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1、 EPON技术的分析一 引言 近几年来，随着光通信技术和计算机网络技术的发展，一方面，作为因特网（Internet）核心的骨干网发生了翻天覆地的变化，宽带IP光传输成为主流，骨干网宽带已从先前的100Mps级上升到10Gbps级甚至是Tbps级。另一方面，因特网用户的接入网却仍然停留以铜线技术为主的低速率水平上（几十Kbps到几百Kbps）。两者在技术的巨大反差表明接入网已成为制约全网进一步发展的瓶颈，目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈的技术手段，诸如双绞线上的xDSL系统，有线电视HFC网上的CableModem和宽带无线接入系统等，但都是一些过渡性的解决方案，唯一能从根本上彻底解决这一瓶颈问
2、题的长远技术手段是光纤入网。光纤接入网采用光纤作为传输媒质，具有传输容量大，质量高，可靠性高，传输距离长，抗电磁干扰等优点，是未来宽带固定接入的发展方向。基于无源光网络的EPON技术简单的说就是以太网无源光网络即以太网技术与PON技术的结合。其中PON技术具备节约光纤资源，网络协议透明传输的特点，在光接入网中起着越来越重要的作用。同时，以太网（Ethernet）技术是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，在经过二十多年的发展后，以其使用简便，价格低廉，组网方便等特点，几乎所有的局域网都采用这种协议，在实际应用中也被证明是承载IP数据包最好的载体。正因为EPON技术同时具备了以太网和PON的
3、优点，所以成为了光接入网必然的发展趋势。由于EPON1技术具有能提供多业务， 成本低， 高带宽以及组网的灵活等优点， 故必将成为运营商网络升级改造的主流应用技术。二 EPON 技术 EPON简介 EPON（Ethernet Passive Optical Network）是PON技术中最主流的一种，由IEEE802.3EFM(Ethernet for the First mile)提出。EPON利用PON的光网络结构实现以太网的接入。EPON是一种采用点到点网络结构，无源光纤传输方式，基于高速以太网平台和TDM时分MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式，提供多种综合
4、业务的宽带接入技术。 无源光网络（PON）2技术是为了支持点到多点应用发展起来的光接入技术，EPON是基于以太网的无源光网络。EPON由局端（OLT），用户端（ONU）和光分配网络（ODN）组成，ODN全部由无源器件组成。EPON采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），下行数据流采用广播技术，上行数据流采用TDMA技术。OLT至ONU间只需一根光纤，局端至用户端传输距离可达20公里。EPON具有同时传输语言，IP数据和视频广播的能力，其中语音和IP数据采用以太网帧格式进行传输，数据业务给用户提供最大带宽为1000Mbit/s，通过扩展第三个波长（通才为1550nm）还可实现
5、视频广播传输业务。 采用EPON技术通过调整ONU 的位置可实现灵活的组网模式，包括FTTB-光纤到大楼，FTTC-光纤到路边， FTTZ-光纤到用户小区，FTTH-光纤到用户家庭等。接入结构见图2-1。 图2-1 EPON网络结构示意图 OLT放在中心机房，它可以看作是一个L2交换机或者L3路由交换机。在下行方向，OLT提供面向无源光纤网络（ODN）的光纤接口；在上行方向，OLT将提供了GE光/电接口，将来10Gbit/s的以太网技术标准定型后，OLT也会支持类似的高速接口。为了提供多业务接入，OLT还可支持E1以及OC3等接口，来实现传统话音的接入或电路中继业务。在EPON的网管方面，OL
6、T是主要的控制中心，内置OAMP Agent，可以管理其下的ONU终端设备，实现网络管理的五大功能。EPON网管可以通过在OLT上通过定义用户带宽参数来控制用户业务质量，通过编写访问控制列表来实现网络安全控制，通过读取MIB库获取系统状态以及用户状态信息等，还能提供有效的用户隔离。ODN是光分发网，由无源光纤分支器和光纤构成。无源光纤分支器是连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据和集中上行数据。无源分光器的部署相当灵活，由于是无源器件，几乎可以适应于所有环境。一般无源光纤分支器的分光比有1：2、1：4、1：8、1：16、1：32、1：64等。一般建议采用一级分光，最多不能超过二级
7、分光。ONU是放在用户驻地侧的终端设备，EPON中的ONU采用以太网协议，实现了成本低廉的以太网第二层交换功能。由于使用以太网协议，在通信的过程中就不再需要协议转换，实现ONU对用户数据的透明传送。OLT到ONU之间采用加密协议保证用户数据的安全性。 在光纤入网技术中，无源光网络是一种很有吸引力的纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。近几年，由于IP的迅速崛起，以太网取代ATM成了最理想的链路层协议，而PON作为接入网物理层仍然是比较理想的，于是依据强强联合的原则，将链路层的以太网和物
8、理层的PON技术结合在一起，有助于开发出新一代的无源光网络，EPON兼具了无源光网络独特的网络结构优势和以太网的低成本优势。 EPON的优点主要表现在：（1）相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需要电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大；EPON系统对局端资源占用很小，模块化程度高，系统初期设备投入低，容易扩展，投资回报率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。（2）提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下对称的的带宽，并且随着一台技术的发展可以升级到1
9、0Gbps（3）服务范围大，EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。（4）带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DBA（动态带宽算法），DiffServ，PQ/WFQ，WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。2.2 EPON原理与结构 2.2.1 EPON原理EPON采用点到多点的拓扑结构，下行采用广播方式，上行采用TDMA方式实现双向数据传输。EPON技术将以太网技术和PON技术结合，其目标是以简单的方式实现点到多点的高速以太网光纤接入。EPON在保留传统以太网结构体系结构的基础上定义
10、了新的应运与EPON系统的物理层(主要是光接口)规范,MAC多点控制协议(MPCP)以及运营维护和管理(OAM)机制,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。一套典型的EPON系统由OLT，ONU/ONT，POS/ODN组成。各个网络单元功能如图2-2所示。 图2-2 EPON网络单元功能 EPON在OLT和ONU间采用单根光纤提供对称带宽，受物理接口限制，实际提供1Gbps带宽，可传输数据、语音和视频业务。EPON 在单芯光纤上采用波分复用（WDM）技术，上下行数据流分别在不同的频段传输。其中，下行 1490nm ；上行 1310nm ；1550nm 可选用于CATV。 下行的
11、数据流采用广播方式，OLT将格式的以太网帧数据流通过单播复制的方式推送到所有的ONU处；ONU通过判断以太网帧帧头里的由OLT分配的LLID（Logical Link ID）来判断是否接收，接收属于自己的数据帧，将不属于自己的数据帧丢弃。如图2-3所示。 图2-3 EPON下行数据流上行的数据流采用时分多址（TDMA）技术，把上行的时间分成了许多的时间片，根据ONU分配的带宽和业务的优先级给ONU的上行数据流分配不同的时间片，每个时间点上光纤上只传送一个ONU的上行数据流。通过OLT和ONU之间协商，避免了ONU上行数据流之间的冲突，不会造成数据丢失。如图2-4所示。 图2-4 EPON上行数
12、据流 2.2.2 EPON关键技术 1 上行信道复用技术 从研究来看，WDM,TDMA 的复用方式是现在的主流方式，WDM是使用发展的趋势，但其主要取决于光器件的发展，因此TDMA成为主要的实现方式。 MPCP是EPON的MAC层技术的核心，也是上行信道复用技术的核心，目前的EFM草案确定在EPON的MAC层中增加MPCP子层。MPCP子层的基石主要有3点一是上行信道采用定长时隙的TDMA方式，但时隙的分配由OLT实施；二是对于ONU发出的以太网帧不作分割，而是组合，即：每个时隙可以包含十个帧，组合方式由ONU依据QOS决定；三是上行信道必须有动态带宽分配（DBA）动能支配即插即用，服务等级区
13、分（SLA）和QOS。 2 OLT的测距和延时补偿技术和ONU即插即用技术 由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多点接入导致各ONU的数据帧时延不同，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞。此外，由于上行信道采用TDMA方式，而20km光纤传输时延可达（105个比特的带宽），为避免OLT接受侧的数据碰撞，必须利用测距和延时补偿技术实现全网时隙同步，使数据包按DBA算法确定时隙到达，并支持ONU的即插即用。测确测量各个ONU到OLT的距离，并精确调整ONU的发送时延，可以减少ONU发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外，测距过程应充分考虑整个EPON的配置情况，
14、例如，若系统在工作时加入新的ONU，此时的测距就不应对其他ONU有太大的影响。EPON的测距由OLT通过时间标记（Timestamp）在监测ONU的即插即用的同时发起和完成。3 突发信号的接收由于OLT接收到的信号为各个ONU的突发信号，OLT必须能在很短的时间（几个比特内）内实现相位的同步，进而接收数据。要求在ONU和OLT中使用支持突发信号的光器件，现有的大部分光器件还不满足这一要求，少数突发模式的光器件也只能工作在155M的速率上，而且价格昂贵。为了实现突发模式，在收发端都要采用特别的技术。光突发发送电路要求能够非常快速的开启和关闭，迅速建立信号，因而传统的电光转换模块采用的加反馈自动功
15、率控制将不再适用，需要使用响应很快的激光器。而在接收端，由于来自各个用户的信号光功率是不同的且是变化的，所以突发接收电路必须在每次收到新的信号时调整接收电平（门限）。突发模式前置放大器的阀值调整电路可以在几个比特内迅速建立起闭值，接收电路根据这个门限正确恢复数据。4 安全性和传输质量在EPON中支持QoS的关键体现在3个方面：一是物理层和数据链路层的安全性；二是如何支持业务等级区分；三是如何支持传统业务。在传统的以太网中，对物理层和数据链路层安全性考虑甚少，因为在全双工的以太网中，是点对点的传输，而在共享媒体的CSMA/CD以太网中，用户属于同一区域。但在点到多点模式下，EPON的下行信道以广播方式发送，任何一个ONU可以接收到OLT发送给所有ONU的数据包。这对于许多应用，如付费电视，视频点播等业务是不安全的，MAC层之上的加解密控制只对净负荷加密，而保留帧头和MAC地址信息，因此非法ONU仍然可以获取任何其它ONU的MAC地址。MAC层以下的加密可以使OLT对整个MAC帧各个部分加密，主要方案是给合法的ONU分配不同的密钥，利用密钥可以对MAC的地址字节，净负荷，检验字节甚至整个MAC帧加密。但是密钥的实时分配与管理方案会加重EPON的协议负担和系统复杂度。目前对MAC帧净负荷实施加密措施已得到EFM工作组的共
