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面向FTTP的EPON技术解决方案
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－北京格林威尔科技发展有限公司 郭巍
摘要：随着EPON技术的逐渐成熟，它在满足FTTP应用方面的技术手段也不断丰富和完善。本文介绍了格林威尔公司自主研发的EPON系统，在丰富接入业务种类、保证业务质量、维护网络安全、便捷网络维护等方面的特色功能。这些功能很好地适应了FTTP市场需求。
1引言
EPON技术为解决“最后一公里”问题而生，它不仅继承了以太网设备成本低廉、操作和维护简单的特点，更提供了丰富的接入带宽和扩展空间。在FTTP应用的市场环境中，商业用户不仅看重高带宽接入，更重视高质量的网络运营。EPON要想在这个市场中有所作为，不仅要“价廉”，还要“质优”。格林威尔科技发展有限公司自2001年便开始了EPON技术的研究与产品的开发，在历经了几代的EPON产品开发之后，已经形成了丰富的EPON产品线，包括分别满足FTTH/FTTB/FTTP市场的局端设备以及远端机型。针对FTTP应用的EPON产品，在丰富接入业务种类、保证业务质量、维护网络安全、便捷网络维护等方面都颇具特色。下面就从以上四个方面来了解一下EasyPath EPON产品的特点。
2业务种类
图1中展示了EPON全业务接入时的情景，分别为以太网宽带接入、语音业务和专线业务。
图1 EPON系统示意图
2.1宽带接入及基于IP的增值业务
这是EPON提供的基本业务接口，由于得益于以太网技术的流行，RJ-45接口成为最常用的宽带业务接口。IP协议已经成为未来骨干网的支撑协议，以太网由于在支持IP方面简单高效的特点，使其在用户和网络侧的应用都很普遍。根据用户的特点和需要，可以配置1个或多个10/100M自适应的以太网端口，如果用户需要可以配置1000M的以太网端口。网络侧一般配置多个千兆接口，以汇聚多路PON的传输数据。这种高带宽的供给能力是目前ADSL（ADSL+或VDSL）技术所无法比拟的，也为运营商提供各种高带宽消耗的增值业务开通了高速路。
2.2语音业务
谈到EPON的语音方案，首先被大家想到的是VOIP模式，这种基于分组技术的方案与EPON有较好的技术吻合，形成的系统也最适合采用NGN的SS/IMS平台的业务网络。在这种方案中客户端的ONU实际上就是一个接入网关(AG)，或者就可以看做光口IAD，而EPON网络系统是一个透明的二层网络。这时，如果上游网络是NGN，OLT的设计会得到简化，将是一个理想的解决方案。但是当上游网络是PSTN时，就需要在OLT侧完成H.248/SIP到PSTN的V5协议转换(媒体网关MG)，增加了设计复杂性和成本。正是考虑到目前上游网络多是PSTN的情况，格林威尔公司采用基于“PCM over EPON”的专利技术，简化了系统设计，节约了成本。在ONU侧直接提供普通的POTS电话口，语音经PCM编码以后直接打包在EPON中传输。在OLT侧，SNI提供V5/PRI的接口直接与PSTN网络连接。当上游网络是NGN时，在OLT侧实现接入网关(AG)的功能，这样既保护了原有的PSTN网络，又实现了向NGN的平滑升级，是一个两全其美的解决方案。在接入PSTN网络时，PCM的方案较VOIP有明显的成本优势；在接入NGN网络时，PCM的方案由于存在一定的话路收敛比，在OLT侧需要处理的语音路数也大为减少，AG的处理工作量大大减轻。即使将来上游网络全部成为NGN，只要将ONU升级为光口的IAD，设备的投资依然得到了保护。图2分别针对上联NGN网络与PSTN网络两种情况，对VOIP方案与TDM-PCM方案进行了对比。
图2 VOIP和PCM Over EPON方案的比较
2.3专线业务
E1专线：由于商业客户可能存在遗留设备需要利用，或组建专网的需要，都可能用到E1专线的业务。而支持TDM业务的能力问题，也是人们认为EPON逊于GPON的一个因素。格林威尔公司基于“TDM over EPON”的专利技术，在EPON系统内以较低的成本提供等效PDH网络性能的E1专线业务，极大地扩展了EPON在FTTP领域的适应能力。具备E1接口的ONU可以连接用户的电话交换机，扩展V.35接口的ONU可以连接路由器构建客户的专网。图3为TDM Over EPON的原理框图，PON网络透明传输承载E1的以太网帧，提供高优先级、低时延抖动的网络传输，E1模块依靠自身的自适应时钟恢复功能，实现了E1数据和时钟的传输。
图3 TDM Over EPON的原理框图
以太网专线：透明传输的以太网通道，不经过PON内部的交换芯片，直接由PON MAC层芯片进行隔离，提供了贯穿EPON内部的以太网数据的传输隧道，可以为需要数据隔离的用户使用。
3业务质量保证
3.1动态带宽分配和端口限速
针对PON上行带宽的使用，可以有两种机制：静态带宽分配和动态带宽分配。静态带宽分配对带宽采取固定配置的方式，系统按照各ONU预定的带宽进行初始配置，运行期间其值保持不变。当EPON承载突发性很强的数据业务时，静态带宽分配的效率是比较低的。动态带宽分配（DBA，Dynamic Bandwidth Assignment）对带宽采取实时调度方式，系统按照ONU实时上报的请求统筹安排，动态调整授权给ONU的带宽，从而充分利用系统资源，同时改善时延等性能。
EPON DBA除了考虑最大限度地利用系统资源，同时还要能够公平地管理控制各用户（ONU）带宽。所谓公平就是出现各用户竞争系统带宽时DBA能够根据用户与运营商签定的合约情况进行带宽分配，用户得到的带宽正比于其付费的多少。因此，格林威尔公司提出了兼顾带宽利用率和公平性的准周期同步轮询动态带宽分配控制方法并应用于EasyPath系统。这种算法可以使用户忙时获得的带宽不低于保证带宽，但也不会高于保证带宽的2倍（视系统负载情况）。
针对EPON下行带宽的使用，EPON的标准中并没有限定分配规则，一般即为先到先服务的共享策略，这种情况可能使某些用户抢占到更多的带宽资源，从而影响其他用户的应用体验。因此，我们对用户端口增加了限速的功能，运营商可以根据用户的服务等级设定最大的下行速率。
3.2队列优先级和队列调度
针对IP承载的不同业务，为了保证服务质量，通过Port、MAC地址、VLAN标签、DSCP字段等多种方式进行业务识别，并划分不同的优先级队列，再根据优先级队列的调度算法，合理分配带宽、保证时延特性。这些调度算法包括严格优先级队列调度（SP），加权循环队列调度（WRR）和SP+WRR算法等。
结合DBA、端口限速、优先级、队列调度以及拥塞控制等多种手段，基于IP的业务质量可以得到较好的保证，基于“TDM/PCM Over EPON”的E1专线和PCM语音业务，由于其技术方案本身已经结合EPON的技术特点作了优化设计，性能已经得到保证。所以，可以说EasyPath EPON较好地解决多业务接入的QoS控制问题，为基于SLA协议的业务提供做好了准备。
4网络安全
4.1光纤保护倒换
网络安全越来越受到客户的重视，保障传输链路的可靠就是一个重要的方面，格林威尔公司为此提出了低成本的EPON干线光纤保护倒换与全光纤保护倒换方案。其中干线保护，是在不增加ONU成本的基础上，通过OLT侧的PON卡多提供一个备用光模块，连接到干线的2：N分路器的另一个主干分支上，来提供干线保护功能，见图4。全保护方案，是通过在OLT的设备上，将激光器直接挂接1：2的分路器，将两根支路光纤送出机房，在远端分别接分路器，再连接到ONU上，需要保护的ONU只需同时接在两个分路器的支路上即可，无需保护的ONU可以只挂接一个分路器的分支上，这样便灵活实现了同一个网络中，对ONU可以有选择的进行保护，见图5。这两种灵活便捷的保护方式均集成在GW的EPON专用芯片上。
图4 干线保护倒换方案
图5 全保护倒换方案
4.2 PON口数据安全
EPON系统下行方向采用广播方式，恶意用户很容易截获系统中其它用户的信息。为提高用户数据的保密性，必须采用某种加密措施。格林威尔公司一直积极参与中国电信组织的EPON系统互通测试，作为国内的EPON芯片提供商，完整地实现了中国电信提出的三重搅动（Triple Churning）功能。即在EPON系统下行针对每个LLID的数据进行搅动加密，每个LLID都有独立的密钥。搅动由OLT提出密钥更新要求，ONU提供3字节搅动密钥，OLT使用此密钥完成搅动功能。在启用搅动功能后，对所有的数据帧和OAM帧进行搅动。密钥的更新和同步过程采用基于面向厂商扩展OAMPDU帧的方式。
4.3 ONU认证功能
OLT支持基于ONU的MAC地址对ONU合法性进行认证的能力，能够拒绝非法ONU的接入。OLT支持对该功能的开启和关闭配置。对于已被拒绝注册的非法ONU，仍然有一定的尝试注册的机会。在ONU尝试注册失败以后，进入拒绝注册后的静默状态。
5运营维护管理
5.1灵活和统一的管理软件
格林威尔的EPON产品线统一在DA网管平台下进行管理，可以集中管理不同地域的多个PON系统，高效地进行配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。除此之外，还有基于Telnet的管理界面、基于CONSOLE口的命令行管理，用于小范围的业务配置、工程开通和故障调试。
5.2边缘智能
边缘智能是格林威尔公司品牌特征，体现在EPON产品线上是为客户提供开通方便、维护便利，依托自己在EPON核心技术上的积累实现了智能开通、在线测量等功能。智能开通是指在OLT芯片内嵌了一个以太网分析仪，在EPON系统中的ONU自动发现完成之后，OLT软件配置芯片内嵌的以太网测试仪自动对该ONU的以太网链路进行带宽、时延、丢包率、链路误码率的测量，输出ONU的通道性能的报告，据此可以快速判断该点是否顺利开通，链路性能是否达标等。在线测量是指在ONU正常运行过程中，可以随时启用OLT芯片内嵌的以太网分析仪产生测试数据，在不中断正常业务的情况下，在线测量某ONU的PON内的链路通断、丢包率、延时等指标，为用户的业务性能提供真实的数据报告，这改变了传统的模式：用户业务中断－>用户投诉－>运营商被动排故；转变为：系统主动测量－>报告产生－>分析－>优化网络－>系统稳定运行，见图6。
图6 在线测量示意图
6小结
综上所述，格林威尔公司的EPON设备，依托自己的EPON核心芯片技术及对客户需求的充分理解与把握，开发的功能全面的EPON产品线设备，有效解决了客户的接入需求，是FTTP的理想解决方案之一。
参考文献：
《电信级多业务EPON系统－EasyPath的技术特色》：陈雪、孙曙和
《EPON双模语音接入方案的价值分析》：孙曙和、邓羽
《如何更有效利用EPON系统解决商业用户的接入需求》：盖鹏飞
《Ethernet Passive Optical Network》：Glen Kramer
来源：由CHINA通信网组稿
摘要：随着EPON技术的逐渐成熟，它在满足FTTP应用方面的技术手段也不断丰富和完善。本文介绍了格林威尔公司自主研发的EPON系统，在丰富接入业务种类、保证业务质量、维护网络安全、便捷网络维护等方面的特色功能。这些功能很好地适应了FTTP市场需求。
1引言
EPON技术为解决“最后一公里”问题而生，它不仅继承了以太网设备成本低廉、操作和维护简单的特点，更提供了丰富的接入带宽和扩展空间。在FTTP应用的市场环境中，商业用户不仅看重高带宽接入，更重视高质量的网络运营。EPON要想在这个市场中有所作为，不仅要“价廉”，还要“质优”。格林威尔科技发展有限公司自2001年便开始了EPON技术的研究与产品的开发，在历经了几代的EPON产品开发之后，已经形成了丰富的EPON产品线，包括分别满足FTTH/FTTB/FTTP市场的局端设备以及远端机型。针对FTTP应用的EPON产品，在丰富接入业务种类、保证业务质量、维护网络安全、便捷网络维护等方面都颇具特色。下面就从以上四个方面来了解一下EasyPath EPON产品的特点。
2业务种类
图1中展示了EPON全业务接入时的情景，分别为以太网宽带接入、语音业务和专线业务。
2.1宽带接入及基于IP的增值业务
这是EPON提供的基本业务接口，由于得益于以太网技术的流行，RJ-45接口成为最常用的宽带业务接口。IP协议已经成为未来骨干网的支撑协议，以太网由于在支持IP方面简单高效的特点，使其在用户和网络侧的应用都很普遍。根据用户的特点和需要，可以配置1个或多个10/100M自适应的以太网端口，如果用户需要可以配置1000M的以太网端口。网络侧一般配置多个千兆接口，以汇聚多路PON的传输数据。这种高带宽的供给能力是目前ADSL（ADSL+或VDSL）技术所无法比拟的，也为运营商提供各种高带宽消耗的增值业务开通了高速路。
2.2语音业务
谈到EPON的语音方案，首先被大家想到的是VOIP模式，这种基于分组技术的方案与EPON有较好的技术吻合，形成的系统也最适合采用NGN的SS/IMS平台的业务网络。在这种方案中客户端的ONU实际上就是一个接入网关(AG)，或者就可以看做光口IAD，而EPON网络系统是一个透明的二层网络。这时，如果上游网络是NGN，OLT的设计会得到简化，将是一个理想的解决方案。但是当上游网络是PSTN时，就需要在OLT侧完成H.248/SIP到PSTN的V5协议转换(媒体网关MG)，增加了设计复杂性和成本。正是考虑到目前上游网络多是PSTN的情况，格林威尔公司采用基于“PCM over EPON”的专利技术，简化了系统设计，节约了成本。在ONU侧直接提供普通的POTS电话口，语音经PCM编码以后直接打包在EPON中传输。在OLT侧，SNI提供V5/PRI的接口直接与PSTN网络连接。当上游网络是NGN时，在OLT侧实现接入网关(AG)的功能，这样既保护了原有的PSTN网络，又实现了向NGN的平滑升级，是一个两全其美的解决方案。在接入PSTN网络时，PCM的方案较VOIP有明显的成本优势；在接入NGN网络时，PCM的方案由于存在一定的话路收敛比，在OLT侧需要处理的语音路数也大为减少，AG的处理工作量大大减轻。即使将来上游网络全部成为NGN，只要将ONU升级为光口的IAD，设备的投资依然得到了保护。图2分别针对上联NGN网络与PSTN网络两种情况，对VOIP方案与TDM-PCM方案进行了对比。
2.3专线业务
E1专线：由于商业客户可能存在遗留设备需要利用，或组建专网的需要，都可能用到E1专线的业务。而支持TDM业务的能力问题，也是人们认为EPON逊于GPON的一个因素。格林威尔公司基于“TDM over EPON”的专利技术，在EPON系统内以较低的成本提供等效PDH网络性能的E1专线业务，极大地扩展了EPON在FTTP领域的适应能力。具备E1接口的ONU可以连接用户的电话交换机，扩展V.35接口的ONU可以连接路由器构建客户的专网。图3为TDM Over EPON的原理框图，PON网络透明传输承载E1的以太网帧，提供高优先级、低时延抖动的网络传输，E1模块依靠自身的自适应时钟恢复功能，实现了E1数据和时钟的传输。
以太网专线：透明传输的以太网通道，不经过PON内部的交换芯片，直接由PON MAC层芯片进行隔离，提供了贯穿EPON内部的以太网数据的传输隧道，可以为需要数据隔离的用户使用。
3业务质量保证
3.1动态带宽分配和端口限速
针对PON上行带宽的使用，可以有两种机制：静态带宽分配和动态带宽分配。静态带宽分配对带宽采取固定配置的方式，系统按照各ONU预定的带宽进行初始配置，运行期间其值保持不变。当EPON承载突发性很强的数据业务时，静态带宽分配的效率是比较低的。动态带宽分配（DBA，Dynamic Bandwidth Assignment）对带宽采取实时调度方式，系统按照ONU实时上报的请求统筹安排，动态调整授权给ONU的带宽，从而充分利用系统资源，同时改善时延等性能。
EPON DBA除了考虑最大限度地利用系统资源，同时还要能够公平地管理控制各用户（ONU）带宽。所谓公平就是出现各用户竞争系统带宽时DBA能够根据用户与运营商签定的合约情况进行带宽分配，用户得到的带宽正比于其付费的多少。因此，格林威尔公司提出了兼顾带宽利用率和公平性的准周期同步轮询动态带宽分配控制方法并应用于EasyPath系统。这种算法可以使用户忙时获得的带宽不低于保证带宽，但也不会高于保证带宽的2倍（视系统负载情况）。
针对EPON下行带宽的使用，EPON的标准中并没有限定分配规则，一般即为先到先服务的共享策略，这种情况可能使某些用户抢占到更多的带宽资源，从而影响其他用户的应用体验。因此，我们对用户端口增加了限速的功能，运营商可以根据用户的服务等级设定最大的下行速率。
3.2队列优先级和队列调度
针对IP承载的不同业务，为了保证服务质量，通过Port、MAC地址、VLAN标签、DSCP字段等多种方式进行业务识别，并划分不同的优先级队列，再根据优先级队列的调度算法，合理分配带宽、保证时延特性。这些调度算法包括严格优先级队列调度（SP），加权循环队列调度（WRR）和SP+WRR算法等。
结合DBA、端口限速、优先级、队列调度以及拥塞控制等多种手段，基于IP的业务质量可以得到较好的保证，基于“TDM/PCM Over EPON”的E1专线和PCM语音业务，由于其技术方案本身已经结合EPON的技术特点作了优化设计，性能已经得到保证。所以，可以说EasyPath EPON较好地解决多业务接入的QoS控制问题，为基于SLA协议的业务提供做好了准备。
4网络安全
4.1光纤保护倒换
网络安全越来越受到客户的重视，保障传输链路的可靠就是一个重要的方面，格林威尔公司为此提出了低成本的EPON干线光纤保护倒换与全光纤保护倒换方案。其中干线保护，是在不增加ONU成本的基础上，通过OLT侧的PON卡多提供一个备用光模块，连接到干线的2：N分路器的另一个主干分支上，来提供干线保护功能，见图4。全保护方案，是通过在OLT的设备上，将激光器直接挂接1：2的分路器，将两根支路光纤送出机房，在远端分别接分路器，再连接到ONU上，需要保护的ONU只需同时接在两个分路器的支路上即可，无需保护的ONU可以只挂接一个分路器的分支上，这样便灵活实现了同一个网络中，对ONU可以有选择的进行保护，见图5。这两种灵活便捷的保护方式均集成在GW的EPON专用芯片上。
4.2 PON口数据安全
EPON系统下行方向采用广播方式，恶意用户很容易截获系统中其它用户的信息。为提高用户数据的保密性，必须采用某种加密措施。格林威尔公司一直积极参与中国电信组织的EPON系统互通测试，作为国内的EPON芯片提供商，完整地实现了中国电信提出的三重搅动（Triple Churning）功能。即在EPON系统下行针对每个LLID的数据进行搅动加密，每个LLID都有独立的密钥。搅动由OLT提出密钥更新要求，ONU提供3字节搅动密钥，OLT使用此密钥完成搅动功能。在启用搅动功能后，对所有的数据帧和OAM帧进行搅动。密钥的更新和同步过程采用基于面向厂商扩展OAMPDU帧的方式。
4.3 ONU认证功能
OLT支持基于ONU的MAC地址对ONU合法性进行认证的能力，能够拒绝非法ONU的接入。OLT支持对该功能的开启和关闭配置。对于已被拒绝注册的非法ONU，仍然有一定的尝试注册的机会。在ONU尝试注册失败以后，进入拒绝注册后的静默状态。
5运营维护管理
5.1灵活和统一的管理软件
格林威尔的EPON产品线统一在DA网管平台下进行管理，可以集中管理不同地域的多个PON系统，高效地进行配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。除此之外，还有基于Telnet的管理界面、基于CONSOLE口的命令行管理，用于小范围的业务配置、工程开通和故障调试。
5.2边缘智能
边缘智能是格林威尔公司品牌特征，体现在EPON产品线上是为客户提供开通方便、维护便利，依托自己在EPON核心技术上的积累实现了智能开通、在线测量等功能。智能开通是指在OLT芯片内嵌了一个以太网分析仪，在EPON系统中的ONU自动发现完成之后，OLT软件配置芯片内嵌的以太网测试仪自动对该ONU的以太网链路进行带宽、时延、丢包率、链路误码率的测量，输出ONU的通道性能的报告，据此可以快速判断该点是否顺利开通，链路性能是否达标等。在线测量是指在ONU正常运行过程中，可以随时启用OLT芯片内嵌的以太网分析仪产生测试数据，在不中断正常业务的情况下，在线测量某ONU的PON内的链路通断、丢包率、延时等指标，为用户的业务性能提供真实的数据报告，这改变了传统的模式：用户业务中断－>用户投诉－>运营商被动排故；转变为：系统主动测量－>报告产生－>分析－>优化网络－>系统稳定运行，见图6。
6小结
综上所述，格林威尔公司的EPON设备，依托自己的EPON核心芯片技术及对客户需求的充分理解与把握，开发的功能全面的EPON产品线设备，有效解决了客户的接入需求，是FTTP的理想解决方案之一。
参考文献：
《电信级多业务EPON系统－EasyPath的技术特色》：陈雪、孙曙和
《EPON双模语音接入方案的价值分析》：孙曙和、邓羽
《如何更有效利用EPON系统解决商业用户的接入需求》：盖鹏飞
《Ethernet Passive Optical Network》：Glen Kramer
来源：由CHINA通信网组稿
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