[圖]構建穩健GEPON系統面臨的挑戰

　  
     隨著互聯網業務的快速發展，“最后一公里”的瓶頸問題變得越來越突出。因此千兆以太網無源光網絡（GEPON）作為接入網最優化的解決方案越來越多吸引人們的關注。建立安全、穩定的GEPON接入平臺越來越顯得重要和迫切。本文介紹了GEPON的系統結構、技術優勢及其應用前景。通過對系統業務、系統構架的分析，探討了GEPON在應用中面臨的挑戰。

一. 引　言

　　隨著Internet的高速發展，用戶在不斷地增加，出現了IPTV業務、各類互聯網互動業務如視頻會議、視頻聊天、網絡游戲、大文件傳輸業務等應用，對網絡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，實現接入網的高速化、寬帶化和智能化，各種接入技術層出不窮，這些接入技術中目前被認為最有前途的是光接入技術（FTTx）。
 
　　無源光網絡（PON）由于其易維護、高帶寬、低成本等優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、數據、視頻等多種業務的理想物理平臺。以前人們認為將ATM（異步轉移模式）技術和PON技術相結合的APON技術是實現綜合接入的理想模式。然而，由于數據業務的爆炸式增長，ATM技術暴露出效率不高、協議復雜等弱點，而IP技術則日漸興起。由于以太網在傳輸IP業務時具有效率高、協議簡單等優點，所以越來越多的人認為將千兆以太網技術和PON技術相結合的GEPON（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）技術是取代APON（ATM Passive Optical Network），實現高速、寬帶、綜合接入的理想途徑。
 
　　當前，光纖建設在“核心網”部分已基本完成，正在向接入網推進，最終將實現FTTH的全網光纖化。作為光纖接入網的重要解決方案，GEPON（千兆以太網+無源光網絡）得到國內外運營商和廠商的支持和認可，以其遠遠高于現有接入技術的帶寬向終端用戶提供可靠的數據、話音和視頻通信。

二. GEPON的特點

　　GEPON作為一種點到多點的光網絡，指的是信號的通道從源頭到目的節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工作組在現有IEEE802.3協議的基礎上提出，通過較小的修改實現在用戶接入網絡中傳輸以太網幀。傳統的電信網使用多層結構，IP over ATM、SONET 和 WDM。這種結構的網絡要傳輸IP業務，需要使用ATM交換機來構成虛鏈路，使用分插復用器和數字交叉連接設備管理SONET環和點對點的WDM光連接。而Ethernet PON由于放棄了復雜昂貴的ATM和SONET器件，從而使網絡大為簡化。 受到越來越多的電信運營商的關注。同時相對與其他接入技術相比較，它有很多優勢：
　　1） 更長的傳輸距離：GEPON系統允許局端和用戶駐地網間的距離超過20KM，而傳統的xDSL技術最長的傳輸距離被限制在5.5km以內；
　　2） 兼容現有的以太網：以太網技術，作為迄今為止最成功和成熟的局域網技術，已經在全球范圍內得到廣泛應用。GEPON只是對現有IEEE802.3協議作一定的補充，基本上是與其兼容的?？紤]到以太網的市場優勢，GEPON與以太網的兼容性是其最大的優勢之一；
　　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結構在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設，基本不用維護，長期運營成本和管理成本的節省很大；PON系統對局端資源占用很少，模塊化程度高，系統初期投入低，擴展容易，投資回報率高；PON系統是面向未來的技術，大多數PON系統都是一個多業務平臺，對于向全IP網絡過渡是一個很好的選擇；
　　5） 三網合一的技術優勢：GEPON具有同時傳輸TDM、IP數據和視頻廣播的能力，其中TDM和IP數據采用IEEE802.3以太網的格式進行傳輸，而自身廣播的業務特定更適合視頻業務的傳遞。如果輔以電信級的網管系統，足以保證傳輸質量。

　　GEPON是由OLT（光線路終端）、ONU（光網絡單元）以及ODN（光分配網絡）等單元構成的點到多點系統。其系統拓撲多為星型或樹型分支結構，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，為了避免數據碰撞和公平的信道共享，采用OLT分配靜態或者動態帶寬的方式，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數據的傳遞。為了實現時隙的管理，IEEE802.3ah中采用了多點控制協議（MPCP），采用Report 和GATE兩個MAC控制消息來實現。OLT發送門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用實現全雙工通信。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 GEPON系統上傳數據和下傳數據示意圖
　　從GEPON中功能劃分可以看出，GEPON中較為復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備的成本。

三. GEPON面臨的挑戰以及解決方法

　　千兆以太網無源光網絡(GEPON) 的很大一個優勢就是在利用豐富的帶寬開展很多的業務和應用，如實現三重服務（triple play），為最終的三網合一奠定良好的基礎。目前可以開展的業務有語音（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據等。針對以上各種不同的業務，各電信運營商紛紛推出各種接入業務種類，針對不同的用戶需求，在傳輸帶寬、質量和價格等方面提供差異性的接入服務。表1列出了一些基本的業務類型以及相應的要求。

表1 常見接入業務類型及其帶寬需求
　　從表1中我們可以看到：針對不同的業務，需要的帶寬不同。對服務質量（QoS）以及服務等級(CoS)的要求也差異很大。
　　為了確保與IEEE 802的結構兼容，GEPON采用了點到點仿真技術，使得GEPON介質成為一系列點到點鏈接的組合。根據IEEE 802.3ah規定，GEPON系統物理層傳輸的是標準的以太網幀，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的數據報，其余的數據報丟棄不再轉發。
　　在這樣一個接入網中，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務。而每個業務（如視頻、語音和數據）可能會有不同的服務等級(CoS)，對服務質量（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構。上層的OLT負責ONU的帶寬分配，根據ONU的請求和網絡現狀，分配給而每個ONU的一定的帶寬；而ONU根據自身業務種類和業務的要求，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點在于，因為帶寬分配過程中會產生很多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務的要求，需要進行進一步探討。

下面我們通過一個簡單的“完全優先級隊列”的帶寬分配方式，來考慮現有分配方式的特點，在這種帶寬分配方式中，所有的業務只有在更高級別的所有業務傳遞完成后才能進行傳遞:
1) ONU中業務的搶占式排隊。
　　在這種傳輸機制中，低優先級的業務艱難生存。因為當OLT分配給ONU的時間窗到達的時候，ONU根據相應的授權，進行業務的傳遞，數據的傳遞根據業務的優先級進行排序，逐步發送。同時還會有源源不斷的新的業務加入隊列。當新到達的數據包擁有更高的優先級的時候，它們就會搶占那些正在等待發送的低優先級的數據。而這些新到達的業務，可能并沒有向OLT請示需要發送，而OLT也沒有為這樣業務預留帶寬。這樣他們就會擠占那些低優先級業務的時隙，而優先發送。那些低級的業務就會被迫留在緩存區內等待下次發送。這樣的狀況可能會發生很多次，導致低優先級的業務會經過很多個周期的延遲。如果這個業務的優先級越低，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。由于上報的數據和ONU請求的數據不同，傳輸包會和上報內容不一致?？紤]到和IEEE 802.3兼容的問題，很有可能會出現以太數據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，會減輕低級業務延遲大的局面。但是將會帶來新的問題。在這樣傳輸機制中，OUN會根據預先上報的請求的隊列，依次進行數據的傳遞。即便是有更高級別的業務需要傳遞，ONU也不會響應。但是這樣做一個缺點就是由于新的業務的傳遞，都要等到上一個傳輸周期完成后，經過本次ONU的請求以及OLT的響應后才能進行。所以會增加數據排隊的時延。表2表明對于高優先級的業務時延周期會有1ms。

表2 高優先級的業務時延為1ms.
　　非搶占式傳送機制帶來的時延對于那些高級別的業務像系統告警、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務來說，這種傳送機制將很難保證這類業務的傳輸質量（QoS）。如ITU-T G.114中對于語音業務的規定一樣，要求語音在接入網中的時延要小于1.5ms, 在GEPON系統中，除非采用特殊的方法，否則時延很難控制在該范圍內。
　　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，很難保證業務的公平性，對業務也很難提供保護。
2.2 基于業務的LLID分配機制
　　為了解決GEPON系統中分配ONU一個LLID過程中遇到的各種問題，我們采用針對不同業務分配不同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務整合的工作，將所有的工作都統一由OLT進行集中監管、調度和分配。OLT接受來自帶有不同LLID的業務上報(Report)的請求，然后通過門（Gate）消息分發給不同業務的授權。這樣的話，OLT可以很容易的限制一個業務的帶寬而給其他的業務分配更多的帶寬。在這樣的系統中，ONU也變得非常簡單。當然在這種方法中，由于每個業務需要分配一個LLID,因此需要占有更多的開銷。

圖3 每種業務一個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務可以保證公平性，有利于保證業務的QoS(服務質量)，尤其對時延敏感性業務，可以降低接入時延。
2.3 系統構建面臨的挑戰

圖4 GEPON系統的網絡拓撲結構
　　在GEPON系統的網絡拓撲結構中，主要有樹形、星形等結構（圖4）。無論采用何種網絡結構，業務都是通過OLT、主干光纖（trunk fiber）、分支光纖（branch fiber）然后到達每一個ONU。如果當OLT和主干光纖發生故障整個系統會就陷入癱瘓。這樣的網絡結構是非常脆弱的，無法適合現代網絡運營的要求。GEPON網絡故障造成的損失將是十分巨大的，不僅體現在現有的業務無法開展，運營商無法獲取相關的收益，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，增加用戶的離網率。因此，在當今網絡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），不僅有效的解決業務傳遞的連續性；更可以提高GEPON系統的生存性、穩定性；提供業務的服務質量，同時進一步提高運營商的收益。

　　為了解決現有網絡系統中存在的缺陷，需要把APS技術運用到GEPON系統中，建立新型的具有自愈功能的GEPON系統，來滿足運營商運營的要求。GEPON自愈網是基于傳統的GEPON結構所建立的一種新型網絡，它與傳統的GEPON系統相比，具有控制簡單、生存性強等突出特點。所謂網絡自愈，是指無需人為干預，網絡在極短的時間內從失效的故障狀態自動恢復傳輸所攜帶的業務，使網絡具備一種可替代的傳輸路由。
具有自愈功能的GEPON系統主要針對系統應用中的一些故障做保護，GEPON系統的故障可以分為線路故障、設備故障兩大類。

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系統是通過光纖傳遞和很多無源光器件進行傳輸的，因此主干光纖或者光無源器件發生故障時，會影響整個系統的業務傳遞。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生扭曲、變形導致插損超過門限值導致業務中斷。該類型的故障導致的后果就是整個系統無法正常工作，因此必須杜絕發生。該類型的故障優先級最高；
　　◆ 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。該類故障將會導致一個或者多個ONU業務無法傳遞。相對與主干光纖斷裂，該類故障的優先級較低，應盡量避免發生。

設備故障：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、管理等等工作，而且還有負責OUN的測距、動態帶寬分配（DBA）以及數據的交換。如果OLT出現故障，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。該類型的故障導致的后果就是整個系統無法正常工作，因此必須杜絕發生。該類型的故障優先級最高；

　　2) ONU故障：ONU作為用戶與外界數據交換的平臺，負責用戶業務的傳遞。如果ONU出現故障，將會影響該用戶的所有業務，一般情況下不會對整個網絡造成影響。其影響一般是個體的、少數的。相對與OLT故障，該類故障的優先級較低，應盡量避免發生。

四. 總結
　　千兆以太網無源光網絡還處于商業運營的起始階段，但是它的優勢已經逐步被大家認可。數據業務快速的增長，以及以太網逐漸向城域網演進，都極大地推動了GEPON系統在接入網中的應用。對GEPON系統網絡設計和應用中的問題做充分考慮,可以使整個系統應用獲得良好的穩健性和可靠性。


摘自：光纖在線