1、EPON技术及其在 广电网络中的应用,唐明光 中广协会技术工作委员会 2011.1.10 广州市,一、全光接入技术-PON,1、接入网现状目前，接入网现有的解决方案和用户的需求之间存在着巨大差异。在用户侧的本地网络已经普遍拥有了支持10Mb/s和100Mb/s速率的能力。在城域网侧，已经可以支持千兆和万兆的速率。在用户和城域网之间数据的传送却大部分为不足1Mb/s甚至只有几十Kb/s的速率。,接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈。 电信网：接入采用ADSL，其速率不足2Mb/s；广电CATV网：接入采用Cable Modem技术，几十-几百个用户共享38Mb/s，平均每户速率不足1Mb/s
2、；,2、 宽带接入网技术方案 通信业界多年来一直认为，PON（Passive Optical Network无源光网络）是接入网发展的方向。它在解決宽带接入问题上，无论设备和运行、护维、管理方面，它的成本相对便宜，提供的带宽足以应付未来的各种宽带业务需求。所以为大多数人接受。 PON自从在20世纪80年代被采用至今，已历经了几个发展阶段。电信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术以便使PON解决方案能更好的满足接入网市场需求。,最初PON标准是基于ATM 的PON，并由ITU/FSAN定义了相应G.983建议，即APON/BPON。目前为大家接受的，有两个新的PON标准： 其一，是由ITU/F
3、SAN负责制定的用来替换APON标准的Gigabit PON（GPON）标准，其二，是由IEEE 802.3ah工作组负责制定的Ethernet PON（EPON）标准。,1）ATM无源光网络（APON/BPON） APON是由ITU/FSAN定义的，以ATM协议为载体，下行以155.52Mb/s或622.08Mb/s的速率发送连续的ATM信元，同时将物理层OAM信元插入数据流中。上行以突发的ATM的信元方式发送数据流，并在每个53字节长的ATM信元头增加3字节的物理层开销，用以支持突发发射和接收。 APON提供非常丰富和完备的OAM，包括比特误码率的监视，告警和检测，自动发现和自动测距，并采
4、用扰动策略作为实现下行数据加密的安全机制。下图为APON系统中传输协议的转换。,APON协议层采用ATM，物理层采用PON。 经过以21个全球主要电信运营商为主的FSAN（全业务接入网）集团的不懈努力，1998年10月通过了全业务接入网采用的ATM-PON格式标准ITU-T G.983.1；2000年4月批准其控制通道规范的标准ITU-T G.983.2；2001年又发布了关于波长分配的标准：ITU-T G.983.3，利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统。,APON标准G.983的基本特点是： * 基于ATM信元 * 对称（双向155.52Mb/s）和非对称工作方式（下行622.08Mb
5、/s，上行155.52Mb/s） * 最多能支持32个用户的光分支，最大传输距离20km * 可单纤或双纤运行 * 可利用波长分配增加业务能力,当电信公司开始部署更多的以太网和交换式以太网以传输高速数据和交互式数字视频业务时，为了满足电信公司不断增长的带宽需求，APON/BPON在升级时存在困难。例如，APON/BPON一般只能升级到下行（从中心局到用户驻地）622Mbps和上行155Mbps，并且在除去ATM开销后，可用的带宽只有448Mbps。,随着未来每用户带宽需求的增长，这将成为部署APON/BPON的很大的一个障碍，并且很大程度限制了每个PON可服务的用户的数量。PON的一个主要好处
6、就是能分担从中心局到用户的长距离干线的成本，如果这些干线的投资回报受限于每用户可用带宽的数量，那么整个PON的商业意义就没有了。因此， APON/BPON 被淘汰是毫无疑义的事实。,2）GPON由于上述原因，ITU-T FSAN又制定了新的PON标准，新标准要能够满足迅速增长的带宽和业务需求。这个标准被称为GPON，已被ITU-T批准，称为G.984.x。GPON是为实现语音、视频和数据业务的一种切实可行的方案。更重要的是，GPON以前所未有的经济性以原有格式支持传统通信业务，也支持未来向全分组/全IP网络的演进。目前，GPON的商用进展较缓慢，不同厂家设备的兼容性解决还有漫长的路要走。,3）
7、EPON概述 IEEE1998年发布完千兆以太网标准后，于2000年12月，IEEE802.3成立了第英里以太网EFM特别工作组，致力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的物理层：）铜线上以太网（EoVDSL），在750m上传送10Mb/s；）点到点光纤上的以太网，在最长10km上传送1000Mb/s；）点到多点光纤上的以太网（EPON），在最长10km上传送1000Mb/s。此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护（OAM），使它具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。,“第一英里”的提出对电信运营商来说，网络的接入部分是“最后一英里”，这样的称谓明确反映出接入部分在电信网大版图上
8、的“边缘”位置。“最后一英里”是电信运营商的“后 院”， 所以，接入网没有受到足够的注意和投资。由于用户对新业务的需求，这个电信运营商的“后院”吸引了传统的计算机数据通信公司的注意。这些公司提倡，单一的网络采用一种协议，以数字传输方式提供话音、视频和数据等各种业务。对于这些公司,接入网是他们进军电信业务的“第一英里”。所以，把这部分网络重新命名为“第一英里”，以强调它的重要性。 “第一英里”连接业务提供商的端局与企业或居民用户，也被称作“用户接入网”或“本地环路”，是距用户最近的网络基础设施。,a）关于EPON标准2000.11年,IEEE802.3工作组成立第一英里以太网(EFM)研究小组，
9、致力于制定EPON接入技术。第一英里以太网联盟（EFM）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。2004年正式发布了EPON的相关标准。 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。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。,和传统的以太网相比，EPON主要增加了两部分功能：位于媒体接入控制(MAC)层之下的仿真子层和被作为MAC层一部分的多点控制协议（MPCP），仿真子层使得下面的点到多点网络在协议上层看来象是多个点到点链路，这一
10、点是通过在每一个分组的开始加上逻辑链路标识（LLID）以取代2个字节的前导来实现的。,在实际性能方面，EPON通过附加一些增强特性，已经能越来越好地满足更多技术需求。一般认为EPON弱在支持TDM业务和OAM。目前EPON设备商采用各种专利技术，一般都能满足不同环境下的TDM业务传输需求；通过在设备方面附加增强特性，EPON在QoS和OAM方面已经能很好与GPON标准中定义的大部分功能相媲美。,EPON的优点主要表现在： 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，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
11、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。 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1Gbs的带宽，并可以升级到10Gbs。 服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省CO的资源，服务大量用户。 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。,b）EPON发展现状 EPON是几个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，在以太网之上提供多种业务。目前,IP/Ethernet应用占到整个局域网
12、通信的95%以上。EPON由于使用了经济和高效的结构，是连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10G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英里的解决方案。 国内，已有十几家公司研发和生产EPON产品，有Salira(中国)，烽火通信公司，中兴通信公司，H3C公司，UT斯达康公司、华为技术公司、北京格林威尔公司、武汉长光科技、武汉无源光网络公司等。这些EPON产品支持上下行对称1G带宽，支持ONU的自动加入，支持TDM业务，提供动态/静态带宽分配、弹性保护倒换等功能。,c）10GEPON的标准IEEE802.3av10GEPON的标准制定从2006年开始，2009年
13、9月正式颁布标准。IEEE802.3av标准专注于物理层技术的研究，最大限度沿用EPON的IEEE802.3ah的MPCP协议，该标准具有很好的继承性。IEEE802.3av确定了两种物理层模式：一种是非对称模式，即10G速率下行和1G速率上行；一种是对称模式，即上下行速率均为10G。非对称模式可以认为是对称模式的一种过渡形式，在前期对上行带宽需求较少和成本较为敏感的场合，可以使用非对称形式。随着业务的发展和技术的进步，将会逐步过渡到对称模式。,IEEE802.3av的波长分配：下行采用1574-1580nm波段，上行和1G EPON的波长重叠，采用 1260-1280nm波段。10G-EPO
14、N与1G-EPON系统共存兼容于波长分配示意图,10GEPON目前规定了3种功率预算的光模块： PR10/PRX10PR20/PRX20PR30/PRX30 10GEPON的功率预算可以支持到20KM传输距离和132分光比。,EPON的标准是IEEE的802.3ah，标准中定义了：EPON的物理层、MPCP（多点控制协议）、OAM（运行管理维护）等相关内容。 IEEE制定EPON标准的基本原则是尽量在 802.3体系结构内进行EPON的标准化工作,最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。这就最大程度的继承了以太网经过长期、大规模实践检验积累下来的宝贵技术经验。,我国EPON标准制订情况,中华人民
15、共和国行业标准接入网技术标准-基于以太网方式的无源光网络(EPON)： 中国电信EPON设备技术要求v1.1 2006.7 中国电信EPON设备测试方案2006.6 中华人民共和国行业标准接入网技术标准-EPON系统互通性要求 光纤到户（FTTH）工程系统及设备入网基本技术要求（试行），上海市，2005 中国电信主办的EPON MAC控制器芯片互通性测试已于2006年完成。EPON设备的互通性测试已于2007年4月完成。 广电规划院也正在制订EPON标准。,二、EPON工作原理简介,1、EPON的网络结构 EPON 系统是一个典型的光接入网，它由ITU-T定义，如下图示：,按ONU安放的位置，
16、可以将EPON分为三种接入方式：FTTH/FTTO：ONU安置在用户家中或办公室中，即光纤入户，此时ONU称为ONT；FTTB：ONU安置在楼棟或楼棟单元，即光纤到楼；FTTC：ONU安置在街边，即光纤到街边；除了FTTH/FTTO是光纤入户外，从ONU到用户采用双绞线或铜轴电缆接入用户。,EPON三种接入方式,2、EPON的构成 一套典型的EPON 系统由硬件和软件两大部分构成：硬件部分主要包括有源网络设备和无源光分配网两大部分。有源设备包括：光线路终端OLT，光网络单元/光网络终端ONU/ONT。无源光分配网：由局端到用户端的光纤和无源光分配器组成。称为无源光网络/光分配网PON/ODN。
17、,OLT位于根节点，通过PON/ODN与各个ONU相连。在下行方向（即向ONU方向），OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向（即向城域骨干网方向），OLT将提GE(Gigabit Ethernet)接口，将来，OLT也会支持10Gbit/s以太网的高速接口。根据需要，也可以配置其它接口。,为了支持其他流行的协议，OLT还可支持ATM, FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准。OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现网络管理的主要功能。,PON/ODN：由光纤+无源光纤分配器组成。它是一个
18、连接OLT和ONU的无源设备。ONU：放在用户驻地侧，接入用户终端设备。,软件部分:按照802.3以太网体系设计思想，MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供差错控制（确认机制）和流量控制（滑动窗口），通常情况下，这种服务已足够；当需要差错控制和流量控制的时候，这种服务就不能满足，需要LLC（逻辑链路子层）。LLC子层提供差错控制和流量控制；LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口。对于同一个LLC逻辑链路，可以提供多个MAC选择。EPON的OLT和ONU之间的连接也要通过逻辑链路的控制，即LLID技术。,在网络层次结构中EPON增加了MPCP（多点控制协议）协
19、议功能，它是MAC控制子层MAC-C的一部分内容，如下图所示。MPCP是MAC控制层的组件，MPCP主要完成两种功能：ONU自动发现、注册和测距。,在上行信道中，用于数据传输有一整套信令体系，如带宽分配等。实现的手段是增加了控制消息：下行为Getes ，上行为Reports 。如下图,EPON的光纤网络结构 OLT和ONU之间的无源光网络可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混合型。（A）树型拓扑,（B）总线型拓扑,（C）环型全保护的拓扑结构,（D）主干路带保护的树型拓扑,（E）主、支路带保护的树型拓扑,利用不同的分光方案，可以构成花样繁多的网络结构。不同的分光方案举例如下图：,3、EPON传
20、输距离-OLT到ONU/ONT的最远距离由两个因素影响无源光网络的传输距离：第一、它由光线路终端（OLT）的发射光功率、ONU的光接收灵敏度和ODN的损耗决定。第二、是光网络单元ONU同时发射的风险。因为光网络终端共享光纤馈线和光线路终端的端口，所以，所有的设备都必须有一套复杂的算法以避免一个以上的ONU同时发射。如果发生了同时发射的情况，就会导致业务流发生碰撞，影响大多数业务无法继续。,该算法要计算和调节各ONU与OLT之间的距离差。因为距离将产生时延，当时延增加时，ONU到OLT的传输窗口就会变窄。这直接影响ONU可用的带宽的大小。因此要限制ONU和OLT之间的最大距离以保证ONU能有可接
21、受的带宽性能。PON标准将这个最大距离定为20km，而多数厂商的产品为10km。,下图显示了PON和有源以太网的服务半径。,对PON来说，在选择光分路器的位置时必须考虑OLT和ONU之间的最大距离限制。图中黄色圆环代表了ONU离OLT的最远距离（此例中为20km），绿色圆环代表了ONU离分路器的最远距离。光分路器到OLT的距离决定了ONU到分路器的距离。二者之和不能超过20km。图中给出了两个例子：一个是分路器距离OLT 19km，因而其服务半径只有1km；二是光分路器距离OLT10km，因而其服务半径为10km。在两个服务区域内都有32个ONU。,这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要评估下列
22、情况： * 如果在ONU的服务半径内少于32个用户，每用户分摊的OLT成本就很高。 * 如果在ONU的服务半径内多于32个用户，仅仅为了支持第33个用户，就需要增加OLT端口，结果导致每用户分摊的OLT成本陡增。 * 如果在现有的ONU服务区域以外有新用户，就要增加一个OLT端口，结果导致每用户分摊的OLT成本非常高。 * 如果在OLT的20km服务半径以外有新客户，就需要在一个新地点安装一个完整的OLT设备，结果导致每用户分摊的OLT成本非常高。因此，在规划设计EPON网络的时候，一定要预先将网络覆盖的用户合理地按1：32/64进行分配，使其不出现上述情况。,与传输距离有关的光功率预算，必须
23、使光功率能补偿PON中所有器件的损耗。但其总功率必须限制在普通单模光纤的SBS阈值以下。目前新型光纤的SBS阈值有所提高，因此可以适用于需要传输更大光功率的场合。,4、EPON工作原理a）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的层次模型按照2003年1月发布的IEEE 802.3ah Draft 1.3规定如下：,IEEE802.3层次模型,IEEE802.3ah层次模型,IEEE 802. 3标准把物理层从低到高分成如下子层和接口：媒质相关接口（Medi
24、um Dependent Interface，MDI）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气接口。 物理媒质相关子层（Physical Medium Dependent，PMD）负责与传输媒质的接口。 物理媒质附加子层（PMA）负责发送、接收、定时恢复和相位对准功能。 物理编码子层（Physical Coding Sublayer ,PCS）负责把数据比特编成适合物理媒质传输的码组。 吉比特MAC和吉比特物理层之间的吉比特媒质无关接口（Gigabit Media Independent Interface，GMII）允许多个数据终端设备混合使用各种吉比特速率物理层。 协调子层（R
25、econciliation Sublayer. RS）提供GMII信号到MAC层的映射。,数据链路层由下列子层组成(由下到上顺序)：媒质接人控制子层（Media Access Control，MAC ）负责向物理层的数据转发功能 (与媒质无关)。通常，MAC子层负责封装（成帧、地址标识、差错检测）和媒质接人（冲突监测和延时过程）功能。 MAC控制子层是可选的子层，负责MAC子层操作的实时控制和处理。定义MAC控制子层是为了允许未来加入新功能。逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC）负责数据链路层与媒质接入无关的功能，它不在IEEE 802. 3标准的范畴之内。MAC
26、层和可选的MAC控制子层并不“知晓”上面是否存在LLC子层或者是其他客户(如网桥或中继器)。 “点对多点”子工作组负责EPON网络较低层功能的规范。EPON的标准化工作分成物理媒质相关子层、P2MP协议和协调子层、物理编码子层以及物理媒质附加子层扩展这些部分。,物理层有关子层的特性,物理媒质相关子层（PMD） EPON PMD子层由IEEE802.3ah标准第60子句所规范。PMD的规范基于下列目标 1、支持“点对多点”光纤媒质； 2、支持1：16分支比情况下1000 Mbit/s速率的大干10km单纤双向传输； 3、支持116分支比情况下1000 Mbit/s速率的大干20 km单纤双向传输
27、； 4、物理层的误比特率不劣于10E-12。,为了实现上述目标，第60子句规范了四种PMD类型，相关参数概括于表4. 1中。 表4.1 EPON PMD类型PMD类型 1000BASE-PX10-U 1000BASE-PX10-D 1000BASE-PX20-U 1000BASE-PX20-D光纤类型 SMF SMF SMF SMF光纤数 1 1 1 1标称波长/nm 1310 1490 1310 1490发送方向 上行(ONUOLT) 下行(OLTONU) 上行(ONUOLT) 下行(OLTONU)传输距离/km 10 10 20 20最小通道插损/db 5.0 5.0 10.0 10.0最
28、大通道插损/db 20.0 19.5 24.0 23.5,关于PMD层时间相关参数（如激光器开启和关闭时间、增益控制时间等），最终任务组确定如下参数：激光器开启时间512ns，关闭时间 512 ns，增益调整时间400 ns(可协商)。理由是批量生产的ONU必须尽可能简单和便宜。这样, PMD器件不需要数字接口电路，从而价格便宜（如果激光器开启和关闭时间可协商的话，数字接口是必不可少的）。OLT侧器件可以贵些，因为一个EPON系统只需 一个器件。因此，OLT侧AGC时间是可以协商的。,物理媒质附加子层( PMA子层) PMA子层需要扩展，用以规范接收机对输入数据流的相位和频率同步时间。这一时间
29、称为时钟和数据恢复时间( CDR时间) 。IEEE 802. 3ah规定OLT PMA在400 ns内完成比特同步，32 ns内完成码组对齐。,物理编码子层（PCS）为避免较近ONU的自发辐射噪声干扰较远ONU的信号，ONU激光器在非发送期应关闭。为控制激光器，PCS子层扩展为监测高层要发送的数据，使能在正确的时间开启和关闭激光器（参见IEEE 802. 3ah 65子句第二节）。 PCS另外的扩展是可选的前向纠错编码(Forward Error Correction，FEC )。FEC可增加光链路预算或者说传输距离。FEC采用R-S(Reed-Solomon)码，每239个信息字节加上16校
30、验字节。接收端利用附加的校验字节来纠正数据传输过程中可能出现的错误。 EPON采用基于帧的FEC，即每帧被分别编码，校验字节加在帧的后面。这样的方法使不具有FEC功能的设备能够接收EEC编码的帧，只是误比特数要多些。,协调子层IEEE 802. 3体系标准的一个基本假设是连接在同一媒质上的设备可以直接通信。 依据这样的假定，网桥从不转发帧到其输入端口。这样的网桥就出现了问题，因为位干 OLT的网桥可以“看到”PON端口，而不把上行流量转发给ONU。然而，由于光分路器的方向特性，ONU之间不能直接通信。因此，EPON网络为其所联设备不能提供完全的连接。这与IEEE 802. 3体系（尤其是IEE
31、E 802. 1D桥接协议）不兼容。,为了解决这一问题而与其他以太网无缝兼容，EPON使用扩展的协调子层来仿真点到点媒质。这种拓扑仿真过程通过把以太网帧打上每个ONU唯一的标识来实现。这些标识称为逻辑链路标识（Logical Link ID，LLID ），LLID置于每帧前面的前导码里。IEEE 802. 3ah 第65子句的第一节定义了帧前导码的新格式和点到点仿真的过滤规则。,MAC层有关子层的特性,MAC控制子层-点对多点协议多点控制制协议（Multipoint Control Protocol，MPCP ），MPCP使用类似以太网PAUSE消息的MAC控制消息来调整多点到一点的上行流量。
32、该协议安装在MAC控制子层。MPCP协议是解决OLT分配ONU发送窗口的协议。MPCP有“自动发现过程（初始化）” 和“正常工作”两种工作模式：正常模式-用于分配已发现的各ONU的传输窗口；自动发现模式-用于检测新连接的ONU获得其MAC地址、环回时延等参数。,b) EPON系统的信号传输 EPON采用单纤波分复用技术 下行1490nm ； 上行1310nm ； 数字/模拟电视1550nm ；,EPON是由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络，由无源分光器和光纤组成）等单元构成的点到多点系统。其系统拓扑多为星型或树型分支结构。OLT位于EPON系统的局端一侧，负责E
33、PON系统外部资源与终端用户的连接，汇聚外部业务，协调远端ONU。外部资源包括语音、数据及视频业务。除了这些基本功能外，高等级的OLT还具备数据路由、交换和语音网关等功能。ONU负责用户的接入，业务的覆盖。,下行方向（由OLT到ONU）采用广播方式，每一个ONU将接收到所有下行信息，根据其MAC地址提取有用信号。上行方向（由ONU到OLT）采用时分方式共享系统。为了避免数据碰撞和公平的信道共享，采用OLT分配静态或者动态带宽的方式，给每个ONU分配一个时间没有重叠、时隙可变的传输窗口，用于ONU数据的传递。,为了实现时隙的管理，IEEE802.3ah中采用了多点控制协议（MPCP），采用Rep
34、ort 和GATE两个MAC控制消息来实现。OLT发送“门（GATE）消息”给ONU用来分配时隙，而ONU采用“报告（Report）消息”向OLT获取时隙或者请求时隙。通过接入控制机制将各个ONU有序接入。 EPON的上、下行信息速率均为1 Gb/s（由于其物理层编码方式为8B/10B码，所以其线路码速率为1.25Gb/s），由一根光纤采用波分复用实现全双工通信。其结构示意图如下图所示。,c) EPON网络每用户平均带宽 在EPON中，因为所有用户终端共享OLT和光纤，所以每个用户终端的可用带宽也是共享的。可共享的总带宽取决于分光器的分支比。例如，EPON的分支比为1:32时，每个ONU的平均
35、可用带宽是32Mb/s。EPON能以较低的分支比来提高每用户的带宽，但这会增加每用户的成本。例如，EPON的分支比从1:32降到1:16，可使每用户的带宽增至64Mb/s，但是每用户均摊的OLT的成本也翻番了。当业务带宽需求与成本相比居于主要考虑时，降低分支比来提高每用户带宽就成为必需的技术措施。,d）EPON中的关键技术） 多点控制协议MPCP EPON系统通过一条共享光纤将多个OUN连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支结构。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，是建立在MPCP（Muti-Point Control
36、Protocol多点控制协议）基础上的系统。MPCP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。,为此，EPON实现了一个P2P仿真子层。 P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件，该子层通过在每个数据报的前面加上一个逻辑链路标识LLID（Logical Link Identification），该LLID将替换前导码中的两个字节。它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。 PON将拓扑结构中
37、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ONUs。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MPCP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
38、和处理。,MPCP如何工作MPCP是MAC控制层的组件，所以首先了解一下MAC control的一些信息。MAC-C通过一些命令对MAC子层进行实时控制和操作。MPCP主要完成如下两种功能：ONU自动发现、注册和测距。在上行信道中，用于数据传输的一整套信令体系，如带宽分配等。实现的手段是增加了控制消息，如下图：,下行：在从OLT到ONU的下行方向，数据流从OLT广播到多个ONU，每个ONU根据以太帧所带有的MAC地址相关信息，确定该以太帧是被接收或被遗弃。以太网数据帧包含三部分内容：帧头header、有效载荷payload、帧校验FCS。EPON下行数据流,上行：在从ONU到OLT的上行方向E
39、PON工作于TDMA方式，每个ONU的发送时隙由OLT安排，相互错开，使得各个ONU的数据包汇合到公共光纤的时候，不会发生互相碰撞。在入网注册以后，每个ONU在OLT安排的时隙报告自己的用户数据队列情况（服务等级、队列长度等），OLT根据各个ONU的报告及既定策略给每个ONU安排发送时隙的起点和长度，实现动态带宽分配。 在整个系统中，采用了集中调度和每个光网络单元(ONU)的多重逻辑链路，还有基于硬件的DBA技术，这样运营商能建立起具有QoS保证的服务水平协议(SLA)。,EPON上行数据流,队列调度SchedulerScheduler是QoS体系的关键环节，根据业务信号的不同优先级，协调各种
40、业务在OLT与ONU之间顺畅传输。QoS队列控制,动态带宽分配算法DBADBA是实时地改变EPON的各ONU上行带宽的机制。通过DBA，我们可以根据ONU突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高PON上行带宽效率。由于能更有效地利用带宽，网络管理员可以在一个已有的PON上增加更多用户，终端用户也可以享有更好的服务，如用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分配方式的带宽。,所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，ONU根据分配的时隙发送信息。分配准许算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分
41、布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。,DBA控制,P2P仿真所谓P2PE，就是仿真EPON外部的某个节点与EPON内部的某个ONU之间，或是EPON内部的某两个ONU之间的点到点通信。如下图所示即为系统内部ONU之间点到点通信，使之与支持802.1D的路由器或交换机通信。P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件，通过给每个分组包增加逻辑链路标识LLID（logical link identification），替代2字节的前缀，它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合，可以简单理解为仿真
42、层用来处理有关LLID事务。,P2P仿真,逻辑链路标识LLID：在OLT与ONU用户侧的各个端口之间由逻辑链路连接，每个逻辑链路使用一个逻辑链路识别符(LLID)来识别。作为IEEE802.3ah，能够通过在数据帧中设置一个名为“LLID（logical link ID，逻辑连接ID）”的标识符对数据种类进行区分。利用这个LLID标识符，从逻辑上区分语音、通信数据与视频的。一旦OLT接受了某一个ONU的注册请求后，就会为它分配一个LLID，并通过 REGISTER消息将这个LLID传递给该ONU。如图所示，每个以太网数据帧前导码中替换增加2字节LLID标识位，最高位为模式位，剩下15位指明对应
43、的MAC地址，建立MAC地址到LLID的映射。,2字节LLID=“1位 mode指示符 + 15位 链路标签”，mode指示符信息如下：,“1 ”：代表P2P业务：对于单个特定目标ONU的业务，mode位设置为0，链路标签指明了目标ONU，但数据还是要发送给所有的ONU；相应地，ONU查看数据帧中的链路标签，接收下与自己标签相同的数据帧。,“0”：代表broadcast广播业务：对于数据广播业务，mode位设置为0 ，链路标签使用了通用的广播LLID，广播数据发送给所有ONU；ONU查看LLID内容，确认为广播数据，然后接收。上面所指的广播业务是EPON的数据信号，不是1550nm的视频广播信
44、号。,以太网无源光网络(EPON) 的很大一个优势就是在利用丰富的带宽开展多种业务和应用，如实现三重服务（triple play），为最终的三网融合奠定良好的基础。目前可以开展的业务有语音（包括POTS和VoIP）、视频点播（VOD）、标准电视和高清电视(SDTV and HDTV), 视频会议、实时或者准实时的电子交易和数据等等。针对以上各种不同的业务，各电信运营商纷纷推出各种接入业务种类，针对不同的用户需求，在传输带宽、质量和价格等方面提供差异性的接入服务。下列表格列出了一些基本的业务类型以及相应的要求。,表格：常见接入业务类型及其带宽需求,从表中我们可以看到：针对不同的业务，需要的带宽不
45、同。对服务质量（QoS）以及服务等级(CoS)的要求也差异很大。 为了确保与IEEE 802的结构兼容，EPON采用了点到点仿真技术，使得EPON介质成为一系列点到点链接的组合。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标准中采用逻辑链路标识方式（LLID），为每个不同的ONU分配一个不同的LLID。这样每个ONU只能接收带有自己的LLID的数据报，其余的数据报丢弃不再转发。 在这样一个接入网中，每个ONU可能会有一个或者多个用户，而每个用户可能会有一种或者多种业务。而每个业务（如视频、语音和数据）可能会有不同的服务等级(CoS)，对服务质
46、量（QoS）有不同的要求。,LLID 数量在EPON的设计思想中，提出了为单个ONU分配一个LLID还是多个LLID的不同方案。下面分别讨论两种方案的实现：单一LLID方案： 如下图所示，因为ONU只有一个LLID标识，ONU要想处理多种业务的队列，需要在ONU侧具备scheduler处理能力，这样，OLT只需利用scheduler与ONU的scheduler进行协调即可，将更多的处理任务交给了ONU。此方案简化了OLT与ONU的协议控制，但使ONU的软件设计与实现复杂化，而且很难保证业务的QoS。,单LLID方案方框图,多个LLID方案：与单一LLID方案不同，此方案为每个ONU的每种类型的
47、业务分配不同的LLID。ONU中不再实施scheduler功能，完全由中心OLT的scheduler单独地调度每一种业务队列，保证每种业务的QoS。多LLID方案为全业务功能的服务质量保障、安全性、可管理性等方面的性能增强提供了完善的保障。不同业务的数据帧被标上不同的LLID，每个LLID可以获得不同的优先级处理，按照系统策略调整每个业务流的带宽分配、时延和抖动约束等指标。,多LLID方案方框图,VLAN业务EPON作为以数据接入为主的宽带接入方案，需要具备支持路由交换网中主要业务功能的能力。VLAN就是数据交换网中的重要技术，EPON系统当然要较好地提供对VLAN业务的支持。 下图描述了EP
48、ON的VLAN透传解决方案，一个LLID可以隧道化传输多个VLAN标签，ONU连接的用户交换机负责删加VLAN标签， OLT只负责查看标签，不进行删加。,VLAN透传方框图,组播业务随着IPTV业务的大范围试验及部署，对用户接入带宽提出更高需求。EPON光纤接入系统正是满足了这种高带宽消耗的应用环境。IPTV业务属于组播范畴，EPON采用IGMP协议对组播业务的支持。IGMP协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，主机通过此协议告诉本地路由器希望加入并接受某个特定组播组的信息，同时路由器通过此协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态（即该网段是否仍有属于某个组播组的成员
49、），实现所连网络组成员关系的收集与维护。有IGMP Proxy和IGMP Snooping两种方式实现。,IGMP Proxy方式：IGMP Proxy可以减轻局端组播路由器负担，终结用户的IGMP请求，减轻了上层组播路由器的IGMP处理负担。在OLT端实现IGMP Proxy功能。,IGMP SnoopingIGMP Snooping与IGMP Proxy实现功能相同但机理相异：IGMP snooping只是通过侦听IGMP的消息来获取有关信息，不会拦截终端用户的IGMP请求，而是将它直接转发给上层路由器。在ONU端实现 Snooping功能。,系统同步： 系统同步是指由于EPON上行为多点到一点的拓扑结构，每个ONU发送时隙必须与OLT的系统分配的时隙保持一致，以防止各个ONU上行数据发生碰撞。ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步。EPON时钟同步采用时间标签方式。在OLT侧有一个全局的计数器，下行方向OLT根据本地的计数器插入时钟标签，ONU根据收到的时钟标签修正本地时钟，使本地时钟与OLT时钟同步,完成系统同步；上行方向ONU根据本地时钟插入时钟标签，OLT根据收到的时钟标签完成测距。,
