EPON接入技术

摘要:目前,以太无源光网络(EPON)技术已经走向市场,并逐渐成为各运营商和设备商对接入网的关注焦点,本文对EPON的系统结构,工作原理,以及EPON技术所涉及的几种关键技术进行了阐述。

关键词:无源光网络 EPON

中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00

1 EPON简介

以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network , EPON) 是一种新型的光纤接入网技术,它采用点到多点结构、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。因此,它综合了PON技术和以太网技术的优点,正逐步成为宽带接入网一种最有效的通信方法。

2 EPON的系统结构及其工作原理

2.1 EPON系统构成

典型的EPON系统由OLT,ODN,ONU组成。OLT放在中心机房,OLT(Optical Line Terminal既是一个交换机或路由器,又是一个多业务提供平台(MSPP),是整个EPON系统的核心部件。在下行方向,它提供面向无源光纤网络的光纤接口;在上行方向,OLT提供GE/10GE的以太网接口。ODN(Optical Distribution Network)是光分配网络,是一个连接OLT和ONU的无源设备,它的功能是分发下行数据和集中上行数据。一般一个ODN分线率为1:16,1:32,并可以进行多级连接。ONU(Optical Network Unit)放在用户驻地侧,主要采用以太网协议,在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层交换甚至第三层路由功能。

2.2 EPON的工作原理

EPON的标准是IEEE802.3ah,它延用了以太网和TDM的一些特性,从网络层协议上来看,EPON属于L2的协议。在物理层,IEEE 802.3-2005规定采用单纤波分复用技术(下行1490 nm,上行1310 nm)实现单纤双向传输,同时定义了1000 BASE-PX-10 U/D和1000 BASE-PX-20 U/D两种PON光接口,分别支持10 km和20 km的最大距离传输。在物理编码子层,EPON系统继承了吉比特以太网的原有标准,采用8B/10B线路编码和标准的上下行对称1 Gbit/s数据速率(线路速率为1.25 Gbit/s)。EPON在数据链路层上,采用了基于TDM思想的全新控制协议,通过对时间进行分片,然后将不同的时间片制定给不同的ONU设备来使用,从而避免数据传输过程中的冲突问题。

EPON通过在OLT和ONU之间引入了ODN,实现了点对多点的通信方式,最小化占用OLT端口资源,节省了中间段的光电/电光转换。 ODN采用了光波分路和光波耦合原理,实现了下行广播分发和上行时分汇聚的无源操作,从而实现单纤双向传输机制。

3 EPON的关键技术

EPON的优点来源于其无源光分/合路,下行采用广播方式,下行采用TDMA复用方式,下行广播帧中的不同时隙对应给不同ONU的信号,各ONU接收到整个广播帧后根据某些和自己相关的信息来判断接收属于自己的时隙。上行信道划分为不同的时隙,各个ONU由MAC控制在特定的时隙向OLT发送数据,这样的TDMA方式决定了EPON必须解决ONU距OLT不通路径带来的测距问题,各ONU时隙信号电平大小不一样,相位突变带来的突发接收问题以及如何有效地向各ONU分时时隙的动态带宽分配问题等。

3.1 测距

由于EPON系统上行为点到多点拓扑,多个ONU共享主干段光纤,为正确安排各ONU上行发送起止时刻,把各ONU发送时隙在光合路器、光耦合器合路后时间上互不重叠的“复用”起来,必须首先知道各ONU距OLT的时延也就是距离,不然各个ONU到达OLT的上行传输时延差异可能造成各ONU时隙交叠,导致来自不同ONU的时隙发生碰撞。因此必须引入测距几乎对由于物理传输机制引发的时延差异进行补偿,以确保不同的ONU所发出的信号能在OLT处准确的复用在一起。解决上述重叠问题的基本思路是:测量出各个ONU到OLT的信号环路延迟时间,然后为每个ONU插入一个特定的均衡时延值。使所有ONU在插入均衡时延后的环路延迟时间都相等,其结果类似于使每个ONU都移到与OLT相同的逻辑距离处。此后就可以根据TDM方式来正确的发送时隙,组成上行帧结构。测距的最终目的就是为每个ONU提供一个合适的均衡时延值,该插入延时值应该能在系统的运行过程中根据环境的变化而自动进行实时调整。

3.2 突发接收

因为在下行方向, 只有OLT一个信号源,ONU接收广播帧。对于某一个特定的ONU来讲,接收路径不变,其接收信号电平和相位特性是相对稳定的,因此不会存在突发接收问题。但在上行方向,对于OLT来讲,存在多个信号源(ONU) 。ONU与OLT之间的不同距离以及线路特性上的差异, 会造成各ONU的发送功率相同, OLT接收时却各不相同, 这就对OLT端的接收机提出了突发接收的要求。解决突发信号接收问题的一个方法是调整ONU 的发送功率,使得OLT接收到的各ONU信号功率电平相等。但这种方法将使得ONU端发送机的设计变得更为复杂, 发送功率调整后还可能对信号抗干扰性能有负面的影响, 同时也使得OLT和ONU之间的控制协议复杂化, 对系统的整体性能带来较大的影响。现在人们采取的方法是在OLT端使用突发接收机, 采用各种突发接收技术来接收突发信号。

3.3 突发发射

由于EPON采用TDMA复用方式,上行信道划分为不同的时隙,各个ONU由MAC协议控制在特定的时隙向OLT发送数据,在某一ONU发送数据时,其他ONU激光器应处于关断状态。所以ONU应工作在突发发射方式,只有在属于本ONU德时隙内才允许有光功率输出,在其他时隙光输出功率应为零,即完全关断。突发发射模式带来的问题是当ONU要发数据时,要求发射机突发启动,而半导体激光器阀值电流的建立需要一定的时间。因此突发模式发射机油别人连续模式的发射机。当一个数据包到来时,发射机从关断状态到发射状态有一定的延时,应采取措施对时延进行补偿。由于每个ONU在发射数据前必须先向OLT提出申请,得到OLT的准许后ONU才能发送数据,因此ONU可提前知道发射时间。通常采用在发射前某一时刻将阀值电流加到激光器的方式来进行时延补偿。

3.4 动态带宽分配

TDMA 方式的最大缺点在于其带宽利用率较低,造成了资源浪费。尽管可以采取一定的措施对其进行改进, 但这种提高是很有限的。若要进一步提高带宽利用率,需采用动态带宽分配(DBA) 方案。DBA是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制;动态带宽分配队带宽采取实时调度方式,系统按照ONU实时上报的请求或OLT监测到的ONU带宽需求统筹安排,动态调整授权给ONU的带宽值。采用动态带宽分配的直接好处是提高了上行带宽的利用率,从而在相同带宽的情况下可以承载更多的终端用户,有利于降低单用户成本,提高收益。另外,DBA 本身具备的灵活性也为进行服务水平协商(SLA) 提供了很好的实现途径。实现带宽动态分配的关键是如何得到ONU的确切状态, 知道了ONU的状态就可以分配相应大小的发送窗口,各种DBA方式的差异就在于获知ONU状态的手段不同。

3.5 EPON 的安全问题

在EPON系统中,各个ONU的上行通道是彼此独立的,用户无法窃取他人的信息;下行方向是媒质共享网络,数据以广播形式发送,每个ONU都能接收到所有的下行数据,802.3ah引入LLID来限制每个ONU只能接收属于自己的数据包。然而用户可以通过某种方式绕开LLID校验,窃取其他ONU的信息,最为典型的解决方法就是在下行方向对所有的数据帧进行加密传输。事实上,这种加密方式存在许多安全隐患.首先,未经加密的下行MAC帧和OAM帧如果被成功获取的话,入侵者便可以轻易掌握其他用户的关键信息, 如ONU的LLID和终端用户MAC 地址,进而在上行方向通过盗用LLID和MAC地址来窃取其他用户的带宽;其次,在上行方向合法用户可能通过伪造MAC帧或OAM帧,来更改EPON系统配置,甚至侵入电信管理网络,扰乱整个电信网.。针对这两种威胁,可采用了加密与认证相结合的安全策略。加密算法可采用的AES算法,密钥长度选取128bit.下行方向OLT对所有类型的帧进行加密,密钥由ONU产生,不同的ONU使用不同的密钥,从而保证了下行数据私密性的要求;但在上行方向如果只是简单地加密,显然是不够的,因为用户可以盗用他人的合法LLID传输数据.因而OLT还必须进一步对消息发送源的真伪进行鉴别和认证,即确认接收到的ONUn的数据确实是由ONUn发出的这样就确保了消息的真实性与合法性。

4 结语

综合考虑EPON各方面的技术特点,以及EPON技术在投资成本,市场竞争等方面的优越性,EPON技术已经应用于各种公众客户,大客户,商业客户的综合接入以及全球眼等高带宽接入,是目前建设高质量接入网的重要技术。

参考文献

[1] 汪丁鼎.以太网无源光网络中的时间标签法测距.光通信技术,2003(7).

[2] 张洋.多业务EPON动态带宽分配算法.北京邮电大学学报,2004(5).

[3] 陈雪.无源光网络技术.北京邮电大学出版社,2006(1).

作者简介:孟庆良,男,1978年10月出生,1999年毕业于吉林省邮电学校,2004年通过自学考试毕业于吉林大学计算机及应用专业,现工作于中国联合网络通信有限公司九台市分公司,助理通信工程师,自参加工作以来,在九台市分公司承载网络建设和维护工作等方面做出了突出贡献.