EPON介绍

EPON 介绍 文档密级 内部公开

EPON（FTTH）介绍

一 EPON的简介

Internet的高速发展，用户对网络带宽的需求不断提高，已不单单是普通的数据传输，开始向往带宽更高的视频和语音。人们的目光开始从电传输转移到以光纤为介质的光传输。以太网无源光网络( EPON) 技术采用点到多点的拓扑结构（如图1）,将光纤延伸到最后1 km，采用无源器件，减少了端局的激光器数量，降低了维护成本，并结合了千兆以太网的优势。目前，这种宽带光接入技术正成为研究的热点。

图1 PON的ToPo实例

图1是一个典型的Ethernet over PON系统，由OLT、ONU、POS组成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房（CO，Central Office）ONU（Optical Network Unit）放在网络接口单元（NIU：Network Interface Unit）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n个ONU（n可为8、16、32）的无源设备，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。

EPON结合了上行采用TDMA而下行采用了TDM技术，用户在自己分配的时隙传送上行数据，不会象CSMA/CD网络产生冲突；在接受和发送数据的载波采用了WDM技术（上下行采用了不同的光波长，如果有视频传输的还会有另外的光波长）。

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图2 固定时隙的上行帧

图2中我们假设ONU的时隙时平均分配的（上行帧的固定长度为2ms）如果被32个ONU分享，那么每个ONU分到的时隙是1ms/32=0.03125ms。但是，实际中并不是如此，一般根据ONU缓冲器中等待上传的数据包来动态地分配时隙的。可能见到最多的是下面的情况:

图3 时隙动态分配

每个用户分配到时隙是不同的，根据ONU的实际情况进行分配。

在下行方向上EPON采用了广播或者组播技术：每个ONU通过filter过滤不属于自己的内容，只接受属于自己的内容。如下图所示：

图4下行数据流

由于单单采用这种广播或者组播方式，很容易给其他用户窃取自己的信息，所以在下行流一般都经过加密（AES 128bit Encryption），来保证数据的安全。

二 PASSAVE概述

基于Ethernet的无源光网络(EPON)技术代表了宽带接入网的最新发展趋势，是实现光纤到户（FTTH）的理想方案之一。我司采用的是在HUAWEIQuidwayS6500系列上嵌入passave 5001芯片（称为OLT），在ONU端嵌入passave 6001芯片，有关passave 的芯片介绍可以主要参照两篇文档 ： PAS5001 Datasheet 3.0.pdf 、PAS5001 API Version 18.0.pdf

PAS5001对应于OLT、PAS6001对应于ONU，这两个芯片实现了802.3ah协议中的MPCP、OAM功能，并提供了更高层次的编程接口，PASSAVE实现的应用模型如下图:

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图5 PASSAVE建议的GE-PON Switch模型

在这个Passave Switch 中我们可以把里面的内容看作是一个黑盒。在OLT中的Passave5001和在ONU中连接到Passave 5001的Passave6001，组成了一个分布式的SWITCH。 在ONU端通过不同的LLID(逻辑链路ID——LLID类似于以太网交换机的端口)来区分不同的端口，在CNI（系统/核心网络接口——Pass5001上层）根据所属VLAN ID区分。 交换机采用6500系列的主控板，自己开发接口板，接口板采用如下层次。

VRP平台上层协议及管理命令执行接口管理层PAS-SOFT APIBSP 图6 GEPON接口板层次图

EPON系统的软件主要分布在以下三个方面：主控板上的CPU、接口板上的CPU（管理多个PAS5001 OLT）、OLT(PAS5001中的ARM9处理器)。

有关Passave 5001的功能描述可以参照（PAS5001 Datasheet 3.0.pdf）。接下来重点介绍EPON

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的最重要也是最有意义的特性——MPCP（Multi-Point Control Protocol）

三 MPCP的工作原理

在这个Topic中将主要介绍MPCP的工作原理，其中先从最初的注册过程开始，然后深入到OAM的管理、动态分配带宽管理、数据传输的过程等。 MPCP子层的功能：

MPCP 子层应该使得各个MAC Client 能够在P2MP 的光网络中不受干扰地发送和接收帧,好像P2P 的情形一样,这就提出了以下要求:

(1) 要通过复接控制子层来控制每个MACClient 发送和接收帧,在发送MAC Client 数据帧之前,要发送控制帧来建立联系. 控制帧的优先级比数据帧高。

(2) 通过Gate Process 功能,可以控制在某一时隙,只有一个MAC 能发送数据。

(3) 通过Discovery Processing 功能,OLT可以在网络中发现新的ONU 设备,然后控制其发送数据帧.

(4) 在Report Processing 功能中应该设置反馈机制,实现对各个ONU 的带宽动态分配。 此外, MPCP 是建立在严格的“时戳”机制上的,要根据系统要求,对时序进行严格的计算.

首先我们从ONU的被发现到注册完成来进行说明（参照图7）

发现处理功能用于新站点的发现和注册。每一个新站点都要报告其能力和要求，得到OL T 的允许后,给它分配相应的LLID ，计算其相应的RTT值。层管理功能要负责为发现处理分配带宽。在发现过程中，有3 条MPCPDU参予其状态转移,分别是Register - req、Register 、Register - ack. 发现处理过程如图7 所示。

(1) OL T 发送一条“Discovery Gate”消息，消息的内容包括用于发现的授权( Grant) ，包括其长度和开始时间,还有物理层的一些参数，如AGC 建立时间、CDR 锁定时间等。 (2) 各个ONU 通过竞争,在窗口内发送Register _Req ，在其中包括了ONU 的能力矢量(CapabilityVector) 和物理层的一些参数。

(3) OLT 接收到后,经过验证,给ONU发Register ,消息的内容包括分配给这个ONU的LLID值、OLT所支持的ONU 能力、对ONU能力及物理层参数的回应等。

(4) ONU 收到Register后,经过验证,给OLT发Register _Ack ,消息的内容包括被ONU 所支持

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和确认的OLT 能力、ONU对被分配的LLID和被设置的物理层参数的回应等。

(5) 这样,就在OLT和这个ONU之间建立了一条信道。也就完成了发现的过程。 在这些消息中,都携带有Timestamp“时戳”，OLT可以通过这些“时戳”计算出RTT ，通过Gate 处理，就可以控制ONU 的数据帧发送。

图 7 EPON 注册授权过程（MPCP的实现过程）

以上简单的介绍了EPON系统的发现注册过程，在以上过程中我们在OLT接受ONU之间的Register_Req存在contention（竞争），这种情形是通过random delay 和random solt back_off算法来处理的,而在其间传输的是MPCP PDU，下面介绍MPCPPDU的帧格式：

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图8 Gerneric MPCPPDU

图8是通用MPCPPDU帧格式，其实在前导码（preamble）中有1bit的mode模式——用来标记P2P模式还是广播模式，15bit的LLID，1byte的CRC。

(1) 目的地址(DA) :指MAC- Control多播地址,或MPCPDU 要到达的目的端口MAC地址。 (2) 源地址( SA) :指MPCPDU发送的源端口MAC 地址。

(3) 操作码（opcode）:5 条MPCPDU 的操作码分别如下表所示：

MPCPDU PAUSE POS GATE REPORT REGISTER- REQ REGISTER REGISTER- ACK 操作码 00-00 00-01 00-02 00-03 00-04 00-05 00-06 表1 MPCPDU 的操作码 (4) 时戳（timestamp）:在发送MPCPDU 时,利用时戳传递当前的时间信息,即本地时间寄存器的值。

(5) 数据域（data）:用于MPCPDU 的内容填充,如果未使用,则填充为0。 (6) FCS :帧校验序列。

接着介绍OAM (Operation Adminstration and maintance)。

OAM提供了链路操作监视机制比如：远程故障显示，远程回环控制，通常OAM给网络操作

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者提供了网路的健康状况，然后快速确定失败或者故障连接的位置，OAM information通过OAMPDU传输，OAM在OSI模型中的位置可以参见图9

图9 OAM子层在OSI模型中的位置

那OAM的主要功能是什么？

1 Interoperability between OAM capable DTEs

DTE能帧测到远端的DTE是否启动了OAM，而OAM的发现机制可以确定远端DTE的配置参数，比如最大允许OAMPDU size、支持的功能、OAM远程回环。 2 Interface to MAC Control client

MAC Control clients产生的MA_CONTROL.request servicer 参数都必须通过OAM sublayer来传输。

3 OAM 遵守以下的原理：

a OAM sublayer 提供接口给上层（MAC Cient 和 Link 集合） b 当然它也提供接口给下层（MAC 和 MAC Control）

c 从上层下来的帧通过OAM sublayer的复用，以OAMPDU的方式发送出去。 d OAM sublayer解析frame 让OAMPUDs通向到OAM client

e OAMPUDs 的传输通过在OAM sublayer和OAM client的的单一链路上进行传输。 g Others

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DBA (动态分配带宽)

所谓动态分配带宽就是根据各ONU 的即时业务状况实时改变各ONU上行带宽, 可采用请求应答机制实现, 即通过ONU的带宽请求获取各ONU的流量信息; 通过合适的带宽分配算法计算出本轮的带宽分配结果; 再利用带宽授权通知各ONU, 保证各ONU上行发送不互相冲突。针对突发性很强的IP/ Ethernet业务,相较于固定带宽分配方案,动态带宽分配机制能够减少带宽浪费,更有效地利用上行带宽。

带宽授权周期 EPON-in-MAC 系统中,各ONU的上行数据轮流发送,发送顺序及发送时间点通过带宽授权帧由OLT集中控制。本文定义各ONU循环发送一次的总时间为一个带宽授权周期, 带宽授权周期的大小直接影响EPON系统的性能: 带宽授权周期越小,系统的上行传输时延越小, 但控制字节、突发开销对带宽的消耗越大, 即带宽利用率越低; 带宽授权周期越大, 系统的上行传输时延将变大,带宽利用率越高。综合考虑,带宽授权周期应当是毫秒(ms) 量级的，我司采用的是1ms。

动态带宽分配是EPON 系统的关键技术之一, 对改进系统时延及以太网帧丢失率等性能指标有着重要的意义。

接下来主要介绍EPON中的MPCPDU数据流。

EPON的分层结构与传统的分层结构相比,在MAC Control 层增加了MPCP子层作为EPON 的控制层。 MAC层不做改变, 在MAC 层下增加Reconciliation 层,并且为EPON 新增的功能定义了一个新的管理实体。针对EPON , PMD 层也会有一定的改变。所有的层仍然使用标准接口。（参照图10）

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图10 多点MAC控制的OSI模型以及相互间的关系

在接收方向,MPCP要将从MAC 转发过来的帧中的前导码中的LLID去掉,并进行分析,将数据帧转发到相应的MAC Client ,将控制帧转发到相应的处理进程。如果子端口加入某个vlan，那么数据帧将打上vlan tag向上传输。

在发送方向,数据帧去掉vlan tag后发送到Client模块，从Client 来的数据帧和从各处理进程来的控制帧将向MPCP中的复接控制功能块发出请求。如果被允许,则将控制帧加上LLID ,打上时戳,和数据帧一起发送到MAC层。MPCP子层取代了MAC控制子层的位置,使用了MAC 控制子层的工作机制和一些定义,支持多个MAC Client 和EPON 特定的MAC控制功能。MPCP子层还扩展了MAC 控制的机制,使其可以同时控制下面的多个MAC层。非实时的、静态(如MAC 操作参数的配置) 的控制可以由层管理来完成。（参照图11）

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图11 数据收发的流程（tag and untag）

四 一些心得

开始接触EPON，看了很多的资料然后回过头，发现自己所看的EPON资料无非都是围绕以上这个图（图10），进行论述的。

刚刚一接触EPON感觉比较模糊，一大堆的资料不知道从哪里下手，虽然走了很多的冤枉路，不过回想起来也得到许多的经验。 在此我把我所学的跟大家分享一下：

首先我觉得先从简单的入手，由浅入深：先了解EPON是如何的一个咚咚，然后再深入EPON的每个模块作深入的研究。我就是遵循这个原则慢慢学习的。

在选择资料方面我觉得：资料不在多，在于精或者说在于自己如何去截取里面的内容，没有必要把整个文档的内容研究。 在此我推荐文档资料从简单入手：

@#EPON简介及Passave软件功能.doc 简单介绍了EPON的一些功能——了解阶段 PAS5001 Datasheet 3.0.pdf ——理解阶段

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PAS5001 Datasheet 3.0.pdf文档中有很多的内容，不过对我们测试人员来说的却只有其中一块，而且我觉得是重点，在阅读这个文档的时候先看Topic Abbreviations and Terminology List 熟悉缩写英文单词的意义，然后截取Topic “4.Functional description”下的4.11~4.16 Topic，在这几个topic中讲的内容很短，但是很是精深，里面设计了很多新的内容比如 Stack Vlan IGMP snooping等等。

然后到达了一定的阶段，我觉得可以通过802.3ah.pdf 来了解具体的数据帧结构，那样可以作更好的巩固。

由于作者水平有限，内容中难免存在遗漏或者缺陷，发现者请予以指正。

五 参考文献 1、802.3-2002.pdf

2、PAS5001 Datasheet 3.0.pdf 3、PAS5001 API Version 18.0.pdf

4、EPON中的多点控制协议(MPCP)的研究(光通信研究200306).pdf

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zi75.html