EPON——基于以太网的无源光网络

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EPON——基于以太网的无源光网络
　　 Ethernet PON（Ethernet over PON， EPON）,即利用PON（无源光网络）的拓扑结构实现以太网的接入。EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM时分MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。由IEEE802.3 EFM（Ethernet for the First Mile）工作组提出，目前EPON的标准正处于完善阶段。

　　 EPON的优势：
与现有以太网的兼容性：以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802.3协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。考虑到以太网的市场优势，EPON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。


高带宽：根据目前的讨论，EPON的下行信道为百兆/千兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆/千兆信道。这比目前的接入方式，如CableModem、ADSL甚至ATM PON（下行622/155Mbps，上行共享155Mbps）都要高得多。


低成本：首先，由于采用PON的结构，EPON网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护的成本。其次，以太网本身的价格优势，如低价的器件和安装维护使EPON具有ATM PON所无法比拟的低成本。

　　 EPON的网络结构及工作原理：
　　 EPON主要分成三部分，即OLT（Optical Line Termination）、ODN（Optical Distribution Network）和ONU／ONT（optical network unit/ optical network Termination）组成。其中OLT位于局端，实现以下功能：向ONU以广播方式发送以太网数据；发起并控制测距过程，并记录测距信息；发起并控制ONU功率控制；为ONU分配带宽，即控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小。ONU位于用户端，可以是路边、小区、住宅楼，或者是家中、办公室中，其功能为：选择接收OLT发送的广播数据； 响应OLT发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整； 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。
　　 其网络结构与APON相似，EPON与APON的关键区别在于传输数据的帧结构的不同。EPON帧格式基本与IEEE 802.3的以太数据帧格式兼容，只在以太帧中加入时标及识别等信息。
　　 Ethernet PON数据是通过不定长的数据包传输，Ethernet PON数据包长度依照IEEE 802.3以太网协议，最长可达1518字节，而ATM协议规定的数据包长度为固定长度53字节，其中48字节信息段，5字节信头。定长的ATM PON传输IP业务比较困难，效率也低。IP数据分段为不同长度的数据包，最高为65535字节。用ATM PON传输IP业务必须将IP包拆为48字节的段，在每段前面加上5字节的信头。这个复杂过程会造成时延，而OLT和ONU也会增加额外的成本。另外，每48字节的数据段就消耗掉5字节的信头带宽，而以太网是专为IP业务开发的，相对于ATM来说可以节省巨大的信头开销。
　　 图4为EPON下行传输的不定长的数据包。下行数据流被分割成具有固定长度的帧，每帧含有多个不同长度的数据包。时钟信息以同步标记的形式存在于每一帧的开始处。每隔一定的时间（与上行传输的帧的长度有关）传输一次同步标记以使ONU与OLT同步。
每个可变长度的数据包被赋予某个ONU的地址，用1，2，3…N表示ONU的序号。数据包由可变长度的净荷、信头和错误校验区组成。
　　 图5描述的是EPON的上行传输的数据流。上行传输的数据流被分成有固定长度的帧，每帧又被分成指定给各个ONU的时隙,每个时隙可包含几个变长的数据包。每帧的开始处含有帧的标识。
上行传输的每一帧中都赋予每个ONU以相应的时隙，用ONU的序号1，2，3…N表示。每个时隙中包含变长的数据包和时隙开销，时隙开销主要包括保护带宽，时间标识及信号功率标识等。如在指定的时隙中ONU没有数据上传，则以填充位填充。

　　在Ethernet PON中从OLT侧发到多个ONU的下行数据流的传输过程与从多个ONU发往OLT的上行数据流传输过程有本质的区别。
　　下行数据采用广播方式从OLT发给多个ONU。每个包携带的信头唯一地标识了数据所要到达的特定ONU。数据流通过分束器后分为多路独立的信号，每路信号都含有发给所有特定ONU的数据包。当ONU接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其他ONU的数据包丢弃。例如，在图6中ONU-1接收到了数据包1、2、3，但只将数据包1发送给终端用户。
　　上行数据流采用时分复用技术，参见图7。每个ONU都分配一个传输时隙。这些时隙是同步的，每个ONU在其被指定的时隙内发送数据，因此当数据包耦合到一根光纤中时，不同ONU的数据包之间不会产生干扰。例如，ONU-1在第1个时隙传输数据包1，ONU-2在第2个没有被占用的时隙传输数据包2，依此类推。







　　 EPON的物理层结构
　　 IEEE802.3 EFM（Ethernet for the First Mile）工作组定义了两套EPON物理层的结构：

最大传输距离10km，上下行传输速率1.25Gbps，分支比1：16，工作波长为上行1310nm/下行1490nm
最大传输距离20km，上下行传输速率1.25Gbps，分支比1：16，工作波长为上行1310nm/下行1490nm
　　 EPON的光学系统可采用2波长系统 (1310nm/1490nm),亦可采用3波长系统(1310nm/1490nm /1550nm)。2波长系统用来传播数据，话音及基于IP交换的数字视频信号；3波长系统中除了上述业务，增加的1550nm波段用来传播RF视频业务或未来通过DWDM技术使系统升级。

　　 EPON的QoS
　　 ATM网络能针对不同的应用提供各种服务，基于ATM技术的APON提供很好的QoS保证，对实时业务的支撑良好，但是缺点在于成本太高。
　　 在EPON系统中，因为网络端到端连接起始于OSI模型的第，基于以太网技术的EPON不能单独提供完善的端到端QoS保证。如果把IEEE802-1P和IEEE802-1Q引入EPON协议，则很容易在3位的IP优先级字段和IEEE802-1P 3位优先级字段进行映射。EPON协议与网络层协议互连就能提供端到端QoS保证。这是在一系列标准上实现的，包括资源预留协议（RSVP），IEEE802-1P和IEEE802.1Q以及专用链路层上的综合服务（ISSLL）。IETF提出了两种典型的体系结构模型：综合服务(IntServ)模型和区分服务(DiffServ)模型。综合服务结构控制颗粒度细，信令比较复杂，可扩展性能不太好。而区分服务模型利用IP的服务类型（ToS）字段将业务进行分类，使得对RSVP协议的使用仅局限在用户端，但区分服务只是实现了“域”内的QoS保证，还不是端到端QoS体系结构，QoS管理还有待进一步完善。
　　 因而EPON为实现QoS保证必须考虑采用何种服务模型，并提出公平高效的调度算法和灵活的分组丢弃策略。但随着MPLS(多协议标记交换)等新的QoS技术的采用，EPON已完全可能以相对较低的成本提供足够的QoS保证。

　　 EPON的未来
　　 Ethernet PON在2001年已实现初期应用。尽管ATM PON在市场上略微领先，但目前数据业务的快速增长和快速以太网、千兆比特以太网地位的提高，都有利于Ethernet PON的发展。目前IEEE802.3 EFM工作组开发的标准草案已经形成。
　　 可以预见，通信接入网领域将出现完全基于广泛使用的光纤和以太网技术的设备。这种基于以太网的光传输结构将会成为在单一网络中捆绑传输话音、数据和图像业务（即三网合一）的主要方式。同时，这一技术会产生新的合作和战略伙伴，内容提供商、业务提供商、网络运营商和设备制造商都将使用Ethernet PON这种前所未有的方式传输通信业务。

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