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EPON技术

发布时间:2016-07-22 点击数:1461
以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network , EPON) 顾名思义,是基于以太网的PON技术。无源光网络(PON)的概念由来已久,它具有节省光纤资源、对网络协议透明的的特点,在光接入网中扮演着越来越重要的角色。EPON作为一种新型的光纤接入网技术,EPON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。以太网(Ethernet)技术经过二十年的发展,以其简便实用,价格低廉的特性,几乎已经完全统治了局域网,并在事实上被证明是承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升,以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进,逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与PON的结合,便产生了以太网无源光网络(EPON)。EPON技术由IEEE802.3 EFM工作组进行标准化。2004年6月,IEEE802.3EFM工作组发布了EPON标准——IEEE802.3ah (2005年并入IEEE802.3-2005标准)。在该标准中将以太网和PON技术结合,在物理层采用PON技术,在数据链路层使用以太网协议,利用PON的拓扑结构实现以太网接入。因此,它综合了PON技术和以太网技术的优点:低成本、高带宽、扩展性强、与现有以太网兼容、方便管理等。EPON正成为光接入网领域中的热门技术。

各种PON技术的发展历史:
APON(ATM PON)
1995年提出,1996年由13家大型网络运营商同它们的主要设备供应商组成了FSAN (Full Service Access Network)联盟,155Mb/s的PON系统技术规范,ATM传输协议,ITU-T G.983系列标准;
BPON(Broadband PON)
2001年,APON标准后来得到了加强,可支持622Mb/s的传输速率,同时加上了动态带宽分配、保护等功能,能提供以太网接入、视频发送、高速租用线路等业务,宽带的PON;
GPON(Gigabit PON)
FSAN联盟进行1Gb/s以上速率的PON标准研究,希望提出一种方案,除了能运行在更高的速率外,还要在多业务、OAM&P、可扩缩性等方面较之其它的PON效率更高。这一研究使得Gigabit PON(GPON)出现。2003年1月,ITU-T批准确立了GPON标准G.984.1、G.984.2和G.984.3;
EPON(Ethernet PON)
2000年11月,IEEE成立了802.3 EFM(Ethernet in the First Mile)研究组,业界有21个网络设备制造商发起成立了EFMA,实现Gb/s以太网点到多点的光传送方案,所以又称GEPON(GigabitEthernet PON)。EFM标准IEEE802.3ah;
EPON 就是一种新兴的宽带接入技术,它通过一个单一的光纤接入系统,实现数据、语音及视频的综合业务接入,并具有良好的经济性。业内人士普遍认为,FTTH 是宽带接入的最终解决方式,而EPON 也将成为一种主流宽带接入技术。由于EPON网络结构的特点,宽带入户的特殊优越性,以及与计算机网络天然的有机结合,使得全世界的专家都一致认为,无源光网络是实现“三网合一”和解决信息高速公路“最后一公里”的最佳传输媒介。

EPON网管系统

由于EPON的众多优点,它越来越受到人们的青睐,即将成为宽带接入网一种最有效的通信方法。为了保证EPON网络能够稳定、高效、准确的运行,为EPON提供一个有效的网络管理系统显得尤为重要。

EPON网管系统结构
EPON系统的管理对象为1个OLT(光线路终端)和32个ONU(光网络单元)。基于SNMP的EPON网管系统结构如图2所示。
EMS网管系统安装在工作站,与OLT设备之间通过带外网管接口(F接口)相连。EMS网管系统和OLT、ONU设备之间采用SNMP协议进行通信,实现在EMS中对OLT、ONU的统一管理。通信的方式有2种:
(1)轮询。管理站每隔一段时间对所有OLT和ONU代理站的MIB进行主动查询,各代理站返回被查询的结点值。(2)告警(trap)。当某些指定事件发生时,代理进程向管理站发送trap报文。管理站接收、显示告警事件,并做相应处理。

同时OLT设备和ONU设备具备本地Console接口,可以实现本地操作管理维护。


EPON网管系统的设计
EPON网管系统按照网管功能分为四大模块:配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。

1. 配置管理

配置管理主要是组织EPON网内运转所需要的资源和数据,构造和维护网络系统的配置,识别各网元,保证网元的基本配置,监控当前配置和按照具体情况改变配置,设置系统参数,收集并存储各参数,报告与基本配置值的偏差,启动和关闭资源等。

EPON配置管理包括系统初次启动时的配置管理和系统正常运行时的配置管理。
启动时,针对EPON网络,可自动或手动生成OLT、ONU设备拓扑图,显示当前网络中各OLT、ONU设备的状态。在网络拓扑图生成后,SNMP 管理进程采用轮询的方式定期查询SNMP 代理进程,收集设备信息用于更新数据库,以实现配置信息的实时性。系统正常运行后,网管可根据需要随时手动设置其各项配置参数。如可以设置各OLT、ONU代理的标识信息和系统信息,启用、禁用某个端口,配置各端口的工作状态,配置网桥的工作参数,配置VLAN,重启设备等。还提供基于用户的动态带宽管理。

2. 性能管理
性能管理功能对EPON网络性能进行监视、检测,采集相关性能统计数据,进行分析、诊断,从而为网络进一步规划与调整提供依据,以保证网络的业务质量。
EPON的性能管理功能分为性能监测、性能管理控制和性能统计分析。性能监测是连续的收集OLT、ONU上与性能相关的数据,根据性能数据确定网元的性能,从而掌握设备单元因不太频繁或间断的差错导致业务质量变差的性能情况。性能管理控制的目的是支持管理人员发出控制命令或网管软件自动发出控制命令,以改善OLT、ONU性能。它可以设置性能管理数据采集周期、设置性能监测数据存储过滤条件,并对门限值进行管理。性能统计分析是对收集到的性能数据做进一步的处理,以分析表或分析图的形式报告分析结果。如计算接口利用率、接口的输入错误率、接口输出错误率、吞吐率等。

3. 故障管理
故障管理功能提供对EPON网络故障监测、故障定位,保护切换与恢复,并存储故障信息供以后查询。对来自硬件设备或路径结点的报警进行监控、报告和存储,对故障进行诊断、定位和处理,是故障管理的重要工作。
当监测到网络、设备故障或异常时,网管系统实时产生报警。一些故障、异常是由网管程序通过查询代理站MIB发现的,而另一些是代理站通过Trap通知管理站发现的。可以设置各种告警事件的告警等级。不同等级的告警事件采取不同的告警指示和处理措施。
网管系统收到告警信息后,进行分析和提示,然后针对不同等级的告警,进行不同的处理。对于严重影响网络运行的故障,需要进行故障定位和测试。启动故障定位过程,试图从这些过程中获取相关信息。进行故障定位后,网管系统会尽快做出响应,采取故障修复措施,使EPON网络恢复正常。
告警信息被存储到本地数据库。可以按照告警时间、告警设备、告警等级等关键字查询历史告警信息。根据全部告警信息,进行告警统计分析,绘制出统计图表。

4. 安全管理
安全管理功能通过访问操作控制策略等方法保证管理应用程序和管理信息不被非法访问和破坏。
用户标识和鉴定,是网管系统提供的最外层的安全保护措施。网管用户在启动程序前必须输入用户名和登陆密码,系统在核实鉴定了用户身份以后才能提供网管系统的使用权。用户被分为3个等级,不同等级的用户设置不同的管理权限,第一级用户拥有最高管理权限,可以使用网管系统提供的所有功能;低级用户在设置参数、操作设备等权限上被限制;高级用户拥有低级用户的所有权限,并能对低级用户进行管理。
系统还提供安全日志,登陆者的所有操作将被录入数据库,以便维护和检查使用。

EPON网管系统的实现
EPON网管系统的实现包括管理站网管软件的实现和代理站软件的实现。

1. 管理站网管软件的实现
管理站网管系统是为用户提供友好的交互式界面,利用SNMP协议对代理进程实现管理的控制实体。

通信模块的功能是按照SNMP协议,对网络中的代理站(OLT和ONU)发送、接收SNMP报文,从而获取或设置代理站中MIB库的相应信息。一方面,它将上层的操作、信息封装成对应的PDU(协议数据单元),向网络中发送。另一方面,它接收代理发给自己的PDU,并解析成上层可识别的信息,向上传递。对应于5种消息类型,SNMP有5种类型
数据采集、处理模块负责将采集的数据分析、处理、储存或者送往上层。对各种采集到的数据,要按照配置、性能、故障几个模块的需求进行转换,向上传送。一些数据直接可以给上层显示使用;一些采集到的数据需要处理后,再送往上层显示。如通过访问接口MIB,可以得到每个接口在每个时刻的总流量。可以设置每隔一秒钟取一次值,然后计算秒间总流量差值,得到接口每秒钟的流量。有些数据暂时不需要显示,需要储存在数据库,供以后查询使用。

显示模块是面向用户的。它按照配置管理、性能管理、故障管理、安全管理几个模块分类,以图形化界面形式显示各项信息,并且提供人机接口,供配置使用。
本系统是在Windows环境下,用VC++ 6.0开发出来的。 通信模块是利用Windows提供的API函数,封装成一个SNMP类,来实现SNMP的各种操作。按照显示模块的需要,数据处理模块采用各种算法对采集到的数据进行分析处理。显示模块则以对话框、列表框、曲线图等形式,提供直观、方便的图形化界面,如图4所示。

2.代理站软件的实现
SNMP在代理站的实现工作主要包括代理进程软件的实现和MIB的设计与组织。
(1) 代理进程软件的实现
代理进程软件实现SNMP协议,并管理MIB。它实际上是一个执行无限循环的守护进程,在循环中,它接收管理站的SNMP请求,然后进行相应的操作,并作出响应。同时,代理进程能够根据自身管理的MIB信息,主动向管理站发送陷阱报文(Trap),以通知管理站所管理的网络设备发生了异常事件,实现故障告警。
通常,在开发过程中使用一些软件开发包可以大大缩短产品开发周期。ucd-snmp软件包是一个广泛使用的实现SNMP代理开发的免费软件包,它支持SNMP v1/v2c/v3,支持分布式代理的开发,支持MIB-II。它包括SNMP协议模块和MIB管理模块,实现了SNMP代理站的基本框架。

(2) EPON设备MIB的设计与组织
OLT、ONU设备的MIB主要包括RFC1213定义的MIB-II、RFC1573定义的Interfaces MIB、RFC1493定义的Bridge MIB和根据EPON设备需要自定义的私有MIB。
MIB-II包含了基于TCP/IP网络的基本网管信息,包括系统组、接口组、IP组、ICMP组、UDP组、SNMP组等基本管理对象。通过MIB-II,我们可以获取OLT、ONU设备运行的基本网络信息,如系统信息、端口基本信息、IP、ICMP等类型数据包的统计等,对某些对象可以配置。Interfaces MIB是针对改善MIB-II中的接口组的不足和缺陷,发展而来的一个以定义网络接口管理对象为主的MIB。Bridge MIB是一个定义网桥管理对象的MIB,它包括一般网桥管理信息、生成树网桥管理信息和透明网桥管理信息。它主要对OLT设备中所具有的生成树网桥的设置、监测提供网络管理手段。
自定义MIB是针对OLT、ONU特殊管理对象和特殊功能而定义的,主要包含各OLT、ONU的特殊系统信息和带宽控制管理两部分。特殊系统信息包括硬件系统信息和软件系统信息。如我们的EPON系统上行是采用WDMA方式的,对于每个ONU端,对应于不同的上行波长。把波长信息加入每个ONU的自定义MIB中,这样通过网管系统就可以查询各ONU的波长相关信息了。带宽控制管理MIB是自定义MIB的一个重要部分,通过它,我们可以远程进行基于用户的带宽管理。

随着EPON的快速发展,为EPON设计和实现一个稳定高效和准确的网络管理系统具有重要的意义。


EPON与GPON的比较
随着科学技术的不断进步和社会日益的发展,互联网逐渐走入寻常百姓家,宽带的速度越来越成为人们娱乐与工作中常常出现的话题,从窄带拨号到宽带上网,再到光纤接入上网,宽带网络速度日益加快,如今PON技术逐渐走向前台。目前,有两个颇为引人注目的PON标准已正式发布,其中一个是由ITU/FSAN制定的Gigabit PON(GPON)标准,另一个是由IEEE 802.3ah工作组制定的Ethernet PON(EPON)标准。在PON技术已被毋庸置疑地认为是未来FTTH时代的终极解决方案之后,EPON和GPON谁将主导FTTH大潮已成为当前新的争论热点。
上行可用带宽
从系统上行传输总带宽中减去各种系统运行开销就是上行可用带宽。它与系统中包含的ONU数量、DBA(动态带宽分配)算法的轮询周期、承载业务的类型以及各业务所占比例等都有很大关系。EPON和GPON都是宽带接入技术,承载的业务以IP数据业务为主。下面将分别计算EPON和GPON在包含32个ONU,轮询周期为750s的情况下,承载纯IP业务时的上行可用带宽。EPON的上行线路速率是1.25Gbit/s,因为采用了8B/1OB线路编码,每10bit中有8bit有效数据,所以其有效上行传输总带宽为1Gbit/s,即1000Mbit/s。EPON上行的系统运行开销及其占总带宽的比例如下:用于突发接收的物理层开销:约3.5%;以太网帧的封装开销:约7.4%;MPCP(多点控制协议)和OAM(运行管理维护)协议开销:约2.9%;DBA算法造成的剩余时隙(即不足以传输一个完整以太网帧的时隙)浪费:约0.6%;EPON上行总开销为上述开销之和,约为144Mbit/s,可用带宽约为856Mbit/s(即1000Mbit/s-144Mbit/s)。上行线路速率为1.244Gbit/s的GPON,采用NRZ编码,上行总带宽为1.244Gbit/s,即1244Mbit/s。GPON上行的系统运行开销及其占总带宽的比例如下:用于突发接收的物理层开销:约2.0%;GEM(GPON封装方法)帧和以太网帧的封装开销:约5.8%;PLOAM(物理层运行管理维护)协议开销:约2.1%;DBA算法剩余时隙引入额外的封装开销(GPON中允许分割帧,当剩余时隙不足以传输一个完整的以太网帧时,该以太网帧可以被分割成多个GEM帧传输,但每段分割的帧都要再额外增加一个新的GEM帧头):约0.8%。GPON上行总开销为上述开销之和,约为133Mbit/s,可用带宽约为1111Mbit/s(即1244Mbit/s-133Mbit/s)。
技术成熟度
EPON ①标准 EPON的标准是IEEE802.3ah,标准中定义了EPON的物理层、MPCP(多点控制协议)、OAM(运行管理维护)等相关内容。IEEE制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作,最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。②核心芯片 目前可以提供EPON核心芯片的专业厂商有5-6家(不包括自主设计芯片的系统厂商),在标准讨论的过程中,这些厂商就己开始芯片的设计和验证,因此在802.3ah标准正式颁布时,他们大多都已推出了第二代和标准完全兼容的芯片,可以迅速支持EPON系统的大规模部署。
GPON ①标准 GPON的标准是ITU-T G.984系列标准,规定了GPON的物理层、TC层和OAM相关功能。GPON标准的制订考虑了对传统TDM业务的支持,继续采用125s固定帧结构,以保持8K定时延续。为了支持ATM等多协议,GPON定义了一种全新的封装结构GEM(GPON encapsulation method),可以把ATM和其它协议的数据混合封装成帧。②核心芯片 除GPON设备厂商自主设计的GPON芯片外,目前还没有专业的芯片厂商推出商用GPON核心芯片。GPON设备上使用的模块都是专用的自主或协作开发的模块,还没有专业的模块厂商可以提供样品,更谈不上大规模量产。
多业务能力和安全性
目前对EPON多业务能力质疑最多的就是它传输传统TDM业务的能力。且不说目前EPON设备厂商采用的各种TDM over Ethernet的专利技术提供了EPON单一网段的TDM业务传输通道,从测试结果来看,其性能完全满足1.5ms时延等指标要求,完全符合传统TDM业务的应用标准。就是在普通的以太网设备上,现在也可以使用各种标准的PWE3(pseudowire emulation edge to edge)设备提供跨网段、端到端的、透明的传统点对点TDM通道。而且,随着传统TDM业务量所占比例的日趋减少,使用分组交换技术,把TDM业务收容到日益扩大的分组网络中来,无疑将是一种更为经济的手段。在安全性方面,EPON也使用标准的基于AES的加密技术,其安全性和GPON无区别。
QoS
在QoS方面,EPON定义了8个优先级队列,DBA算法也考虑了对不同优先级队列的带宽分配策略和公平性等问题。对于数据包中的IP优先级或以太网优先级可以很容易地映射到这8个优先级队列中,再通过DBA算法保证其传输的带宽和时延,因此完全可以满足不同业务的QoS要求。GPON中OLT检测每个CONT-T的业务负荷,用于预测/分析ONU的业务流情况和网络的拥塞情况,根据网络状况给每个CONT-T分配资源,但并不涉及VP/VC或Port_ID的QoS。VP/VC或Port_ID提供的QoS保证由两端的ATM/GEM client的相应机制来完成。对于有不同QoS要求的业务,GPON通过使用指针安排ONU用不同的传输方式来实现:调整其授权带宽和授权周期来保证业务的带宽和时延要求。实际上,在如何保证业务的QoS方面,EPON和GPON的实现机理本质上是一样的。GPON中的OAM包括带宽授权分配、DBA、链路监测、保护倒换、密钥交换以及各种告警功能。从标准本身来看,GPON标准中定义的OAM信息比EPON标准定义的丰富,不过从实际的设备来看,二者提供的功能并没有多少差异,目前的EPON设备也能提供这些功能。
总结
综上所述,在QoS、多业务承载、安全性等方面,目前的EPON产品与GPON标准规范的相当,但每单位带宽成本则要比GPON低得多,而且EPON的技术更成熟,更早被市场接受,更早进入大规模商用的阶段。下一代网络将是基于分组的网络,目前以太网作为分组网络的绝对主流承载平台,已经是一个不争的事实。将来用户侧的网络接口肯定是一个以太网的接口,城域网上的以太网接口肯定也会随处可见,使用以太网技术把两侧的以太网接口连接起来将会是一件很自然的事情。

EPON技术现状
自EFMA(Ethernet First Mile Alliance,第一公里以太网联盟)在2004年6月发布EPON技术规范IEEE802.3ah以来,EPON技术得到快速发展,目前相关的芯片和设备均已基本成熟,并有较大规模的应用。在日本,NTT、KDDI、YahooBB等运营商从2004年开始部署EPON,采用FTTH、FTTB/C+VDSL/ADSL2+等多种组网方式,为用户提供高带宽互联网接入业务。目前,日本市场上已经部署了超过500万线的EPON设备,而且每月新增的FTTH用户数已经超过了DSL用户。
目前,EPON技术已经成熟,主要体现在以下方面:经过各标准化组织、设备和芯片制造商、运营商的共同努力,EPON商用芯片和光模块已经成熟,在中国电信的主导下,已经实现了EPON芯片级和系统级的互通测试;EPON产业链也在进一步成熟,形成了良性的市场竞争格局,设备成本进一步下降,已达到规模商用水平。


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