1、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
2、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
3、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E
4、PON 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 研究小組,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
5、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
6、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。 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
7、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
8、,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
9、 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
10、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
11、期为 1 秒,那么发生冲突的 ONU 可随机延时 18 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 VSPACE=12 HSPACE=“12“ ALT=“图 2:EPON的层次模型。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
12、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
13、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,
14、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
15、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
16、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。