EPON技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目  录

1 PON概述··· 1

1.1 产生背景·· 1

1.2 PON技术优势·· 1

1.3 PON网络模型·· 1

2 EPON技术实现··· 2

2.1 EPON的OAMPDU格式·· 2

2.2 EPON工作机制·· 4

2.2.1 工作过程概述·· 4

2.2.2 ONU注册·· 4

2.2.3 扩展OAM连接·· 5

2.2.4 动态带宽分配·· 5

2.2.5 数据传输·· 6

2.3 EPON系统的接口类型和编号方式·· 7

2.4 OLT冗余备份·· 8

2.4.1 EPON冗余接口·· 8

2.4.2 OLT光纤备份组·· 9

2.5 OLT管理ONU设备·· 10

2.5.1 ONU注册上线·· 10

2.5.2 升级ONU· 11

2.5.3 ONU长发光检测·· 11

2.6 EPON组播业务·· 11

2.6.1 IGMP Snooping模式·· 11

2.6.2 可控组播模式·· 12

2.7 EPON PoE功能·· 13

3 EPON典型组网应用··· 14

3.1 住宅区视频监控·· 14

3.2 校园无线网络·· 14

4 EPON技术参数··· 15

 

1  PON概述

1.1  产生背景

随着网络游戏、IPTV等高带宽业务的出现，ADSL等传统接入方式已难以满足用户的带宽要求。PON（Passive Optical Network，无源光网络）作为一种接入网技术，可以实现光纤入户，满足接入层网络“最后一公里”的高带宽需求。

PON技术包括：

·     EPON（Ethernet PON，基于以太网的无源光网络）：基于IEEE 802.3ah/802.3av标准。

·     GPON（Gigabit PON，千兆无源光网络）：主要基于ITU-T G.984系列标准。

本文主要介绍EPON技术。

1.2  PON技术优势

PON技术具有如下优势：

·     满足高带宽需求。

10G PON OLT最高可为ONU提供下行10Gbps、上行10Gbps的带宽。

·     长距离接入。

最大可支持20km的传输距离。

·     支持宽带上网、IPTV、VoIP（Voice Over Internet Protocol，网络电话）等多业务同时接入。

·     无源ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）中无需维护有源设备，节省运营成本。光纤和无源分光器不受电磁干扰和雷电影响，故障点少。

·     点到多点（P2MP）的网络结构支持弹性扩容。

1.3  PON网络模型

如图1所示，PON是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网络，其典型网络由如下几部分组成：

·     OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）：PON系统的核心设备，一般放置在中心机房，用于统一管理ONU，并将接入业务汇聚和传递到IP网。

·     POS（Passive Optical Splitter，无源分光器）：用来向ONU分发OLT的下行数据，并向OLT汇聚各ONU的上行数据。

POS的分光比可达到1:128，即每个OLT光模块接口最多可连接128台ONU。

·     ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）：由光纤和一到多个POS等无源光器件组成，在OLT和ONU间提供光信号传输通道。

·     ONU（Optical Network Unit，光网络单元）：PON系统的用户端设备，用于连接用户PC、机顶盒、交换机等，通常放置在用户家中、楼道或道路两侧，负责响应OLT发出的管理命令，并将用户数据转发到OLT。

图1 PON网络模型示意图

 

2  EPON技术实现

2.1  EPON的OAMPDU格式

以太网OAM（Operation, Administration and Maintenance，操作、管理和维护）是一种监控网络故障的工具。它工作在数据链路层，利用设备之间定时交互OAMPDU（OAM Protocol Data Unit，OAM协议数据单元）来报告网络的状态，使网络管理员能够更有效地管理网络。

ONU和OLT通过在标准的OAMPDU中附加额外的扩展TLV（Organization Specific Information TLV）实现扩展的OAM发现（包括OAM能力发现、附加信息的交换和OAM消息版本的确认）。通过扩展的OAMPDU，OLT和ONU设备间可以完成连接的请求和应答，实现OLT对ONU设备的远程操作、维护和管理，具体包括ONU基本信息及能力通告、用户端口配置、VLAN配置、ONU的升级/重启等操作、组播/QoS/VoIP等功能的配置。

扩展的OAMPDU消息的基本格式如图2所示，各字节的取值如表1所示。

图2 扩展的OAMPDU消息格式

 

表1 扩展的OAMPDU消息的字段含义

字段	说明
Destination Address	IEEE 802.3规定的Slow_Protocols_Multicast地址
Source Address	发送OAMPDU的端口的MAC地址
Length/Type	慢协议的类型值（Slow_Protocols_Type），以太网中的类型值为0x8809
Subtype	慢协议的子类型，OAM协议对应的子类型值为0x03
Flags	状态标记，具体规定见IEEE 802.3 Clause 57
Code	指示不同的OAMPDU消息，具体规定见IEEE 802.3 Clause 57
Data/Pad	OAMPDU的有效载荷
FCS	帧校验序列（Frame Check Sequence）
Local Information TLV Remote Information TLV	标准Information TLV（Local Information TLV和Remote Information TLV） 在OAM连接的保活过程中，发送端（OLT或ONU）发送的用于keep alive的OAMPDU中仅需填充标准Information TLV
Organization Specific Information TLV	扩展的Information TLV，具体包含如下几个域： ·     Info Type：取值固定为0xFE，表示该TLV数据类型为Organization Specific Information TLV ·     Length：表示该TLV的长度 ·     OUI：机构唯一标识（Organizationally Unique Identifier），例如中国电信的OUI暂定为0x111111 ·     Data：该TLV承载的数据，包含： ¡     ExtSupport：表示是否支持该OUI的OAM扩展（1表示是，0表示否） ¡     Version：OAM版本号 ¡     OUI-Version列表，表示设备支持由OUI对应机构发布的扩展OAM及其版本号
Pad	用于填充OAM帧中的剩余字段，填充内容为“0x00”

 

2.2  EPON工作机制

2.2.1  工作过程概述

EPON系统的工作过程包括：

(1)     ONU注册：将新连接或非在线的ONU接入OLT，OLT为各ONU分配唯一的身份标识LLID（Logical Link ID，逻辑链路标志）。

(2)     扩展OAM连接：扩展的OAM连接建立完成后，OLT才能向ONU传送数据，对ONU进行远程配置管理。

(3)     动态带宽分配：各ONU发送数据所需的数据传输时隙（上行带宽）由OLT根据DBA（Dynamic Bandwidth Allocation，动态带宽分配）算法统一分配，可以避免上行数据冲突。

(4)     OLT和ONU之间进行数据传输。

2.2.2  ONU注册

MPCP（Multipoint Control Protocol，多点控制协议）定义了点到多点光网络的MAC控制机制。ONU注册到OLT的过程中需要使用如下类型的MPCP消息：

·     授权（GATE）消息

¡     发现GATE消息：由OLT以广播方式发送，用于进行ONU发现

¡     普通GATE消息：由OLT以单播方式发送给ONU，用于进行带宽分配

·     注册请求（REGISTER_REQ）消息

·     注册（REGISTER）消息

·     注册确认（REGISTER_ACK）消息

如图3所示，ONU注册过程如下：

(1)     在T0时刻，OLT向所有ONU广播一个发现GATE消息，该消息中的时间标签值为T0。

(2)     未注册的ONU收到该消息后，修改本地时间为发现GATE中的时间标签值T0，并等待一段随机时间，在T1时刻发送REGISTER_REQ消息给OLT，该消息中的时间标签值为T1。

(3)     OLT在T2时刻收到ONU的REGISTER_REQ消息，获得该ONU的MAC地址并计算出RTT（Round Trip Time，往返时间）值。

 

OLT向REGISTER_REQ消息中的ONU的MAC地址单播发送一个REGISTER消息和一个普通GATE消息：

¡     REGISTER消息中包含OLT为ONU分配的LLID。

¡     GATE消息包含OLT授权给ONU发送消息的时隙。

(4)     ONU收到REGISTER和普通GATE消息后，在普通GATE消息所授权的时隙中向OLT发送一个REGISTER_ACK消息，完成注册。

图3 ONU注册示意图

 

2.2.3  扩展OAM连接

扩展OAM连接的建立过程如下：

(1)     ONU和OLT完成标准OAM连接。

(2)     ONU向OLT上报所支持的OUI（Organizationally Unique Identifier，机构统一标识）及扩展OAM版本号。

(3)     OLT确认该ONU上报的OUI及扩展OAM版本号是否在本地支持的OUI及扩展OAM版本号列表中。如果存在，则该ONU的扩展OAM连接建立成功。

2.2.4  动态带宽分配

如图4所示，OLT为ONU分配上行带宽的过程如下：

(1)     OLT发送普通GATE消息，告知ONU发送REPORT消息的时隙。

(2)     ONU在所分配的时隙内发送REPORT消息，向OLT报告自己的本地状况（如缓存占用量），以帮助OLT智能分配时隙。

(3)     OLT收到ONU的REPORT消息，根据当前带宽状况，为ONU分配数据传输时隙（带宽）。

(4)     ONU收到授权GATE消息后，在OLT分配的传输时隙内发送数据。

图4 EPON带宽分配示意图

 

2.2.5  数据传输

数据传输过程分为下行数据传输和上行数据传输。

·     下行数据传输：如图5所示，OLT将下行数据加密后广播给各个ONU，各ONU根据下行数据的LLID接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据。每个LLID有独立的密钥，各ONU只能解密自己的数据。

图5 EPON系统下行数据传输示意图

 

·     上行数据传输：各ONU把从用户侧收到的数据帧缓存起来，等待OLT为自身分配的发送时隙到来时，以全线速发送所有缓存的数据帧。如图6所示，slot 1、2、3分别代表OLT分配给ONU 1、2、3的时隙。

上行方向数据采用TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址接入）技术，保证了OLT与POS间一条光纤线路能传送多个ONU到OLT的数据信号，并且信号之间互不干扰。

图6 EPON系统上行数据传输示意图

 

2.3  EPON系统的接口类型和编号方式

如图7所示，EPON系统主要有如下接口类型：

·     OLT端口：位于OLT设备，每个OLT端口可以连接一个EPON网络。

OLT端口采用三维编号方式：单板的槽位号/子卡号/端口编号，例如Olt1/0/1。（分布式设备－独立运行模式）（分布式设备－IRF模式）

OLT端口采用三维编号方式：设备的成员编号/子卡号/端口编号，例如Olt1/0/1。（集中式IRF设备）

·     ONU接口：OLT端口上用于连接ONU设备的逻辑接口。

ONU接口的编号方式为：OLT端口编号:ONU接口编号，例如Onu1/0/1:1。

ONU接口下所进行的配置都是对接入OLT的ONU设备的配置。仅当ONU设备绑定到指定ONU接口后，该ONU接口才具有实际意义。

·     UNI（User Network Interface，用户网络接口）：ONU设备上连接用户的端口。

图7 EPON系统端口编号示意图

 

2.4  OLT冗余备份

为了满足高可靠性的业务转发，EPON支持OLT侧的光链路冗余备份。可在以下功能中选择一种配置：

·     EPON冗余接口：支持同一设备或同一IRF上两个OLT端口的冗余备份。

·     OLT光纤备份组：支持跨设备的光纤备份，即两台OLT设备中的一台发生故障时，流量可以快速切换到另一台设备的备用OLT端口，保证业务的正常运行。

为确保主备切换后业务能正常运行，光纤备份组中两个OLT端口及其下所有ONU的配置需要确保相同。而EPON冗余接口则避免了这种重复配置，两个OLT端口加入虚拟的OLT冗余接口后，对该OLT冗余接口及其下的ONU冗余接口进行配置即可。

2.4.1  EPON冗余接口

1. 冗余接口类型和编号方式

如图8所示，EPON冗余接口包括以下两种类型：

·     OLT冗余接口（Redundant OLT，ROLT）：OLT设备上由两个OLT端口捆绑而成的二层逻辑接口。OLT冗余接口使用一维编号方式，例如Rolt1。

·     ONU冗余接口（Redundant ONU，RONU）：OLT冗余接口下创建的用于连接ONU设备的二层逻辑接口。ONU冗余接口的编号方式为“OLT冗余接口编号:ONU冗余接口编号”，例如Ronu1:1。

ONU设备绑定到ONU冗余接口后，实际是和该接口所属OLT冗余接口内的激活成员端口进行数据通信。因此，OLT冗余接口中必须存在成员端口，其ONU冗余接口绑定的ONU设备才能注册到该OLT。

图8 EPON冗余接口示意图

 

2. 成员端口的状态

OLT冗余接口内的成员端口有以下两种状态：

·     激活状态：能够收发报文。此状态的成员端口称为激活端口。

·     非激活状态：不能收发报文。

3. 确定成员端口的状态

任意时刻，同一个OLT冗余接口内只有一个成员端口处于激活状态。

·     当两个成员端口的物理状态均为up时，优先级较高的成员端口处于激活状态，优先级较低的成员端口处于非激活状态。优先级可通过命令行配置。

·     当激活端口的物理状态变为down时，处于非激活状态的端口会自动激活，接替原激活端口收发报文，实现端口间的备份。

2.4.2  OLT光纤备份组

一个光纤备份组包含两个OLT端口，正常情况下只有主用端口处于转发状态。当系统出现异常（例如主干光纤断路、主用OLT端口down掉）时，备份组内的两个OLT端口会自动进行主备倒换。

光纤备份组分为普通光纤备份组和跨设备光纤备份组。

·     普通光纤备份组仅支持本地OLT设备上的OLT端口主备倒换。

·     跨设备光纤备份组支持两台设备之间的OLT端口主备倒换，提供设备级冗余保护。

1. 普通光纤备份组

如图9所示，互为备份的两个OLT端口属于同一OLT设备。

普通光纤备份组支持手动对加入该备份组的两个OLT端口进行主备切换。

图9 普通光纤备份组网图

 

2. 跨设备光纤备份组

如图10所示，跨设备光纤备份组将互为备份的两个OLT端口分别部署到两台OLT设备，其中一台设备上的OLT端口指定为主用端口（对应图中的Master link），另一台设备上的OLT端口指定为备用端口（对应图中的Standby link）。

两台OLT设备之间通过TCP连接来同步数据（包括主用/备用端口信息、ONU在线状态信息等）。主用端口down时，备份组内另一台OLT设备的备用端口将切换为主用端口。

图10 跨设备光纤备份组网图

 

2.5  OLT管理ONU设备

本节介绍OLT远程管理ONU的基本技术。

2.5.1  ONU注册上线

只有将ONU绑定到OLT的ONU接口/ONU冗余接口，该ONU才能通过合法性认证，进而完成注册上线，OLT上对应的ONU接口/ONU冗余接口将变为up状态（称为该ONU“在线”）。

可以通过以下方式绑定ONU到ONU接口/ONU冗余接口：

·     手动绑定ONU到ONU接口/ONU冗余接口：适合ONU数量较少时使用。

·     批量绑定ONU：使设备自动将当前未注册的ONU设备绑定到ONU接口/ONU冗余接口上，但对于之后新加入的ONU设备不再进行绑定。

批量绑定方式适用于网络环境最初建立时已确定ONU都是合法的，可以省去大量繁琐的绑定操作。

·     自动绑定ONU：使设备自动将当前未注册的ONU设备绑定到ONU接口/ONU冗余接口上，并且对于之后新加入的ONU设备也进行自动绑定。

自动绑定方式适用于对OLT下面连接的ONU设备完全信任的情况。

批量绑定ONU或自动绑定ONU时，如果设备上存在OLT冗余接口，优先使用ONU冗余接口来绑定ONU设备；当ONU接口/ONU冗余接口数量不足时，设备将自动创建这些逻辑接口来绑定ONU设备。

2.5.2  升级ONU

在EPON系统中，ONU设备种类多样，数目繁多，加之不同类型的ONU升级所需升级文件不同，因此ONU设备的升级工作量很大。为了提高ONU升级的效率，降低每个ONU下发命令行对系统资源的占用，设备除支持单独升级一台ONU的功能外，还提供了按类型和OLT端口对ONU进行批量升级的功能。目前支持如下3种升级方式：

·     按类型升级所有ONU：对该交换机下挂的指定类型的所有ONU进行升级（可以多次配置按类型指定升级文件，实现对不同类型ONU同时进行升级）。

配置升级交换机下指定类型的ONU后，如果新创建的ONU接口/ONU冗余接口对应的ONU符合指定类型且上线后，交换机会自动对其进行升级。

·     升级单台ONU：针对单个ONU下发ONU升级命令。

·     升级OLT端口下的所有ONU：针对指定OLT端口下所有已经创建的ONU接口下发ONU升级命令。

鉴于整网同类型ONU版本的统一维护效率高、操作简单，建议用户优先选择“按类型升级所有ONU”。

2.5.3  ONU长发光检测

OLT支持检测ONU长发光现象（指ONU不在分配时隙内发光，占据其他ONU的上行通信时隙，亦称为“流氓ONU”），可以产生告警并关闭该ONU的PON口发光电源。

2.6  EPON组播业务

EPON的组播技术主要用于网络电视、实时视/音频会议等场景，其优点如下：

·     通过点到多点的数据发布，降低带宽消耗，减轻信息源服务器和网络设备的负荷。

·     支持组播业务的用户访问权限控制。

OLT支持远程配置的ONU组播功能分为两种：IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，互联网组管理协议窥探）模式和可控组播模式。

2.6.1  IGMP Snooping模式

IGMP Snooping模式下，OLT可以将ONU上的UNI端口划分到指定组播VLAN，使UNI端口下的用户只能使用该组播VLAN对应的组播IP地址，来进行简单的用户组播权限控制。

以图11所示的IPTV组网为例，通过在OLT上配置如下功能，可以实现授权User1点播225.1.2.1～225.1.2.255之间的频道，User2点播225.1.3.1～225.1.3.255之间的频道。

·     OLT配置组播VLAN 1002、1003与组播IP地址的映射关系。

当OLT接收到来自ONU的IGMP Join报文后，如果该报文中所包含的组播IP地址不在该映射关系中，则OLT会直接丢弃该报文。

·     OLT在全局以及VLAN 1002、1003内配置IGMP Snooping功能。

·     OLT通过ONU接口，远程配置ONU设备的组播模式为IGMP Snooping，并将其UNI 1、UNI 2端口分别加入组播VLAN 1002、1003。

OLT分发给ONU的组播业务流均带有组播VLAN Tag，属于特定组播VLAN的UNI端口收到对应的组播业务流后，可以选择将其VLAN Tag删除，或者进行VLAN ID的转换（例如User2使用独立的家庭网关连接到ONU的UNI端口开展IPTV业务，家庭网关需要组播流带有组播VLAN Tag，则ONU应将下行组播流的VLAN ID转换为该用户的IPTV VLAN）。

图11 IGMP Snooping模式组网图

 

IGMP Snooping模式下，OLT和ONU主要通过IGMP Join/Leave和Query消息实现组播组成员的动态加入/退出。通过IGMP成员关系报告报文（IGMP Join/Leave消息）的抑制功能可以减少这些协议报文的数量，以减少带宽消耗，其原理为：

(1)     当ONU收到来自某组播组成员的IGMP成员关系报告报文（IGMP Join/Leave报文）时，会将该报文转发给OLT。

(2)     当ONU上存在属于某组播组的多个成员时，OLT会收到这些成员发送的相同IGMP成员关系报告报文。

(3)     开启IGMP成员关系报告报文抑制功能后，在一个查询间隔内ONU只会把收到的某组播组内的第一个IGMP成员关系报告报文转发给OLT，而不继续向OLT转发来自同一组播组的其他IGMP成员关系报告报文，这样可以减少网络中的报文数量。

2.6.2  可控组播模式

可控组播模式用于用户组播权限的精细控制。以图12所示的IPTV组网为例，通过在OLT上配置如下功能，可以为User1和User2授予对频道2、3（分别对应组播IP地址225.1.2.1、225.1.3.1）的不同访问权限。

·     OLT配置组播VLAN 1002、1003与组播IP地址的映射关系，然后在全局以及VLAN 1002、1003内开启IGMP Snooping功能。

·     OLT通过ONU接口，远程配置ONU设备的组播模式为可控组播（multicast-control），并配置其UNI 1、UNI 2端口的用户对两个组播频道的业务访问权限为：

¡     UNI 1的用户允许观看频道2，对频道3仅有1分钟的预览时间。

¡     UNI 2的用户不允许观看频道2，允许观看频道3。

图12 可控组播模式组网图

 

可控组播模式下，OLT和ONU分别负责如下功能：

·     OLT侧集中管理用户的组播业务访问权限。

¡     OLT利用用户的LLID和上行的IGMP Join报文携带的VLAN Tag（和UNI端口号一致）进行用户识别，并基于组播权限控制表判断该用户是否具有所申请的组播业务的访问权限及其参数。

¡     OLT通过扩展的组播控制OAM报文将用户对该组播频道的访问权限下发到ONU，由ONU执行对该用户的组播业务流的转发或丢弃操作。

组播权限控制统一由OLT侧进行集中管理，OLT是组播权限管理的主体，ONU是组播权限管理的执行者。

·     ONU侧仅处理本ONU内当前的组播业务流控制功能。

ONU为接收到的不带VLAN Tag的IGMP Join/Leave报文添加标识用户身份的VLAN Tag（和UNI端口号一致），并透传到OLT，并按照OLT下发的组播控制OAM报文（该报文包含一系列组播控制表项）增加或删除ONU本地的组地址过滤和组播转发表项，然后执行相应的组播业务流的转发或丢弃。

2.7  EPON PoE功能

OLT可以远程配置ONU设备的PoE（Power over Ethernet，以太网供电）功能，具体包括UNI端口的PoE功能的开启/关闭、供电优先级、最大供电功率等。

EPON系统的PoE模型如图13所示，包括：

·     PSE（Power Sourcing Equipment，供电设备）：通过UNI端口给PD供电的ONU设备。

·     PD（Powered Device，受电设备）：接受PSE供电的设备，如IP电话、无线AP（Access Point，接入点）等。

图13 EPON PoE模型示意图

 

3  EPON典型组网应用

3.1  住宅区视频监控

如图14所示，住宅小区内可使用ONU接入方式部署摄像头，并通过OLT统一管理ONU。

EPON的点到多点的光网络结构可覆盖大范围监控点，同时提供高带宽，将视频数据透明传输到IP网络内的监控中心。

图14 EPON视频监控组网图

 

3.2  校园无线网络

如图15所示，校园部署多台AP（Access Point，接入点）提供无线上网服务，AC（Access Controller，接入控制器）可通过EPON光网络管理AP。

这种组网具有如下优势：

·     统一承载流量、集中管理AP，从而降低运维成本；

·     用无源光器件代替有源设备，可极大降低故障率；

·     点到多点的网络结构支持弹性扩容。

图15 EPON校园无线网组网图

 

4  EPON技术参数

OLT设备支持以下两种EPON单板：

·     1G-EPON单板：仅支持连接1G ONU。

·     10G-EPON单板：除了可以连接1G ONU外，还支持连接以下两种ONU：

¡     10G/1G ONU：称为“非对称ONU”。

¡     10G/10G ONU：称为“对称ONU”，对应OLT端口必须安装对称光模块。

EPON的带宽和波长与EPON单板连接的ONU类型有关，具体如表2所示。其中1G-EPON指的是1G-EPON单板或10G-EPON单板连接1G ONU的场景。

表2 EPON带宽和波长

速率/波长方向	1G-EPON	10G-EPON
上行带宽	1Gbit/s	·     非对称ONU：1Gbit/s ·     对称ONU：10Gbit/s
下行带宽	1Gbit/s	10Gbit/s
上行波长	1310nm	·     非对称ONU：1310nm ·     对称ONU：1270nm
下行波长	1490nm	1577nm