[圖]構(gòu)建穩(wěn)健GEPON系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

　  
     隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，“最后一公里”的瓶頸問題變得越來越突出。因此千兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（GEPON）作為接入網(wǎng)最優(yōu)化的解決方案越來越多吸引人們的關(guān)注。建立安全、穩(wěn)定的GEPON接入平臺越來越顯得重要和迫切。本文介紹了GEPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)優(yōu)勢及其應(yīng)用前景。通過對系統(tǒng)業(yè)務(wù)、系統(tǒng)構(gòu)架的分析，探討了GEPON在應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。

一. 引　言

　　隨著Internet的高速發(fā)展，用戶在不斷地增加，出現(xiàn)了IPTV業(yè)務(wù)、各類互聯(lián)網(wǎng)互動業(yè)務(wù)如視頻會議、視頻聊天、網(wǎng)絡(luò)游戲、大文件傳輸業(yè)務(wù)等應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了越來越高的要求。為了滿足用戶對帶寬增長的要求，實現(xiàn)接入網(wǎng)的高速化、寬帶化和智能化，各種接入技術(shù)層出不窮，這些接入技術(shù)中目前被認為最有前途的是光接入技術(shù)（FTTx）。
 
　　無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）由于其易維護、高帶寬、低成本等優(yōu)點成為光接入中的佼佼者，被認為是通過單一平臺綜合接入語音、數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務(wù)的理想物理平臺。以前人們認為將ATM（異步轉(zhuǎn)移模式）技術(shù)和PON技術(shù)相結(jié)合的APON技術(shù)是實現(xiàn)綜合接入的理想模式。然而，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，ATM技術(shù)暴露出效率不高、協(xié)議復(fù)雜等弱點，而IP技術(shù)則日漸興起。由于以太網(wǎng)在傳輸IP業(yè)務(wù)時具有效率高、協(xié)議簡單等優(yōu)點，所以越來越多的人認為將千兆以太網(wǎng)技術(shù)和PON技術(shù)相結(jié)合的GEPON（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）技術(shù)是取代APON（ATM Passive Optical Network），實現(xiàn)高速、寬帶、綜合接入的理想途徑。
 
　　當(dāng)前，光纖建設(shè)在“核心網(wǎng)”部分已基本完成，正在向接入網(wǎng)推進，最終將實現(xiàn)FTTH的全網(wǎng)光纖化。作為光纖接入網(wǎng)的重要解決方案，GEPON（千兆以太網(wǎng)+無源光網(wǎng)絡(luò)）得到國內(nèi)外運營商和廠商的支持和認可，以其遠遠高于現(xiàn)有接入技術(shù)的帶寬向終端用戶提供可靠的數(shù)據(jù)、話音和視頻通信。

二. GEPON的特點

　　GEPON作為一種點到多點的光網(wǎng)絡(luò)，指的是信號的通道從源頭到目的節(jié)點間都是通過無源器件完成的，這些無源的器件包括單模光纖光纜、無源光分束器/耦合器、連接器和接頭等等。它是由IEEE EFM工作組在現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議的基礎(chǔ)上提出，通過較小的修改實現(xiàn)在用戶接入網(wǎng)絡(luò)中傳輸以太網(wǎng)幀。傳統(tǒng)的電信網(wǎng)使用多層結(jié)構(gòu)，IP over ATM、SONET 和 WDM。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)要傳輸IP業(yè)務(wù)，需要使用ATM交換機來構(gòu)成虛鏈路，使用分插復(fù)用器和數(shù)字交叉連接設(shè)備管理SONET環(huán)和點對點的WDM光連接。而Ethernet PON由于放棄了復(fù)雜昂貴的ATM和SONET器件，從而使網(wǎng)絡(luò)大為簡化。 受到越來越多的電信運營商的關(guān)注。同時相對與其他接入技術(shù)相比較，它有很多優(yōu)勢：
　　1） 更長的傳輸距離：GEPON系統(tǒng)允許局端和用戶駐地網(wǎng)間的距離超過20KM，而傳統(tǒng)的xDSL技術(shù)最長的傳輸距離被限制在5.5km以內(nèi)；
　　2） 兼容現(xiàn)有的以太網(wǎng)：以太網(wǎng)技術(shù)，作為迄今為止最成功和成熟的局域網(wǎng)技術(shù)，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。GEPON只是對現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議作一定的補充，基本上是與其兼容的。考慮到以太網(wǎng)的市場優(yōu)勢，GEPON與以太網(wǎng)的兼容性是其最大的優(yōu)勢之一；
　　3） 高帶寬：GEPON可以提供對稱的千兆上下行信道。而目前的接入方式，如傳統(tǒng)撥號的Modem、ISDN、ADSL提供的帶寬一般小于10Mbps,即便是ATM PON，其提供的下行622Mbps，上行共享155Mbps的帶寬比起GEPON,還是有很大的差距 ；
　　4） 相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級。PON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，基本不用維護，長期運營成本和管理成本的節(jié)省很大；PON系統(tǒng)對局端資源占用很少，模塊化程度高，系統(tǒng)初期投入低，擴展容易，投資回報率高；PON系統(tǒng)是面向未來的技術(shù)，大多數(shù)PON系統(tǒng)都是一個多業(yè)務(wù)平臺，對于向全IP網(wǎng)絡(luò)過渡是一個很好的選擇；
　　5） 三網(wǎng)合一的技術(shù)優(yōu)勢：GEPON具有同時傳輸TDM、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播的能力，其中TDM和IP數(shù)據(jù)采用IEEE802.3以太網(wǎng)的格式進行傳輸，而自身廣播的業(yè)務(wù)特定更適合視頻業(yè)務(wù)的傳遞。如果輔以電信級的網(wǎng)管系統(tǒng)，足以保證傳輸質(zhì)量。

　　GEPON是由OLT（光線路終端）、ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）以及ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）等單元構(gòu)成的點到多點系統(tǒng)。其系統(tǒng)拓撲多為星型或樹型分支結(jié)構(gòu)，下行方向（由OLT到ONU）采用廣播方式，每一個ONU將接收到所有下行信息，根據(jù)其MAC地址提取有用信號；上行方向（由ONU到OLT）采用時分方式共享系統(tǒng)，為了避免數(shù)據(jù)碰撞和公平的信道共享，采用OLT分配靜態(tài)或者動態(tài)帶寬的方式，給每個ONU分配一個時間沒有重疊、時隙可變的傳輸窗口，用于ONU數(shù)據(jù)的傳遞。為了實現(xiàn)時隙的管理，IEEE802.3ah中采用了多點控制協(xié)議（MPCP），采用Report 和GATE兩個MAC控制消息來實現(xiàn)。OLT發(fā)送門GATE消息給ONU用來分配時隙。而ONU采用“報告（Report）”消息向OLT獲取時隙或者請求時隙。通過接入控制機制將各個ONU有序接入。GEPON的上、下行信息速率均為1 Gb/s（由于其物理層編碼方式為8B/10B碼，所以其線路碼速率為1.25Gb/s），由一根光纖采用波分復(fù)用實現(xiàn)全雙工通信。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 GEPON系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)和下傳數(shù)據(jù)示意圖
　　從GEPON中功能劃分可以看出，GEPON中較為復(fù)雜的功能主要集中于OLT，而ONU/ONT的功能較為簡單，這主要是為了盡量降低用戶端設(shè)備的成本。

三. GEPON面臨的挑戰(zhàn)以及解決方法

　　千兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(GEPON) 的很大一個優(yōu)勢就是在利用豐富的帶寬開展很多的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，如實現(xiàn)三重服務(wù)（triple play），為最終的三網(wǎng)合一奠定良好的基礎(chǔ)。目前可以開展的業(yè)務(wù)有語音（包括POTS和VoIP）、視頻點播（VOD）、標準電視和高清電視(STV and HDTV), 視頻會議、實時或者準實時的電子交易和數(shù)據(jù)等。針對以上各種不同的業(yè)務(wù)，各電信運營商紛紛推出各種接入業(yè)務(wù)種類，針對不同的用戶需求，在傳輸帶寬、質(zhì)量和價格等方面提供差異性的接入服務(wù)。表1列出了一些基本的業(yè)務(wù)類型以及相應(yīng)的要求。

表1 常見接入業(yè)務(wù)類型及其帶寬需求
　　從表1中我們可以看到：針對不同的業(yè)務(wù)，需要的帶寬不同。對服務(wù)質(zhì)量（QoS）以及服務(wù)等級(CoS)的要求也差異很大。
　　為了確保與IEEE 802的結(jié)構(gòu)兼容，GEPON采用了點到點仿真技術(shù)，使得GEPON介質(zhì)成為一系列點到點鏈接的組合。根據(jù)IEEE 802.3ah規(guī)定，GEPON系統(tǒng)物理層傳輸?shù)氖菢藴实囊蕴W(wǎng)幀，對此，802.3ah標準中采用邏輯鏈路標識方式（LLID），為每個不同的ONU分配一個不同的LLID。這樣每個ONU只能接收帶有自己的LLID的數(shù)據(jù)報，其余的數(shù)據(jù)報丟棄不再轉(zhuǎn)發(fā)。
　　在這樣一個接入網(wǎng)中，每個ONU可能會有一個或者多個用戶，而每個用戶可能會有一種或者多種業(yè)務(wù)。而每個業(yè)務(wù)（如視頻、語音和數(shù)據(jù)）可能會有不同的服務(wù)等級(CoS)，對服務(wù)質(zhì)量（QoS）有不同的要求。
2.1 每個ONU分配一個LLID的分析
　　在這樣的配置中，OLT會分配給每個ONU一個不同的LLID。這樣的話，從帶寬分配機制上來說，將會變成一個分級的帶寬分配結(jié)構(gòu)。上層的OLT負責(zé)ONU的帶寬分配，根據(jù)ONU的請求和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，分配給而每個ONU的一定的帶寬；而ONU根據(jù)自身業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)的要求，再進行帶寬分配。如圖2所示：

圖2 不同等級的帶寬分配方式

　　這種分配方法最大優(yōu)點在于，因為帶寬分配過程中會產(chǎn)生很多MPCP管理幀，而這些幀的傳遞會浪費大量的帶寬。采用這種方法，可以減少管理幀的傳遞，提高帶寬利用率。但是采用分級的帶寬分配的方式，能否滿足傳遞不同業(yè)務(wù)的要求，需要進行進一步探討。

下面我們通過一個簡單的“完全優(yōu)先級隊列”的帶寬分配方式，來考慮現(xiàn)有分配方式的特點，在這種帶寬分配方式中，所有的業(yè)務(wù)只有在更高級別的所有業(yè)務(wù)傳遞完成后才能進行傳遞:
1) ONU中業(yè)務(wù)的搶占式排隊。
　　在這種傳輸機制中，低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)艱難生存。因為當(dāng)OLT分配給ONU的時間窗到達的時候，ONU根據(jù)相應(yīng)的授權(quán)，進行業(yè)務(wù)的傳遞，數(shù)據(jù)的傳遞根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進行排序，逐步發(fā)送。同時還會有源源不斷的新的業(yè)務(wù)加入隊列。當(dāng)新到達的數(shù)據(jù)包擁有更高的優(yōu)先級的時候，它們就會搶占那些正在等待發(fā)送的低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。而這些新到達的業(yè)務(wù)，可能并沒有向OLT請示需要發(fā)送，而OLT也沒有為這樣業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬。這樣他們就會擠占那些低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時隙，而優(yōu)先發(fā)送。那些低級的業(yè)務(wù)就會被迫留在緩存區(qū)內(nèi)等待下次發(fā)送。這樣的狀況可能會發(fā)生很多次，導(dǎo)致低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)會經(jīng)過很多個周期的延遲。如果這個業(yè)務(wù)的優(yōu)先級越低，那么這種時延的時間可能會更長。
　　這種機制帶來的另外的一個問題就是傳輸包的變化。由于上報的數(shù)據(jù)和ONU請求的數(shù)據(jù)不同，傳輸包會和上報內(nèi)容不一致?？紤]到和IEEE 802.3兼容的問題，很有可能會出現(xiàn)以太數(shù)據(jù)無法成幀的尷尬局面。
2) ONU中非搶占式排隊
　　在ONU中使用非搶占式排隊的傳輸機制，會減輕低級業(yè)務(wù)延遲大的局面。但是將會帶來新的問題。在這樣傳輸機制中，OUN會根據(jù)預(yù)先上報的請求的隊列，依次進行數(shù)據(jù)的傳遞。即便是有更高級別的業(yè)務(wù)需要傳遞，ONU也不會響應(yīng)。但是這樣做一個缺點就是由于新的業(yè)務(wù)的傳遞，都要等到上一個傳輸周期完成后，經(jīng)過本次ONU的請求以及OLT的響應(yīng)后才能進行。所以會增加數(shù)據(jù)排隊的時延。表2表明對于高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)時延周期會有1ms。

表2 高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)時延為1ms.
　　非搶占式傳送機制帶來的時延對于那些高級別的業(yè)務(wù)像系統(tǒng)告警、失效指示等等會帶來很大的問題。對于那些如語音、視頻等時延要求小的業(yè)務(wù)來說，這種傳送機制將很難保證這類業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量（QoS）。如ITU-T G.114中對于語音業(yè)務(wù)的規(guī)定一樣，要求語音在接入網(wǎng)中的時延要小于1.5ms, 在GEPON系統(tǒng)中，除非采用特殊的方法，否則時延很難控制在該范圍內(nèi)。
　　通過以上的分析，我們可以看到，如果僅僅采用分配給一個ONU一個LLID的方法，將很難提供SLA的保證，很難保證業(yè)務(wù)的公平性，對業(yè)務(wù)也很難提供保護。
2.2 基于業(yè)務(wù)的LLID分配機制
　　為了解決GEPON系統(tǒng)中分配ONU一個LLID過程中遇到的各種問題，我們采用針對不同業(yè)務(wù)分配不同LLID的方法（如圖3）。該方法是目前簡單而又最有效的方法。這樣一方面消除了在ONU處重新進行帶寬分配和業(yè)務(wù)整合的工作，將所有的工作都統(tǒng)一由OLT進行集中監(jiān)管、調(diào)度和分配。OLT接受來自帶有不同LLID的業(yè)務(wù)上報(Report)的請求，然后通過門（Gate）消息分發(fā)給不同業(yè)務(wù)的授權(quán)。這樣的話，OLT可以很容易的限制一個業(yè)務(wù)的帶寬而給其他的業(yè)務(wù)分配更多的帶寬。在這樣的系統(tǒng)中，ONU也變得非常簡單。當(dāng)然在這種方法中，由于每個業(yè)務(wù)需要分配一個LLID,因此需要占有更多的開銷。

圖3 每種業(yè)務(wù)一個LLID(單級帶寬分配)
　　通過以上方法的改進，保證了各個用戶或業(yè)務(wù)可以保證公平性，有利于保證業(yè)務(wù)的QoS(服務(wù)質(zhì)量)，尤其對時延敏感性業(yè)務(wù)，可以降低接入時延。
2.3 系統(tǒng)構(gòu)建面臨的挑戰(zhàn)

圖4 GEPON系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
　　在GEPON系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，主要有樹形、星形等結(jié)構(gòu)（圖4）。無論采用何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)都是通過OLT、主干光纖（trunk fiber）、分支光纖（branch fiber）然后到達每一個ONU。如果當(dāng)OLT和主干光纖發(fā)生故障整個系統(tǒng)會就陷入癱瘓。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是非常脆弱的，無法適合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)運營的要求。GEPON網(wǎng)絡(luò)故障造成的損失將是十分巨大的，不僅體現(xiàn)在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)無法開展，運營商無法獲取相關(guān)的收益，更為嚴重的是這樣會降低運營商在用戶心中建立起來的信譽，增加用戶的離網(wǎng)率。因此，在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)保護就顯得越來越重要的情況下，對于GEPON采用必要的自動保護倒換（APS），不僅有效的解決業(yè)務(wù)傳遞的連續(xù)性；更可以提高GEPON系統(tǒng)的生存性、穩(wěn)定性；提供業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時進一步提高運營商的收益。

　　為了解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在的缺陷，需要把APS技術(shù)運用到GEPON系統(tǒng)中，建立新型的具有自愈功能的GEPON系統(tǒng)，來滿足運營商運營的要求。GEPON自愈網(wǎng)是基于傳統(tǒng)的GEPON結(jié)構(gòu)所建立的一種新型網(wǎng)絡(luò)，它與傳統(tǒng)的GEPON系統(tǒng)相比，具有控制簡單、生存性強等突出特點。所謂網(wǎng)絡(luò)自愈，是指無需人為干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)在極短的時間內(nèi)從失效的故障狀態(tài)自動恢復(fù)傳輸所攜帶的業(yè)務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)具備一種可替代的傳輸路由。
具有自愈功能的GEPON系統(tǒng)主要針對系統(tǒng)應(yīng)用中的一些故障做保護，GEPON系統(tǒng)的故障可以分為線路故障、設(shè)備故障兩大類。

線路故障：主要分成主干光纖故障和枝干光纖故障。
　　◆ 主干光纖故障或光纖插損過大：由于GEPON系統(tǒng)是通過光纖傳遞和很多無源光器件進行傳輸?shù)?，因此主干光纖或者光無源器件發(fā)生故障時，會影響整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳遞。主干光纖的故障主要有光纖斷裂或者損壞，或者由于外界的力量產(chǎn)生扭曲、變形導(dǎo)致插損超過門限值導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。該類型的故障導(dǎo)致的后果就是整個系統(tǒng)無法正常工作，因此必須杜絕發(fā)生。該類型的故障優(yōu)先級最高；
　　◆ 枝干光纖故障：枝干光纖的故障也主要是光纖斷裂或者插損過大。該類故障將會導(dǎo)致一個或者多個ONU業(yè)務(wù)無法傳遞。相對與主干光纖斷裂，該類故障的優(yōu)先級較低，應(yīng)盡量避免發(fā)生。

設(shè)備故障：主要有OLT故障和ONU故障兩大類。
　　1) OLT故障：OLT作為GEPON的核心，不僅要完成所有ONU的認證、鑒權(quán)、管理等等工作，而且還有負責(zé)OUN的測距、動態(tài)帶寬分配（DBA）以及數(shù)據(jù)的交換。如果OLT出現(xiàn)故障，連接到該OLT的所有ONU都無法正常工作。OLT故障的原因有很多，有可能是硬件的，也可能是軟件的；有可能是芯片的，也有可能是模塊的；有可能是光路的，也可能是電路的，等等。該類型的故障導(dǎo)致的后果就是整個系統(tǒng)無法正常工作，因此必須杜絕發(fā)生。該類型的故障優(yōu)先級最高；

　　2) ONU故障：ONU作為用戶與外界數(shù)據(jù)交換的平臺，負責(zé)用戶業(yè)務(wù)的傳遞。如果ONU出現(xiàn)故障，將會影響該用戶的所有業(yè)務(wù)，一般情況下不會對整個網(wǎng)絡(luò)造成影響。其影響一般是個體的、少數(shù)的。相對與OLT故障，該類故障的優(yōu)先級較低，應(yīng)盡量避免發(fā)生。

四. 總結(jié)
　　千兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)還處于商業(yè)運營的起始階段，但是它的優(yōu)勢已經(jīng)逐步被大家認可。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速的增長，以及以太網(wǎng)逐漸向城域網(wǎng)演進，都極大地推動了GEPON系統(tǒng)在接入網(wǎng)中的應(yīng)用。對GEPON系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用中的問題做充分考慮,可以使整個系統(tǒng)應(yīng)用獲得良好的穩(wěn)健性和可靠性。


摘自：光纖在線