FTTH建设装维培训基地参考教材part1-FTTH基础知识

FTTH建设装维培训基地参考教材part1—FTTH基础知识1内容提纲2FTTH技术简介FTTH技术概况

PON系统基本原理FTTH

PON系统的实现FTTH

组网结构EPON技术简介GPON技术简介

PON系统的多业务承载

典型PON系统及其应用

下一代PON技术

光进铜退文件解读FTTH技术概况——宽带光纤接入及FTTX的概念根据光纤到达用户侧的位臵不同,宽带光接入网的应用方式（建设模式）包括以下几种,这些模式统称为FTTxFTTNFiber

To

TheNode，光纤到节点FTTZFiber

To

TheZone，光纤到小区FTTCabFiber

To

The

Cabinet，光纤到交接箱FTTCFiber

To

TheCurb，光纤到路边FTTBFiber

To

TheBuilding，光纤到楼FTTPFiber

ToThePremise，光纤到用户驻地FTTHFiber

To

The

Home，光纤到户FTTOFiber

To

The

Office，光纤到办公室FTTH、FTTO、FTTP

以全程光纤的方式实现最终用户的接入，包括家庭用户和企业用户，用户接入设备（如

ONU）由单个用户（家庭、企业或办公室）独享3FTTH技术概况——主要的PON技术相同的拓扑——P2MP光纤4BPONEPON

IEEE

802.3标准

以太网封装

技术简单、成本低

标准较完善

技术成熟，已经规模应用GPON

FSAN提出，ITU-T标准化

GEM封装

技术复杂，成本略高

标准仍在完善

已试商用和小规模部署封装协议不同

FSAN提出，ITU-T标准化

ATM封装

技术成熟

在北美有一定规模商用目前FTTH常用的PON技术为EPON和GPONFTTH技术概况——主要的PON技术5IEEE

EPONITU-T

GPON下行线路速率1.25G2.5G上行线路速率1.25G1.25G或2.5G线路编码8B/10BNRZ(+scrambling)分路比6464传输距离20km20km数据链路层协议Ethernet协议，简单Ethernet

over

GEM

and/orATMTDM支持能力TDMover

PacketTDMover

GEM，采用了125us的帧长及定时机制，能够比较容易地支持NativeTDM业务和话音业务运行和管理Eth

OAM(可选SNMP)PLOAM+OMCI下行数据流加密三重搅动AES系统成本低低无源光网络（PON）系统基本原理(1)

上行方向为TDMA方式各ONU上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制TDMA方式6无源光网络（PON）系统基本原理(2)

下行方向为广播方式下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据广播方式7无源光网络（PON）系统基本原理(3)业务节点功能

无源光网络(PON)是指一种点对多点的光接入技术及相应系统

PON系统局端设备和远端/用户端设备之间的光分配网络只包

含无源器件或设施

PON系统的基本组成：– 光线路终端（OLT，局端设备）– 光分配网（ODN，光纤环路系统，包含光分路器、光纤光缆及光缆分线盒、光缆交接箱等一系列无源器件）– 光网络单元（ONU，用户端设备）NMIOLTODNONTUNI8S/RONTSNIR/S接入网系统管理功能无源光网络（PON）系统基本原理(4)供电OAM复用

/解复用功能交换功能ODN

接口功能核心网络ODN

接口功能千兆以太接口千兆以太接口TDM接口业务部分用户端口功能用户端口功能用户供电公共部分OAM复用/解复用功能交换功能ODN接口功能核心部分ODNOLTPON

OLT和ONU的功能模块– PON的核心功能模块– 与L2交换机类似的功能模块ONU9PON的核心功能与L2交换机类似与L2交换机或DSLAM类似FTTHPON系统的实现(1)

机架式OLT（大型）：采用插板式结构，功能复杂、容量大，实现难度高。包括如下板卡– 接口板（或者称为线卡）– 主交换板– 主控板（主控和主交换板可能合在一个板卡）– 上联板（GE/10GE）

盒式OLT（小型）：1U高一体化小设备：2－4个PON口，1－2个上联GE口.功能简单，容量小，实现容易GE/10GE光口GE/10GE光口PONL2

Switch

Fabric(主交换板)控制模块（主控板）PONPONPON

PON光接口 光接口PON光接口机架式OLT设备框图10上联接口模块（上联板）上联接口模块（上联板）接口模块（接口板）接口模块（接口板）接口模块（接口板）FTTHPON系统的实现(2)

PON接口模块是核心

语音处理模块以VoIP的方式提供语音业务

CPU负责整个ONU的控制和管理（包括与OLT与网管的通信）ONU设备框图PON接口模块（含光模块）二层交换模块语音处理模块控制模块（CPU）以太网PHYFE/GEPOTS(RJ-11)PON接口11FTTHPON系统的实现(3)12

SFU（单住户单元）型ONU– 主要用于单独家庭用户，仅支持宽带接入终端功能，具有1或4个以太网接口，提供以太网/IP业务，可以支持VoIP业务（内臵IAD）或CATV业务，主要应用于FTTH

的场合（可与家庭网关配合使用，以提供更强的业务能力）。

HGU（家庭网关单元）型ONU– 主要用于单独家庭用户，具有家庭网关功能，相当于带PON上联接口的家庭网关，具有4个以太网接口、1个WLAN接口和至少1个USB接口，提供以太网/IP业务，可以支持VoIP业务（内臵IAD）或CATV业务，支持TR-069远程管理。主要应用于

FTTH的场合。

SBU（单商户单元）型ONU– 主要用于单独企业用户和企业里的单个办公室，支持宽带接入终端功能，具有以太网接口和E1接口，提供以太网/IP业务和TDM业务。主要应用于FTTO的场合。FTTHPON系统的实现(4)

ODN网络配套器材– 局端配线设施：光配线架等– 光分配点设施：光配线架、光交接箱、光分线盒、光分路器、光分歧接头盒等– 光用户接入点设施：光分路器、光分线盒、光分歧接头盒等– 用户端接设施：用户智能终端盒、光纤信息面板– 其他基本器材：光缆、光纤连接器、尾纤等13FTTH组网结构(1)Scenario

1Scenario

2InternetScenario

3OLTEPONEPONPhoneHGUTVPCSTBPOTSETHETHSFU4FE+2POTS()PhoneTVPCPOTSETH单口SFUPhoneETHPCHGWEPONEPONEPONSTBTVSTBETHVoIPIPTVETHITMSETHETHETH简化型PO上行E8-CNPhoneTVPC14POTSETHPONSTBETHAPScenario

4FTTH组网结构(2)15

FTTH场景的4种主流组网结构– 场景一(HGU)适用于光纤已经布放到用户家中，用户侧放臵PON上行家庭网关为用户提

供业务– 场景二(单口SFU+LAN上行E8-C网关)适用于光纤无法入户或者光纤能够入户但入户点与住宅的中心布线点有距离的场景，SFU放臵在光纤布线点或家庭信息箱中，以太网上行家庭网关放臵在用户桌面，通过住宅内现有的五类线线将SFU和以太网上行家庭网关相连接– 场景三(SFU)

适用于光纤已经布放到用户家中，用户侧放臵SFU设备为用户提供业务– 场景四(简化型PON上行E8-C+AP)光纤接入点和有线网络汇集点一致，该点放臵的无线AP不能完全满足家庭应用的覆盖需求内容提纲16FTTH技术简介EPON技术简介

EPON标准及规范

EPON系统体系结构和总体目标EPON协议栈

动态带宽分配（DBA）ONU认证

PON接口数据安全性

系统保护

网管系统及ONU远程管理和维护GPON技术简介

PON系统的多业务承载

典型PON系统及其应用

下一代PON技术

光进铜退文件解读EPON标准及规范(1)——国际光纤接入技术标准制订历程17

ITU-T

G.982

支持ISDN基本速率及其对应速率业务的光接入网

ITU-T

G.983.1~10

A/BPON系列标准，奠定了PON的基本概念、框架

ITU-T

G.985

P2P光纤以太网标准IEEE制定EPON标准– IEEE

802.3-2005

以太网无源光网络– IEEE

802.3av10GE无源光网络

接入用光纤– G.651.1

光接入网用50/125μm多模梯度光纤光缆特性– G.657

接入网用弯曲损耗不敏感单模光纤– IEC

60793-2-50-Ed3.0（CDV）

光纤.第2-40部分:产品规范B类别的单模纤维分规范EPON标准及规范(2)——国际EPON标准化历程

为了提高以太网在“最后一公里”的应用，IEEE

EFM工作组2000年开始制定了802.3ah标准，其中包括EPON和P2P光纤以太网两种技术：– 点到点光以太网：定义了速率100Mb/s、传输距离10km和速率1000Mb/s、传输距离

10km两种点到点单纤双向光以太网系统。采用WDM方式实现单纤双向传输，上、下行分别使用1310nm波长和1550nm波长进行传输。– EPON：在保留传统以太网体系结构基础上定义了一种新的应用于PON系统的物理层（主要是光接口）规范、一种新的MAC多点控制层协议（MPCP），以实现在点到多点无源光网络中的以太网帧的时分多址接入、一种运行维护和管理（OAM）机制。

2004年，

IEEE

802.3ah标准基本完成，相关芯片出现:Passave(PMC)、Teknovus(Broadcom)

2004年下半年，基本符合IEEE

802.3ah标准的EPON设备出现

2005年，IEEE

802.3ah标准归入IEEE

802.3-2005中，EPON设备也开始在NTT、KDDI等日本运营商规模部署EPON标准及规范(3)——国内光纤接入技术标准制订历程19

1996～2003为第一阶段，主要从事光接入网概貌、HFC、窄带PON、A/BPON的标准制定工作

2005以后迎来了光纤接入及FTTH标准化的高潮，先后制定了一系列技术标准：

设备相关标准：– YD/T

1077-2000

接入网技术要求——窄带无源光网络（PON）– YD/T

1090-2000

接入网技术要求——A-PON– YD/T

1250-2003

接入网测试方法——A-PON– YD/T

1475-2006

接入网技术要求——EPON– YD/T

1531-2006

接入网测试方法——EPON– YD/T

1619-2007

宽带光接入网总貌– YD/T

1636-2007

光纤到户（FTTH）体系结构和总体要求–––––––YD/TYD/TYD/TYD/TYD/T

YD/TYD/T接入网技术要求——GPON无源光网络（PON）设备安全技术要求无源光网络（PON）设备安全测试方法

接入网测试方法－GPON接入网技术要求－EPON/GPON系统承载多业务

接入网技术要求－EPON系统互通性要求

接入网测试方法－EPON系统互通性测试

接入网用光器件的系列标准：APON、EPON、GPON光收发模块技术要求

接入网用光纤光缆系列标准：接入网用光缆、弯曲损耗不敏感单模光纤、光电混合缆EPON标准及规范(4)——中国电信在EPON标准化历程中的努力20

考虑到EPON互通性对于FTTH技术和产业发展的重要性，2005年7月，中国电信启动了EPON互通性研究工作

中国电信牵头成立了由主流芯片和设备厂商组成的工作组推进此项研究

2006年1月制定并发布了《中国电信EPON设备技术要求(含互通性）V1.0》

2006年4月～5月,进行了第二轮芯片互通性测试，主流芯片厂商均基本实现了主要功能的互通

2006年12月，主要设备厂商设备之间实现互通性

2007年2月，中国电信发布《中国电信EPON设备技术要求(含互通性）V1.3》

2007年3－4月，中国电信组织的测试实现了大规模、全面的EPON互通性；随后中国电信开始规模商用

2008年，中国电信发布《中国电信EPON设备技术要求(含互通性）V2.0》

2009年中国电信完成了《中国电信EPON设备技术要求(含互通性）V2.1》EPON系统的总体目标和特点21

OLT与ONU之间信号传输基于IEEE

802.3以太网帧

采用8B/10B的线路编码（8个数据比特编成10个线路比特），数据速率为上下行对称1Gbps,线路比特率为上下行对称1.25Gbps

支持1：64的分光比和10或20公里的传输距离

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波长进行传输以MAC控制子层的MPCP（multi

point

control

protocol）机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构

P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件

提供了一种专门的运行管理和维护（OAM）机制，实现对链路监控、远端环回，并可以进行扩展以实现业务层管理功能EPON协议栈(1)RSMACMACMAC多点MAC控制OAMOAMOAMMACClientMACClientMACClientPCSPMAPMDRSMAC多点MAC控制OAMMAC

Client无源光介质FEC=前向纠错GMII＝千兆比媒质无关接口MDI＝媒质相关接口OAM＝运行、管理和维护OLT＝光线路终端ONU＝光网络单元PCS＝物理编码子层PHY＝物理层PMA＝物理媒质附加PMD＝物理媒质相关RS＝调和子层OSI参考模型分层上层LAN分层LAN分层GMIIMDIPHYMDIGMIIOLTONU上层FECPCSPMAPMDPHYFEC22应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层EPON协议栈(2)23

MAC

Client(媒体访问控制客户端)子层提供终端协议栈的以太网MAC和上层之间的接口OAM子层负责有关EPON网络运维的功能

MAC控制子层负责ONU的接入控制，通过MAC控制帧完成对ONU的初始化、测距、和动态带宽分配。采用申请/授权(Request/Grant)机制，执行多点控制协议(MPCP),MPCP的主要功能是轮流检测用户端的带宽请求，并分配带宽和控制网络启动过程MAC(Medium

Access

Control,媒介接入控制)子层负责物理层的数据转发功能。将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中，并决定数据的发送和接收方式EPON协议栈(3)24RS（Reconciliation

Sublayer,协调子层)子层将MAC层的业务定义映射成GMII接口的信号。RS子层定义了EPON的前导码格式，它在原以太网前导码的基础上引入了逻辑链路标识（LLID）区分OLT与各个ONU的逻辑连接，并增加了对前导码的8位循环冗余校验（CRC8）PCS（Physical

Coding

Sublayer,物理编码子层)将GMII发送的数据进行编码/解码（8B/10B），使之适合在物理媒质上传送PMA（Physical

Medium

Attachment,物理媒介接入）子层为PCS提供一种与媒介无关的方法，支持使用串行比特的物理媒介，发送部分把10位并行码转换为串行码流，发送到PMD层；接收部分把来自PMD层的串行数据，转换为10位并行数据。生成并接收线路上的信号EPON协议栈(4)25PMD（Physical

Medium

Dependent,物理媒介相关）子层主要完成光纤连接、电/光转换等功能。PMD为电/光收发器，把输入的电压变化状态变为光波或光脉冲，以便能在光纤中传输MDI(Medium

Dependent

Interface,媒质相关接口)规范物理媒质信号和传输媒质与物理设备之间的机械和电器接口GMII(Gigabit

Media

Independent

Interface,吉比特媒质无关接口)允许多个数据终端混合使用各种吉比特速率物理层EPON协议栈——EPON系统的物理层规范(1)26PCS（Physical

Coding

Sublayer,物理编码子层):PCS层的扩展以支持在点对多点物理介质中的突发模式操作– 数据监测：扩展突发模式操作，为了避免近端ONU的自发辐射噪声干扰远端ONU的信号，ONU的激光器在信号发送间隔必须能够关闭。为了控制激光器，PCS必须进行扩展以便能根据信号状态产生tx_enable信号，在正确的时刻开/关激光器。– 前向纠错（FEC）：用于提高光连接可靠性和传输距离。– 在物理层10⁻4误码率的情况下使得数据层的误码率达到10⁻¹²误码率– 约3dB的编码增益EPON协议栈——EPON系统的物理层规范(2)27PMA（Physical

Medium

Attachment,物理媒介接入）子层:– 时钟（bit）同步– 接收机对输入数据流的相位和频率同步时间– 为使ONU工作在OLT相同的时钟基准上，ONU的发送（TX）时钟必须跟踪ONU接收（RX）的时钟– 码组对齐（Byte同步）– 码组对其（奇偶对齐）– TCDR和Tcode_group_alignment值之和应小于432ns– TCDR:400ns内比特同步– Tcode_group_alignment:32ns内完成码组对齐EPON协议栈——EPON系统的物理层规范(3)28PMD（Physical

Medium

Dependent,物理媒介相关）子层:– 规定了1000BASE-PX10和1000BASE-PX20两种光模块支持点到多点光纤媒质– 在单模光纤上，以1000Mbps速率，分路比为1:16，传输距离达到10km– 在单模光纤上，以1000Mbps速率，分路比为1:16，传输距离达到20km– 在物理层业务接口上，误码率小于等于10⁻¹²– 目前的PX10/20光模块分别可以达到1:32的分路比和10/20公里的传输距离EPON协议栈——EPON系统的物理层规范(4)1000BASEPX10-U1000BASEPX10-D1000BASEPX20-U1000BASEPX20-D单位B1.1,

B1.3单模光纤最小通道插入损耗（注3）510dB29光纤数目1标称发射波长1310149013101490nm发射方向上行下行上行下行最小范围（注1） 0.5m～10km 0.5m～20km最大通道插入损耗（注2）2019.52423.5dB描述光纤类型描述1000BASEPX20-U1000BASEPX20-D1000BASEPX20+-U1000BASEPX20+-D单位光纤类型B1.1,

B1.3单模光纤光纤数目1标称发射波长1310149013101490nm发射方向上行下行上行下行最小范围（注1）0.5m～20km0.5m～20km最大通道插入损耗（注2）2423.52828dB最小通道插入损耗（注3）1010dBEPON协议栈——EPON系统的物理层规范(5)

突发模式光收发器技术– OLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式– OLT光接收机的突发同步技术– 上行接收数据相位的突变要求OLT

的接收机工作在突发模式接收状态– OLT光接收机的快速功率恢复– 要求OLT在每个接收时隙的开始处迅速调整0-1判决门限– OLT还要进行大范围的自动增益调整（AGC）– ONU光发射机的突发发射和关断– 为抑制自发散射噪声，要求ONU的激光器能够快速的冷却和回暖30EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(1)31RS（ReconciliationSublayer,协调子层)子层– 对IEEE802.3规范的RS子层的扩展，以便多种数据链路层能够使用统一的物理层接口。RS子层实现将具体的MAC实体与其MAC帧的一对一的对应关系– 实现原理：注册过程完成后，MAC层的MODE和LLID变量被赋值，该MAC可以是OLT多个MAC中的一个或ONU的唯一MAC。LLID和MODE用来标识一个数据包是由哪个MAC发送和接收。OLT的PCS工作模式为单向模式– 就RS子层而言，EPON标准仅修改了传统GE（1000BASE--LX）标准中的前导码和帧定界符部分，对以太网帧的主体部分未作任何改变– EPON系统中以太网帧的前导码和帧定界符合并为一个8字节的前导码（Preamble）字段。该字段由以下部分构成：SLD（LLID定界符）、LLID和CRC8。SLD用来定界LLID和CRC8，LLID域识别源MAC或目的MAC。CRC8用于校验EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(2)第5字节的第6、第7比特被中国电信和国内用于搅动信息标识字段（Enc）

EPON技术研究——MAC帧结构传统以太网MAC帧EPON

MAC帧SLD:SLD指示LLID和CRC位置32前导码帧定界符DASA长度/类型数据填充FCS7Bytes1Bytes6Bytes6Bytes2Bytes46—1500Bytes不定4Bytes前导码DASA长度/类型数据填充FCS8Bytes6Bytes6Bytes2Bytes46—1500Bytes不定4Bytes5555SLD5555LLIDLLIDCRC8EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(3)33RS（Reconciliation

Sublayer,协调子层)子层SLD– SLD域用于进行LLID的定位，取值为0xD5。LLID：两个字节，由MODE和logical_link_id联合构成。– Mode变量：1bit，在ONU

MAC中始终为0，在OLT

MAC中，可为1或0：– 当LLID用来表示一个单拷贝广播或是组播通路时，臵为1；– 在表示单播数据时，臵为0。– Logical_link_id：15bit– 值为0x7FFF时，表示对未注册ONU

MAC的广播帧– 对于注册后的ONU

MAC可以用0x7FFF之外的其它值。CRC-8– CRC8域是一个8位循环冗余码– 用于对SLD和LLID域进行校验– 其生成多项式是：G(x)=

x8+

x2+x

+

1EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(4)34

多点MPCP控制帧– MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的发送和接收– MPCP功能是基于专门的协议数据报文完成的，即MPCP数据单元– 目前定义了5种MPCP数据单元：GATE（OLT发出）允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指定的时间段发送数据REPORT（ONU发出）向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳、以及是否有数据需要发送。REGISTER_REQ

（ONU发出）在注册规程处理过程中请求注册。REGISTER（OLT发出）在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求。REGISTER_ACK

（ONU发出）在注册规程处理过程中表示注册确认。EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(5)MPCPDU的通用帧格式目的地址(DA):MPCPDU中的DA为MAC控制组

播地址，或者是MPCPDU的目的端口关联的单独MAC地址。– 源地址(SA):MPCPDU中的SA是和发送MPCPDU的端口相关联的单独的MAC地址。对于源于OLT端的MPCPDU，源地址可以是任意一个单独MAC的地址。– 长度/类型(Length/Type):用于标识MAC控制帧，值16进制的88-08– 操作码(Opcode):操作码指示所封装的特定MPCPDU时间标签(Timestamp):在MPCPDU发送时刻，时间戳域传递localTime寄存器中的内容。该域长度为32比特，对16比特发送进行计数。时间戳计时步进值为16比特– 信息域(Data/Reserved/PAD):这40个八位字节用于MPCPDU的有效载荷。当不使用这些字节时，在发送时填充为0，并在接收时忽略– 帧序列校验(FCS):该域为帧校验序列，一般由下层MAC产生LSBMSB从左到右发送帧中比特从上到下发送帧中字节Octets3566224404b0b7Destination

AddressSource

AddressLength/Type

=

88-08OpcodeTimestampData/Reserved/PadFCSEPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(6)

授权（GATE）帧– GATE消息的目的在于给ONU分配发送窗口，使得ONU可以进行发现消息的发送以及正常的数据发送– 一个GATE消息可包括4个授权– 为了将GATE消息用于OLT到ONU保持激活状态，授权的个数可以被臵为0LSB从左到右发送帧中比特36b0b7从上到下发送帧中字节6622410/40/213-394MSBOctets0/40/20/40/20/40/20/2OLT→ONUDestination

AddressSource

AddressLength/Type

=

88-08Opcode

=

00

-

02TimestampNumber

of

grants/FlagsGrant

#1

Start

timeGrant

#1

LengthGrant

#2

Start

timeGrant

#2

LengthGrant

#3

Start

timeGrant

#3

LengthGrant

#4

Start

timeGrant

#4

LengthSync

TimePad/ReservedFCSEPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(7)报告(REPORT)帧– 报告(REPORT)消息ONU向OLT报告本地队列的信息– 每个报告消息中的时间戳用于计算RTT环路时延– ONU在每个报告消息中指明针对每个802.1Q优先级队列所需的上行带宽– 报告消息用于保持ONU到OLT的激活状态。为了保持OLT端的链路，ONU将周期性地发布报告消息。– OLT可以明确的请求一个报告消息ONU→OLTLSB从左到右发送帧中比特b0b70/2

从上到下发送帧中字节66224110-394MSBOctets0/20/20/20/20/20/20/2根据队列数重复n次37Destination

AddressSource

AddressLength/Type

=

88-08Opcode

=

00

-

03TimestampNumber

of

queue

setsReport

bitmapQueue

#0

ReportQueue

#1

ReportQueue

#2

ReportQueue

#3

ReportQueue

#4

ReportQueue

#5

ReportQueue

#6

ReportQueue

#7

ReportPad/ReservedFCSEPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(8)注册请求（REGISTER_REQ）帧– REGISTER_REQ

MPCPDU由某个未发现ONU的MAC控制实体产生，响应发现过程的GATE帧– OLT收到注册请求帧时，就掌握了ONU的RTT环路时延和ONU的MAC地址– 标识域标识该注册请求帧的类型– 授权悬挂域向OLT指示ONU可以存储未来授权的缓存容量。DBA不发布超过ONU存储能力的授权ONU→OLTLSBMSB从左到右发送帧中比特38Octets6622从上到下发4

送帧中字节11b0b7384REGISTER_REQ

MPCPDU的标志域

(flags)Destination

AddressSource

AddressLength/Type

=

88-08Opcode

=

00

-

04TimestampFlagsPending

grantsPad/ReservedFCS值指示描述0保留接收时忽略1RegisterONU请求注册2保留接收时忽略3DeregisterONU的重注册请求。相应的，解除分配的MAC并重新使用LLID。4-255保留接收时忽略EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(9)注册（REGISTER）帧– REGISTER

MPCPDU由对应于所有ONU的MAC控制实体产生，并被标记为广播LLID– 分配端口携带被分配给ONU的LLID，该值为EPON系统中唯一的。在OLT和ONU之间建立一条单播的逻辑链路OLT→ONUREGISTER

MPCPDU的标志域

(flags)LSBMSB从左到右发送帧中比特从上到下发送帧中字节39Octets6622421b0b721344Destination

AddressSource

AddressLength/Type

=

88-08Opcode

=

00

-

05TimestampAssigned

portFlagsSync

TimeEchoed

pending

grantsPad/ReservedFCS值指示描述0保留接收时忽略1Register要求ONU进行重注册2Deregister请求解除端口分配并释放LLID，相应的也要解除MAC分配。3Ack请求重注册成功4Nack高层实体否定注册请求5-255保留接收时忽略EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(10)注册确认（REGISTER_ACK）帧– REGISTER_ACK

MPCPDU由对应于某个激活的ONU的MAC控制实体产生，该

MPCPDU被标记为单播类型的LLIDONU→OLTREGISTER_ACK

MPCPDU的标志域(flags)LSBMSB从左到右发送帧中比特404

从上到下发送帧中字节Octets662212b0b72354Destination

AddressSource

AddressLength/Type

=

88-08Opcode

=

00

-

06TimestampFlagsEchoed

assigned

portEchoed

Sync

TimePad/ReservedFCS值指示描述0Nack上层实体否定请求的注册尝试1Ack注册进程成功确认2-255保留接收时应忽略EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(11)

ONU的发现、注册和认证– OLT以一定间隔发送一个发现窗口。新上线的ONU可以利用这个窗口进行注册和认证，进而被OLT接纳– OLT基于MPCP消息中的

timestamp字段进行测距OLT基于ONU的MAC地址进行ONU的认证Discovery

Handshake

CompletedDimGrant

startREGISTER_REQ

{DA=MAC

Control,SA=ONU

MAC

address,content=Pending

grants}1REGISTER1

{DA=ONU

MAC

address,SA=OLT

MAC

address,content=LLID+

Sync

Time+echo

of

pending

grants}Gate2

{DA=MAC

Control,SA=OLT

MAC

address,content=Grant}REGISTER_ACK2

{DA=MAC

Control,SA=ONU

MAC

address,content=echo

of

LLID+echo

of

Sync

Time}1Messages

sented

in

the

broadcast

channel2Messages

sented

in

the

unicast

channels41OLT

ONUGate1

{DA=MAC

Control,SA=OLT

MAC

address,content=Grant+Sync

Time}Gate__TiERsingscoverywindowRegistermeoutRandoDelayREGISTProcesTimeEPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(12)42

ONU完成注册后的MPCP协议交互– ONU完成注册后，系统维持一个Keep-alive机制– OLT定期（最低50ms一次）发送Gate消息给ONU，ONU也定期（最低50ms一次）的发送Report消息给OLT– 如果OLT在一定时间内没有收到ONU发来的任何MPCP消息，则认为该ONU的MPCP协议异常，将解注册（Deregister）该ONU– 如果ONU在一定时间内没有收到OLT发来的任何MPCP消息，则认为与OLT之间的链路异常或者OLT的MPCP协议异常，也将自动解注册– MPCP协议基于MPCPDU中的timestamp进行动态测距，确保多个ONU上行

TDMA的有序性EPON协议栈——

EPON系统的数据链路层协议(13)43

测距– OLT与各ONU间的环路时延不同：– 各

ONU距

OLT的光纤路径不同– 各ONU元器件的不一致性– 环境温度的变化和器件老化，环路延时也会发生不断的变化– 测距是保证PON系统内ONU上行方向不发生时隙冲突的基础– 测距包括静态测距和动态测距：– 静态测距：用在新的ONU安装调试阶段、停机的ONU重新投入运行时，通过开窗测距技术获得往返时延，并对时延差异进行补偿– 动态测距：应用于系统运行过程中，通过检测往返时延的变化对温度、光电器件老化等因素的影响进行补偿– 测距要求– 测距精度高，一般要求在全

1～2BYTE内– 测距过程对运行中的其它ONU的影响最小，保证运行业务的QOS– 测距范围大，即能提供的均衡延时大动态带宽分配（DBA）(1)44

动态带宽分配– 相对于静态带宽分配（SBA），DBA是指OLT基于用户的业务等级协议（SLA），结合ONU的本地队列状态的汇报（Report帧中的Queue

＃nReport）或者业务预测,动态的给ONU分配上行带宽的技术– 优点：实现高效的上行带宽利用率和保证业务的公平性和QoS– DBA是采用轮询ONU的方式，例如每1ms给该PON下所有ONU各分配一次grant（每个ONU的grant的大小可能是不同的）

。轮询周期Cycletime对上行业务时延有一定影响动态带宽分配（DBA）(2)

动态带宽分配的实现机制之一– OLT与ONU之间的控制机制– EPON系统采用多点控制协议(MPCP)。MPCP协议的功能之一就是提供OLT和ONU之间的控制方法DBA的工作流程是Gate－Report－Gate－Report，如此循环OLT给ONU发布的grant在Gate消息中承载ONU通过Report消息使OLT了解其本地的队列状态和业务流量– DBA要按照SLA

(包括保证带宽、最大带宽等参数)，结合ONU本地流量情况，通过特定算法为每个ONU进行带宽分配45Ethernet

portclassifier46OLTEthernet

portclassifyEthernet

portclassifyONU

1ONU

2ONU

N...schedulerschedulerschedulerschedulerOLTLLID

1LLID

2LLID

N动态带宽分配（DBA）(3)

动态带宽分配的实现机制之二– OLT的DBA算法(DBA功能的核心)– 功能性：应支持固定带宽、保证带宽、尽力而为带宽3种带宽类型– 高性能：DBA算法应尽可能简单、高效、保证调度的实时性、精细度和精确性– 扩展性：DBA应支持至少32个ONU同时在线时的调度，在线ONU数量的多少也不应影响DBA的性能指标– 强健性：DBA算法和实现DBA的软硬件模块应足够稳定可靠– 两级调度算法– OLT和ONU的两级调度算法典型的DBA算法PON接口数据安全性(1)47

下行数据安全性– 因为PON的多点广播特性，所有的下行数据都会被广播到PON系统中所有的ONU上。如果有一个匿名用户将它的ONU接收限制功能去掉，那么它就可以监听到所有用户的下行数据，这在PON系统中称为“监听威胁”– PON网络的另一个特点是，网络中ONU不可能监测到其它ONU的上行数据– 在PON上解决安全性的措施是OLT对下行信息加密（包括所有的数据帧和OAM帧）– 系统应针对每个LLID进行搅动，每个LLID有独立的密钥。– 加密的核心问题包括：– 加密算法– 密钥的产生和传递– 密钥的更新与同步PON接口数据安全性(2)48

下行数据安全性– 加密算法：– AES-128;安全性很高，但不符合国内的商用密码管理条例– Churning；安全性较低，简单– Triple－Churning：中国电信的专利技术，提高了churning的安全性中国电信采用TripleChurning算法– 密钥是ONU由上行用户数据中提取的3字节数据与3字节随机数ExclusiveOR

(XOR)异或相加的结果– 密钥由ONU以OAM消息的方式传送给OLT，OLT利用这个密钥根据特定的加密算法对下行数据进行加密– 密钥更新：密钥必须周期性更新– 密钥同步：因为密钥需要定期更新，所以需要一个同步机制，使ONU能够知道当前使用的哪个密钥PON接口数据安全性(3)ONUOLTnew_key_requestnew_churning_key

(key

0)dechurn

with

key

0Tkeychurn

with

key

0…Cipher

text（key

0）new_churning_key

(key

1)Cipher

text(key

1)new_key_requestdechurn

with

key

149churn

with

key

1PON接口数据安全性(4)

三重搅动– 三重搅动算法是在单重搅动（single

churning）算法的基础上扩展而成，增加了搅动后数据的时域关联性，进而提高用户数据的安全性LLID

CRCDASAL/TYPEDataFCSPreamble明文加密前加密后LSBMSBReservedSLD

Reserved

0x5555

0x5555LLIDCRC

DA

SAL/TYPEDataFCSPreamble数据搅动区ReservedSLD

Reserved0x5555

0x5555– Flag位（bit

1）：

搅动标记，表示该帧是否被搅动；0：明文；1：密文– Key_Index位（bit

0）：

密钥索引，指示ONU在解搅动过程中要采用的密钥编号。当搅动功能关闭时，Key_Index位的值应为“1”50高六位FlagKey_Index系统保护(1)51

OLT的设备级保护功能– 主控板的1＋1冗余保护，保护时间应为毫秒级– OLT设备应配2个电源模块，形成1＋1冗余保护，并做到业务无中断的电源切换（业界普遍采用分布式供电，电源倒换一般对业务无影响）– OLT支持对板卡和终端配臵信息的保护，能够在板卡或中端重新上线后的自动配臵恢复– OLT板卡热插拔系统保护(2)52

OLT上联链路的链路聚合– 链路聚合是的OLT的多个上联端口成为一个聚合组，以扩展OLT的上联流量，并能实现上联链路之间的保护，是普遍需要的功能– OLT应支持至少4个链路聚合组，GE端口的链路聚合组的最大可聚合的端口数不应小于4个– OLT应支持上联板内的端口链路聚合和上联板间的端口链路聚合。– 主流OLT设备普遍支持链路聚合功能，但在板间保护保护以及倒换时间上存在一定的差异系统保护(3)

OLT的双归属上联保护方案– 在OLT直连BRAS/SR的情况下，可通过VRRP方式实现OLT上联链路的保护– 两台BRAS/SR之间运行VRRP协议，并可启用BFD

for

VRRP加快故障检测速度– 当OLT上联链路故障时，VRRP进行主备切换，OLT将流量发送到备用BRAS/SR– 后续，随着OLT功能的增强，可引入电信级以太网保护技术，如xlink、EAPS等，实现OLT主备端口间的快速切换，并解决OLT通过汇聚交换机上联情况下的保护问题OLTBRAS/SR城域骨干网OLTBRAS/SRVRRP+BFD对于重要客户或关

键业务，OLT需提供双归属上联保护，

以避免单点故障，

实现高可靠接入53系统保护(4)54

光链路保护倒换功能– 对商业客户而言，OLT到ONU之间的光纤链路保护是其比较重要的需求之一– 光链路的保护有赖于光纤的双路由，主要有四种方式。前两种只需要主干光纤双路由，后两种种需要全程双路由– 光链路保护主要有四种实现方式：类型a,类型b,类型c和类型d光链路保护功能要求

详细定义了4种光链路保护的类型，OLT应支持类型a或类型b，应支持类型c和类型d。ONU可选支持类型c和类型d系统保护(5)PONMAC...ONU1...光模块1光模块2ONU

N......ONU1ONU

N......PON

MAC

光模块PON口（1）PON

MAC

光模块PON口（2）PON

口PON

口PON口（1）PON口（2）PONMAC......OLTONU1ONU

N1:N光分路器1:N光分路器...光模块1PONMAC光模块2光模块1光模块2PON口（1）PON口（2）......OLTONU1ONU

N1:N光分路器1:N光分路器光模块 PON

MACPON口（2）光模块 PON

MACPON口（2）...55...类型a：业务中断时间应小于150ms类型b：业务中断时间应小于150ms类型c：业务中断时间应小于200ms类型d：业务中断时间应小于50msPON口PON口光模块PON

MACPON口（1）光模块PON

MACPON口（1）ONU认证56

由于EPON系统采用点到多点的拓扑结构，网络管理系统难以

从物理端口上判断ONU的合法性。为防止非法ONU接入EPON系统，应提供ONU认证功能。

主流实现方式：– 基于MAC地址的认证基于ONU的MAC地址对ONU合法性进行认证– 基于逻辑标识的ONU认证采用ONU的逻辑标识码（LOID＋Password或者SN）进行合法性认证– 混合认证模式同时支持基于MAC地址的ONU认证方式和基于逻辑标识的ONU认证方式ONU远程管理和维护(1)——EPON57

如何实现ONU与OLT之间的运行管理和维护功能是非常重要的。特别是OLT对ONU的远程管理– 管理能力的发现– 必要的信息查询– 配臵– 控制协议必须的一些管理功能

IEEE

802.3-2005

定义的OAM协议– OAM功能原理– OAMPDU简介

中国电信的OAM扩展ONU远程管理和维护(2)——EPON58

OAM协议提供了OAM实体之间的运行、管理和维护信息的交互

OAM功能由OAM协议数据单元在OLT和ONU之间承载就OAM功能而言，OLT与ONU是主从关系：OLT处于Active模式，ONU处于Passive模式OAM协议定义了事件通告（Critical

link

Event、link

event）、loopback、机构扩展等机制

OAM能力也需要一个发现机制：OAM发现提供了

一个OLT和ONU双方互相探测对方OAM子层是否存在的机制

OAM是一个slow

protocol，每对实体间每秒最多发送10帧；

OAM也有一个keep－alive机制（每秒最少向对等实体发送一个OAM帧），如果5s没有收到对等实体的OAM帧，则认为OAM链路中断，重新开始OAM发现过程

OAM协议提供了一种机构自行扩展以支持更多高层功能的机制；中国电信也基于此机制进行了扩展ONU远程管理和维护(3)——EPON

OAMPDU包括如下几种：InformationEvent

NotificationVariable

Request（MIB请求）Variable

Response（MIB响应）Loopback

ControlOrganization

Specific59ONU远程管理和维护(4)——EPON

OAM的发现：– OAM发现是利用Information

OAMPDU完成的OLTEvaluatingONUEvaluatingStableStableOAM

INFO(flag=0x08,OLT

local

evaluating)OAM

INFO(flag=0x28,ONU

local

evaluating)OAM

INF