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以太网无源光网络接入技术

       在光纤接入技术中,由于无源光网络(PON)具有成本低、对业务透明、易于升级和管理等优势得到了大力发展和推广应用,正在接入网中扮演着越来越重要的角色。概括来讲,根据接入协议的不同,PON分为基于ATM的APON、基于Ethernet的EPON和基于GEM(GPON封装格式)的GPON三种类型。近几年来随着IP业务的迅速增长,被事实证明是承载IP数据包最佳载体的以太网技术正受到越来越多的欢迎。由以太网与PON结合而产生的以太网无源光网络(EPON)因为同时具备以太网和PON的优点,成为FTTH中的热门技术。
无光源网络
1.EPON的系统结构
       EPON采用点到多点的网络拓扑结构,在PON上传送以太网帧,利用光纤实现语音、数据和视频等多媒体全业务的接入。图11.19是一个典型的EPON树型分支结构,主要由光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和光网络单元/光网络终端(ONU/ONT)三部分组成。其中OLT位于局端,ONU/ONT位于用户端。ONU/ONT的区别为ONT直接位于用户端,而ONU与用户间还有其他的网络,如以太网。
EPON系统结构
图19   EPON系统结构
       在EPON中,OLT既具有交换机/路由器的功能,又是一个多业务提供平台。在下行方向,它提供面向无源光网络的光纤接口;在上行方向,提供多个高速(如Gbit/s和10Gbit/s)以太网接口。为支持其他流行协议,OLT还支持TDM/PSTN、ATM、FR以及SDH/SONET的接口标准。另外,作为EPON的控制中心,OLT除了提供网络集中和接入功能外,还可以根据用户要求实现带宽分配、网络安全和管理配置等功能。
       ODN由无源光分路器(POS)和光纤组成,用于实现OLT与多个ONU之间的连接。POS无须电源、结构简单,可实现8、16、32、64、128等分光率,并可多级级联。一般从OLT到ONU的距离可达20km。
       ONU为用户提供EPON的接入功能,釆用以太网协议。在中带宽和高带宽的ONU中实现了低成本的以太网第二层、第三层交换功能。此类ONU可通过层叠为多个最终用户提供很高的共享带宽。由于使用共同的以太网协议,在通信过程中不需要协议转换,因此可实现对用户数据的透明传送。同时,ONU也支持其他传统的TDM协议,而且不增加设计和操作的复杂性。对上述不同类型协议的支持可通过配置多个以太网和T1/E1接口实现。
      EPON中的OLT和所有ONU由网元管理系统(EMS)管理,EMS提供与业务提供者核心网络运行的接口,可实现性能管理、配置管理、计费管理、故障管理和安全管理等功能。
2.EPON的工作原理
      在EPON中,根据IEEE802.3以太网协议,传送的是可变长度的数据包,最长可达1500字节。系统釆用下行广播发送、上行时分多址接入(TDMA)的工作机制,其原理如图20所示。
 
EPON上下行传输原理示意图
 
图20    EPON上下行传输原理示意图
       当OLT启动后,它会周期性的在本端口上广播允许ONU接入的时隙等信息。ONU上电后,根据此信息发起注册请求,OLT为其分配一个唯一逻辑链路标识符(LLID)。
       在EPON下行方向上传输的是由多个数据帧组成的连续信息流,每帧以统计时分复用的方式携带多个长度可变的数据包。每个包的包头中含有目的地ONU的标识符,即前述ONU注册时由OLT分配得到的逻辑链路标识符。此外,有些包可能要传输给所有ONU(广播)或者指定的一组ONU(组播)。下行信息流会传输到每一个ONU,各ONU只接收属于自己的数据包而丢弃其他的数据包。
       在EPON上行方向上,利用TDMA技术,各个ONU的上行数据包在OLT指定时隙内通过无源光分路器进入共用光纤,以TDM形式复用成连续信息流传送到OLT。ONU在指定时隙内可发送多个长度可变的数据包,其带宽是由OLT配置的,若釆用动态带宽调整技术,则OLT根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态,给每一个ONU动态分配带宽。由于各个ONU只在各自的指定时隙内发送数据包,不会发生碰撞,因此不需要带有冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)机制,从而可以充分利用带宽。
3. EPON的关键技术
        EPON技术目前还处在研究讨论阶段,还有许多关键技术问题有待解决,其中包括TDMA技术所存在的共性问题,如OLT端的突发同步和突发接收技术、ONU端的突发发送技术,为避免各个ONU的上行信息发生碰撞而必须釆用的高精度测距技术等。这些内容在前一小节已有介绍,下面简单讨论EPON中的其他几个关键技术。
(1) 上行带宽分配
       上行带宽的分配是由OLT控制决定的。带宽分配与分配给ONU的窗口大小和上行传输速率有关,分为静态和动态两种,静态带宽分配是指为每个ONU分配固定大小的发送窗口;而动态带宽分配则是根据ONU的需求,由OLT动态指定窗口尺寸。其中如何为不同ONU动态分配发送窗口,最大发送窗口应为多大、发送窗口的间隔多长合适、以太网帧是否进行分割等问题都有待于进一步研究和探讨。
(2) 实时业务传输质量
       实时业务,如语音和视频对传输时延和抖动的要求较为苛刻,而以太网的固有机制使其难以在端到端延时、丢包率、带宽控制等方面提供支持和保证。如何确保实时业务的服务质量是EPON亟待解决的问题。目前主要有两种技术方案。其中一种是采用服务类型(TOS)字段。该字段提供8层优先级,从而可以实现对实时业务的优先传送;另外一种技术称为带宽预留,即提供一条开放的高速通道,不传输数据,专门用来传输语音业务,从而为服务质量提供保证。
(3) 安全性和可靠性
        由于下行信息以广播方式发送给所有ONU,每个ONU都可以接收到所有信息。为保证安全性,必须对发送给每个ONU的下行信号单独进行加密。例如OLT可以定时要求ONU更新自己的密钥,它利用ONU发来的新密钥对发送给该ONU的数据信息进行扰动加密,只有握有密钥的ONU才可以正确解密恢复出OLT发给自己的信息,确保了用户数据的安全性。在保证系统可靠性方面,通常采用双PON系统技术,用备用PON保护工作PON.一旦工作PON发生故障,即可切换到备用PON上。
EPON
4. EPON的优势特点
       EPON的优势特点主要体现在以下几个方面:
     (1)与现有以太网的兼容性。以太网技术是目前最成功和最成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802.3协议作一定的补充,基本上是与其兼容的,因而互联互通容易。随着EPON标准的制定和EPON的使用,在WAN和LAN连接时将减少繁琐复杂的协议转换。
     (2)长距离、高带宽。根据目前的技术现状,EPON的下行信道为Gbit/s和10Gbit/s的广播方式,而上行信道为用户共享的Gbit/s和10Gbit/s信道,同时传输距离可达20km。和目前其他接入方式相比,如ISDN、ADSL和APON(下行155/622Mbit/s,±行共享 
155Mbit/s),在距离和带宽方面具有明显优势。
     (3)低成本、易维护。EPON提供较大的带宽和较低的用户设备成本。由于釆用PON结构,使EPON网络减少了大量的光纤和光器件以及维护成本,从而降低了设备资金和运行成本。另外以太网本身在器件和安装维护方面的价格优势也为低成本提供了保证。
     (4)灵活的多业务平台。EPON可以同时提供IP业务和传统的TDM业务,还为灵活供应和快速服务重组提供了方便。运营商可以通过在EPON体系结构上开发广泛而灵活的服务来增加收入,例如管理防火墙、语音支持、虚拟专用网和互联网接入等。