FTTX网络基础原理介绍.ppt

FTTX EPON 技术原理介绍 纲要 1 EPON接入技术 2 EPON关键技术 3 FTTX接入技术介绍 什么是FTTH FTTH类型 FTTH类型 1 FTTX接入方式 不属于技术范畴 点到点光接入方式 点到多点光接入方式 点到点MC方式 PON PDH SDH FTTX的主要技术 FTTX接入 FTTC FTTNFTTBFTTH FTTO 2 FTTX接入技术 FTTX实现技术 传统的P2P光纤接入系统采用媒质转换器 MC 应用比较普遍 新的P2P标准定义了光接口 OAM等内容 改善了传统MC方式存在的缺陷无源光网络PON逐渐成为FTTX的主要实现技术 包含A BPON EPON GPON等 媒体转换器方式是将电信号转换成光信号进行长距离传输的技术实现方式 是对于已有的电的Ethernet设备要加上MC 其中MC是一个单纯的光电 电光转换器 它并不对信号包做加工 因此成本低廉 这样用户可以减少升级的成本 是点对点FTTH方案过渡期间网络的解决方案 由于其技术架构相当简单 便宜并直接结合以太网络而一度成为日本FTTX的主流 优点 点到点系统避免了复杂的上行同步技术和终端自动识别技术 另外上行的全部带宽可被一个终端所用 这非常有利于带宽的扩展 便于在线监测 缺点 随着FTTX用户数量的增加 局端设备和光纤的数量也将会增加 点到点的媒体转换器 MC 方式 PONvsMC 无源分光器 ONU ONU IP数据网 光电收发器 OLT ONU IP数据网 MC接入 PON接入 PSTN CATV 1 速率高 带宽高2 支持多业务接入3 集中管理 便于维护 PONvsMC MC技术的两种使用方式 点到点以太接入N根光纤 2N个光收发器管理独立小区交换机接入只需铺设1或2根光纤到小区2N 2个光收发器设备占用局端机房空间小在传输过程中需要有源设备设备分级管理PON的接入方式 只需铺设1或2根光纤到小区需N 1个光收发器设备占用局端机房空间最小传输中不需有源设备设备集中管理 以32个结点为例 32 64根光纤64个收发器 P2P P2P 1 2根光纤66个收发器 1 节省设备2 节省光纤3 节省投资 PONvsMC结果 PON相较与点到点的MC方式而言 有以下几点优势 节省了大量的光纤资源 由于一个局端设备可以支持大量的用户 中心机房设备数量少 网络一旦建立起来 服务的提供和管理都可以在中心机房进行 从而降低了管理和维护的费用 由于光纤带宽容量巨大 未来提高网络速率时 不用对已经铺设的光纤网络进行改造 可以很好保护现有投资 也可以满足未来业务的需求 在PON中无有源器件 设备故障少 基本免维护 也不需建设室外机房 节省供电成本 由此可知 点到多点PON的FTTH在后期扩容的成本 维护管理的成本以及业务提供能力等方面优于点到点的MC方式 是实现FTTH的最佳技术 PON技术 PON技术体制 BPON业务适配复杂 业务提供能力有限 传送速率不高 成本较高 IP业务映射效率低等原因 已经被舍弃 不宜再采用 EPON技术由IEEE标准化 其核心是在保留传统以太网体系结构基础上定义了一种新的应用于PON系统的物理层 主要是光接口 规范 一种新的MAC多点控制层协议 MPCP 以实现在点到多点无源光网络中的以太网帧的时分多址接入 一种运行维护和管理 OAM 机制 GPON由FSAN ITU标准化 G 984 其目标是形成传输速率更高 更大分路比 能高效承载多种业务并具有更强大的OAM功能的宽带PON技术 GPON引入了一个全新的传输汇聚 TC 子层 并规定TC子层可以采用ATM和GEM两种封装方式 采用了125us的帧长及定时机制 将各种业务载荷 包括TDM和分组 都通过GFP封装入定长帧中 可以较容易的支持TDM和话音业务 并通过带宽指针 pointers 为每一个ONU动态分配上行带宽 EPON和GPON成为近期研究的热点 纲要 1 2 EPON关键技术 3 FTTX接入技术介绍 EPON技术介绍 EPON系统组成 光线路终端 OLT 局端设备 光分配网 ODN 光纤环路系统 包含光分路器 光纤光缆及光缆分线盒 光缆交接箱等一系列无源器件 光网络终端 ONU 光网络单元 PON系统采用WDM技术 实现单纤双向传输 为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号 采用以下两种复用技术 下行数据流采用TDM技术 上行数据流采用TDMA技术 EPON工作原理 续 1490nm 1310nm EPON工作原理 续 下行数据广播发送 每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据 丢弃其他用户的数据 PON系统中的下行方向工作原理 PON系统中的上行方向工作原理 上行数据分时发送 各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制 TDMA的接入机制 EPON工作原理 续 OLT内部电路功能图 OLT内部电路功能图 ONU内部电路功能图 ONU内部电路功能图 EPON技术基本特点 OLT与ONU之间信号传输基于IEEE802 3以太网帧采用8B 10B的线路编码 数据速率为上下行对称1Gbps 线路比特率为上下行对称1 25Gbps以MAC控制子层的MPCP multipointcontrolprotocol 机制为基础 MPCP通过消息 状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构P2P仿真子层是EPON MPCP协议中的关键组件分光比1 32 1 64 支持A B类ODN网络 EPON技术优势 传输距离长 最大可达20KM 与分路比有关 系统可靠性高 采用无源光分路器及光纤实现了接入网的高带宽 目前可提供上下行对称100Mb s 1Gb s的带宽 将来可以升级到10Gb s的带宽天然以太网技术 效率高 成本低支持多业务接入 是Triple Play业务的天然载体服务质量保障 EPON可以对每个用户的带宽进行静态 动态分配 并保证每个用户的QoSEPON具有测距 环回测试 断电告警及端口状态监视等维护功能 克服了以太网缺乏OAM的缺陷 系统成本低 EPON在一根光纤上实现了双向传输 节省了光纤资源 节省了大量的光收发模块 纲要 1 2 3 FTTX接入技术介绍 EPON技术介绍 EPON关键技术 EPON协议栈 规定了1000BASE PX10和1000BASE PX20两种光模块 PX10 在单模光纤上 以1000Mbps速率 分路比为1 32 传输距离达到10km PX20 在单模光纤上 以1000Mbps速率 分路比为1 32 传输距离达到20km 物理媒质相关 PMD 子层 物理媒质相关 PMD 子层 PCS子层对数据监测和前向纠错的扩展 对IEEE802 3定义的PCS层的扩展 以支持在点对多点物理介质中的突发模式操作 突发模式操作 为了避免近端ONU的发射噪声造成远端ONU的信号衰减 ONU的激光器在信号发送间隔必须能够关闭 为了控制激光器 PCS必须进行扩展以便能根据信号状态产生tx enable信号 在正确的时刻开 关激光器 标准定义了可选择的前向纠错机制 FEC 用于提高光连接可靠性和传输距离 1000BASE X设备可使用自协商机制进行连接 但在1000BASE PX的P2MP网络中 禁止使用自协商协议 FEC具有以下基本特性 保证帧格式符合1000BASE XPCS 支持功能可选 可以减小激光器发射功率预算 减少功耗 可以增加光信号的最大传输距离 支持PCS子层E 12误码特性 支持FEC子层E 4误码特性 支持规范定义的点到点仿真 P2PE OLT支持多个LLID和MAC客户端 每个ONU至少支持一个LLID 支持单拷贝广播机制 支持动态带宽分配的灵活体系结构 使用32比特时间戳来发布定时信息 对已发现设备进行测距来提高网络性能 进行连续测距以补偿往返时间的变化 多点控制协议 MPCP 1 MPCP基本特征 MPCP主要功能 多点控制协议 MPCP 2 1 2 测距流程 3 带宽授权流程 用于OLT对ONU的发现以及注册 用于OLT对ONU的实时测距 用于OLT对ONU的带宽授权以及ONU对ONU的带宽请求等 自动发现流程 多点控制协议 MPCP 3 MPCP控制帧 GATE OLT发出 允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指定的时间段发送数据REPORT ONU发出 向OLT报告ONU的状态 包括该ONU同步于哪一个时间戳 以及是否有数据需要发送 REGISTER REQ ONU发出 在注册规程处理过程中请求注册 REGISTER OLT发出 在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求 REGISTER ACK ONU发出 在注册规程处理过程中表示注册确认 MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的发送和接收 MPCP功能是基于专门的协议数据报文完成的 即MPCPDU 目前定义了5种MPCPDU 多点控制协议 MPCP 4 目的地址 DA MPCPDU中的DA为MAC控制组播地址 或者是MPCPDU的目的端口关联的单独MAC地址 源地址 SA MPCPDU中的SA是和发送MPCPDU的端口相关联的单独的MAC地址 对于源于OLT端的MPCPDU 源地址可以是任意一个单独MAC的地址 Length Type MPCPDU都进行类型编码 并且承载MAC Control Type域值 Opcode 操作码指示所封装的特定MPCPDUTimestamp 在MPCPDU发送时刻 时间戳域传递localTime寄存器中的内容 该域长度为32比特 对16比特发送进行计数 时间戳计时步进值为16比特 Data Reserved PAD 这40个八位字节用于MPCPDU的有效载荷 当不使用这些字节时 在发送时填充为0 并在接收时忽略 FCS 该域为帧校验序列 一般由下层MAC产生 MPCP控制帧 多点控制协议 MPCP 5 GATE消息的目的在于给ONU分配发送窗口 使得ONU可以进行发现消息的发送以及正常的数据发送 一个GATE消息可包括4个授权 授权的个数可以被设置为0 此时目的是向ONU传递时间戳 GATE帧 OLT发出 NmuberofGrants Flags 多点控制协议 MPCP 6 报告 REPORT 消息几个功能 每个报告消息中的时间戳用于计算RTT ONU在每个报告消息中指明针对每个802 1Q优先级队列所需的上行带宽 报告消息用于保持ONU到OLT的激活状态 为了保持OLT端的链路 ONU将周期性地发布报告消息 OLT可以明确的请求一个报告消息 REPORT帧 ONU发出 多点控制协议 MPCP 7 REGISTER REQ帧 ONU发出 REGISTER REQMPCPDU由某个未发现ONU的MAC控制实体产生 该MPCPDU被标记为广播类型的LLID REGISTER REQMPCPDU的标志域 REGISTER帧 OLT发出 REGISTERMPCPDU由对应于所有ONU的MAC控制实体产生 并被标记为广播LLID Flag域 多点控制协议 MPCP 8 REGISTER ACK帧 ONU发出 REGISTER ACKMPCPDU由对应于某个激活的ONU的MAC控制实体产生 该MPCPDU被标记为单播类型的LLID REGISTER ACKMPCPDU的标志域 多点控制协议 MPCP 9 EPON关键技术 突发模式光收发器技术测距自动发现动态带宽分配 DBA 机制业务QoS处理下行数据安全性技术TDM业务的承载运行维护管理 OAM 功能的实现 突发模式光收发器技术 OLT光接收机的快速功率恢复要求OLT在每个接收时隙的开始处迅速调整0 1判决门限OLT光接收机的突发同步技术上行接收数据相位的突变要求OLT的接收机工作在突发模式接收状态ONU光发射机的突发发射和关断为抑制自发散射噪声 要求ONU的激光器能够快速的冷却和回暖OLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式 测距 1 OLT与各ONU间的环路时延不同 各ONU距OLT的光纤路径不同各ONU元器件的不一致性环境温度的变化和器件老化 环路延时也会发生不断的变化测距是保证PON系统内ONU上行方向不发生时隙冲突的基础 1 测距 测的是什么 什么是测距 获得RTT的过程即为测距 ranging RTT 下行传输时延 上行传输时延 2 测距 为什么进行测距 测距精度高 一般要求在全1 2bit内测距过程对运行中的其它ONU的影响最小 保证运行业务的QoS测距范围大 即能提供的均衡延时大 3 测距 测距包括那些类型 静态测距 用在新的ONU安装调试阶段 停机的ONU重新投入运行时 通过开窗测距技术获得往返时延 并对时延差异进行补偿动态测距 应用于系统运行过程中 通过检测往返时延的变化对温度 光电器件老化等因素的影响进行补偿 4 测距 对测距的要求 如何进行测距 测距 2 OLT在时隙T1发送GATE ONU收到GATE 把本地计数器设为T1 ONU在时隙T2发送REPORT 带时间标签T2 OLT在时隙T5收到REPORT 自动发现 1 进程由OLT发起 它周期性地产生合法的发现时间窗口 DiscoveryTimeWindows 使OLT有机会检测到非在线的ONU 发现进程的下一步是OLT向新发现的ONU发送注册 Register 消息 该消息包含ONU的LLID以及OLT要求的同步时间 OLT可以要求ONU重新执行发现进程并重新注册 同样 ONU也可以通知OLT请求注销 然后通过发现进程进行重注册 ONU完成注册后 系统维持一个Keep alive机制 OLT定期 最低50ms一次 发送Gate消息给ONU ONU也定期 最低50ms一次 的发送Report消息给OLT 如果OLT在一定时间内没有收到ONU发来的任何MPCP消息 则认为该ONU的MPCP协议异常 将解注册 Deregister 该ONU 如果ONU在一定时间内没有收到OLT发来的任何MPCP消息 则认为与OLT之间的链路异常或者OLT的MPCP协议异常 也将自动解注册 MPCP协议基于MPCPDU中的timestamp进行动态测距 确保多个ONU上行TDMA的有序性 自动发现 2 ONU完成注册后的MPCP协议交互 动态带宽分配 DBA 机制 静态带宽分配 SBA 和动态带宽分配 DBA DBA是指OLT基于用户的业务等级协议 SLA 结合ONU的本地队列状态的汇报 Report帧中的Queue nReport 或者业务预测动态的给ONU发布上行业务授权优点 实现高效的上行带宽利用率和服务质量保证DBA总类 可变周期的间插轮询算法估计 带宽分配算法周期性间插轮询算法半双工上行接入算法DBA的具体要求 业务透明低时延和低时延抖动公平带宽分配健壮性好实时性强 DBA的原理 DBA的工作流程是Gate Report Gate Report 如此循环OLT给ONU发布的grant在Gate消息中承载ONU通过Report消息使OLT了解其本地的队列状态和业务流量Grant的分配是基于特定算法的DBA要按照SLA进行grant分配 包括保证带宽 最大带宽等参数 典型的DBA算法 两级调度算法ONU上报队列的总带宽请求可以设置多个阈值 队列集 OLT基于ONU的REPORT和SLA为每个ONU分配带宽 ONU本地带宽调度QoS保证能力能够满足Triple Play的要求 业务QoS处理 1 EPON支持IEEE802 1p支持IPTOS队列调度算法 SP WRR SP WRR支持端口限速 无连接 只能简单的控制带宽 根据LLID 1个ONU 一个PON口相当于交换芯片的一个逻辑端口 业务QoS处理 2 下行数据的安全性技术 1 因为PON的多点广播特性 所有的下行数据都会被广播到PON系统中所有的ONU上 如果有一个匿名用户将它的ONU接收限制功能去掉 那么它就可以监听到所有用户的下行数据 这在PON系统中称为 监听威胁 PON网络的另一个特点是 网络中ONU不可能监测到其它ONU的上行数据在PON上解决安全性的措施是OLT对下行信息加密 包括所有的数据帧和OAM帧 系统应针对每个LLID进行搅动 每个LLID有独立的密钥 加密的核心问题包括 加密算法密钥的产生和传递密钥的更新与同步 加密算法 AES 128 安全性很高 但不符合国内的商用密码管理条例Churning 安全性较低 简单Triple Churning 中国电信的专利技术 提高了churning的安全性中国电信采用TripleChurning算法密钥是ONU由上行用户数据中提取的3字节数据与3字节随机数异或相加的结果密钥由ONU以OAM消息的方式传送给OLT OLT利用这个密钥根据特定的加密算法对下行数据进行加密密钥更新 密钥必须周期性更新 密钥同步 因为密钥需要定期更新 所以需要一个同步机制 使ONU能够知道当前使用的哪个密钥 下行数据的安全性技术 2 TDM业务的承载 1 采用电路仿真CESOP提供TDM业务接入功能CESOP技术基本思想就是在分组交换网络上搭建一个 通道 在其中实现TDM电路 从而使网络任一端的TDM设备不必关心其所连接的网络是否是一个TDM网络 CESOP的技术难点 TDM信号与以太网之间高效合理的适配封装TDM信号的严格同步定时 电路业务的QoS的保证 分组丢失分组包乱序包抖动 TDM业务的承载 2 测试结果 3种技术均能较好实现E1业务传送功能 性能指标满足行标要求 EPON系统的TDM仿真技术 TDMoE和TDMoIP在功能和性能 信号传输指标 上不劣于BPON系统的TDM仿真技术 在一些指标上存在差异物理端口性能 接口比特率容差指标 在输出抖动指标等系统的TDM性能 时延 带宽效率 12小时误码率 双PON背靠背环回抖动传递函数 环回功能 支持厂家 EPON系统的TDMoverIP PWE3 Teknovus 烽火公司 EPON系统的TDMoverEthernet 类MEF GWTT公司 EPON系统的TDMoverEPON MEF 中兴 运行维护管理 OAM 功能的实现 EPON系统定义了一种全新的运行管理和维护协议 以支持 RemoteFailureIndication 远端故障指示 RemoteLoopbak 远端环回 LinkMonitoring 链路监视 不支持功能和单条链路不相关的管理功能 比如保护倒换和设备管理业务提供和协商功能 比如带宽分配 速率适配和速度 双工协商等功能OAM数据的安全性保证和OAM实体的认证不在标准定义的范畴不支持设置 写远端MIB变量的能力特点OAM的实现和使能是可选的提供一种实现OAM能力发现的机制提供一种机构扩展机制使高层管理功能的应用成为可能 OAM功能原理 OAM协议提供了OAM实体之间的运行 管理和维护信息的交互OAM功能由OAM协议数据单元在OLT和ONU之间承载就OAM功能而言 OLT与ONU是主从关系 OLT处于Active模式 ONU处于Passive模式OAM协议定义了事件通告 CriticallinkEvent linkevent loopback 机构扩展等机制OAM能力也需要一个发现机制 OAM发现提供了一个OLT和ONU双方互相探测对方OAM子层是否存在的机制OAM是一个slowprotocol 每对实体间每秒最多发送10帧OAM也有一个keep alive机制 每秒最少向对等实体发送一个OAM帧 如果5s没有收到对等实体的OAM帧 则认为OAM链路中断 重新开始OAM发现过程OAM协议提供了一种机构自行扩展以支持更多高层功能的机制 中国电信也基于此机制进行了扩展 扩展的OAM 中国电信实现IEEE802 3 2005所未规定的扩展的ONU远程操作 维护和管理 OAM 所必须的管理维护功能 扩展的OAM支持如下管理功能 扩展的OAM发现 ExtendedOAMDiscovery 和能力通告 CapabilityNotification ONU的基本信息和能力通告 与搅动功能相关的密钥交换 更新和同步功能 与DBA功能相关的DBA参数读取和设置功能 用户端口配置功能 ConfigurationofUserPorts 和管理 VLAN配置和管理 组播相关功能的配置 QoS相关配置 包括业务流分类和标记等 resetONU等Action功能 标准的OAMPDU和扩展的OAMPDU均支持1518字节的最大帧长 OAMPDU简介 OAMPDU包括如下几种 InformationEventNotificationVariableRequest MIB请求 VariableResponse MIB响应 LoopbackControlOrganizationSpecific 单拷贝广播 充分发挥EPON网络点到多点结构的特点 实现在EPON系统中高效视频组播 使同一个组播组的用户共享一条流 从而提高下行带宽的利用率 光纤保护倒换 骨干光纤冗余 OLT 采用单个PON端口 PON口处内置1 2光开关 由OLT检测线路状态光分路器 使用2 N光分路器 ONU 无特殊要求 光纤保护倒换 OLTPON口冗余 OLT 备用的OLTPON端口处于冷备用状态 由OLT检测线路状态 OLTPON端口状态 倒换应由OLT完成 光分路器 使用2 N光分路器 ONU 无特殊要求 光纤保护倒换 全保护 OLT 主 备用的OLTPON端口均处于工作状态 光分路器 使用2个1 N光分路器 ONU 在PON端口前内置光开关装置 由ONU检测线路状态 并决定决定主用线路 倒换应由ONU完成 2020年2月 两种常见的分路器 熔锥型分路器优点 技术成熟 成本低 分光比可以根据需要制作 可制作不等分分路器 缺点 损耗对光波长敏感 均匀性较差 不能确保均匀分光 可能影响整体传输距离 插入损耗随温度变化变化量大 TDL 多路分路器 如1 16 1 32 体积比较大 可靠性也会降低 安装空间受到限制 平面光波导功率分路器 PLC 优点 损耗对传输光波长不敏感 分光均匀 结构紧凑 体积小 单只器件分路通道很多 可以达到32路以上 多路成本低 分路数越多 成本优势越明显 缺点 器件制作工艺复杂 技术门槛较高 相对于熔融拉锥式分路器成本较高 特别在低通道分路器方面更处于劣势 2020年2月 两种分路器的比较 Q A