1、EPON 宽带接入技术探讨摘要：EPON 是一种结合了 Ethernet 和 PON 的宽带接入技术，简单易用，安装方便，运用广泛，但是一直也存在一些问题，特别是在大规模使用时这些问题更加明显。在最耗费资金和精力，也是最具有竞争价值的用户接入网部分需要进行优化，EPON 宽带综合接入技术或许是某种解决之道。EPON 的点对多点以及带宽共享方式解决了接入光纤不合理占用和带宽利用率不均的问题。 关键词： EPON 宽带接入技术 中图分类号：TM935.31 文献标识码： A 0 引言 无源光网络（PON）的概念由来已久，它具有节省光纤资源、对网络协议透明的的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色
2、。同时，以太网（Ethernet）技术经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网，并在事实上被证明是承载 IP 数据包的最佳载体。随着 IP 业务在城域网和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入网、城域网甚至骨干网上渗透。而以太网与 PON 的结合，便产生了以太网无源光网络（EPON） 。它同时具备了以太网和 PON 的优点，正成为光接入网领域中的热门技术。 1 EPON 简介 EPON（Ethernet Passive Optical Network）是 PON 技术中最新的一种，由 IEEE802.3 EFM（E
3、thernet for the First Mile）提出。EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和 TDM 时分 MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。 EPON 在标准方面处于正在完善阶段。IEEE 802.3ah 工作小组从 2000年 11 月就开始进行 EPON 的标准化工作。大约有 70 个公司加入了这个工作小组，包括 Cisco、Nortel、Worldcom、SBC、Verizon、Salira、 Broadcom、Agere、Intel、BroadLight、Alcatel 等。
4、EPON 是一种结合了 Ethernet 和 PON 的宽带接入技术。众所周知，Ethernet 简单易用，安装方便，运用广泛，但是一直也存在一些问题，特别是在大规模使用时这些问题更加明显。因此通信业界推出了一系列的解决方案，包括 EPON、RPR（Resilient Packet Ring） 、MSTP（Multi Service Transport Protocol）等。 2 EPON 的网络结构 从某种意义上说，EPON 是一种宽带综合接入技术。EPON 的网络结构：一套典型的 EPON 系统由 OLT,ONU,POS 组成。 2.1 OLT（Optical Line Terminal
5、OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房（CO，Central Office） ，它可以是一个 L2 交换机或者 L3 路由器。在下行方向，它提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向，OLT 将提供了 GE（Gigabit Ethernet） 。将来 10Gbit/s 的以太网技术标准定型后，OLT 也会支持类似的高速接口，为了支持其他流行的协议，OLT 还支持 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
6、，实现网络管理的五大功能。如通过在 OLT 上通过定义用户带宽参数来控制用户业务质量、通过编写访问控制列表来实现网络安全控制、通过读取 MIB 库获取系统状态以及用户状态信息等，还能提供有效的用户隔离。 2.2 ONU（Optical Network Unit） ONU（Optical Network Unit）放在用户驻地侧 CPE（Custom Premier Equipment） ，EPON 中的 ONU 主要采用以太网协议。在中带宽和高带宽的 ONU 中实现了成本低廉的以太网第二层交换甚至是第三层路由功能。这种类型的 ONU 可以通过堆叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。由于使用以太
7、网协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现 ONU 对用户数据的透明传送。从 OLT 到 ONU 之间可以实现高速的数据转发。 2.3 POS（Passive Optical Splitter） POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分支器，是一个连接OLT 和 ONU 的无源设备。它的功能是分发下行数据和集中上行数据。无源分光器的部署相当灵活。由于是无源操作，几乎可以适应于所有环境。一般一个 POS 的分线率为 8，16，并可以进行多级连接。 3 EPON 的原理 EPON 技术是一种宽带综合接入技术。它延用了以太网和 TDM 的一些特性。 3.1 从网络
8、分层协议上来看 EPON 属于 L2 的协议。 3.2 从物理层上看 EPON 从电气特性、机械特性、规程特性、功能特性等四大功能基本上采纳了 Ethernet 的标准，确切的说，应该是 GE 的标准。由于 EPON 属于宽带接入技术，如果还是采用 Ethernet 或者 FE（Fast Ethernet）来作为物理层标准，那么带宽将成为 EPON 的瓶颈，即便是采用 8FE 端口捆绑技术达到 800Mbit/s 的带宽。因此在物理层 EPON 基本上沿用了 GE 的标准，包含 PHY（Physical Layer Protocol）和 PMD（Physical Medium Dependen
9、ce Protocol）两大子层功能。这里需要指出的是 GE 的 PMD 标准中总共有 LH（Long Haul） 、LX（Long Distance）和 SX（Short Distance）共三种。由于 SX 的驱动距离比较短，因此在 EPON 里主要是采用了 LH 和 LX 的 PMD 标准。 3.3 从数据链路层看 该层分为 LLC（Link Layer Control Protocol）和 MAC 两大部分。LLC 主要体现为 802.2 ，后者在 802 的标准中有 802.3（CSMA/CD） 、802.4（Token Bus） 、802.5（Token Ring）等。 EPON
10、在数据链路层上，采用了基于 TDM 思想的全新控制协议。 通过对时间进行分片，然后将不同的时间片指定给不同的 ONU 设备来使用，从而避免数据传输过程中棘手的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。 EPON 在 MAC 层中实现 802.1P 来提供与 APON 类似的 QoS。EPON 就是通过这些简单成熟的协议来提供声音、视频和数据服务，控制和优化各ONU 与 OLT 之间突发性数据通信和实时的话音通信。 从上面的描述可以看出，EPON 具备一系列优越的特性，比如有效的带宽控制、优先权处理、点对多点组网。 4 EPON 的特点 4.1 EPON 采用了基于 TDM 时间片原理的分片分级分配的方式
11、. 可以非常灵活地将不同的网络带宽赋予不同的 ONU 设备，达到有效控制用户带宽的效果。在带宽的颗粒度上可以达到 64kbit/s 这样的地步，从而实现精细的带宽控制，而这种带宽控制功能是 Ethernet 所不具备的。目前在带宽控制功能上一般需要在路由器或者宽带接入服务器上才可以实现，而 EPON 带宽控制功能将为网络管理、网络优化、用户配置等带来有效的管理。 4.2 EPON 采用了 802.1P 的标准进行优先权控制 802.1P 规定了一个 3bits 的字段，统一在 802.1Q 的标准进行描述。在 802.1Q 的标准中，规定了一个 4 个字节的标签，包含了 2 个字节的标签协议标
12、识（TPID-Tag Protocol Identifier，它的值是 8100） ，和两个字节的标签控制信息（TCI-Tag Control Information） ，TPID 是 IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了 802.1Q 标签的报文。TCI 中规定了三个字段，为 3bits 的 Priority、1bit 的 CFI（Canonical Format Indicator）和 12bits 的 VLAN Identified( VLAN ID )。其中 3bits 的Priority 字段可以设置 8 个优先级别。 4.3 EPON-OLT 可以通过网管对不同的数据流打上不同
13、的优先权级别标签 当 OLT 或者 ONU 出现数据拥塞时，可以让优先权级别高的数据流先通过，从而保证级别高的数据优先传送。 这种带宽控制和优先权控制的有效范围在于 EPON 设备内部，即从ONU 到 OLT 之间、ONU 之间可以实现端到端的带宽控制和优先权控制。如果超出 EPON 的工作范围，需要借助其他的控制手段才能实现，比如带宽控制需要通过 QoS 转换，而优先权控制需要通过标签转换来分别完成。 4.4 EOPN 引入了无源分光器 POS 通过在 OLT 和 ONU 之间引入了无源分光器 POS，从而实现了点对多点的通信方式，实现了一个端口可以支持多个 ONU、最小化占用 OLT 端口
14、资源、节省了中间段的光电/电光转换、上行带宽共享、节省工程投资等，可以解决传统的网络系统中点对点组网方式带来的种种问题。 POS 采用了光波分路和光波耦合原理，实现了下行广播分发和上行时分汇聚的无源操作。对于从 OLT 到达 ONU 的下行数据，POS 通过实现下行光波分光从而实现下行数据拷贝和广播分发；对于从 ONU 到达 OLT 的上行数据，无源分光器只是通过将上行的各路光波耦合在一起，从而实现将上行的各路数据简单汇聚。由于各个 ONU 使用的时隙各不相同，因此不会出现由于上行数据冲突导致数据传送出错。 由于无源分光器是一种无源的光学设备，在驱动距离上主要是由 OLT和 ONU 来决定，同
15、时无源分光器在进行光波分路和光波耦合时，都会造成或多或少的光学损耗。目前 OLT 和 ONU 之间的最大距离为 20 公里。当然，如果采用有源的光路放大器，OLT 和 ONU 之间的传输距离可以更长。 从 EPON 的总体来看，这是一种优秀的宽带技术，集中当前众多网络技术优点，同时克服了 Ethernet 的固有缺点，提供了强大的网管功能，是一种准电信级别的技术。唯一美中不足的是标准尚未定型。 5 EPON 的部署 从目前的网络情况来看，网络的建设基本上是分立的、纵向的，即每一种业务都有一整套网络来支撑。比如电话网，由于业务安全要求性很高，而且交换机之间的连接端口单元一般是基于 E1，因此交换
16、机之间一般采用 SDH 网络进行传输；对于数据网，无论是 DDN、FR、ATM、城域网等，在每一种数据交换节点之间一般都有一套电路进行传送，或者采用 SDH，或者采用裸光纤，或者采用铜缆等。从网络的管理、业务的综合、设备维护、网络扩容等方面来看，这种分立纵向的网络是需要进行优化的。 比如在 A/B 两地，A 为 CO（Central Office） ，B 为 CPE（Custom Premier Equipment） ，假设在 B 地的同一个机房内放置 ATM 节点、DDN 节点、FR 节点以及城域网节点设备，那么 A/B 两地之间需要架设 4 对相同局向的单模光纤，1 对为 ATM 节点所用
17、，1 对为 DDN 节点所用，1 对为 FR节点所用，1 对为城域网节点所用，再考虑 1:2 冗余备份，需要增加 2 对光纤，那么这一个 B 地就需要占用 6 对单模光纤。 在这种情况下，AB 两地扩容的条件是（ATM 流量 ATM 端口速率）或（DDN 流量DDN 端口速率）或（FR 流量FR 端口速率）或（城域网流量端口速率） 。可以看出 AB 两地的扩容是很容易触发的。 如果在实际使用过程中，城域网的接入需求量很大，导致 B 地的城域网节点设备上行带宽不够，那么要不就升级上行的数据接口，比如从100Mbit/s 升级为 GE，同时 A 地需要有相应的 GE 端口进行对接，此时 AB两地的
18、光纤链路无需进行扩容；要不就在 AB 两地的光纤链路进行扩容，同时在 AB 两地还需要配置相应的数据端口，从而将 AB 两地的带宽扩大。而 DDN、FR 等其他节点的实际带宽占用率比较低，导致这些上行光纤的利用率很低。从总体上来看，AB 两地的总流量根本没有超过 AB 两地的传输容量，但是由于部分业务的问题，导致 AB 两地需要进行扩容。从带宽的利用率上看，有可能在某些链路上数据传送饱和，而某些链路上数据传送利用率很低，从而造成流量分布不均匀，链路带宽利用率不合理。这样一种没有充分平滑网络带宽的情况所导致的 AB 两地的不合理扩容将造成在整个网络建设中投资最大，难度最大的接入光纤部分的严重占用
19、和浪费，占用了这些光纤将会影响以后其他业务的开展，而且升级扩容会影响业务的正常提供，严重时还会中断服务，影响终端用户的正常使用。 解决这种情况最好的办法就是采用宽带综合接入技术。 EPON 的点对多点以及带宽共享方式解决了接入光纤不合理占用和带宽利用率不均的问题。在 AB 两地之间采用了 EPON 技术之后，那么 AB 两地需要进行扩容的唯一条件就是 AB 两地的流量总和（ATM 流量+DDN 流量+FR 流量+城域网流量）AB 两地的传输带宽总和。这个条件的触发几率远比上述的情况小得多。 结语： 从目前的传输光网的组网方式来看，EPON 的实际部署需要进行细心斟酌。 从目前的各大电信运营商的
20、传输光网来看，光纤主要布放在各个中心局点之间以及中心局点和用户端设备机房之间。整个光网的组织具有很强的规整性，即为一种 HUB-SPOKE 的网络结构，任何两个用户端设备机房之间的连接都需要经由中心局点进行路由。 大量的用户端设备几乎都放置在设备机房中。比如在一个用户端机房，可能放置了交换远端模块、接入网模块、城域网设备、ATM 设备、DSLAM 设备、DDN 节点、FR 节点等。 从这种规整的光网来看，EPON 中的 OLT 无疑放在局端，而 ONU 将放置在用户端的设备机房中， POS 的位置从实际情况来看，其实也是放置在用户端设备机房里。在这种空调以及电力条件具备的情况下，可能采用有源分光器的机会将大于 POS，而且是一些具备更大的交换容量、更大的上行带宽和更多的分线比的有源分光器，这样可以实现更大的覆盖范围，充分发挥 EPON 的优点。 参考文献： 1胡保民，刘德明，黄德修 EPON：下一代宽带光接入网J 光通信研究 ，2002,(4) 2张晋豫,刘犁.基于效用 EPON 分布式动态带宽分配实现机制J. 软件学报. 2008 3符丽姹. 下一代光接入网关键技术J. 科技创新导报.2008(02)
