----鄧羽 孫曙和 陳雪 劉冬
摘要:無源光網(wǎng)絡的目的是通過建立一套成本低廉，且其帶寬容量又是其他接入技術無法企及的端到端的解決方案，從而打破帶寬的瓶頸�；�于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡EPON是一個點到多點的光接入網(wǎng)，采用低成本，高性能的以太網(wǎng)芯片為終端用戶提供可靠的數(shù)據(jù)，話音以及視頻業(yè)務，其所能提供的帶寬遠大于現(xiàn)有接入技術。
本文主要介紹EPON技術的演化和分類、發(fā)展現(xiàn)狀、網(wǎng)絡結構、層次模型、關鍵技術和應用等幾個方面。
 一、PON的演化與分類
    業(yè)界多年來一直認為，PON是接入網(wǎng)未來的方向，它在解決寬頻接入問題上普遍被看好，無論在設備或維運網(wǎng)管方面，它的成本相對便宜，提供的頻寬足以應付未來的各種寬頻業(yè)務需求。
    PON自從在20世紀80年代被采用至今為止已經(jīng)歷經(jīng)幾個發(fā)展階段，電信運營商和設備制造商開發(fā)了多種協(xié)議和技術以便使PON解決方案能更好的滿足接入網(wǎng)市場要求。最初PON標準是基于ATM 的，并由ITU/FSAN定義了相應G.983建議，即APON。目前則有兩個頗為引人注目的新的PON標準正在制定中，其中一個是由ITU/FSAN負責制定的用來替換APON標準的Gigabit PON（GPON）標準，另一個是由IEEE 802.3ah工作組負責制定的Ethernet PON（EPON）標準。
   APON是由FSAN/ITU定義的，以ATM協(xié)議為載體，下行以155.52Mb/s或622.08Mb/s的速率發(fā)送連續(xù)的ATM信元，同時將物理層OAM信元插入數(shù)據(jù)流中。上行以突發(fā)的ATM的信元方式發(fā)送數(shù)據(jù)流，并在每個53字節(jié)長的ATM信元頭增加3字節(jié)的物理層開銷，用以支持突發(fā)發(fā)射和接收。APON提供非常豐富和完備的OAM，包括比特誤碼率的監(jiān)視，告警和檢測，自動發(fā)現(xiàn)和自動測距，并采用攪動策略作為實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)加密的安全機制。下圖為APON系統(tǒng)中傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
    
    圖1   APON系統(tǒng)中傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換
IEEE1998年發(fā)布完千兆以太網(wǎng)標準后，于2000年12月，IEEE802.3成立了第１英里以太網(wǎng)－EFM特別工作組，致力于研究如何支持三種接入網(wǎng)拓撲以及相應的物理層：銅線上以太網(wǎng)（EoVDSL），在750m上傳送10Mbit/s；點到點光纖上的以太網(wǎng)，在最長10km上傳送1000Mbit/s；點到多點光纖上的以太網(wǎng)（EPON），在最長10km上傳送1000Mbit/s。此外，該工作組還將定義以太網(wǎng)的運行、管理、維護（OAM），使它具有遠端故障顯示、遠端環(huán)回和鏈路監(jiān)測等功能。
    
    圖2  EPON系統(tǒng)中傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換
世界上有幾個主要組織負責開發(fā)PON的相關標準，前面提到的EFMA/IEEE和FSAN/ITU-T就是其中的主要兩個組織。
    1、FSAN/ITU-T：在二十世紀八十年代，世界上許多大的運營商將光接入網(wǎng)引到他們的網(wǎng)絡中�？墒瞧渲械拇蟛糠滞Ａ粼谠囼灳蛛A段，主要原因是其高昂的費用以及當時少的可憐的業(yè)務需求。隨著Internet的迅速普及，到了90年代大量的對帶寬的需求又使寬帶接入重新成為主流。在1995年，7個主要的電信業(yè)務提供商發(fā)起并建立Full Service Access Networks(FSAN)全業(yè)務接入網(wǎng)組織，以加速光接入網(wǎng)的商用化。
隨后一些主要的設備制造商也加入到該組織中，包括： Alcatel, Agere, Broadlight, Ericsson, FlexLight Networks, Fujitsu, Hitachi 
(OpNext), Iamba, Infineon, Lucent, Marconi, Mitsubishi (Paceon), NEC 
(NEC eLuminant), OKI (OKI Network Technologies), Optical Solutions, 
Quantum Bridge, SAT, Terawave, and Zonu等。
    FSAN收集整理關于BPON, APON and GPON的需求，并這些文檔作為建議反饋給ITU-T，第15研究組。其中關于APON的G.983系列建議已經(jīng)被ITU-T通過采納。目前FSAN的正協(xié)助ITU-T制定GPON標準。
    2、EFMA/IEEE：簡單地說EFM其實就是利用從用戶辦公室及家庭到通信運營商之間的連接線路直接傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的規(guī)格。IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）802委員會的802.3ah工作組正在進行這方面的工作，以期于2003年9月完成EFM的標準制訂。作為IEEE工作組工作的一部分，EPON是作為使用點到多點以太網(wǎng)接入應用而定義的。 
    Ethernet in the First Mile Alliance (第一英里以太網(wǎng)聯(lián)盟)則是一個支持基于802.3ah的EFM標準化的業(yè)界組織。EFMA的成員包括終端制造商、系統(tǒng)集成和通信運營商等，包括 Alloptic, Inc., Analog Devices, 
BATM Advanced Communications, Calix, Cisco Systems, Elastic Networks, 
Ericsson, Extreme Networks, Finisar, Fiber in the Loop, Harmonic, 
Hatteras Networks, Infineon Technologies, Intel, NTT Group, Paradyne, 
Passave Technologies, Spirent Communications, Texas Instruments, 
and World Wide Packets等。
EFMA有4個主要目標：
1.支持由IEEE 802.3ah制定的第一英里以太網(wǎng)標準 。
2.致力于集中技術資源促進關于技術規(guī)范的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。  
3.促進業(yè)界了解、接受和推動第一英里以太網(wǎng)技術和產(chǎn)品。 
4.協(xié)調(diào)各個設備制造商相互協(xié)作，鼓勵和推動彼此之間的合作。 
三、EPON發(fā)展現(xiàn)狀
    EPON是幾個最佳的技術和網(wǎng)絡結構的結合。EPON采用點到多點結構,無源光纖傳輸方式，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務。目前,IP/Ethernet應用占到整個局域網(wǎng)通信的95%以上,EPON由于使用以上經(jīng)濟和高效的結構，是連接接入網(wǎng)最終用戶的一種最有效的通信方法。10G以太主干和城域環(huán)的出現(xiàn)也將使EPON成為未來全光網(wǎng)中最佳的最后一英里的解決方案。
    目前接入網(wǎng)現(xiàn)有的解決方案和用戶的需求之間存在著巨大差異。在用戶側的本地網(wǎng)絡已經(jīng)普遍擁有了支持10M和100M速率的能力，在城域網(wǎng)側已經(jīng)可以支持千兆和萬兆的速率，但在用戶側和城域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的傳送卻大部分為不足1M甚至只有幾十K的速率。接入網(wǎng)仍是大容量局域網(wǎng)和骨干網(wǎng)之間的瓶頸，為了突出接入網(wǎng)的優(yōu)先地位與重要性，IEEE 802.3 工作組把人們以前熟知的“最后１英里”接入網(wǎng)絡段改稱為“第１英里（The First Mile），并在 2000 年 11 月成立了 EFM (Ethernet in the First Mile)研究小組，于2001 年 7 月開始制定 IEEE 802.3ah EFM 標準，2003年9月完成EFM的標準制訂。
    在EPON方面現(xiàn)在領先的有國際上有Salira，Alloptic等新興公司，也有一些老牌公司如Nokia Broadband，Quantum Bridge等，國內(nèi)在EPON方面研發(fā)比較領先有格林威爾公司，華中理工，武漢烽火等。其中格林威爾公司的多業(yè)務EPON (MS_EPON)系統(tǒng)最有特點，其系統(tǒng)支持上下行對稱1.25G帶寬，支持ONU的自動加入，支持TDM業(yè)務，提供動態(tài)/靜態(tài)帶寬分配、彈性保護倒換等功能。
四、EPON的網(wǎng)絡結構
    一套典型的EPON 系統(tǒng)由OLT, ONU/ONT, POS組成。OLT位于根節(jié)點，通過ODN與各個ONU相連，在下行方向，OLT提供面向無源光纖網(wǎng)絡的光纖接口；在上行方向，OLT將提供了GE（Gigabit Ethernet）。將來10Gbit/s的以太網(wǎng)技術標準定型后，OLT也會支持類似的高速接口，為了支持其他流行的協(xié)議，OLT還可支持ATM, FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口標準。OLT通過支持E1接口來實現(xiàn)傳統(tǒng)的TDM話音的接入。在EPON的統(tǒng)一網(wǎng)管方面，OLT是主要的控制中心，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理的主要功能。POS（Passive Optical Splitter）是無源光纖分支器，是一個連接OLT和ONU的無源設備。ONU放在用戶駐地側，接入用戶終端。
    
    圖3 EPON的網(wǎng)絡結構
OLT和ONU之間可以靈活組建成樹形，環(huán)形，總線形，以及混合型。
       
    （A）樹型拓撲
    
    （B）總線型拓撲
    
    （C）環(huán)型全保護的拓撲結構
    
    （D）主干路帶保護的樹型拓撲
    
    （E）主、支路帶保護的樹型拓撲
            圖4 EPON的網(wǎng)絡拓撲
六、EPON的層次模型
    對于以太網(wǎng)技術而言，PON是一個新的媒質(zhì)。802.3工作組定義了新的物理層。而對以太網(wǎng)MAC層以及MAC層以上則盡量做最小的改動以支持新的應用和媒質(zhì)。EPON的層次模型按照2003年1月發(fā)布的IEEE 802.3ah Draft 1.3規(guī)定如下：
    
    圖5 EPON的層次模型
    EPON系統(tǒng)通過一條共享光纖將多個DTE連接起來，其拓撲結構為不對稱的基于無源光分路器的樹形分支結構。MPCP就是使這種拓撲結構適用于以太網(wǎng)的一種控制機制。
    EPON作為EFM討論標準的一部分，建立在MPCP（Muti-Point Control Protocol多點控制協(xié)議）基礎上，該協(xié)議是MAC control 子層的一項功能。MPCP使用消息，狀態(tài)機，定時器來控制訪問P2MP（點到多點）的拓撲結構。在P2MP拓撲中的每個ONU都包含一個MPCP的實體，用以和OLT中的MPCP的一個實體相互通信。作為EPON/MPCP的基礎，EPON實現(xiàn)了一個P2P仿真子層，該子層使得P2MP網(wǎng)絡拓撲對于高層來說就是多個點對點鏈路的集合。    該子層是通過在每個數(shù)據(jù)報的前面加上一個LLD（Logical Link Identification）邏輯鏈路標識來實現(xiàn)的。該LLID將替換前導碼中的兩個字節(jié)。PON將拓撲結構中的根結點認為是主設備，即OLT；將位于邊緣部分的多個節(jié)點認為是從設備，即ONUs。MPCP在點對多點的主從設備之間規(guī)定了一種控制機制以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)有效的發(fā)送和接收。系統(tǒng)運行過程中上行方向在一個時刻只允許一個ONU發(fā)送，位于OLT的高層負責處理發(fā)送的定時、不同ONU的擁塞報告、以便優(yōu)化PON系統(tǒng)內(nèi)部的帶寬分配。EPON系統(tǒng)通過MPCPDU來實現(xiàn)OLT與ONU之間的帶寬請求、帶寬授權、測距等。
    MPCP涉及的內(nèi)容包括ONU發(fā)送時隙的分配，ONU的自動發(fā)現(xiàn)和加入，向高層報告擁塞情況以便動態(tài)分配帶寬。MPCP多點控制協(xié)議位于MAC Control子層。MAC Control向MAC子層的操作提供實時的控制和處理。
七、EPON中的關鍵技術
1、系統(tǒng)同步
    系統(tǒng)同步是指由于EPON上行為多點到一點的拓撲結構，每個ONU發(fā)送時隙必須與OLT的系統(tǒng)分配的時隙保持一致，以防止各個ONU上行數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞。ONU側的時鐘應與OLT側的時鐘同步。EPON時鐘同步采用時間標簽方式。在OLT側有一個全局的計數(shù)器，下行方向OLT根據(jù)本地的計數(shù)器插入時鐘標簽，ONU根據(jù)收到的時鐘標簽修正本地計數(shù)器，完成系統(tǒng)同步；上行方向ONU根據(jù)本地的計數(shù)器插入時鐘標簽，OLT根據(jù)收到的時鐘標簽完成測距。
2、ONU的自動識別
    ONU自動加入目的是通過系統(tǒng)的自動運行，不需人工干預的完成對新ONU的發(fā)現(xiàn)和注冊，使新ONU能夠自動加入到EPON系統(tǒng)而不影響其他ONU運行。EFM對解決注冊沖突提出了兩種方案：
1.隨機延遲時間：發(fā)生注冊沖突時，發(fā)生沖突的ONU仍然每次都響應注冊授權，但是在響應開窗時隨機延遲一定時間（但必須保證ONU隨機延遲后的應答仍然可以落在開窗內(nèi)）。采用隨機延遲時間的方法可以縮短ONU加入系統(tǒng)的時間，但是需要增大注冊開窗的長度，這樣會降低系統(tǒng)的帶寬利用率。
2.隨機跳過開窗：發(fā)生注冊沖突時，發(fā)生沖突的ONU隨機跳過若干個注冊授權后才重新響應。如果注冊授權的周期為1s，那么發(fā)生沖突的ONU可隨機延時1～8s(系統(tǒng)可配置)，然后繼續(xù)等待注冊授權。采用隨機跳過開窗的方法比隨機延遲時間需要多花一些時間，但是不需增大注冊開窗，不會影響系統(tǒng)的帶寬利用率。
3、EPON中TDM業(yè)務的傳輸
    盡管數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬需求正快速增長，但現(xiàn)有的電路業(yè)務還有很大的市場，在短期內(nèi)仍將發(fā)揮其巨大的作用，在今后幾年內(nèi)仍是業(yè)務運營商的主要收入來源。所以在EPON系統(tǒng)中承載電路交換網(wǎng)業(yè)務，將分組交換業(yè)務與電路交換業(yè)務結合有利于EPON的市場應用和滿足不同業(yè)務的需要。因此現(xiàn)在大家談論的EPON實際都是考慮網(wǎng)絡融合需求的多業(yè)務系統(tǒng)。EFM對TDM在EPON上如何承載，在技術上沒有作具體規(guī)定，但有一點是肯定的就是要兼容的以太網(wǎng)幀格式。如何保證TDM業(yè)務的質(zhì)量實際上也就成為多業(yè)務EPON的關鍵技術之一。
4、EPON中信息安全的考慮
    根據(jù)IEEE 802.3ah規(guī)定，EPON系統(tǒng)物理層傳輸?shù)氖菢藴实囊蕴�網(wǎng)幀，對此，802.3ah標準中為每個連接設定LLID邏輯鏈路標識，每個ONU只能接收帶有屬于自己的LLID的數(shù)據(jù)報，其余的數(shù)據(jù)報丟棄不再轉(zhuǎn)發(fā)。不過LLID主要是為了區(qū)分不同連接而設定，ONU側如果只是簡單根據(jù)LLID進行過濾很顯然還是不夠的。為此IEEE 802.3ah工作組從2002年下半年起召開幾次的會議，專門討論有關EPON的鏈路安全性的問題，包括研究APON的G.983建議中攪動機制，802.1x協(xié)議等，會議中另一個主要議題就是關于安全性的問題是單獨放在EPON中解決，還是放到整個802體系中解決。最終會議決定單獨成立一個任務組結合EPON的具體情況，負責整個802體系的安全性問題的研究和解決。2003年1月份以原EPON安全小組的主要成員為主的新的工作組已經(jīng)召開會議，將在盡量保證以太網(wǎng)體系架構的基礎上，結合802.1x、802.10等已有以太網(wǎng)關于安全性的協(xié)議，加強和完善EPON和其他以太網(wǎng)應用的安全性。
5、EPON中的以太網(wǎng)管理
    對于以太網(wǎng)來說，第一英里接入是一個全新的應用。一個完整的新的電信級的管理被要求。和傳統(tǒng)的局域網(wǎng)不同，在第一英里的終端用戶不是按照以太網(wǎng)業(yè)務提供者的要求而配置的，第一英里包括局端設備（OLT）和遠端設備（ONU），因此，局端設備必須要有能力監(jiān)測業(yè)務提供網(wǎng)絡和用戶駐地網(wǎng)之間的物理鏈路和設備的一些重要的信息。EFM工作組已經(jīng)決定提供的OAM功能包括：遠端錯誤指示，遠端環(huán)回，鏈路監(jiān)視。OAM的消息通道，采用長度/類型域為8809的慢協(xié)議幀傳送OAM消息。
八、EPON的應用
    10G以太網(wǎng)標準IEEE 802.3ae已經(jīng)發(fā)布，意味著以太網(wǎng)可進入城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)領域。而用于局域網(wǎng)的10GBASE-T和10GBASE-CX4的補充標準也已經(jīng)在2002年底啟動，如果接入網(wǎng)也采用電信運營級的以太網(wǎng)技術EPON，將形成從局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)到廣域網(wǎng)全部是以太網(wǎng)的結構，可以大大提高整個網(wǎng)絡的運行效率。
EPON的特點和應用在于：
1.長距離，寬帶寬（20km，1.25G），光纖的接入和傳輸，光纖化的ONU/ONT，非常適合于FTTB和FTTO模式(非常有利于光纖在大樓內(nèi)的布線和用戶擴容)，光纖直接到商業(yè)用戶。EPON系統(tǒng)所能提供的可調(diào)節(jié)的、有優(yōu)先級和帶寬保證的服務，將非常有吸引力。
2.更少的維護和供電――大樓內(nèi)無需占用機房和供電設施，支持遠端設備ONU/ONT的自動測距和自動加入，網(wǎng)絡擴容便利，且局端設備和用戶端設備為統(tǒng)一網(wǎng)管，對于運營商來可以大大降低運營維護費用。
3.EPON是面向未來的技術，它是一個多業(yè)務平臺，可以同時提供IP業(yè)務和傳統(tǒng)的TDM業(yè)務。QoS可以完全保證，而且完全遵循IEEE 802.3ah的標準。這不但使運營商在同一套傳輸平臺上就可以根據(jù)用戶的要求隨時開通所需要的多種業(yè)務，而且非常容易向全IP業(yè)務網(wǎng)絡過渡。
4.帶寬分配靈活，服務有保證。對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系，EPON可以通過DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實現(xiàn)用戶級的SLA。MS-EPON可以根據(jù)需要對每個用戶甚至每個端口實現(xiàn)基于連接的帶寬分配（區(qū)別于普通交換機的基于端口的速率限制），并可根據(jù)業(yè)務合約保證每個用戶連接的QoS。
(格林威爾供稿）