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epon技术

EPON

面向未来的技术

一、EPON介绍

EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork以太网无源光网络）

　　无源光网络（PON）的概念由来已久，它具有节省光纤资源、对网络协议透明的的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色。

同时，以太网（Ethernet）技术经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网，并在事实上被证明是承载IP数据包的最佳载体。

随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。

而以太网与PON的结合，便产生了以太网无源光网络（EPON）。

它同时具备了以太网和PON的优点，正成为光接入网领域中的热门技术。

PON技术的发展：

APON（ATMPON）：

1995年提出，1996年由13家大型网络运营商同它们的主要设备供应商组成了FSAN（FullServiceAccessNetwork）联盟，155Mb/s的PON系统技术规范，ATM传输协议，ITU-TG.983系列标准；

BPON（BroadbandPON）：

2001年，APON标准后来得到了加强，可支持622Mb/s的传输速率，同时加上了动态带宽分配、保护等功能，能提供以太网接入、视频发送、高速租用线路等业务，宽带的PON；

　　GPON（GigabitPON）：

FSAN联盟进行1Gb/s以上速率的PON标准研究，希望提出一种方案，除了能运行在更高的速率外，还要在多业务、OAM&P、可扩缩性等方面较之其它的PON效率更高。

这一研究使得GigabitPON（GPON）出现。

2003年1月，ITU-T批准确立了GPON标准G.984.1、G.984.2和G.984.3；

　　摘　要：

以太无源光网络（EPON）即将成为宽带接入的最有效的通信方法，为EPON系统提供一个稳定、有效的网络管理系统显得尤为重要。

简单网络管理协议（SNMP）是当今应用最广泛的网络管理协议。

本文分析了基于SNMP的EPON网管结构，按配置管理、性能管理、故障管理、安全管理等功能设计了EPON网管系统，并分别在管理站和代理站上予以实现。

1、引言

　　随着Internet的迅猛发展，网络用户对网络带宽的需求日渐增长。

为了满足市场的需要，通信网的主干部分已经发生了巨大的变化，而一直变化较少的传统接入网已经成为整个网络中的瓶颈，各种新的宽带接入技术成为研究的热点。

　　EPON（以太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。

它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。

因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：

低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。

　　由于EPON的众多优点，它越来越受到人们的青睐，即将成为宽带接入网一种最有效的通信方法。

为了保证EPON网络能够稳定、高效、准确的运行，为EPON提供一个有效的网络管理系统显得尤为重要。

　　在网络管理领域，随着基于TCP/IP体系的网络管理技术的不断发展，SNMP已经成为事实上的标准。

基于SNMP的EPON网络管理系统是指采用SNMP管理协议框架，对EPON网络实体的资源实现有效管理的系统。

2、SNMP的介绍

　　SNMP（简单网络管理协议）是一种基于TCP/IP的网络管理协议，它使用UDP作为传输层协议，能管理支持代理进程的网络设备。

SNMP主要包括SMI（管理信息结构）、MIB（管理信息库）和SNMP协议几部分。

SMI给出了管理对象定义的一般框架。

MIB是设备所维护的全部被管理对象的结构集合。

SNMP协议包括SNMP操作、SNMP信息的格式以及如何在应用程序和设备间交换消息。

　　SNMP采用代理/管理站模型进行网络管理。

SNMP有5种消息类型，分别为Get-Request、Get-Response、Get-Next-Request、Set-Request和Trap。

代理和管理站之间通过这几种消息报文进行相互通信，以获取网络设备的各种信息，从而控制网络设备的正常运行。

3、EPON网管系统结构

　　本EPON系统的管理对象为1个OLT（光线路终端）和32个ONU（光网络单元）。

基于SNMP的EPON网管系统结构如图2所示。

　　EMS网管系统安装在工作站，与OLT设备之间通过带外网管接口（F接口）相连。

EMS网管系统和OLT、ONU设备之间采用SNMP协议进行通信，实现在EMS中对OLT、ONU的统一管理。

通信的方式有2种：

（1）轮询：

管理站每隔一段时间对所有OLT和ONU代理站的MIB进行主动查询，各代理站返回被查询的结点值。

（2）告警（trap）：

当某些指定事件发生时，代理进程向管理站发送trap报文。

管理站接收、显示告警事件，并做相应处理。

　　同时OLT设备和ONU设备具备本地Console接口，可以实现本地操作管理维护。

4、EPON网管系统的设计

　　EPON网管系统按照网管功能分为四大模块：

配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。

　　A.配置管理

　　配置管理主要是组织EPON网内运转所需要的资源和数据，构造和维护网络系统的配置，识别各网元，保证网元的基本配置，监控当前配置和按照具体情况改变配置，设置系统参数，收集并存储各参数，报告与基本配置值的偏差，启动和关闭资源等。

　　EPON配置管理包括系统初次启动时的配置管理和系统正常运行时的配置管理。

　　启动时，针对EPON网络，可自动或手动生成OLT、ONU设备拓扑图，显示当前网络中各OLT、ONU设备的状态。

在网络拓扑图生成后，SNMP管理进程采用轮询的方式定期查询SNMP代理进程，收集设备信息用于更新数据库，以实现配置信息的实时性。

系统正常运行后，网管可根据需要随时手动设置其各项配置参数。

如可以设置各OLT、ONU代理的标识信息和系统信息，启用、禁用某个端口，配置各端口的工作状态，配置网桥的工作参数，配置VLAN，重启设备等。

还提供基于用户的动态带宽管理。

　　B.性能管理

　　性能管理功能对EPON网络性能进行监视、检测，采集相关性能统计数据，进行分析、诊断，从而为网络进一步规划与调整提供依据，以保证网络的业务质量。

　　EPON的性能管理功能分为性能监测、性能管理控制和性能统计分析。

性能监测是连续的收集OLT、ONU上与性能相关的数据，根据性能数据确定网元的性能，从而掌握设备单元因不太频繁或间断的差错导致业务质量变差的性能情况。

性能管理控制的目的是支持管理人员发出控制命令或网管软件自动发出控制命令，以改善OLT、ONU性能。

它可以设置性能管理数据采集周期、设置性能监测数据存储过滤条件，并对门限值进行管理。

性能统计分析是对收集到的性能数据做进一步的处理，以分析表或分析图的形式报告分析结果。

如计算接口利用率、接口的输入错误率、接口输出错误率、吞吐率等。

　　C.故障管理

　　故障管理功能提供对EPON网络故障监测、故障定位，保护切换与恢复，并存储故障信息供以后查询。

对来自硬件设备或路径结点的报警进行监控、报告和存储，对故障进行诊断、定位和处理，是故障管理的重要工作。

　　当监测到网络、设备故障或异常时，网管系统实时产生报警。

一些故障、异常是由网管程序通过查询代理站MIB发现的，而另一些是代理站通过Trap通知管理站发现的。

可以设置各种告警事件的告警等级。

不同等级的告警事件采取不同的告警指示和处理措施。

　　网管系统收到告警信息后，进行分析和提示，然后针对不同等级的告警，进行不同的处理。

对于严重影响网络运行的故障，需要进行故障定位和测试。

启动故障定位过程，试图从这些过程中获取相关信息。

进行故障定位后，网管系统会尽快做出响应，采取故障修复措施，使EPON网络恢复正常。

　　告警信息被存储到本地数据库。

可以按照告警时间、告警设备、告警等级等关键字查询历史告警信息。

根据全部告警信息，进行告警统计分析，绘制出统计图表。

　　D.安全管理

　　安全管理功能通过访问操作控制策略等方法保证管理应用程序和管理信息不被非法访问和破坏。

　　用户标识和鉴定，是网管系统提供的最外层的安全保护措施。

网管用户在启动程序前必须输入用户名和登陆密码，系统在核实鉴定了用户身份以后才能提供网管系统的使用权。

用户被分为3个等级，不同等级的用户设置不同的管理权限，第一级用户拥有最高管理权限，可以使用网管系统提供的所有功能；低级用户在设置参数、操作设备等权限上被限制；高级用户拥有低级用户的所有权限，并能对低级用户进行管理。

系统还提供安全日志，登陆者的所有操作将被录入数据库，以便维护和检查使用。

5、EPON网管系统的实现

　　EPON网管系统的实现包括管理站网管软件的实现和代理站软件的实现。

　　A.管理站网管软件的实现

　　管理站网管系统是为用户提供友好的交互式界面，利用SNMP协议对代理进程实现管理的控制实体，它的结构如图3所示。

　　通信模块的功能是按照SNMP协议，对网络中的代理站（OLT和ONU）发送、接收SNMP报文，从而获取或设置代理站中MIB库的相应信息。

一方面，它将上层的操作、信息封装成对应的PDU（协议数据单元），向网络中发送。

另一方面，它接收代理发给自己的PDU，并解析成上层可识别的信息，向上传递。

对应于5种消息类型，SNMP有5种类型

　　数据采集、处理模块负责将采集的数据分析、处理、储存或者送往上层。

对各种采集到的数据，要按照配置、性能、故障几个模块的需求进行转换，向上传送。

一些数据直接可以给上层显示使用；一些采集到的数据需要处理后，再送往上层显示。

如通过访问接口MIB，可以得到每个接口在每个时刻的总流量。

可以设置每隔一秒钟取一次值，然后计算秒间总流量差值，得到接口每秒钟的流量。

有些数据暂时不需要显示，需要储存在数据库，供以后查询使用。

　　显示模块是面向用户的。

它按照配置管理、性能管理、故障管理、安全管理几个模块分类，以图形化界面形式显示各项信息，并且提供人机接口，供配置使用。

　　本系统是在Windows环境下，用VC++6.0开发出来的。

通信模块是利用Windows提供的API函数，封装成一个SNMP类，来实现SNMP的各种操作。

按照显示模块的需要，数据处理模块采用各种算法对采集到的数据进行分析处理。

显示模块则以对话框、列表框、曲线图等形式，提供直观、方便的图形化界面，如图4所示。

　　B.代理站软件的实现

　　SNMP在代理站的实现工作主要包括代理进程软件的实现和MIB的设计与组织。

（1）代理进程软件的实现

　　代理进程软件实现SNMP协议，并管理MIB。

它实际上是一个执行无限循环的守护进程，在循环中，它接收管理站的SNMP请求，然后进行相应的操作，并作出响应。

同时，代理进程能够根据自身管理的MIB信息，主动向管理站发送陷阱报文（Trap），以通知管理站所管理的网络设备发生了异常事件，实现故障告警。

　　通常，在开发过程中使用一些软件开发包可以大大缩短产品开发周期。

ucd-snmp软件包是一个广泛使用的实现SNMP代理开发的免费软件包，它支持SNMPv1/v2c/v3，支持分布式代理的开发，支持MIB-II。

它包括SNMP协议模块和MIB管理模块，实现了SNMP代理站的基本框架。

（2）EPON设备MIB的设计与组织

　　OLT、ONU设备的MIB主要包括RFC1213定义的MIB-II、RFC1573定义的InterfacesMIB、RFC1493定义的BridgeMIB和根据EPON设备需要自定义的私有MIB。

　　MIB-II包含了基于TCP/IP网络的基本网管信息，包括系统组、接口组、IP组、ICMP组、UDP组、SNMP组等基本管理对象。

通过MIB-II，我们可以获取OLT、ONU设备运行的基本网络信息，如系统信息、端口基本信息、IP、ICMP等类型数据包的统计等，对某些对象可以配置。

InterfacesMIB是针对改善MIB-II中的接口组的不足和缺陷，发展而来的一个以定义网络接口管理对象为主的MIB。

BridgeMIB是一个定义网桥管理对象的MIB，它包括一般网桥管理信息、生成树网桥管理信息和透明网桥管理信息。

它主要对OLT设备中所具有的生成树网桥的设置、监测提供网络管理手段。

　　自定义MIB是针对OLT、ONU特殊管理对象和特殊功能而定义的，主要包含各OLT、ONU的特殊系统信息和带宽控制管理两部分。

特殊系统信息包括硬件系统信息和软件系统信息。

如我们的EPON系统上行是采用WDMA方式的，对于每个ONU端，对应于不同的上行波长。

把波长信息加入每个ONU的自定义MIB中，这样通过网管系统就可以查询各ONU的波长相关信息了。

带宽控制管理MIB是自定义MIB的一个重要部分，通过它，我们可以远程进行基于用户的带宽管理。

6、EPON优势

　　EPON就是一种新兴的宽带接入技术，它通过一个单一的光纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务接入，并具有良好的经济性。

业内人士普遍认为，FTTH是宽带接入的最终解决方式，而EPON也将成为一种主流宽带接入技术。

由于EPON网络结构的特点，宽带入户的特殊优越性，以及与计算机网络天然的有机结合，使得全世界的专家都一致认为，无源光网络是实现“三网合一”和解决信息高速公路“最后一公里”的最佳传输媒介。

EPON接入系统具有如下特点：

多业务接入功能

EPON主要由3个部分构成：

光线路终端（0LT）、光分配网（0DN）和光网络单元（0NU）。

其中，OLT位于局端,ONU位于用户端，ODN由无源分光器件和光纤线路构成。

OLT可提供各种广域网接口，可与上连的IP网络设备相连；可提供千兆以太网接口，并能提供IP网络二、三层的交换与路由功能。

ONU提供给用户数据、视频和电话网络接口。

目前多个厂家的设备已能提供给用户以太网接口和2M接口等。

与基于SDH的接入方式相比，EPON全程采用IP包的形式传送，不需要进行协议转换。

在目前用户业务以固定电话为主的应用情况下，对于2M电路接口，把E1电路业务数据封装成标准的IP包，与承载数据业务的IP包统一在EPON中传输，这也正是EPON的特色。

由于E1overIP不能完全保证TDM业务的QoS要求，EPON传输帧中除以E1以太网之间的适配封装、E1信号同步定时外，还采用动态带宽分配控制来加以保证。

业务的QoS保障

影响传统TDM业务在EPON中传输的主要性能指标是延时和丢帧率。

无论EPON的上行信道还是下行信道都不会发生丢帧，因此，EPON所要考虑的重点是保证面向连接业务的低延时。

低延时通过EPON的DBA算法和时隙划分的“低颗粒度”（TinGranularity）来保障。

端到端的QoS支持可由现存的IP网络中如虚拟局域网（VLAN）（IEEE802.1p-IEEE802.1r）、IP-VPN、多协议标签交换（MPLS）、支持业务等级区分等来实现，其中为不同服务质量要求的信号设置不同优先级，以保证信息包按预先设置的优先级传递。

支持业务等级区分已被多数厂家应用于其EPON产品中作为其QoS协议。

技术实现方案是：

在EPON的下行信道上，OLT建立8种业务队列，不同的队列采用不同的转发方式；在上行信道上，ONU建立8种业务端口队列，既要区分业务又要区分不同用户的服务等级。

网络和信息的安全

　　EPON中OLT至ONU的传输是以广播方式传递的，每个ONU能接收到所有的下行数据。

802.3ah标准中为每个连接设定LLID逻辑链路标识，每个ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据包，其余的数据包丢弃不再转发。

因为标准的以太网帧中用户可以不管LLID而获取非本ONU的信息，信息的保密性受到威胁。

为保证每个ONU数据的保密性，需要在下行方向对每个ONU的数据进行加密算法；而ONU至OLT是TDMA方式共享以太网通道，上行方向同样也存在非法的用户通过数据通道伪造以太帧来进行破坏，为了保证系统的安全性，需要对MAC控制帧和OAM帧进行加密。

目前生产厂家以128位AES加密技术或ACL功能或搅动加密来增强网络安全性。

保护倒换

目前，ITU-T关于EPON保护的G.983.5建议中已经明确两种方式：

骨干光纤保护倒换方式和光纤全保护倒换方式。

骨干光纤保护方式中，OLT侧的主备PON口分别连接到2：

N分路器的两个端口，从分路器到ONU侧采用常规连接，倒换只在OLT与分路器间。

这种方式的投资比较小，可以对EPON的骨干段光纤实现保护以提高系统的可靠性。

光纤全保护倒换方式中，每个ONU通过两个上行PON口与两个独立的光分路器实现双归属连接，每个分路器连接至OLT的两个PON口。

这种方式彻底消除了EPON系统中的单点故障隐患，但是投资太大，目前在实际组网中，前一种方法应用较多。

运行维护管理（OAM）

　　为了支持点对多点（P2MP）拓扑的EPON网络。

IEEE制定了802.3ah协议，其中定义了多点控制协议（MPCP）、点对点仿真（RS子层扩展）、运行维护管理（OAM）以及10和20km两种PMD。

在OLT和ONU之间还特别定义了OAM子层，提供在线的性能监测、各种故障告警和远端故障指示、远端近端环回等功能，OAM为网络管理员提供了监控网络以及快速故障定位和错误告警的能力。

OAM功能的实现是可选的，可在系统的某些端口单独实现可选的OAM功能，OAM不包括状态管理、带宽分配和提供功能。

OAM主要功能包括：

A、远端故障指示；

B、指示对端本地接收通道处于不工作状态；

C、支持单向操作的物理层设备在故障期间可支持OAM远端故障指示；

D、符合RS子层规定的用户接入物理层设备在故障期间可支持OLT至ONU的单向OAM远端故障指示操作；

E、远端环回：

提供了一种支持数据链路层帧一级环回模式的机制；

F、链路管理：

支持包括诊断信息的事件通知，支持轮询MIB变量。

除上面列出的物理层设备外，其他设备在故障期间不支持OAM远端故障指示单向操作，一些设备在物理层有专门的远端故障指示机制。

成本相对较低

低建设成本――显著减少光纤、光收发模块、中心局设备的数量；另外，由于光电子器件的成本不断降低，EPON的每线设备接入成本已可与ADSL、CableModem相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为FTTH发展的基础。

低运营维护成本――局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效节省运营维护成本；

解决远端用户的接入问题――EPON可以达到20km的传输距离，避免了传统传输介质（如双绞线、五类线、Cable等）的距离瓶颈问题；

解决终端用户的带宽瓶颈――EPON可以为用户提供几十兆甚至千兆的上下行对称带宽，可以满足宽带上网、视频点播、在线游戏、可视电话、数字高清电视等各种业务的带宽需求，高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽，从而可以作为用户的终极接入方式；

高的接入可靠性――整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免电磁干扰和雷电影响，保证信号传输质量；

便于管理――对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。

二、对EPON在广电双网改造中的应用的理解

1.对广电网络的现状的认识

在融合的浪潮中，视频服务的产业链从封闭走向开放，资源从垄断走向整合。

IPTV、直播卫星、手机电视，以及广泛普及的网络流媒体、共享视频，广电行业一方面要面对来自移动以及固网运营商不断增强的竞,与此同时，还要面对人们日益提升的文化、娱乐需求，以及对视频业务的定制化、数字化的挑战。

面对竞争与挑战，广电无可避免地承受着方方面面的巨大压力。

摒弃原有的单向传输模拟网络、单一广播模拟业务、单一收费模式，打造综合业务平台并进行网络双向化改造，进而提供综合的数据增值业务，成为广电提升竞争能力的必由之路。

广电最大的优势是在资讯上，但是有调研机构调查显示，发现现在很大部分第一消息来自于网上，而不是来自于电视。

随着电信行业互联网业务的发展，人们获取咨询的方式和过去有很大的不同，同时很多人的业余生活的模式也发生改变。

过去人很多下班以后是看电视，现在很大一部分是上网，广电传统优势项目已经遭遇了挑战。

“千里之堤，溃于蚁穴”，如不尽快采取有效措施应对，挑战就会演化成为真正的“危机”，这一点对广电如此，对广电内部台网分离的网络公司更是如此。

　　挑战每每也伴随着机遇。

面对内在的需求，外在的压力，广播一方面要继续巩固既有优势，另一方面也要尽快丰富营收手段，增强综合竞争力。

具体行动上，一方面要通过大力推广广播影视数字化转换和高清业务来巩固优势；另一方面要积极推动网络双向化和宽带化改造提高核心竞争力。

就数字化改造来说，仍然离不开有线电视网的网络设施双向化改造，没有双向化改造，就没有合适的承载平台，数字化就是一句空话，新业务也就不可能开展。

因此，网络的双向化改造是根本。

　　双向化改造有两段，一段是基础传输网络改造，其中有基本实现光纤到楼，逐步实现光纤到户；另一段就是用户接入改造，即要能够利用现有的有线电视同轴电缆，也要能够迅速提供综合业务，并能支撑向FTTH的演进。

如果能够顺利改造，整个网络就实现双向、交互、多业务综合运营。

现在广电网络基本上可以做到光纤到楼或光纤到小区。

所以就双向改造的前段来说，所有的地市网，只要是稍微改造过即具备双向传输能力；但入户段采用的仍是树形分布的同轴电缆，仅能做下行广播式的单向传输。

所以，入户段网络的双向改造工作将是下一步网络改造的重点。

同时也预示着EPON应用高峰期的到来。

2.广电双向网络改造方案的思考

数字电视（DTV）的发展，对广电系统来讲是一个前所未有的发展机遇。

大家都意识到，只有开展新业务、提供新服务，才能使整体转换取得真正成功。

新业务和新运营模式对网络提出了新的要求，最集中的体现就是要求网络实现双向。

然而，中国有线电视网的现状是存在着大量的HFC网络，多数网络都没有完成双向改造，这样的网络仅能满足基本广播电视节目的传送，既不能承载多媒体交互业务，也不能有效实现网络、业务和用户管理。

所以，广电数字电视建设必须首先解决的是把HFC网络从单向网络改为双向网络，经过多年的试验和尝试，结合当前PON（无源光网络）和以太网技术的发展，EPON+LAN或EPON+EOC方式是最适合当前广电HFC双向改造的方案。

作为双向网络改造技术，EPON+LAN/EOC符合网络IP化、宽带化、光纤化的发展趋势，拥有完善的产业链条和成熟的多业务承载能力。

与现有的CMTS等改造技术相比，成本投入和建设周期具有比较明显的优势。

同时，改造后的网络具备“可运营、可管理、可维护”的能力，后续也可平滑演进和升级，以适应未来不断增长的业务和带宽需求。

具体实现上，EPON+LAN/EOC改造方案将有线电视信号和数据业务采用不同波长的光波进行承载，并在同一根光纤内进行传输。

在用户侧，有线电视信号仍然利用原有的同轴电缆分发入户，而数据业务则通过五类线接入机顶盒以及PC机等数据终端。

（烽火或者长光）广电双向网络改造的EPON+LAN/EOC解决方案提供全系列电信级EPON+LAN设备，在不影响原有有线电视网的前提上，提供了高性价比的光纤网。

由于采用了先进的开放式架构设计方法，（烽火或者长光）的EPON+LAN/EOC系统在满足“高密度、高集成度、高可靠性”的前提下，实现了电信级的综合业务承载，可同时满足数据、语音、视频业务的QoS、安全、管理、并发流量等要求，使运营商能够“集中式管理、精细化运营、差异化服务”。

得益于开放式的架构，（烽火或者长光）的EPON+LAN/EO