摘 要:本文主要介绍了EPON --以太网无源光网络技术的发展过程、基本原理、传输原理及技术优点,指出在网络时代飞速发展的今天,EPON技术将成为用户接入的发展趋势。
关键词:EPON;光网络;用户接入
1、PON技术发展
光纤接入从技术上可分为两大类:有源光网络(AON,Active Optical Network)和无源光网络(PON,Passive Optical Network)。1983年,BT实验室首先发明了PON技术;PON是一种纯介质网络,由于消除了局端与客户端之间的有源设备,它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响,减少线路和外部设备的故障率,提高系统可靠性,同时可节省维护成本,是电信维护部门长期期待的技术。PON的业务透明性较好,原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等几种,其主要差异在于采用了不同的二层技术。
APON是上世纪90年代中期就被ITU和全业务接入网论坛(FSAN)标准化的PON技术,FSAN在2001年底又将APON更名为BPON,APON的最高速率为622Mbps,二层采用的是ATM封装和传送技术,因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题,未能取得市场上的成功。
为更好适应IP业务,第一英里以太网联盟(EFMA)在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术,IEEE 802.3ah工作小组对其进行了标准化,EPON可以支持1.25Gbps对称速率,随着光器件的进一步成熟,将来速率还能升级到10Gbps。由于其将以太网技术与PON技术完美结合,因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。对于Gbps速率的EPON系统也常被称为GEPON。100M的EPON与1G的EPON的不同在速率上的差异,在其中所包含的原理和技术,是一致的,目前业界主要推广的是GEPON,百兆位的EPON也有不多的一些应用。在后面文档中提到的EPON,如果没有特别说明,都是指千兆位的GEPON。
EPON是几种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由于使用上述经济而高效的结构,从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10Gbps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公里的解决方案。
在一个EPON中,不需任何复杂的协议,光信号就能准确地传送到最终用户,来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层,EPON使用1000BASE的以太PHY,同时在PON的传输机制上,通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信,在协议的第二层,EPON采用成熟的全双工以太技术,使用TDM,由于ONU在自己的时隙内发送数据报,因此没有碰撞,不需CDMA/CD,从而充分利用带宽。另外,EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。
光纤接入从90年代初就走上了舞台,总的说来是一种“说得多,做得少”的技术。PON系统无疑是其中佼佼者,EPON与GPON,两种技术各有千秋,无论是EPON技术还是GPON技术,其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求,而价格则是最核心因素,ADSL的发展就充分证明了这一点。
实现全光纤的FTTH是宽带接入的发展方向,但是实现全部的光纤接入,需要一个过程。设备、光纤、工程成本和应用的业务需求,都是其广泛推广与使用的关键因素。第一步从FTTB开始,充分利用PON的技术,和现有的以太网的优势(成本底、使用广),然后逐步过渡到FTTH是一条比较合理的选择。
2、EPON的基本原理
与其它PON技术一样,EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构,利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。
图1 EPON原理
EPON的系统结构如图1所示。 一个典型的Ethernet over PON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT(Optical Line Terminal)放在中心机房,ONU(Optical Network Unit)放在用户设备端附近或与其合为一体。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,并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤,在一根芯上转送上下行两个波(上行波长:1310nm,下行波长:1490nm,另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长,来传递模拟电视信号)。
OLT既是一个交换机或路由器,又是一个多业务提供平台,它提供面向无源光纤网络的光纤接口(PON接口)。根据以太网向城域和广域发展的趋势,OLT上将提供多个1 Gbps和10Gbps的以太接口,可以支持WDM传输。OLT还支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音,普通电话线(POTS)和其他类型的TDM通信(T1/E1)可以被复用连接到出接口,OLT除了提供网络集中和接入的功能外,还可以针对用户的QoS/SLA的不同要求进行带宽分配,网络安全和管理配置。OLT根据需要可以配置多块OLC(Optical Line Card),OLC与多个ONU通过POS(无源分光器)连接,POS是一个简单设备,它不需要电源,可以置于相对宽松的环境中,一般一个POS的分光比为8、16、32、64,并可以多级连接,一个OLT PON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关,一般是固定的。在EPON中系统,OLT到ONU间的距离最大可达20km。
在下行方向,IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT,采用广播方式,通过ODN中的1:N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。在上行方向,来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1:N无源分光器耦合到同一根光纤,最终送到位于局端OLT接收端。
根据ONU在所处位置的不同,EPON的应用模式又可分为FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到大楼)、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。
3、EPON的传输原理
EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议,包长可变至1518字节传送数据,而APON根据ATM协议,按照固定长度53个字节包来传送数据,其中48个字节负荷,5个字节开销。这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。用APON传送IP业务,数据包被分成每48个字节一组,然后在每一组前附加上5个字节开销。这个过程耗时且复杂,也给OLT 和ONU增加了额外的成本。此外,每一48个字节段就要浪费5个字节,造成沉重的开销,即所谓的ATM包的税头。相反,以太网传送IP流量,相对于ATM开销急剧下降。
EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。当OLT启动后,它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后,根据OLT广播的允许接入信息,主动发起注册请求,OLT通过对ONU的认证(本过程可选),允许ONU接入,并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识(LLID)。
数据从OLT到多个ONU以广播式下行(时分复用技术TDM),根据IEEE802.3ah协议,每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识(LLID),该标识表明本数据帧是给ONU(ONU1、ONU2、ONU3......ONUn)中的唯一一个。另外,部分数据帧可以是给所有的ONU(广播式)或者特殊的一组ONU(组播),在分光器处,流量分成独立的几组信号,每一组载到所有ONU的信号。当数据信号到达ONU时,ONU根据LLID,在物理层上做判断,接收给它自己的数据帧,摒弃那些给其它ONU的数据帧。
对于上行,采用时分多址接入技术(TDMA)分时隙给ONU传输上行流量。当ONU在注册时成功后,OLT会根据系统的配置,给ONU分配特定的带宽,(在采用动态带宽调整时,OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告,动态的给每一个ONU分配带宽,动态带宽调整的进一步说明见后面章节)。带宽对于PON层面来说,就是多少可以传输数据的基本时隙,每一个基本时隙单位时间长度为16ns。在一个OLT端口(PON端口)下面,所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的,每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始,用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿,确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时,各个ONU的上行包不会互相干扰。
对于安全性的考虑。上行方向,ONU不能直接接收到其它ONU上行的信号,所以ONU之间的通信,都必须通过OLT,在OLT可以设置允许和禁止ONU之间的通信,在缺省状态下是禁止的,所以安全方面不存在问题。对于下行方向,由于EPON网络,下行是采用广播方式传输数据,为了保障信息的安全,从几个方面进行保障:
所有的ONU接入的时候,系统可以对ONU进行认证,认证信息,可以是ONU的一个唯一标识(如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号),只有通过认证的ONU,系统才允许其接入。
对于给特定ONU的数据帧,其它的ONU在物理层上,也会收到数据,在收到数据帧后,首先会比较LLID(处于数据帧的头部)是不是自己的,如果不是,就直接丢弃,数据不会上二层,这是在芯片层实现的功能,对于ONU的上层用户,如果想窃听到其它ONU的信息,除非自己去修改芯片的实现。
4、EPON的技术优点
EPON的优点主要表现在:
相对成本低,维护简单,容易扩展,易于升级。EPON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;EPON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;EPON系统是面向未来的技术,大多数EPON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。
提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽,并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。
服务范围大,EPON作为一种点到多点网络,可以利用局端单个光模块及光纤资源,服务大量终端用户。
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DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配,并保证每个用户的QoS。
5、总结
Ethernet Passive Optical Network -- 以太网无源光网络,它同时具备了以太网和PON的优点,正成为光接入网领域中的热门技术。EPON采用点到多点结构、无源光纤传输,在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术,在链路层使用以太网协议,利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON综合了PON技术和以太网技术的优点,必将成为用户接入的发展趋势。
参考文献:
[1] 《H3C EPON技术白皮书》杭州华三通信技术有限公司
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