1、EPON原理及相關協議介紹,華為技術有限公司 Huawei Technologies Co., Ltd. ,OFA5920產品 高海 g_,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,Why EPON？,HD TV、VoD、IPTV、P2P等高帶寬應用的出現使基于銅線技術的DSL接入網成為帶寬瓶頸。 接入網從上而下的光纖化是不可避免的大趨勢。 光纖接入技術中P2MP的PON技術最受矚目 EPON是目前應用最廣、成熟度最高的一種PON技術,接入網的光纖化,光纖接入網中P2P vs P2MP 比較,PON 及其網絡結構,無源：沒有室外有源設備 由有源OLT和ONT、以及無源O

2、DN（光分配網絡組成） ODN：由光纖、光分路器（Splitter）和其他無源器件組成 非常低的生命周期費用，無室外有源設備維護費用 能夠很容易承載語音（Voice）, 視頻（Video）和數據（ Data） 相對P2P方式的光纖接入，成本低一半左右,PON技術比較,TPON,APON/ BPON,GPON,EPON,WDM PON,國際標準,ITU-T G.983.x,ITU-T G.984.x,IEEE 802.3ah,國際標準,國際標準,國際標準,國際標準,ITU-T G.982,國家標準,YD/T 1077-2000,國家標準,YD/T 1090-2000,國家標準,國家標準,國家標準

3、,PON技術標準化狀況,下行信號：OLT連續(xù)廣播發(fā)送，ONU選擇性接收（根據LLID）,PON基本技術下行,PON基本技術上行,上行信號： TDMA突發(fā)發(fā)送，采用測距技術保證上行數據不發(fā)生沖突,OLT,ONT,ONU,ONU,Splitter,PON基本技術測距和突發(fā)控制,OLT根據DBA算法向ONU發(fā)布授權時間窗口 測量OLT下行發(fā)送到上行接收的數據信號環(huán)路時延，并據此對ONU授權時間窗口進行延時補償，從而保證上行數據不會發(fā)生沖突 測距方式：定時自動、初始測距、自動相位補償,PON基本技術突發(fā)發(fā)送和接收,ONU 上行為TDMA方式 OLT指定時隙 有數據時發(fā)送，無數據時斷開 OLT 多個ON

4、U數據源 ONU距離、功率不同 突發(fā)接收 AGC 突發(fā)技術都時在光模塊上實現的 時間要求 EPON：OLT恢復時間400ns，ONU開關時間512ns GPON：OLT恢復時間60.8ns，ONU開關時間12.8ns,PON基本技術突發(fā)發(fā)射,快速開啟和關斷能力 消光比大（10dB）,0# ONT,0# ONU,1# ONU,0# ONT,連續(xù)模塊,0# ONU,1# ONU,突發(fā)模塊,快速AGC（光模塊）(動態(tài)范圍 20dB) 快速時鐘恢復（B-CDR SERDES),有快速AGC,閾值線,PON基本技術突發(fā)接收,EPON基本特征,單纖雙向，上行1310nm，下行1490nm 下行廣播發(fā)送，選

5、擇接收 上行TDM方式發(fā)送，分享帶寬 直接基于以太網包傳輸，數據業(yè)務不需映射或處理，與IP網絡緊密結合 TDM等異質協議數據包需要映射，關鍵特性能夠保證 傳輸距離20 Km，分支比1:32 IEEE 802.3ah,2004年7月定稿,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,EPON協議總體介紹 多MAC控制簡介 MPCP協議介紹 RS、PCS、PMA子層簡介,EPON協議簡介（一）,EPON協議由IEEE 802.3ah定義，主要參考章節(jié)如下： 56-EPON介紹 57-OAM定義 60-EPON P

6、MD子層定義 64-Multi-Point MAC Control子層定義 65-EPON對于RS/PCS/PMA子層的擴展和FEC 67-EPON系統(tǒng)建議,標準的基本內容,在以太網架構中實現P2MP拓撲結構的機制和控制協議 多點MAC控制實現在不同的ONU中分配上行資源、在網絡中發(fā)現和注冊ONU、允許DBA調度 RS子層為EPON擴展了字節(jié)定義 PMD子層定義了EPON兼容器件的指標 OAM定義了EPON各種告警事件和控制處理,P2P拓撲下的協議架構,P2MP拓撲下的協議架構,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,EPON協議總體介紹 多MAC控制簡介 MPCP協

7、議介紹 RS、PCS、PMA子層簡介,多點MAC控制多點MAC控制的實現目標,支持P2PE這種特例 OLT支持多個LLID和MAC客戶端 ONU支持單個LLID 支持單拷貝廣播機制 允許動態(tài)帶寬分配的靈活架構 使用32位時間戳 使用基于MAC控制的結構 對發(fā)現的設備進行測距以改進網絡性能 用持續(xù)測距的方式實現對RTT補償,多點MAC控制在IEEE802.3中的層次,多點MAC控制在IEEE802.3中的層次,代替了MAC控制子層的位置，位于DLL的底層，支持多個客戶和其他的MAC控制功能 通過特定的協議實現實時控制多個MAC的機制，并實現對MAC子層的操作 MPCP是一種管理P2MP 的協議。

8、目前還沒有制定管理P2MP的標準 多個MAC共用一個物理層。每一個獨立的MAC給OLT和ONU提供P2PE,附加的一個MAC提供SCB功能 ONU的RS層完成了幀過濾，所以只要一個MAC EPON終端在注冊過程中分配的LLID唯一標識了MAC,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,EPON協議總體介紹 多MAC控制簡介 MPCP協議介紹 RS、PCS、PMA子層簡介,MPCP發(fā)現處理,發(fā)現處理 報告處理 門限處理 MPCPDU的結構和編碼,MPCP發(fā)現處理,發(fā)現處理為新添加的的或離線的ONU提供PON接入。 發(fā)現處理的過程 OLT廣播一個發(fā)現GATE消息，該消息包括

9、開始時間和發(fā)現時間窗的長度 未注冊ONU等待一個隨機時間后發(fā)送REGISTER_REQ消息，ONU采用競爭算法和測量來避免碰撞。REGISTER_REQ中包括ONU的MAC地址和最大等待時間。 OLT接收到一個可用的REGISTER_REQ消息后，注冊該ONU，分配一個LLID并綁定正確的MAC地址到LLID上。 OLT發(fā)送Register消息(包括ONU的LLID和OLT的同步時間)到ONU。OLT現在可以發(fā)送標準的GATE消息允許ONU發(fā)送REGISTER_ACK消息。 發(fā)現處理完成，OLT和已注冊的ONU開始正常的通訊 整個發(fā)現處理的消息流程如下頁圖示：,MPCP發(fā)現處理,OLT,ONU

10、,發(fā)現握手操作完成,發(fā)現 時間 窗口,隨機 延遲 時間,開始,GATE,REGISTER_REQ,REGISTER,GATE,REGISTER_ACK,廣 播 通 道,單 播 通 道,圖1-11 發(fā)現處理的握手消息流程,在Discovery過程中，OLT下發(fā)Register消息給ONU，消息包含OLT的一個TimeStamp。ONU收到此消息后，將一個內部的32位計數器初始化為這個TimeStamp的值。 這樣，ONU和OLT就取得了時間同步。實際上，我們可以發(fā)現，ONU的計數器時間比OLT慢慢了RTT/2的時間。 此后OLT發(fā)出的所有Gate消息中的StartTime就是基于這個同步時間的偏

11、移。 可以想像，Gate消息中的StartTime也會針對RTT作相應補償和調整。,MPCP發(fā)現處理,MPCP報告處理,發(fā)現處理 報告處理 門限處理 MPCPDU的結構和編碼,MPCP報告處理,報告處理負責對網絡中報告的產生和終止進行排隊。報告有較高層產生，通過MAC控制的客戶端送入MAC控制子層。狀態(tài)報告用于帶寬需求和OLT的watchdog時鐘。 即使沒有帶寬需求，也需要周期性地產生報告。 報告處理功能模塊和它的MPCP協議被設計成與802.1P橋接,MPCPReport報文格式,MPCP門限處理,發(fā)現處理 報告處理 門限處理 MPCPDU的結構和編碼,MPCP門限處理,多點MAC控制的關

12、鍵概念是公平裁決多個ONU進行傳輸的能力。 OLT通過許可分配的方式控制ONU的傳輸 ONU通過GATE消息設置傳輸窗口 產生周期性的許可 (發(fā)送GATE消息)以防止watchdog超時 ONU注冊以后，如果設置了Discovery標志，則忽略所有的GATE消息,MPCPGate消息報文格式,MPCP MPCPDU的結構和編碼,發(fā)現處理 報告處理 門限處理 MPCPDU的結構和編碼,MPCP MPCPDU的結構和編碼,MPCP PDU是IEEE802.3的基本幀。 DA:MPCPDU的DA是MAC控制的廣播地址或者MPCPDU定義的獨立MAC地址 SA:與MPCPDU相關的獨立的MAC地址 L

13、ength/Type:MPCPDU攜帶MAC_Control_Type字段，按Type編碼 Opcode: MPCPDU封裝的Opcode標識 Timestamp: MPCPDU在傳輸時的localTime的內容 Data/Reserved/PAD:這40個八位元是MPCPDU的有效載荷。如果沒有內容，則在傳輸式用0填充，接收時忽略 FCS: Frame Check Sequence。通常由下一層的MAC產生 RS層生成合適的LLID,MPCPPDU幀結構,MPCP幀結構,MPCP消息類型Code域,MPCP 消息結構,Gate消息包括最多4個授權窗口的Start Time和Length等。

14、Report消息包括ONU多個隊列的長度。 Register_REQ消息包括Register和Deregister請求 Register消息包括OLT對ONU注冊請求的響應：ACK或NACK，以及分配的LLID Register_ACK消息包括ONU的響應 其他消息格式和細節(jié)描述請參考協議文本64.3.6章節(jié),EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,EPON協議總體介紹 多MAC控制簡介 MPCP協議介紹 RS、PCS、PMA子層簡介,RS子層定義了LLID,LLID域內詳細定義,對PCS/PMA的擴展,PCS的擴展，用于數據檢測和前向錯誤校正 擴展后的PCS支持P2

15、MP的突發(fā)工作模式,PCS子層擴展定義了FEC,FEC時域圖示,EPON原理自動發(fā)現和測距,自動發(fā)現是少量的，盡量不占用有效帶寬 何時啟動 可以靜態(tài)設置Discovery操作頻率 可以按照DBA算法指定 多個ONU避免注冊沖突 ONU采用隨機算法，保證ONU盡量在不同的時刻響應，提高成功率。 隨機延遲法：ONU自行延時一段時間 隨機跳過窗口：ONU自行決定是否響應 OLT廣播Discovery窗口 按照最大窗口：20km 按照軟件設置的最大窗口參數,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,ONU自動發(fā)現和測距 DBA技術介紹 EPON傳送效率分析 QoS和組播簡單分析

16、,EPON原理 ONU自動發(fā)現,自動發(fā)現 不必等序列號登記 認證以后才使能數據通路 軟件可設置該操作的頻率 OLT定時分配discovery時隙 OLT發(fā)出GATE CDR、AGC ONU立即響應Register_REQ MAC地址 光ON/OFF時間 待定的授權數 OLT接收REQ 校驗ONU數據有效性 交給OLT處理器鑒定 分配LLID 計算RTT OLT再次確認，ONU響應確認 若不成功，則下次再進行發(fā)現。,EPON原理為什么要測距和動態(tài)測距,各個ONU到OLT傳輸時延變化 物理距離 環(huán)境溫度的變化 光電器件的老化等因素 在ONU的注冊階段 進行靜態(tài)測距 補償由物理距離差異造成的時延 通

17、信過程中 實時進行動態(tài)精測 校正環(huán)境溫度變化和器件老化等因素引起的時延漂移,EPON原理測距的實現,補償因ONU距離不同而產生的時延差異：RTT（Round Trip Time） 在注冊過程中，ONU對新加入的ONU啟動測距過程 OLT使用RTT來調整每個ONU的授權時間 OLT也可以在任何收到MPCP PDU的時候啟動測距功能。 測距精度3.2米 使用注冊沖突避讓： 在EPON系統(tǒng)中，解決ONU的注冊沖突的方案有兩種：隨機延遲時間法和隨機跳過開窗法。,RTT=(T3-T1)-(T2-T1)=T3-T2,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,ONU自動發(fā)現和測距 D

18、BA技術介紹 EPON傳送效率分析 QoS和組播簡單分析,DBA的概述（1）,作用 ： 根據ONU/ONT上行突發(fā)流量需要，通過在ONU/ONT之間動態(tài)調整帶寬提高了PON上行帶寬的有效性。 意義： 采用傳統(tǒng)的靜態(tài)帶寬分配，一般的信道利用率只有40%左右；而采用動態(tài)帶寬分配后，信道利用率可以達到80% 因為有更有效的帶寬可用，網絡管理者可以在PON中增加更多用戶 用戶可以享受更好的服務，比如可以更好的運行那些具有上行突發(fā)的業(yè)務,兩種實現方法 ： 空閑信元調整（NSR）：OLT監(jiān)視被每個ONU/ONT使用的帶寬，如果使用帶寬不超過預先SLA，則分配額外帶寬給此ONU/ONT （通過Gate消息）

19、；如果使用帶寬超過預先SLA，則短期內不下發(fā)Gate消息，抑制其帶寬。 緩存狀態(tài)報告（SR)： ONU/ONT上報它們緩存狀態(tài)，OLT根據ONU/ONT的報告重新分配帶寬 目前EPON缺省使用SR方式，SR方式支持不同類型業(yè)務的能力更好，帶寬利用率更高，但實現較為復雜。,DBA的概述（2）,DBA基本概念,SLA server level agreement 服務等級協議 授權實體 有權分配授權的時間間隙，可以是單個ONU，也可以對應于特定的服務或者設備 LLID 邏輯鏈路標識,EPON采用的授權實體為LLID，并且一個ONU只有一個LLID，所以也可以說授權實體是單個ONU；,DBA的性能評

20、價,響應時間 等待帶寬分配的時間 恢復時間 公平性 粒度 業(yè)務優(yōu)先級 保證帶寬 最大帶寬 公平分配,DBA對用戶提供什么？,DBA對用戶提供SLA定義，實現用戶帶寬調整： 最小保證帶寬（MIN） 最大帶寬（MAX） 服務優(yōu)先級（Clase） 請求服務時延（DELAY） CBR（constant-bit-rate）服務（類似TDM）,在DBA算法中CLASS用來決定一個授權實體的調度級別，例如高優(yōu)先級實體將獲得所有請求的分配，而低優(yōu)先級類實體將只得到它們請求的某些片段，根據CLASS可以區(qū)分授權實體獲得的授權多少這在上行帶寬擁塞時非常重要！,SLA管理,大多數的DBA算法都依賴于一個循環(huán)或者偽循

21、環(huán)的過程 ，這樣一個循環(huán)定義為授權周期，或Cycle，如下示意圖所示：,實際操作：,DBA算法實現,EPON技術背景介紹 EPON協議內容簡介 EPON關鍵技術介紹,ONU自動發(fā)現和測距 DBA技術介紹 EPON傳送效率分析 QoS和組播簡單分析,EPON效率影響因素： 光電開銷 碎包損失 協議報文開銷,EPON 效率分析,EPON 效率分析 光電開銷,EPON上行時域圖示：,更詳細的圖示：,EPON 效率分析 光電開銷,在Grant消息中，OLT會向ONU發(fā)布Grant窗口的一個SyncTime，這個事件就包括了OLT端的 AGC + CDR + ByteAlign。在這段時間內，ONU只能

22、在線上發(fā)Idle符號。 LaserOn和LaseOff時間參數，ONU是知道自身參數的值，不必OLT下發(fā)。,EPON 效率分析 光電開銷,當前一些參數的典型值： LaserOn/LaserOff ONU光模塊的手冊值小于16ns AGC，OLT光模塊的手冊值為400ns左右 CDR，使用普通SERDES，手冊值為400ns 按上述計算，ONU每次上行傳輸的開銷為 16 *2+400+400 = 832ns 未來光模塊和SERDES器件升級，這個開銷可降低到約 400ns, 甚至更低！,如果按DBA調度Cycle為1ms計算，每個Cycle內32個ONU各得到一次授權窗口。整個系統(tǒng)上行效率損失為

23、 (400ns * 32)/ 1ms = 1.5%， 開銷帶寬為15M左右,EPON 效率分析 光電開銷,如下圖所示，紅色Idle區(qū)間由于長度不足以傳送第5個包，所以這段時間被浪費，也就造成了碎包損失。 碎包損失和包長、流量模型等有關。按照我們的測試結果，碎包損失（32ONU）在30M到160Mbps之間。 隨著ONU數目的增多或減少，碎包損失也會增加或減弱。,EPON 效率分析 碎包損失,EPON 效率分析 協議報文開銷（一）,EPON網絡的上下行通道首先要承載MPCP協議報文，其次協議標準OAM報文也應該被優(yōu)先處理。通常EPON MAC芯片會把協議報文列為最高優(yōu)先級，在帶寬擁塞的情況下，所

24、有業(yè)務數據報文在協議報文之前被丟棄。因此協議報文的流量稱為系統(tǒng)中的一個基本開銷。,MPCP協議報文因為需要及時響應ONU的帶寬請求，在系統(tǒng)出現的次數非常頻繁，形成了主要的帶寬開銷。OAM協議屬于Slow Protocol，占用帶寬較小，基本可以忽略不計。,EPON 效率分析 協議報文開銷（二）,由于MPCP協議報文，諸如Gate、Report等的發(fā)生頻率和DBA算法緊密相關，無法準確衡量計算。我們實際測試的數據基本如下： 下行方向：每個ONU的MPCP協議報文占用帶寬1.5Mbps左右，32個ONU總共占用帶寬45M左右。即，下行方向32個ONU時的吞吐率在955M左右，1個ONU吞吐率可以達到99%以上。 上行方向：每個ONU的MPCP協議報文占用帶寬600-1000Kbps左右，32個ONU總共占用帶寬20Mbps左右。,EPON 效率分析 總結