一 PON基礎知識
1.1 PON技術概念
PON(Passive Optical Network)即無源光網絡，一種基於點到多點(P2MP)拓朴的技術。“無源”指ODN(光分配網絡)不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器Splitter等無源器件組成，不需要貴重的有源電子設備。
目前的PON技術分為以下幾種：
- APON：ATM PON，基於ATM的無源光接入技術。上世紀90年代中期由ITU和FSAN提出並標准化，由於容易被用戶認為只能提供ATM業務，2001年被改稱BPON.遵循ITU-T G.983系列標准。
- EPON：Ether PON，基於以太網的無源光接入技術。2000年11月成立IEEE研究小組(即后來的EFM工作組)，2004年4月工作組形成IEEE 802.3ah系列標准。現統稱為IEEE 802.3-2005。
- GPON：Gigabit(千兆) PON，基於ATM/GEM的無源光接入技術。FSAN在2001年初提出，ITU和FSAN進行標准化，遵循ITU-T G.984系列標准。
- WDM-PON：基於波分復用的無源光接入技術，尚無統一標准。
PON技術的特點
PON是一種接入網技術，定位在常說的“最后一公里”，即在服務提供商、電信局端和商業用戶或家庭用戶之間的解決方案。
PON網絡的突出優點是消除了戶外的有源設備，所有的信號處理功能均在交換機和用戶宅內設備完成。而且這種接入方式的前期投資小，大部分資金可以等到用戶真正接入時才投入。它的傳輸距離比有源光纖接入系統的短，覆蓋的范圍較小，但它造價低，無需另設機房，維護容易。因此這種結構可以經濟地為居家用戶服務。
優點：
1) 多業務：PON系統要求提供語音，數據，視頻等業務接入，業務透明性好，實現真正意義的全業務接入與“三網合一” 。
2) 高帶寬：EPON目前可以提供上下行對稱的1.25Gb/s的帶寬，並且隨着以太技術的發展可以升級到10Gb/s。GPON則是高達2.5Gb/s的帶寬。
3) 長距離接入：光纖的傳輸距離高達數百公里，所以實際上物理傳輸層的距離瓶頸在收發光信號的設備光器件上，目前PON標准規定距離為20km，這樣的長度對社區網絡來說已是綽綽有余；
4) 成本相對低：由於PON系統的ODN部分沒有電子部件，無需電源供應，因此容易鋪設，基本不用維護，建設維護成本低。設備相對簡單，系統對局端資源占用很少，系統初期投入低，擴展容易，投資回報率高。
5) 擴展性好：目前PON網絡一般采用樹型網絡結構，作為一種點到多點網絡，以一種扇出的結構既節省光纖的資源，同時這種共享帶寬的網絡結構能夠提供靈活的帶寬分配。對終端的接入無需增加主干部分的線路，另外，系統在設計增加了動態測距和分配時隙的技術，終端的增加和拆除不影響整個系統的穩定運行，所以，當系統需要擴充時，所需改動的部分最小，為工程實施提供了靈活的解決方案。
6) 良好的QoS保證；PON系統設計中，由於本身就是為電信運營商提供多業務接入而設計的技術方案， G/EPON系統對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。在不同業務的服務質量、優先級保證等技術措施上，提供了多種應用解決手段，實現用戶級的SLA，因此，用戶可根據接入的設備重要性的不同，分別設置不同的服務等級，對重要的用戶或重要的應用設備，設置及時、可靠的響應機制，從而實現了多業務、不同服務等級的綜合接入系統。
7) 無源光網絡是純介質網絡，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，極適合在自然條件惡劣的地區使用。
缺點：
1) 建網需要重新布線，但布線成本低於銅纜。
2) 網絡拓朴以星樹形為主。雖然有環形保護的變通方案，但成本效率不是最優，PON最適合的就是末端接入。
3) 國內應用規模尚小，設備成本降低尚未到位。
1.2 PON系統模型
以EPON(以太網無源光網絡)系統為例。
EPON就是將信息封裝成以太網幀進行傳輸的PON。由於以太網相關器件價格相對低廉，並且對於在通信業務量中所占比例越來越大的以太網承載的數據業務而言，EPON免去了IP數據傳輸的協議和格式轉化，效率高，傳輸速率達1.25 Gbit/s，且有進一步升級的空間，因此EPON受到了普遍關注。
EPON是一種采用點到多點結構的單纖雙向光接入網絡，其典型拓撲結構為樹型。
EPON系統由局側的OLT(光線路終端)、用戶側的光網絡單元ONU/ONT(光網絡單元/終端)和ODN (光分配網絡)組成，為單纖雙向系統。在下行方向(OLT到ONU，廣播)，OLT發送的信號通過ODN到達各個ONU。在上行方向(ONU到OLT，點到點)，ONU發送的信號只會到達OLT，而不會到達其他ONU。為了避免數據沖突並提高網絡利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式並對各ONU的數據發送進行仲裁。ODN也指POS(Passive Optical Splitter)，由光纖和一個或多個無源光分路器等無源光器件組成，在OLT和ONU間提供光通道。
一般而言，OLT位於網絡側，放在中心局端(CentralOffice，CO)，多為以太網絡交換機或媒體轉換器平台，提供網絡集中和接入，能完成光/電轉換、帶寬分配和控制各信道的連接，並有實時監控、管理及維護功能；ONU位於用戶側(如路邊、建築物或用戶住處)，采用以太網協議，實現以太網第二層第三層交換功能。
PON系統參考結構如下圖所示。
圖1.1 PON系統參考結構
PON系統構成如下：
圖1.2 PON的網絡位置
1.3 PON工作原理
基本思想：在一定的物理限制和帶寬限制條件下，讓盡可能多的終端設備ONT來共享局端設備OLT和饋送光纖。
工作原理：OLT將送達各個ONU的下行業務組裝成幀，以廣播的方式發給多個ONU，即通過光分路器分為N路獨立的信號，每路信號都含有發給所有特定ONU的幀，各個ONU只提取發給自己的幀，將其它ONU的幀丟棄；上行方向從各個ONU到OLT的上行數據通過時分多址(TDMA)方式共享信道進行傳輸，OLT為每個ONU都分配一個傳輸時隙。這些時隙是同步的，因此當數據包耦合到一根光纖中時，不同ONU的數據包之間不會產生碰撞。
仍以EPON系統為例。
EPON下行串行傳輸原理圖如下：
圖1.3 PON工作原理—下行廣播
對應於N個ONU，OLT有N個MAC端口(接口)。在下行方向，OLT為每個已注冊成功的ONU分配一個唯一的鏈路ID(LLID)。EPON下行幀由一個被分成固定長度幀的連續信息流組成，每幀攜帶多個可變長度的數據包(時隙)。OLT在幀中插入發出該幀的MAC端口的LLID，並將數據以可變長度的數據包廣播傳送給所有在EPON上與OLT相連的ONU。數據到達ONU時，由ONU的MAC層進行地址解析，提取出符合自己的LLID的數據包，丟棄其他的數據包。注意，每個ONU只能在預先分配的時隙內接入並取出屬於自己的信息。
EPON上行串行傳輸原理圖如下：
圖1.4 PON工作原理—上行TDMA
上行方向采用時分方式共享系統，通過接入控制機制將各個ONU有序接入。如圖2.4所示，將上行傳輸時間分為若干時隙，OLT在每個時隙只安排一個ONU發送信息。各ONU在每個傳送幀的前導碼中插入分配的LLID，並按OLT規定的時間順序依次向OLT發送，多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳送到OLT。這樣，各ONU的數據包(包含1個或多個以太幀)匯合到公共光纖時，就不會發生互相碰撞。OLT接收數據時比較LLID注冊列表，基於特定的LLID將幀解碼到合適的MAC端口。
1.4 FTTx業務模型
EPON系統可能承載的業務類型包括以太網/IP業務、語音業務、TDM業務和CATV業務等，其中TDM業務為E1電路仿真業務。EPON系統應具有承載以太網/IP業務的能力，可選支持語音業務、TDM業務和CATV業務。
EPON ONU設備的應用場景主要有以下五種類型：
1) SFU(單住戶單元)型ONU
主要用於單獨家庭用戶，僅支持寬帶接入終端功能，具有1或4個以太網接口，提供以太網/IP業務，可以支持VoIP業務(內置IAD)或CATV業務，主要應用於FTTH的場合(可與家庭網關配合使用，以提供更強的業務能力)。
2) HGU(家庭網關單元)型ONU
主要用於單獨家庭用戶，具有家庭網關功能，相當於帶EPON上聯接口的家庭網關，具有4個以太網接口、1個WLAN接口和至少1個USB接口，提供以太網/IP業務，可以支持VoIP業務(內置IAD)或CATV業務，支持TR-069遠程管理。主要應用於FTTH的場合。
3) MDU(多住戶單元)型ONU
主要用於多個住宅用戶，具有寬帶接入終端功能，具有至少8個用戶側接口(包括以太網接口、ADSL2+接口或VDSL2接口)，提供以太網/IP業務、可以支持VoIP業務(內置IAD)或CATV業務，主要應用於FTTB/FTTC/FTTCab的場合。
4) SBU(單商戶單元)型ONU
主要用於單獨企業用戶和企業里的單個辦公室，支持寬帶接入終端功能，具有以太網接口和E1接口，提供以太網/IP業務和TDM業務，可選支持VoIP業務。主要應用於FTTO的場合。
5) MTU(多商戶單元)型ONU
主要用於多個企業用戶或同一個企業內的多個個人用戶，具有寬帶接入終端功能，具有多個以太網接口(至少8個)、E1接口和POTS接口，提供以太網/IP業務、TDM業務和VoIP業務(內置IAD)，主要應用於FTTB/FTTBiz的場合。
按照ONU在接入網中所處的位置不同，EPON系統可以有幾種網絡應用類型：光纖到家庭用戶(FTTH)、光纖到公司/辦公室(FTTO)、光纖到樓宇/分線盒(FTTB/C)、光纖到交接箱(FTTCab)。
圖1.5 FTTx接入網應用類型
- 光纖到家庭用戶FTTH
僅利用光纖傳輸媒質連接通信局端和家庭住宅的接入方式，引入光纖由單個家庭住宅獨享。
- 光纖到公司/辦公室FTTO
僅利用光纖傳輸媒質連接通信局端和公司或辦公室用戶的接入方式，引入光纖由單個公司或辦公室用戶獨享，ONU/ONT之后的設備或網絡由用戶管理。
- 光纖到樓宇/分線盒FTTB/C
以光纖替換用戶引入點之前的銅線電纜，ONU部署在傳統的分線盒(用戶引入點)即DP點(DP, Distribution Point分配點)ONU下采用其他介質接入用戶。
- 光纖到交接箱FTTCab
以光纖替換傳統饋線電纜，ONU部署在交接箱即FP點處，ONU下采用其他介質接入到用戶。
下圖形象地給出了FTTx業務模型。
圖1.6 FTTx業務模型
表1-1中進一步給出FTTx 業務能力的若干參數。
表1-1 FTTx 業務能力
|
|
FTTCab |
FTTB/C |
FTTO |
FTTH |
| 國內外常見應用模式名詞對應 |
FTTCabinet |
FTTBuilding/FTTCurb |
FTTOffice |
FTTHome |
| ONU容量 |
數百線 |
數十線 |
單企業/辦公室 |
單住戶 |
| OLT-ONU距離 |
5Km~100Km |
<20Km |
<20Km |
<20Km |
| ONU距用戶的典型距離 |
1～3Km |
300米以下 |
0～50米 |
0～20米 |
| 每用戶帶寬能力 |
2～25Mbps |
50/100Mbps |
100M～GE |
100M或以上 |
| ONU側用戶接口常用技術 |
POTS ADSL/ADSL2+ VDSL2 |
VDSL2/TDM FE POTS |
FE/GE TDM WLAN ATM |
FE POTS WLAN RF |
| ONU設備類型 |
ONU(通稱，此處特指數百線的) |
MDU/MTU |
SBU |
SFU |
二 EPON協議要求
2.1 EPON基本特征
- 遵循標准IEEE 802.3-2005 section 5.
- OLT與ONU之間信號傳輸基於IEEE 802.3以太網幀
- 傳輸線路速率下行/上行：1.25Gbit/s / 1.25Gbit/s
- 編碼方式為8B /10B碼
- 邏輯分光比1：32(1：64)
- 兩種物理層接口類型：1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分別支持10km傳輸和20km傳輸
- 以MAC控制子層的MPCP機制為基礎，MPCP通過消息、狀態機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結構
- P2P仿真子層是EPON/MPCP協議中的關鍵組件
2.2 EPON協議棧
下圖描述了EPON系統的協議分層及其與OSI參考模型之間的關系。
圖2.1 EPON協議分層和OSI參考模型間的關系
EPON數據鏈路層：控制物理傳輸媒質的訪問，包括LLC、OAM(可選)、MAC Control(可選)和MAC四個子層。
EPON物理層(PHY)：通過GMII接口與RS層相連，為MAC層傳送可靠數據。物理層定義了PCS、PMA和PMD三個子層。其中，PCS將GMII發送的數據進行編碼/解碼，使之適合在物理媒體上傳送；PMA生成並接收線路上的信號；PMD提供與傳輸介質的物理連接。
從圖中可以看出，EPON協議分層與傳統的千兆以太網分層結構相比，物理層定義幾乎相同(主要改動是增加功率控制功能)，主要的區別是在擴展了三個子層：MAC控制子層、RS子層及OAM子層。多點接入子層用於支持上行和下行鏈路的多點接入；仿真子層將一點對多點的通信等效為傳統以太網的對等實體的通信(P2P)；安全子層主要用於下行鏈路的MAC幀加密(仿真子層和安全子層在MAC層下)。仿真子層對以太網幀貼上每個ONU所特有的標簽，這些標簽稱為“鏈路ID”，加在每個幀的前導碼里。在EPON內，MAC被它們的LLID所唯一地標識。為保證鏈路ID的唯一性，在初始化注冊階段，OLT為每個ONU分配一個或多個標簽。
在MAC Control層增加了MPCP子層作為EPON的控制層，MAC層不做改變。MPCP子層使用了MAC控制子層的工作機制和一些定義，支持多個MAC Client和EPON特定的MAC控制功能。MPCP子層還擴展了MAC控制的機制，使其可以同時控制下面的多個MAC層。非實時的、靜態(如MAC操作參數的配置)的控制可以由層管理來完成。針對EPON，PMD層也會有一定的改變。所有的層仍然使用標准接口。
在接收方向，MAC子層將上層通信發送的數據封裝為以太網幀，並決定數據的排列、發送和接收方式。MPCP則將從MAC轉發過來的幀中的前導碼中的LLID去掉，並進行分析，將數據幀轉發到相應的MAC Client，將控制幀轉發到相應的處理進程。在發送方向，從Client來的數據幀和從各處理進程來的控制幀將向MPCP中的復接控制功能塊發出請求。如果被允許，則將控制幀加上LLID，打上時間戳，和數據幀一起發送到MAC層。
EPON系統中OAM子層的功能包括遠端故障顯示(通過本端、本地設備的接收回路有故障)、遠端回環測試、鏈路檢測和允許用戶擴展以使上層更方便的管理。OAM給網管提供了一套網絡健壯性監測、鏈路錯誤定位及出錯狀況分析的方法。OAM消息在慢協議幀(即OAMPDU)中傳遞。OAMPDU包含一定的鏈路中用來監控、測試和錯誤查找的控制和狀態信息。OAM子層解析接收幀，並把OAMPDU發送到OAM客戶端。OAMPDU在對等的OAM實體(客戶端或子層)之間通過一條單一的鏈路進行傳輸，因此不會被MAC客戶機(如橋接器或交換機)轉發。