H3CEPON技术白皮书.docx

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H3CEPON技术白皮书

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关键词：

FTTHFTTBFTTxEPON技术白皮书

摘   要：

本文献是关于EPON技术的介绍说明型文档，目的在于说明EPON是一个什么技术、解决了什么问题。

对EPON中的技术细节进行简单描述，可以帮助你了解EPON这种接入技术的特点。

缩略语：

缩略语

英文全名

中文解释

AON

ActiveOpticalNetwork

有源光网络

CATV

CableTV

有线电视网

CO

Centraloffice

中心局

EPON

EthernetPassiveOpticalNetwork

以太网无源光网络

FCS

FrameCheckSequence

前向纠错

FE

FastEthernet

快速以太网

FTTB

FiberToTheBuilding

光纤到大楼

FTTC

FiberToTheCurb

光纤到路边

FTTH

FiberToTheHome

光纤到户

GE

GigabitEthernet

千兆以太网

GEPON

Gigabit EthernetPassiveOpticalNetwork

千兆以太网无源光网络

EPON

EthernetPassiveOpticalNetwork

以太网无源光网络

GMII

GigabitMediaIndependentInterface

千兆比特媒体独立接口

GRE

GenericRoutingEncapsulation

通用路由封装

IPG

Inter-PacketGap

包间隔

ITU-T

InternationalTelecommunicationUnion-TelecommunicationStandardizationSector

国际电信联盟-电信标准部

LLID

LogicalLinkIdentifier

逻辑链路标识

MAC

MediumAccessControl

介质访问控制

MDI

MediaDependentInterface

媒体相关接口

MIB

ManagementInformationBase

管理信息库

MPCP

Multiplepointcontrolprotocol

点到多点控制协议

NIU

Networkinterfaceunit

网络接口单元

OAM

Operation,administrationandmaintenance

操作、管理、维护

ODN

OpticalDistributionNetwork

光分配网

OLT

OpticalLineTerminal

光线路终端

ONT

OpticalNetworkTerminator

光网络终端

ONU

OpticalNetworkUnit

光网络单元

PCS

PhysicalCodeSublayer

物理编码子层

PMA

PhysicalMediumAttachment

物理媒体附加（子层）

PMD

PhysicalMediumDependent

物理媒体相关（子层）

PON

PassiveopticalNetwork

无源光网络

POS

Passiveopticalsplitter

无源分光器

PPP

Point-to-PointProtocol

点到点协议；一种在点到点链路上传输多种协议（网络层协议）数据报文的链路层协议

QoS

QualityofService

服务质量；指报文传送的吞吐量、时延、时延抖动、丢失率等性能

RADIUS

RemoteAuthenticationDialInUserService

远程验证用户拨入服务

RTT

RoundTripTime

往返时间

SLD

StartofLLIDDelimiter

LLID定界符

SNMP

SimpleNetworkManagementProtocol

简单网络管理协议

SONET/SDH

SynchronousOpticalNetwork/SynchronousDigitalHierarchy

同步光纤网/同步数字等级

TDM

TimeDivisionMultiplex

时分复用

目 录

1EPON技术介绍...4

1.1PON技术发展...4

1.2EPON的基本原理...5

1.3EPON的技术优点...7

1.4EPON的传输原理...7

2EPON协议和关键技术介绍...9

2.1EPON协议栈介绍...9

2.1.1EPON的层次模型...9

2.1.2MPCP子层...10

2.1.3EPON的物理层（RS子层、PCS子层、PMA子层、PDM子层）...10

2.2EPON关键技术...13

2.2.1EPON数据链路层的关键技术...13

2.2.2EPON的QoS问题...15

1 EPON技术介绍

1.1 PON技术发展

光纤接入从技术上可分为两大类：

有源光网络（AON，ActiveOpticalNetwork）和无源光网络（PON，PassiveOpticalNetwork）。

１９８３年，ＢＴ实验室首先发明了ＰＯＮ技术；PON是一种纯介质网络，由于消除了局端与客户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。

PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。

目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等几种，其主要差异在于采用了不同的二层技术。

图1 PON的两个主要标准体系

APON是上世纪90年代中期就被ITU和全业务接入网论坛（FSAN）标准化的PON技术，FSAN在2001年底又将APON更名为BPON，APON的最高速率为622Mbps，二层采用的是ATM封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。

为更好适应IP业务，第一英里以太网联盟（EFMA）在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术，IEEE802.3ah工作小组对其进行了标准化，EPON可以支持1.25Gbps对称速率，随着光器件的进一步成熟，将来速率还能升级到10Gbps。

由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。

对于Gbps速率的EPON系统也常被称为GEPON。

100M的EPON与1G的EPON的不同在速率上的差异，在其中所包含的原理和技术，是一致的，目前业界主要推广的是GEPON，百兆位的EPON也有不多的一些应用。

在后面文档中提到的EPON，如果没有特别说明，都是指千兆位的GEPON。

EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。

EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网上提供多种业务。

目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。

10Gbps以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决方案。

在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。

在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元（ONU）与光线路终端（OLT）之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带宽。

另外，EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。

在EFMA提出EPON概念的同时，FSAN又提出了GPON，FSAN与ITU对其进行了标准化，其技术特色是在二层采用ITU-T定义的GFP（通用成帧规程）对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射，能提供1.25Gbps和2.5Gbps下行速率，和155M、622M、1.25Gbps、2.5Gbps几种上行速率，并具有较强的OAM功能。

如果不考虑EPON可以看得到的不久将提升到10Gbps速率（10G以太网已经成熟），当前在高速率和支持多业务方面，GPON有优势，但技术的复杂和成本目前要高于EPON，产品的成熟性也逊于EPON。

光纤接入从90年代初就走上了舞台，总的说来是一种“说得多，做得少”的技术。

PON系统无疑是其中佼佼者，EPON与GPON，两种技术各有千秋，无论是EPON技术还是GPON技术，其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求，而价格则是最核心因素，ADSL的发展就充分证明了这一点。

实现全光纤的FTTH是宽带接入的发展方向，但是实现全部的光纤接入，需要一个过程。

设备、光纤、工程成本和应用的业务需求，都是其广泛推广与使用的关键因素。

第一步从FTTB开始，充分利用PON的技术，和现有的以太网的优势（成本底、使用广），然后逐步过渡到FTTH是一条比较合理的选择。

1.2 EPON的基本原理

与其它PON技术一样，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。

图2 

图3 EPON原理

EPON的系统结构如图2所示。

一个典型的EthernetoverPON系统由OLT、ONU、POS组成。

OLT（OpticalLineTerminal）放在中心机房，ONU（OpticalNetworkUnit）放在用户设备端附近或与其合为一体。

POS（PassiveOpticalSplitter）是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。

EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：

1310nm，下行波长：

1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟电视信号）。

OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（PON接口）。

根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个1Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM传输。

OLT还支持ATM、FR以及OC3／12／48／192等速率的SONET的连接。

如果需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1／E1）可以被复用连接到出接口，OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoS／SLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。

OLT根据需要可以配置多块OLC（OpticalLineCard），OLC与多个ONU通过POS（无源分光器）连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个POS的分光比为8、16、32、64，并可以多级连接，一个OLTPON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关，一般是固定的。

在EPON中系统，OLT到ONU间的距离最大可达20km。

在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1：

N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。

在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：

N无源分光器耦合到同一根光纤，最终送到位于局端OLT接收端。

根据ONU在所处位置的不同，EPON的应用模式又可分为FTTC（光纤到路边）、FTTB（光纤到大楼）、光纤到办公室（FTTO）和光纤到家（FTTH）等多种类型。

在FTTC结构中，ONU放置在路边或电线杆的分线盒边，从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆；传送宽带图像业务，则采用同轴电缆。

FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。

从目前来看，FTTC在提供2Mbps以下窄带业务时是OAN（称光纤接入网）中最现实、最经济的方案，但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。

在FTTB结构中，ONU被直接放到楼内，光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN，即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。

FTTB与FTTC相比，光纤化程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。

           FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。

1.3 EPON的技术优点

EPON的优点主要表现在：

●             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少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。

●             提供非常高的带宽。

EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。

●             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。

●             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。

1.4 EPON的传输原理

EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据，而APON根据ATM协议，按照固定长度53个字节包来传送数据，其中48个字节负荷，5个字节开销。

这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。

用APON传送IP业务，数据包被分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5个字节开销。

这个过程耗时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本。

此外，每一48个字节段就要浪费5个字节，造成沉重的开销，即所谓的ATM包的税头。

相反，以太网传送IP流量，相对于ATM开销急剧下降。

EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。

所采取的不同的上行/下行技术分别如图3所示：

当OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。

ONU上电后，根据OLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。

图4上下行传输原理

数据从OLT到多个ONU以广播式下行（时分复用技术TDM），根据IEEE802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识（LLID），该标识表明本数据帧是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3......ONUn）中的唯一一个。

另外，部分数据帧可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播），在图3的组网结构下，在分光器处，流量分成独立的三组信号，每一组载到所有ONU的信号。

当数据信号到达ONU时，ONU根据LLID，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它ONU的数据帧。

举例，图3中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摒弃包2和包3。

对于上行，采用时分多址接入技术（TDMA）分时隙给ONU传输上行流量。

当ONU在注册时成功后，OLT会根据系统的配置，给ONU分配特定的带宽，（在采用动态带宽调整时，OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态的给每一个ONU分配带宽，动态带宽调整的进一步说明见后面章节）。

带宽对于PON层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。

在一个OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU与OLTPON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。

通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行包不会互相干扰。

对于安全性的考虑。

上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信号，所以ONU之间的通信，都必须通过OLT，在OLT可以设置允许和禁止ONU之间的通信，在缺省状态下是禁止的，所以安全方面不存在问题。

对于下行方向，由于EPON网络，下行是采用广播方式传输数据，为了保障信息的安全，从几个方面进行保障：

●             所有的ONU接入的时候，系统可以对ONU进行认证，认证信息，可以是ONU的一个唯一标识（如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号），只有通过认证的ONU，系统才允许其接入。

●             对于给特定ONU的数据帧，其它的ONU在物理层上，也会收到数据，在收到数据帧后，首先会比较LLID（处于数据帧的头部）是不是自己的，如果不是，就直接丢弃，数据不会上二层，这是在芯片层实现的功能，对于ONU的上层用户，如果想窃听到其它ONU的信息，除非自己去修改芯片的实现。

●             加密，对于每一对ONU与OLT之间，可以启用128位的AES加密。

各个ONU的密钥是不同的。

●             VLAN隔离：

通过VLAN方式，将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的VLAN，保障相互之间的信息隔离。

2 EPON协议和关键技术介绍

2.1 EPON协议栈介绍

2.1.1 EPON的层次模型

 对于以太网技术而言，PON是一个新的媒质。

802.3工作组定义了新的物理层。

而对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。

EPON的层次模型如下：

图5 EPON的层次模型

2.1.2 MPCP子层

EPON系统通过一条共享光纤将多个DTE连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源分光器的树形分支结构。

MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制。

EPON作为EFM讨论标准的一部分，建立在MPCP（Muti-PointControlProtocol多点控制协议）基础上，该协议是MACcontrol子层的一项功能。

MPCP使用消息，状态机，定时器来控制访问P2MP（点到多点）的拓扑结构。

在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。

作为EPON/MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。

该子层是通过在每个数据包的前面加上一个LLD（LogicalLinkIdentification）逻辑链路标识来实现的。

该LLID将替换前导码中的两个字节。

PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备，即OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即ONU。

MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。

系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告、以便优化PON系统内部的带宽分配。

EPON系统通过MPCPDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。

 MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。

MPCP多点控制协议位于MACControl子层。

MACControl向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。

2.1.3 EPON的物理层（RS子层、PCS子层、PMA子层、PDM子层）

EPON物理层通过GMII接口与RS层相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。

物理层的主要功能是将数据编成合适的线路码；完成数据的前向纠错；将数据通过光电、电光转换完成数据的收发。

整个EPON物理层由如下几个子层构成：

●             物理编码子层（PCS）

●             前向纠错子层（FEC）

●             物理媒体附属子层（PMA）

●             物理媒体依赖子层（PMD）

同千兆以太网的物理层相比，唯一不同的是EPON的物理层多了一个前向纠错子层（FEC），其它各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。

前向纠错子层完成前向纠错的功能。

这个子层是一个可选的子层，它处在物理编码子层和物理媒体附属子层中间。

它的存在引入使我们在选择激光器、分光器的分路比、接入网的最大传输距离时有了更大的自由。

从宏观上讲，除了FEC层和PMD层以外，各子层基本上可以同千兆以太网兼容

1.PCS子层（物理编码子层）

PCS子层处于物理层的最上层。

PCS子层上接GMII接口下接PMA子层，其实现的主要技术为8b/10b，10b/8b编码变换。

由于10比特的数据能有效地减小直流分量，便于接收端的时钟提取，降低误码率，因此PCS层需要把从GMII口接收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出。

这个高速的8b/10b编码器的工作频率是125MHz，它的编码原理基于5b/6b和3b/4b两种编码变换。

PCS的主要功能模块为：

●             发送过程：

从RS层通过GMII口发往PCS层的数据经过发送模块的处理（主要是8B/10B）：

根据GMII发来的信号连续不断地产生编码后的数据流，经PMA的数据请求原语把他们立即发往PMA服务接口。

输入的并行八位数据变为并行的十位数据发往PMA。

●             自动协商过程：

设置标识通知PCS发送过程发送的是空闲码、数据、还是重新配置链路。

●             同步过程：

PCS同步过程经PMA数据单元指示原语连续接收码流，并经同步数据单元指示原语把码流发往PCS接收过程。

PCS同步过程设置同步状态标志指示是否PMA层发送来的数据是否可靠。

●             接收过程：

从PMA经过同步数据单元指示原语连续接收码流。

PCS接收过程监督这些码流并且产生给GMII的数据信号，同时产生供载波监听和发送过程使用的内部标识、接收信号、监测包间空闲码。

PCS子层的发送、接收过程在自动协商的指示下完成数据收发、空闲信号的收发和链路配置功能。

具体数据的收发满足RD平衡规则。

在链路上传输的数据除了256个数据码之外，还有12个特殊的码组作为有效的命令码组出现。

在EPON系统中，按照单纤双向全双工的方式传送数据。

当OLT通过光纤向各ONU广播时，为了对各ONU区别，保证只有发送请求的ONU能收到数据包，802.3ah标准引入了LLID。

这是一个两字节的字段，每个ONU由OLT分配一个网内独一无二的LLID号，这个号码决定了哪个ONU有权接收广播的数据。

这个两字节的字段所处的位置见下图所示。

图6  LLID在帧中的位置