EPON宽带接入

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EPON宽带接入技术探讨

一、EPON简介
    EPON（Ethernet Passive Optical Network）是PON技术中最新的一种，由IEEE802.3 EFM（Ethernet for the First Mile）提出。EPON是一种采用点到多点网络结构、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、提供多种综合业务的宽带接入技术。
    EPON在标准方面处于正在完善阶段。
    IEEE 802.3ah工作小组从2000年11月就开始进行EPON的标准化工作。大约有70个公司加入了这个工作小组，包括Cisco、Nortel、Worldcom、SBC、Verizon、Salira、 Broadcom、Agere、Intel、BroadLight、Alcatel等。估计需要8个月的时间才能有EPON的第一版标准出现。
    在PON家族中还有一位早期的成员APON（ATM Passive Optical Network）。在1995年ATM技术的全盛时期，ITU（the International Telecommunications Union）和FSAN（Full Service Access Network）联盟采纳了ATM标准，把它作为在PON之的第二层的帧封装标准，能为商业用户、家庭用户提供包括IP数据、视频、音频等综合业务，形成了APON的标准（文档号ITU-T Rec G.983）。但是APON存在着一系列的问题，比如带宽有限、带宽损失大、数据包开销大、协议转换麻烦、技术复杂、设备昂贵、多厂家互操作性差等。随着以太网技术的异军突起，APON技术一直没有得到大规模应用。
    EPON是一种结合了Ethernet和PON的宽带接入技术。众所周知，Ethernet简单易用，安装方便，运用广泛，但是一直也存在一些问题，特别是在大规模使用时这些问题更加明显。因此通信业界推出了一系列的解决方案，包括EPON、RPR（Resilient Packet Ring）、MSTP（Multi Service Transport Protocol）等。
    RPR于2002年1月提出第一个草案Darwin，主要是采纳了Cisco 的 DPT（Dynamic Packet Transport）技术和Nortel的IPT（Intelligence Packet Transport）技术，最后的标准将于2003年3月发布。
    RPR是一种改良的SDH技术。在能提供类似SDH的保护倒换、延时限定、抖动控制等功能之外，它还通过空间重用和即插即用，充分利用了网络带宽，避免了SDH带宽浪费的问题。RPR提供了IP/PPP/RPR这样的封装方式，速率从155Mbit/s到10Gbit/s可变，RPR环路对于业务流是统计复用的，各业务流可以共享环路带宽，并采取了优先权限控制来保证一些有特殊传输质量要求的业务流。
    MSTP是一种基于SDH上可以实现TDM、ATM、以太网等业务接入的、处理和传送，提供统一网管的多业务系统，在结构和功能上和传统的SDH有很大的差别，在ITU-T尚无完善的建议、草案可供参考，国内主要是由信息产业部传输所提出并归口管理，预计标准需要2003年才能完成。以以太网为例，MSTP提供的封装方式为IP/PPP/SDH。

二、EPON的网络结构
    从某种意义上说，EPON是一种宽带综合接入技术。EPON的网络结构：一套典型的EPON 系统由OLT, ONU, POS组成。
    OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房（CO，Central Office），它可以是一个L2交换机或者L3路由器。在下行方向，它提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向，OLT将提供了GE（Gigabit Ethernet）。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，为了支持其他流行的协议，OLT还支持ATM, FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准。OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。
    在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现网络管理的五大功能。如通过在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。
    POS（Passive Optical Splitter）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和集中上行数据。无源分光器的部署相当灵活。由于是无源操作，几乎可以适应于所有环境。一般一个POS的分线率为8，16，并可以进行多级连接。
    ONU（Optical Network Unit）放在用户驻地侧CPE（Custom Premier Equipment），EPON中的ONU主要采用以太网协议。在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层交换甚至是第三层路由功能。这种类型的ONU可以通过堆叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。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。从OLT到ONU之间可以实现高速的数据转发。

三、EPON的原理和特点
    EPON技术是一种宽带综合接入技术。它延用了以太网和TDM的一些特性。从网络分层协议上来看，EPON属于L2的协议。
    从物理层上看，EPON从电气特性、机械特性、规程特性、功能特性等四大功能基本上采纳了Ethernet的标准，确切的说，应该是GE的标准。由于EPON属于宽带接入技术，如果还是采用Ethernet或者FE（Fast Ethernet）来作为物理层标准，那么带宽将成为EPON的瓶颈，即便是采用8FE端口捆绑技术达到800Mbit/s的带宽。因此在物理层EPON基本上沿用了GE的标准，包含PHY（Physical Layer Protocol）和PMD（Physical Medium Dependence Protocol）两大子层功能。这里需要指出的是GE的PMD标准中总共有LH（Long Haul）、LX（Long Distance）和SX（Short Distance）共三种。由于SX的驱动距离比较短，因此在EPON里主要是采用了LH和LX的PMD标准。
    从数据链路层看，该层分为LLC（Link Layer Control Protocol）和MAC两大部分。LLC主要体现为802.2 ，后者在802的标准中有802.3（CSMA/CD）、802.4（Token Bus）、802.5（Token Ring）等。
    EPON在数据链路层上，采用了基于TDM思想的全新控制协议。
    通过对时间进行分片，然后将不同的时间片指定给不同的ONU设备来使用，从而避免数据传输过程中棘手的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。
    EPON在MAC层中实现802.1P来提供与APON类似的QoS。EPON就是通过这些简单成熟的协议来提供声音、视频和数据服务，控制和优化各ONU与OLT之间突发性数据通信和实时的话音通信。
    从上面的描述可以看出，EPON具备一系列优越的特性，比如有效的带宽控制、优先权处理、点对多点组网。
    EPON采用了基于TDM时间片原理的分片分级分配的方式，可以非常灵活地将不同的网络带宽赋予不同的ONU设备，达到有效控制用户带宽的效果。在带宽的颗粒度上可以达到64kbit/s这样的地步，从而实现精细的带宽控制，而这种带宽控制功能是Ethernet所不具备的。目前在带宽控制功能上一般需要在路由器或者宽带接入服务器上才可以实现，而EPON带宽控制功能将为网络管理、网络优化、用户配置等带来有效的管理。
    EPON采用了802.1P的标准进行优先权控制，802.1P规定了一个3bits的字段，统一在802.1Q的标准进行描述。在802.1Q的标准中，规定了一个4个字节的标签，包含了2个字节的标签协议标识（TPID--Tag Protocol Identifier，它的值是8100），和两个字节的标签控制信息（TCI--Tag Control Information），TPID是IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的报文。TCI中规定了三个字段，为3bits的Priority、1bit的CFI（Canonical Format Indicator）和12bits的VLAN Identified( VLAN ID )。其中3bits的Priority字段可以设置8个优先级别。
    EPON-OLT可以通过网管对不同的数据流打上不同的优先权级别标签。当OLT或者ONU出现数据拥塞时，可以让优先权级别高的数据流先通过，从而保证级别高的数据优先传送。
    这里需要指出的是，这种带宽控制和优先权控制的有效范围在于EPON设备内部，即从ONU到OLT之间、ONU之间可以实现端到端的带宽控制和优先权控制。如果超出EPON的工作范围，需要借助其他的控制手段才能实现，比如带宽控制需要通过QoS转换，而优先权控制需要通过标签转换来分别完成。
    EPON通过在OLT和ONU之间引入了无源分光器POS，从而实现了点对多点的通信方式，实现了一个端口可以支持多个ONU、最小化占用OLT端口资源、节省了中间段的光电/电光转换、上行带宽共享、节省工程投资等，可以解决传统的网络系统中点对点组网方式带来的种种问题。
    POS采用了光波分路和光波耦合原理，实现了下行广播分发和上行时分汇聚的无源操作。对于从OLT到达ONU的下行数据，POS通过实现下行光波分光从而实现下行数据拷贝和广播分发；对于从ONU到达OLT的上行数据，无源分光器只是通过将上行的各路光波耦合在一起，从而实现将上行的各路数据简单汇聚。由于各个ONU使用的时隙各不相同，因此不会出现由于上行数据冲突导致数据传送出错。
    由于无源分光器是一种无源的光学设备，在驱动距离上主要是由OLT和ONU来决定，同时无源分光器在进行光波分路和光波耦合时，都会造成或多或少的光学损耗。目前OLT和ONU之间的最大距离为20公里。当然，如果采用有源的光路放大器，OLT和ONU之间的传输距离可以更长。
    从EPON的总体来看，这是一种优秀的宽带技术，集中当前众多网络技术优点，同时克服了Ethernet的固有缺点，提供了强大的网管功能，是一种准电信级别的技术。唯一美中不足的是标准尚未定型。

四、EPON的部署
    从目前的网络情况来看，对于一些传统的电信运营商，网络的建设基本上是分立的、纵向的，即每一种业务都有一整套网络来支撑。比如电话网，由于业务安全要求性很高，而且交换机之间的连接端口单元一般是基于E1，因此交换机之间一般采用SDH网络进行传输；对于数据网，无论是DDN、FR、ATM、城域网等，在每一种数据交换节点之间一般都有一套电路进行传送，或者采用SDH，或者采用裸光纤，或者采用铜缆等。从网络的管理、业务的综合、设备维护、网络扩容等方面来看，这种分立纵向的网络是需要进行优化的。
    比如在A/B两地，A为CO（Central Office），B为CPE（Custom Premier Equipment），假设在B地的同一个机房内放置ATM节点、DDN节点、FR节点以及城域网节点设备，那么A/B两地之间需要架设4对相同局向的单模光纤，1对为ATM节点所用，1对为DDN节点所用，1对为FR节点所用，1对为城域网节点所用，再考虑1:2冗余备份，需要增加2对光纤，那么这一个B地就需要占用6对单模光纤。
    在这种情况下，AB两地扩容的条件是（ATM流量 > ATM端口速率）或（DDN流量>DDN端口速率）或（FR流量>FR端口速率）或（城域网流量>端口速率）。可以看出AB两地的扩容是很容易触发的。
    如果在实际使用过程中，城域网的接入需求量很大，导致B地的城域网节点设备上行带宽不够，那么要不就升级上行的数据接口，比如从100Mbit/s升级为GE，同时A地需要有相应的GE端口进行对接，此时AB两地的光纤链路无需进行扩容；要不就在AB两地的光纤链路进行扩容，同时在AB两地还需要配置相应的数据端口，从而将AB两地的带宽扩大。
    而DDN、FR等其他节点的实际带宽占用率比较低，导致这些上行光纤的利用率很低。从总体上来看，AB两地的总流量根本没有超过AB两地的传输容量，但是由于部分业务的问题，导致AB两地需要进行扩容。从带宽的利用率上看，有可能在某些链路上数据传送饱和，而某些链路上数据传送利用率很低，从而造成流量分布不均匀，链路带宽利用率不合理。这样一种没有充分平滑网络带宽的情况所导致的AB两地的不合理扩容将造成在整个网络建设中投资最大，难度最大的接入光纤部分的严重占用和浪费，占用了这些光纤将会影响以后其他业务的开展，而且升级扩容会影响业务的正常提供，严重时还会中断服务，影响终端用户的正常使用。
    解决这种情况最好的办法就是采用宽带综合接入技术。
    EPON的点对多点以及带宽共享方式解决了接入光纤不合理占用和带宽利用率不均的问题。在AB两地之间采用了EPON技术之后，那么AB两地需要进行扩容的唯一条件就是AB两地的流量总和（ATM流量+DDN流量+FR流量+城域网流量）>AB两地的传输带宽总和。这个条件的触发几率远比上述的情况小得多。
    从目前的传输光网的组网方式来看，EPON的实际部署需要进行细心斟酌。
    从目前的各大电信运营商的传输光网来看，光纤主要布放在各个中心局点之间以及中心局点和用户端设备机房之间。整个光网的组织具有很强的规整性，即为一种HUB-SPOKE的网络结构，任何两个用户端设备机房之间的连接都需要经由中心局点进行路由。
    大量的用户端设备几乎都放置在设备机房中。比如在一个用户端机房，可能放置了交换远端模块、接入网模块、城域网设备、ATM设备、DSLAM设备、DDN节点、FR节点等。
    从这种规整的光网来看，EPON中的OLT无疑放在局端，而ONU将放置在用户端的设备机房中， POS的位置从实际情况来看，其实也是放置在用户端设备机房里。在这种空调以及电力条件具备的情况下，可能采用有源分光器的机会将大于POS，而且是一些具备更大的交换容量、更大的上行带宽和更多的分线比的有源分光器，这样可以实现更大的覆盖范围，充分发挥EPON的优点。
    电信运营商已经从以前的单一业务发展到现在的多种业务，这些业务的支撑网络发展到现在需要进行相应的优化，从而提升网络的竞争力。
    在最耗费资金和精力，也是最具有竞争价值的用户接入网部分，这种优化更是迫在眉睫。宽带综合接入技术或许是某种解决之道

来自:广州市电信分公司  欧振猛