【H3C技术学习笔记】无源光网络PON技术

PON

PON：Passive Optical Network，无源光网络。它完美的解决了以太网传输距离短的问题，同时能以较少的投入和较高的可靠性来提供千兆级的带宽。
无源光网络使用单根光纤传输多用户的信号，无源分光器则用来分离不同用户的信号。无源表示从CO到用户侧的传输设备都不需要电源。

EPON: Ethernet over PON

组成结构

❶ OLT
一般放置在局端CO（中心局）侧，是整个PON系统的核心设备。
通常是一台以太网交换机、路由器或者多媒体转换平台。
提供多个1Gbps和10Gbps的PON接口，可以支持WDM传输。可以针对用户的QoS／SLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。

❷ ONU
用于连接用户侧的网络设备，通常放置在用户家里、楼道或者路边。
负责用户接入PON网络，实现光信号到电信号的转换。
一般提供1Gbps或100Mbps以太接口。

❸ POS
是一个连接OLT和ONU的无源设备，在OLT和ONU间提供光信号传输通道，分发下行数据到各个ONU，并将上行数据集中耦合到一根光纤上。
一般一个POS的分光比为8、16、32、64、128，并可以多级连接，可以灵活实现各种组网方式。

OLT和ONU之间的光纤网络通常被称为ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）。

特点

• 带宽高：PON技术在用户侧的ONU上动态分配带宽可以达到百兆级别。
• 覆盖范围广：PON的传输距离可以达到10～20km。
• 可靠性高：在PON网络中除了OLT和ONU，几乎没有有源器件，大大降低了故障发生的概率和维护成本。
• 节省资源：PON技术通过无源分光器进行点到多点P2MP，仅需要1条骨干光纤，N+1个光纤收发器即可，同时无需额外供电，大大节省了网络建设和维护的资源。

EPON关键技术

EPON的层次结构

802.3ah定义的EPON技术在802.3以太网的物理层，MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。
EPON物理层：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。
由物理编码子层(PCS)、前向纠错子层(FEC)、物理媒体附属子层(PMA)和物理媒体依赖子层(PMD)这几个子层构成。
前向纠错子层是一个可选子层，处于物理编码子层和物理媒体附属子层中间，完成前向纠错功能。前向纠错子层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。
PON的MAC层实体间是点到多点结构。802.3ah协议在EPON层次结构的数据链路层规定了多点MAC控制协议（MPCP，Multi-point MAC Control Protocol）来完成MAC control 子层的相关功能。MPCP使用消息、状态机、定时器来控制访问P2MP（点到多点）的拓扑结构。在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。

MPCP

在EPON系统中，按照单纤双向全双工的方式以点到多点的方式传送数据。当OLT通过光纤向各ONU广播时，为了对各ONU区别，保证只有发送请求的ONU能收到数据包，802.3ah标准引入了LLID（Logical Link ID，逻辑链路标志）的概念。
LLID是一个两字节的字段：

• Mode字段，1bit，表示为P2P模式还是Broadcast模式；
• LLID（逻辑链路标记），15bit，每个ONU由OLT分配一个网内独一无二的LLID号，它决定了哪个ONU有权接收广播的数据。

MPCP PDU的其他重要字段还包括操作码（Opcode）和时间戳（Timestamp）。
MPCP协议中定义了五种控制消息，由操作码字段标识，其含义如下：

• 0002：GATE（OLT发出）
• 0003：Report（ONU发出）
• 0004：Register_Req（ONU发出）
• 0005：Register（OLT发出）
• 0006：Register_Ac（ONU发出）

MPCP协议还定义了三种处理过程：
❶ Discovery Processing：OLT可以在网络中发现新的ONU设备，为成功注册的ONU分配LLID，并且将该ONU的MAC地址与相应的LLID绑定。
❷ Report Processing：OLT根据ONU的Report消息，了解ONU设备的带宽请求和实时状态，实现对各个ONU的带宽动态分配和实时状态的监控。
❸ Gate Processing：OLT控制ONU在某一时隙发送数据帧或控制帧，避免ONU因为共享上行信道发生数据传输冲突。

工作过程

EPON系统采用波分复用技术，利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光，实现单纤双向传输，最大可支持20km的传输距离。
EPON同时也是天然的广播网络。在EPON系统中，可以在光纤上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟CATV电视信号。如上图所示，在OLT端将可以通过合波器将有线电视信号叠加进EPON网络中传输，在用户端再通过分离器分离出来。
在EPON系统数据传输之前需要进行先ONU注册、扩展OAM连接建立和带宽分配。

ONU注册

ONU的注册过程采用四种MPCP消息：GATE、REGISTER_REQ、REGISTER和REGISTER_ACK，这四种消息中都包含有时间标签字段，用于记录报文发送时的本地时钟。其中，GATE消息有两种：

1. 普通GATE，以单播方式进行带宽分配；
2. 发现GATE，以广播方式进行ONU发现。

ONU注册过程如下：
第1步：OLT广播发送一个发现GATE，通告所有ONU发现时隙的开始时刻及其长度；
第2步：尚未注册的ONU响应发现GATE消息，修改本地时钟和GATE消息中所携带的时间标签一致。当ONU的本地时钟到达发现时隙的开始时刻，ONU将等待一个随机时延后发送REGISTER_REQ消息，REGISTER_REQ消息中包含有ONU的MAC地址和发送REGISTER_REQ消息时ONU本地的时钟标签；
第3步：当OLT收到一个未注册ONU的REGISTER_REQ消息后，将获得其MAC地址和往返时延（RTT，Round Trip Time）；往返时延主要用于ONU与OLT之间时间的同步。
第4步：OLT解析收到的REGISTER_REQ消息后，使用REGISTER_REQ消息中携带的MAC地址发送一个单播REGISTER消息到这个未注册的ONU。其中，REGISTER消息中包含有分配给该ONU的一个唯一的LLID（Logical Link ID，逻辑链路标志）用于标识身份；
第5步：紧随REGISTER消息，OLT还会发送一个普通GATE消息，给同一个ONU；
第6步：ONU收到REGISTER和普通GATE消息后，将在GATE消息中授权的时隙发送一个REGISTER_ACK消息，告知OLT已经成功解析了REGISTER消息。

扩展OAM连接

EPON的扩展OAM（Operation、Administration and Maintenance）功能使OLT具备了对ONU进行远程操作、管理和维护的能力。
扩展OAM连接的建立包括OAM能力发现、附加信息的交换等，其连接建立过程如下：

1. 标准OAM发现建立完成；
2. ONU上报所支持的OUI（Organizationally Unique Identifier）及扩展OAM版本号给OLT；
3. OLT确认该ONU上报的OUI及扩展OAM版本号是否在OLT所支持的OUI及扩展OAM版本号列表中。如果存在，该ONU的扩展OAM连接建立成功；如果不存在，该ONU扩展OAM连接建立失败。

带宽分配过程

带宽分配分为两种：静态带宽由打开的窗口尺寸决定；动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配

带宽分配主要涉及两种消息：

• GATE消息是从OLT发送到一个单独ONU的用于给这个ONU分配传输时隙的消息；
• REPORT消息是ONU用于把本地状况（如缓存占用量）传递给OLT的反馈机制，用于帮助OLT智能的分配时隙。

EPON的动态带宽分配（DBA，Dynamic Bandwidth Allocation）是一种基于轮询的带宽分配方案，带宽对于PON层面来说，就是多少个可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。而所谓的轮询是指网络中的多个ONU轮流通过REPORT消息实时地向OLT汇报当前的业务需求；而OLT则通过GATE消息，根据优先级和时延控制要求分配给ONU一个或多个时隙；各个ONU则在分配的时隙中按业务优先级算法轮流发送数据帧。过程如下：
第1步：在周期n-1中，ONU根据上一个周期分配的时隙发送REPORT消息给OLT，REPORT消息中包含ONU每个队列的数据流量情况。
第2步：在周期n中，DBA算法先对前一个周期中收集的信息进行处理，然后产生GATE消息，给每个ONU分配授权时隙。
第3步：在周期n+1中，ONU根据OLT分配的指定时隙进行数据传送（包括发送下一个周期的REPORT消息）。

数据传输过程

在EPON系统中，下行数据的传输在扩展OAM连接建立完成之后就可以开始。
数据从OLT到多个ONU下行时，采用时分复用技术将到多个ONU的数据复用到同一个光纤的不同时隙中。根据IEEE802.3ah协议，每一个数据帧头包含注册时分配给特定ONU的LLID，以区分不同的ONU。另外，部分数据帧可以标识为是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播）。当数据信号到达ONU时，ONU根据LLID，在物理层上进行判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它ONU的数据帧。
EPON上行采用TDMA技术。时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙以发送信号。就好比在任何时间只有一个人讲话，其他人轮流发言。在EPON应用中ONU利用不同的时隙传输上行数据到OLT，实现了上行信道资源的共享。
当ONU在注册成功后，OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态的给每一个ONU分配带宽（时隙）。在一个OLT端口下面，所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿，可以确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行包不会互相干扰。