毕业设计（论文）-EPON网络中一种服务区分机制的算法研究.doc

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）摘 要近年来，随着科学技术的发展，通信骨干网络和局域网产生了巨大的变化。“最后一公里”的接入网部分已经逐渐成为通信骨干网络和高速局域网之间的瓶颈。在电信市场竞争日渐激烈的今天，传统的宽带接入已经不能满足广大用户的带宽需求。以太无源光网络，即epon( ethernet passive optical network )是无源光网络技术与以太网的结合。它具有兼容性能好、易扩展、低成本等等优点。因此，epon被广泛的看作是下一代接入网最重要的选择之一。为了满足新应用对服务质量的要求，需要新的服务方式，也就是说需要引入新的互联网服务模式和一些能够支持qos的机制。不同的上行带宽分配算法对于epon的服务质量的影响各不相同。动态分配技术是决定epon网络性能的关键因素之一。本文首先对接入网的基本原理进行了一个简单的阐述。然后，在接入网的基础之上引入了epon。最后，详细的介绍了epon系统中的动态带宽分配算法（dba）以及服务区分机制的概念。并由此引出了epon中一种支持qos的dba。另外，文章还对epon的onu自动发现、onu测距和动态带宽分配等关键技术进行了简单的介绍。在实际应用中，网络的服务质量对网络的运营来说至关重要。本文结合对经典的epon动态带宽分配算法的研究，通过利用visual c+仿真工具，得出了服务区分机制对epon网络性能的影响。【关键词】epon 动态带宽分配算法 服务质量abstractin recent years, with the development of technology, the telecommunication backbone netwok and the local netwok has changed a lot. the access network has become a bottle neck between high-capacity local network and the backbone netwok. with the increasing competition of the telecommunication market, the tradition accessed broadband can not adapt to the bandwidth needs of users.ethernet passive optical network(epon，ethernet passive optical network ) combines the passive optical network with the ethernet technology. it has many merits such as good compatibility features, easy expansion, low-cost and so on. thus, epon was considered as one of the most important choice of the next generation access network. to meet the need of multimedia applications particular qos control mechanism and new internet service mode should be introduced.different upward bandwith location algorithm has different impact on the qos(quality of service) of epon. the key of epon is dynamic bandwidth allocate (dba). on the basis of access network which is stated in this article first，epon is brought in. in the end,we have a detailed discuss on the dynamic bandwidth allocate and diffserv in epon system,and by which a dba supporting of qos is introduced.the paper also made a simple introduction to the epon primary technology, such as onu auto discovery, onu distance detect, dynamic bandthwidth allocation. in reality, the quality of service is very important to the operation of network. though the analysis of dba algorithm and the visual c+ simulation, the paper educed the impact of diffserv(differentiated service) to the epon.【key words】epon dba algorithm quality of sercice 目 录前 言1第一章 绪 论2第一节 接入网技术2一、接入网概述2二、接入网的定义与定界3三、接入网的功能模型4四、接入网主要类型5第二节 光接入网技术6一、产生背景6二、功能配置6三、拓扑结构7四、实际应用8第三节 无源光网络9一、无源光网络发展9二、无源光网络（pon）11第四节 本章小结14第二章 epon系统概述15第一节 epon的系统组成15一、光线路终端（optical line terminal）17二、光分配网络（optical distribution network）19三、光网络单元（optical network unit）19第二节 epon的工作原理21一、epon下行数据传输原理21二、epon上行数据传输原理22三、epon传输帧结构23四、多点控制协议（mpcp）25第三节 epon的关键技术26一、onu的自动发现26二、onu测距27三、系统同步28四、动态带宽分配29第四节 本章小结30第三章 动态带宽分配算法及仿真31第一节 动态带宽分配算法31一、基于轮询的ipact算法31二、bgp算法33三、cbr算法34第二节 业务区分机制35一、业务分级机制35二、onu 队列管理36第三节 一种支持qos的动态带宽分配算法38一、算法思想38二、算法过程39三、仿真结果40第四节 本章小结42结 论44致 谢45参考文献46附 录48一、英文原文48二、英文翻译53- 57 -前 言近年来，随着科学技术的发展和现代社会的不断前进，广大用户对通信质量的要求越来越高。很多人都已经不再满足于一般的语音通信，而对数据图像等等综合业务提出了要求。在这样的局面下，光纤通信便以其抗干扰、容量大、损耗小、体积小、适合于远距离传输等等优势，成功的吸引了业界的广泛关注。在pon（passive optical network，无源光网络）技术之中，以太无源光网络（epon，ethernet passive optical network）和吉比特无源光网络（gpon，gigabit passive optical network,）是现在通信领域热门的光接入技术。目前，epon和gpon都已经发展的比较成熟了，特别是epon。它价格低廉，结构简单，节约运营维护成本以及光纤资源，扩展性强，兼容性好，易于升级的巨大特点使它成为了实现“三网合一”，推动通信网络宽带化发展的重要技术。另外，从服务质量方面来看，epon网络一共定义了8个优先级队列，在动态带宽分配算法中考虑了不同优先级的带宽分配策略和公平性的问题。实现了带宽差异化分配。可以完全满足不同用户业务对qos的要求。本论文的主要目的是对epon网络的服务区分机制进行分析研究。文章的第一章重点介绍了本课题的研究背景和研究现状。对接入网技术、光接入网和epon网络做了一个总体的介绍。第二章在了解这些内容的基础之上引入了epon系统。并阐述了该系统的拓扑结构、网络模型、基本的上下行工作原理、网络中的传输帧结构、关键技术等内容。第三章再结合epon中的重要带宽分配算法，对epon网络中的服务区分机制进行了分析研究，说明了服务区分机制对epon网络性能的重要性。最后一章则结合分析研究的成果，利用visual c+软件对所得结果进行分析验证，得出最后的结论。第一章 绪 论第一节 接入网技术一、接入网概述随着近几年来传输网的迅速发展，基于ip协议的通信骨干网和局域网已逐步成为了宽带网络的主要传送方式。以铜线作为传输媒介的传统的非对称数字用户线接入越来越无法满足用户进行高速上网、飞速下载、在线游戏等娱乐的需求。要想组建用户到用户的信息高速公路，就势必要打破这个通信网络中的“瓶颈”。而与此同时，通信行业激烈的市场竞争局面也推动着通信网络中接入网技术的革新。接入网技术作为信息高速公路的“最后一公里”已逐步成为了通信网络发展的焦点。通常按照网络功能来划分，整个通信网可以被分为传输网、交换网和接入网三大部分。而从用户接入的实际连接情况来看，通信网又可以分为三个部分：用户驻地网（cpn，customer premise network）、用户接入网（an，access network）以及核心网（cn，core network）。具体的说来，接入网就是骨干网到用户终端之间的所有设备，通常包括用户线传输系统、复用设备、交叉连接设备或着用户/网络终端设备。接入网是通信网的重要组成部分，是电信网为用户提供服务的渠道。现代接入网的特点主要表现为综合业务的接入特别是多媒体业务和ip业务的综合接入。接入网完成用户终端、网络与业务节点的连接。接入网在通信网中所处位置如下图所示：图 1.1 接入网的位置二、接入网的定义与定界国际电信联盟标准化部门（itu-t）在g.963中对接入网进行了定义：用户驻地设备（cpe，customer premises equipment）与本地交换机（le，local exchange）之间的实施系统。在1995年7月通过的最新建议g.902中又对接入网有着明确的界定：接入网是由业务节点接口（sni，service node interface）和用户网络接口（uni，user network interface）之间的一系列传送实体（包含线路设备以及传输设施）组成的，为电信业务提供传输所需的承载能力的实施系统，可经由管理接口（q3）来进行配置和管理【1】。综上所述，我们可以得知，接入网是通过业务节点接口（sni）、管理接口（q3）以及用户网络接口（uni）来界定的。用户接入网（an，access network）通过上述的三种接口来与其他的网络实体相连接。简而言之，就是用户终端（user terminal）通过用户网络接口（uni）与an相互连接，业务节点（sn）通过业务节点接口（sni）与an相互连接。同时，an和业务节点（sn）通过q3接口与电信管理网（tmn）相互连接。上述的各种连接关系如下图所示：图 1.2接入网的定界业务节点接口、用户网络接口以及管理接口是接入网至关重要的三个接口。下面将分别对这三种接口进行一个简要的介绍。1、sni接口sni接口是接入网与核心网之间的接口。对于不同的用户业务，要提供不同的sni，以保证交换机提供的业务与用户所需的业务相对应。交换机的用户接口有模拟接口（z接口）和数字接口（v接口）。其中，数字接口（v接口）经历了从v1到v5的发展。2、uni接口uni接口是接入网与用户终端之间的接口。uni接口可以连接接入网与用户终端，也可以连接接入网与用户驻地网（cpu，customer premises network）。3、q3管理接口q3管理接口是接入网与电信管理网的接口。通过电信管理网对接入网进行标准化的管理。三、接入网的功能模型用户接入网可以划分为5个基本的功能组，即：用户接口功能（upf）、业务接口功能（spf）、核心功能（cf）、传输功能（tf）、接入网系统管理功能（an-smf）。1、用户接口功能使特定uni的要求适配到核心功能和受理功能。与uni功能的终端相连接，可以进行模数转换，信令转换，uni的激活和去激活，uni承载通路能力的处理，控制功能，uni测试，控制功能。2、业务接口功能使特定sni的要求适配到公共的承载体，然后在核心功能中处理。可以与sni功能的终端相连接，进行spf维护，sni测试，特殊sni所需协议的映射，承载要求、受理功能、控制功能、即时受理等等。3、核心功能处于upf和spf之间，使单个用户端口的承载要求或业务端口的承载要求与公共传送承载体相适配。包括接入的承载处理，承载通路集中，信令与分信息的复用，atm传送承载的电路模拟，管理和控制功能等等。4、传输功能在用户接入网内的不同位置之间为公共承载体的传送提供通道，同时对传输媒质适配。包括复用功能、管理功能、物理媒质功能业务疏导和配置的交叉连接功能等等。5、接入网系统管理功能管理用户接口、业务接口的功能，同时对核心功能以及传输功能进行指配、管理。具体说来，接入网的系统管理功能包括协调功能、安全控制、检测故障和故障指示、数据收集、资源管理、以及对upf以及经sni的sn的即时管理及操作要求进行协调等等。四、接入网主要类型接入网有多种分类的方式。首先，如果按照拓扑结构来分，则可以分为总线型、树型、星型等等类型。同时，也可以按照带宽来分为窄带和宽带两种类型。此外，按照接入方式可以分为拨号接入、虚拟专线、实际专线接入。按照接入方式来分，则大致可以分为四种方式：基于双绞线铜缆接入、光纤同轴电缆（hfc）接入、无线接入、光纤接入技术。接入网根据传输方式的不同可以总的划分成为无线接入和有线接入两大类。其中有线接入方式主要包括铜线接入技术、光纤接入技术、hfc接入技术、以太网接入技术等等。无线接入方式又有移动无线接入技术和固定无线接入技术等等。就各种接入方式来看，双绞线接入技术是成本很低，目前应用广泛的一种接入形式。但是由于这种接入方式的传输量很小，所以只能传送音频和少量的数据信息。若是要想满足现代科技发展对多业务的需求，就必须要引入先进的数字信号处理技术，如非对称用户数字线（adsl，asymmetric digital suscriber line）、高比特率数字用户线（hdsl, high bit rate digital suscriber line）、以太网数字用户线等等技术。总的来看，光纤接入的接入技术是目前广受关注的接入网技术之一。同时，接入网光纤化也是现在的发展趋势，为各大运营商所看好。光纤接入又可以根据光线路终端与光网络单元之间是否含有有源设备而分为无源光网络（pon）和有源光网络（aon）。混合光纤同轴电缆（hfc，hybrid fiber coaxial）网络是一种新型的宽带网络，从传统的有线电视（catv）发展而来，是一种基于频分复用技术的宽带接入技术。它可以利用传统的catv网络来访问因特网。无线接入技术从业务结点接口到用户可部分或全部的采用无线接入方式，能够向用户提供固定终端业务和移动终端业务。这项技术的特点是组网灵活、易于维护、投资少、见效快。同时无线接入技术也是接入网研究中的重要一环。第二节 光接入网技术一、产生背景随着中国社会的发展，各种新技术层出不穷，人们对新业务特别是宽带综合业务的需求日益增加。为了满足人们的需要，产生了大量的接入网新技术，包括基于双绞线的铜缆新技术、光纤接入（无源光网络、有源光网络）、混合光纤同轴电缆接入、卫星接入、固定无线接入（如wi-fi、wimax等等）。传统的接入方式运营成本高、容量小，已经不能满足现代人对带宽的需求了。为了降低通信成本、增加收入、发展新技术，各大网络运营商已经开始将建设重点由传统的铜缆接入转向了价格低廉、结构简单、节约成本、扩展性强、兼容性好、易于升级的光纤接入。二、功能配置1996年itu-t g.982将光接入网定义为共享相同网络侧接口并由光接入传统系统所支持的接入链路群。其功能参考配置如图2.1所示:图1.3 功能配置其中，af提供适配功能，uni为用户网络接口，sni为业务结点接口，s为光发送参考点，r为光接收参考点，v为与业务节点间的参考点，t为与用户终端间的参考点，a为af和onu间的参考点。1、olt光线路终端（optical line terminal），它为光接入网提供了oan网络侧与本地交换机的接口，并且可以连接一个或同时连接多个odn，从而与用户端的onu进行通信。olt可以管理来自onu的信息，为onu提供维护，对onu进行授权。2、odn光分配网络（optical distribution network），它在olt和onu之间提供一条或者多条光传输通道，是olt和onu之间的光传输媒质，由无源器件组成。在下行方向上，信号由olt传输到onu；在上行方向上，信号由onu传递到olt。3、onu光网络单元（optical network unit），它为光接入网提供oan用户侧接口。一个onu可同时接入多个用户，处理光信号，具有光电转换和电光转换的功能。同时还具有信号处理、维护管理、模数转换和数模转换的功能。三、拓扑结构光接入网的拓扑结构是指由光分配网络odn、用户设备以及局端olt共同组成的网络拓扑结构。一般地，根据接入的情况，大致可以分为以下四种拓扑的类型：1、点到点的拓扑结构在点到点的拓扑结构中，olt仅有一个光接口，通过odn与光网络终端相连接，与onu进行通信。2、树型拓扑结构在树型拓扑结构中，光分配网络中有光分配点，光分配点与olt间通过光纤连接，形成树形。特别的，还有总线型结构。3、环形拓扑结构环形拓扑结构是光线路终端与所有的光分配点相串联，首尾连接而形成环形的网络拓扑结构。4、星型拓扑结构在星型拓扑结构中，局端olt有多个光接口，同时通过odn分别的连接到每个光网络终端。四、实际应用 光纤接入网的实际应用，按照onu在光接入网中的位置不同，可以分为多种类型。即有光纤到交接箱（fttc）、光纤到大楼（fttb）、光纤到家庭（ftth）、光纤灯办公室（ftto）。1、光纤到交接箱（fttc）光纤到交接箱（fttcab， fiber to the cabinet），onu可以设置在路边或者电线杆上的分线盒上，主要适用于点到点或环形的拓扑结构。fp（flexible point）为交接箱灵活点，dp（distribution point）为分配点，cn（customer network）为用户网络，如下图所示：图1.4 fttc应用类型2、光纤到大楼（fttb）onu可设在大楼内部的配线箱，从光分配点开始再采用无线接入。适合应用在于局部用户非常密集的场合。fttb应用类型如下图所示：图1.5 fttb应用类型3、光纤到家庭（ftth）和光纤到办公室（ftto）这是一种将onu的光节点部署到用户的家中或者是办公室里。适合运用树型的拓扑结构。光纤到家庭和光纤到办公室的应用类型如下图所示：图1.6 ftth、ftto的应用类型第三节 无源光网络一、无源光网络发展根据olt到onu之间是否含有有源设备，可以划分出无源光网络和有源光网络。无源光网络采用无源光分路器，有源光网络采用有源电复用器。无源光网络( pon，passive optical network )是一种光纤介质网络。由于其支持高带宽和长距离等特性，将成为解决接入网“瓶颈”问题的最佳方案。无源光网络是一种点到多点的光接入技术，定位在最后一公里，旨在服务提供商、电信运营商、终端用户之间提供高带宽的接入网技术。同时，由于局端与客户端之间没有有源设备和光纤介质独有的防雷抗干扰特性，无源光网络可以很好的避开雷电，同时也解决了电磁干扰的问题。这使得无源光网络的线路以及设备的故障率大大的降低，系统的稳定性能大大的提高。从pon的历史发展角度来看，共经历了以下四种类型的pon技术：apon（atm passive optical network，atm无源光纤网络）：apon的最大上下行速率为155mbit/s。在fsan（full service access network，全业务接入网组织）的建议之下，国际电信联盟提出了apon的标准g.983.1。显而易见，apon是以异步传输模式atm为基础，传送定长数据，同时具有无源光网络宽带传输特点的传输网络。bpon（broadband passive optical network，宽带无源光网络）：bpon也是在atm基础之上发展起来的，可以说bpon是apon标准的加强版，最大上下行速率为622mbit/s。能够提供动态带宽分配、视频广播和高速专线等宽带服务。但是，apon和bpon的物理层工作速率难以满足日益增长的高带宽需求。为此，itu-t提出了epon和gpon技术。epon（ethernet passive optical network，以太无源光网络）：2000年11月，ieee提出在802.3以太网的基础上发展epon技术，最大上下行速率可以达到1gbit/s。ethernet是一种标准和技术都已经非常成熟的网络。因为其协议发展成熟、利于运营维护、方便进行扩展、直接面向用户、技术工作简单，一直以来得到快速地发展。epon将pon技术与以太网相结合，采用点到多点无源光纤传输方式，同时实现gbit/s以太网点到多点的光传送方案。目前10gbit/s epon技术的标准也在制定过程中。通过epon可以很好的来实现语音、数据和视频综合业务。此外，在安全性方面，epon使用标准的基于aes的加密技术，其安全性和gpon无区别。gpon（gigabit passive optical network，吉比特无源光网络）：fsan于2002年9月提出了一种高比特率传输的光纤接入网。在2003年，国际电信联盟又通过了gpon标准g.984.1以及g.984.2。与apon、bpon不同的是，gpon标准不再是从apon基础上改进而来的，而是直接从pon的应用和要求上来考虑的，也因此而被称作为本色模式pon。gpon也称作千兆无源光网络，可以提供非对称或者对称的传输速率。其中，gpon的最大上下行速率可以达到2.5gbit/s。由于gpon是采用gfp通用封装技术的，所以在带宽、传输效率方面都具有很大的优势。同时还可以对atm、tdm、ethernet混合业务进行有效的传输，能够很好的满足用户的业务需求。另外，在高速率传输和支持多业务方面，gpon比起epon有着明显优势。但是，目前gpon的运营成本要高于epon，每单位带宽成本也要比epon高得多，其产品的成熟性与epon相比也要略逊一筹。二、无源光网络（pon）1、eponepon（以太无源光网络）最早是由efm（ethernet in first mile）工作小组提出的。由于网络将成本低廉的以太网设备与同样成本低廉的光纤设施结合在了一起，所以以太无源光网络具有了低管理成本和运营成本的巨大优势。epon采用点到多点的结构（p2mp，point to multi point，p2mp），以无源光纤传输方式在以太网上进行业务传输。它同时具备了以太网简便实用，价格低廉，发展成熟和pon节省光纤资源、对网络协议透明的优点，正成为光接入网领域中的热门技术。其基本结构由光线路终端（olt）、光分配网络（odn）和光网络单元（onu）三大部分构成。相对于其他接入技术epon具有很大的技术优势。在以太无源光网络中支持服务质量（qos）的关键主要在于三个方面问题。第一个是支持diffserv，即服务等级区分的问题。第二个就是epon的数据链路层以及物理层的安全性方面的问题。第三个是支持传统业务方面的问题。总的说来，以太无源光网络就是一种新兴的受到广大关注的宽带接入技术。epon通过无源光网络的拓扑结构来实现以太网的接入，充分的利用了以太网的优势以及无源光网络的优点，同时，正因如此，以太无源光网络具有了良好的经济性。由于以太无源光网络在带宽、运营成本、维护成本等等方面的诸多优点，目前业内普遍认为，无源光网络将成为解决信息高速公路“最后一公里”的完美方案。epon点对多点的结构，只需增加onu数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资。在与各种接入网技术的比较中，以太无源光网络具有巨大的优势。首先，epon结构中的无源光器件寿命较长，大大节约了维护的成本，同时，epon也可以很好的与现有的以太网网络相融合，充分的利用现有的以太网络设备。综合来说，就是epon具有运营和管理成本低，维护过程简单，方便扩展和容易升级等诸多的优势。同时，加上以太无源光网络中点到多点的拓扑结构，很好的节省了施工的成本费用，降低了施工损耗，减少了光纤资源的消耗，更使得众多的运营商将epon看做是是一种优良的接入网方案。2、gpon吉比特无源光网络（gpon）的标准在itu-t g.984系列标准中得到了定义。标准包括gpon的物理层、tc层和oam相关功能的定义。吉比特无源光网络定义了一种全新的封装结构，即gem( gpon encapsulation method )。吉比特无源光网络是一种点到多点的光接入网技术。吉比特无源光网络与以太无源光网络具有一定的相似性，都可以提供低成本、便于维护、良好扩展性的高速接入网，也是解决接入网“瓶颈”问题的重要技术之一。但是就核心芯片的问题来说，目前除了吉比特无源光网络的设备制造厂商自主设计制造的gpon芯片之外，现在的市面上还没有专业芯片制造商推出过商用芯片，所以在大规模生产上还存在着亟待解决的巨大的问题。表3.1 gpon国际标准一览表序号标准号中文名称发布时间1itu-t g.984.1吉比特光网络（gpon）：一般特性2008年3月1日2itu-t g.984.2吉比特光网络（gpon）：物理媒质相关（pmd）层规范2008年3月1日3itu-t g.984.3吉比特光网络（gpon）：传输汇聚层规范2008年3月1日4itu-t g.984.4吉比特光网络（gpon）：ont管理和控制接口规范2008年2月1日5itu-t g.984.5吉比特能力光纤接入网络的增强带2007年9月1日6itu-t g.984.6吉比特光网络（gpon）：范围扩展2008年3月1日表3.2 gpon国家标准一览表序号标准号中文名称发布时间1yd/t 1419.3-2006接入网用单纤双向三端口组件技术条件 第3部分：用于吉比特无源光网络（gpon）光网络单元（onu）的单纤双向三端口光组件2006年6月8日2yd/t 1949.1-2009接入网技术要求吉比特的无源光网络（gpon）第1部分：总体要求2009年6月24日3yd/t 1949.2-2009接入网技术要求吉比特的无源光网络（gpon）第2部分：物理媒质相关（pmd）层要求2009年6月24日4yd/t 1953-2009接入网技术要求epon/gpon系统承载多业务2009年6月24日吉比特无源光网络的上行和下行速率可以高达2.448gbit/s，可以以较低的价格实现高速率的接入服务，满足了网络对高速率的要求。吉比特无源光网络还具有上下行速率的非对称性，更加适应宽带数据业务市场，便于灵活的配置上行速率和下行速率。这种灵活性可以方便控制接入网的运营成本。gpon采用gem技术封装，支持时分复用业务，可以更好的实现远距离传输，可以大大的提高网络的利用效率。吉比特无源光网络可以通过异步传输模式（atm）和gfp两种协议来承载不同类型的数据，在下行方向上采用广播的方式来传输数据，在上行方向上采用时分多址的接入技术。在国内，吉比特无源光网络的标准化工作主要是中国通信标准化协会（ccsa）的传送网与接入网（tc6）技术工作委员会（tc）来负责的。3、epon与gpon的比较目前，最流行的pon标准有两个，其中一个是由itu/fsan制定的gigabit pon(gpon)标准，另一个是由ieee 802.3ah工作组制定的ethernet pon (epon)标准。epon就是以太网pon，是电子电气工程师协会（ieee，institute of electrical and electronics engineers）在2004年正式推出的标准，干线速率是1.25g，但以太网采用8b10b编码，因此实际速率为1g。gpon是itu-t制定的标准，下行速率可到2.5g，上行速率1.25g，是欧美各大运营商共同制定的标准。采用了125us的帧结构，可以很好地承载atm、以太网等多业务，被很多运营商寄予了厚望。单纯从技术指标看gpon的确更好（下行速率是epon的2.5倍）。但gpon是完全由运营商制定，完全不考虑设备实现的复杂度。因此，gpon标准虽然在epon标准之前一年就发布，但gpon产品到现在也没有成熟。epon由于大量使用了成熟的以太网协议层，技术难度低，产品很成熟，相关芯片已经推出到第三代了，光器件在标准推出不多一年的时间内下降了70。目前，日本广泛使用epon做ftth，每年建设速度超过300万线，超过adsl铺设速度。国内去年也有过数万线的epon建设，遍布全国。epon的通信行业标准已经颁布，从去年开始起，中国电信组织epon厂商已经开始进行互通性测试，经过了一年的努力，芯片厂商的epon模块都可以互通了。因此，epon完全是成熟可用的技术。第四节 本章小结在本章中首先介绍了接入网技术的相关内容，包括接入网的基本概念、定义与定界、接入网的功能模型以及接入网的分类等等。通过这些基本内容的介绍，引入了目前接入网发展中关键的“最后一公里”问题。接着介绍了光接入网技术的相关概念，包括光接入网产生的背景、功能配置、拓扑结构以及光接入网的实际应用。通过这些内容的讲解，突出了光接入网作为一项重要接入技术在传输速率，网络性能，运营成本等等方面的巨大优势。在本章的最后简单的阐述了以太无源光网络与吉比特无源光网络的相关内容，包括epon以及gpon的发展现状，技术优势，两者的对比等等。通过对这些内容的讲解，引出了下文对以太无源光网络的具体介绍。第二章 epon系统概述第一节 epon的系统组成epon网络的拓扑结构遵循以太网的网络结构，是一种采用点到多点（p2mp，point to multi-point）网络结构，在一以太网上提供多种业务的单线双向接入网。与通信网的三种基本拓扑结构一样，epon网络主要可以分为四种拓扑结构类型。这四种拓扑结构类型分别是基于pon的树型（tree pon）拓扑结构、总线型（bus pon）拓扑结构、环型（ring pon）拓扑结构以及星型（star pon）拓扑结构。在所有的拓扑结构之中，树型应用广泛，特别适合于本地回路。 因此，大部分的分析都以典型的树型拓扑结构为分析的对象。常见的epon网络的拓扑结构下图所示：图2.1 epon的拓扑结构epon主要由三大部分组成：光线路终端（optical line terminal），光分配网络（optical distribution network），光网络单元（optical network unit）。其中，olt位于局端，onu位于用户端，odn位于olt和onu之间。基本结构如下图所示。图2.2 epon系统的组成一、光线路终端（optical line terminal）olt位于网络侧，提供业务网络与odn之间的光接口，完成网络的集中和接入。olt一边将各种来自网络的信号汇聚在一起，送入接入网，使得用户可以获得各自的信息。另一边将各种用户信息分别传送给相应的业务网。在上行业务方向上，信息由onu通过odn传递到olt；在下行业务方向上，信息由olt通过odn传递到onu。olt在下行方向上可以完成数据转发的任务。为了避免各个业务信息发生冲突，在上行方向上采用tdma多址接入方式，并对各个onu的数据进行仲裁，同时还可以完成带宽分配、优先级调度等等任务。除此以外，olt还具有光/电转换以及维护和管理等等功能。olt的功能由业务层、核心层和公共层三个部分组成。下面将对这三个部分进行一个简要的介绍。1、业务层olt的业务层具有提供业务端口，支持多种业务的功能。可以进行接口适配、接口保护、特殊业务的信令处理以及媒质传输格式转换。图2.3 olt功能组成2、核心层 olt的核心层可以进行业务处理，对olt侧可用带宽实现交换和交叉连接、复用/解复用和传输，对olt资源和相关业务的质量控制，带宽管理，基于用户和业务类型对流量采取隔离措施，以提高带宽使用效率为目的的点到多点的广播和多播，业务汇聚分发以及odn适配等等功能。其中，odn适配功能可以对odn接口（s/r点）进行分配，具有物理光接口的适配功能，包括物理媒质访问控制、定时同步和光/电转化以及电/光转换的功能。3、公共层olt的公共层可以提供维护管理以及供电的功能。维护管理功能可以对各个功能块进行维护管理工作，并可提供网络运营的相关信息等等。供电功能可以提供系统所需的电源转化，同时还可以在关键时刻提供电源保护功能。总的说来，olt的功能如下：对各个onu的业务流量进行汇集，再对汇聚到sni的业务流量进行分发，将其分配到相应的onu。提供汇聚和分发过程中的各个业务的qos功能。支持ip组播，支持可控组播以提高带宽利用率。为olt的onu侧的可用带宽与olt网络侧的可用带宽提供交叉连接功能。为各种业务在分配网上的发送和接受提供统一复用的信息传输通道，并且保持不同用户之间的信息隔离。资源共享控制，在不同用户、不同业务之间进行接入网资源动态或者静态的共享。提供类似格式转换的业务接口适配功能，dn适配功能，物理馆接口，光电转换，同步和定时功能。二、光分配网络（optical distribution network） odn位于onu和olt之间，主要用来完成光信号功率的分配，olt与onu通信可以通过一个或多个光分配网络来具体实现，即odn可以起到olt与onu之间的信息传输和分发作用，建立端到端的信息传输通道，使多个onu可以共享olt到odn之间的光传输媒质和olt的光电设备。odn的主要结构有星型、树型、总线型、环型等等。odn的配置通常为点到多点。由无源光器件组成，具有光波长透明性、互换性、光兼容性等等特性。三、光网络单元（optical network unit）onu的主要功能是提供epon到用户侧的接口。onu采用的是以太网协议，在上行和下行方向上分别完成不同的任务。一方面它可以对来自于用户的信息进行复用，以便于信息传递到光线路终端。另一方面可以将下行方向的信号解复用，并且通过不同的端口传送出去。同样，onu的功能也由业务层、核心层和公共层三个部分组成。下面分别对这三个部分进行简要的介绍。1、业务层onu的业务层可以为用户提供用户网络接口功能，例如以太网、catv等业务接口。2、核心层onu的核心层可以提供包括复用/解复用、业务质量控制和安全机制在内的业务处理功能和提供包含电/光和光/电转换的物理光接口适配功能。这些功能保证了业务处理过程中各类业务的服务质量和安全要求。其中，复用/解复用功能提供了业务流量的发送和接收的统一的复用信息传输通道。3、公共层onu的公共层可以提供供电功能和对onu的各个功能模块提供处理、管理和维护功能。综上所述，onu的主要功能如下：对不同用户的业务流进行分类、管理和监督，汇集不同的业务。同时与不同类型的业务接口相连接。另外，onu还可以对不同用户业务流量进行隔离，具有动态组播能力。具有用户接口技术和ll、l2交换和路由功能。可以提供从64kb/s一直到lgb/s数据业务。同时保证业务的qos特征。进行设备的本地管理、基本维护功能。dn适配功能，物理光接口、光/电转换，同步和定时。控制和适配af接口，并且提供对af业务的适配。图2.4 onu功能组成第二节 epon的工作原理一、epon下行数据传输原理在epon系统中，主要是利用广播的方式来进行下行数据传输的。在接收到olt发送过来的数据帧之后，onu将依据所接受到的帧的标识符来决定是应该接收该帧还是丢弃该帧。epon下行数据传输原理如下图所示：epon的具体下行数据传输过程为：最初在各个onu完成onu的自动发现的过程中，可以从olt处分配得到一个独有的逻辑链路标志，即一个独有的llid。通过这个llid就可以区分出不同的onu。olt通过广播的方式来向系统中的所有onu发送数据包。数据包中包含目的地onu的标识符信头，即llid。数据包通过无源光分路器，即下图中的pos时，分成独立的三组信号，分别到达不同的onu。数据到达了onu之后，onu通过检查数据包中的llid与自己是否匹配，来确定数据包是否是自己需要的。一旦llid不匹配，那么就则弃掉该数据包。匹配，则接受该数据包。图2.5 epon网络下行工作示意图二、epon上行数据传输原理epon的上行传输原理与epon的下行传输原理有着很大的区别。由以上叙述可知，下行数据传输采用的是广播的方式，同时通过llid区分数据包所属的onu。epon的上行数据传输采用的是时分多址的技术，每个onu在olt指定的时间段来发送数据。epon网络点到多点的拓扑结构决定了多个onu将要共享同一个上行信道。所以在数据传输中采用时分多址的方式。正因为在上行方向之上，多个光网络单元共享了一个信道，所以在传输数据的过程之中，就有可能会发生数据冲突的现象。为了避免这中数据冲突，目前的epon系统主要采用时分多址（tdma，time division multiple access）的接入技术来解决onu上行信道数据冲突的问题。epon上行数据具体的传输过程为：为避免不同onu的时延不同带来的麻烦，在onu注册时，olt将立即对onu进行测距，记录该onu的上行时延。olt根据各个onu的请求来确定onu分配的时隙，通过授权帧来告知每个onu发送数据包的上行时隙。每个onu根据接收到的授权帧在olt指定的上行时隙中发送数据，以避免发生数据冲突。epon上行数据传输原理如下图所示：图2.6 epon网络下行传输示意图三、epon传输帧结构epon采用以太网数据帧，并在其中加入了llid等等信息。上行数据传输采用tdma技术接入，onu仅在olt授权时间内发送数据。下行采用广播方式发送数据，olt为已注册的onu分配llid，onu接收与llid相匹配的下行数据帧。以太网帧格式与epon帧格式有一定的相似之处，下图就是以太网帧格式的具体形式：图2.7 以太网帧格式epon帧的格式在以太网的基础之上作了修改，加入了llid等等信息。同时，epon帧可以与以太网数据帧兼容。下图就是epon帧的格式的具体形式：图2.8 epon帧格式1、epon的下行帧epon下行帧的传输速率可以达到1gbps，下行帧由一个连续的信息流组成，这个信息流被分割成为了固定的长度。在epon下行帧中，每一帧的开头有时钟信息，信息内含同步标识符，方便光线路终端与光网络单元进行同步。每一帧内可以携带多个长度不定的数据包。每秒可以达到5000帧的数量。每个光网络单元可以分配得到一个时隙。epon网络的下行传输帧的具体格式如下图所示。图2.9 epon网络下行传输数据帧2、epon的上行帧epon网络的上行帧是各个onu发送的数据信息以时分复用的方式复用而成的连续数据流。每个onu发送的信息将在上行方向上占用不同的长度可变的时隙。各个onu发送的数据可以在上行方向上组合成一个上行帧，其中帧长与下行帧一样为2ms。epon网络的上行传输帧的具体格式如下图所示。图2.10 epon网络上行传输数据帧四、多点控制协议（mpcp）1、mpcp协议概述 mpcp协议是epon网络进行信息互通及调度的依据。mpcp位于mac控制子层，是一种双向消息协议，使用消息、状态机和时钟来控制点到多点的拓扑结构访问，保障主单元和从单元之间实现数据有效传输。epon网络中主要用到五种mpcp帧，分别为授权帧（gate）、注册帧（register）、注册请求帧（register req）、注册确认帧（register ack）和报告帧（report）。不同的操作码区分消息的类型。授权帧和请求帧主要用来进行带宽的分配。注册帧、注册请求帧以及注册确认帧用来完成onu的注册过程。多点控制协议是基本的ieee802.3以太帧。其控制帧的帧长为64字节。控制帧格式如下图所示：图2.11 mpcp控制帧格式第三节 epon的关键技术一、onu的自动发现为了添加新的onu，epo