EPON技术简析----高效能、低成本

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EPON是一个新技术，用于保证提供一个高品质与高带宽利用率的应用。
    EPON在日本、韩国、中国大陆、中国台湾及其它以以太网络为基础的地区都获得很高的评价，借着IEEE802.3ah标准发表在以太网络最后一哩的应用，业界都非常希望尽快导入EPON，当EPON被发展完成后，它将可以提供一个高效率、低成本，又稳定的环境以满足一般民众家用及商务上的需求。
    互联网革命开始于透过铜线(双绞线)及电话拨号接入调制解调器，把人与人之间的距离拉近，随着对于丰富内容的需求增加，对于网络的处理速度也因而增加，由于拨号接入调制解调器每秒56Kbps的带宽上限，促使数字客户端回路(DSL)及缆线调制解调器(Cablemodem)每秒数兆位的宽带传输取而代之，无论是以DMT或QAM为基础的技术，都是为提供每秒数兆位传输速率于既有的铜线上，但实际的速率却取决于电信机房中心与用户的距离及铜线结构的品质。
    然而这些技术的实际带宽决定于系统服务商基于其网络设备所能够支持及其所提供和促销服务，但最大之传输速率也仅限于数兆位传输速率。
    随着家用及办公室的计算机运算位速度提升，磁盘驱动器的容量加大，计算机显示器外围如液晶显示器、数码相机、数字录像机，及有线/无线网络的速度也增加。另外伴随着高带宽需求的应用，如高清晰影像、网络游戏及远距教学，在“最后一公里”的应用中，终端用户需要更多的带宽，只有数兆位传输速率是不够的。
    幸运的是，同样的以太网络技术改革了企业间网络，并保证在接入及最后一公里的网络中所做的事情会相同，许多产业观察家相信，以太网络将普遍用于高速应用的宽带接入及点对点的通讯技术中。
    何谓EPON？
    以下内容将介绍崭新的接入技术——以太无源光网络(EthernetPassiveOpticalNetworking，EPON)，这个技术不仅提供了千兆传输带宽，同时价格低且稳定，几乎成了以太网络的代名词，主要的系统服务供应商已经在开发EPON系统并与下一代的宽带接入技术相结合。
    一个无源光网络是单一且光纤共享，同时并使用便宜的分光器，把信号从单一光纤分散至独立的用户，之所以被称呼为“无源光网络”是因为有别于传统的电信机房局端及客户端的连接，这其中并没有一个有源电子设备装置介于该接入网络之间，这样的优势大大的简化了网络系统的操作、维护及成本，另一个优点为相比于一个点对点的光纤网络中，其所使用的光纤并不需要很多。
    使用以太网络技术创造一个无源光纤网络的架构，无源以太光网络为点对多点的光纤拓朴结构，当用户连接至特定分配光纤，它们共享光纤配送网络(OpticalDistributionNetwork，ODN)，藉由骨干光纤回到电信机房局端。
    对于低光纤数的需求是可以想象的，我们可以从图1的架构中看出传统的点对点的以太网络路，路边交换机(Curb-Switched)以太网络及EPON间的不同。点对点的以太网络可能使用N条或2N条的光纤，但必须使用2N个光收发器，而终端交换机以太网络则使用一条骨干光纤。如此是可以节省光纤及电信机房所占用的空间，但仍需使用2N+2个光收发器，且必须供应电力给交换机来使用。
    EPON也使用一个骨干光纤、最少的光纤及占用电信机房较小的空间，同时只需N+1个光收发器，另外也不需要额外的电力，下行的传输速率几乎达其全速的骨干连接，它同时也支持下行串行广播，如影像。

    图1：点对点的以太网络路，路边交换机(Curb-Switched)以太网络及EPON间的架构对比
    EPON拓朴架构及组成
    如图2所示，EPON使用了1：N的分光器，而发展出树状分支结构。
    EPON网络包括光线路终端(OpticalLineTerminal，OLT)及光网络单元(OpticalNetworkUnit，ONU)。一般而言，OLT存在于局端电信机房(CentralOffice，CO)，多为以太网络交换机或媒体转换器平台，ONU则多置于靠近客户端，如路边、建筑物或用户住处，ONU则提供802.3ahWAN接口及802.3ah客户端接口。

    图2：EPON网络系统架构

    使用分光器
    EPON规划了在单一光纤上作全双工传输，并以点对多点的拓朴架构呈现，用户只看到自己与局端间的传输，而非其它在该拓朴架构的用户。EPON系统使用了分光器(splitter)，利用不同的光波长来进行上行串行传输及下行串行传输，其波长如下：
    --1490nm下行串行传输
    --1310nm上行串行传输
    采用多点控制协议MPCP
    为了管理点对多点(P2MP)光纤网络，EPON使用多点控制协议(Multi-PointControlProtocol，MPCP)。MPCP执行带宽管理工作，包括带宽的询问、自动发现和排序，它在MAC层实现这些功能，利用了64位的控制信息：
    --GATEandREPORT字段用在分配及给予带宽
    --REGISTER和REGISTER_REQUEST字段使用在控制自动发现ONU过程
    MPCP提供了接通网络资源的最佳化，自动化排序的机制减少了带宽松散的问题，而ONU自动回报带宽需求给OLT的机制用以实现动态带宽分配(DynamicBandwidthAllocation，DBA)，光收发器的参数藉由OLT与ONU的交流机制而达到最佳化的目的。
    解析OLT和ONU的操作
    OLT负责自动发现ONU的过程，其中包含了带宽排序和LogicalLinkIDs(LLID)的指定，利用时间标记字段在下行传输的GATEMAC控制信息，可达到ONU与OLT同步的功能，ONU接收GATE信息并传送REGISTER_REQUEST信息，在预定的时间周期内将其注册到OLT，OLT利用REGISTER信息回复给ONU，用以指明认可ONU的注册。
    EPON下行串行传输
    EPON网络控制802.3架构的物理层广播，如图3所示，广播帧被LLID在预传时间所摘取，一个64位的GATE信息被送到下行串行传输来分配带宽。

    图3：EPON下行传输

    EPON上行串行传输
    如图4，MPCP利用时槽（timeslot）包含多路802.3帧，利用64位REPORTmessage回报ONU状态至OLT，在这个架构之下，不会有任何冲突及封包碎裂问题。

    图4：EPON上行传输

    EPON芯片组之设计须考虑互通性
    图5是Passave公司所研发的ONU及OLT芯片，这些芯片提供符合标准规范、高效能及具成本效益的点对点EPON解决方案。

    图5：Passave公司所研发的PAS6001ONU及PAS5001OLT芯片

    图6：Passave提供的ONU参考设计

    这两种芯片在单一光纤，于两端同时提供超高速以太网络效能给多达128位用户，芯片也支持IP协议的视频服务(IPVideo)及VoIP应用，而芯片保证所有的用户都在于AES的保密协议之下进行传输，同时上传带宽使用率可藉由动态带宽分配(DynamicBandwidthAllocation，DBA)管理，而且芯片也完全支持IEEE802.3ah的标准，主要考虑到与其它基于IEEE802.3ah标准所设计之芯片间的互通性。