一 PON基础知识
1.1 PON技术概念
PON(Passive Optical Network)即无源光网络，一种基于点到多点(P2MP)拓朴的技术。“无源”指ODN(光分配网络)不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器Splitter等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。
目前的PON技术分为以下几种：
- APON：ATM PON，基于ATM的无源光接入技术。上世纪90年代中期由ITU和FSAN提出并标准化，由于容易被用户认为只能提供ATM业务，2001年被改称BPON.遵循ITU-T G.983系列标准。
- EPON：Ether PON，基于以太网的无源光接入技术。2000年11月成立IEEE研究小组(即后来的EFM工作组)，2004年4月工作组形成IEEE 802.3ah系列标准。现统称为IEEE 802.3-2005。
- GPON：Gigabit(千兆) PON，基于ATM/GEM的无源光接入技术。FSAN在2001年初提出，ITU和FSAN进行标准化，遵循ITU-T G.984系列标准。
- WDM-PON：基于波分复用的无源光接入技术，尚无统一标准。
PON技术的特点
PON是一种接入网技术，定位在常说的“最后一公里”，即在服务提供商、电信局端和商业用户或家庭用户之间的解决方案。
PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金可以等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。
优点：
1) 多业务：PON系统要求提供语音，数据，视频等业务接入，业务透明性好，实现真正意义的全业务接入与“三网合一” 。
2) 高带宽：EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。
3) 长距离接入：光纤的传输距离高达数百公里，所以实际上物理传输层的距离瓶颈在收发光信号的设备光器件上，目前PON标准规定距离为20km，这样的长度对社区网络来说已是绰绰有余；
4) 成本相对低：由于PON系统的ODN部分没有电子部件，无需电源供应，因此容易铺设，基本不用维护，建设维护成本低。设备相对简单，系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。
5) 扩展性好：目前PON网络一般采用树型网络结构，作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构既节省光纤的资源，同时这种共享带宽的网络结构能够提供灵活的带宽分配。对终端的接入无需增加主*分的线路，另外，系统在设计增加了动态测距和分配时隙的技术，终端的增加和拆除不影响整个系统的稳定运行，所以，当系统需要扩充时，所需改动的部分最小，为工程实施提供了灵活的解决方案。
6) 良好的QoS保证；PON系统设计中，由于本身就是为电信运营商提供多业务接入而设计的技术方案， G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。在不同业务的服务质量、优先级保证等技术措施上，提供了多种应用解决手段，实现用户级的SLA，因此，用户可根据接入的设备重要性的不同，分别设置不同的服务等级，对重要的用户或重要的应用设备，设置及时、可靠的响应机制，从而实现了多业务、不同服务等级的综合接入系统。
7) 无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。
缺点：
1) 建网需要重新布线，但布线成本低于铜缆。
2) 网络拓朴以星树形为主。虽然有环形保护的变通方案，但成本效率不是最优，PON最适合的就是末端接入。
3) 国内应用规模尚小，设备成本降低尚未到位。
1.2 PON系统模型
以EPON(以太网无源光网络)系统为例。
EPON就是将信息封装成以太网帧进行传输的PON。由于以太网相关器件价格相对低廉，并且对于在通信业务量中所占比例越来越大的以太网承载的数据业务而言，EPON免去了IP数据传输的协议和格式转化，效率高，传输速率达1.25 Gbit/s，且有进一步升级的空间，因此EPON受到了普遍关注。
EPON是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型。
EPON系统由局侧的OLT(光线路终端)、用户侧的光网络单元ONU/ONT(光网络单元/终端)和ODN (光分配网络)组成，为单纤双向系统。在下行方向(OLT到ONU，广播)，OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。在上行方向(ONU到OLT，点到点)，ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁。ODN也指POS(Passive Optical Splitter)，由光纤和一个或多个无源光分路器等无源光器件组成，在OLT和ONU间提供光通道。
一般而言，OLT位于网络侧，放在中心局端(CentralOffice，CO)，多为以太网络交换机或媒体转换器平台，提供网络集中和接入，能完成光/电转换、带宽分配和控制各信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能；ONU位于用户侧(如路边、建筑物或用户住处)，采用以太网协议，实现以太网第二层第三层交换功能。
PON系统参考结构如下图所示。
图1.1 PON系统参考结构
PON系统构成如下：
图1.2 PON的网络位置
1.3 PON工作原理
基本思想：在一定的物理限制和带宽限制条件下，让尽可能多的终端设备ONT来共享局端设备OLT和馈送光纤。
工作原理：OLT将送达各个ONU的下行业务组装成帧，以广播的方式发给多个ONU，即通过光分路器分为N路独立的信号，每路信号都含有发给所有特定ONU的帧，各个ONU只提取发给自己的帧，将其它ONU的帧丢弃；上行方向从各个ONU到OLT的上行数据通过时分多址(TDMA)方式共享信道进行传输，OLT为每个ONU都分配一个传输时隙。这些时隙是同步的，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碰撞。
仍以EPON系统为例。
EPON下行串行传输原理图如下：
图1.3 PON工作原理—下行广播
对应于N个ONU，OLT有N个MAC端口(接口)。在下行方向，OLT为每个已注册成功的ONU分配一个唯一的链路ID(LLID)。EPON下行帧由一个被分成固定长度帧的连续信息流组成，每帧携带多个可变长度的数据包(时隙)。OLT在帧中插入发出该帧的MAC端口的LLID，并将数据以可变长度的数据包广播传送给所有在EPON上与OLT相连的ONU。数据到达ONU时，由ONU的MAC层进行地址解析，提取出符合自己的LLID的数据包，丢弃其他的数据包。注意，每个ONU只能在预先分配的时隙内接入并取出属于自己的信息。
EPON上行串行传输原理图如下：
图1.4 PON工作原理—上行TDMA
上行方向采用时分方式共享系统，通过接入控制机制将各个ONU有序接入。如图2.4所示，将上行传输时间分为若干时隙，OLT在每个时隙只安排一个ONU发送信息。各ONU在每个传送帧的前导码中插入分配的LLID，并按OLT规定的时间顺序依次向OLT发送，多个ONU的上行信息组成一个TDM信息流传送到OLT。这样，各ONU的数据包(包含1个或多个以太帧)汇合到公共光纤时，就不会发生互相碰撞。OLT接收数据时比较LLID注册列表，基于特定的LLID将帧解码到合适的MAC端口。
1.4 FTTx业务模型
EPON系统可能承载的业务类型包括以太网/IP业务、语音业务、TDM业务和CATV业务等，其中TDM业务为E1电路仿真业务。EPON系统应具有承载以太网/IP业务的能力，可选支持语音业务、TDM业务和CATV业务。
EPON ONU设备的应用场景主要有以下五种类型：
1) SFU(单住户单元)型ONU
主要用于单独家庭用户，仅支持宽带接入终端功能，具有1或4个以太网接口，提供以太网/IP业务，可以支持VoIP业务(内置IAD)或CATV业务，主要应用于FTTH的场合(可与家庭网关配合使用，以提供更强的业务能力)。
2) HGU(家庭网关单元)型ONU
主要用于单独家庭用户，具有家庭网关功能，相当于带EPON上联接口的家庭网关，具有4个以太网接口、1个WLAN接口和至少1个USB接口，提供以太网/IP业务，可以支持VoIP业务(内置IAD)或CATV业务，支持TR-069远程管理。主要应用于FTTH的场合。
3) MDU(多住户单元)型ONU
主要用于多个住宅用户，具有宽带接入终端功能，具有至少8个用户侧接口(包括以太网接口、ADSL2+接口或VDSL2接口)，提供以太网/IP业务、可以支持VoIP业务(内置IAD)或CATV业务，主要应用于FTTB/FTTC/FTTCab的场合。
4) SBU(单商户单元)型ONU
主要用于单独企业用户和企业里的单个办公室，支持宽带接入终端功能，具有以太网接口和E1接口，提供以太网/IP业务和TDM业务，可选支持VoIP业务。主要应用于FTTO的场合。
5) MTU(多商户单元)型ONU
主要用于多个企业用户或同一个企业内的多个个人用户，具有宽带接入终端功能，具有多个以太网接口(至少8个)、E1接口和POTS接口，提供以太网/IP业务、TDM业务和VoIP业务(内置IAD)，主要应用于FTTB/FTTBiz的场合。
按照ONU在接入网中所处的位置不同，EPON系统可以有几种网络应用类型：光纤到家庭用户(FTTH)、光纤到公司/办公室(FTTO)、光纤到楼宇/分线盒(FTTB/C)、光纤到交接箱(FTTCab)。
图1.5 FTTx接入网应用类型
- 光纤到家庭用户FTTH
仅利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅的接入方式，引入光纤由单个家庭住宅独享。
- 光纤到公司/办公室FTTO
仅利用光纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户的接入方式，引入光纤由单个公司或办公室用户独享，ONU/ONT之后的设备或网络由用户管理。
- 光纤到楼宇/分线盒FTTB/C
以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆，ONU部署在传统的分线盒(用户引入点)即DP点(DP, Distribution Point分配点)ONU下采用其他介质接入用户。
- 光纤到交接箱FTTCab
以光纤替换传统馈线电缆，ONU部署在交接箱即FP点处，ONU下采用其他介质接入到用户。
下图形象地给出了FTTx业务模型。
图1.6 FTTx业务模型
表1-1中进一步给出FTTx 业务能力的若干参数。
表1-1 FTTx 业务能力
|
|
FTTCab |
FTTB/C |
FTTO |
FTTH |
|
国内外常见应用模式名词对应 |
FTTCabinet |
FTTBuilding/FTTCurb |
FTTOffice |
FTTHome |
|
ONU容量 |
数百线 |
数十线 |
单企业/办公室 |
单住户 |
|
OLT-ONU距离 |
5Km~100Km |
<20Km |
<20Km |
<20Km |
|
ONU距用户的典型距离 |
1～3Km |
300米以下 |
0～50米 |
0～20米 |
|
每用户带宽能力 |
2～25Mbps |
50/100Mbps |
100M～GE |
100M或以上 |
|
ONU侧用户接口常用技术 |
POTS ADSL/ADSL2+ VDSL2 |
VDSL2/TDM FE POTS |
FE/GE TDM WLAN ATM |
FE POTS WLAN RF |
|
ONU设备类型 |
ONU(通称，此处特指数百线的) |
MDU/MTU |
SBU |
SFU |
二 EPON协议要求
2.1 EPON基本特征
- 遵循标准IEEE 802.3-2005 section 5.
- OLT与ONU之间信号传输基于IEEE 802.3以太网帧
- 传输线路速率下行/上行：1.25Gbit/s / 1.25Gbit/s
- 编码方式为8B /10B码
- 逻辑分光比1：32(1：64)
- 两种物理层接口类型：1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分别支持10km传输和20km传输
- 以MAC控制子层的MPCP机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构
- P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件
2.2 EPON协议栈
下图描述了EPON系统的协议分层及其与OSI参考模型之间的关系。
图2.1 EPON协议分层和OSI参考模型间的关系
EPON数据链路层：控制物理传输媒质的访问，包括LLC、OAM(可选)、MAC Control(可选)和MAC四个子层。
EPON物理层(PHY)：通过GMII接口与RS层相连，为MAC层传送可靠数据。物理层定义了PCS、PMA和PMD三个子层。其中，PCS将GMII发送的数据进行编码/解码，使之适合在物理媒体上传送；PMA生成并接收线路上的信号；PMD提供与传输介质的物理连接。
从图中可以看出，EPON协议分层与传统的千兆以太网分层结构相比，物理层定义几乎相同(主要改动是增加功率控制功能)，主要的区别是在扩展了三个子层：MAC控制子层、RS子层及OAM子层。多点接入子层用于支持上行和下行链路的多点接入；仿真子层将一点对多点的通信等效为传统以太网的对等实体的通信(P2P)；安全子层主要用于下行链路的MAC帧加密(仿真子层和安全子层在MAC层下)。仿真子层对以太网帧贴上每个ONU所特有的标签，这些标签称为“链路ID”，加在每个帧的前导码里。在EPON内，MAC被它们的LLID所唯一地标识。为保证链路ID的唯一性，在初始化注册阶段，OLT为每个ONU分配一个或多个标签。
在MAC Control层增加了MPCP子层作为EPON的控制层，MAC层不做改变。MPCP子层使用了MAC控制子层的工作机制和一些定义，支持多个MAC Client和EPON特定的MAC控制功能。MPCP子层还扩展了MAC控制的机制，使其可以同时控制下面的多个MAC层。非实时的、静态(如MAC操作参数的配置)的控制可以由层管理来完成。针对EPON，PMD层也会有一定的改变。所有的层仍然使用标准接口。
在接收方向，MAC子层将上层通信发送的数据封装为以太网帧，并决定数据的排列、发送和接收方式。MPCP则将从MAC转发过来的帧中的前导码中的LLID去掉，并进行分析，将数据帧转发到相应的MAC Client，将控制帧转发到相应的处理进程。在发送方向，从Client来的数据帧和从各处理进程来的控制帧将向MPCP中的复接控制功能块发出请求。如果被允许，则将控制帧加上LLID，打上时间戳，和数据帧一起发送到MAC层。
EPON系统中OAM子层的功能包括远端故障显示(通过本端、本地设备的接收回路有故障)、远端回环测试、链路检测和允许用户扩展以使上层更方便的管理。OAM给网管提供了一套网络健壮性监测、链路错误定位及出错状况分析的方法。OAM消息在慢协议帧(即OAMPDU)中传递。OAMPDU包含一定的链路中用来监控、测试和错误查找的控制和状态信息。OAM子层解析接收帧，并把OAMPDU发送到OAM客户端。OAMPDU在对等的OAM实体(客户端或子层)之间通过一条单一的链路进行传输，因此不会被MAC客户机(如桥接器或交换机)转发。