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1、 EPONEthernet passive optical networkAlan QiuPONv无源光网络PON(Passive Optical Network)：指ODN（光配 线网）不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路 器（Splitter：分支器）等无源器件组成，不需要贵重的有源 电子设备。 vPON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号 处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方 式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投 入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较 小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。EPONvEPON是由OL
2、T(光线路终端)、ONU(光网络 单元)以及ODN(光分配网络)等单元构成的 点到多点 系统。其系统拓扑多为星型或树 型分支结构，下行方向(由OLT到ONU)采用 广播方式，每一个ONU将接收 到所有下行 信息，根据其LLID提取有用信号；上行方向 (由ONU到OLT)采用时分方式共享系统，通 过 接入控制机制将各个ONU有序接入。 EPON的上、下行信息速率均为1 Gb/s，由 一根光纤采用波分复用实现全双工通信。 EPON关键技术vLLID与仿真子层vMPCPv自动化注册和测距vOAMLLID与仿真子层v仿真子层目的：v1.使下层MPCP的网络处理方式看起来像多 个P2P的集合；v2.LL
3、ID改变了以太网的固有特性，是传输质 量获得可以控制的基础；v实现方法：v在每个分组之前，添加一个LLID，替代前导 码的前2个字节；v实现机制：v1.在注册成功后，分配唯一的LLID；v2.OLT在接受数据时比较LLID注册列表；v3.OUN在接受数据包时，只接受与自己符合 的LLID的包或者广播包；MPCP在采用点对多点(P2MP)通信的网络设备中,主单元和从单元之 间要采用MPCP来实现数据的有效传输.EPON系统是一种典 型的点到多点传输/接入设备,采用MPCP,可以实现一个可控 制的网络配置 . MPCP在MAC控制层实现引入了5条新的控制 消息:Gate、Report、Regist
4、er-req、Register、Register-ack.采 用MPCP可以优化网络资源,如利用测距,可以实现多个ONU 共享传输线路,提高了带宽利用率;ONU可以报告其带宽需求, 使网络管理者根据情况进行动态带宽分配(DBA).通过P2P仿 真,MPCP可以和现有的以太网兼容,传统的以太网帧格式仍然 被保留 MPCP消息帧(MPCPDU)结构 vMAC控制帧帧长为64字节.其结构如图所示.v v(1) 在消息帧的前导码(Preamble)中,有1 bit 的模式用来标记是P2P模式还是广播方式, LLID是逻辑链路标记 ;v(2) 目的地址(DA):指MAC-Control多播地址, 或MP
5、CPDU要到达的目的端口MAC地址.;v(3) 源地址(SA):指MPCPDU发送的源端口 MAC地址. v(4) 操作码:5条MPCPDU的操作码分别如图所 示 v(5) 时戳:在发送MPCPDU时,利用时戳传递 当前的时间信息,即本地时间寄存器 的值.v(6) 数据域:用于MPCPDU的内容填充,如果 未使用,则填充为0.v(7) FCS:帧校验序列.自动化注册v在EPON系统中，最开始的也是至关重要的 一步就是要解决光网络单元(ONU)的注册问 题.为实现PON系统良好的可扩展性和方便 的操作维护管理，在系统开通运行后，随业 务发展需要增加新的ONU或故障修复后的 ONU要重新加入到系统
6、时，希望这些ONU 能够自动地加入而不影响正常工作的ONU . 因此ONU的自动加入是PON系统的关键技 术之一. OUN自动加入过程v1. OLT每隔1s向系统各个ONU广播发送目的地址为广播 LLID（全零）的注册授权，并根据系 统内距离最远的ONU 确定开窗大小（例如：10 km为150s；20 km为250s； 30km为 350s）. 注册授权的发送是否被激活由网管决定， 当网管允许新ONU加入时，向OLT发 出使能信息，OLT收 到网管发出的使能信息后，就可以周期性地发送注册授权.该 周期内的剩 余带宽将由在线的ONU平均分配.OLT发送注册 开窗后，等待ONU的应答，一旦发现有O
7、NU应答 则自动运 行ONU加入的各个步骤；如果没有应答，那么1 s后重新发 送注册授权.当OLT收到网 管的停止加入的信息后，就停止 发送注册授权.v2. 新的ONU收到注册授权后，在开窗分配 的时间内向OLT发送注册请求帧，并等待接 收OLT 发送的注册帧.如果ONU在发送注册 请求帧后100 ms（系统可配置）内还没有 收到OLT发出的 注册帧，则认为注册冲突 ，自动延迟一定时间（18 s，系统可配置 ）后，等待OLT新 的注册授权开窗.v3. OLT接收到ONU发出的注册请求帧后，由系统软件为该 ONU分配ONU ID，然后以广播LLID 向该ONU发送注册帧 ，目的MAC地址指向该O
8、NU.需要考虑的是当有多个ONU正 好同时需要加入 系统时，自动加入流程如何处理.此时可能 有多个ONU收到OLT发出的注册授权，并都在开窗 给定的 时间内向OLT发送注册请求帧.当OLT在同一个注册开窗内收 到多个ONU的没有混叠的 注册请求帧时，OLT不作任何处 理.只有OLT在同一个注册开窗内只收到唯一一个注册请求帧 时，OLT才对此注册请求帧进行处理. v4. 在发送了注册帧后，OLT为注册确认帧发 送注册确认帧授权（带宽授权），并等待该 ONU 发出的注册确认帧，该授权在OLT认 为ONU注册失败前始终有效.如果OLT在发 出注册确认帧 授权后50 ms内没有收到该 ONU发出的注册
9、确认帧，那么OLT认为该 ONU注册失败，向该ONU发 送要求其重新 注册的信息. v5. 新ONU收到注册帧后,用新分配的ONU ID 覆盖原来的ONU ID，同时等待OLT的注册 确认帧 授权以发送注册确认帧，通知OLT 新ONU ID刷新成功，同时等待最小带宽授 权.如果ONU在发 送了注册确认帧后，100 ms内还没有收到OLT发出的最小带宽授权 ，那么ONU认为自己注册失 败，ONU ID自 动复位，重新等待注册授权.v6. OLT在发送注册确认帧授权后的50 ms（ 系统可配置）内收到ONU的注册确认帧， 那么OLT 认为该ONU刷新ONU ID完成，该 ONU注册成功，否则认为O
10、NU注册失败.测距技术v测距技术的引入：vPON的上行方向是个多点点网络。PON 中光配线网（ODN，Optical Distributed Network）部分为共享光纤媒质，上行通道 采用TDMA方式进行多个ONU的上行接入； 因为交换局（Central Office）和每个网络单 元的距离是各不相同的，如果每个单元将在 他自己的时隙发送，由于传输延时的不同， 在来自不同网络单元的光纤的连接点就会出 现数据冲突。如下图所示 v为确保每一个 ONU的上行信元在 OLT复用 时能够插入指定的时隙且彼此不发生碰撞， OLT需要一套功能，测量每一ONU和OLT之 间的距离（即延时），并指挥每个ON
11、U调整 发送时间，以确保该 ONU的上行信元在OLT 规定的时刻到达使之不致相互冲突。如图2所 示。通过这个机制能通过把所有ONU都调整 到和OLT相同的逻辑距离处的方法来实现。 这种测量ONU的距离，然后把每个ONU都调 整到OLT的相同“虚”距离处的过程就称为测距 （Ranging）。 测距基本原理要想避免上行数据的冲突，需要确保不同的ONU到OLT的 总的逻辑距离相同。这个总的逻辑距离时间就是均衡环路 延时Teqd，他是个常数。由OLT向ONUi发测距指令， ONUi收到指令后即时发 回相应的测距脉冲。OLT从发出测距指令到收到相应测距 应答指令的时间差即为OLT和ONUi间的光纤传输延
12、时 Tiloop。则ONUi为达到均衡环路延时而需要插入的控制延 时Tdi Teqd Tiloop。OLT把Tdi放入下行信息传给 ONUi，ONUi据此调整自己的发送时间。OLT依次对每个 ONU进行上述操作，即可避免上行信号的碰撞。开窗测距法v当有ONU需要测距时，OLT发出指令使所 有运行中的ONU在某段时间内暂停上行业 务，相当于在上行时隙内打开一个测距窗口 ；同时命令需测距的ONU向上发送一个特 别的信元。OLT记录从发出命令到收到ONU 的响应信元的延时，即可得到此ONU的环 路延时值Tloop。这种方法的好处是利用成 熟的数字技术，实现简单、精度高、成本低 。缺点是测距占用上行带
13、宽。 开窗测距实现流程vONU上电后，OLT初始化测距进程，并广 播发送控制消息；所有运行的ONU一接收 到这个控制消息，则挂起他们的上行业务。 vOLT启动和连接的比特速率相对应频率的内 部计数器 v OLT给需要测距的ONU发送测距（Range ）控制消息，设定T0Tx为测距消息的发送 时间。 v测距消息在TidT0Tx时间到达ONUi，Tid 是从OLT到ONUi的传输延时。 vONUi一接收到RANGE消息，他将给OLT发 送回应（ACK）消息。因为所有的ONU已 挂起他们的上行发送，所以这个消息将不会 和其他的上行发送消息冲突。设定TiTx为回 应（ACK）消息的发送时间。 v 回应
14、（ACK）消息在时间TiRT =T0Tx+Tid+TiTx+Tiu到达OLT，Tiu是从 ONUi到OLT的传输延时。这个时间由读取 第二步启动的计数器得到 v所有的延时根据链路速率的bit表示。T0Tx和TiTx能分别表 示为测距（Range）消息和回应（ACK）消息的长度： T0Tx 测距（Range）消息的长度（bits） TiTx 回应（ACK）消息的长度（bits）则OLT到ONUi的光纤传输延时（无发送时间的延时）是： Tiloop = Tid + Tiu = TiRT T0Tx TiTx TiRT 测距消 息长度回应消息长度为了补偿因环路长短不同等原因使 环路延时发生的变化，使得
15、不同ONU的Teqd为一常数，需 要给ONUi 插入的补偿延时值为： Tdi Teqd Tiloop vOLT通过延时设置消息（Set_delay Message）发送ONUi的补偿延时值Tdi。延 时设置消息是广播式发送的，所以其他的 ONU收到这个消息后，将重新开始他们的 上行数据发送。ONUi将存储Tdi的值，将他 应用到所有的上行传输中。这样，这个被测 ONUi的总环路均衡延时就限定在Teqd这个 固定值，从而避免了上行的数据冲突。 vTid：从OLT到ONUi的传输延时 （i1，2 ）Tiu：从ONUi到OLT的传输延时 （i1，2 ）EPON的OAM功能vEPON OAM主要功能要
16、求包括： a) 远端故障指示 1) 支持单向操作的物理层设备在故障期间可支持OAM远端 故障指示； 2) 符合RS子层规定的用户接入物理层设备在故障期间可支 持OLT至ONU的单向OAM远端故障指示操作； 3) 除上面列出的物理层设备外，其他设备在故障期间不支 持OAM远端故障指示单向操作，一些设备在物理层有专门 的远端故障指示机制。 b) 远端环回：提供了一种支持数据链路层帧一级环回模式 的机制。 c) 链路管理 1) 支持包括诊断信息的事件通知； 2) 支持轮询MIB变量。 d) 其他 1) OAM的实现和激活是可选的； 2) 可扩展用于高层应用。 v802.3ah明确说明，EPON的OAM不包含如下功能：(1)和单条链路不相关的管理功能，比如保护倒换和设 备管理。标准定义的OAM只是定位在链路段（OAM帧不能 穿过交换机），不支持端到端的OAM通信。(2)业务提供和协商功能，比如带宽分配，速率适配和 速度/双工协商等功能。(3)OAM数据的安全性保证和OAM实体的认证不在标 准定义的范畴。(4
