EPON关键技术及其应用毕业论文

EPON关键技术及其应用毕业论文目录TOC\o"1-3"\h\u23215第1章绪论 1103961.1课题研究背景及意义 168761.2本论文的研究容 47095第2章EPON技术概述 539102.1xPON综述 570152.2EPON技术的概念及特点 699942.3EPON的网络结构和体系结构 1117292.3.1EPON的网络结构 11265362.3.2参考模型 12279022.3.3协议栈 13113382.3.4EPON各部分的功能 1427179第3章EPON的关键技术 17164293.1多点控制协议 17180263.2测距与同步 22136543.3QoS和OAM 23215893.4动态带宽分配 2487063.5安全性考虑 2512082第4章EPON的应用 266174.1EPON的应用特点 26164184.2EPON在接入网中的应用模型 26107034.2.1EPON在小区接入中的应用 26269934.2.2EPON在工业区接入中的应用 28176624.2.3EPON在商务街区接入中的应用 29290994.2.4EPON在边远地区接入中的应用 31167904.3EPON组网实例 32215474.3.1商务街区应用实例 32186504.3.2边远地区应用实例 322869第5章总结与展望 3412767参考文献 3518401致谢 3611852附录主要英文缩写语对照表 37第1章绪论1.1课题研究背景及意义接入网已成为制约全网进一步发展的瓶颈，随着光纤传输技术的发展，光纤正逐渐应用到接入网领域。由于光纤具有极高的带宽和优越的抗干扰传输特性，光接入网（OpticalAccessNetwork，OAN）将成为未来有线接入网的必然发展趋势。所以光纤到家（FTTH）的技术和应用迅速发展，已经成为世界围的热点之一。自从无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）概念提出以来，一直被业界看好。PON是通过单一平台综合接入语音、视频、数据等多种业务的理想物理平台，由于其易维护、高带宽、低成本等优点，成为光接入网未来发展的方向。目前比较流行的PON技术主要有APON（ATMPassiveOpticalNetwork，ATM无源光网络）、EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太网无源光网络）和GPON（GigabitpassiveOpticalNetwork，吉比特无源光网络）。起初人们认为将ATM技术和PON技术相结合的APON技术是实现综合接入的理想模式。然而，由于数据业务的爆炸式增长，ATM技术暴露出低效率、协议复杂且成本过高等缺点，并未得到大规模的应用。在这种背景下，由IEEE802.3以太网第一公里任务工作组（EthernetintheFirstMileStudyGroup，EFM）负责制定的EPON标准孕育而生。而GPON由于技术实现复杂，成熟的商业产品还很少，目前还没有规模的商业应用系统。考虑到以太网的普遍性及其低成本高带宽的优点以及光纤网的低成本、大容量的特性，EPON被认为是解决“最后一英里”或“第一英里”（针对用户来说）问题极富前景的解决方案[1]。EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，比其他接入技术具有独特的优势，主要体现在以下几个方面[2]：（1）与现在以太网的兼容性：以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON是对现有的IEEE802.3协议作一定补充，基本上是以太网技术兼容。考虑到以太网的市场优势，PON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。（2）低建设成本：EPON系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数量。另外，由于光电子器件的成本不断降低，EPON的接入成本已可与ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberLine，非对称数字用户线路）、CableModem（电缆调制解调器）相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为FTTH发展的基础，同时，以太网的相关器件、设备价格低廉。用EPON做接入网、成本低、通用性好、效率高、管理简单。（3）低运营维护成本：局端与用户之间仅有光纤、光分/合路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效节省运营维护成本。（4）覆盖围大：EPON可以达到20km的传输距离，避免了传统传输介质(如双绞线、五类线、Cable等)的距离瓶颈问题。（5）高带宽：由于EPON采用复用技术，能够提供高达1Gbps的上下行带宽。这比目前的接入方式，如ADSL,CableModem都要高得多。EPON可以为用户提供高带宽，可以满足宽带上网、视频点播、在线游戏、可视、数字高清电视等各种业务的带宽需求，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽。（6）支持多种业务：由于EPON系统建立在IP的技术上，因此，EPON系统支持各种以IP技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网(三网)的融合也成为现实。（7）高的接入可靠性：整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免电磁干扰和雷电的影响，保证信号传输质量。（8）便于管理：对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。（9）统一的标准：IEEE802.3ah工作小组从2001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、SBC、Worldcom、Verizon、Salira、Broadcom、Agere、Inte、BroadLigh、Alcatel等。2004年6月27日，IEEE己经正式推出了关于EPON系统的802.3ah协议。基于上述原因，EPON己经成为最具有发展前途的宽带接入技术，它得到了广泛的重视，目前各国都投入一定的力量进行相关技术的研究。因为目前运营商既追求网络的运维成本的降低又要实现可运营、可扩展、可盈利的目标。面对着有巨大发展前景的EPON技术，国外厂商都表现出浓厚的兴趣。如何把EPON作为一项技术推广开去，应用到终端用户上，成为各大厂商最关心的问题。在过去的几年里，盛力亚、富士通相继进入中国的市场，格林威尔、讯风光通信也不断有产品问世。中国电信、联通、网通等电信运营商以及驻地运营商也对EPON倍加关注。在当前的情况下，EPON技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进入市场。FTTB/FTTC+DSL，FTTB/FTTC+LAN都是不错的选择。DSL（DigitalSubscriberLine，数字用户线路）和LAN（LocalAreaNetwork，局域网）是目前中国宽带的两种主要接入方式。但DSL的距离限制挡住了大量的客户，传统的LAN技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽。采用EPON技术，可以通过无源传输网络直接连接到服务区域，再进行DSL或LAN扩展，从而为大围的用户提供服务，而且可以集中进行管理和带宽分配。把ONU集成到DSLAM（DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer），数字用户线路接入复用器)，使用EPON能使DSL突破传统的距离，从而增加约50%的用户，DSL可以到达的围和其潜在的用户群都会增加。通过集成ONU到CMTS（CableModemTerminationSystems），电缆调制解调器终端系统)，EPON可以用来给现有的电缆连接提供带宽，而且可以实现真正的交互式服务，同时降低建设和运营成本。EPON技术还可以用来给固定的无线发射塔提供带宽，很好地解决无线接入技术中如何将上行数据汇集到中心机房的问题。运用EPON方式部署网络正逐渐成为宽带网络的一种主流方式。该技术充分利用光网络以及无源光分/合路器的特点，降低了运营商的设备成本、运维成本，并为用户提供更快更稳定的宽带网络。在其网络上可以同时承载语音、视频和数据业务，做到三网合一。业人士预测，未来几年中国将在宽带接入方面进入新的增长期，尤其以解决FTTH方案为主，EPON将成为一种主流宽带接入技术。目前，富士通利用在日本成功推广EPON宽带接入的经验，与国运营商、集成商合作，已经成功地在中国多家运营商、写字楼等铺设宽带网络。另外，今年我国在、、北京、等许多城市己经开始大量使用EPON系统。系统长时间可靠稳定运行，得到用户认可。同时，系统在很大程度上降低了用户网络成本和运营成本。从运营商和服务提供商的角度来看，EPON系统可以带来多方面的好处，包括降低安装、管理和运营成本，提高投资回报率，增加新的赢利机会，长期保持竞争优势等。在适当的场合，适时地采用EPON系统，无论对于原有的运营商还是新兴的运营商，都将是一个明智的选择。1.2本论文的研究容本论文主要分为5章，具体划分如下：第1章介绍了EPON技术诞生的背景，及其技术特点，以及与传统接入网比较存在的巨大优势，从而说明EPON技术具有巨大的市场前景，体现本文的研究价值，最后介绍本文的章节安排。第2章总结性的介绍了EPON的工作原理、上下行传输特点、系统各个部分的功能，以及EPON的协议基础和传输帧的结构特点。第3章详细的介绍了EPON的关键技术。第4章阐述了EPON的组网应用以及浅谈了EPON的组网实例。第5章总结了全文的工作，并对今后的工作加以展望。第2章EPON技术概述2.1xPON综述1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。1995年，FSAN联盟成立，目的是要共同定义一个通用的PON标准。1998年，ITU-T以155Mbit/sATM技术为基础，发布了G.983系列APON（ATMPON）标准。同时各电信设备制造商也研发出了APON产品。目前在北美、日本和欧洲都有APON产品的实际应用。但在我国由于价格较高且ATM技术效率不高、协议复杂推广受阻，所以APON在我国几乎没有什么应用。2000年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟（EFMA）,提出基于以太网的PON概念—EPON,并促成IEEE在2001年成立第一英里以太网（EFM）小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在的EFM相关标准。EPON标准IEEE802.3ah已于2004年6月正式颁布。我国在“十五”“863”计划中也设立了吉比特EPON的相应课题。2001年底，FSAN更新网页，把APON更名为BPON，即“带宽PON”。实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同时，FSAN也开始进行1Gbit/s以上的PON-GPON标准的研究。2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关（PMD）子层的G.984.2GPON标准，2004年3月和6月发布了规传输汇聚（TC）层的G.984.3和运行管理通信接口的G.984.4标准。表2.1依据相关标准规描述了BPON、EPON和GPON的主要特征：表2.1BPON、GPON和EPON的技术参数项目BPONGPONEPON下行速率155.52M,622.08Mbit/s1.25G,2.5Gbit/s1.25Gbit/s上行速率155.52Mbit/s156M，622M，1.25G,2.4Gbit/s1.25Gbit/s分支数16或3264（理论上128）32-64线路编码NRZNRZ8B/10B最大传输距离（km）206020TDM支持能力TDMoverATMTDMoverATMTDMoverPacketTDMoverEthernet上行可用宽带（Mbit/s）（传输IP业务）500（在上行622Mbit/s速率情况下）1600（在上行1.244Gbit/s速率情况下）760-860OAM有有有下行数据加密搅动或AES加密AES加密没有定义2.2EPON技术的概念及特点EPON利用以太网作为其第二层的成帧协议。数据传输采用可变长度的包，最长达1518字节。这时IP数据来说是最好的，因为IP数据的平均包长为500-1200字节。EPON对上行数据流和下行数据流传输采用不同的方法。在下行链路上，OLT以广播方式发送以太网数据帧。通过N的无源分光器，数据帧到达各ONU，ONU通过检查接收到的数据帧的目的媒体接入控制（MAC）地址和帧类型来判断是否接收此帧[3][4]。图2.1表达EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。图2.1EPON的WDM技术为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：（1）下行数据流采用TDM技术；（2）上行数据流采用TDMA技术。图2.2中表述EPON的下行传输原理：数据从OLT到多个ONU广播式下行，根据IEEE802.3协议，每一个包的表明是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3…ONUN）中的唯一一个。另外，部分包可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播），在光分路器处，流量分成独立的三组信号，每一组载有所有指定ONU的信号。当数据信号到达该ONU时，它接收给他的包，摈弃那些给其它ONU的包。举例说明：图2.2中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摈弃包2和包3。图2.2EPON工作原理——下行数据传送图2.3中表述EPON的上行传输原理：在上行链路上，各ONU的数据帧以突发方式通过共同的无源分配网传输到OLT，因此必须有一种多址接入方式保证每个激活的ONU能够占用一定的上行信道带宽。与卫星通信的多址方案类似，可选的方案有：波分多址（WDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和随机接入（CSMA/CD）。最理想的接入方式应该是WDMA方式，即：每一个ONU占用一个波长，OLT根据波长的不同来区别ONU，但由于可调光收发器成本较高，WDMA方式使EPON的管理较为复杂；随机接入的CSMA/CD协议的带宽利用率太低，网络跨距受协议限制，且无法支持QOS应用：CDMA中存在多址干扰、光正交码有限和扩频带宽远大于用户数据带宽等问题。EPON的服务对象是家庭用户和小企业，考虑到业务的不对称性和ONU的低成本，EFM工作组决定在上行链路上采用TDMA方式。图2.3EPON工作原理——上行数据传送EPON的标准是IEEE802.3ah，标准中定义了EPON的物理层、MPCP（多点控制协议）、OAM（运行管理维护）等相关容。IEEE制定了EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。采用1Gbps双向对称数据速率，传输距离为10km和20km两种物理层规，采用WDM方式实现单纤双向传输。上、下行分别使用1310nm波长和1490nm波长进行传输。目前可以提供EPON核心芯片的专业厂商不到10家（其中不包括自主设计芯片的系统厂商），在标准讨论的过程中，这些厂商就已开始芯片的设计和验证，因此在802.3ah标准正式颁布时，他们大多数都已推出了第二代和标准完全兼容的芯片，可以迅速支持EPON系统的大规模部署。日前，EPON的核心芯片已发展到第三代SOC（systemonchip）阶段，集成了多端口标准以太网的MAC和PHY、SRAM、CPU以及PON专用的SerDes。以这种芯片为核心，只需要增加少数的外围器件（如模块和接口电路）就可以构成一个完整的系统，某些厂商提供的ONU参考设计，面积只有手掌一半那么大。最近，我国开鼎科技，中国唯一拥有EPON芯片核心技术的国企业，日前与中国电力科学研究院通信与用电技术分公司就“基于PON的配用电光通信OLT/ONU芯片合作开发”正式投产强保护、高安全、低功耗、体积小的芯片。据介绍，开鼎科技自创建伊始即专注于光接入网核心芯片的研发，是中国第一家、全球第四家EPON系统核心芯片供应商。在对EPON系统核心芯片拥有自主知识产权的基础上，KDT为产业链提供应用系统的设计开发服务，为光网络终端制造商提供简便易用、高性价比的芯片产品。EPON光收发模块的产业链已经完整并开始与EPON系统的发展互相推动，二者开始步入良性循环的轨道；ONU模块的价格从最初的200美元以上下降到目前不足50美元，价格水平已经和普通的千兆以太网光模块相当。模块价格的下降反过来又带动了EPON系统的规模部署速度，日本和韩国都已开始了大规模的EPON商业化应用。EPON模块的主流厂商也从日本和美国转移到中国的和陆。现在能够提供EPON模块的厂商已经有10-20家。提供EPON系统的最初都是一些新兴专业厂商，如Alloptic和Salira。现在传统的主流电信大厂也开始进入该领域，如：富士通、UT斯达康和烽火集团，极大地带动了EPON的产业化发展。我国从EPON国际标准制订一开始就把EPON列入国家的“863”重大项目，支持格林威尔等国厂商对EPON关键技术进行攻关，2004年初完成“863”项目的验收，之后滚动投入二期资金支持优秀厂商进行EPON系统的商业化推广。现在，能够提供商用EPON系统的厂商近10家，从技术水平上看，因为几乎同步开发，国外厂商的差别很小。而价格方面，国厂商占优。影响成本的因素是多方面的，比如：技术复杂度、规模产量以及市场应用规模。从技术角度来看：EPON“进入门槛”很低，容易吸引大批厂商加入EPON产业联盟。EPON继承了以太网“简单即是美”的优点，尽量只做最小的改动来提供增加的功能，这就使得传统的以太网芯片厂商可以很容易地进行EPON芯片设计，新的设计公司也能利用随处可得的以太网相关IPcore(具有知识产权的设计核)来加入EPON芯片设计的阵营。目前EPON的第三代芯片的价格并不比前两代芯片价格高（甚至还有下降的趋势），功能却不可同日而语。从产量规模角度来看：EPON系统厂商在标准制订过程中就已经开发了早期的系统，开始进行小规模现场试验，一方面随着标准的演化及时跟进，另一方面也为将来的的大规模部署积累着相关的工程和服务经验。这样在标准颁布之时就早已做好了各方面的准备，一旦需求爆发，马上就能够大规模部署。日本YahooBB之所以能在EPON标准刚正式颁布不久即大规模采用EPON部署FTTH，就是因为EPON的工艺技术如火纯青。这反而又大大促进了EPON产业的发展，仅其一家的采购规模就足以拉低EPON光模块的价格。EPON模块价格已接近传统模块。目前对EPON多业务能力质疑最多的就是它传输传统TDM业务的能力。且不说目前EPON设备厂商采用的各种TDMoverEthernet的专利技术提供了EPON单一网段的TDM业务传输通道，从测试结果来看，其性能完全满足1.5ms时延等指标要求，完全符合传统TDM业务的应用标准。就是在普通的以太网设备上，也可以使用各种标准的PWE3（PseudoWireEmulationEdgeToEdge）设备提供跨网段、端到端的、透明的传统点对点TDM通道。而且，随着传统TDM业务量所占比例的日趋减少，使用分组交换技术，把TDM业务收容到日益扩大的分组网络中来，无疑将是一种更为经济的手段。即使是现在部署的G/EPON系统，也会更看重其对各种以太网数据业务的支持能力。对于IPTV、VOIP等IP/以太网基础上的多业务，EPON更是可以很好地承载。对模拟的CATV业务，EPON采用增加一个波长进行承载。在安全性方面，EPON也使用标准的基于AES的加密技术。2.3EPON的网络结构和体系结构2.3.1EPON的网络结构EPON的网络结构如图2.4所示。EPON位于业务网络接口（SND）到用户网络接口（UNI）之间（即接入层），主要分成三部分:一个光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT）、多个光网络单元（OpticalNetworkUnit，ONU）和光分配网络（OpticalDistributionNetworks，ODN）[5]。其中OLT设备位于中心局端（CenterOffice，CO），充当交换机和路由器的角色。ONU设备位于用户端，用于暂时存储用户端传来的上行数据或者OLT传来的下行数据，并在适当的时候进行数据转发。ODN由光纤和光分路器/合路器（Sputter/Combiner）等无源器件组成。用户经过EPON，通过OLT所连接的不同SNI节点，可以接入Internet、PSTN等网络，能够为用户提供多种不同的网络服务。图2.4EPON的网络结构2.3.2参考模型以太网无源光纤网络（EPON）是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型，参考结构如图2.5所示。图2.5EPON参考结构EPON系统由局侧的光线路终端（OLT）用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成，为单纤双向系统。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过一个1：N的无源光分路器（或几个分路器的级联）到达各个ONU；在上行方向（ONU到OLT），一个ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络利用率，上行方向采用TDMA多址接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁。ODN在一个OLT和一个或多个OUN间提供一条或多条光通道，每个光通道被限制在一个特定波长窗口。由于是无源分路，因此在性和安全性方面需要采取特殊措施。ODN由POS和光纤构成，POS是一个连接OLT和ONU的无源设备，可以置于全天候环境中，它分发下行数据并集中上行数据，一般一个POS的分线比为8、16、32或64，并可多连接。OLT位于中心交换局的机架上，它既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供EPON系统与业务供应商的核心数据、视频和网络间的接口，它通过一个EMS到业务供应商的网络上。OLT可提供各种广域网接口，可与DCS、话音网关、IP路由器等设备相连：还可提供多个吉比特以太网和10吉比特以太网接口，提供第二层和第三层的交换与路由功能，OLT根据需要配置多块OLC（光线路卡）。OLC与多个ONU通过POS（无源光切分器）连接。ONU/ONT位于用户端，放在一个住户、企业或MDU/MTU处。ONU与ONT的区别在于ONT直接位于用户端，而ONU与用户间还有其他网络如以太网。ONU提供客户的数据、视频和网络与PON间的接口。ONU的主要功能是接收光信号并将其转换为客户需要的形式，如以太网、IP多播、POTS、T1等。EPON的独特之处是：ONU除了终接和转换光信号外，还提供第二层和第三层交换功能，允许在ONU上实现企业数据流的部路由。2.3.3协议栈图2.6描述了EPON系统的协议分层以及与ISO/IECOSI参考模型之间的关系。由于EFM工作组的目的是以尽量小的协议改动将以太网引入接入网畴，目前暂定的协议分层（图2.6）与千兆以太网的协议分层相比，物理层定义几乎相同（主要改动是增加功率控制功能），主要的区别是在数据链路层增加了两个子层：多点接入子层和以太网仿真/安全子层。多点接入子层用于支持上行和下行链路的多点接入：仿真子层的作用是将一点对多点的通信等效为传统以太网的对等实体的通信（P2P）；安全子层主要用于下行链路的MAC帧加密[6]。图2.6EPON协议分层和OSI参考模型间的关系从EPON的结构图和协议分层图可以看出：EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，ONU应尽量简单和廉价，并且在EPON中，一方面由于传统的点到点的光纤线路已转变为点到多点的光传输结构（类似于卫星通信），在上行的TDMA方式中必须考虑延时、快速同步和功率控制等问题；另一方面由于传统的MAC层的CSMA/CD协议在EPON中已被弃用，必须在802.3协议栈中增加支持EPON的MPCP协议、OAM和QoS机制。2.3.4EPON各部分的功能1.ONU的功能ONU位于用户端，终结来自ODN的光信号，并为用户提供各种服务接口，实现用户接入。ONU的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此ONU需要提供一系列光物理接口，实现光/电、电/光的转换以及上行数据的突发发送和下行数据的连续接收，还要完成对语声信号的数/模和模/数转换、复用、信令处理和维护管理功能。ONU的位置有很大灵活性，既可以设置在用户住宅处，也可以设置在DP（分线盒）处甚至FP（交接箱）处，按照ONU在用户接入网中所处的位置不同，可以将OAN划分为几种基本不同的应用类型，即光纤到路边（FTTC），光纤到楼（FTTB），光纤到办公室（FTTO）和光纤到户（FTTH）。ONU作为客户端设备，应该具有低廉的成本以及即插即用的特性。ONU实现的功能如下：（1）接收OLT发送的广播数据，判断是否将数据转发给用户，取出属于该ONU的信息并合理安排要发送给OLT的信息；（2）响应OLT发出的注册、测距、带宽分配及功率控制等命令；（3）对用户的数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送数据；（4）其它相关的以太网功能和QoS功能。2.OLT的功能OLT是整个EPON系统的核心部件，既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台。根据以太网向城域网和广域网发展的趋势，OLT向上将提供Gpbs和lOGpbs的高速接口，支持WDM传输：还提供在ODN上高效发送或接收分组数据的能力，包括复用需送至各ONU的信息以及识别来自各ONU的信息;同时利用突发业务的统计复用特性，针对用户的服务等级协议（ServiceLevelAgreement，SLA）的不同要求进行带宽分配，提高信道利用率，保证多种业务对传输带宽使用的公平性，支持QoS功能;提供有效的用户管理机制，能够实现AAA（Authentication，AuthorizationandAccounting）。同样也提供光物理接口，实现光/电、电/光的转换以及上行数据的突发接收和下行数据的连续发送。OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备。OLT主要实现以下功能：（1）向ONU以广播的方式发送以太网数据，能支持多种业务，提供多个用户网络接；（2）发起并控制测距过程，并记录测距信息；（3）发起并控制注册过程，使ONU自动发现注册；（4）为ONU分配带宽，即控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小；（5）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；（6）其它相关的以太网功能。3.ODN的功能ODN是一个连接OLT和ONU的无源设备，呈树形分支结构，具有光波长透明性、互换性和光纤兼容性等光特性。它的功能是分发下行数据和集中上行数据。ODN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ODN的分线率为8或16，并可以进行多级连接。从EPON的功能划分可以看出，EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，而ONU的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本[7]。EPON的关键技术EPON具有很高的性价比，能够为终端用户提供可靠的数据、话音和视频业务，其带宽远远大于现有的其它接入网技术。目前对EPON系统的几种关键技术的研究的容和难点如下[8][9]：3.1多点控制协议多种控制协议（Multi-PointControlProtocol）由IEEE802.3ah任务组[10]开发。MPCP是为MAC控制子层的一种双向消息协议，它使用消息、状态机和时钟来控制P2MP拓扑结构的访问。一个P2MP的PON结构由一个OLT和多个ONU组成，结构中的每个ONU包含一个MPCP实例，用于和位于OLT的MPCP实例通信。MPCP负责仲裁多个ONU的数据传输，它指定了实现P2MP的PON结构中上行信道资源的无碰撞分配机制。MPCP不涉及任何具体的带宽分配算法，而是提供了一个实现EPON中各种带宽分配算法的框架[11]。EPON系统实现的重点和难点是在上行方向上，故IEEE802.3ah工作组重点讨论了MPCP协议，定义MPCP协议的目标是[12]：（1）支持具体的点到点仿真（P2PE）；（2）OLT处支持多个LLIDs和MAC客户；（3）每个ONU支持单个LLID；（4）支持单拷贝广播机制；（5）允许动态分配带宽的灵活体系结构；（6）使用32bit的时间标签；（7）基于体系结构的MAC控制；（8）发现设备的测距目的是提高网络性能；（9）连续的测距目的是补偿RTT时间浮动。MPCP在已有的Ethernet控制帧的基础上又定义了5个控制帧，以实现EPON系统的启动注册、时间同步、时隙分配等功能。MPCP功能的实现位于分层结构的MAC控制子层。在EPON的标准体系中IEEE802.3ah中，主要定义了以下5种控制帧：GATE、REPORT、REGISTER_REQ、REGISTER及REGISTER_ACK。其中前两个用于控制数据的发送，后三个用于ONU的自动发现模式，自动发现模式用于检测新连接的ONU并测量它的往返时间RTT（RoundTripTime）和ONU的MAC地址。控制帧的一般结构如表3.1所示[13]。表3.1MPCP控制帧的一般结构Preamble/SFD8bytesMACDA6bytesMACSA6bytesLength/Type（8808）2bytesOpcode2bytesTimeStamp4bytesData/Reserved/Pad40bytesFCS4bytes以太控制帧的类型值为0x8808，以太数据帧的类型字段则为它的长度。不同的控制帧有着不同的操作码和数据/保留/填充区，时间戳用于携带时间信息，以同步整个EPON系统，其他部分与通常MAC帧定义均相同。由表3.1可以看出，每种控制帧除去前导码/帧起始定界符之后都是64字节，正是以太网帧的最小长度。控制帧名称GATEREPORTREGISTERREQREGISTERREGISTERACK操作码（opcode）00-0200-0300-0400-0500-06表3.2MPCP协议中各种控制帧的操作码从系统上行传输总带宽中减去各种系统运行开销就是上行可用带宽。它与系统中包括的ONU数量、DBA（动态带宽分配）算法的轮询周期、承载业务的类型以及各业务所占比例等都有很大关系。EPON是宽带接入技术，承载的业务以IP数据业务为主。下面将计算EPON在包含32个ONU，轮询周期为750s的情况下，承载纯IP业务时的上行可用带宽。EPON的上行线路速率是1.25Gbit/s，因为采用了8B/10B线路编码，每10bit中有8bit有效数据，所有其有效上行传输总带宽为1Gbit/s，即1000Mbit/s。EPON上行的系统运行开销及其占总带宽的比例如下：（1）用于突发接收的物理层开销：约2.5%；（2）以太网帧的封装开销：约7.4%；（3）MPCP（多点控制协议）和OAM（运行管理维护）协议开销：约2.9%；（4）DBA算法造成的剩余时隙（即不足以传输一个完整以太网帧的时隙）浪费：约0.6%；EPON上行总开销为上述开销之和，约为144Mbit/s，可用带宽约为856Mbit/s（即1000Mbit/s-144Mbit/s）。MPCP主要包括三个控制过程：GATE过程、REPORT过程、DISCOVERY过程。其中GATE过程和REPORT过程，控制上下行带宽分配，保证数据有序传输，实现一个OLT与多个ONU的正常通信。DISCOVERY过程使OLT可以自动发现并注册ONU。(1)GATE过程MPCP的一个关键原则是每时刻只允许一个ONU占用上行信道。OLT通过发送GATE消息向ONU授权，告诉传送窗口的起始时间（StartTime）和间隔大小（Length）。ONU接收到GATE消息后等待自己的传送窗口打开（StartTime到来），然后开始向OLT发送数据:当传送窗口关闭时（经过Length大小的时间间隔后）停止发送，等待下一次授权和授权所指定的窗口。这里需要注意的是:授权GATE只是一个控制命令，是OLT用来告诉ONU什么时候可以上传数据而发送的一个消息。传送窗口是ONU上传数据的时间区间。通常ONU接收到授权后需等待一段时间才能传送数据。GATE具体过程如图3.1所示：图3.1GATE过程图(2)REPORT过程为了优化带宽分配，OLT须实时监控各ONU的传输需求，所以OLT的授权必须以ONU的申请(REPORT)为前提。ONU在传送窗口除了发送一般数据也会向OLT发送命令数据REPORT消息，向OLT报告本地还有多少数据等待下次发送。OLT才能够根据每个ONU的申请统筹规划，动态分配带宽。MPCP没有定义带宽分配算法，但自定义的算法需要符合“OLT应尽量满足ONU需求”的基本原则。MPCP要求OLT必须定期向ONU授权。所以在ONU没有数据申请时，也要向其发送一个空授权（窗口的Length仅够ONU发送下一个的REPORT帧，不附带任何其他上行数据）。只有这样才可以保持链路激活和OLT、ONU同步。(3)DISCOVERY过程OLT启动时首先要运行DISCOVERY过程，自动发现活动的ONU，将它连接到EPON上（ONU登录）。此后OLT还会周期调用DISCOVERY过程动态发现新启动的ONU或掉线后重新恢复的ONU，使它们能及时登录到EPON上。此外还可以通过该过程实现重新登录（Reregister）和注销（Deregister）。在登录过程中ONU和OLT可以相互交换性能参数，使得EPON的介质更加广泛，不同厂商的设备可以互连互通。DISCOVERY具体过程如图3.2所示。（1）OLT广播DISCOVERYGATE，向所有ONU通知DISCOVERY窗口的时间围；（2）未登录的ONU在DISCOVERY窗发送REGISTERREQ消息，告知OLT自己的MAC地址，及其他性能参数；（3）OLT在一个DISCOVERY窗可能收到多个正确的REGISTERREQ请求。OLT收到REGISTERREQ后：a)为该ONU分配LLID，并将该LLID与其MAC地址绑定；b)记录ONU参数并作相应处理；c)发送REGISTER消息通知ONU登录是否成功，返回LLID等参数，并回应ONU的性能参数；（4）OLT向ONU发标准GATE，授权ONU回复REGISTERACK；（5）ONU在GATE所授权的窗口回应REGISTERACK。OLT正确收到REGISTERACK标志着对该ONU的DISCOVERY过程结束。ONU登录后正常的数据传送开始。图3.2ONU的DISCOVERY过程需要注意的是：DISCOVERY窗口是唯一允许多个ONU同时占用上行信道的时段。当ONU在发出REGISTERREQ的一段时间，如果没有收到OLT发给自己的REGISTER，该ONU就认为自己发送的REGISTERREQ与其它ONU发送的REGISTERREQ发生了冲突，从而自动进入冲突的处理算法。对于注册冲突，主要有两种处理方案：（1）随机延迟时间:发生注册冲突后，发生冲突的ONU仍然每次都响应DISCOVERYGATE，但它在新的注册窗口中，ONU发送REGISTERREQ前随机等待一段时间（时间小于DISCOVERY窗口大小）。这种方法可以缩短ONU加入系统的时间，但是要增大注册开窗的长度，从而降低系统的带宽利用率。（2）随机跳过开窗:发生注册冲突后，发生冲突的ONU随机跳过若干个DISCOVERYGATE才开始重新响应。采用这种方法比随机延迟时间的方法所需时间多，但是不需要增大注册窗口，从而也不会影响到整个系统的带宽利用率[14][15]。3.2测距与同步EPON中的各ONU上行接入采用TDM方式，因此OLT和ONU在开始通信前以及通信过程中必须建立并保持同步，才能避免碰撞。而测距（ranging）是获得RTT的过程。MPCP(位于OLT和所有ONU中的)各自维护一个本地时钟，OLT中的时钟作为全局时间。当MPCP消息从高层的MAC控制客户端到达MAC控制子层时，MPCP用本地时间对消息标以时戳（timestamp）。EPON的同步和测距正是通过时戳完成的。基本过程如图3.3所示[16]。（1）OLT在时刻TI发送GATE帧给ONU，在GATE帧中加时间标签为T1；(2)ONU在T2时刻接收GATE帧后，根据时间标签T1将自己的本地时钟置为T1；(3)ONU在本地时间为T3时开始上传REPORT帧，在REPORT中加时间标签T3；(4)OLT在时刻T4收到该REPORT帧，得到时间标签T4。则RTT=TAB十TCD=(T4-Tl)-(T3-T2)=(T4-TI)-(T3-TI)=T4-T3，因此可以看出OLT只需将收到REPORT帧时的绝对时间T4减去收到REPORT帧中时间标签中的时间T3就可以得到RTT的值了。图3.3RTT测量3.3QoS和OAM在QoS方面，EPON定义了8个优先级队列，DBA算法也考虑了对不同优先级队列的宽带分配策略和公平性等问题。对于数据包中的IP优先级或以太网优先级可以很容易地映射到这8个优先级队列中，再通过DBA算法保证其传输的带宽和时延，因此完全可以满足不同业务的QoS要求。例如：对TDM业务，使用EPON的QoS机制，就可以保证期各项指标要求。在OAM方面，EPON标准中定义了远端故障指示，远端环回控制和链路监视等基本的OAM功能，对于其它高级的OAM功能，则定义了丰富的厂商扩展机制，让厂商在具体的设备实现中自主增强各种OAM功能。而且EPON标准还从便于开通维护的角度定义了一套OAM能力的自动协商机制（与以太网端口的自动协商机制类似），可以在无需人工参与的情况下，自动识别并配置OLT和ONU两端的OAM能力。另外，比较有特色的是，EPON定义了一种PON端口的环回测试功能，把PON链路的性能测试功能嵌入到系统之中，可以在无需外部测试仪表的情况下，进行PON链路的性能检测，大大方便了系统的开通和故障定位。3.4动态带宽分配在EPON系统的上行方向，采用TDMA（时分多址接入）方式实现多个ONU对上行带宽的多址接入，其带宽分配方案可分为静态带宽分配的和动态带宽分配。静态带宽分配方式的原理是OLT周期性为每个ONU分配固定的时隙作为上行发送窗口。其优点是实现简单，但存在带宽利用率低、带宽分配不灵活、对于突发性业务适应能力差等问题。动态带宽分配（DynamicBandwidthAllocation，DBA）就是OLT根据ONU的实时带宽请求获取各ONU的流量信息，通过特定的算法为ONU动态分配上行带宽，保证各ONU上行数据帧互不冲突。DBA具有带宽效率高，公平性好、能够满足QoS要求的优点。DBA采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，ONU根据分配的时隙发送信息。其分配准许算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反应信元到达时间分布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。EPON系统的DBA的实现基于两种MPCP帧：GATE消息和REPORT消息。ONU利用REPORT帧向OLT汇报其上行队列的状态，向OLT发送带宽请求。OLT根据与该ONU签署的服务等级协议（SLA）和该ONU的带宽请求，利用特定的算法计算并给该ONU发布上行带宽授权（Grant），以动态控制每个ONU的上行带宽。EPON系统的DBA一般采用轮询方式。其针对每个ONU的工作过程如图3.4所示。（1）DBA的工作流程是Gate→Report→Gate→Report，如此循环；（2）OLT给ONU发布的grant在Gate消息中承载；（3）ONU通过Report消息使OLT了解其本地的队列状态和业务流量；（4）Grant的分配是基于特定算法的；（5）DBA要按照SLA进行grant分配（包括保证带宽、最大带宽等参数）。图3.4DBA实现流程图3.5安全性考虑EPON下行方向的数据采用广播形式，每个ONU都可以接收OLT发送给所有ONU的信息，802.3ah标准中为每个连接的ONU设定LLID值，每个ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据包和广播数据包，其余的数据包丢弃不再转发。在正常情况下这样可以区分不同用户的数据，但是一些非法用户可以通过一些网络手段获取所有LLID的信息，所以产生了一些安全隐患，比如信息被侦听、OAM信息被修改或重发，伪造OAM信息、以合法身份对网络进行攻击等。为此必须对MPCP帧和OAM帧及发送给每个ONU的下行信号进行加密。OLT可以定时发出命令，要求ONU更新自己的密钥，OLT就利用每个ONU发送来的新密钥对发送给该ONU的数据进行加密，从而保证每个ONU从接收到的OLT数据中，只能按照自己的密钥译出属于自己的数据，保证下行信息安全地到达目的地，确保每个用户的隐私。为了防止有的用户对不属于自己的信息采用逐个试探的方法进行解密，所以要定期对密钥进行更新。加密问题仍然是一个尚待解决的技术难题。第4章EPON的应用4.1EPON的应用特点EPON接入系统具有如下特点：

（1）局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；（2）EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了传输协议转换带来的成本因素；（3）采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；（4）上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活地根据用户需求的变化动态分配带宽；（5）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；（6）EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太网的格式进行传输，辅以网管系统，来保证传输质量。4.2EPON在接入网中的应用模型利用EPON技术是实现FTTP的有效网络解决方案，根据目前各运营商对于信息化的需求来看，大致可分为小区、工业区、商业街区和边远地区几种接入方式，下面将逐一进行分析。4.2.1EPON在小区接入中的应用在小区接入中，ONU可设置在用户端（FTTH）或楼道（FTTB），光分路器可设置在楼道或小区机房。对于FTTH模式，由于用户数不确定，为了提高设备的利用率、降低成本及方便维护，光分路器的设置应相对集中，采用一级分光，可选择在小区机房或者小区的光交接箱。采用这种方式建设，无论用户数多或少，设备的利用率都是最大化的，但是用户数较多时对接入光缆的需求量相对较大。网络结构如图4.1所示。图4.1小区FTTH模式对于FTTB模式，ONU设置在楼道，一般需要配合楼道交换机进行业务的接入，光分路器的设置建议与FTTH方式相同。网络结构如图4.2所示。图4.2小区FTTB+LAN模式小区FTTH将在实现“三网合一”的时期体现出巨大的优势，但考虑到相关政策的限制，并不是所有运营商都能实现，因此目前在利用EPON进行小区接入时采用FTTB+LAN的模式将是最佳方案。4.2.2EPON在工业区接入中的应用工业区一般均为企业用户，建议将ONU设置在企业的接入机房，结合其部交换机完成各类业务的接入。这种模式类似于小区接入中的FTTB模式，建议在工业区所属区域设置合适的接入汇聚节点，将OLT放置在接入汇聚节点；在工业区围，可采用树型结构，沿着主干道选择合适的点（机房或光交接箱）放置一级光分路器，再根据企业的分布情况布设二级分路器和ONU，以最大限度地节省光缆。网络结构如图4.3所示。图4.3工业区EPON接入模式考虑到分路器的多级设置，每个分路器将覆盖一定围的企业用户，因此建议多设置光交接箱。若无法设置较多的光交接箱，则建议增大光缆芯数，便于未来大量企业的接入。此外，如果需要采用EPON的环路保护，则需要将从汇聚点引出的骨干光纤以成环方式建设。4.2.3EPON在商务街区接入中的应用商务街区的特点是沿街分布众多的商务楼，楼分布着多家公司，因此一般将ONU设置到公司，即FTTO（光纤到办公室），ONU通过交换机或路由器与公司部网相连。网络结构如图4.4所示。图4.4商务街EPON接入模式1FTTO模式类似于小区接入中的FTTH模式，建议将光分路器设置在每栋大楼，ODN采用树型或链型组网。建设初期，建议将OLT放置在附近的接入汇聚机房，光缆可沿大楼的分布情况建设，在每栋大楼的地下室或者在大楼相对集中的地带设置光交接箱，用来放置光分路器。考虑到这种模式在用户数较多时对ODN骨干光纤的需求量较大且采用环型组网方式，建议EPON的ODN骨干光纤使用较大芯数光缆。如果条件允许，建议在大楼相对集中、业务需求较大的区域寻找合适的点作为未来的接入汇聚节点，将OLT的位置往用户侧靠近，并结合光交接箱的设置，采用星型模式接入附近的业务点以减少光纤的使用量，为将来大规模接入打好基础。网络结构如图4.5所示。图4.5商务街EPON接入模式24.2.4EPON在边远地区接入中的应用对于距离已有传输接入点较远、用户相对集中的边远地区，采用EPON技术将能够很好地发挥其技术优势。将OLT设置在汇聚节点，在用户集中的区域设置光分路器，ONU设置在用户接入点，利用ONU丰富的接口就可以利用极少量的光缆解决众多用户的各类业务需求。网络结构如图4.6所示。图4.6边远地区EPON接入模式这种模式适用于各运营商的信息化村通接入，将OLT设置在接入汇聚节点，光分路器放置在需要重点接入的区域，就可以在只占用2芯接入层光缆的情况下解决多个乡镇、村庄的语音和信息化接入。不过，考虑到EPON的接入距离一般在20km以，如果需要大围地使用EPON接入，则需要将OLT的位置往用户侧靠近，因此需要设置多个接入汇聚节点。4.3EPON组网实例4.3.1商务街区应用实例网吧对于接入带宽要求较高，现有的光纤直连方式解决网吧接入导致宝贵的城域光纤资源被大量占用。某运营商采用EPON利用少量的城域光缆解决了网