EPON-标准与关键技术

EPON－标准与关键技术孙有越Saturday,February4,20231北京瑞斯康达科技发展有限公司带宽需求导致接入网成为瓶颈Internet的飞速发展导致对带宽需求的激增20/80变为80/20，接入网成为瓶颈。xDSL在覆盖距离和带宽上不能满足未来的需求。众多用户分享CableModem/HFC的带宽，也无法满足需求。光纤价格下降，进一步靠近用户，FTTx必然成为接入网的主流发展趋势。由于所适用的地理环境不同，xDSL和CableModem/HFC仍然会继续发展。2北京瑞斯康达科技发展有限公司PON技术应运而生接入网的规模/对成本的考量限制了光纤分布拓扑3北京瑞斯康达科技发展有限公司PON的拓扑PON采用P2MP拓扑，在源和目的间的信号传播路径上没有有源器件。长距离、高带宽、不受周围环境的干扰维护简单天然的广播特性4北京瑞斯康达科技发展有限公司PON的构成OLT（OpticalLineTerminal）放在中心机房，用来连接接入网和骨干网。处于管理者的地位。POS（PassiveOpticalSplitter）是用来连接OLT和ONU的无源设备。有方向性，下行分光，上行合光。分线率为2×N，并可以进行级联。无源设备维护简单，但分线率/级联数越高传输距离越短。ONU（OpticalNetworkUnit）放在用户驻地侧，用来连接接入网和最终用户。处于被管理者的地位。5北京瑞斯康达科技发展有限公司PON技术的分支－WDMvs.TDMWDMvs.TDMWDM容量高，但对ONU要求高（波长可调的光Modem），而ONU占PON的大部分成本。TDM容量相对小，但对ONU要求低，易于实现。WDM用来实现上下行流量分离上下行使用同一根光纤，但使用不同的波长。下行方向广播，每个ONU都能接收。上行方向ONU仅在属于自己的时隙内线速发送。6北京瑞斯康达科技发展有限公司PON技术的分支－BPON/GPONITU-T颁布的相关标准1996年，ITU-T颁布G.982，窄带PON。1995年，FSAN制订APON（ATM），使用ATM作为承载协议，后更名为BPON（Broadband）并于1997年交给ITU-T，随后几年颁布G.983系列标准。BPON的物理层规范将线路速率限制在622M，而ATM承载IP分组的效率又不高，于是2001年FSAN着手改进BPON，将线路速率提高到2.5G并加入GFP作为承载协议，称为GPON（Gigabit）。2003~2004年ITU-T颁布对应的G.984系列标准。G.985－基于光接入系统的100M点到点以太网，2003年。7北京瑞斯康达科技发展有限公司EPON标准IEEEEFM工作组802.3ah-2004，自802.3-2002后的最大一次修订，显示了IEEE将以太网技术推向接入网的决心。修改/增补的内容包括：针对P2P和P2MP等拓扑的接入控制层规范（MAC）针对双绞线和光纤等介质的物理层规范（PHY）OAMEPON是802.3ah的核心内容，使用千兆以太网作为承载协议。8北京瑞斯康达科技发展有限公司EPON的关键技术Burst-ModeTransceiverMPCP（Multi-PointControlProtocol）DBA（DynamicBandwidthAlgorithm）LTE（LogicalTopologyEmulation）加密FEC（ForwardErrorCorrection）OAM9北京瑞斯康达科技发展有限公司Burst-ModeTransceiver突发模式OLT的接收器在每个时隙都调整判决门限以克服远近效应。ONU的发送器在不发送时彻底关闭（以免噪声在不属于自己的时隙内对OLT的接收器产生干扰），而打开时能迅速稳定。10北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCPEPON在下行方向是共享介质，在上行方向上则要表现为独享介质。每个ONU都要明确的知道自己应该在什么时候发送数据，发送多长时间，以免产生冲突。除了避免冲突之外，控制每个ONU的发送时间也达到了分配带宽的目的，但MPCP仅仅是带宽分配的执行者而不是决策者。EFM工作组将MPCP设计为MAC的附加功能，依赖MAC控制帧实现，避免了设计新的MAC。11北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP（续）12北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP（续）13北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－带宽分配模式MPCP有两种工作模式自动发现带宽分配带宽分配模式使用GATE消息和REPORT消息，由MAC控制帧传送。GATE消息由OLT送给指定的ONU，给它分配一个发送时隙（起始时间和持续长度）。REPORT消息由ONU送给OLT，报告本地状况（如buffer占用率等），在使用DBA的系统中这将影响带宽分配决策。OLT和每个ONU都需要维护各自的MPCP时钟并保持同步。14北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－带宽分配模式（续）15北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－MPCP时钟同步MPCP时钟的同步一个32比特的计时器，每比特代表16ns。OLT在将Gating进程产生的GATE消息发出去之前加上一个时间戳，记录当时的时间（由Controlmultiplexer完成）。ONU收到GATE消息后将本地的MPCP时钟设为时间戳携带的时间（由Controlparser完成）。ONU要不断的根据从线路数据中恢复的时钟来校准自己的时钟。这种同步方案的两个前提：OLT知道每个ONU的RTT时间（自动发现时完成）。MAC层和PHY层的处理延时是常量。16北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－自动发现模式自动发现模式同是MAC控制功能，全双工流控的默认状态是允许发送而MPCP的默认状态则是不允许发送，如果没有自动发现，新加入的ONU将永远沉默。测量每个ONU的RTT（Round-TripTime）也是自动发现的重要功能。使用GATE、REGISTER_REQ、REGISTER、和REGISTER_ACK消息，由MAC控制帧传送。17北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－自动发现模式（续）18北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－自动发现模式（续）自动发现的过程OLT决定发起一轮自动发现，广播一个特殊的GATE消息，里面定义了一个发现窗口，任何已注册的ONU都不得在该窗口内发送数据。一个未注册的ONU收到该消息后将本地的MPCP时间设为时间戳携带的时间。到达发现窗口的起始时间后再等待一段随机延时（避免多个未注册的ONU发生冲突），然后发送REGISTER_REQ消息，里面包含了自己的MAC地址。发送时加上时间戳，记录本地的MPCP时间。收到REGISTER_REQ消息后OLT知道了要注册的ONU的MAC地址和RTT时间，OLT向这个ONU发送REGISTER消息（这次不再是广播），里面包含了分配给这个ONU的LLID。随后再向这个ONU发送GATE消息，给它分配发送时隙。收到REGISTER消息后ONU要返回一个REGISTER_ACK消息，这个消息在收到的GATE消息指定的时隙内发送。19北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－RTT测量20北京瑞斯康达科技发展有限公司MPCP－RTT测量（续）这种测量方法排除了本地处理时间的干扰，为大多数网络协议所用。21北京瑞斯康达科技发展有限公司DBA在接入网从来都没有过度供给，带宽需求总是超出预算。静态的带宽分配一不能充分利用网络资源，二不能满足QoS，在Triple-Play年代会被淘汰。根据ONU后客户的SLA、ONU内各队列的空满程度以及每个队列所属的业务类型等因素来决定分配给每个ONU的发送时隙。ONU也应该有一套队列调度机制与之配合最简单的队列调度就是用队列中较短的帧填满当前发送时隙而将队头的长帧留到下一个时隙。队列调度可能造成TCP乱序，起到相反的效果。22北京瑞斯康达科技发展有限公司LTEP2PE（Point-to-PointEmulation）23北京瑞斯康达科技发展有限公司LTE（续）LLID（LogicalLinkIdentifier）24北京瑞斯康达科技发展有限公司LLID的格式LLID置于Preamble中Preamble对于全双工链路已经没有意义。OAM原本有Preamble-based和Frame-based两派。25北京瑞斯康达科技发展有限公司加密可能的危险单是LLID不足以防止ONU查看本不属于自己的数据。一个简单的分光器就能在光纤上窃取数据。对抗的手段不是802.3ah标准的一部分（802.1ae）采用AES算法进行加密（AdvancedEncryptionStandard）。上/下行都要数据都要加密，以帧为对象，除了Preamble之外都要加密（Preamble里含有LLID）。有初始密钥，要不定期的更换密钥，用OAMPDU交换密钥（OAMPDU本身也被加密）。26北京瑞斯康达科技发展有限公司FEC发端编码，收端纠错降低BER，延长传输距离或提高分线率。FCS只具备检错功能。RS(255,239)Reed-Solomon编码，在无线系统中广泛使用。体系码，不改变编码对象，编码结果附加在其后。2^8–1=255，8比特为一个符号，即以字节为编码单元。255–239=16，可以纠8个错符号。每239个字节产生16字节的纠错码。27北京瑞斯康达科技发展有限公司FEC（续）编码与传输编码时帧长如果不是239字节的倍数就填充。所有的编码结果都置于帧后，用特殊的字符串指示。FEC只是可选项，这种结构使得支持和不支持FEC的ONU可以共存于同一EPON中。28北京瑞斯康达科技发展有限公司EPONvs.BPON/GPON传输EPON线路编码是8B/10B码，BPON/GPON则是扰码传输，流派不同，但后者效率高。EPON，1.25G的线路速率只能传1G的数据（含开销）。GPON，1.25G的线路速率传1.25G的数据（含开销）。速率目前EPON的上/下行速率都是1G，以后可以升级到10G。BPON是155M/622M可选，GPON是155M/622M/1.25G/2.5G可选，上/下行可以不对称，比EPON灵活。距离EPON要求在分线率为16的前提下达到20公里。以20公里来计量，GPON可以实现64的分线率，但能以可接受的成本实现这样的光功率预算的光模块现在还没有出现。29北京瑞斯康达科技发展有限公司EPONvs.BPON/GPON（续）成帧以太网帧是传输IP分组的最佳选择（以太网非常普遍，无需转换），ATM效率较低，信元税一直为人诟病。BPON/GPON每帧125us，每秒8K帧，与传统TDM业务的定时方式相符。短而定长的帧结构对控制延时和抖动有利。GFP的效率较高，但是在传送IP分组时由于短而定长的帧结构导致的分组/重组（GEM）使得它不能发挥优势。定时以太网本身就不是严格定时的网络，EPON宽松的保护间隔浪费了一些网络资源。BPON/GPON定时严格，但对设备要求很高，尤其是光模块。这个问题在高速的GPON中尤其明显。30北京瑞斯康达科技发展有限公司EPONvs.BPON/GPON（续）结论BPON标准最成熟，元件供应商和设备制造商都已能控制成本，部署范围最广。EPON相对简易，对以IP为核心的数据业务支持最佳，对定时严格的业务的支持则比不上BPON和GPON。EPON标准制定时间长，这个过程中元件供应商和设备制造商也在走向成熟。GPON标准过于复杂，元件供应商少，现阶段无法控制成本，改走BPON－EBPON－