EPON-標準與關(guān)鍵技術(shù)

EPON－標準與關(guān)鍵技術(shù)孫有越Saturday,February4,20231北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司帶寬需求導(dǎo)致接入網(wǎng)成為瓶頸Internet的飛速發(fā)展導(dǎo)致對帶寬需求的激增20/80變?yōu)?0/20，接入網(wǎng)成為瓶頸。xDSL在覆蓋距離和帶寬上不能滿足未來的需求。眾多用戶分享CableModem/HFC的帶寬，也無法滿足需求。光纖價格下降，進一步靠近用戶，F(xiàn)TTx必然成為接入網(wǎng)的主流發(fā)展趨勢。由于所適用的地理環(huán)境不同，xDSL和CableModem/HFC仍然會繼續(xù)發(fā)展。2北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司PON技術(shù)應(yīng)運而生接入網(wǎng)的規(guī)模/對成本的考量限制了光纖分布拓撲3北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司PON的拓撲PON采用P2MP拓撲，在源和目的間的信號傳播路徑上沒有有源器件。長距離、高帶寬、不受周圍環(huán)境的干擾維護簡單天然的廣播特性4北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司PON的構(gòu)成OLT（OpticalLineTerminal）放在中心機房，用來連接接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)。處于管理者的地位。POS（PassiveOpticalSplitter）是用來連接OLT和ONU的無源設(shè)備。有方向性，下行分光，上行合光。分線率為2×N，并可以進行級聯(lián)。無源設(shè)備維護簡單，但分線率/級聯(lián)數(shù)越高傳輸距離越短。ONU（OpticalNetworkUnit）放在用戶駐地側(cè)，用來連接接入網(wǎng)和最終用戶。處于被管理者的地位。5北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司PON技術(shù)的分支－WDMvs.TDMWDMvs.TDMWDM容量高，但對ONU要求高（波長可調(diào)的光Modem），而ONU占PON的大部分成本。TDM容量相對小，但對ONU要求低，易于實現(xiàn)。WDM用來實現(xiàn)上下行流量分離上下行使用同一根光纖，但使用不同的波長。下行方向廣播，每個ONU都能接收。上行方向ONU僅在屬于自己的時隙內(nèi)線速發(fā)送。6北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司PON技術(shù)的分支－BPON/GPONITU-T頒布的相關(guān)標準1996年，ITU-T頒布G.982，窄帶PON。1995年，F(xiàn)SAN制訂APON（ATM），使用ATM作為承載協(xié)議，后更名為BPON（Broadband）并于1997年交給ITU-T，隨后幾年頒布G.983系列標準。BPON的物理層規(guī)范將線路速率限制在622M，而ATM承載IP分組的效率又不高，于是2001年FSAN著手改進BPON，將線路速率提高到2.5G并加入GFP作為承載協(xié)議，稱為GPON（Gigabit）。2003~2004年ITU-T頒布對應(yīng)的G.984系列標準。G.985－基于光接入系統(tǒng)的100M點到點以太網(wǎng)，2003年。7北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司EPON標準IEEEEFM工作組802.3ah-2004，自802.3-2002后的最大一次修訂，顯示了IEEE將以太網(wǎng)技術(shù)推向接入網(wǎng)的決心。修改/增補的內(nèi)容包括：針對P2P和P2MP等拓撲的接入控制層規(guī)范（MAC）針對雙絞線和光纖等介質(zhì)的物理層規(guī)范（PHY）OAMEPON是802.3ah的核心內(nèi)容，使用千兆以太網(wǎng)作為承載協(xié)議。8北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司EPON的關(guān)鍵技術(shù)Burst-ModeTransceiverMPCP（Multi-PointControlProtocol）DBA（DynamicBandwidthAlgorithm）LTE（LogicalTopologyEmulation）加密FEC（ForwardErrorCorrection）OAM9北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司Burst-ModeTransceiver突發(fā)模式OLT的接收器在每個時隙都調(diào)整判決門限以克服遠近效應(yīng)。ONU的發(fā)送器在不發(fā)送時徹底關(guān)閉（以免噪聲在不屬于自己的時隙內(nèi)對OLT的接收器產(chǎn)生干擾），而打開時能迅速穩(wěn)定。10北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCPEPON在下行方向是共享介質(zhì)，在上行方向上則要表現(xiàn)為獨享介質(zhì)。每個ONU都要明確的知道自己應(yīng)該在什么時候發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送多長時間，以免產(chǎn)生沖突。除了避免沖突之外，控制每個ONU的發(fā)送時間也達到了分配帶寬的目的，但MPCP僅僅是帶寬分配的執(zhí)行者而不是決策者。EFM工作組將MPCP設(shè)計為MAC的附加功能，依賴MAC控制幀實現(xiàn)，避免了設(shè)計新的MAC。11北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP（續(xù)）12北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP（續(xù)）13北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－帶寬分配模式MPCP有兩種工作模式自動發(fā)現(xiàn)帶寬分配帶寬分配模式使用GATE消息和REPORT消息，由MAC控制幀傳送。GATE消息由OLT送給指定的ONU，給它分配一個發(fā)送時隙（起始時間和持續(xù)長度）。REPORT消息由ONU送給OLT，報告本地狀況（如buffer占用率等），在使用DBA的系統(tǒng)中這將影響帶寬分配決策。OLT和每個ONU都需要維護各自的MPCP時鐘并保持同步。14北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－帶寬分配模式（續(xù)）15北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－MPCP時鐘同步MPCP時鐘的同步一個32比特的計時器，每比特代表16ns。OLT在將Gating進程產(chǎn)生的GATE消息發(fā)出去之前加上一個時間戳，記錄當時的時間（由Controlmultiplexer完成）。ONU收到GATE消息后將本地的MPCP時鐘設(shè)為時間戳攜帶的時間（由Controlparser完成）。ONU要不斷的根據(jù)從線路數(shù)據(jù)中恢復(fù)的時鐘來校準自己的時鐘。這種同步方案的兩個前提：OLT知道每個ONU的RTT時間（自動發(fā)現(xiàn)時完成）。MAC層和PHY層的處理延時是常量。16北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－自動發(fā)現(xiàn)模式自動發(fā)現(xiàn)模式同是MAC控制功能，全雙工流控的默認狀態(tài)是允許發(fā)送而MPCP的默認狀態(tài)則是不允許發(fā)送，如果沒有自動發(fā)現(xiàn)，新加入的ONU將永遠沉默。測量每個ONU的RTT（Round-TripTime）也是自動發(fā)現(xiàn)的重要功能。使用GATE、REGISTER_REQ、REGISTER、和REGISTER_ACK消息，由MAC控制幀傳送。17北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－自動發(fā)現(xiàn)模式（續(xù)）18北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－自動發(fā)現(xiàn)模式（續(xù)）自動發(fā)現(xiàn)的過程OLT決定發(fā)起一輪自動發(fā)現(xiàn)，廣播一個特殊的GATE消息，里面定義了一個發(fā)現(xiàn)窗口，任何已注冊的ONU都不得在該窗口內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。一個未注冊的ONU收到該消息后將本地的MPCP時間設(shè)為時間戳攜帶的時間。到達發(fā)現(xiàn)窗口的起始時間后再等待一段隨機延時（避免多個未注冊的ONU發(fā)生沖突），然后發(fā)送REGISTER_REQ消息，里面包含了自己的MAC地址。發(fā)送時加上時間戳，記錄本地的MPCP時間。收到REGISTER_REQ消息后OLT知道了要注冊的ONU的MAC地址和RTT時間，OLT向這個ONU發(fā)送REGISTER消息（這次不再是廣播），里面包含了分配給這個ONU的LLID。隨后再向這個ONU發(fā)送GATE消息，給它分配發(fā)送時隙。收到REGISTER消息后ONU要返回一個REGISTER_ACK消息，這個消息在收到的GATE消息指定的時隙內(nèi)發(fā)送。19北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－RTT測量20北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司MPCP－RTT測量（續(xù)）這種測量方法排除了本地處理時間的干擾，為大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所用。21北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司DBA在接入網(wǎng)從來都沒有過度供給，帶寬需求總是超出預(yù)算。靜態(tài)的帶寬分配一不能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，二不能滿足QoS，在Triple-Play年代會被淘汰。根據(jù)ONU后客戶的SLA、ONU內(nèi)各隊列的空滿程度以及每個隊列所屬的業(yè)務(wù)類型等因素來決定分配給每個ONU的發(fā)送時隙。ONU也應(yīng)該有一套隊列調(diào)度機制與之配合最簡單的隊列調(diào)度就是用隊列中較短的幀填滿當前發(fā)送時隙而將隊頭的長幀留到下一個時隙。隊列調(diào)度可能造成TCP亂序，起到相反的效果。22北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司LTEP2PE（Point-to-PointEmulation）23北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司LTE（續(xù)）LLID（LogicalLinkIdentifier）24北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司LLID的格式LLID置于Preamble中Preamble對于全雙工鏈路已經(jīng)沒有意義。OAM原本有Preamble-based和Frame-based兩派。25北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司加密可能的危險單是LLID不足以防止ONU查看本不屬于自己的數(shù)據(jù)。一個簡單的分光器就能在光纖上竊取數(shù)據(jù)。對抗的手段不是802.3ah標準的一部分（802.1ae）采用AES算法進行加密（AdvancedEncryptionStandard）。上/下行都要數(shù)據(jù)都要加密，以幀為對象，除了Preamble之外都要加密（Preamble里含有LLID）。有初始密鑰，要不定期的更換密鑰，用OAMPDU交換密鑰（OAMPDU本身也被加密）。26北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司FEC發(fā)端編碼，收端糾錯降低BER，延長傳輸距離或提高分線率。FCS只具備檢錯功能。RS(255,239)Reed-Solomon編碼，在無線系統(tǒng)中廣泛使用。體系碼，不改變編碼對象，編碼結(jié)果附加在其后。2^8–1=255，8比特為一個符號，即以字節(jié)為編碼單元。255–239=16，可以糾8個錯符號。每239個字節(jié)產(chǎn)生16字節(jié)的糾錯碼。27北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司FEC（續(xù)）編碼與傳輸編碼時幀長如果不是239字節(jié)的倍數(shù)就填充。所有的編碼結(jié)果都置于幀后，用特殊的字符串指示。FEC只是可選項，這種結(jié)構(gòu)使得支持和不支持FEC的ONU可以共存于同一EPON中。28北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司EPONvs.BPON/GPON傳輸EPON線路編碼是8B/10B碼，BPON/GPON則是擾碼傳輸，流派不同，但后者效率高。EPON，1.25G的線路速率只能傳1G的數(shù)據(jù)（含開銷）。GPON，1.25G的線路速率傳1.25G的數(shù)據(jù)（含開銷）。速率目前EPON的上/下行速率都是1G，以后可以升級到10G。BPON是155M/622M可選，GPON是155M/622M/1.25G/2.5G可選，上/下行可以不對稱，比EPON靈活。距離EPON要求在分線率為16的前提下達到20公里。以20公里來計量，GPON可以實現(xiàn)64的分線率，但能以可接受的成本實現(xiàn)這樣的光功率預(yù)算的光模塊現(xiàn)在還沒有出現(xiàn)。29北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司EPONvs.BPON/GPON（續(xù)）成幀以太網(wǎng)幀是傳輸IP分組的最佳選擇（以太網(wǎng)非常普遍，無需轉(zhuǎn)換），ATM效率較低，信元稅一直為人詬病。BPON/GPON每幀125us，每秒8K幀，與傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)的定時方式相符。短而定長的幀結(jié)構(gòu)對控制延時和抖動有利。GFP的效率較高，但是在傳送IP分組時由于短而定長的幀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的分組/重組（GEM）使得它不能發(fā)揮優(yōu)勢。定時以太網(wǎng)本身就不是嚴格定時的網(wǎng)絡(luò)，EPON寬松的保護間隔浪費了一些網(wǎng)絡(luò)資源。BPON/GPON定時嚴格，但對設(shè)備要求很高，尤其是光模塊。這個問題在高速的GPON中尤其明顯。30北京瑞斯康達科技發(fā)展有限公司EPONvs.BPON/GPON（續(xù)）結(jié)論BPON標準最成熟，元件供應(yīng)商和設(shè)備制造商都已能控制成本，部署范圍最廣。EPON相對簡易，對以IP為核心的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持最佳，對定時嚴格的業(yè)務(wù)的支持則比不上BPON和GPON。EPON標準制定時間長，這個過程中元件供應(yīng)商和設(shè)備制造商也在走向成熟。GPON標準過于復(fù)雜，元件供應(yīng)商少，現(xiàn)階段無法控制成本，改走BPON－EBPON－