1、H3C EPON 技术白皮书H3C EPON 技术白皮书关键词： FTTH FTTB FTTx EPON 技术 白皮书摘 要：本文献是关于 EPON 技术的介绍说明型文档，目的在于说明 EPON 是一个什么技术、解决了什么问题。对 EPON 中的技术细节进行简单描述，可以帮助你了解 EPON 这种接入技术的特点。缩略语： 缩略语 英文全名 中文解释AON Active Optical Network 有源光网络CATV Cable TV 有线电视网CO Central office 中心局EPON Ethernet Passive Optical Network以太网无源光网络FCS Fram
2、e Check Sequence 前向纠错FE Fast Ethernet 快速以太网FTTB Fiber To The Building 光纤到大楼FTTC Fiber To The Curb 光纤到路边FTTH Fiber To The Home 光纤到户GE Gigabit Ethernet 千兆以太网GEPON Gigabit Ethernet Passive Optical Network千兆以太网无源光网络EPON Ethernet Passive Optical Network以太网无源光网络GMII Gigabit Media Independent Interface千兆比特
3、媒体独立接口GRE Generic Routing Encapsulation通用路由封装IPG Inter-Packet Gap 包间隔ITU-T International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector国际电信联盟-电信标准部LLID Logical Link Identifier 逻辑链路标识MAC Medium Access Control 介质访问控制MDI Media Dependent Interface 媒体相关接口MIB Management Information Base
4、管理信息库MPCP Multiple point control 点到多点控制协议缩略语 英文全名 中文解释protocolNIU Network interface unit 网络接口单元OAM Operation, administration and maintenance 操作、管理、维护ODN Optical Distribution Network 光分配网OLT Optical Line Terminal 光线路终端ONT Optical Network Terminator 光网络终端ONU Optical Network Unit 光网络单元PCS Physical Code
5、 Sublayer 物理编码子层PMA Physical Medium Attachment 物理媒体附加（子层）PMD Physical Medium Dependent 物理媒体相关（子层）PON Passive optical Network 无源光网络POS Passive optical splitter 无源分光器PPP Point-to-Point Protocol 点到点协议；一种在点到点链路上传输多种协议（网络层协议）数据报文的链路层协议QoS Quality of Service 服务质量；指报文传送的吞吐量、时延、时延抖动、丢失率等性能RADIUS Remote Auth
6、entication Dial In User Service远程验证用户拨入服务RTT Round Trip Time 往返时间SLD Start of LLID Delimiter LLID 定界符SNMP Simple Network Management Protocol简单网络管理协议SONET/SDH Synchronous Optical Network /Synchronous Digital Hierarchy同步光纤网/同步数字等级TDM Time Division Multiplex 时分复用目 录1 EPON 技术介绍1.1 PON 技术发展1.2 EPON 的基本原理
7、1.3 EPON 的技术优点1.4 EPON 的传输原理2 EPON 协议和关键技术介绍2.1 EPON 协议栈介绍2.1.1 EPON 的层次模型2.1.2 MPCP 子层2.1.3 EPON 的物理层（RS 子层、PCS 子层、PMA 子层、PDM 子层）2.2 EPON 关键技术2.2.1 EPON 数据链路层的关键技术2.2.2 EPON 的 QoS 问题1 EPON 技术介绍1.1 PON 技术发展光纤接入从技术上可分为两大类：有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络(PON，Passive Optical Network)。年，实验室首先发明了
8、技术；PON 是一种纯介质网络，由于消除了局端与客户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。PON 的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于 PON 的实用技术主要有 APON/BPON、GPON、EPON/GEPON 等几种，其主要差异在于采用了不同的二层技术。图 1 PON 的两个主要标准体系APON 是上世纪 90 年代中期就被 ITU 和全业务接入网论坛（FSAN）标准化的 PON技术，FSAN 在 2001 年底又将 APON 更名为 BPON，APON
9、 的最高速率为 622Mbps，二层采用的是 ATM 封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载 IP 业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。为更好适应 IP 业务，第一英里以太网联盟（EFMA）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，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。对于 Gbps 速率的 EPON 系统也常被称为GEPON。100M
10、 的 EPON 与 1G 的 EPON 的不同在速率上的差异，在其中所包含的原理和技术，是一致的，目前业界主要推广的是 GEPON，百兆位的 EPON 也有不多的一些应用。在后面文档中提到的 EPON，如果没有特别说明，都是指千兆位的GEPON。EPON 是几种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，在以太网上提供多种业务。目前，IP/Ethernet 应用占到整个局域网通信的 95%以上，EPON 由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10Gbps 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公
11、里的解决方案。在一个 EPON 中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON 使用 1000BASE的以太 PHY，同时在 PON 的传输机制上，通过新增加的 MAC 控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的 TDM通信，在协议的第二层，EPON 采用成熟的全双工以太技术，使用 TDM，由于ONU 在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需 CDMA/CD，从而充分利用带宽。另外，EPON 通过在 MAC 层中实现 802.1p 来提供与 APON/GPON 类似的Qo
12、S。在 EFMA 提出 EPON 概念的同时，FSAN 又提出了 GPON，FSAN 与 ITU 对其进行了标准化，其技术特色是在二层采用 ITU-T 定义的 GFP（通用成帧规程）对Ethernet、TDM、ATM 等多种业务进行封装映射，能提供 1.25Gbps 和 2.5Gbps下行速率，和 155M、622M、1.25Gbps、2.5Gbps 几种上行速率，并具有较强的OAM 功能。如果不考虑 EPON 可以看得到的不久将提升到 10Gbps 速率（10G 以太网已经成熟），当前在高速率和支持多业务方面，GPON 有优势，但技术的复杂和成本目前要高于 EPON，产品的成熟性也逊于 EP
13、ON。光纤接入从 90 年代初就走上了舞台，总的说来是一种“说得多，做得少”的技术。PON 系统无疑是其中佼佼者，EPON 与 GPON，两种技术各有千秋，无论是EPON 技术还是 GPON 技术，其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求，而价格则是最核心因素，ADSL 的发展就充分证明了这一点。实现全光纤的 FTTH 是宽带接入的发展方向，但是实现全部的光纤接入，需要一个过程。设备、光纤、工程成本和应用的业务需求，都是其广泛推广与使用的关键因素。第一步从 FTTB 开始，充分利用 PON 的技术，和现有的以太网的优势（成本底、使用广），然后逐步过渡到 FTTH 是一条比较合理
14、的选择。1.2 EPON 的基本原理与其它 PON 技术一样，EPON 技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。图 2 图 3 EPON 原理EPON 的系统结构如图 2 所示。 一个典型的 Ethernet over PON 系统由OLT、ONU、POS 组成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit）放在用户设备端附近或与其合为一体。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，
15、并集中上行数据。EPON 中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加 1550nm 的波长，来传递模拟电视信号）。OLT 既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（PON 接口）。根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT 上将提供多个 1 Gbps 和 10Gbps 的以太接口，可以支持 WDM 传输。OLT 还支持ATM、FR 以及 OC31248192 等速率的 SONET 的连接。如果需要支持传统的TDM 话音，普通电话线（POTS）和其他类型的 TDM 通信（T1E1）
16、可以被复用连接到出接口，OLT 除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoSSLA 的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。OLT 根据需要可以配置多块 OLC（Optical Line Card），OLC 与多个 ONU 通过 POS（无源分光器）连接，POS 是一个简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个 POS 的分光比为 8、16、32、64，并可以多级连接，一个 OLT PON 端口下最多可以连接的 ONU 数量与设备密切相关，一般是固定的。在 EPON 中系统，OLT 到 ONU 间的距离最大可达 20km。在下行方向，IP 数据、语音、视频等多种业
17、务由位于中心局的 OLT，采用广播方式，通过 ODN 中的 1：N 无源分光器分配到 PON 上的所有 ONU 单元。在上行方向，来自各个 ONU 的多种业务信息互不干扰地通过 ODN 中的 1：N 无源分光器耦合到同一根光纤，最终送到位于局端 OLT 接收端。根据 ONU 在所处位置的不同，EPON 的应用模式又可分为 FTTC（光纤到路边）、FTTB（光纤到大楼）、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。在 FTTC 结构中，ONU 放置在路边或电线杆的分线盒边，从 ONU 到各个用户之间采用双绞线铜缆；传送宽带图像业务，则采用同轴电缆。FTTC 的主要特点之一是到用户家
18、里面部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。从目前来看，FTTC 在提供 2 Mbps 以下窄带业务时是 OAN（称光纤接入网）中最现实、最经济的方案，但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。在 FTTB 结构中，ONU 被直接放到楼内， 光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN，即 FTTB+ADSL、FTTB+Cable 和 FTTB+LAN 等方式接入用户家中。FTTB 与 FTTC 相比，光纤化程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。 FTTO 和 FTTH 结构均在路边设置无源分光器，并将 ONU 移至用户的办公室或家中
19、，是真正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。1.3 EPON 的技术优点 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 1.25Gbp
20、s 的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到 10Gbps。 服务范围大，EPON 作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。 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。EPON 可以通过 DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED 等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的 QoS。1.4 EPON 的传输原理 EPON 与 APON 最大的区别是 EPON 根据 IEEE802.3 协议，包长可变至 1518 字节传送数据，而 APON 根据 ATM 协议，按照固定长度 53 个字节包来传送数据，其中 48
21、个字节负荷，5 个字节开销。这种差别意味着 APON 运载 IP 协议的数据效率低且困难。用 APON 传送 IP 业务，数据包被分成每 48 个字节一组，然后在每一组前附加上 5 个字节开销。这个过程耗时且复杂，也给 OLT 和 ONU 增加了额外的成本。此外，每一 48 个字节段就要浪费 5 个字节，造成沉重的开销，即所谓的 ATM 包的税头。相反，以太网传送 IP 流量，相对于 ATM 开销急剧下降。 EPON 从 OLT 到多个 ONU 下行传输数据和从多个 ONU 到 OLT 上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技术分别如图 3 所示：当 OLT 启动后，它会周期性的在
22、本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU 上电后，根据 OLT 广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT 通过对 ONU 的认证（本过程可选），允许 ONU 接入，并给请求注册的 ONU 分配一个本 OLT 端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。图 4 上下行传输原理数据从 OLT 到多个 ONU 以广播式下行（时分复用技术 TDM），根据 IEEE802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定 ONU 的逻辑链路标识（LLID），该标识表明本数据帧是给 ONU（ONU1、ONU2、ONU3.ONUn）中的唯一一个。另外，部分数据帧可以是给所有的 ONU（广播式）或者特
23、殊的一组 ONU（组播），在图 3 的组网结构下，在分光器处，流量分成独立的三组信号，每一组载到所有 ONU 的信号。当数据信号到达 ONU 时，ONU 根据 LLID，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它 ONU 的数据帧。举例，图 3 中，ONU1 收到包 1、2、3，但是它仅仅发送包 1 给终端用户 1，摒弃包 2 和包 3。对于上行，采用时分多址接入技术（TDMA）分时隙给 ONU 传输上行流量。当ONU 在注册时成功后，OLT 会根据系统的配置，给 ONU 分配特定的带宽，（在采用动态带宽调整时，OLT 会根据指定的带宽分配策略和各个 ONU 的状态报告，动态的给每
24、一个 ONU 分配带宽，动态带宽调整的进一步说明见后面章节）。带宽对于 PON 层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为 16ns。在一个 OLT 端口（PON 端口）下面，所有的 ONU 与 OLT PON 端口之间时钟是严格同步的，每一个 ONU 只能够在 OLT 给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿，确保多个 ONU 的数据信号耦合到一根光纤时，各个 ONU 的上行包不会互相干扰。 对于安全性的考虑。上行方向，ONU 不能直接接收到其它 ONU 上行的信号，所以 ONU 之间的通信，都必须通过 OLT，在 OLT 可以
25、设置允许和禁止 ONU 之间的通信，在缺省状态下是禁止的，所以安全方面不存在问题。对于下行方向，由于 EPON 网络，下行是采用广播方式传输数据，为了保障信息的安全，从几个方面进行保障： 所有的 ONU 接入的时候，系统可以对 ONU 进行认证，认证信息，可以是ONU 的一个唯一标识（如 MAC 地址或者是预先写入 ONU 的一个序列号），只有通过认证的 ONU，系统才允许其接入。 对于给特定 ONU 的数据帧，其它的 ONU 在物理层上，也会收到数据，在收到数据帧后，首先会比较 LLID（处于数据帧的头部）是不是自己的，如果不是，就直接丢弃，数据不会上二层，这是在芯片层实现的功能，对于 ON
26、U 的上层用户，如果想窃听到其它 ONU 的信息，除非自己去修改芯片的实现。 加密，对于每一对 ONU 与 OLT 之间，可以启用 128 位的 AES 加密。各个ONU 的密钥是不同的。 VLAN 隔离：通过 VLAN 方式，将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的 VLAN，保障相互之间的信息隔离。2 EPON 协议和关键技术介绍2.1 EPON 协议栈介绍2.1.1 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 的层次模型如下： 图 5 EP
27、ON 的层次模型2.1.2 MPCP 子层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分光器的树形分支结构。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，建立在 MPCP（Muti-Point Control Protocol 多点控制协议）基础上，该协议是 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。作为 EPO
28、N/MPCP 的基础，EPON 实现了一个 P2P 仿真子层，该子层使得 P2MP 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 LLD（Logical Link Identification）逻辑链路标识来实现的。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 MPC PDU 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和处理。
