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基於乙太網路的被動光纖網路(EPON)技術應用

上網時間: 2003年05月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EPON  光纖接取  被動光纖網路  基於乙太網路的被動光纖網路  APON 

基於乙太網路的被動光纖網路(EPON)是一個點到多點的光接取網路,採用低成本、高性能的乙太網路晶片為終端用戶提供可靠的數據、語音以及視訊業務,其所能提供的頻寬遠大於現有接取技術。本文主要介紹了EPON技術的分類、發展現狀、網路結構、層次模型,以及關鍵技術和應用。

被動光纖網路(PON)自從在20世紀80年代被採用至今為止已經歷經幾個發展階段,電信廠商和設備製造商開發了多種協議和技術,使PON解決方案能更好地滿足接取網路市場要求。PON標準最初基於ATM,並由ITU/FSAN定義了相應G.983建議,即APON。目前則有兩個頗為引人注目的新的PON標準正制定中,其中一個是由ITU/FSAN負責制定用來替換APON標準的Gigabit PON(GPON)標準,另一個是由IEEE 802.3ah工作組負責制定的Ethernet PON(EPON)標準。

APON是由FSAN/ITU定義,以ATM協議為載體,下行以155.52Mbps或622.08Mbps的速率發送連續的ATM訊號,同時將實體層OAM訊號插入數據流中;上行以突發的ATM訊號方式發送數據流,並在每個53位元組長的ATM訊號頭增加3位元組的實體層開銷,用以支援突發發送和接收。APON提供非常豐富和完備的OAM,包括位元誤碼率的監視、告警和檢測,自動發現和自動測距,並採用攪動策略作為實現下行數據加密的安全機制。

在2000年12月,IEEE802.3成立了First Mile乙太網路-EFM特別工作組,致力於研究如何支援三種接取網拓樸以及相應的實體層:銅線上乙太網路(EoVDSL),在750米的距離上傳送速率為10Mbps;點對點光纖上的乙太網路,在最長10km上傳送速率可以達到1,000Mbps;點到多點基於光纖的乙太網路,在最長10km上傳送速率可以達到1,000Mbps。此外,該工作組還將定義乙太網路的執行、管理、維護(OAM),使其具有遠端故障顯示、遠端環回和鏈路監測等功能。

EPON的發展現狀

EPON是幾個最佳的技術和網路結構的結合。EPON採用點到多點結構,被動光纖傳輸方式,在乙太網路之上提供多種業務。目前,IP/乙太網路應用佔到整個區域網路通訊的95%以上,EPON由於使用上述的經濟和高效結構,是連接接取網路最終用戶的一種最有效的通訊方法。10G乙太主幹和都會區域環的出現也將使EPON成為未來全光纖網路中最佳的最後一英哩的解決方案。

目前接取網路現有的解決方案和用戶的需求之間還存在著巨大差異。在用戶側的本地網路已經普遍擁有了支援10M和100M速率的能力,在都會區域網路側已經可以支援千兆和萬兆的速率,但在用戶側和都會區域網路之間數據的傳送卻大部份低於1M甚至只有幾十K的速率。接取網路仍是大容量區域網路和骨幹網路之間的瓶頸,為了突出接取網路的優先地位與重要性,IEEE 802.3工作組在2000年11月成立了EFM研究小組,於2001年7月開始制定IEEE 802.3ah EFM標準,2003年9月將完成EFM的標準制訂。

EPON網路結構

圖1為典型的EPON網路結構。一套典型的EPON系統由局端設備(OLT)、遠端設備(ONU)/ONT和POS組成。OLT位於根節點,藉由ODN與各個ONU相連,在下行方向,OLT提供針對被動光纖網路的光纖介面;在上行方向,OLT將提供Gigabit乙太網路(GE)連接。將來10Gbps的乙太網路技術標準定型後,OLT也將支援類似的高速介面。為了支援其它流行的協議,OLT還可支援ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的介面標準。OLT透過支援E1介面來實現傳統的TDM語音的接取,在EPON的統一網管方面,OLT是主要的控制中心,實現網路管理的主要功能。POS是被動光纖分支器,是一個連接OLT和ONU的被動設備。ONU放在用戶駐地側,接取用戶終端。

OLT和ONU之間可以靈活成立成樹形、環形、匯流排形以及混合型網路結構。

EPON網路層次模型

對於乙太網路技術而言,PON是一個新的媒質。802.3工作組定義了新的實體層,而對乙太網路MAC層以及MAC層以上則盡量做最小的改動,以支援新的應用和媒質。EPON的層次模型按照2003年1月發佈的IEEE 802.3ah Draft 1.3規定如下:

EPON系統透過一條共享光纖將多個DTE連接起來,其拓樸結構為不對稱的基於被動光分路器的樹形分支結構。MPCP就是使這種拓樸結構適用於乙太網路的一種控制機制。圖1:EPON的網路結構。

EPON作為EFM討論標準的一部份,設立在多點控制協議(MPCP)基礎上,該協議是MAC控制子層的一項功能。MPCP使用消息、狀態機和定時器來控制存取點到多點的拓樸結構。在點到多點拓樸中的每個ONU都包含一個MPCP的實體,用以和OLT中的MPCP的一個實體相互通訊。作為EPON/MPCP的基礎,EPON實現了一個點對點的模擬子層,該子層使得點到多點網路拓樸對於高層來說就是多個點對點鏈路的集合。該子層是透過在每個數據報的前面加上一個邏輯鏈路標識(LLD)來實現的,該LLID將替換前導碼中的兩個位元組。PON將拓樸結構中的根節點認為是主設備,即OLT,將位於邊緣部份的多個節點認為是從設備,即ONU。MPCP在點對多點的主從設備之間規定了一種控制機制,以協調數據有效地發送和接收。系統執行過程中上行方向在一個時刻只允許一個ONU發送,位於OLT的高層負責處理發送的定時和不同ONU的擁塞報告,以便最佳化PON系統內部的頻寬分配。EPON系統透過MPCPDU來實現OLT與ONU之間的頻寬請求、頻寬授權和測距等。

MPCP涉及的內容包括ONU發送時隙的分配,ONU的自動發現和加入,向高層報告擁塞情況以便動態分配頻寬。多點控制協議(MPCP)多點控制協議位於MAC控制子層。MAC控制子層向MAC子層的作業提供即時的控制和處理。圖2為EPON網路的層次模型結構。

EPON中的關鍵技術

1.系統同步

系統同步是指由於EPON上行採用多點到一點的拓樸結構,每個ONU發送時隙必須與OLT的系統分配的時隙保持一致,以防止各個ONU上行數據產生碰撞。ONU側的時脈應與OLT側的時脈同步。EPON時脈同步採用時間標籤方式。在OLT側有一個全局的計數器,在下行方向OLT根據本地的計數器插入時脈標籤,ONU根據收到的時脈標籤修正本地計數器,完成系統同步;在上行方向ONU根據本地的計數器插入時脈標籤,OLT根據收到的時脈標籤完成測距。

2.ONU的自動識別

ONU自動加入目的是透過系統的自動執行,不需人工干預就能完成對新ONU的發現和註冊,使新ONU能夠自動加入到EPON系統而不影響其它ONU執行。EFM對解決註冊衝突提出了兩種方案。

a.隨機延遲時間:產生註冊衝突時,產生衝突的ONU仍然每次都響應註冊授權,但是在響應開窗時隨機延遲一定時間(但必須保證ONU隨機延遲後的應答仍然可以落在開窗內)。採用隨機延遲時間的方法可以縮短ONU加入系統的時間,但是需要增大註冊開窗的長度,這樣會降低系統的頻寬利用率。

b.隨機跳過開窗:產生註冊衝突時,產生衝突的ONU隨機跳過若干個註冊授權後才重新響應。如果註冊授權的周期為1秒,那麼產生衝突的ONU可隨機延遲1∼8秒(系統可配置),然後繼續等待註冊授權。採用隨機跳過開窗的方法比隨機延遲需要多花一些時間,但是不需增大註冊開窗,不會影響系統的頻寬利用率。

3.EPON中TDM業務的傳輸

儘管數據業務的頻寬需求正快速成長,但現有的電路業務還有很大的市場,在短期內仍將發揮其巨大的作用,在今後幾年內仍是業務廠商的主要收入來源。所以在EPON系統中承載電路交換網路業務,將分組交換業務與電路交換業務結合有利於EPON的市場應用,並滿足不同業務的需要。因此現在大家談論的EPON實際都是考慮網路融合需求的多業務系統。EFM對TDM在EPON上如何承載,在技術上沒有作具體規定,但必須相容乙太網路訊框格式。如何保證TDM業務的品質實際上也就成為多業務EPON的關鍵技術之一。

4.EPON中資訊安全的考慮圖2:EPON的層次模型。

根據IEEE 802.3ah規定,EPON系統實體層傳輸的是標準的乙太網路訊框,對此,802.3ah標準中為每個連接設定LLID邏輯鏈路標識,每個ONU只能接收具有屬於自己的LLID的數據報,其餘的數據報丟棄不再轉發。實際上LLID主要是為了區分不同連接而設定,ONU側如果只是簡單根據LLID進行過濾很顯然還是不夠的。為此IEEE 802.3ah工作組從2002年下半年起召開了幾次會議,專門討論有關EPON的鏈路安全性問題,包括研究APON的G.983建議中的攪動機制和802.1x協議等,會議中另一個主要議題是關於安全性的問題:是單獨放在EPON中解決,還是放到整個802體系中解決?最終會議決訂單獨成立一個任務組,根據EPON的具體情況來負責整個802體系的安全性問題的研究和解決。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召開會議,將在盡量保證乙太網路體系架構的基礎上,結合802.1x、802.10等已有乙太網路關於安全性的協議,加強和完善EPON和其它乙太網路應用的安全性。

5.EPON中的乙太網路管理

對於乙太網路來說,第一英哩接取是一個全新的應用,要求一個完整的新的電信級管理。和傳統的區域網路不同,在第一英哩的終端用戶不是按照乙太網路業務提供者的要求而配置的,第一英哩包括局端設備和遠端設備。因此,局端設備必須有能力監測業務提供網路和用戶駐地網路之間的實體鏈路和設備的一些重要的資訊。EFM工作組已經決定提供的OAM功能包括:遠端錯誤指示、遠端環回和鏈路監視。OAM的消息通道採用長度/類型域為8809的慢協議訊框傳送OAM消息。

EPON的應用

10G乙太網路標準IEEE 802.3ae已經發佈,這意味著乙太網路可進入都會區域網路和廣域網路領域。而用於區域網路的10GBASE-T和10GBASE-CX4的補充標準也已經在2002年底啟動,如果接取網路也採用電信營運級的乙太網路技術EPON,將實現從區域網路、接取網路、都會區域網路到廣域網路全部是乙太網路的結構,可以大幅提高整個網路的執行效率。

EPON的特點適合應用於長距離高頻寬(20km,1.25G)、光纖的接取和傳輸、光纖化的ONU/ONT,非常適合於FTTB和FTTO模式(非常有利於光纖在大樓內的佈線和用戶擴充)。EPON系統能提供可調節的、具有優先級和頻寬保證的服務。

採用EPON技術減少了維護和供電需求,大樓內無需佔用機房和供電設備,支援遠端設備ONU/ONT的自動測距和自動加入,網路擴充方便,且局端設備和用戶端設備為統一網管,可以大幅降低廠商營運維護費用。

EPON是針對未來的技術,它是一個多業務平台,可以同時提供IP業務和傳統的TDM業務。可以完全保證QoS,而且完全遵循IEEE 802.3ah標準。這不但使廠商在同一套傳輸平台上就可以根據用戶的要求隨時開通所需要的多種業務,而且非常容易向全IP業務網路過渡。

此外,採用EPON技術頻寬分配更靈活,服務有保證。EPON可以透過DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實現用戶級的SLA,MS-EPON可以根據需要對每個用戶甚至每個埠實現基於連接的頻寬分配(區別於普通交換機的基於埠的速率限制),並可根據業務合約保證每個用戶連接的QoS。

作者:鄧羽、孫曙和、陳雪、劉冬


格林威爾科技發展有限公司




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