FTTH - EPON

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**以太网无源光网络**（EPON）是一种PON，它使用以太网封装数据，并可以提供1 Gbps到10 Gbps的容量。EPON遵循PON的原始架构。在这里，连接到树干的DTE被称为**光线路终端**（OLT），如下图所示。

它通常位于服务提供商处，而连接到树枝的DTE分支被称为**光网络单元**（ONU），位于用户的场所。来自OLT的信号通过无源分路器到达ONU，反之亦然。

第一英里的以太网

标准化过程始于2000年11月成立了一个新的研究小组，名为**第一英里的以太网**（EFM），其主要目标是研究以太网点到多点（P2MP）光纤与以太网铜缆。以太网在点到点（P2P）光纤上和网络操作系统、管理和维护（OAM）上的应用，以促进网络操作和故障排除。EFM工作组于2004年6月完成标准化过程，批准了**IEEE Std 802.3ah**。

EFM（第一英里的以太网）的产品。一种基于以太网的PON技术。它基于一个主要标准——IEEE 802.3ah。基于多点控制协议（MPCP），定义为MAC控制子层内的功能，用于控制对P2MP拓扑的访问。

EPON/MPCP协议的基础在于点到点（P2P）仿真子层。其传输速率为→对称1.25G；距离：10KM/20KM；分路器比率：> 1:32。EFM指出了基于以太网作为核心技术的EPON的许多优点，包括协议成熟度、技术简单、扩展灵活性和用户导向。

EPON系统不选择昂贵的ATM硬件和SONET设备，使其与现有的以太网网络兼容。它简化了系统结构，降低了成本，并使其易于升级。设备供应商专注于优化功能和实用性。

BPON ATM系统

基于BPON ATM的系统已被证明效率非常低，因为接入网络中绝大多数流量由大型IP帧和可变大小组成。这为开发基于纯以太网的EPON、**支持QoS的千兆以太网**以及与其他新兴以太网设备的经济高效集成创造了机会。事实证明，以太网是IP流量的理想传输方式。

因此，IEEE 802.3ah标准802.3指示“第一英里的以太网”工作组开发点到点和点到多点接入网络的标准，后者表示以太网PON。EPON目前是以太网标准的一部分。

**FSAN成员（Quantum Bridge，Al）**提出ATM/以太网PON解决方案后，无源光网络（GPON）即千兆位标准（G.984系列）的开发才真正开始。Gbps与协议无关，在IEEE 802.3ah工作组中并不流行。FSAN决定将其作为与ITU竞争的不同标准。

在涉及运作良好的通用概念（操作PON**光分配网络**（ODN）、波长规划和应用）时，EPON和GPON大量借鉴了BPON的标准G.983。它们都提供了各自版本的增强功能，以更好地适应不同速率Gbps的可变大小IP/以太网帧。

IEEE 802.3ah以太网标准指定了接入网络，也称为第一英里的以太网。IEEE802.3ah的第五部分构成了与服务和协议元素定义相对应的IEEE Std 802.3。它允许在用户接入网络中的站点之间交换IEEE 802.3格式的帧。

EPON的概念

EFM引入了EPON的概念，其中使用无源光分路器实现点到多点（P2MP）网络拓扑。然而，以太网点到点光纤以合理的价格提供了最高的带宽。以太网点到多点光纤以较低的成本提供相对较高的带宽。IEEE Std 802.3ah的目的是扩展以太网的应用，将其纳入用户接入网络，以显著提高性能，同时最大限度地降低设备操作和维护成本。

IEEE 802.3ah EFM标准的完成大大扩展了以太网传输在接入和城域网中的应用范围。该标准允许服务提供商为接入和城域网提供宽带以太网服务提供各种灵活且经济高效的解决方案。

EFM涵盖了一系列在介质类型和信号速度方面不同的技术——它被设计用于部署在FSM介质类型或多个FSM介质的网络中，以及与混合的10/100/1000/10000 Mb/s以太网网络交互。IEEE 802.3中定义的任何网络拓扑都可以在用户的场所使用，然后连接到以太网用户接入网络。EFM技术允许不同类型的拓扑以实现最大的灵活性。

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ah包括用户以太网接入网络的规范，IEEE Std 802.3ah EPON支持每个信道的标称速率约为1 Gb/s（可扩展到10 Gb/s）。它们由两个波长定义：一个用于下行链路的波长，另一个用于用户设备之间共享的上行链路方向。

EFM支持全双工链路，因此可以定义一个全双工简化的介质访问控制（MAC）。以太网体系结构将物理层划分为**物理介质相关**（PMD）、**物理介质连接**（PMA）和**物理编码子层**（PCS）。

EPON使用适当的扩展来实现P2MP网络拓扑，这些扩展用于底涂和协调子层MAC控制以及光纤底层物理介质相关（PMD），以支持此拓扑。

物理层

对于P2MP拓扑，EFM引入了一系列物理层的信号系统，这些系统源自1000BASE-X。但是，它包括RS、PCS和PMA的扩展，以及可选的**前向纠错**（FEC）功能。1000BASE-X PCS和PMA子层映射接口的特性。PMD子层（包括MDI）提供底涂协调预期的服务。1000BASE-X可以扩展以支持其他全双工介质——只需要环境与PMD级别一致即可。

介质加载接口（MDI）

它是PMD和物理介质之间的接口。它描述了信号、物理介质以及机械和电气接口。

物理介质相关（PMD）

PMD负责与传输介质的接口。根据连接的物理介质的性质，PMD生成电信号或光信号。通过PON的1000BASE-X连接至少可以达到10公里和20公里（底涂1000BASE-PX10和1000BASE-PX20 PMD）提供P2MP。

在PON以太网中，D和U后缀表示链路两端的PMD，它们在这些方向上进行传输并在相反方向上接收，即单个下行链路PMD被标识为1000BASE-PX10-D，上行链路1000BASE-PX10 U PMD。相同的纤维同时用于两个方向。

1000BASE-PX-U PMD或1000BASE-PX-D PMD连接到相应的PMA 1000BASE-X并通过MDI进行支持。PMD可以选择性地与可以通过管理接口访问的管理功能组合。为了允许在10公里或20公里Pons的情况下进行升级，1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMD和PMDU彼此之间可以互操作。

物理介质连接（PMA）

PMA包括传输、接收、时钟恢复和对齐功能。PMA为PCS提供了一个独立的中间途径，以支持使用一系列面向位的物理介质系列。物理编码（PCS）子层包含位编码功能。PCS接口是**千兆位媒体独立接口**（GMII），它为所有1000 Mb/s PHY的实现提供了一个统一的接口到协调子层。

千兆位媒体独立接口（GMII）

GMII接口指的是**千兆位MAC层**和**物理层**之间的接口。它允许多种DTE与各种千兆位速度**物理层**实现混合使用。PCS服务接口允许1000BASE-X PCS将信息传输到PCS客户并从PCS客户传输信息。PCS客户包括MAC（通过协调的底涂）和中继器。PCS接口被精确地定义为千兆位媒体独立接口（GMII）。

**协调子层**（RS）确保匹配定义服务介质访问控制的GMII信号。GMII和RS用于提供独立的介质，以便可以将相同的介质访问控制器与任何类型的铜和光PHY一起使用。

数据链路层（多点MAC控制）

MAC控制协议被指定为支持和新功能同时在标准中实施和添加。它是多点控制协议（MPCP）的情况。对P2MP的管理协议是多点控制协议定义的功能之一。

实施多点MAC控制功能以访问包含点到多点物理层设备的用户设备。通常，MAC仿真权限在OLT和ONU之间提供点到点服务，但现在还包含一个额外的实例，其通信目标是同时针对所有ONU。

MPCP（多点控制协议）

MPCP 非常灵活，易于实现。MPCP 使用五种类型的消息（每条消息都是 MAC 控制帧），ONU/ONT 报告多个数据包边界，OLT 在数据包边界上授予权限——没有分界开销。

MPCP 指示 OLT 和与点到多点 (P2MP) PON 部分关联的 ONU 之间的系统，以允许在向上行方向上有效地传输信息。

MPCP 执行以下功能 -

• MPCP 控制自动发现过程。
• 将时隙/带宽分配给 ONT。
• 提供时间参考以同步 ONT。

MPCP 引入了五种新的 MAC 控制消息 -

• 门控、报告
• 注册请求
• 注册
• 注册确认
• 自动发现

消息发现序列摘要

下图描述了消息发现序列摘要。

DBA EPON

在 EPON 中，OLT 和 ONY 之间的通信被视为下行，OLT 使用整个带宽向下广播数据到 ONT，而在另一端，ONT 使用以太网帧中提供的信息接收帧。来自 ONT 到 OLT 的上行链路使用单通道通信，这意味着多个 ONT 将使用一个通道，这意味着数据冲突。

为了避免此问题，需要有效的带宽分配方案，该方案可以同时为 ONT 平等分配资源并确保 QoS，此方案称为**动态带宽分配**(DBA) 算法。DBA 使用报告和门控消息来构建要传达给 ONT 的传输调度。

DBA 特性

EPON 的一个重要特性是使用不同的 DBA 分配提供具有最佳 QoS 和有效带宽分配的不同服务，以满足当前和未来应用程序的需求。

目前，EPON 提供了以下两种不同的 DBA 算法 -

• 第一个是用于适应流量波动。
• 第二个是为不同类型的流量提供 QoS。

其他特性包括避免帧冲突、通过 QoS 管理实时流量以及管理每个用户的带宽以及减少低优先级流量的延迟。

EPON 帧格式

EPON 操作基于以太网 MAC，EPON 帧基于 GbE 帧，但需要扩展 -

• **第 64 条** - **多点控制协议** PDU。这是实现所需逻辑的控制协议。

• **第 65 条** - 点到点仿真（协调）。这使得 EPON 看起来像一个点到点链路，并且 EPON MAC 有一些特殊的约束。

• 它们在获得授权时传输，而不是使用 CSMA/CD。

• 通过 MAC 堆栈的时间必须恒定（± 16 位持续时间）。

• 必须维护准确的本地时间。

EPON 头部

标准以太网以一个基本上无内容的 8B 前导码开始 -

• 7B 交替的 1 和 0 10101010
• 1B 的 SFD 10101011

为了隐藏新的 PON 头部，EPON 覆盖了一些前导码字节。

**LLID 字段**包含以下因素 -

模式 (1b) -

• 对于 ONU 始终为 0
• OLT 单播为 0，OLT 多播/广播为 1

实际逻辑链路 ID (15b) -

• 标识已注册的 ONU
• 广播为 7FFF

CRC 保护从 SLD（字节 3）到 LLID（字节 7）。

安全性

**下行流量**广播到所有 ONU，因此恶意用户很容易重新编程 ONU 并捕获所需帧。

**上行流量**没有暴露给其他 ONU，因此不需要加密。不要考虑光纤窃听器，因为 EPON 没有提供任何标准的加密方法，但是 -

• 可以补充使用 IPsec 或 MACsec，以及
• 许多供应商添加了专有的基于 AES 的机制。

BPON 使用了一种称为**抖动**的机制——抖动是一种低成本的硬件解决方案（24b 密钥），具有几个安全缺陷，例如 -

• 引擎是线性的——简单的已知明文攻击。
• 事实证明，24b 密钥可以在 512 次尝试中导出。

因此，G.983.3 添加了 AES 支持，现在在 GPON 中使用。

QoS – EPON

许多 PON 应用程序需要高 QoS（例如 IPTV），EPON 将 QoS 留给更高级别的层，例如 -

• VLAN 标签。
• P 位或 DiffServ DSCP。

除了这些之外，LLID 和端口 ID 之间存在一个关键区别 -

• 每个 ONU 始终有 1 个 LLID。
• 每个输入端口有 1 个端口 ID——每个 ONU 可能有多个。
• 这使得在 PON 层轻松实现基于端口的 QoS。

EPON 与 GPON

下表显示了 EPON 和 GPON 的比较特性 -

下图显示了 EPON 和 GPON 的不同结构 -