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EPON
EPON
介绍
定义
EPON网络使用单根光纤两种波长传输双向1.25Gbit/s的数字信号,上行方向采用1310nm波长窗口,下行方向采用1490nm波长窗口。
EPON网络由OLT(OpticalLineTerminal)、ONU(OpticalNetworkUnit)和ODN(OpticalDistributionNetwork)组成,物理拓扑是点到多点的树形网络,逻辑拓扑是OLT到各个ONU的多个点对点链路。
其中,ODN起连接OLT和ONU的作用。
目的
EPON作为PON技术之一,具有高带宽、长距离覆盖、组网灵活、中间网络节点无源等公共特征。
应用于宽带接入网,可以提高网络带宽和性能,降低维护成本,是主流运营商青睐的下一代光接入技术。
EPON可以应用在FTTH(FiberToTheHome)、FTTB(FiberToTheBuilding)、FTTO(FiberToTheOffice)和FTTM(FiberToTheMobilityBaseStation)的环境中,支持:
∙语音
∙数据
∙视频
∙租用线路
∙分布式业务
EPON系统概述
EPON拓扑结构
EPON标准是众多TDM-PON标准之一,具有TDM-PON网络的基本特征,树状拓扑网络由OLT、ONU和ODN(OpticalDistributionNetwork)三部分组成,ODN又分为主干光纤、分光器、支路光纤等无源光部件。
整体拓扑如图1所示。
图1EPON物理网络拓扑图
在EPON网络中:
∙OLT是放置在局端的终结EPON协议的汇聚设备。
∙ONU是位于客户端的给用户提供各种接口的用户侧终端,OLT和ONU通过中间的无源光网络ODN连接起来进行互相通信。
∙ODN由光纤、一个或多个无源光分路器等无源光器件组成,在OLT和ONU/ONT间提供光通道,起着连接OLT和ONU/ONT的作用,具有很高的可靠性。
EPON工作原理
EPON是一种采用点到多点(P2MP)结构的单纤双向光接入网络,EPON系统采用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)技术,实现单纤双向传输。
工作原理如图2所示。
图2EPON工作原理
EPON下行数据流采用广播技术,使用1480nm~1500nm波长。
上行数据流采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)技术,使用1260nm~1360nm波长。
如果采用第三波长方式实现CATV业务的承载,则使用1540nm~1560nm波长。
EPON下行通信原理
EPON在下行方向采用广播方式,所有的ONU都能收到相同的数据,通过LLID来区分不同ONU的数据,ONU过滤广播报文来接收属于自己的数据。
下行通信原理如图3所示。
图3EPON下行通信原理
在逻辑拓扑上,EPON协议为OLT到每个ONU建立一条逻辑链路,以太网数据帧的前导字节承载这个逻辑链路标识,即LLID(LogicalLinkIdentity)。
图3的结构中,从OLT到ONU的下行数据流被封装为以太网报文,附加相应的LLID,在树状PON网络中发送。
在分光器处,流量被分成独立的三组信号广播到各个支路,每一组信号都承载所有ONU的数据。
当数据信号到达ONU时,ONU根据LLID选择性接收自身数据。
EPON上行通信原理
EPON在ONU到OLT的上行方向上,采用时分多址接入技术(TDMA)分时隙传输上行流量。
上行通信原理如图4所示。
图4EPON上行通信原理
当ONU注册成功后,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。
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。
EPON系统原理
EPON协议模型
EPON协议最初由IEEE802.3ah进行定义,现已合并到IEEE802.3-2005标准文本中。
IEEE802.3-2005协议文本分别从网络架构模型、MPCP(Multi-pointControlProtocol)多点控制协议、OAM(Operations,AdministrationandMaintenance)协议、RS/PCS(ReconciliationSublayer/PhysicalCodingSublayer)子层扩展、PMD(PhysicalMediumDependent)层规格参数等方面对EPON进行描述,最终基于原有802.3协议框架扩展了EPON协议,充分利用原有协议资源,降低了协议复杂度。
EPON协议模型如图1所示。
图1EPON协议框架模型
∙OAM:
OperationAdministrationMaintenance(运行、管理和维护子层),定义了EPON各种告警事件和控制处理,使用OAM协议数据单元可对已激活OAM功能的链路进行管理、测试和诊断。
∙MPMC:
Multi-PointMACControl(多点MAC控制层),实现在不同的ONU中分配上行资源、在网络中发现和注册ONU、允许DBA调度,实现点对多点的MAC控制。
∙MAC:
MediaAccessControl(媒体访问控制层),实现对Media的控制。
∙RS:
ReconciliationSublayer(调和子层),实现数据链路层和物理层间的接口,完成外部物理层信号(GMII接口信号)和上层信号之间的适配;同时在EPON系统中完成添加/终结LLID,调和多种数据链路层能够使用统一的物理层接口。
∙PCS:
PhysicalCodeSublayer(物理编码子层),支持在点对多点物理介质中的突发模式,支持FEC算法。
∙PMA:
PhysicalMediumAttachment(物理媒质附加子层),支持时钟恢复,并提供环回测试功能;支持P2MP功能,实现PMD的扩展。
∙PMD:
PhysicalMediumDependent物理媒质相关子层(使用1000BASE-PX接口),定义了EPON兼容器件的指标,实现PMD服务接口和MDI接口之间的数据收发功能。
EPON帧格式
EPON帧以802.3帧格式为基础,在此基础上新增LLID,用于在OLT上标识ONU。
图2EPON帧与Ethernet帧比较
LLID为逻辑链路ID,OLT通过此ID信息与不同的ONU建立点对点逻辑通信链路。
EPON标准将以太网帧的前导码做了简单的利用,将LLID信息写入了以太网帧的前导码中,以两个字节来标识,范围为0~0x5FFF。
其中0x5FFF来标识广播链路,其他用于单播链路。
EPON业务流转发
EPON业务流转发过程如图3、图4所示。
图3EPON业务数据流转发过程图(下行)
在下行方向上(OLT->ONU),OLT为每一个发送给ONU的数据包都增加一个唯一的LLID标识,区分不同ONU的数据。
在ONU侧通过过滤来接收属于自己的数据。
图4EPON业务数据流转发过程图(上行)
在上行方向上(ONU->OLT),ONU接收到终端用户发送来的数据,此时该数据包不会立刻传递给OLT,而是先放到缓存里。
当OLT的MPMC子层发送确认消息后,ONU将该用户数据包增加LLID标识,然后按照OLT告知的时间点发送。
EPON管理特征
EPON作为新型光接入技术,与传统的xDSL技术相比,不仅传输介质和带宽速率不相同,而且接入网络的管理维护模式也相应的发生变化。
OLT需要对ONU进行业务配置和管理,以便适应多种业务共用接入管道的需求。
OLT通过以太网OAM扩展协议对远端ONU进行配置和管理,并对接兼容其他符合标准的ONU终端。
OLT负责存储各ONU的配置数据,在ONU上线后对其进行配置,远端ONU可以实现零配置,减少了业务发放的难度。
OLT通过ONU模板对ONU进行分类管理,以便在业务发放时对ONU进行离线预配置。
ONU的带宽控制功能也可通过DBA模板进行配置,OLT通过EPONMAC芯片实现对各个ONU的带宽授权和调度。
OLT使用MAC地址预配置的方式对ONU进行认证,MAC地址匹配的ONU将可以正常注册,使用业务;MAC地址不匹配的ONU将被拒绝,以保证网络安全。
OLT时支持ONU自动发现的功能,可记录被拒绝ONU的MAC地址,以便操作员确认后允许其接入EPON网络。
EPON关键技术
EPON技术主要包括:
突发光电技术、测距、DBA(动态带宽分配)和FEC(前向纠错编码)。
突发光电技术
EPON的点对多点(P2MP)的特殊结构和时分多址(TDMA)的接入方式了决定了OUN发送机工作在突发发送的模式下。
EPON的下行是按照广播的方式将所有数据发送到ONU侧,因此,要求OLT侧的光模块必须连续发光,ONU侧的光模块也是连续接收方式工作。
EPON的上行方向采用TDMA的方式工作,每个ONU必须在许可的时隙上才能发送数据,不属于自己的时隙必须关闭光模块的发送信号,才不至于影响其它ONU的正常工作。
对于OLT侧上行接收,则要根据时隙进行突发接收每个ONU的上行数据。
测距技术
在EPON系统中主要采用空窗法测量各个ONU到OLT的距离。
在OLT和ONU中都有一个记数器,该记数器每传输16比特就增加1,按EPON标称速率1Gbps来计算,则每16ns增加1。
测距原理如图1所示。
图1EPON测距原理
当OLT有MPCP协议数据单元发送时,把记数器的值T1写入控制帧的时戳(TimeStamp)中,ONU一旦收到控制帧后就用时戳中的值替换记数器中的值。
当ONU发送MPCP协议数据单元时,把记数器的值T2写入时戳,当OLT收到该帧后其记数器值为T3,用T3减去收到帧的时戳值T2即得到环回时间RTT(RoundTripTime)=(T3-T1)-(T2-T1)=T3-T2。
测距的时机包括:
∙在注册过程中,OLT对新加入的ONU启动测距过程。
∙OLT也可以在任何收到MPCPPDU的时候启动测距功能。
OLT使用RTT(RoundTripTime)来调整每个ONU的授权时间。
DBA技术
DBA(DynamicallyBandwidthAssignment)是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制。
DBA算法就是实时地改变EPON的各ONU上行带宽的机制。
EPON中如果用带宽静态分配,对数据通信这样的变速率业务很不适合,如按峰值速率静态分配带宽则整个系统带宽很快就被耗尽,带宽利用率很低,而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。
DBA具有如下功能:
∙提高上行带宽的效率
∙允许灵活的SLA策略
∙充分支持增强型业务特性
DBA采用集中控制方式,所有的ONU的上行信息发送,都要向OLT申请带宽,OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽(时隙)占用授权,ONU根据分配的时隙发送信息。
DBA原理如图2所示。
图2DBA原理
在周期n-1,ONU产生报告帧REPORT,而OLT收集这些报告。
在周期n,DBA算法做决定并产生授权,这些授权将在周期n+1有效,即在当前周期里,DBA对前一周期收集到的信息进行计算,并做好下一周期有效的决定。
通过DBA,可以根据ONU突发业务的要求在ONU之间动态调节带宽,从而提高EPON上行带宽效率。
FEC
FEC(ForwardErrorCorrection)的全称是前向纠错编码,主要是为了提高线路的传输质量。
FEC算法采用RS(255,239)算法,将所有的下行报文每255Bytes就进行一次FEC编码,确保ONU侧收到数据的准确性。
EPON在传输层使用FEC算法可以将线路传输的误码率降低到10E-15,可以避免数据重传,大约可以提升2~3dB的光功率预算。
目前EPON系统上行和下行方向均支持FEC功能。
EPON终端管理
EPON终端管理特性是指EPONOLT通过OAM扩展协议对EPONONU进行业务配置和管理。
操作用户可以通过网管系统或OLT的CLI接口对ONU进行管理和配置,包括端口属性,端口VLAN等。
CTCOAM协议是中国电信定义的对ONT的管理和接口控制协议。
该协议定义了OLT和ONU之间交互消息的格式和机制。
OLT通过OAM协议对ONU进行管理和配置,并支持对ONU的离线配置和ONU上线后的配置恢复。
通过这种管理机制,ONU本身不需要保存配置信息,有利于业务的发放和对终端的维护。
ONU注册
EPON采用自动发现技术实现ONU向OLT的自动注册。
发现是指新连接或者非在线的ONU接入PON的进程。
该进程由OLT发起,它周期性地产生合法的发现时间窗口(DiscoveryTimeWindows),使OLT可以检测到非在线的ONU。
ONU注册过程如图1所示。
图1ONU自动注册
ONU自动注册过程如下:
1.OLT通过广播一个发现GATE消息来通知ONU发现窗口的周期。
发现GATE消息包含发现窗口的开始时间和长度。
2.非在线ONU接收到该消息后将等待该周期的开始,然后向OLT发送REGISTER_REQ消息(REGISTER_REQ消息中包括ONU的MAC地址以及最大等待授权(PendingGrant)的数目)。
3.OLT接收到有效的REGISTER_REQ消息后,将注册该ONU,为ONU分配和指定LLID标识并与相应的MAC绑定。
OLT向新发现的ONU发送注册(Register)消息,该消息包含ONU的LLID以及OLT要求的同步时间。
同时,OLT还对ONU最大等待授权的数目进行响应。
LOID+CC(CheckCode)认证
中国电信的EPONCTC2.1标准中,定义了LOID+Password这种认证方式,是单独的OAM实体,采用LOID+CC(CheckCode)的叫法。
EPONLOID+CC认证流程如图2所示。
图2EPONLOID+CC认证流程图
认证方式为LOID+CC认证时的认证流程为:
∙在ONT上线过程中,判断此ONTOAM版本号是CTC2.1版本还是CTC2.0版本。
∙如果ONTOAM版本号如果是CTC2.1:
▪OLT先直接读取LOID+CC信息进行匹配,如果匹配则认证通过。
▪如果不匹配,再提取Key值(此时Key值当作LOID值)进行匹配判断,如果匹配则也会认证通过。
这种情况对应从ONTOAM版本号为CTC2.0升级到CTC2.1版本的ONT,不改变之前ONT的认证方式。
∙如果ONTOAM版本号是CTC2.0,OLT直接取Key值(此时Key值当作LOID值)后24字节进行匹配判断,如果匹配则此ONU认证通过。
说明:
∙OLT命令行中的关键字password-auth表示密码认证方式,长度为32个字节,对应ONTWEB界面上key认证。
中国电信EPONCTC2.1中定义的LOID+Password认证方式,命令行中的关键字为loid-authloid-value[checkcode-authcheckcode-value],其中checkcode-authcheckcode-value(CC)对应中国电信的Password。
∙如果用户输入的LOID/CC的实际长度小于24字节/12字节,则在实际的ONU_ID/CC前面填ASCII码的“NUL”(十六进制数为0x00)以补足24字节/12字节。
∙如果ONTWEB界面不支持LOID认证方式,则直接在EPONONT的Key认证WEB界面中输入LOID值,不够的字节,系统将自动在前面补0。
OAM协议介绍
EPON终端管理特性主要利用OAM协议,实现OLT对EPON终端的管理。
EPON系统支持IEEE802.3-2005中Clause57规定的OAM功能,并支持IEEE802.3-2005中Clause30规定的管理对象、属性和操作。
OAM协议定义OLT和ONU之间进行消息交互的报文格式、确认和重传机制,提供一条逻辑上的通信通道。
此外,OAM协议还对ONU的业务模型进行分解抽象,定义了大量的管理实体(ManagementEntity),以此来描述ONU的内部结构、外部特征、能力范围等。
∙这些管理实体之间有相互的指针和引用关系,形成复杂的拓扑模型,体现数据流和控制流在ONU内部的走向。
∙各管理实体对应ONU内部的硬件或软件模块,有具体的数据成员,体现本模块的属性参数。
∙数据成员具有不同的属性。
其中,只读属性显示了模块的固有特征,可写属性则表明OLT可对该数据成员的参数进行设置。
OLT与ONU的消息交换机制
ONT在上电启动后,会自行生成各种管理实体,对应自身的各个模块。
这些管理实体的集合也称为管理实体信息集(ManagementInformationBase,MIB),OLT通过获取各ONU的MIB,可获取ONU的类型和能力集,操作人员也可以了解各ONU的详细信息,以完成业务配置。
操作人员在OLT的网管或命令行界面上可以对指定的ONU进行配置,例如设置ONU以太网端口的缺省VLAN,将某以太网端口加入指定VLAN等。
OLT在解析这些配置命令后,生成的OAM消息将对ONT内部各管理实体的属性进行配置,使之形成指定的拓扑关系。
OLT支持OAM方式配置ONU属性,也支持ONU状态上报到OLT的功能。
∙OLT的终端配置管理信息通过OAM通道下发到ONU。
∙ONU的状态、告警信息通过OAM通道上报到OLT。
OLT与ONU通过OAM协议实现的消息交换机制示意图如图3所示。
图3OLT与ONU的消息交换机制示意图
OLT与ONU之间建立OAM通道的步骤如下:
1.ONU上线,和OLT交互OAM消息,完成注册过程。
2.OLT通过OAM通道,将终端配置、管理信息下发到ONU。
3.ONU通过OAM通道,将状态、告警信息上报到OLT。
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