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无源光网络中提供服务质量的分析
Djafar K. Mynbaev
摘要
在现今社会，本地网络承受着巨大的压力，需要为客户提供全球电信基础设施的接入。为了缓解这种压力，各种版本的宽带接入网已经开发出来。其中，光接入网提供最多有望在未来立即解决访问问题。目前，这些光接入网大多以无源光网络(PONs)的形式实现。本文分析了桥接器提供的服务质量(QoS)。我们首先介绍PON的工作原理，架构，拓扑结构，协议和标准，设计问题，和网络管理和服务。通过这个介绍，我们考虑提供带宽等QoS参数分配、延迟(响应)时间、安全性和可用性。我们还讨论了PON的生命线服务和生存能力，并对基于atm和以太网络的PON的QoS提供进行了比较。
绪论
我们定义访问网络连接运行设备的客户,或中央处理单元,到最近的开关设备,如电话公司的中央办公室(CO),一个有线电视头端(他)、ATM、以太网交换机、或任何其他接口,最终导致了全球电信网络。接入网是连接订阅者的站点和提供者的主站点的任何网络。传统接入网的一个完美例子是电信公司的双绞线网络，它将各个电话连接到一个中央办公室。
“宽带”一词今天应用于网络或能够提供高速(通常为600 kbit/s或更高)传输的单个传输链路。宽带接入网可分为有线和无线两大类。有线网络包括基于电话线路的数字用户线(DSL)、电力线、有线电视的混合光纤同轴网络和光接入网。今天的无线网络依靠三种不同的技术，基于射频和微波波段、太赫兹范围的频谱和自由空间的光学链路。
业界普遍认为，在现阶段，只有有线光网络才能作为最有希望的接入解决方案。然而，今天在美国，只有不到10%的商业建筑通过光纤与CO、HE或其他网关相连。另一方面，像光纤到现场(FTTP)这样的项目——目前由威瑞森、贝尔南方和sbp实施——使光纤接入网络成为商业现实。
光接入网包括四种不同类型:有线无源、有线有源、混合光纤同轴电缆(HFC)和自由空间(无线)光网络。过去十年，香港已安装了HFC网络，向居民提供有线电视服务;在过去的十年中，这些网络被重新设计，使它们能够使用电缆调制解调器技术提供高速互联网连接。尽管最近有很多商业产品在做广告，但自由空间光接入仍处于宽带发展的初级阶段。
有线光网络目前正在开发和部署两种主要版本:有源光网络(AONs)和无源光网络(PONs)。AON在从CO或HE到客户的过程中分发活动和智能组件。这些活动设备可能位于分布网络的边缘——也就是说，靠近客户的办公场所——以提供更大的灵活性来交付各种服务，实现所需的性能特性，并提供更好的服务质量(QoS)。
PON架构意味着仅在网络链路的末端使用有源组件(发射机、接收机和放大器)。整个外部设备(OSP)，也称为光配电网(ODN)。光接入网在美国和其他发达国家的部署过程中。
由于PON是当今一项主要的商业技术，所以本论文主要关注无源光网络(PON)。我们省略了有关光通信技术的详细讨论;这样的讨论可以在任何一本书中找到。
无源光网络
PON的基本结构相对简单:光线路终端(OLT)通过光纤传输光信号。这种光信号通过光网络单元(ONU)转换成电子格式，也称为光网络终端(ONT)。这些设备的输出为客户设备(CPE)提供电信号。有源光电设备位于发送端(OLT)和接收端(ONU)只包括终端，而光配电网(外部光纤厂和分配器)只包括无源元件。PON的物理布局意味着不需要现场维护;因此，运营成本是最小的。
光损耗测试仪位于供应商的CO或HE或任何其他主要站点，外部流量通过PSTN、Internet、CATV、WAN和MAN传输到这些站点。在这里，进入的交通被转换为本地交通，用于办公室或家庭之间的运输。有了无源光网络，所有的智能都存在于光损耗测试仪和光网络单元。
事实上，PON的部署有几种变体。它们只在从ONU到客户办公桌的双绞线长度上有所不同。在目前的发展阶段，还没有任何实际的解决方案可以让电信运营商完全消除双绞线的使用。然而，由于铜线上的传输距离非常短，因此可以使用DSL系统的高速版本(称为VDSL)来提供足够的带宽满足客户的所有需求。在FTTP中，运营商选择了FTTCab架构。
无源光网络的工作原理
架构要求在最大数量的客户之间共享网络设备，使网络运营商能够分摊安装和维护成本。此外，无源光网络的开放架构允许根据需要添加新客户。
无源光网络是一种经典的广播网络;因此，它必须形成一个非循环拓扑—例如树、总线或星星—以避免反馈。目前，最合适的物理PON拓扑结构是树状拓扑。此外,单星型、层次星型和总线拓扑也可用于PON。
所有无源光网络可以细分为两组:一组是基于atm的组，包括APON、BPON和GPON;另一组是基于以太网的组，仅由EPON组成。
这家基于ATM的集团将其发展归功于全服务接入网络(FSAN)联盟的倡议。FSAN联盟由全球领先的电信公司组成，包括运营商和设备制造商。FSAN开发了三个版本的PON: APON、BPON和GPON。APON一词专门指用于传输语音和数据的PON，而BPON则是原始网络的扩展版本，具有丰富的传输能力和附加服务。GPON是一个PON版本，能够提供流量在千兆比特每秒的比特率范围。所有这些基于atm的PON版本都受到ITU-T标准的支持，这些标准称为建议，指定PON的体系结构、设备和传输需求。
从历史上看，当PON开发开始时(1995年)，异步传输模式正在成为所有类型的数据网络中普遍使用的技术。然而，近年来以太网已经成为普遍接受的数据通信标准，它的使用范围从局域网扩展到人，甚至广域网。将以太网的使用扩展到接入网，从而用一个协议覆盖所有规模的数据通信，这似乎非常合乎逻辑。这就是为什么许多制造商开发了另一个版本的PON:以太网over PON (EPON)。由于以太网标准是由IEEE开发并支持的，因此EPON由IEEE 802.3ah工作组的工作支持。
ATM和以太网的根本区别在于ATM更好地支持所有遗留的时分复用(TDM)流量，比如T/E和SONET/SDH，而以太网是一种数据传输而本质上支持面向ip的流量的技术。ATM最关键的问题是ATM组件的制造在今天处于一个相对较低的水平，并且还在继续下降;因此，ATM交换机和网卡比相同的以太网组件要贵得多(大约8倍)。另一方面，以太网继续蓬勃发展，由于其廉价的设备，这种技术无处不在;它还可以与许多遗留技术互操作。更重要的是，以太网现在除了正常的数据传输功能外，还可以支持语音和视频，并且可以在令人满意的服务质量(QoS)级别上实现这一点。以太网帧的可变长度在传输各种类型的数据流量的灵活性方面与定长ATM帧形成了有利的对比。然而，更复杂的是，基于ATM的GPON现在能够承载封装的以太网流量。所有这些考虑使选择光接入网技术的决策复杂化。实际上，FTTP项目选择了基于atm的版本。最终，市场将决定哪种版本的PON会胜出。
安装了PON后，需要对网络进行测距。测距有两种类型:距离和功率。第一种类型的目的是平衡OLT和所有连接之间的传播延迟光网络。这种测距是通过测量单个传播延迟并在每个ONU上设置人工延迟来实现的。由于PON依赖于时分多址(TDMA)机制，距离测距是必要的。功率测距是必要的，因为不同的责任位于不同的距离从OLT。如果将接收器的灵敏度设为最小值(用来检测来自最远发射器的信号)，那么最近的接收器就会饱和。为了避免这种影响，接收器的灵敏度为下游(静态)和上游(动态)传输进行了优化。这一范围最终有助于平衡OLT和所有责任之间的每条路径的信噪比。
基于ATM的桥接协议是使用ATM作为承载协议的网络。下游传输是一个在155.52或622.08 Mbit/s连续的ATM流，数据中插入两个专用的物理层操作、管理和维护单元(PLOAM)流。下游细胞对所有的责任进行多播;每个ONU只提取那些针对它的细胞，而其他的则被丢弃。
在上行方向，基本帧包含53个APON包，称为插槽，每个插槽56字节长。每个槽由一个53字节的ATM单元和一个3字节的开销组成。一个附加的3字节头用于重新同步，一个接一个的突发，锁相环在OLT接收机;它还充当相邻插槽之间的保护时间。此外，在上行帧中插入一个业务多突发插槽(MBS)。
开发媒体访问控制(MAC)
需要协议来优化APON传输的性能特性。但是，为了防止不同onu引起的上游突发冲突，首先需要MAC协议，因为这些帧是通过共享媒体传输的。(很明显,由于所有帧都由一个源(OLT)传输，因此没有必要防止下游流量发生碰撞。对于上行通信，APON提供了一种TDMA机制，通过这种机制，每个ONU在特定的时间将突发数据发送回OLT。
TDMA是通过请求允许机制实现的。对于每个ONU上等待传输的每个ATM单元，向OLT发送带宽请求。OLT将许可证分配给ONU，指定ATM单元的授权传输时间。此许可证是根据网络未使用的带宽和到特定ONU的距离授予的。因此，每个上游ATM单元都有其预定的传输时间。这就是为什么要使用测距延迟均衡。请求通过MBS发送;许可证在每个PLOAM内发送。
Gigabit PON (GPON)是FSAN为促进PON以高于1 Gbit/s的比特率运行而做出的最新努力的结果。GPON的设置满足以下要求:
支持所有类型的服务，包括语音(带有SONET/SDH的TDM)、所有版本的以太网、ATM、租用线路、视频等等。
支持传输距离至少10公里。
支持不同的比特率使用相同的协议。目标比特率包括对称和非对称155/622 Mbit/s、对称1.25 Gbit/s、非对称2.5下游和1.25 Gbit/s上游等。
提供强大的OAM功能，例如端到端服务管理。
尽管PON传输具有组播特性，但仍可为下游流量提供安全保障。
GPON基于gigabit服务需求(GSR)， GSR是领先服务提供商的需求集合。GPON由覆盖GSR的新ITU-T标准(G.984.1和G.984.2)支持;ITU-T和IEEE正在继续这项工作。在开发的这个阶段，GPON能够在保证QoS的前提下，以千兆比特的速率高效传输数据包。GPON还使用GPON封装方法(GEM)封装以太网帧，从而通过网络传输以太网流量。
由于PON是一个广播系统，其中OLT将所有流量传输给每个ONUs，因此除了选择MAC协议提供的适当帧外，还需要提供安全性(保密性)。
这个额外的度量是通过OLT执行的数据加密在APON中完成的。为此目的使用了数据加密标准(DES)。然而，BPON引入了另一种形式的安全操作:使用一个搅动函数在OLT上执行数据置换，在ONU上执行数据重新排序。该系统提供了OLT和每个ONU之间的转换键。我们稍后将讨论EPON，它也使用基于des的加密。另一种加密形式——高级加密标准(AES)——正在考虑在EPON中使用。
EPON，也是ATM无源光网络，包括OLT、ONUs和ODN。EPON被定义为使用光纤和分配器实现的点对多点(P2MP)拓扑。在这里，OLT通常是一个以太网交换机或媒体转换器平台，而ONU通常具有以太网标准的WAN和订阅者接口。
EPON基于以太网标准，并由IEEE.802.3ah规范支持，该规范是在第一英里联盟(EMFA)的以太网中开发的。这些规范——包括点对点铜、点对点光纤、点对多点光纤(EPON)以及操作、管理和维护(OAM)——于2004年6月获得IEEE标准协会(IEEE- sa)的批准。EPON规范定义了多点控制协议(MPCP)、点对点仿真(P2PE)和基于1490/1310 nm波长的物理介质相关(PMD)层，用于传输距离为10公里或20公里。这就是构建EPON系统[7]所需的全部内容。MPCP定义为MAC控制子层中的一个函数。每个ONU包含一个MPCP实例，该实例与OLT中的MPCP实例通信。P2PE作为驻留在MAC层之下的子层在OLT和ONU中实现，它模拟点对点通信。OAM机制包含在EPON协议中。
OLT将所有的通信传输到它的ONUs;ONUs只能看到来自各自OLT的流量，而不能看到由其他ONUs传输的流量;点对点通信只能通过OLT实现。OLT一次只允许传输一个ONU，因此使用TDMA协议，就像基于ATM的无源光网络一样。
OLT和ONU在EPON中的操作如下：
OLT:生成时间戳消息，并将其传输给门控制消息上的所有ONUs，以提供全局时间引用;为新任务生成发现窗口;控制新责任的注册，包括分配逻辑链接ID (LLID);执行测距操作，包括测量往返时间(RTT);为每个ONU分配带宽;提供以太网帧中数据的实际传输。
ONU:执行自动发现过程，包括测距和分配LLID和带宽;使用接收到的时间戳将自己与OLT同步;在允许的时间内在以太网帧中传输用户的数据
所有的传输都是通过以太网帧完成的，这些帧能够携带用户的数据和所有必要的控制信息。如IEEE.802.3规范所定义的那样，这种框架由一个头、有效负载和框架检查序列(FCS)组成。
在下行方向，OLT广播每个ONU根据MAC地址提取的所有数据包，特别是逻辑链路id, OLT还广播64字节的门控制消息来分配上行带宽。在上游方向，每个ONU分配一个传输时隙。这个时隙能够承载多个以太网帧。显然，所有的任务都必须与OLT提供的公共时间引用同步。每个ONU必须缓冲所有用户帧，直到它的时间槽到达。然后ONU以以太网标准比特率(10/100/1000/10,000 Mbit/s)之一“爆破”所有存储帧。ONUs还发送64字节的报告控制消息(在相同的允许时间内)来通知OLT它的状态。上游方向无帧碰撞。此外，EPON中不使用包碎片。
MPCP支持OLT执行的时隙分配。在这个协议中，每个ONU向OLT发送一条64字节的报告消息，报告其状态，比如缓冲区占用情况。基于这些消息，OLT对时隙分配做出决策，并通过GATE消息将其分配的时隙通知每个
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