epon在广电网络中的应用-课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,EPON,在广电网络中的应用,唐明光,2007.1.6,一、全光接入技术,-PON,1,、接入网现状,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，,在用户侧和城域网侧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。,2,、 宽带接入网技术方案,通信业界多年来一直认为，,PON,（,Passive Optical Network,无源光网络）是接入网未来的方向。它在解決宽带接入问题上普遍被认可，无论设备和运行、护维、网管方面，它的成本相对便宜，提供的带宽足以应付未来的各种宽带业务需求。,PON,自从在,20,世纪,80,年代被采用至今，已历经了几个发展阶段。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需求。,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：,其一是由,ITU/FSAN,负责制定的用来替换,APON,标准的,GigabitPON,（,GPON,）标准，,其二是由,IEEE802.3ah,工作组负责制定的,EthernetPON,（,EPON,）标准。,1,）,ATM,无源光网络（,APON/BPON,）,APON,是由,ITU/FSAN,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，并采用扰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。,APON,协议层采用,ATM,，物理层采用,PON,。,经过以,21,个全球主要电信运营商为主的,FSAN,（全业务接入网）集团的不懈努力，,1998,年,10,月通过了全业务接入网采用的,ATM-PON,格式标准,ITU-T G.983.1,；,2000,年,4,月批准其控制通道规范的标准,ITU-T G.983.2,；,2001,年又发布了关于波长分配的标准：,ITU-T G.983.3,，利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统。,APON,标准,G.983,的基本特点是：* 基于,ATM,信元* 对称（双向,155.52Mb/s,）和非对称工作方式（下行,622.08Mb/s,，上行,155.52Mb/s,）* 最多能支持,32,个用户的光分支，最大传输距离,20km,*,单纤或双纤操作* 利用波长分配增加业务能力该标准是一个良好的开端，它为,考核,光纤接入,设备供应商提出了一种现实的性能要求。世界上有不少厂家已在按此标准生产或开发基于,ATM,的宽带,PON,产品，如：,Terawave,、,Quantum Bridge,、,Alcatel,、,Lucent/OKI,等公司。,当电信公司开始部署更多的以太网和交换式以太网以传输高速数据和交换式数字视频业务时，为了满足电信公司不断增长的带宽需求，,APON/BPON,在升级时可能存在困难。例如，,APON/BPON,一般只能升级到下行（从中心局到用户驻地）,622Mbps,和上行,155Mbps,，并且在除去,ATM,开销后，可用（可出售）的带宽只有,448Mbps,。,随着未来每用户带宽需求的增长，这将成为部署,APON/BPON,的很大的一个障碍，并且很大程度限制了每个,PON,可服务的用户的数量。,PON,的一个主要好处就是能分担从中心局到用户的长距离干线的成本，如果这些干线的投资回报受限于每用户可用带宽的数量，那么整个,PON,的商业意义就没有了。,2,）,GPON,由于上述原因，多年前,FSAN,联盟和,ITU,开始了制定新,PON,标准的工作，新标准要能够满足迅速增长的带宽和业务需求。这个标准被称为,GPON,，已被,ITU-T,批准，称为,G.984.x,。,GPON,是语音、视频和数据业务的一种切实可行的方案。更重要的是，,GPON,以前所未有的经济性以原有格式支持传统通信业务，也支持未来向全分组,/,全,IP,网络的演进。,GPON,支持两种封装方式：,ATM,和,GPON,封装方式（,GEM,）。,ATM,方式是已有,APON/BPON,标准的一种演进，所有的语音、视频和数据流在用户端被封装并被传回中心局。,GEM,方式，所有业务流使用,SONET/SDH,通用成帧协议（,GFP,）的一种变种被映射并穿越,GPON,网络。,GEM,支持以固有格式传输语音、视频和数据，而无需附加,ATM,或,IP,封装层。,使用,GEM,方式，,GPON,可以显著增加可利用带宽。,GPON,支持的下行速率高达,2.5Gbps,，上行速率从,155Mbps,到,2.5Gbps,。相对于,APON/BPON,标准有极大的增加。,GPON,是,ITU,提出的,G,比特级的无源光网络。,ITU,在,2003,年正式通过并颁布了,GPON,标准系列中的三个标准：,G.984.1,、,G.984.2,和,G.984.3,。由于,GPON,标准是,ITU,在,APON,标准之后推出的，因此,G.984,标准系列不可避免的沿用了,G.983,标准的很多思路。,GPON,更注重多业务和,QoS,保证，因此更受运营商的青睐。但由于,GPON,标准复杂且开发较晚，因此目前,GPON,产品商品化阶段正在进行中。 而,ITU,提出的,GPON,技术的主要目标是实现,Gbit,速率，并能支持多种业务，对所有业务最优化。,3,）,EPON,概述,IEEE1998,年发布完千兆以太网标准后，于,2000,年,12,月，,IEEE802.3,成立了第英里以太网,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。,a,）关于,EPON,标准,世界上有几个主要组织负责开发,PON,的相关标准，,EFM/IEEE,和,FSAN/ITU-T,就是其中的主要两个组织。,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。,1995,年，,7,个主要的电信业务提供商发起并建立,FullServiceAccess,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,等公司。,FSAN,收集整理,BPON,APONandGPON,的需求，并这些文档作为建议反馈给,ITU-T,，第,15,研究组。,FSAN/ITU-T,已经制定出,GPON,标准,G.984x,。,EFM/IEEE,：,EFM,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,（国际电气和电子工程师协会）,802,委员会的,802.3ah,工作组为,EPON,使用点到多点以太网接入应用制定了标准。,EthernetintheFirstMileAlliance(,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.,AnalogDevices, BATMAdvancedCommunications,Calix,CiscoSystems,ElasticNetworks, Ericsson,ExtremeNetworks,Finisar,FiberintheLoop,Harmonic,Hatteras,Networks,Infineon,Technologies,Intel,NTTGroup,Paradyne,Passave,Technologies,Spirent,Communications,TexasInstruments, andWorldWidePackets,等。,EFM,有,4,个主要目标：,*,支持由,IEEE802.3ah,制定的第一英里以太网标准。,*,致力于集中技术资源促进关于技术规范的协调和统一。,*,促进业界了解、接受和推动第一英里以太网技术和产品。,*,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。,b,）,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,由于使用了经济和高效的结构，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。,在,EPON,产品方面，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,NokiaBroadband,，,QuantumBridge,等，国内在,EPON,方面研发比较领先有华为公司，华中理工，武汉烽火等。如华为公司的多业务,EPON,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。,二、,EPON,工作原理,1,、,EPON,的网络结构,EPON,系统是一个典型的光接入网，它由,ITU-T,定义，如下图示：,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,（,GigabitEthernet,）。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,（,PassiveOpticalSplitter,）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。,EPON,网络结构如下图,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,利用不同的分光方案，可以构成花样繁多的网络结构。不同的分光方案举例如下图：,2,、,EPON,传输距离,-OLT,到,ONU/ONT,的最远距离 有两个因素影响无源光网络的传输距离：,第一个是光功率，它由光线路终端（,OLT,）的激光器和线路损耗决定。,第二个是光网络终端（,ONU/ONT,）同时发射的风险。因为光网络终端共享光纤馈线和光线路终端的端口，所以，所有的设备都必须有一套复杂的算法以避免一个以上的,ONT,同时发射。如果发生了同时发射的情况，就会导致业务流发生碰撞，影响大多数业务无法继续。,该算法要计算和调节各,ONU/ONT,与,OLT,之间的距离差。距离产生延迟。当延迟增加时，,ONT,到,OLT,的传输窗口就会变窄。这直接影响,ONT,可用带宽的数量。因此要限制,ONT,和,OLT,之间的最大距离以保证,ONT,能有可接受的带宽性能。,PON,标准将这个最大距离定为,20km,，而多数厂商建议为,10km,。,下图显示了,PON,和有源以太网的服务半径。,对,PON,来说，在选择光分路器的位置时必须考虑,OLT,和,ONU/ONT,之间的最大距离限制。图中黄色圆环代表了,ONU/ONT,离,OLT,的最远距离（此例中为,20km,），绿色圆环代表了,ONU/ONT,离分路器的最远距离。光分路器到,OLT,的距离决定了,ONU/ONT,到分路器的距离。二者之和不能超过,20km,。图中给出了两个例子：一个是分路器距离,OLT 19km,，因而其服务半径只有,1km,；二是分路器距离,OLT10km,，因而其服务半径为,10km,。在两个服务区域内都有,32,个,ONU/ONT,。,这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要经常评估下列情况：,*,如果在,ONU/ONT,的服务半径内少于,32,个用户，每用户分摊的,OLT,成本就很高。,*,如果在,ONU/ONT,的服务半径内多于,32,个用户，仅仅为了支持第,33,个用户，就需要增加,OLT,端口，结果导致每用户分摊的,OLT,成本陡增。,*,如果在现有的,ONU/ONT,服务区域以外有新用户，就要增加一个,OLT,端口，结果导致每用户分摊的,OLT,成本非常高。,*,如果在,OLT,的,20km,服务半径以外有新客户，就需要,在一个新地点安装一个完整的,OLT,设备，结果导致每用户分摊的,OLT,成本非常高。,与传输距离有关的光功率预算，其需要补偿,PON,中所有器件的损耗，但其总功率必须在普通单模光纤的,SBS,阈值以下。目前新型光纤的,SBS,阈值有所提高，因此可以适用于需要传输更大光功率的场合。,4,、,EPON,工作原理,a,）,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,IEEE802.3ahDraft1.3,规定如下：,数据发送,数据接收,光发送器,光接收器,ONU 1,ONU 2,ONU 3,OLT,光发送器,光接收器,数据发送,数据接收,1:n,无源光,分路器,介质接入逻辑,介质接入逻辑,波分合路,波分合路,EPON,采用单纤波分复用技术,下行,1490nm,；,上行,1310nm,；,数字,/,模拟电视,1550nm,；,EPON,是由,OLT,（光线路终端）、,ONU,（光网络单元）以及,ODN,（光分配网络，由无源分光器和光纤组成）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。,EPON,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。其结构示意图如下图所示。,b),每用户带宽 在,EPON,中，因为所有用户终端共享,OLT,和光纤，所以每个用户终端的可用带宽也是共享的。可共享的总带宽取决于分光器的分光比。例如，,EPON,的分路比为,1:32,时，每个,ONU,的可用带宽是,32Mb/s,。,EPON,能以较低的分路比来提高每用户的带宽，但这又增加了每用户的成本。例如，,EPON,的分路比从,1:32,降到,1:16,，可使每用户的带宽增至,64Mb/s,，但是每用户均摊的,OLT,的成本也翻番了。,c,）,EPON,中的关键技术,） 多点控制协议,MPCP,EPON,系统通过一条共享光纤将多个,OUN,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，是建立在,MPCP,（,Muti,-PointControlProtocol,多点控制协议）基础上的系统。,MPCP,协议是,MACcontrol,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。,为此，,EPON,实现了一个,P2P,仿真子层。,P2P,仿真子层是,EPON/MPCP,协议中的关键组件，该子层通过在每个数据报的前面加上一个,逻辑链路标识,LLID,（,LogicalLinkIdentification,），,该,LLID,将替换前导码中的两个字节。它可使,P2MP,网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。,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,MPCP,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,MACControl,子层。,MACControl,向,MAC,子层的操作提供实时的控制和处理。,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时钟，使本地时钟与,OLT,时钟同步,完成系统同步；上行方向,ONU,根据本地时钟插入时钟标签，,OLT,根据收到的时钟标签完成测距。,ONU,的自动识别：,ONU,自动识别的目的是通过系统的自动运行，不需人工干预完成对新,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：,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。,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。,）,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。,）,EPON,中信息安全的考虑 根据,IEEE802.3ah,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，,IEEE802.3ah,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。会议就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，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。,）,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。因此，它要求一个完整的新的电信级的管理。,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络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。,5,）,EPON,面临的挑战以及解决方法,以太网无源光网络,(EPON),的很大一个优势就是在利用丰富的带宽开展多种业务和应用，如实现三重服务（,tripleplay,），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,(STVandHDTV),视频会议、实时或者准实时的电子交易和数据等等。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。下列表格列出了一些基本的业务类型以及相应的要求。,表格：常见接入业务类型及其带宽需求,从表中我们可以看到：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,IEEE802,的结构兼容，,EPON,采用了点到点仿真技术，使得,EPON,介质成为一系列点到点链接的组合。根据,IEEE802.3ah,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。,a,）,LLID,的分配,*,每个,ONU,分配一个,LLID,在这样的配置中，,OLT,会分配给每个,ONU,一个不同的,LLID,。这样，从带宽分配机制上，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。如下图所示：,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存在如下问题。,按照“完全优先级队列”的带宽分配方式,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。有两种方法来实现：,）,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。,与此同时，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的时隙。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,IEEE802.3,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。,）,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。,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。下列表,格表明对于高优先级的业务时延周期会有,1ms,。,表格：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-TG.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,EPON,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。 通过以上的分析可以看到，,如果仅仅采用分配给一个,ONU,一个,LLID,的方法，很难保证业务的公平性，对业务也很难提供保护。,*,基于业务分配,LLID,为了解决,EPON,系统中分配,ONU,一个,LLID,过程中遇到的各种问题，采用针对不同业务分配不同,LLID,的方法（如下图示）。,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。,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。,每种业务一个,LLID(,单级带宽分配,),这种分配方法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。,b,）,EPON,的可靠性,在,EPON,系统的网络拓扑结构中，主要有树形、星形等结构。无论采用何种网络结构，业务都是通过,OLT,、主干光纤,（,trunkfiber,）、分支光纤（,branchfiber,）然后到达每一个,ONU,。,如果,OLT,或主干光纤发生故障，整个系统就会陷入瘫痪。这样的网络结构是非常脆弱的，无法适应现代网络运营的要求。,EPON,网络故障造成的损失十分巨大，它不仅使现有的业务无法运营，使运营商无法获取相关的收益，更为严重的是它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，在当今网络保护显得越来越重要的情况下，对于,EPON,采用必要的自动保护倒换（,APS,），不仅能有效的解决业务传递的连续性；更可以提高,EPON,系统的生存性、稳定性；提供业务的服务质,量，同时也将提高运营商的收益。,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,EPON,系统中，建立新型的具有自愈功能的,EPON,系统，满足运营商运营的要求。,EPON,自愈网是基于传统的,EPON,结构所建立的一种新型网络。它与传统的,EPON,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,EPON,系统主要针对系统应用中的一些故障做保护，,EPON,系统的故障可以分为线路故障、设备故障两大类。针对这两类故障实施的保护也有两种。,）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,EPON,系统是通过光纤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输。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、变形使插损超过门限值导致业务中断。该类型故障产生的后果就是整个系统无法正常工作，该类型的故障优先级最高，因此必须杜绝发生。,*,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。,解决的方法是设计和增加保护路由的主干光纤和分支光纤。,）设备故障：,主要有,OLT,故障和,ONU,故障两大类。,*,OLT,故障：,OLT,作为,EPON,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，该类型的故障优先级最高，因此必须杜绝发生。,*,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。相对于,OLT,故障，该类故障的优先级较低，应尽量避免发生。,解决的方法是,OLT,和,ONU,增加备份设备。,数据发送,数据接收,光发送器,光接收器,ONU 1,ONU 2,ONU 3,OLT,光发送器,光接收器,数据发送,数据接收,1:n,无源光,分路器,介质接入逻辑,介质接入逻辑,波分合路,波分合路,EPON,运行方框图,EPON,采用单纤波分复用技术,下行,1490nm,；,上行,1310nm,；,数字,/,模拟电视,1550nm,；,三、,EPON,实际系统,1,、,EPON,优点,1,）局端（,OLT,）与用户（,ONU,）之间仅有光纤、光分路器等无源光器件，无需机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员。,2,）采用单纤波分复用技术（下行,1490nm,，上行,1310nm,，或下行,1550nm,，上行,1490 nm,），仅需一根主干光纤和一个,OLT,，传输距离可达,20,公里。在用户侧通过光分路器分送给最多,32,个,ONU,，因此可大大降低,OLT,和主干光纤的成本压力；,3,）上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分多址接入（,TDMA,）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变 化动态分配带宽。,4,）点对多点的结构，只需增加,ONU,数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资。,5,）,EPON,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，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。通过扩展第三个波长（通常为,1550nm,）即可实现视频业务广播传输。,2,、,EPON,的标准,目前市场上主流的,PON,技术以及标准化情况如表,1,3,、,EPON,的光接口：工作在,10km,范围的光接口,1000BASE-PX10-U/D,和工作在,20km,范围的,EPON,光接口,1000BASE-PX20-U/D,。,EPON,接口的基本特性见表,2,。,4,、,OLT,功能,OLT,主要具有网络集中和接入的功能：,向上的接口有：,TDM/PSTN,接口，,IP,网接口，电视信号接口，其它网络接口。,向下的接口有：波分复用器（,WDM,）接口，网络管理接口。,OLT,支持的业务和功能有：,IP,、,ATM,、,FR,、,TDM,话音业务、视频点播和,T1/E1,业务、带宽分配、,QoS,、,OAM,、网络安全等。,5,、,PON,功能,PON,是一个简单的无源设备，它由光纤分路器组成。用于连接,OLT,和多个,ONU,，并进行光功率分配。,通常，一个分光器的分线率为,8,、,16,、,32,，并可以多级连接。,6,、,ONU,功能,ONU,接收从,WDM,来的光信号，向下提供各种应用接口（如,10/100Mbit/s,以太网接口、电话接口和有线电视接口）。支持数据、话音和视频等业务，负责将上行数据传送到,OLT,，提供以太网第二层和第三层的交换功能，实现内部的路由选择。,7,、系统工作原理,1,）传输方式,系统采用单光纤,3,个波长来传输全业务，,EPON,中,OLT,两个上,/,下行波（,1310/1490nm,）通过波分复用，用于传输数据、语音和,IP,交换的数字视频（,IP-SDV,），第三个波长（,1550nm,）用于下行,CATV,射频的传输。采用这种设计，,PON,可以覆盖,20km,以内,16,个以上的光节点。,电视信号通过,HFC,网络广播来实现，,IP,、话音、视频点播等双向业务通过,EPON,来运行。,2,）,EPON,下行方向,多种业务信号通过骨干网传输到中心局（前端），然后被,OLT,变换为光信号，为用户服务采用的是广播方式，经,PON,分配到,ONU,单元。由,ONU,的光,/,电转换及相应处理后，每个,ONU,根据每个数据包的地址信息，接收属于自己的数据包。每个,ONU,根据以太帧所带有的,MAC,地址相关信息，确定该以太帧是被接收或被遗弃。,原理如图：,下行传输原理图：,3,）,EPON,上行方向,上行采用时分多址接入（,TDMA,），系统在进行测距和时延补偿后，,OLT,根据一定的原则将不同的时隙分配给各个,ONU,，每个,ONU,的上行信号再进入光分配器的共用光纤，正好占据分配给它的一个指定时隙，以避免不同,ONU,上传的数据发生相互碰撞干扰。原理如图：,上行传输原理图：,8,、,EPON,系统特点,1,）系统能提供高带宽。,EPON,向用户提供的带宽是目前,PON,系统中最高的，在本地的,IP,中下行速率可以达到,1Gbps,，最多达,64,个,ONU,的上行速率可以超过,800Mbps,。,2,）协议转换成本低。,EPON,采用以太网的传输格式同时也是用户局域网,/,驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素。,3,）系统成本低，建设周期短。,相对非,PON,系统而言，采用,PON,结构节省了大量光纤和有源关器件的投入及运营成本。,由于大多,HFC,接入网都采用星型网结构，该结构与,EPON,十分相似。因此，在现有的,HFC,网络中采用,EPON,，不需要对现有的,HFC,网络进行双向改造，只需在原来的光网络上做简单的配置，可在较短的期间内完成网络的升级，快速实现宽带用户接入，从而使运营商能较快实现盈利。,4,）安全性高。,EPON,下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分多址接入共享带宽。支持,VLAN,、,VPN,、,IPSec,和通道技术等，提供安全的网络接入。,5,）更好的,QoS,。,系统没有双向,HFC+Cable,Modem,的回传噪声缺陷。此外，,EPON,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,辅以电信级的网管系统,足以保证传输质量。使得,CATV,运营商可以开发宽范围的、灵活多样的服务产品来增加收入，增强,CATV,运营商的市场竟争力。,、与传统,MC+LAN,光接入比较,2,层交换机,3,层交换机,小区中心机房,城域机房,小区,2,级机房,楼道交换机,(OLT)C1000,(ONU),双芯光纤,:,光,纤,收发器,:,L2SW,交换机,MC+LAN,网络结构,EPON,网络结构,城域机房,单芯光纤,分路器,成本比较区间,M3000,H300,ODN,IP,IP,3,层交换机,10,、,EPON,网络结构,可采用不对称分光比分支器，保证每条链路在设备光接受灵敏度范围内,总线型,最大为,1,：,32,的光分支比，传输距离,20km,，适用于用户较集中的情况,树型,传输方式,系统采用单光纤,3,个波长来传输全业务：,OLT,上,/,下行波长（,1310/1490nm,）通过波分复用，用于传输数据、语音和视频点播等双向业务。,第三个波长（,1550nm,）用于下行,CATV,射频信号传输。,采用这种设计，,PON,可以覆盖,20km,以内,32,个光节点。,11,、实际产品,1,）盛立亚公司,在广电网络中的应用,光纤到户,2,）华为公司,OLT,产品包括,6506R,、,6506,、,6503,、,6502,四种机箱，外形结构如下图所示。,S6502(2,槽,) S6503,（,4,槽）,S6506 (7,槽,) S6506R,（,8,槽）,ONU,产品为,CPE,设备，外形结构如下图所示：,ET204 ET204-L20 ET300 ET300-L20,S2008-HI S2016-HI S2403H-HI,S2000-HI,系列交换机,（,内置,ONU,模块,）,EOC,3,）飞鸿公司,C1000 C8000,4,、入户方案考虑因素,用户数及其结构分布,楼栋和机房的供电方式,工作环境,用户需求,业务接入方式,目前网络存在的安全问题,网管方式,3,幢,180,户的住宅楼,机房,220V,交流供电，光纤到户,南方气候,保证每户,30M,带宽,数据业务和,VOIP,业务,举例说明：,.,统一集中网络管理,单元,1/12,户,单元,3/6,户,单元,3/6,户,单元,4/12,户,单元,5/12,户,1#,楼,60,户,单元,2/12,户,2#,楼,60,户,3#,楼,60,户,中心机房,例子：小区结构分布图,结构特点：,机房距离住宅楼,2KM,；,三栋楼间距,150M,，成直线分布。,单元,1/12,户,单元,3/6,户,单元,3/6,户,单元,4/12,户,单元,5/12,户,1#,楼,60,户,单元,2/12,户,2#,楼,60,户,3#,楼,60,户,光纤到楼宽带接入拓扑图,1,户一个,ONU,12,芯光缆,6,路,PON,信号,4,芯光缆,各,2,路,PON,信号,机房,1,：,32,光分路器,网络拓扑设计,带宽分析,根据整个网络的上行出口带宽、局域网交换机之间互连端口的带宽和整个网络的用户数进行分析，可以得出每个用户在局域网间和出口的最低带宽是多少，哪个节点会造成瓶颈。,5,、带宽分析,PON,按照,1,：,32,的分支比组网，满负荷时平均每户可以保证,30M,带宽,上联业务接口按照,30%,开通率来计算，需要配备,1-2,个千兆业务接口,6,、流量分析,交换容量分析,根据用户数和每个用户可能达到的最大流量得出乘积，从网络最底层的交换机开始逐层往上分析，看,OLT,的背板带宽是否能满足其接收流量的交换。,3,幢,180,户的住宅楼,每户要求保证,30M,带宽，,按照,30%,的开通率：带宽,=180*30*30%M=1620M,背板带宽,=2*1620M=3G,左右,网络布线及设备数量的选配,根据楼栋和中心机房之间的距离分布选择用哪种网络结构；,根据楼道供电方式选择交流、直流或者需要远程供电；,根据每栋楼的用户数计算需要多少台和几端口的局端和终端设备。,7,、方案分析,供电：用户家均采用,220V,交流供电,C8000,局端设备采用,-48V,直流供电,C1000,局端设备采用,220V,交流供电,PON,数目：,180/32=6,C8000,：,2,个带,3,个,PON,口,LPU,盘,C1000,：,2,台带,3,个,PON,卡的,OLT,VOIP,网关：,E1,：,32,个时序，,30,路提供给用户数据，,1,路复用,8,户,180,户需要,1,路,E1,信号,8,、,OLT,设备选配,硬件指标,背板带宽,MAC,地址表容量,端口特性（类型、速率、数量）,工作环境,工作电压、供电模式,尺寸,扩展模块类型,用户容量,功能特性,支持的协议类型,支持的功能, ,FiberLink C8000,FiberLink C1000,9,、,ONU,设备选配,选用,M3006,型,ONU,终端,提供,4,个数据口和,2,个电话口,采用,FiberLink,C1000,系列,OLT,Fiber Link C1000,每台标配一块,PON,盘,2,台,PON,盘,需另配,4,块,Fiber Link ODN,光分支器,1,：,32,分支，室内型,6,Fiber Link ONU M3006,家用型,180,台,FiberLink,系列语音网关,1,路,E1,接口,1,台,M3006,Internet,PSTN,骨干网,FiberLink C1000,接入网,M3006,M3006,FiberLink C1000,典型组网应用图,采用,FiberLink,C8000,系列,OLT,Fiber Link C8000,1,台,光线路盘,6,个,PON,口,2,块,3,个,UPLINK,口,1,块,Fiber Link ODN,光分支器,1,：,32,分支，室内型,6,Fiber Link ONU M3006,家用型,180,台,FiberLink,系列语音网关,1,路,E1,接口,1,台,FiberLink C8000,典型组网应用图,设计考虑,1,、,OLT,每千兆端口可带用户数,OLT,既是一个交换机或一个路由器，又是一个多业务提供平台（,MSPP,），它为,PON,提供光纤接口，根据以太网向城域网及广域网发展的态势，,OLT,在提供常用接口的同时还将提供多个,Gbit/s,和,10Gbit/s,的以太网接口。,在目前的运用中，多数情况下，每个,OLT,提供,4,个千兆光口。通过如下计算可以得到每个千兆口可带的标清,IPTV,用户数为：,每个用户的业务量和带宽：,媒体流数据量,=VOD,视频流（,2Mbps,）,+VOD,音频流（,64kbps,）,+,编码器编码误差（,100kbps,）,=2.15Mbps,；,媒体流输出带宽,=,媒体流数据量,+MPEG,的,PS,流封装报文头和,PES,开销（平均,150kbps,）,=2.3Mbps,；,业务流网络带宽,=,媒体流输出带宽,（,1+,网络协议封装开销（,5%,）,=2.4Mbps,；,网络总流量,=,业务流网络带宽,（,1+,网络流量平均抖动（,5%,）,=2.5Mbps,。,根据以上计算，如果再加上其它网络传输开销，每用户所需带宽为,3Mbps,。,若下行带宽利用率为,95%,，则每千兆端口可带,300,个用户。,按,20%,的安装率可覆盖用户,1500,户。,按每楼