电信级多业务EPON－EasyPath技术特色

       北京邮电大学 陈雪      格林威尔公司 孙曙和
  作者简介：陈雪：1985年于北京邮电大学获硕士学位。北京邮电大学电信工程学院教授。主要从事宽带接入技术、光纤通信网络等方面的科研和教学工作。
摘要  本文介绍了电信级多业务EPON系统－EasyPath的研发背景，分析了电信运营商对宽带接入系统的要求，着重阐述了EasyPath为满足这些要求而提出的技术方案。
关键词 多业务EPON  E1 over EPON  OAM  QoS  弹性保护倒换 安全性保证 动态带宽分配
1． 引言
    接入网的用户需求多样性、接入技术多样性、成本极其敏感和投资回收周期长等特点使其在电信泡沫期也没有象骨干网建设那样出现过热。现在能够带动电信业走出低谷的应该是宽带业务。骨干网具有绰绰有余的能力支持宽带业务的开展，关键是要解决宽带接入的问题。因此，宽带接入网的建设日益受到重视。宽带PON技术是颇具竞争力的宽带接入技术之一。IEEE 802.3ah工作组致力于基于千兆以太网的无源光网络（EPON）的标准制定，预计今年9月通过IEEE 802.3ah标准[1]。ITU-T继通过关于APON的系列标准（G.983.x）后又于今年一月通过关于Gigabit-Capable PON总体框架结构的标准－G.984.1[2]。美国三大运营商－BellSouth、SBC Communications和Verizon在今年6月联合发出了PON应用于“Fiber To The Premise”的招标。我国十五863计划设立了“基于千兆以太网的宽带无源光网络系统”招标课题，北京邮电大学与格林威尔公司凭借在宽带PON上的技术实力于2002年初中标承担了这一863课题。十五863的战略思想十分明确：加强创新 ，发展具有自主知识产权的高技术 ；面向市场，以市场和应用为导向。我们贯彻十五863的战略确定课题目标为：创新提出并实现具有多业务承载能力和电信运营服务质量的多业务EPON系统[3]。EasyPath为格林威尔公司在这个863课题的成果基础上开发的电信级多业务EPON系统，它将是实现光纤到驻地（FTTP）的有力技术手段（参见图1）。

2．EasyPath的应用需求分析
    根据美国著名咨询公司RHK的统计报告：2002年全球电信业务收入的68％来自TDM语音业务。我国信产部的《中国电信业发展指导（2003）》指出2002年我国TDM话音业务占电信业务收入的比例高达90％以上。这些数据说明尽管Internet带动的数据业务飞速增长，近几年TDM业务仍是电信运营商的主要收入来源；即使在更远一些的未来TDM业务仍是不可或缺的。因此，我们认为基于千兆以太网的PON系统支持有QoS保证的TDM业务是非常必要的。
    电信运营商要求对所运营的电信公用网能够方便进行运行管理维护、能够保证业务的QoS要求、能够保障网络和信息的安全等。以太网与PON的结合产生的EPON不仅很好地符合宽带接入的分组化、光纤化的发展趋势，而且因基于以太网使系统成本大大降低。但源于局域网应用的以太网技术在上述电信公网应用时所要求的运行管理维护、QoS和安全性保证等方面存在明显不足。若使EPON系统在接入网环境成功应用必须满足电信运营商这些要求。
    EPON系统近几年的主要应用场合是为企事业用户提供宽带接入，而往往企事业用户对业务的可靠性要求很高。因此，如何经济有效地提供电信级保护倒换也是EPON所要解决的难题。
3．EasyPath的技术特色
    针对应用需求我们通过技术创新研制成功了电信级多业务EPON系统－EasyPath。它的特点体现在：提供有QoS保证的多业务接入、具有强大丰富的OAM、提供经济有效的弹性保护倒换、保证安全性和公平有效的系统资源利用。下面分别阐述支撑这些特点的技术方案。
3．1 E1 Over EPON
    目前企事业用户对TDM业务的需求主要反映在要求提供E1电路接口。鉴于TDM over IP 不能完全保证TDM业务的QoS要求、新定义多业务EPON传输帧结构以同时承载以太网和TDM违背了IEEE802.3ah的EPON基于以太网从而保持低成本的原则，我们提出在EPON二层传输E1业务（ E1 Over EPON）的方法，即把E1电路业务数据封装成标准的以太网帧，与承载数据业务的以太网帧统一在EPON中传输。
    E1 Over EPON技术关键在于：1. E1信号与以太网之间高效合理的适配封装；2.E1信号的严格同步定时；3.电路业务QoS的保证。综合考虑适配封装效率和保证TDM业务严格的时延特性要求，我们确定E1到以太网帧之间的适配封装周期为500mS。定时上我们自主设计开发了与OLT－ONU之间系统同步独立的E1时钟标签同步方法完成E1信号的同步定时。E1电路业务的QoS保证涉及系统各个层次技术，除上已说明的E1«以太网之间的适配封装、E1信号同步定时外，还与EPON系统的动态带宽分配控制密切相关，因为在EPON系统中所有数据都是在OLT的授权下才能介入多ONU共享的信道的。我们通过区分业务、承载E1的以太网帧单独于数据以太网帧周期地传输的带宽分配控制保证TDM业务的QoS。
3．2 电信级的运行管理维护
    不需要人工干预，PON系统自动完成对新ONU的发现和注册（包括初始测距）是便于运营商运行PON系统的重要体现，而且在系统开通运行后随业务发展需要增加新ONU或故障修复后的ONU要重新加入到系统也都希望这些ONU能够自动地加入而不影响正常工作的ONU。EasPath采用MAC控制帧来进行OLT与ONU间自动加入相关信息的交互，采用随机跳过周期方法来解决多个ONU同时注册造成冲突的问题，实现了加入时间短于60秒、支持最远距离为30km的ONU自动加入[4，5]。
    EasyPath完善的OAM功能还表现在提供在线的性能监测、各种故障告警和远端故障指示、远端近端环回等功能。我们针对以太网缺乏性能监测的不足应用比特间插奇偶校验原理，提出了一种利用以太网帧前导码的一个字节作为BIP校验以实现对EasyPath系统传输性能在线监测的方法[6]，同时还提供在线实时丢包率的监测。为便于EasyPath的维护、管理和诊断排除故障，告警方面提供PON链路、以太网端口、E1端口的各种故障告警，并且可进行近端和远端环回。
3．3 弹性保护倒换
   为在提供高可靠性/生存性的同时利用以太网数据的突发性提供远大于传统保护倒换的网络资源利用率我们提出了“弹性保护倒换”[7]。

                    图2. MS-EPON系统的弹性保护倒换结构
    图2（a）界定了EasyPath系统中弹性保护倒换所保护范围（如图中阴影部分所示），包括光线路终端（OLT）的光分配网络（ODN）接口、光网络单元（ONU）的ODN接口以及它们之间的ODN。图2（b）是EasyPath系统弹性保护倒换的配置结构。系统中部分需要保护的ONU和OLT之间有两条链路，这些ONU具有保护功能；另一部分ONU和OLT之间只有一条链路相连，这些ONU不具有保护功能。这种配置方式主要是考虑各用户的需求不同，它可以允许一部分对可靠性要求高的用户采用保护配置，而对可靠性要求低的用户来说，可以不用保护配置，相对地成本可更低。这种配置方式应用灵活，特别适合于不同要求的用户在同一个PON网络中共存的情况。所谓“弹性”意指：EasyPath系统根据系统资源状况“弹性”地使用系统资源，没有故障时两套PON链路均传送业务；出现故障时受故障影响的ONU利用仍能使用的传送容量传输高QoS、有保护要求的业务。EasyPath弹性保护倒换技术的特点是：
         与区分业务的动态带宽分配控制相配合，无论是两PON链路可用还是因故障只一PON链路可用时均最大限度地利用系统资源，提高了系统资源利用效率。
         倒换操作在RS子层通过FPGA实现，具有短于50ms的保护倒换时间，能够满足电路业务QoS要求。
         OLT集中检测故障并且决定倒换控制，简化了ONU的设计、降低了ONU成本。EasyPath系统是由一个OLT和众多ONU组成的网络，ONU成本的降低使整个easyPath系统成本明显降低。
         保护倒换操作针对ONU进行，这与SDH自愈环上的保护倒换不同。自愈环进行保护倒换时，整个环上所有的节点都需要进行倒换操作，而EasyPath弹性保护倒换中仅有OLT和故障涉及的ONU需要进行响应的操作，从而提高了网络的生存性、简化了整个系统的设计。
3．4 安全性保证
    虽然EPON下行方向在物理层上数据比特流采取广播形式传输到所有ONU， 但由于合法ONU注册后才能获得属于自己的逻辑链路标识（LLID），每个ONU设备只能处理接收属于自己LLID的数据包，所以EPON的下行物理层广播传输并没有导致其安全性相对其它技术降低。但我们考虑到EPON应用于通信网络的最边缘，ONU设备往往位于用户领地，合法用户可以接触到ODN的光纤端口，而EPON下行物理层比特流符合标准的以太网帧格式，那么恶意的合法用户可以用带光口的千兆以太网交换机截取非本ONU的信息，用户信息的保密性收到威胁。此外，根据IEEE802.3ah草案， OLT与ONU的带宽请求、带宽授权、测距、OAM信息都是封装成MAC控制帧和OAM帧来交互的。所定义的MAC控制帧和OAM帧的帧格式与以太网帧是一样的，由于以太网帧的结构对用户是透明的，同时ONU作为用户侧设备为用户提供以太网口接入，这样上行方向存在恶意的合法用户通过其以太网数据通道接口伪造MAC控制帧或OAM帧，来更改系统配置或捣乱系统的威胁。因此我们在EasyPath系统中采用搅动技术保证系统和用户信息的安全。EasyPath系统的ONU产生34比特长的搅动密钥，传输密钥到OLT，OLT用密钥对该ONU数据进行搅动，ONU相应地解搅动；同时ONU对上行MAC控制帧、OAM帧进行搅动，OLT根据密钥对它们解搅动。密钥每一秒就更新。搅动/解搅动通过高速FPGA实现。这样，密钥的足够随机性和很短的更新时间以及搅动的高速电路设计实现的复杂性使EasyPath的抗密码分析能力很强，具有很强的安全性保证[8]。 
3．5 准周期同步轮询动态带宽分配控制
    EPON上行传输是多个ONU时分复用上行带宽，因此恰当的带宽分配机制必不可少。EPON上行系统的带宽分配可考虑两种机制：静态带宽分配和动态带宽分配。静态带宽分配对带宽采取固定配置的方式，系统按照各ONU预定的带宽进行初始配置，运行期间其值保持不变。静态分配时若为保证传输性能以各ONU的峰值速率为基准分配带宽，因各ONU的数据流往往不是同时处于峰值速率而导致整个系统带宽没有充分利用，系统资源利用率大大降低。若以数据的平均速率为基准分配带宽，常常会出现当某些ONU有大的突发数据分组到来时，数据不能及时发送出去，从而导致数据的丢包率和时延增加；而另外一些ONU的数据流量却小于平均速率，系统资源没有被充分利用。由此可见当EPON承载突发性很强的数据业务时，静态带宽分配的效率是比较低的。动态带宽分配（DBA，Dynamic Bandwidth Assignment）对带宽采取实时调度方式，系统按照ONU实时上报的请求统筹安排，动态调整授权给ONU的带宽，从而充分利用系统资源，同时改善时延等性能。
    目前已报道的EPON DBA大都着眼于如何动态分配上行带宽以最大限度地利用系统资源，而我们认为高的带宽利用率仅仅是DBA设计需要考虑的一个方面。作为电信运营商的网络设备EPON，它不仅要有高的系统资源利用率，同时还要能够公平地管理控制各用户（ONU）带宽。所谓公平就是出现各用户竞争系统带宽时DBA能够根据用户与运营商签定的合约情况进行带宽分配，用户得到的带宽正比于其付费的多少。因此，我们提出了兼顾带宽利用率和公平性的准周期同步轮询动态带宽分配控制方法并应用于EasyPath系统，可作到ONU起始带宽512Kb/s，带宽分配粒度64Kb/s。仿真结果表明带宽利用率大于90％，公平性因子小于0.03（公平性因子越小越公平，理想情况下为零）[9]。
准周期同步轮询DBA算法的主要特点如下：
         各ONUs的以太网业务带宽根据ONU的请求准周期地进行分配授权，而E1业务周期地每500us授权一次以保证E1的时延特性要求。 
         OLT与ONUs之间的系统时钟是同步的。
         当各ONUs竞争EPON系统资源时按ONUs的合约带宽大小正比地分配各ONUs带宽；当EPON系统资源有富余时尽量满足各ONUs的需求。
         ONUs向OLT发送的带宽请求和OLT向ONUs发送的带宽授权信息通过以太网MAC控制帧传送。
         支持ONU的自动加入
    尤其值得指出的是EasyPath下行带宽同样根据用户合约进行了用户带宽控制。总之，EasyPath基于连接（合约）的带宽控制为运营商的运营管理提供了有力支持；同时它的动态带宽分配使运营商的网络资源利用率大大提高。
4．小结
    本节对采用上述技术方案的EasyPath系统作一概括。EasyPath系统由一个OLT、ODN、多个ONU和网管平台组成，上下行线路速率为1.25Gb/s，主要技术特征如下：
         OLT向网络侧提供32路E1接口、2个GE接口，向PON侧提供具有保护倒换功能的2套PON接口或者4个PON接口。
         ONU向用户侧提供4路E1接口、24个FE接口、1个GE接口，向PON侧提供1套具有保护倒换功能的PON接口/无保护的PON接口。
         ODN为OLT和ONU提供物理线路连接，由光缆和光分/合路器构成；最多提供32路分支，此时最远ONU与OLT的距离为10公里，16路分支时最远ONU与OLT的距离为20公里以上。可采用波分复用技术单纤双向传输或双纤双向传输。
         网管平台使用标准的SNMP协议，为操作维护人员提供EasyPath系统的配置、故障、性能、安全管理功能。
         ONU自动加入、即插即用。
         在线监测系统的误码率、丢包率等性能。
         采用灵活、经济的弹性保护倒换。
         采用基于连接(合约)的带宽控制与资源利用率最大化相结合的动态带宽分配控制。
         支持802.1Q VLAN、生成树协议。
   我们相信根据运营商需求通过技术创新研制成功的多业务EPON系统－EasyPath以其保证QoS的多业务承载、丰富完善的运行维护管理、经济有效灵活的网络资源利用和强有力的安全性保证等技术特色将在光纤到（企事业）用户驻地领域得到广泛应用。随着居民用户带宽业务需求的增长和EPON大规模应用带来的设备成本大幅下降，在未来的FTTH宽带市场中，EasyPath也将有很好的应用前景。
参考文献:
1.IEEE Draft P802.3ah, “Media Access Control Parameters, Physical
Layers and Management Parameters for subscriber access networks”.
2.ITU-T G.984.1, “General characteristics for Gigabit-capable 
Passive Optical Networks (GPON)”, Jan. 2003.
3.Chen Xue and et al, ‘Architectural Design of Multi-Services 
Ethernet PONs for Business Customers’ Applications’, 
International Conference of Telecommunications 2002，2002 Jun，
Beijing.
4.左晓波 陈雪邓羽,“EPON系统中ONU的自动加入”，《光通信研究》， 2003年第六期。
5.汪丁鼎 陈雪邓羽，“以太网无源光网络中的时间标签法测距”，《光通信技术》，2003年第七期。
6.陈雪 杨国权 汪丁鼎 邓羽，“电信级MS-EPON传输性能的监测”，《光通信研究》，2003年第六期。

7.Chen Xue and et al, ‘Proposal of a Novel Protection Mechanism
 for Ethernet PONs’, Proceeding of IEEE TENCON02，2002，Oct，
Beijing.
8.关键 陈雪 邓羽孙曙和,“EPON安全性研究”，投稿于《全国第11次光纤通信暨第12届集成光学学术会议》。
9.Chen Xue and et al, ‘A Novel Upstream Dynamic Bandwidth 
Assignment Scheme for Ethernet PONs’, Proceeding of ICCT2003，
2003.