON协 议 参 考 模型 将 数 据 链 路 层 分 为 MAC Client（ 媒 体 访 问 控 制 客 户 端 ） 子 层 、OAM子 层 、 MAC控 制 子 层 和 MAC（ Medium Access Control,媒 介接 入

2、 控 制 ） 四 个 子 层 ， 将 物 理 层 分 为 PCS（ Physical Coding Sub layer， 物 理 编 码 ） 子 层 、 PMD（ Physical Medium Dependent,物 理媒 介 相 关 ） 子 层 和 PMA（ Physical Medium Attachment,物 理 媒 介 接入 子 层 ） 三 个 子 层 ， 其 中 RS（ Reconciliation Sub layer） 为 协 调 子层 ， 而 将 各 层 之 间 的 接 口 分 别 定 义 为 GMII、 MDI和 TBI。 下 面 分 别 来介 绍 ：MAC Client

3、（ 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子 层 ： 负 责 有 关 EPON网 络 运 维 的 功 能 ； MAC控 制 子 层 ： 负 责 ONU的 接 入 控 制 ， 通 过 MAC控 制 帧 完 成 对 ONU的 初 始 化 、 测 距 、 和 动 态 带 宽 分 配 ， 采 用 申 请 /授 权 （ Request/Grant）机 制 ， 执 行 多 点 控 制 协 议 （ MPCP） ， MPCP的 主 要 功 能 是 轮 流 检 测用 户 端 的 带 宽 请 求 ， 并 分 配

4、带 宽 和 控 制 网 络 启 动 过 程 ； MAC （ Medium Access Control， 媒 介 接 入 控 制 ） 子 层 ： 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 ； WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 协 调 子 层 RS（ Reconciliation Sub layer） ： 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

5、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） ；PCS（ Physical Coding Sub layer， 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 体 上 传 送 ；PMA（ Physical Medium Attachment， 物 理 媒 介 接 入 子 层 ） ：为 PCS提 供 一 种 与 媒 介 无 关 的 方 法 ， 支 持

6、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（ Physical Medium Dependent， 物 理 媒 介 相 关 ） 子 层 ：位 于 整 个 网 络 的 最 底 层 ， 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

7、光 脉 冲 ， 以 便 能 在 光 纤 中 传 输 。 对于 EPON来 说 ， 一 个 下 行 （ D） PMD将 信 号 广 播 到 多 个 上 行 （ U） PMD上 ， 并通 过 一 个 分 支 结 构 的 单 模 光 纤 网 络 接 收 来 自 每 个 “ U”PMD的 突 发 信 号 ， 为 单纤 双 向 。 在 EPON的 PMD中 规 定 了 1000BASE-PX10和 1000BASE-PX20两 种光 模 块 ， 表 8-1分 别 对 1000BASE-PX10-D PMD、 1000BASE-PX10-U PMD、1000BASE-PX20-D PMD和 1000BAS

8、E-PX20-U PMD进 行 了 说 明 。 此 外 ， 目 前 的 PX10/20光 模 块 分 别 可 以 达 到 1:32的 分 路 比 和 10/20公 里 的 传 输 距 离 ； 它在 物 理 层 业 务 接 口 上 ， 误 码 率 小 于 等 于 10e-12。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 GMII（ Gigabit Medium Independent Interface， 吉 比 特媒 介 无 关 接 口 ） ： PCS层 和 MAC层 的 接 口 ， 是 字 节 宽 度 的数 据 通 道 ；TB

9、I（ Ten Bit Interface， 十 位 接 口 ） ： PMA层 和 PCS层的 接 口 ， 是 10位 宽 度 的 数 据 通 道 ；MDI（ Medium Dependent Interface， 媒 介 相 关 接 口 ） ：PMD层 和 物 理 媒 质 的 接 口 ， 是 串 行 比 特 的 物 理 接 口 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON技 术 （ 1） EPON技术原理 EPON：Ethernet Passive Optical Network EPON基于IEEE802.3-2005标准，是以太网技术与无源光网络（PON）的结合，是运

10、行于点对多点环境下的千兆以太网 定 义 了 专 门 的 PMD子 层 （ 光 接 口 ） ， 多 点 MAC控 制 协议 （ MPCP协 议 ） ， 专 门 的 OAM MAC层 与 以 太 网 相 同 对 RS、 PCS、 PMA子 层 做 了 少 量 扩 展 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON技 术 （ 2） EPON技术原理：下行数据传输方式下行TDM广播方式传输、802.3MAC帧由于采用广播方式，需要通过加密解决数据安全问题：采用三重搅动（Triple Churning）方式提高数据安全性 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON技

11、术 （ 3） EPON技术原理：上行数据传输方式上行TDMA方式传输、802.3MAC帧 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON技 术 （ 4） EPON技术特点传送能力 1000BASE-PX10： 以 太 网 速 率 1Gb/s对 称 （ 线 路 速 率 1.25Gb/s，8B/10B编 码 ） ， 10km、 至 少 1:16（ 功 率 预 算 上 行 5-23dB、 下行 5-21dB） 1000BASE-PX20： 以 太 网 速 率 1Gb/s对 称 （ 线 路 速 率 1.25Gb/s，8B/10B编 码 ） ， 20km、 至 少 1:16 （ 功 率

12、预 算 10-26 dB） 目 前 主 流 设 备 可 实 现 20km、 1:32 工作波长（单纤双向） 上 行 ： 1260 1360nm（ 常 用 1310nm） 下 行 ： 1480 1500nm（ 常 用 1490nm） 下 行 CATV： 1550 1560nm WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON技 术 （ 5） EPON总体发展情况 EPON技术和设备已经成熟，达到了规模商用水平 技 术 简 单 、 易 实 现 ， 经 过 企 业 标 准 的 完 善 ， 已 达 到运 营 级 要 求 商 用 芯 片 和 设 备 均 较 多 并 已 比 较 成 熟 芯

13、片 级 和 系 统 级 互 通 已 全 面 和 大 规 模 实 现 在 中 国 电 信 现 场 试 验 中 设 备 已 稳 定 运 行 一 年 半 以 上 成 本 在 不 断 下 降在日本、韩国已得到百万量级的规模商用 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON关 键 技 术数 据 链 路 层 的 关 键 技 术 ：测 距 和 时 延 补 偿 DBA 运 行 维 护 管 理 （ OAM） 功 能 的 实 现 协 议 兼 容 性 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 测 距 和 时 延 补 偿由 于 EPON 的 上 行 信 道 采 用 TDMA 方 式 ,多

14、 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

15、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 （ Time stamp ） 在监 测 ONU 的 即 插 即 用 的 同 时 发 起 和 完 成 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 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 T

16、3 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 RTT=T2-T1+T5-T3=T5-T4 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 测 距 和 时 延 补 偿OLT 便 依 据 DBA 协 议 为 ONU 分

17、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 。在 OLT 侧 进 行 延 时 补 偿 , 发 送 给 ONU 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 GATE=T-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

18、最 大 延 时 ,是 保 持 网 络 同 步 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 测 距 （ 1） OLT与 各 ONU间 的 环 路 时 延 不 同 ：l 各 ONU距 OLT的 光 纤 路 径 不 同l 各 ONU元 器 件 的 不 一 致 性l 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 ：l 静 态 测 距 ： 用 在 新 的 ONU安 装 调 试 阶 段

19、 、 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l 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 要 求 l 测 距 精 度 高 ， 一 般 要 求 在 全 1 2bit内l 测 距 过 程 对 运 行 中 的 其 它 ONU的 影 响 最 小 ， 保 证 运 行 业 务 的 QOSl 测 距 范 围 大 ， 即 能 提 供 的 均 衡 延 时

20、大 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 测 距 （ 2）OLT ONU t0OLT本地时间=t0 OLT本地时间=t2MPCPDU的时间戳域为t0设置ONU本地时间=t0 ONU本地时间=t1MPCPDU的时间戳域为t1时间时间t1t0t0 t1TdownstreamTupstreamTwaitTresponse RTT= Tdownstream +Tupstream= TresponseTwait=（t2-t0）-（t1-t0）= t2-t1 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 DBA目 前 MAC 层 争 论 的 焦 点 在 于 DBA 的 算 法 及

21、802.3ah 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 M AC 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 。 TDM A 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

22、 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 （ SLA ） 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

23、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 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 运 行 维 护 管 理 （ OAM） 功 能 的 实 现OAM（ 操 作 管 理 维 护 ） 属 于 EPON系 统 中 网 络 管 理 部 分 ，是 负 责 系 统 中 性 能 测 量 、 带 宽 设 置 、 故 障 告 警 等 操 作 的具 体 实

24、 现 的 处 理 。EPON外 部 使 用 SNMP协 议 来 管 理 整 个 系 统 ， 系 统 内 部的 OLT通 过 OAM协 议 来 管 理 该 OLT所 连 接 的 所 有 ONU。如 下 图 8-6所 示 ， 网 管 端 通 过 SNMP协 议 对 代 理 端 （ OLT）进 行 操 作 ， 完 成 SNMP相 关 管 理 操 作 ， 完 成 外 部 管 理 。同 时 网 管 端 也 可 以 通 过 OLT对 ONU进 行 远 程 管 理 操 作 。远 程 管 理 的 关 键 的 一 步 是 在 OLT侧 要 完 成 标 准 MIB和OAM的 MIB的 转 换 ， 如 果 完 成

25、了 该 转 换 ， 网 管 侧 就 可 以透 明 的 对 ONU进 行 管 理 。 这 种 MIB变 量 的 操 作 是 通 过 在OLT和 ONU之 间 用 标 准 OAM和 扩 展 OAM帧 来 完 成 的 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 运 行 维 护 管 理 （ OAM） 功 能 的 实 现 图 8-6 EPON管 理 系 统 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 运 行 维 护 管 理 （ OAM） 功 能 的 实 现在 图 8-1中 可 以 看 出 EPON系 统 中 有 单 独 的 OAM子 层 ， 2004年 6月 ， IEEE正 式

26、推 出 了 以 太 网 接入 网 的 第 一 个 标 准 IEEE 802.3ah； 标 准 正式 引 入 了 EFM的 OAM规 范 ， 详 细 规 定 了 OAM子层 的 位 置 、 功 能 、 实 现 机 制 、 帧 构 成 等 内 容 。在 EPON标 准 的 制 定 过 程 中 ， 对 OAM层 的 位 置和 OAM信 息 的 传 输 机 制 存 在 争 论 。 2003年 以 后 ，基 本 上 把 OAM子 层 的 位 置 定 义 在 MAC（ 媒 体 接入 控 制 ） 子 层 和 LLC（ 逻 辑 链 路 控 制 ） 子 层 之 间 ，如 图 8-7,EPON的 OAM层 向 高

27、 层 （ MAC客 户 层和 链 路 汇 聚 层 ） 和 底 层 （ MAC层 和 MAC控 制 层 ）分 别 要 求 IEEE 802. 3 MAC服 务 接 口 。 OAM协议 是 基 于 两 端 DTE实 现 的 ， 当 链 路 两 端 的 OAM 都 运 行 时 ， 两 个 连 接 的 OAM子 层 间 交 互OAMPDU, OAM子 层 接 收 到 报 文 时 ， 根 据 目 的MAC地 址 和 协 议 子 类 型 判 断 是 否 为 OAMPDU。OAMPDU帧 兼 容 IEEE 802.3定 义 的 以 太 网 帧 结构 ， 长 度 在 64字 节 到 1518字 节 之 间 ，

28、 且 遵 循 慢速 帧 协 议 。 由 于 IEEE 802.3ah修 正 后 的 慢 速 协议 定 义 1秒 时 间 最 多 发 送 10个 报 文 ， 所 以 尽 管OAMPDU占 用 带 内 带 宽 （ OAMPDU和 数 据 帧 共享 信 道 ） ， 但 是 对 正 常 的 数 据 通 信 是 没 有 影 响的 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 运 行 维 护 管 理 （ OAM） 功 能 的 实 现 图 8-7 OAM在 网 络 层 次 中 的 位 置 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 运 行 维 护 管 理 （ OAM） 功 能 的 实

29、现EPON的 OAM能 够 快 速 查 出 失 效 链 路 ， 确 定故 障 具 体 位 置 ， 保 证 网 络 质 量 ， 其 提 供 的 主要 功 能 有 :（ 1） 远 端 故 障 告 警 （ Remote Failure Indication） 。 远 端 故 障 告 警 能 在 本 地 接 收 故障 发 生 时 ， 向 对 端 发 出 故 障 告 警 ， 以 便 进 行相 应 处 理 ， 这 需 要 物 理 层 和 链 路 层 支 持 单 向传 输 的 功 能 。（ 2） 远 端 环 回 （ Remote Loopback） 。 远端 环 回 实 现 链 路 层 帧 方 式 的 环

30、回 测 试 ， 用 于测 试 链 路 的 连 接 质 量 。（ 3） 链 路 监 测 （ Link Monitoring） 。 链 路监 测 用 于 实 现 故 障 诊 断 的 时 间 通 知 和 查 询 ， 以 及 对 管 理 信 息 库 （ MIB） 的 查 询 等 功 能 。（ 4） 其 它 功 能 。 a. OAM的 发 现 功 能 ， 即 实现 设 备 启 动 后 ， 确 定 远 端 实 体 是 否 存 在 OAM子 层 并 建 立 OAM连 接 ； b.扩 展 功 能 ， 即 允 许用 户 扩 展 ， 以 使 上 层 更 方 便 地 管 理 。 WWW.FIBERHOME.COM.

31、CN 光通信专家 协 议 兼 容 性协 议 兼 容 问 题 是 EFM 的 EPON 草 案 中 有 争 论 的重 要 问 题 之 一 。 其 焦 点 是 EPON 对 于 网 桥 功 能 是否 支 持 、 是 单 逻 辑 端 口 支 持 还 是 多 逻 辑 端 口 支 持 。如 果 OLT 的 逻 辑 对 象 是 ONU, 则 对 ONU 内 用 户的 桥 接 、 流 量 控 制 及 部 分 的 QoS 功 能 由 ONU 完成 （ ONU 含 以 太 网 交 换 机 /桥 接 功 能 ） ,ONU 间的 桥 接 和 流 量 控 制 由 OLT 控 制 ;如 果 OLT 的 逻 辑对 象 是

32、 每 个 用 户 ,则 OLT 的 逻 辑 链 路 控 制 （ MAC 层 以 上 功 能 ） 直 接 面 向 用 户 ,因 此 ONU 必 须 有 多个 逻 辑 链 路 ID （ LLID ,Logic Link ID ） 对 应 多 个终 端 用 户 。单 LLID/ONU 方 案 虽 然 在 数 据 链 路 层 的 控 制 管 理上 有 缺 陷 ,但 该 方 案 仍 有 优 势 ,如 :与 传 统 以 太 网 的兼 容 性 好 ； ONU 的 内 置 交 换 /桥 接 功 能 减 少 了 EPON 的 流 量 ,相 对 增 加 了 上 行 和 下 行 信 道 的 业 务带 宽 ； 单 L

33、LID/ONU 方 案 中 同 时 减 少 了 OLT 和ONU 的 复 杂 度 , 降 低 了 造 价 ； 高 层 软 件 技 术 足 以解 决 单 LLID/ONU 方 案 中 的 二 级 管 理 、 QoS、 多业 务 支 持 和 区 分 服 务 等 级 问 题 等 。 目 前 以 NTT 公司 为 代 表 又 提 出 另 一 种 方 案 ,即 LLID 既 不 与 终 端用 户 对 应 也 不 与 ONU 对 应 ,而 是 对 应 于 虚 ONU。 这 样 ,对 于 OLT 而 言 , 既 可 以 直 接 管 理 到 具 体 终 端用 户 , 也 可 以 通 过 ONU 代 理 管 理

34、 ,虚 ONU 与 用 户的 对 应 关 系 由 网 管 灵 活 决 定 ,当 前 协 议 兼 容 性 问 题仍 处 于 争 论 中 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 8.3.2 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 。安 全 性 业 务 区 分 EPON 中 TDM 业 务 的 传 输 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 1. 安 全 性在 传

35、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 CSMA/CD 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 , 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 。 M AC 层 之上 的 加 解

36、 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 M AC 的 地 址 字 节 、 净 负 荷 、 校 验 字 节 甚 至 整 个 MAC 帧 加 密 。 但 是 密 钥 的 实 时 分 配 与 管 理 方 案 会 加 重 EPON 的 协 议 负 担 和 系

37、统 复 杂 度 。 目 前 对 MAC帧净 负 荷 实 施 加 密 措 施 已 得 到 EFM 工 作 组 的 共 识 , 但对 于 MAC 地 址 是 否 加 密 及 以 何 种 方 式 加 密 还 未 确 定 。 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 报 丢 弃 不 再转 发 。 不 过 LLID 主 要 是

38、 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 IEEE 802.3ah 工 作 组 从 2002 年下 半 年 起 成 立 单 独 的 小 组 ,负 责 整 个 802 体 系 的 安 全性 问 题 的 研 究 和 解 决 。 目 前 提 出 的 安 全 机 制 从 几 个方 面 来 保 障 :物 理 层 ONU 只 接 收 自 己 的 数 据 帧 ,AES 加 密 ,ONU 认 证 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 2.业 务 区 分由 于 EPON 的 服

39、 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

40、 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 并 提 高 上 行 信 道 的 利 用 率 ,所 以 可以 进 一 步 引 入 帧 组 合 的 优 先 机 制 用 于 区 分 服 务 。 但 在 ONU 端 ,如 何 既 能 区 分 业 务 类 型 又 能 区 分 用 户 等 级 是 需 要 研 究 的 又一 问 题 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 3. 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

41、 还 有 很 大 的 市 场 , 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 在大 家 谈 论 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

42、 的 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 。影 响 传 统 业 务 （ 话 音 和 图 像 ） 在 EPON 中传 输 的 性 能 指 标 主 要 是 延 时 和 丢 帧 率 。 无 论 EPON 的 上 行 信 道 还 是 下 行 信 道 都 不 会 发 生丢 帧 ,因 此 EPON 所 要 考 虑 的 重 点 是 保 证 面向 连 接 业 务 的 低 时 延 。 低 时 延 由 EPON 的 DBA 算 法 和 时 隙 划 分 的 低 颗 粒 度 （ Tin Granularity

43、） 保 障 ,而 对 传 统 业 务 端 到 端 的QoS 支 持 则 由 现 存 的 协 议 如 VLAN、 IP-VPN、 M PLS 来 实 现 ,其 中 VLAN 和 MPLS 是 被 看 好 的 应 用 于 EPON 的 QoS 保 障 协 议 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 8.3.3 EPON突 发 接 收 技 术为 降 低 ONU 的 成 本 ， EPON 物 理 层 的 关 键 技 术集 中 于 OLT,包 括 :突 发 信 号 的 快 速 同 步 、 网 同 步 、光 收 发 模 块 的 功 率 控 制 和 自 适 应 接 收 。 由 于 OLT

44、接 收 到 的 信 号 为 各 个 ONU 的 突 发 信 号 ,OLT 必 须能 在 很 短 的 时 间 （ 几 个 比 特 内 ） 内 实 现 相 位 的 同步 ,进 而 接 收 数 据 。 此 外 ,由 于 上 行 信 道 采 用 TDMA 方 式 ,而 20 km 光 纤 传 输 时 延 可 达 0.1 ms （ 105 个 比 特 的 宽 度 ） ,为 避 免 OLT 接 收 侧 的 数据 碰 撞 ,必 须 利 用 测 距 和 时 延 补 偿 技 术 实 现 全 网时 隙 同 步 ,使 数 据 包 按 DBA 算 法 的 确 定 时 隙 到 达 。另 外 ,由 于 各 个 ONU 相

45、 对 于 OLT 的 距 离 不 同 ,对于 OLT 的 接 收 模 块 ,不 同 时 隙 的 功 率 不 同 ， 在 DBA 应 用 中 ,甚 至 相 同 时 隙 的 功 率 也 不 同 （ 同 一时 隙 可 能 对 应 不 同 的 ONU） ,称 为 远 近 效 应 （ Far-nearProblem ） 。 因 此 ,OLT必 须 能 够 快速 调 节 其 0、 1 电 平 的 判 决 点 。 为 解 决 远 近效 应 ,曾 提 出 过 功 率 控 制 方 案 ,即 OLT 在 测 距 后通 过 运 行 维 护 管 理 （ OAM ） 数 据 包 通 知 ONU 的发 送 功 率 等 级

46、 。 由 于 该 方 案 会 增 加 ONU的 造 价和 物 理 层 协 议 的 复 杂 度 ,并 且 使 线 路 传 输 性 能 限定 在 离 OLT最 远 的 ONU等 级 ,因 而 未 被 EFM工 作组 采 纳 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 图 8-8是 光 突 发 信 号 产 生 与 接 收 图 。 从 整 个 系 统 设 计 的 角 度 而 言 ， 在 下 行方 向 ， 只 有 OLT一 个 信 号 源 ， ONU接 收 的 是 OLT发 射 过 来 的 恒 速 流 信 号 。对 于 某 一 个 特 定 的 ONU来 讲 ， 在 物 理 层 面 上 接

47、收 信 号 电 平 和 相 位 特 性 是 相对 稳 定 的 ， 因 此 不 会 存 在 突 发 接 收 问 题 。 OLT一 旦 启 动 ， 激 光 器 一 直 处 于开 启 和 调 制 状 态 ， 因 此 也 不 会 存 在 突 发 发 射 问 题 。 但 在 上 行 方 向 ， 有 多 个信 号 源 ONU, ONU与 OLT之 间 的 不 同 距 离 以 及 链 路 特 性 上 的 差 异 会 造 成 各ONU的 发 送 的 信 号 功 率 到 达 OLT时 各 不 相 同 ； 同 时 ， 一 个 ONU发 射 的 信号 与 来 自 其 他 ONU的 信 号 没 有 严 格 的 同 步

48、 关 系 ， 这 要 求 OLT在 很 短 的 时 间内 对 每 个 ONU的 突 发 信 号 分 别 同 步 ， 简 而 言 之 ， 这 就 需 要 OLT端 的 接 收 机支 持 突 发 接 收 。 OLT 分 支 器 ONU1 ONU2ONU3图 8-8 EPON光 突 发 信 号 产 生 与 接 收 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 为 防 止 ONU发 射 的 光 信 号 在 OLT端 相 互 叠 加 ，系 统 要 求 ONU不 传 送 信 号 时 处 于 关 断 状 态 ，而 在 传 送 信 号 时 要 求 很 快 打 开 ， 这 就 需 要ONU支 持 突 发

49、 发 射 的 工 作 模 式 。 因 此 上 行 接入 是 EPON系 统 设 计 的 关 键 ， 而 支 持 突 发 模式 的 光 收 发 器 件 也 成 为 整 个 EPON系 统 的 重点 和 难 点 。现 有 的 突 发 模 式 接 收 机 分 为 直 接 耦 合 方 式 和交 流 耦 合 两 大 类 ， 直 流 耦 合 模 式 的 基 本 构 思是 依 据 接 收 的 突 发 信 号 通 过 测 量 其 光 功 率 而做 出 相 应 的 调 节 。 根 据 反 馈 方 式 不 同 又 可 以分 为 自 动 增 益 控 制 （ AGC） 和 自 动 门 限 控 制（ ATC） 两 种

50、方 式 。 直 流 耦 合 模 式 接 收 机 在整 个 信 元 时 间 内 动 态 调 整 判 决 电 平 ， 如 果 为了 提 高 传 输 效 率 而 减 小 自 适 应 阀 值 控 制 电 路放 电 时 间 ， 但 这 样 会 使 误 码 性 能 下 降 ， 因 此会 引 入 传 输 容 量 代 价 。 而 且 在 一 个 信 元 时 间内 阈 值 的 抖 动 也 会 引 入 灵 敏 度 代 价 。 如 果 通过 在 信 头 插 入 一 定 的 比 特 位 来 确 定 判 决 阈 值 ， 则 引 入 了 传 输 容 量 代 价 ， 并 且 噪 声 对 阈 值 的影 响 会 引 入 灵 敏

51、 度 代 价 。 交 流 耦 合 模 式 采 用一 个 高 通 滤 波 器 滤 除 低 频 信 号 就 可 以 完 成 判决 门 限 恢 复 ， 经 过 交 流 耦 合 的 信 号 即 转 换 成可 以 用 0电 平 作 为 门 限 电 压 的 信 号 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 为 了 减 轻 网 络 对 突 发 光 接 收 器 件 的 要 求 ， EPON对 物 理 层 信 号 的 传 输 格 式 进 行 了 进一 步 规 定 。 EPON要 求 每 个 ONU在 发 送 突 发 信 号 之 间 要 发 送 足 够 长 的 空 闲 信 号 ， 以留 出 时 间

52、 来 打 开 激 光 器 和 调 整 接 收 机 参 数 ， 并 不 传 送 上 层 数 据 。 接 收 机 可 以 空 闲 信号 的 幅 度 和 相 位 特 性 来 在 接 收 真 正 的 数 据 信 号 之 前 调 整 到 最 佳 状 态 。 空 闲 信 号 的 时间 长 度 ， 也 称 为 保 护 带 （ guard band） 。 它 是 下 列 参 数 的 总 和 ， 如 图 8-9和 表 8-2所示 。 这 样 EPON信 号 保 护 带 的 时 间 长 度 在 1 2 之 间 ， 有 效 地 简 化 了 EPON突 发模 块 的 设 计 要 求 。 EPON的 OLT会 先 测

53、量 ONU之 间 的 距 离 ， 然 后 决 定 各 个 ONU之 间 的 发 射 信 号 的 顺 序 。这 个 侧 距 总 会 有 一 定 的 误 差 ， 所 以 ONU之 间 的 发 信 号 的 时 间 间 隔 需 要 分 配 一 定 时 间来 容 纳 这 个 误 差 。 图 8-8 EPON信 号 的 物 理 层 开 销 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 8.4 MPCP协 议 在 前 面 我 们 谈 到 了 EPON的 各 种 关 键 技 术 ， 本 节 我 们 将 重 点 讲 解 EPON数 据 链 路 层 控 制技 术 。 在 数 据 链 路 层 ， EPON主

54、 要 提 供 MPCP子 层 及 MAC层 。 EPON的 MAC层 采 用 双 工传 输 ， 与 千 兆 以 太 网 并 无 区 别 。 由 于 存 在 多 个 ONU， EPON的 OLT会 在 MAC层 面 上 建 立多 个 MAC实 体 ， 这 样 每 个 ONU就 对 应 OLT的 一 个 MAC实 体 进 行 通 信 。 MPCP就 是 控 制这 些 MAC实 体 向 物 理 层 发 射 信 号 的 顺 序 的 协 议 。 EPON是 通 过 在 每 个 以 太 网 帧 的 前 面 加 上 一 个 逻 辑 链 路 标 识 （ LLID, Logical Link Identific

55、ation） 来 区 分 ONU及 其 业 务 类 型 的 ， 一 个 ONU对 应 一 个 LLID。 该 LLID将 替 换前 导 码 （ Preamble） 中 的 两 个 字 节 。OLT作 为 EPON的 核 心 ， 实 现 以 下 功 能 : 发 起 并 控 制 测 距 过 程 ， 并 记 录 测 距 信 息 。 根 据 测 距 信 息 ， 利 用 带 宽 分 配 算 法 ， 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 。 ONU则 实 现 下 列 功 能 : 响 应 OLT发 出 的 测 距 及 功 率 控 制 命

56、 令 ， 并 作 相 应 的 调 整 选 择 接 收 OLT发 送 的 数 据 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 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 突 发 模 式 光 收 发 器 技 术OLT光 接 收 机 的 快 速 功 率 恢 复l 要 求 OLT在 每 个 接 收 时 隙 的 开 始处 迅 速 调 整 0-1判 决 门 限ONU光 发 射 机 的 突 发 发 射 和 关 断l 为 抑 制 自 发 散 射 噪 声 ， 要 求 ONU的 激 光 器 能 够 快 速 的 冷

57、却 和 回暖OLT光 接 收 机 的 突 发 同 步 技 术l 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的 接 收 机 和 ONU的 发 射 器 工 作 在 突 发 模 式 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 EPON的 MAC帧 结 构前导码7Bytes帧定界符1Bytes DA6Bytes SA6Bytes长度/类型2Bytes数据461500Bytes填充不定FCS4Bytes前导码 8Bytes DA6Bytes SA6Bytes长度/类型2Bytes数据461500Bytes填充不定FCS

58、4Bytes55 55 SLD 55 55 LLID LLID CRC8传统以太网MAC帧EPON MAC帧SLD :SLD指示LLID和CRC位置 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 从 EPON中 功 能 划 分 可 以 看 出 ， EPON中 较 为 复 杂 的 功 能 主 要 集中 于 OLT， 而 ONU的 功 能 较 为 简 单 。EPON的 工 作 过 程 如 下 : EPON网 络 启 动 时 ， 会 有 一 个 初 始 化 过 程 ， ONU会 向 OLT注册 自 己 的 信 息 ， 得 到 一 个 LLID来 标 示 自 己 。 在 控 制 信 息 交 互

59、 的同 时 ， OLT与 ONU之 间 还 会 完 成 时 钟 的 同 步 和 测 距 。 OLT根 据ONU的 数 目 和 业 务 以 及 与 其 距 离 的 长 远 ， 来 完 成 时 隙 的 分 配 。 初 始 化 完 成 后 ， EPON就 进 入 正 常 的 通 信 状 态 。 OLT会 通 过控 制 信 息 来 控 制 各 个 ONU发 射 信 号 的 时 间 。 在 每 一 次 的 控 制 信息 交 互 中 ， OLT和 ONU之 间 都 会 对 测 距 进 行 校 准 ， 下 一 次 带 宽分 配 的 依 据 。 OLT在 完 成 通 信 的 同 时 ， 还 会 向 网 络 广

60、 播 注 册 信息 ， 一 旦 有 新 的 ONU加 入 ， 新 加 入 的 ONU就 会 相 应 注 册 信 息 ，完 成 注 册 过 程 。 ONU还 会 向 OLT报 告 自 己 的 业 务 拥 塞 状 态 ，OLT会 根 据 这 些 信 息 ， 来 动 态 地 分 配 带 宽 。可 以 看 出 ， EPON是 通 过 控 制 帧 来 进 行 MPCP控 制 的 。 MPCP同时 负 责 收 集 定 时 信 息 ， OLT会 根 据 相 应 的 带 宽 分 配 方 法 来 调 整 ONU可 接 入 带 宽 。 EPON协 议 中 对 带 宽 分 配 方 法 不 做 强 制 性 规定 ，

61、有 各 个 厂 家 自 己 完 成 。 下 面 重 点 对 MPCP控 制 帧 ， 测 距 原理 以 及 EPON的 通 信 过 程 做 详 细 分 析 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 GATE（ OLT发 出 ）l 允 许 接 收 到 GATE帧 的 ONU立 即 或 者 在 指 定 的 时 间 段 发 送 数 据 REPORT（ ONU发 出 ）l 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 （ ONU发 出 ）l 在 注 册 规 程 处

62、理 过 程 中 请 求 注 册 。 REGISTER （ OLT发 出 ）l 在 注 册 规 程 处 理 过 程 中 通 知 ONU已 经 识 别 了 注 册 请 求 。 REGISTER_ACK （ ONU发 出 ）l 在 注 册 规 程 处 理 过 程 中 表 示 注 册 确 认 。五种类型的MPCP帧 MPCP在 OLT和 ONU之 间 规 定 了 一 种 控 制 机 制 来 协 调 数 据 的 发 送 和 接 收 ； MPCP功 能 是 基 于 专 门 的 协 议 数 据 报 文 完 成 的 ， 即 MPCPDU； 目 前 定 义 了 5中 MPCPDU：EPON的 关 键 技 术 M

63、PCP控 制 帧 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 MPCP发 现 过 程 ONU的 发 现 、 注 册 和 认 证n OLT以一定间隔发送一个发现窗口（如1秒）。新上线的ONU可以利用这个窗口进行注册和认证，进而被OLT接纳。n OLT基于MPCP消息中的timestamp字段进行测距n OLT基于ONU的MAC地址进行ONU 的认证 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 ONU完 成 注 册 后 的 MPCP协 议 交 互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

64、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；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 MPC

65、PDU中 的 timestamp进 行 动 态 测 距 ， 确 保 多 个ONU上 行 TDMA的 有 序 性 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 MPCP发 现 过 程 进 程 由 OLT发 起 ， 它 周 期 性 地 产生 合 法 的 发 现 时 间 窗 口(Discovery Time Windows)，使 OLT有 机 会 检 测 到 非 在 线 的ONU。 发 现 进 程 的 下 一 步 是 OLT向 新 发现 的 ONU发 送 注 册 (Register)消息 ， 该 消 息 包 含 ONU的 LLID以 及OLT要 求 的 同 步 时 间 。 OLT可 以 要

66、求 ONU重 新 执 行 发 现进 程 并 重 新 注 册 。 同 样 ， ONU也可 以 通 知 OLT请 求 注 销 ， 然 后 通过 发 现 进 程 进 行 重 注 册 。 WWW.FIBERHOME.COM.CN 光通信专家 8.5 EPON带 宽 分 配 机 制在 EPON中 的 ， 带 宽 控 制 大 体 有 两 种 :基 于 静态 分 配 时 隙 的 接 入 控 制 和 EPON带 宽 分 配 方案 是 决 定 EPON网 络 性 能 的 重 要 一 环 。 对 一个 EPON网 络 而 言 ， 其 最 优 的 带 宽 分 配 方 案要 取 决 于 其 网 络 配 置 、 业 务 流 量 分 布 等 ， 很难 有 统 一 的 规 范 。 因 此 在 IEEE802. 3中 ， 并没 有 对 带 宽 分 配 方 法 进 行 具 体 规 定 。 而 是 对MPCP这 个 平 台 进 行 了 统 一 规 范 ， 这 样 任 何厂 家 都 可 以 以 MPCP这 个 平 台 上 提 出 自 己 的算 法 。在 基 于 静 态 分 配 时 隙 的 接 入 控 制 方 式 下 ，OL