基于以太网的无源光网络技术应用

基于以太网的无源光网络(EPON)是一个点到多点的光接入网,采用低成本、高性能的以太网芯片为终端用户提供可靠的数据、话音以及视频业务,其所能提供的带宽远大于现有接入技术。本文主要介绍了EPON技术的分类、发展现状、网络结构、层次模型,以及关键技术和应用。

无源光网络(PON)自从在20世纪80年代被采用至今为止已经历经几个发展阶段,电信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术,使PON解决方案能更好地满足接入网市场要求。PON标准最初基于ATM ,并由ITU/FSAN定义了相应G.983建议,即APON。目前则有两个颇为引人注目的新的PON标准正在制定中,其中一个是由ITU/FSAN负责制定用来替换APON标准的Gigabit PON(GPON)标准,另一个是由IEEE 802.3ah工作组负责制定的Ethernet PON(EPON)标准。

APON是由FSAN/ITU定义,以ATM协议为载体,下行以155.52Mbps或622.08Mbps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,用以支持突发发送和接收。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,并采用搅动策略作为实现下行数据加密的安全机制。

在2000年12月,IEEE802.3成立了第一英里以太网-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750米的距离上传送速率为10Mbps；点到点光纤上的以太网,在最长10km上传送速率可以达到1000Mbps；点到多点基于光纤的以太网,在最长10km上传送速率可以达到1000Mbps。此外,该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护(OAM),使其具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。

EPON的发展现状

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/以太网应用占到整个局域网通信的95%以上,EPON由于使用上述的经济和高效结构,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。

目前接入网现有的解决方案和用户的需求之间还存在着巨大差异。在用户侧的本地网络已经普遍拥有了支持10M和100M速率的能力,在城域网侧已经可以支持千兆和万兆的速率,但在用户侧和城域网之间数据的传送却大部分低于1M甚至只有几十K的速率。接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈,为了突出接入网的优先地位与重要性,IEEE 802.3工作组在2000年11月成立了EFM研究小?M,于2001年7月开始制定IEEE 802.3ah EFM标准,2003年9月将完成EFM的标准制订。

EPON网络结构

图1为典型的EPON网络结构。一套典型的EPON 系统由局端设备(OLT)、远端设备(ONU)/ONT和POS组成。OLT位于根节点,通过ODN与各个ONU相连,在下行方向,OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向,OLT将提供千兆以太网(GE)连接。将来10Gbps的以太网技术标准定型后,OLT也将支持类似的高速接口。为了支持其它流行的协议,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。POS是无源光纤分支器,是一个连接OLT和ONU的无源设备。ONU放在用户驻地侧,接入用户终端。

OLT和ONU之间可以灵活组建成树形、环形、总线形以及混合型网络结构。

EPON网络层次模型

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:

EPON系统通过一条共享光纤将多个DTE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。多点控制协议(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基础上,该协议是MAC 控制子层的一项功能。MPCP使用消息、状态机和定时器来控制访问点到多点的拓扑结构。在点到多点拓扑中的每个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实现了一个点到点的仿真子层,该子层使得点到多点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报的前面加上一个逻辑链路标识(LLD)来实现的,该LLID将替换前导码中的两个字节。PON将拓扑结构中的根节点认为是主设备,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,以协调数据有效地发送和接收。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和不同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MPCPDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权和测距等。

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。多点控制协议(MPCP)多点控制协议位于MAC控制子层。MAC控制子层向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。图2为EPON网络的层次模型结构。

EPON中的关键技术

1. 系统同步

系统同步是指由于EPON上行采用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,在下行方向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计数器,完成系统同步；在上行方向ONU根据本地的计数器插入时钟标签,OLT根据收到的时钟标签完成测距。

2. ONU的自动识别

ONU自动加入目的是通过系统的自动运行,不需人工干预就能完成对新ONU的发现和注册,使新ONU能够自动加入到EPON系统而不影响其它ONU运行。EFM对解决注册冲突提出了两种方案。

a. 随机延迟时间:发生注册冲突时,发生冲突的ONU仍然每次都响应注册授权,但是在响应开窗时随机延迟一定时间(但必须保证ONU随机延迟后的应答仍然可以落在开窗内)。采用随机延迟时间的方法可以缩短ONU加入系统的时间,但是需要增大注册开窗的长度,这样会降低系统的带宽利用率。

b. 随机跳过开窗:发生注册冲突时,发生冲突的ONU随机跳过若干个注册授权后才重新响应。如果注册授权的周期为1秒,那么发生冲突的ONU可随机延时1～8秒(系统可配置),然后继续等待注册授权。采用随机跳过开窗的方法比随机延迟需要多花一些时间,但是不需增大注册开窗,不会影响系统的带宽利用率。

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,但现有的电路业务还有很大的市场,在短期内仍将发挥其巨大的作用,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,并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,但必须兼容以太网帧格式。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。

4. EPON中信息安全的考虑

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。实际上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IEEE 802.3ah工作组从2002年下半年起召开了几次会议,专门讨论有关EPON的链路安全性问题,包括研究APON的G.983建议中的搅动机制和802.1x协议等,会议中另一个主要议题是关于安全性的问题:是单独放在EPON中解决,还是放到整个802体系中解决？最终会议决定单独成立一个任务组,根据EPON的具体情况来负责整个802体系的安全性问题的研究和解决。2003年1月份以原EPON安全小组的主要成员为主的新的工作组已经召开会议,将在尽量保证以太网体系架构的基础上,结合802.1x、802.10等已有以太网关于安全性的协议,加强和完善EPON和其它以太网应用的安全性。

5. EPON中的以太网管理

对于以太网来说,第一英里接入是一个全新的应用,要求一个完整的新的电信级管理。和传统的局域网不同,在第一英里的终端用户不是按照以太网业务提供者的要求而配置的,第一英里包括局端设备和远端设备。因此,局端设备必须有能力监测业务提供网络和用户驻地网之间的物理链路和设备的一些重要的信息。EFM工作组已经决定提供的OAM功能包括:远端错误指示、远端环回和链路监视。OAM的消息通道采用长度/类型域为8809的慢协议帧传送OAM消息。

EPON的应用

10G以太网标准IEEE 802.3ae已经发布,这意味着以太网可进入城域网和广域网领域。而用于局域网的10GBASE-T和10GBASE-CX4的补充标准也已经在2002年底启动,如果接入网也采用电信运营级的以太网技术EPON,将实现从局域网、接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构,可以大大提高整个网络的运行效率。

EPON的特点适合应用于长距离高带宽(20km,1.25G)、光纤的接入和传输、光纤化的ONU/ONT,非常适合于FTTB和FTTO模式(非常有利于光纤在大楼内的布线和用户扩容)。EPON系统能提供可调节的、具有优先级和带宽保证的服务。

采用EPON技术减少了维护和供电需求,大楼内无需占用机房和供电设施,支持远端设备ONU/ONT的自动测距和自动加入,网络扩容方便,且局端设备和用户端设备为统一网管,可以大大降低运营商运营维护费用。

EPON是面向未来的技术,它是一个多业务平台,可以同时提供IP业务和传统的TDM业务。可以完全保证QoS,而且完全遵循IEEE 802.3ah标准。这不但使运营商在同一套传输平台上就可以根据用户的要求随时开通所需要的多种业务,而且非常容易向全IP业务网络过渡。

此外,采用EPON技术带宽分配更灵活,服务有保证。EPON可以通过DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现用户级的SLA,MS-EPON可以根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配(区别于普通交换机的基于端口的速率限制),并可根据业务合约保证每个用户连接的QoS。

作者:邓羽、孙曙和、陈雪、刘冬

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