無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用研究

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）自從在20世紀(jì)80年代被采用至今為止已經(jīng)歷經(jīng)幾個(gè)發(fā)展階段，電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)了多種協(xié)議和技術(shù)，使PON解決方案能更好地滿足接入網(wǎng)市場(chǎng)要求。PON標(biāo)準(zhǔn)最初基于ATM ，并由ITU/FSAN定義了相應(yīng)G.983建議，即APON。目前則有兩個(gè)頗為引人注目的新的PON標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，其中一個(gè)是由ITU/FSAN負(fù)責(zé)制定用來(lái)替換APON標(biāo)準(zhǔn)的Gigabit PON（GPON）標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是由IEEE802.3ah工作組負(fù)責(zé)制定的Ethernet PON（EPON）標(biāo)準(zhǔn)。

APON是由FSAN/ITU定義，以ATM協(xié)議為載體，下行以155.52Mbps或622.08Mbps的速率發(fā)送連續(xù)的ATM信元，同時(shí)將物理層OAM信元插入數(shù)據(jù)流中；上行以突發(fā)的ATM信元方式發(fā)送數(shù)據(jù)流，并在每個(gè)53字節(jié)長(zhǎng)的ATM信元頭增加3字節(jié)的物理層開(kāi)銷，用以支持突發(fā)發(fā)送和接收。APON提供非常豐富和完備的OAM，包括比特誤碼率的監(jiān)視、告警和檢測(cè)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和自動(dòng)測(cè)距，并采用攪動(dòng)策略作為實(shí)現(xiàn)下行數(shù)據(jù)加密的安全機(jī)制。

在2000年12月，IEEE802.3成立了第一英里以太網(wǎng)－EFM特別工作組，致力于研究如何支持三種接入網(wǎng)拓?fù)湟约跋鄳?yīng)的物理層：銅線上以太網(wǎng)（EoVDSL），在750米的距離上傳送速率為10Mbps；點(diǎn)到點(diǎn)光纖上的以太網(wǎng)，在最長(zhǎng)10km上傳送速率可以達(dá)到1000Mbps；點(diǎn)到多點(diǎn)基于光纖的以太網(wǎng)，在最長(zhǎng)10km上傳送速率可以達(dá)到1000Mbps。此外，該工作組還將定義以太網(wǎng)的運(yùn)行、管理、維護(hù)（OAM），使其具有遠(yuǎn)端故障顯示、遠(yuǎn)端環(huán)回和鏈路監(jiān)測(cè)等功能。

EPON的發(fā)展現(xiàn)狀

EPON是幾個(gè)最佳的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合。EPON采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，無(wú)源光纖傳輸方式，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務(wù)。目前，IP/以太網(wǎng)應(yīng)用占到整個(gè)局域網(wǎng)通信的95%以上，EPON由于使用上述的經(jīng)濟(jì)和高效結(jié)構(gòu)，是連接接入網(wǎng)最終用戶的一種最有效的通信方法。10G以太主干和城域環(huán)的出現(xiàn)也將使EPON成為未來(lái)全光網(wǎng)中最佳的最后一英里的解決方案。

目前接入網(wǎng)現(xiàn)有的解決方案和用戶的需求之間還存在著巨大差異。在用戶側(cè)的本地網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普遍擁有了支持10M和100M速率的能力，在城域網(wǎng)側(cè)已經(jīng)可以支持千兆和萬(wàn)兆的速率，但在用戶側(cè)和城域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的傳送卻大部分低于1M甚至只有幾十K的速率。接入網(wǎng)仍是大容量局域網(wǎng)和骨干網(wǎng)之間的瓶頸，為了突出接入網(wǎng)的優(yōu)先地位與重要性，IEEE 802.3工作組在2000年11月成立了EFM研究小組，于2001年7月開(kāi)始制定IEEE 802.3ah EFM標(biāo)準(zhǔn)，2003年9月將完成EFM的標(biāo)準(zhǔn)制訂。

EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1為典型的EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一套典型的EPON 系統(tǒng)由局端設(shè)備（OLT）、遠(yuǎn)端設(shè)備（ONU）/ONT和POS組成。OLT位于根節(jié)點(diǎn)，通過(guò)ODN與各個(gè)ONU相連，在下行方向，OLT提供面向無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口；在上行方向，OLT將提供千兆以太網(wǎng)（GE）連接。將來(lái)10Gbps的以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定型后，OLT也將支持類似的高速接口。為了支持其它流行的協(xié)議，OLT還可支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口標(biāo)準(zhǔn)。OLT通過(guò)支持E1接口來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的TDM話音的接入，在EPON的統(tǒng)一網(wǎng)管方面，OLT是主要的控制中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能。POS是無(wú)源光纖分支器，是一個(gè)連接OLT和ONU的無(wú)源設(shè)備。ONU放在用戶駐地側(cè)，接入用戶終端。

OLT和ONU之間可以靈活組建成樹(shù)形、環(huán)形、總線形以及混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

EPON網(wǎng)絡(luò)層次模型

對(duì)于以太網(wǎng)技術(shù)而言，PON是一個(gè)新的媒質(zhì)。802.3工作組定義了新的物理層，而對(duì)以太網(wǎng)MAC層以及MAC層以上則盡量做最小的改動(dòng)，以支持新的應(yīng)用和媒質(zhì)。EPON的層次模型按照2003年1月發(fā)布的IEEE 802.3ah Draft 1.3規(guī)定如下：

EPON系統(tǒng)通過(guò)一條共享光纖將多個(gè)DTE連接起來(lái)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為不對(duì)稱的基于無(wú)源光分路器的樹(shù)形分支結(jié)構(gòu)。多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）就是使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于以太網(wǎng)的一種控制機(jī)制。

EPON作為EFM討論標(biāo)準(zhǔn)的一部分，建立在MPCP基礎(chǔ)上，該協(xié)議是MAC 控制子層的一項(xiàng)功能。MPCP使用消息、狀態(tài)機(jī)和定時(shí)器來(lái)控制訪問(wèn)點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)渲械拿總€(gè)ONU都包含一個(gè)MPCP的實(shí)體，用以和OLT中的MPCP的一個(gè)實(shí)體相互通信。作為EPON/MPCP的基礎(chǔ)，EPON實(shí)現(xiàn)了一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的仿真子層，該子層使得點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)于高層來(lái)說(shuō)就是多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的集合。該子層是通過(guò)在每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的前面加上一個(gè)邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLD）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該LLID將替換前導(dǎo)碼中的兩個(gè)字節(jié)。PON將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的根節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是主設(shè)備，即OLT，將位于邊緣部分的多個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是從設(shè)備，即ONU。MPCP在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從設(shè)備之間規(guī)定了一種控制機(jī)制，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)有效地發(fā)送和接收。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中上行方向在一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)ONU發(fā)送，位于OLT的高層負(fù)責(zé)處理發(fā)送的定時(shí)和不同ONU的擁塞報(bào)告，以便優(yōu)化PON系統(tǒng)內(nèi)部的帶寬分配。EPON系統(tǒng)通過(guò)MPCPDU來(lái)實(shí)現(xiàn)OLT與ONU之間的帶寬請(qǐng)求、帶寬授權(quán)和測(cè)距等。

MPCP涉及的內(nèi)容包括ONU發(fā)送時(shí)隙的分配，ONU的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和加入，向高層報(bào)告擁塞情況以便動(dòng)態(tài)分配帶寬。多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）多點(diǎn)控制協(xié)議位于MAC控制子層。MAC控制子層向MAC子層的操作提供實(shí)時(shí)的控制和處理。圖2為EPON網(wǎng)絡(luò)的層次模型結(jié)構(gòu)。

EPON中的關(guān)鍵技術(shù)

1. 系統(tǒng)同步

系統(tǒng)同步是指由于EPON上行采用多點(diǎn)到一點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)ONU發(fā)送時(shí)隙必須與OLT的系統(tǒng)分配的時(shí)隙保持一致，以防止各個(gè)ONU上行數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞。ONU側(cè)的時(shí)鐘應(yīng)與OLT側(cè)的時(shí)鐘同步。EPON時(shí)鐘同步采用時(shí)間標(biāo)簽方式。在OLT側(cè)有一個(gè)全局的計(jì)數(shù)器，在下行方向OLT根據(jù)本地的計(jì)數(shù)器插入時(shí)鐘標(biāo)簽，ONU根據(jù)收到的時(shí)鐘標(biāo)簽修正本地計(jì)數(shù)器，完成系統(tǒng)同步；在上行方向ONU根據(jù)本地的計(jì)數(shù)器插入時(shí)鐘標(biāo)簽，OLT根據(jù)收到的時(shí)鐘標(biāo)簽完成測(cè)距。

2. ONU的自動(dòng)識(shí)別

ONU自動(dòng)加入目的是通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，不需人工干預(yù)就能完成對(duì)新ONU的發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)，使新ONU能夠自動(dòng)加入到EPON系統(tǒng)而不影響其它ONU運(yùn)行。EFM對(duì)解決注冊(cè)沖突提出了兩種方案。

a. 隨機(jī)延遲時(shí)間：發(fā)生注冊(cè)沖突時(shí)，發(fā)生沖突的ONU仍然每次都響應(yīng)注冊(cè)授權(quán)，但是在響應(yīng)開(kāi)窗時(shí)隨機(jī)延遲一定時(shí)間（但必須保證ONU隨機(jī)延遲后的應(yīng)答仍然可以落在開(kāi)窗內(nèi)）。采用隨機(jī)延遲時(shí)間的方法可以縮短ONU加入系統(tǒng)的時(shí)間，但是需要增大注冊(cè)開(kāi)窗的長(zhǎng)度，這樣會(huì)降低系統(tǒng)的帶寬利用率。

b. 隨機(jī)跳過(guò)開(kāi)窗：發(fā)生注冊(cè)沖突時(shí)，發(fā)生沖突的ONU隨機(jī)跳過(guò)若干個(gè)注冊(cè)授權(quán)后才重新響應(yīng)。如果注冊(cè)授權(quán)的周期為1秒，那么發(fā)生沖突的ONU可隨機(jī)延時(shí)1～8秒（系統(tǒng)可配置），然后繼續(xù)等待注冊(cè)授權(quán)。采用隨機(jī)跳過(guò)開(kāi)窗的方法比隨機(jī)延遲需要多花一些時(shí)間，但是不需增大注冊(cè)開(kāi)窗，不會(huì)影響系統(tǒng)的帶寬利用率。

3. EPON中TDM業(yè)務(wù)的傳輸VSPACE=12 HSPACE=“12” ALT=“圖2：EPON的層次模型。

盡管數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬需求正快速增長(zhǎng)，但現(xiàn)有的電路業(yè)務(wù)還有很大的市場(chǎng)，在短期內(nèi)仍將發(fā)揮其巨大的作用，在今后幾年內(nèi)仍是業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商的主要收入來(lái)源。所以在EPON系統(tǒng)中承載電路交換網(wǎng)業(yè)務(wù)，將分組交換業(yè)務(wù)與電路交換業(yè)務(wù)結(jié)合有利于EPON的市場(chǎng)應(yīng)用，并滿足不同業(yè)務(wù)的需要。因此現(xiàn)在大家談?wù)摰腅PON實(shí)際都是考慮網(wǎng)絡(luò)融合需求的多業(yè)務(wù)系統(tǒng)。EFM對(duì)TDM在EPON上如何承載，在技術(shù)上沒(méi)有作具體規(guī)定，但必須兼容以太網(wǎng)幀格式。如何保證TDM業(yè)務(wù)的質(zhì)量實(shí)際上也就成為多業(yè)務(wù)EPON的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4. EPON中信息安全的考慮

根據(jù)IEEE 802.3ah規(guī)定，EPON系統(tǒng)物理層傳輸?shù)氖菢?biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀，對(duì)此，802.3ah標(biāo)準(zhǔn)中為每個(gè)連接設(shè)定LLID邏輯鏈路標(biāo)識(shí)，每個(gè)ONU只能接收帶有屬于自己的LLID的數(shù)據(jù)報(bào)，其余的數(shù)據(jù)報(bào)丟棄不再轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)際上LLID主要是為了區(qū)分不同連接而設(shè)定，ONU側(cè)如果只是簡(jiǎn)單根據(jù)LLID進(jìn)行過(guò)濾很顯然還是不夠的。為此IEEE 802.3ah工作組從2002年下半年起召開(kāi)了幾次會(huì)議，專門討論有關(guān)EPON的鏈路安全性問(wèn)題，包括研究APON的G.983建議中的攪動(dòng)機(jī)制和802.1x協(xié)議等，會(huì)議中另一個(gè)主要議題是關(guān)于安全性的問(wèn)題：是單獨(dú)放在EPON中解決，還是放到整個(gè)802體系中解決？最終會(huì)議決定單獨(dú)成立一個(gè)任務(wù)組，根據(jù)EPON的具體情況來(lái)負(fù)責(zé)整個(gè)802體系的安全性問(wèn)題的研究和解決。2003年1月份以原EPON安全小組的主要成員為主的新的工作組已經(jīng)召開(kāi)會(huì)議，將在盡量保證以太網(wǎng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合802.1x、802.10等已有以太網(wǎng)關(guān)于安全性的協(xié)議，加強(qiáng)和完善EPON和其它以太網(wǎng)應(yīng)用的安全性。

5. EPON中的以太網(wǎng)管理

對(duì)于以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，第一英里接入是一個(gè)全新的應(yīng)用，要求一個(gè)完整的新的電信級(jí)管理。和傳統(tǒng)的局域網(wǎng)不同，在第一英里的終端用戶不是按照以太網(wǎng)業(yè)務(wù)提供者的要求而配置的，第一英里包括局端設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備。因此，局端設(shè)備必須有能力監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)和用戶駐地網(wǎng)之間的物理鏈路和設(shè)備的一些重要的信息。EFM工作組已經(jīng)決定提供的OAM功能包括：遠(yuǎn)端錯(cuò)誤指示、遠(yuǎn)端環(huán)回和鏈路監(jiān)視。OAM的消息通道采用長(zhǎng)度/類型域?yàn)?809的慢協(xié)議幀傳送OAM消息。

EPON的應(yīng)用

10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ae已經(jīng)發(fā)布，這意味著以太網(wǎng)可進(jìn)入城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)領(lǐng)域。而用于局域網(wǎng)的10GBASE-T和10GBASE-CX4的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)在2002年底啟動(dòng)，如果接入網(wǎng)也采用電信運(yùn)營(yíng)級(jí)的以太網(wǎng)技術(shù)EPON，將實(shí)現(xiàn)從局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)到廣域網(wǎng)全部是以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，可以大大提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

EPON的特點(diǎn)適合應(yīng)用于長(zhǎng)距離高帶寬（20km，1.25G）、光纖的接入和傳輸、光纖化的ONU/ONT，非常適合于FTTB和FTTO模式（非常有利于光纖在大樓內(nèi)的布線和用戶擴(kuò)容）。EPON系統(tǒng)能提供可調(diào)節(jié)的、具有優(yōu)先級(jí)和帶寬保證的服務(wù)。

采用EPON技術(shù)減少了維護(hù)和供電需求，大樓內(nèi)無(wú)需占用機(jī)房和供電設(shè)施，支持遠(yuǎn)端設(shè)備ONU/ONT的自動(dòng)測(cè)距和自動(dòng)加入，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容方便，且局端設(shè)備和用戶端設(shè)備為統(tǒng)一網(wǎng)管，可以大大降低運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

EPON是面向未來(lái)的技術(shù)，它是一個(gè)多業(yè)務(wù)平臺(tái)，可以同時(shí)提供IP業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)的TDM業(yè)務(wù)?？梢酝耆ＷCQoS，而且完全遵循IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)。這不但使運(yùn)營(yíng)商在同一套傳輸平臺(tái)上就可以根據(jù)用戶的要求隨時(shí)開(kāi)通所需要的多種業(yè)務(wù)，而且非常容易向全I(xiàn)P業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。

此外，采用EPON技術(shù)帶寬分配更靈活，服務(wù)有保證。EPON可以通過(guò)DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)的SLA，MS-EPON可以根據(jù)需要對(duì)每個(gè)用戶甚至每個(gè)端口實(shí)現(xiàn)基于連接的帶寬分配（區(qū)別于普通交換機(jī)的基于端口的速率限制），并可根據(jù)業(yè)務(wù)合約保證每個(gè)用戶連接的QoS。

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