EPON基础知识

EPON（以太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构（只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资）、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：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。

EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网上提供多种业务。

EPON是由OLT(光线路终端)、ONU(光网络单元)以及ODN(光分配网络)等单元构成的点到多点系统。

其系统拓扑多为星型或树型分支结构。

下行方向(由OLT到ONU)采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，通过ODN中的1：N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元，，每一个ONU将接收到所有下行信息，根据其LLID提取有用信号；
上行方向(由ONU到OLT)采用时分多址方式共享系统，高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽；
通过接入控制机制将各个ONU有序接入。

EPON的上、下行信息速率均为1 Gb/s，由一根光纤采用波分复用实现全双工通信。

数据封装方式：以太网封装方式，数据包长度（64字节）与以太网数据包长度一样
OLT：Optical Line Terminal光线路终端。

在PON的统一管理方面，OLT 是主要的管理中心，实现网络管理的主要功能。

OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个1 Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM传输。

OLT作为整个网络/节点的核心和主导部分，完成ONU注册和管理、全网的同步和管理以及协议的转换、与上联网络之间的通信等功能；
ONU ：Optical Network Unit光网络单元。

放在用户侧，接入用户终端。

ONU 分为有源光网络单元和无源光网络单元。

一般把装有包括光接收机、上行光发射机、多个桥接放大器网络监控的设备叫做光节点。

ODN在网络中的定义为从OLT－ONU的线路部分，包括光缆、配线部分以及分光器（Splitter）全部为无源器件，是整个网络信号传输的载体。

ONU功能
1、选择接收OLT发送的广播数据；
2、响应OLT发出的测距及功率控制命令；并作相应的调整；
3、对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。

ODN是基于PON设备的FTTH光缆网络。

其作用是为OLT和ONU之间提供光传输通道。

OND是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。

EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1550nm，）
LLID －逻辑链路标识EPON采用的授权实体为LLID，并且一个ONU只有一个LLID，所以也可以说授权实体是单个ONU；授权实体－有权分配授权的时间间隙，可以是单个ONU，也可以对应于特定的服务或者设备
EPON的物理层（RS子层、PCS子层、PMA子层、PDM子层）EPON物理层通过GMII 接口与RS层相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。

物理层的主要功能是将数据编成合适的线路码；完成数据的前向纠错；将数据通过光电、电光转换完成数据的收发。

整个EPON物理层由如下几个子层构成：
物理编码子层(PCS) 前向纠错子层(FEC)
物理媒体附属子层(PMA)物理媒体依赖子层(PMD)
OAM层：使用OAM协议数据单元，管理、测试和诊断已激活OAM功能的链路；多点MAC控制：使用MPCP（多点控制协议），实现点对多点的MAC控制；MAC：实现对Media的控制；
RS：调和多种数据链路层能够使用统一的物理层接口；
PCS：支持在点对多点物理介质中的突发模式＋支持FEC算法；
FEC：使用二进制运算（例如Galois算法），附加一定的纠错码用于在接收端进行数据校验和纠错；
PMA：支持P2MP功能，实现PMD的扩展；
PMD：PMD（使用1000BASE-PX 接口）实现PMD服务接口和MDI接口之间的数据收发功能。

同千兆以太网的物理层相比，唯一不同的是EPON的物理层多了一个前向纠错子层（FEC），其它各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。

前向纠错子层完成前向纠错的功能。

这个子层是一个可选的子层，它处在物理编码子层和物理媒体附属子层中间。

它的存在引入使我们在选择激光器、分光器的分路比、接入网的最大传输距离时有了更大的自由。

从宏观上讲，除了FEC层和PMD层以外，各子层基本上可以同千兆以太网兼容
数据链路层的关键技术主要包括：上行信道采用时分多址接入技术（TDMA），分时隙给各个ONU传输上行数据流。

来自各个ONU的多种业务信息根据各自分配到的时隙，互不干扰地通过ODN无源分光器耦合到同一根光纤，最后送到OLT接收头端。

OLT每一个端口（PON口）下面所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能在OLT给它分配的特定允许时隙传输数据，通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行数据不会互相干扰。

EPON具备一系列比如有效的带宽控制、优先权处理、点对多点等优越的特性。

在传输机制上，通过MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，通过在MAC层中实现802.1p来提供 QOS确保服务质量。

下行信道采用广播方式，数据从OLT到多个ONU根据不同的时间片段以广播式下行（TDM时分复用技术），通过ODN中的1：N（一般是1：32）无源分光器，分配给PON上所有ONU光网络单元。

当OLT启动后，它会周期性地在各端口上广播允许接入的时隙允许接入信息，ONU上电后根据允许接入信息，发起注册请求，实现OLT对ONU的认证，允许请求注册的合法的ONU接入，并给ONU分配一个唯一的逻辑链路标识（LLID），当数据信号到达该ONU 时，ONU根据LLID在物理层上做出判断，接收给它的数据帧，摒弃不是给自己的数据帧。

带宽分配和时延控制可以由高层协议完成，因而上行信道的MPCP便成为EPON的MAC层技术的核心。

目前的802.3ah标准确定在EPON的MAC层中增加MPCP子层。

EPON的标准是IEEE802.3ah，该标准中将以太网和PON技术相结合，在无源光网络体系架构的基础上，定义了一种新的、应用于EPON系统的物理层(主要是光接口)规范和扩展的以太网数据链路层协议，以实现在点到多点的PON中以太网帧的TDM接入。

此外，EPON还定义了一种运行、维护和管理(OAM)机制，以实现必要的运行管理和维护功能。

Epon标准的内容：
在以太网架构中实现P2MP拓扑结构的机制和控制协议
多点MAC控制实现在不同的ONU中分配上行资源、在网络中发现和注册ONU、允许DBA调度
RS子层为EPON扩展了字节定义
PMD子层定义了EPON兼容器件的指标
OAM定义了EPON各种告警事件和控制处理
多点MAC控制——多点MAC控制的实现目标MPCP便成为EPON的MAC层技术的核心
支持P2PE这种特例
OLT支持多个LLID和MAC客户端
ONU支持单个LLID
支持单拷贝广播机制
允许动态带宽分配的灵活架构
使用32位时间戳
使用基于MAC控制的结构
对发现的设备进行测距以改进网络性能
用持续测距的方式实现对RTT补偿
多点MAC控制——在IEEE802.3中的层次
代替了MAC控制子层的位置，位于DLL的底层，支持多个客户和其他的MAC控制功能
通过特定的协议实现实时控制多个MAC的机制，并实现对MAC子层的操作MPCP是一种管理P2MP 的协议。

目前还没有制定管理P2MP的标准
多个MAC共用一个物理层。

每一个独立的MAC给OLT和ONU提供P2PE,附加的一个MAC提供SCB功能
ONU的RS层完成了帧过滤，所以只要一个MAC
EPON终端在注册过程中分配的LLID唯一标识了MAC
补偿因ONU距离不同而产生的时延差异：RTT（Round Trip Time）
在注册过程中，ONU对新加入的ONU启动测距过程
OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间
OLT也可以在任何收到MPCP PDU的时候启动测距功能。

测距精度>3.2米
使用注册冲突避让：
在EPON系统中，解决ONU的注册冲突的方案有两种：随机延迟时间法和随机跳过开窗法。

DBA的概述（1）
作用：
根据ONU/ONT上行突发流量需要，通过在ONU/ONT之间动态调整带宽提高了PON 上行带宽的有效性。

意义：
采用传统的静态带宽分配，一般的信道利用率只有40%左右；而采用动态带宽分配后，信道利用率可以达到80%
因为有更有效的带宽可用，网络管理者可以在PON中增加更多用户
用户可以享受更好的服务，比如可以更好的运行那些具有上行突发的业务
两种实现方法：
空闲信元调整（NSR）：OLT监视被每个ONU/ONT使用的带宽，如果使用带宽不超过预先SLA，则分配额外带宽给此ONU/ONT （通过Gate消息）；如果使用带宽超过预先SLA，则短期内不下发Gate消息，抑制其带宽。

缓存状态报告（SR)： ONU/ONT上报它们缓存状态，OLT根据ONU/ONT的报告重新分配带宽
目前EPON缺省使用SR方式，SR方式支持不同类型业务的能力更好，带宽利用
率更高，但实现较为复杂。

DBA对用户提供SLA定义，实现用户带宽调整：
最小保证带宽（MIN）
最大带宽（MAX）
服务优先级（Clase）
请求服务时延（DELAY）
CBR（constant-bit-rate）服务（类似TDM）
MODE:标记是P2P模式还是广播模式；
LLID：逻辑链路标记，max num＝32767；
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；长度类型：MPCPDU都进行类型编码，并且承载MAC_Control_Type域值；
操作码：操作码指示所封装的特定MPCPDU；
时间戳：在MPCPDU发送时刻，时间戳域传递本地时间寄存器中的内容；
数据域：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。

OUN自动加入过程
1. OLT每隔1s向系统各个ONU广播发送目的地址为广播LLID（全零）的注册授权，并根据系统内距离最远的ONU确定开窗大小（例如：10 km为150μs；20 km 为250μs；30km为 350μs）. 注册授权的发送是否被激活由网管决定，当网管允许新ONU加入时，向OLT发出使能信息，OLT收到网管发出的使能信息后，就可以周期性地发送注册授权.该周期内的剩余带宽将由在线的ONU平均分配.OLT发送注册开窗后，等待ONU的应答，一旦发现有ONU应答则自动运行ONU 加入的各个步骤；如果没有应答，那么1 s后重新发送注册授权.当OLT收到网管的停止加入的信息后，就停止发送注册授权.
2. 新的ONU收到注册授权后，在开窗分配的时间内向OLT发送注册请求帧，并等待接收OLT 发送的注册帧.如果ONU在发送注册请求帧后100 ms（系统可配置）内还没有收到OLT发出的注册帧，则认为注册冲突，自动延迟一定时间（1～8 s，系统可配置）后，等待OLT新的注册授权开窗.
3. OLT接收到ONU发出的注册请求帧后，由系统软件为该ONU分配ONU ID，然后以广播LLID 向该ONU发送注册帧，目的MAC地址指向该ONU.需要考虑的是当有多个ONU正好同时需要加入系统时，自动加入流程如何处理.此时可能有多个ONU收到OLT发出的注册授权，并都在开窗给定的时间内向OLT发送注册请求帧.当OLT在同一个注册开窗内收到多个ONU的没有混叠的注册请求帧时，OLT 不作任何处理.只有OLT在同一个注册开窗内只收到唯一一个注册请求帧时，OLT才对此注册请求帧进行处理.
4. 在发送了注册帧后，OLT为注册确认帧发送注册确认帧授权（带宽授权），并等待该ONU 发出的注册确认帧，该授权在OLT认为ONU注册失败前始终有效.如果OLT在发出注册确认帧授权后50 ms内没有收到该ONU发出的注册确认帧，那么OLT认为该ONU注册失败，向该ONU发送要求其重新注册的信息.
5. 新ONU收到注册帧后,用新分配的ONU ID覆盖原来的ONU ID，同时等待OLT 的注册确认帧授权以发送注册确认帧，通知OLT新ONU ID刷新成功，同时等待最小带宽授权.如果ONU在发送了注册确认帧后，100 ms内还没有收到OLT发出的最小带宽授权，那么ONU认为自己注册失败，ONU ID自动复位，重新等待
注册授权.
6. OLT在发送注册确认帧授权后的50 ms（系统可配置）内收到ONU的注册确认帧，那么OLT 认为该ONU刷新ONU ID完成，该ONU注册成功，否则认为ONU注册失败.
测距技术的引入：
PON的上行方向是个多点－点网络。

PON中光配线网（ODN，Optical Distributed Network）部分为共享光纤媒质，上行通道采用TDMA方式进行多个ONU的上行接入；因为交换局（Central Office）和每个网络单元的距离是各不相同的，如果每个单元将在他自己的时隙发送，由于传输延时的不同，在来自不同网络单元的光纤的连接点就会出现数据冲突。

如下图所示
为确保每一个 ONU的上行信元在 OLT复用时能够插入指定的时隙且彼此不发生碰撞，OLT需要一套功能，测量每一ONU和OLT之间的距离（即延时），并指挥每个ONU调整发送时间，以确保该 ONU的上行信元在OLT规定的时刻到达使之不致相互冲突。

如图2所示。

通过这个机制能通过把所有ONU都调整到和OLT
相同的逻辑距离处的方法来实现。

这种测量ONU的距离，然后把每个ONU都调整到OLT的相同“虚”距离处的过程就称为测距（Ranging）。

开窗测距法
当有ONU需要测距时，OLT发出指令使所有运行中的ONU在某段时间内暂停上行业务，相当于在上行时隙内打开一个测距窗口；同时命令需测距的ONU向上发送一个特别的信元。

OLT记录从发出命令到收到ONU的响应信元的延时，即可得到此ONU的环路延时值Tloop。

这种方法的好处是利用成熟的数字技术，实现简单、精度高、成本低。

缺点是测距占用上行带宽。