构建稳健GEPON系统面临的挑战

06/08/2005,Tim Wang; Younger
Yang; Zachary lu,
Fiberxon,Inc.
    随着互联网业务的快速发展，“最后一公里”的瓶颈问题变得越来越突出。因此千兆以太网无源光网络（GEPON）作为接入网最优化的解决方案越来越多吸引人们的关注。建立安全、稳定的GEPON接入平台越来越显得重要和迫切。本文介绍了GEPON的系统结构、技术优势及其应用前景。通过对系统业务、系统构架的分析，探讨了GEPON在应用中面临的挑战。

一.  引　言
    随着Internet的高速发展，用户在不断地增加，出现了IPTV业务、各类互联网互动业务如视频会议、视频聊天、网络游戏、大文件传输业务等应用，对网络带宽提出了越来越高的要求。为了满足用户对带宽增长的要求，实现接入网的高速化、宽带化和智能化，各种接入技术层出不穷，这些接入技术中目前被认为最有前途的是光接入技术（FTTx）。
无源光网络（PON）由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入中的佼佼者，被认为是通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务的理想物理平台。以前人们认为将ATM（异步转移模式）技术和PON技术相结合的APON技术是实现综合接入的理想模式。然而，由于数据业务的爆炸式增长，ATM技术暴露出效率不高、协议复杂等弱点，而IP技术则日渐兴起。由于以太网在传输IP业务时具有效率高、协议简单等优点，所以越来越多的人认为将千兆以太网技术和PON技术相结合的GEPON（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）技术是取代APON（ATM Passive Optical Network），实现高速、宽带、综合接入的理想途径。
当前，光纤建设在“核心网”部分已基本完成，正在向接入网推进，最终将实现FTTH的全网光纤化。作为光纤接入网的重要解决方案，GEPON（千兆以太网+无源光网络）得到国内外运营商和厂商的支持和认可，以其远远高于现有接入技术的带宽向终端用户提供可靠的数据、话音和视频通信。

二.  GEPON的特点
　  GEPON作为一种点到多点的光网络，指的是信号的通道从源头到目的节点间都是通过无源器件完成的，这些无源的器件包括单模光纤光缆、无源光分束器/耦合器、连接器和接头等等。它是由IEEE EFM工作组在现有IEEE802.3协议的基础上提出，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧。传统的电信网使用多层结构，IP over ATM、SONET 和 WDM。这种结构的网络要传输IP业务，需要使用ATM交换机来构成虚链路，使用分插复用器和数字交叉连接设备管理SONET环和点对点的WDM光连接。而Ethernet PON由于放弃了复杂昂贵的ATM和SONET器件，从而使网络大为简化。 受到越来越多的电信运营商的关注。同时相对与其他接入技术相比较，它有很多优势：
1） 更长的传输距离：GEPON系统允许局端和用户驻地网间的距离超过20KM，而传统的xDSL技术最长的传输距离被限制在5.5km以内；
2） 兼容现有的以太网：以太网技术，作为迄今为止最成功和成熟的局域网技术，已经在全球范围内得到广泛应用。GEPON只是对现有IEEE802.3协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。考虑到以太网的市场优势，GEPON与以太网的兼容性是其最大的优势之一；
3） 高带宽：GEPON可以提供对称的千兆上下行信道。而目前的接入方式，如传统拨号的Modem、ISDN、ADSL提供的带宽一般小于10Mbps,即便是ATM PON，其提供的下行622Mbps，上行共享155Mbps的带宽比起GEPON,还是有很大的差距 ；
4） 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大；PON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；PON系统是面向未来的技术，大多数PON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择；
5） 三网合一的技术优势：GEPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太网的格式进行传输，而自身广播的业务特定更适合视频业务的传递。如果辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。
GEPON是由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）等单元构成的点到多点系统。其系统拓扑多为星型或树型分支结构，下行方向（由OLT到ONU）采用广播方式，每一个ONU将接收到所有下行信息，根据其MAC地址提取有用信号；上行方向（由ONU到OLT）采用时分方式共享系统，为了避免数据碰撞和公平的信道共享，采用OLT分配静态或者动态带宽的方式，给每个ONU分配一个时间没有重叠、时隙可变的传输窗口，用于ONU数据的传递。为了实现时隙的管理，IEEE802.3ah中采用了多点控制协议（MPCP），采用Report 和GATE两个MAC控制消息来实现。OLT发送门GATE消息给ONU用来分配时隙。而ONU采用“报告（Report）”消息向OLT获取时隙或者请求时隙。通过接入控制机制将各个ONU有序接入。GEPON的上、下行信息速率均为1 Gb/s（由于其物理层编码方式为8B/10B码，所以其线路码速率为1.25Gb/s），由一根光纤采用波分复用实现全双工通信。其结构示意图如图1所示。

 
图1  GEPON系统上传数据和下传数据示意图
   从GEPON中功能划分可以看出，GEPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，而ONU/ONT的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。

三.  GEPON面临的挑战以及解决方法
    千兆以太网无源光网络(GEPON) 的很大一个优势就是在利用丰富的带宽开展很多的业务和应用，如实现三重服务（triple play），为最终的三网合一奠定良好的基础。目前可以开展的业务有语音（包括POTS和VoIP）、视频点播（VOD）、标准电视和高清电视(STV and HDTV), 视频会议、实时或者准实时的电子交易和数据等。针对以上各种不同的业务，各电信运营商纷纷推出各种接入业务种类，针对不同的用户需求，在传输带宽、质量和价格等方面提供差异性的接入服务。表1列出了一些基本的业务类型以及相应的要求。

  
表1  常见接入业务类型及其带宽需求
从表1中我们可以看到：针对不同的业务，需要的带宽不同。对服务质量（QoS）以及服务等级(CoS)的要求也差异很大。
    为了确保与IEEE 802的结构兼容，GEPON采用了点到点仿真技术，使得GEPON介质成为一系列点到点链接的组合。根据IEEE 802.3ah规定，GEPON系统物理层传输的是标准的以太网帧，对此，802.3ah标准中采用逻辑链路标识方式（LLID），为每个不同的ONU分配一个不同的LLID。这样每个ONU只能接收带有自己的LLID的数据报，其余的数据报丢弃不再转发。
    在这样一个接入网中，每个ONU可能会有一个或者多个用户，而每个用户可能会有一种或者多种业务。而每个业务（如视频、语音和数据）可能会有不同的服务等级(CoS)，对服务质量（QoS）有不同的要求。
2.1 每个ONU分配一个LLID的分析
    在这样的配置中，OLT会分配给每个ONU一个不同的LLID。这样的话，从带宽分配机制上来说，将会变成一个分级的带宽分配结构。上层的OLT负责ONU的带宽分配，根据ONU的请求和网络现状，分配给而每个ONU的一定的带宽；而ONU根据自身业务种类和业务的要求，再进行带宽分配。如图2所示：

 
图2  不同等级的带宽分配方式
    这种分配方法最大优点在于，因为带宽分配过程中会产生很多MPCP管理帧，而这些帧的传递会浪费大量的带宽。采用这种方法，可以减少管理帧的传递，提高带宽利用率。但是采用分级的带宽分配的方式，能否满足传递不同业务的要求，需要进行进一步探讨。
下面我们通过一个简单的“完全优先级队列”的带宽分配方式，来考虑现有分配方式的特点，在这种带宽分配方式中，所有的业务只有在更高级别的所有业务传递完成后才能进行传递:
1) ONU中业务的抢占式排队。
    在这种传输机制中，低优先级的业务艰难生存。因为当OLT分配给ONU的时间窗到达的时候，ONU根据相应的授权，进行业务的传递，数据的传递根据业务的优先级进行排序，逐步发送。同时还会有源源不断的新的业务加入队列。当新到达的数据包拥有更高的优先级的时候，它们就会抢占那些正在等待发送的低优先级的数据。而这些新到达的业务，可能并没有向OLT请示需要发送，而OLT也没有为这样业务预留带宽。这样他们就会挤占那些低优先级业务的时隙，而优先发送。那些低级的业务就会被迫留在缓存区内等待下次发送。这样的状况可能会发生很多次，导致低优先级的业务会经过很多个周期的延迟。如果这个业务的优先级越低，那么这种时延的时间可能会更长。
    这种机制带来的另外的一个问题就是传输包的变化。由于上报的数据和ONU请求的数据不同，传输包会和上报内容不一致。考虑到和IEEE 802.3兼容的问题，很有可能会出现以太数据无法成帧的尴尬局面。
2) ONU中非抢占式排队
    在ONU中使用非抢占式排队的传输机制，会减轻低级业务延迟大的局面。但是将会带来新的问题。在这样传输机制中，OUN会根据预先上报的请求的队列，依次进行数据的传递。即便是有更高级别的业务需要传递，ONU也不会响应。但是这样做一个缺点就是由于新的业务的传递，都要等到上一个传输周期完成后，经过本次ONU的请求以及OLT的响应后才能进行。所以会增加数据排队的时延。表2表明对于高优先级的业务时延周期会有1ms。

表2 高优先级的业务时延为1ms.
    非抢占式传送机制带来的时延对于那些高级别的业务像系统告警、失效指示等等会带来很大的问题。对于那些如语音、视频等时延要求小的业务来说，这种传送机制将很难保证这类业务的传输质量（QoS）。如ITU-T G.114中对于语音业务的规定一样，要求语音在接入网中的时延要小于1.5ms, 在GEPON系统中，除非采用特殊的方法，否则时延很难控制在该范围内。
    通过以上的分析，我们可以看到，如果仅仅采用分配给一个ONU一个LLID的方法，将很难提供SLA的保证，很难保证业务的公平性，对业务也很难提供保护。
2.2 基于业务的LLID分配机制
    为了解决GEPON系统中分配ONU一个LLID过程中遇到的各种问题，我们采用针对不同业务分配不同LLID的方法（如图3）。该方法是目前简单而又最有效的方法。这样一方面消除了在ONU处重新进行带宽分配和业务整合的工作，将所有的工作都统一由OLT进行集中监管、调度和分配。OLT接受来自带有不同LLID的业务上报(Report)的请求，然后通过门（Gate）消息分发给不同业务的授权。这样的话，OLT可以很容易的限制一个业务的带宽而给其他的业务分配更多的带宽。在这样的系统中，ONU也变得非常简单。当然在这种方法中，由于每个业务需要分配一个LLID,因此需要占有更多的开销。

 
图3 每种业务一个LLID(单级带宽分配)
    通过以上方法的改进，保证了各个用户或业务可以保证公平性，有利于保证业务的QoS(服务质量)，尤其对时延敏感性业务，可以降低接入时延。
2.3 系统构建面临的挑战 

   
图4  GEPON系统的网络拓扑结构
    在GEPON系统的网络拓扑结构中，主要有树形、星形等结构（图4）。无论采用何种网络结构，业务都是通过OLT、主干光纤（trunk fiber）、分支光纤（branch fiber）然后到达每一个ONU。如果当OLT和主干光纤发生故障整个系统会就陷入瘫痪。这样的网络结构是非常脆弱的，无法适合现代网络运营的要求。GEPON网络故障造成的损失将是十分巨大的，不仅体现在现有的业务无法开展，运营商无法获取相关的收益，更为严重的是这样会降低运营商在用户心中建立起来的信誉，增加用户的离网率。因此，在当今网络保护就显得越来越重要的情况下，对于GEPON采用必要的自动保护倒换（APS），不仅有效的解决业务传递的连续性；更可以提高GEPON系统的生存性、稳定性；提供业务的服务质量，同时进一步提高运营商的收益。
    为了解决现有网络系统中存在的缺陷，需要把APS技术运用到GEPON系统中，建立新型的具有自愈功能的GEPON系统，来满足运营商运营的要求。GEPON自愈网是基于传统的GEPON结构所建立的一种新型网络，它与传统的GEPON系统相比，具有控制简单、生存性强等突出特点。所谓网络自愈，是指无需人为干预，网络在极短的时间内从失效的故障状态自动恢复传输所携带的业务，使网络具备一种可替代的传输路由。
具有自愈功能的GEPON系统主要针对系统应用中的一些故障做保护，GEPON系统的故障可以分为线路故障、设备故障两大类。 

线路故障：主要分成主干光纤故障和枝干光纤故障。
◆ 主干光纤故障或光纤插损过大：由于GEPON系统是通过光纤传递和很多无源光器件进行传输的，因此主干光纤或者光无源器件发生故障时，会影响整个系统的业务传递。主干光纤的故障主要有光纤断裂或者损坏，或者由于外界的力量产生扭曲、变形导致插损超过门限值导致业务中断。该类型的故障导致的后果就是整个系统无法正常工作，因此必须杜绝发生。该类型的故障优先级最高；
◆  枝干光纤故障：枝干光纤的故障也主要是光纤断裂或者插损过大。该类故障将会导致一个或者多个ONU业务无法传递。相对与主干光纤断裂，该类故障的优先级较低，应尽量避免发生。

设备故障：主要有OLT故障和ONU故障两大类。
1) OLT故障：OLT作为GEPON的核心，不仅要完成所有ONU的认证、鉴权、管理等等工作，而且还有负责OUN的测距、动态带宽分配（DBA）以及数据的交换。如果OLT出现故障，连接到该OLT的所有ONU都无法正常工作。OLT故障的原因有很多，有可能是硬件的，也可能是软件的；有可能是芯片的，也有可能是模块的；有可能是光路的，也可能是电路的，等等。该类型的故障导致的后果就是整个系统无法正常工作，因此必须杜绝发生。该类型的故障优先级最高；
2) ONU故障：ONU作为用户与外界数据交换的平台，负责用户业务的传递。如果ONU出现故障，将会影响该用户的所有业务，一般情况下不会对整个网络造成影响。其影响一般是个体的、少数的。相对与OLT故障，该类故障的优先级较低，应尽量避免发生。

四.  总结
　　千兆以太网无源光网络还处于商业运营的起始阶段，但是它的优势已经逐步被大家认可。数据业务快速的增长，以及以太网逐渐向城域网演进，都极大地推动了GEPON系统在接入网中的应用。对GEPON系统网络设计和应用中的问题做充分考虑,可以使整个系统应用获得良好的稳健性和可靠性。