EPON－掀开光纤接入新的篇章

                     ----邓羽 孙曙和 陈雪 刘冬
摘要:无源光网络的目的是通过建立一套成本低廉，且其带宽容量又是其他接入技术无法企及的端到端的解决方案，从而打破带宽的瓶颈。基于以太网的无源光网络EPON是一个点到多点的光接入网，采用低成本，高性能的以太网芯片为终端用户提供可靠的数据，话音以及视频业务，其所能提供的带宽远大于现有接入技术。
本文主要介绍EPON技术的演化和分类、发展现状、网络结构、层次模型、关键技术和应用等几个方面。
 一、PON的演化与分类
    业界多年来一直认为，PON是接入网未来的方向，它在解決宽频接入问题上普遍被看好，无论在设备或维运网管方面，它的成本相对便宜，提供的频宽足以应付未来的各种宽频业务需求。
    PON自从在20世纪80年代被采用至今为止已经历经几个发展阶段，电信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术以便使PON解决方案能更好的满足接入网市场要求。最初PON标准是基于ATM 的，并由ITU/FSAN定义了相应G.983建议，即APON。目前则有两个颇为引人注目的新的PON标准正在制定中，其中一个是由ITU/FSAN负责制定的用来替换APON标准的Gigabit PON（GPON）标准，另一个是由IEEE 802.3ah工作组负责制定的Ethernet PON（EPON）标准。
   APON是由FSAN/ITU定义的，以ATM协议为载体，下行以155.52Mb/s或622.08Mb/s的速率发送连续的ATM信元，同时将物理层OAM信元插入数据流中。上行以突发的ATM的信元方式发送数据流，并在每个53字节长的ATM信元头增加3字节的物理层开销，用以支持突发发射和接收。APON提供非常丰富和完备的OAM，包括比特误码率的监视，告警和检测，自动发现和自动测距，并采用搅动策略作为实现下行数据加密的安全机制。下图为APON系统中传输协议的转换。
    
    图1   APON系统中传输协议的转换
IEEE1998年发布完千兆以太网标准后，于2000年12月，IEEE802.3成立了第１英里以太网－EFM特别工作组，致力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的物理层：铜线上以太网（EoVDSL），在750m上传送10Mbit/s；点到点光纤上的以太网，在最长10km上传送1000Mbit/s；点到多点光纤上的以太网（EPON），在最长10km上传送1000Mbit/s。此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护（OAM），使它具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。
    
    图2  EPON系统中传输协议的转换
世界上有几个主要组织负责开发PON的相关标准，前面提到的EFMA/IEEE和FSAN/ITU-T就是其中的主要两个组织。
    1、FSAN/ITU-T：在二十世纪八十年代，世界上许多大的运营商将光接入网引到他们的网络中。可是其中的大部分停留在试验局阶段，主要原因是其高昂的费用以及当时少的可怜的业务需求。随着Internet的迅速普及，到了90年代大量的对带宽的需求又使宽带接入重新成为主流。在1995年，7个主要的电信业务提供商发起并建立Full Service Access Networks(FSAN)全业务接入网组织，以加速光接入网的商用化。
随后一些主要的设备制造商也加入到该组织中，包括： Alcatel, Agere, Broadlight, Ericsson, FlexLight Networks, Fujitsu, Hitachi 
(OpNext), Iamba, Infineon, Lucent, Marconi, Mitsubishi (Paceon), NEC 
(NEC eLuminant), OKI (OKI Network Technologies), Optical Solutions, 
Quantum Bridge, SAT, Terawave, and Zonu等。
    FSAN收集整理关于BPON, APON and GPON的需求，并这些文档作为建议反馈给ITU-T，第15研究组。其中关于APON的G.983系列建议已经被ITU-T通过采纳。目前FSAN的正协助ITU-T制定GPON标准。
    2、EFMA/IEEE：简单地说EFM其实就是利用从用户办公室及家庭到通信运营商之间的连接线路直接传输以太网数据帧的规格。IEEE（电气和电子工程师协会）802委员会的802.3ah工作组正在进行这方面的工作，以期于2003年9月完成EFM的标准制订。作为IEEE工作组工作的一部分，EPON是作为使用点到多点以太网接入应用而定义的。 
    Ethernet in the First Mile Alliance (第一英里以太网联盟)则是一个支持基于802.3ah的EFM标准化的业界组织。EFMA的成员包括终端制造商、系统集成和通信运营商等，包括 Alloptic, Inc., Analog Devices, 
BATM Advanced Communications, Calix, Cisco Systems, Elastic Networks, 
Ericsson, Extreme Networks, Finisar, Fiber in the Loop, Harmonic, 
Hatteras Networks, Infineon Technologies, Intel, NTT Group, Paradyne, 
Passave Technologies, Spirent Communications, Texas Instruments, 
and World Wide Packets等。
EFMA有4个主要目标：
1.支持由IEEE 802.3ah制定的第一英里以太网标准 。
2.致力于集中技术资源促进关于技术规范的协调和统一。  
3.促进业界了解、接受和推动第一英里以太网技术和产品。 
4.协调各个设备制造商相互协作，鼓励和推动彼此之间的合作。 
三、EPON发展现状
    EPON是几个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，在以太网之上提供多种业务。目前,IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上,EPON由于使用以上经济和高效的结构，是连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10G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英里的解决方案。
    目前接入网现有的解决方案和用户的需求之间存在着巨大差异。在用户侧的本地网络已经普遍拥有了支持10M和100M速率的能力，在城域网侧已经可以支持千兆和万兆的速率，但在用户侧和城域网之间数据的传送却大部分为不足1M甚至只有几十K的速率。接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈，为了突出接入网的优先地位与重要性，IEEE 802.3 工作组把人们以前熟知的“最后１英里”接入网络段改称为“第１英里（The First Mile），并在 2000 年 11 月成立了 EFM (Ethernet in the First Mile)研究小組，于2001 年 7 月开始制定 IEEE 802.3ah EFM 标准，2003年9月完成EFM的标准制订。
    在EPON方面现在领先的有国际上有Salira，Alloptic等新兴公司，也有一些老牌公司如Nokia Broadband，Quantum Bridge等，国内在EPON方面研发比较领先有格林威尔公司，华中理工，武汉烽火等。其中格林威尔公司的多业务EPON (MS_EPON)系统最有特点，其系统支持上下行对称1.25G带宽，支持ONU的自动加入，支持TDM业务，提供动态/静态带宽分配、弹性保护倒换等功能。
四、EPON的网络结构
    一套典型的EPON 系统由OLT, ONU/ONT, POS组成。OLT位于根节点，通过ODN与各个ONU相连，在下行方向，OLT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还可支持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，实现网络管理的主要功能。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。ONU放在用户驻地侧，接入用户终端。
    
    图3 EPON的网络结构
OLT和ONU之间可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混合型。
       
    （A）树型拓扑
    
    （B）总线型拓扑
    
    （C）环型全保护的拓扑结构
    
    （D）主干路带保护的树型拓扑
    
    （E）主、支路带保护的树型拓扑
            图4 EPON的网络拓扑
六、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的层次模型按照2003年1月发布的IEEE 802.3ah Draft 1.3规定如下：
    
    图5 EPON的层次模型
    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光分路器的树形分支结构。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-Point Control Protocol多点控制协议）基础上，该协议是MAC control 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报的前面加上一个LLD（Logical Link Identification）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ONUs。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MAC Control子层。MAC Control向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。
七、EPON中的关键技术
1、系统同步
    系统同步是指由于EPON上行为多点到一点的拓扑结构，每个ONU发送时隙必须与OLT的系统分配的时隙保持一致，以防止各个ONU上行数据发生碰撞。ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步。EPON时钟同步采用时间标签方式。在OLT侧有一个全局的计数器，下行方向OLT根据本地的计数器插入时钟标签，ONU根据收到的时钟标签修正本地计数器，完成系统同步；上行方向ONU根据本地的计数器插入时钟标签，OLT根据收到的时钟标签完成测距。
2、ONU的自动识别
    ONU自动加入目的是通过系统的自动运行，不需人工干预的完成对新ONU的发现和注册，使新ONU能够自动加入到EPON系统而不影响其他ONU运行。EFM对解决注册冲突提出了两种方案：
1.随机延迟时间：发生注册冲突时，发生冲突的ONU仍然每次都响应注册授权，但是在响应开窗时随机延迟一定时间（但必须保证ONU随机延迟后的应答仍然可以落在开窗内）。采用随机延迟时间的方法可以缩短ONU加入系统的时间，但是需要增大注册开窗的长度，这样会降低系统的带宽利用率。
2.随机跳过开窗：发生注册冲突时，发生冲突的ONU随机跳过若干个注册授权后才重新响应。如果注册授权的周期为1s，那么发生冲突的ONU可随机延时1～8s(系统可配置)，然后继续等待注册授权。采用随机跳过开窗的方法比随机延迟时间需要多花一些时间，但是不需增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率。
3、EPON中TDM业务的传输
    尽管数据业务的带宽需求正快速增长，但现有的电路业务还有很大的市场，在短期内仍将发挥其巨大的作用，在今后几年内仍是业务运营商的主要收入来源。所以在EPON系统中承载电路交换网业务，将分组交换业务与电路交换业务结合有利于EPON的市场应用和满足不同业务的需要。因此现在大家谈论的EPON实际都是考虑网络融合需求的多业务系统。EFM对TDM在EPON上如何承载，在技术上没有作具体规定，但有一点是肯定的就是要兼容的以太网帧格式。如何保证TDM业务的质量实际上也就成为多业务EPON的关键技术之一。
4、EPON中信息安全的考虑
    根据IEEE 802.3ah规定，EPON系统物理层传输的是标准的以太网帧，对此，802.3ah标准中为每个连接设定LLID逻辑链路标识，每个ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据报，其余的数据报丢弃不再转发。不过LLID主要是为了区分不同连接而设定，ONU侧如果只是简单根据LLID进行过滤很显然还是不够的。为此IEEE 802.3ah工作组从2002年下半年起召开几次的会议，专门讨论有关EPON的链路安全性的问题，包括研究APON的G.983建议中搅动机制，802.1x协议等，会议中另一个主要议题就是关于安全性的问题是单独放在EPON中解决，还是放到整个802体系中解决。最终会议决定单独成立一个任务组结合EPON的具体情况，负责整个802体系的安全性问题的研究和解决。2003年1月份以原EPON安全小组的主要成员为主的新的工作组已经召开会议，将在尽量保证以太网体系架构的基础上，结合802.1x、802.10等已有以太网关于安全性的协议，加强和完善EPON和其他以太网应用的安全性。
5、EPON中的以太网管理
    对于以太网来说，第一英里接入是一个全新的应用。一个完整的新的电信级的管理被要求。和传统的局域网不同，在第一英里的终端用户不是按照以太网业务提供者的要求而配置的，第一英里包括局端设备（OLT）和远端设备（ONU），因此，局端设备必须要有能力监测业务提供网络和用户驻地网之间的物理链路和设备的一些重要的信息。EFM工作组已经决定提供的OAM功能包括：远端错误指示，远端环回，链路监视。OAM的消息通道，采用长度/类型域为8809的慢协议帧传送OAM消息。
八、EPON的应用
    10G以太网标准IEEE 802.3ae已经发布，意味着以太网可进入城域网和广域网领域。而用于局域网的10GBASE-T和10GBASE-CX4的补充标准也已经在2002年底启动，如果接入网也采用电信运营级的以太网技术EPON，将形成从局域网、接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构，可以大大提高整个网络的运行效率。
EPON的特点和应用在于：
1.长距离，宽带宽（20km，1.25G），光纤的接入和传输，光纤化的ONU/ONT，非常适合于FTTB和FTTO模式(非常有利于光纤在大楼内的布线和用户扩容)，光纤直接到商业用户。EPON系统所能提供的可调节的、有优先级和带宽保证的服务，将非常有吸引力。
2.更少的维护和供电――大楼内无需占用机房和供电设施，支持远端设备ONU/ONT的自动测距和自动加入，网络扩容便利，且局端设备和用户端设备为统一网管，对于运营商来可以大大降低运营维护费用。
3.EPON是面向未来的技术，它是一个多业务平台，可以同时提供IP业务和传统的TDM业务。QoS可以完全保证，而且完全遵循IEEE 802.3ah的标准。这不但使运营商在同一套传输平台上就可以根据用户的要求随时开通所需要的多种业务，而且非常容易向全IP业务网络过渡。
4.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DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现用户级的SLA。MS-EPON可以根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配（区别于普通交换机的基于端口的速率限制），并可根据业务合约保证每个用户连接的QoS。
(格林威尔供稿）