以太無源光網路（Ethernet-based Passive Opticalnetwork，EPON）是繼ATM無源光網路（APON）之後發展起來的寬頻接入新熱點，是目前解決寬頻接入瓶頸問題的高效接入方案之一。今天的寬頻接入不僅要求能提供高速Internet接入業務，更需要能夠提供多種業務並滿足其Qo S，且價格可以承受，而利用現有的有線電視的光纖網通過波分復用架構的EPON正是這樣一種高性價比寬頻接入方案。
基本介紹
- 中文名：以太無源光網路
- 外文名：Ethernet-based Passive Opticalnetwork
- 學科：計算機套用
- 套用模式：光纖到路邊、到大樓等
- 關鍵技術：光收發器、MAC協定
- 套用：網路通信
簡介,套用模式,關鍵技術和難點,
簡介
一個典型的EPON系統是由OLT(光線路終端)、ONU(光網路單元)、POS(無源分光器)三部分組成。OLT放在中心機房，ONU放在網路接口單元附近或與其合為一體。POS是一個連線OLT和多個ONU的無源設備。在EPON系統中，OLT是一個交換機或路由器，它向上提供到城域網(廣域網)的接口，向下提供連線PON的接口。為了支持IP、ATM、FR甚至傳統的TDM話音業務和T1/ E1業務， OLT可以分別提供吉比特乙太網接口、ATM接口、SDH/SONET甚至WDM接口。OLT除了具有網路集中和接入的功能外，還支持頻寬分配、QoS/SLA、網路安全等功能。
ONU接收從OLT來的光信號，向下提供各種套用接口(如10/100 Mbit/s乙太網接口)，以支持數據、話音和視頻等業務，同時它還負責將上行數據傳送到OLT。另外，ONU還提供乙太網第二層和第三層的交換功能，實現內部的路由選擇。POS是一個簡單的無源設備，用於連線OLT和多個ONU，並進行光功率分配，它不需要電源，可以置於全天候的環境中。一般一個POS的分線率為8、16或32，並可以多級連線。在一個1:16甚至1:32的EPON系統中， OLT到所有ONU間的設計距離最大可達10 km(甚至20 km，具體的傳送距離取決於產品性能及網路結構)。
EPON在單根光纖上採用下行1 550 nm/上行1 310 nm波長組合的波分復用技術，以點到多點的方式來傳輸數據。在一個EPON系統中，下行數據以廣播方式傳輸到各個ONU，ONU只接收目的MAC地址為自身地址的數據包，並向下交換到各連線埠。上行方向的數據傳送則採用時分復用技術，各個ONU在OLT分配給它的時隙內順序傳送，POS集中數據統一傳向OLT。為了避免碰撞，實現信號的同步，OLT和ONU之間要實現自動測距，並根據各個用戶的服務水平協定(Service Level Agreement，SLA)進行頻寬和時隙分配。
EPON具有以下優點:覆蓋範圍廣，OLT到ONU的距離可達20 km;有效使用光纖資源，多個ONU可以最大限度地共用單根接入網骨幹光纖;以較低的成本把光纖最大限度地向用戶靠攏，提供更高的頻寬;由於OLT和ONU之間沒有有源器件，因此避免了供電和維護等問題，大大節省運行維護成本;具有較強的組播和廣播能力;擴展性強，例如，廣播方式有利於提供視頻服務，靈活的無源光分配設計有利於分步實現光纖到大樓、光纖到辦公室甚至光纖到戶等。
套用模式
目前，寬頻接入逐漸成為電信業新的業務增長點。由於EPON與乙太網有很好的兼容性，並具有高頻寬，傳輸距離遠，設備之間沒有有源器件，低成本等優點，因此可以作為一種很好的寬頻接入方式。針對不同的用戶需求，EPON可以有以下幾種套用模式:
光纖到路邊的模式
無源分光器位於戶外，ONU位於路邊。這種模式主要套用於普通住宅小區，一套OLT可以覆蓋大量用戶，在ONU下使用二層交換機或VDSL設備分享頻寬，從而降低每個用戶的接入成本。因為EPON系統可以平滑升級，有利於按照用戶的實際需求，布放節點，從而保護運營商的初期投資。
光纖到大樓的模式
無源分光器位於戶外，ONU位於樓內。在一些高檔寫字樓不方便布放網線的情況下，可以採用EPON+ VDSL系統，通過ONU+ VDSL設備，利用樓內現有的電話線，為客戶提供寬頻接入和PSTN業務。
光纖到樓層的模式
無源分光器位於樓內，ONU位於樓層。這種方式一般可以用於高檔寫字樓，為商業大廈的商務用戶提供可靠、高速的寬頻接入。OLT可以放在某箇中心機房，採用星形組網結構，延伸到附近的多棟大樓，通過ONU直接將頻寬分配給多個用戶終端，也可以在ONU下使用二層乙太網交換機組成區域網路。為了保證商業用戶的數據安全，可以對用戶設定不同的VLAN。針對商業用戶對服務質量要求較高的特點，可以為其設定高優先權和高頻寬，確保在系統繁忙時，用戶仍有一定的QoS保證。
光纖到桌面的模式
無源分光器位於樓內，ONU位於每個用戶的桌面。這種模式主要用於高檔別墅和小區實現光纖到戶(FTTH)，用戶可以享受100 Mbit/s頻寬接入網際網路。OLT可以放在某箇中心機房，系用的星形組網結構延伸到附近的多棟高檔別墅和小區， ONU直接放在用戶的家中。這種套用模式要求ONU的功能儘量簡單，只需要為用戶提供10/ 100 Mbit/ s乙太網接入就可以了。考慮到有些地區房地產界的競爭日益白熱化，光纖到戶可以提升房地產價值，具有廣告效應，所以房地產商也有可能分擔設備投資進行。
在以上幾種模式中，用戶可享用的頻寬從低到高，所需的費用也是從低到高。運營商可以根據用戶的具體需求，混合使用多種模式。EPON還可以有效解決ADSL和LAN接入建設中面臨的問題，以實現寬頻接入的可持續發展。與點對點結構相比， EPON系統可以節省光電轉換器以及大量的光纖，因此其綜合成本具有較大的優勢。如果將EPON與現有寬頻技術如ADSL、LAN、VDSL等技術結合，可以充分發揮EPON的成本優勢，從而以較經濟的方式提高寬頻接入的覆蓋率。在受到出線率限制的區域，進一步發展ADSL的唯一出路是將DSLAM節點下移。但是，採用其它方式下移，將大量占用接入網光纜資源。如果採用EPON技術將DSLAM下移，將可以大大節省骨幹光纜。LAN接入主要是用於信息化小區(大廈)的建設。目前的LAN接入結構是在城域網的接入層、園區中心機房、樓棟甚至樓層都需要設定乙太網交換機，造成設備成本高、管理複雜、實裝率低的局面。採用EPON技術，可以根據需要只在樓棟或樓層設定ONU，中間全部採用無源分光器，大大減少有源設備，具有設備種類少、組網靈活、管理方便等優點，也有利於提高設備實裝率。
最後，採用EPON技術可以分步實現FTTH。在寬頻接入業務起步階段，EPON與ADSL、VDSL技術相結合，既可以在最短的時間內實現ADSL、VDSL的全覆蓋，滿足普通用戶對於高速上網的簡單寬頻需求，又可以經濟地利用ONU直接將商業用戶連線到寬頻網，實現FTTB和FTTO。隨著10 Gbit/ s乙太網技術的成熟，當設備成本下降、用戶對FTTH的需求旺盛時，目前的吉比特EPON系統可以通過升級到10 Gbit/s或通過波分復用方式將頻寬提高數倍，並通過EPON的級聯平滑地向FTTH過渡。
關鍵技術和難點
光收發器的設計
由於每個ONU與中心局的距離可能不同，所以每個ONU傳送的光信號所經歷的衰減也不一樣，到達OLT後光信號的功率也不一樣。為了能夠正確地檢測接收到的比特流，OLT的光接收機應該可以在每一個時隙的開始快速地調整0/ 1檢測門限。另一個解決方案是讓每個ONU調整發射功率，使得OLT從每個ONU接收到的光信號功率是一樣的。這種方法實質上是將所有ONU的性能降低到與離OLT最遠的ONU的性能相同，並要求在OLT和ONU之間有相應的信令協定來傳遞反饋信息，這使得ONU的硬體變得更複雜，在實際的ONU設計中一般不被採用。雖然ONU在沒有得到許可時不會傳輸數據，但是幾個離OLT較近的ONU的雷射器的自發散射噪聲之和也可能對離OLT較遠的ONU的光信號造成很大的影響。因此在不傳輸數據時ONU的雷射器應關閉，而在雷射器開啟後能夠迅速地進入穩定狀態。
MAC協定的設計
MAC協定設計中首先要解決的問題是多址接入方案的選擇。最直接的方法是使用波分復用技術，每個ONU使用一個不同的波長。雖然這種方案比較簡單，但是從近期來看還是比較昂貴的。因為這種方案要求在OLT中使用可調的光接收機或者光接收機陣列來接收各個波長的信號。另外，運營商需要準備不同波長的ONU備件庫。因此，在EPON中採用波分復用技術目前是不太可行的。如果採用CSMA/CD協定，在EPON中也會碰到較大的問題。因為ONU不能檢測到在OLT中是否發生碰撞，這就要求OLT能夠檢測碰撞並通知ONU，但是因為EPON中的傳輸時延較大，這樣會大大降低傳送效率。我們認為TDMA是一種比較經濟的多址方案，它在上行通道只使用一個波長，這樣在OLT中也只需要使用一個波長的光收發器。採用TDMA方式，所有的ONU與一個共同的時鐘保持同步，當ONU接收到用戶的數據包時，首先存儲在快取器中，等到分配給它的時隙，ONU才以全速傳送存儲在快取器中的數據包。在TDMA方式中，時隙分配方案包括靜態和動態兩種。
靜態分配方案的主要優點是簡單，易於實現，但頻寬利用率低。因為每個時隙都是固定分配給每個ONU，即使這個ONU沒有數據要傳，它的時隙也不能給其他ONU使用，所以存在很大的頻寬浪費。動態的分配方案可以很好地解決靜態分配方案效率低的問題。另外，如果在動態的分配方案中考慮每個ONU中瞬時的佇列長度，以及用戶的QoS要求等，可以提供很好的QoS保證，從而為用戶提供SLA。
動態分配方案可以有兩種實現方式:分散式和集中式。在分散式實現方案中，由ONU決定什麼時候送多少數據，與令牌環網有些相似。每個ONU在傳輸數據之前，先送出一個特定的訊息告訴其他的節點它將要傳輸多少數據。下一個要傳輸數據的ONU將會監視前一個ONU的數據傳輸，並為自己的數據傳輸定時，使得自己送出的數據在到達OLT時正好位於前一個ONU數據之後。這樣就避免了碰撞，也就沒有頻寬浪費。但是，分散式方案有一個嚴重的缺陷:它要求ONU之間可以互通。這就有可能對採用的拓撲結構有一定的限制。集中式實現方案假設只有OLT和ONU之間具有連通性，OLT作為集中控制器控制時隙的動態分配。這種實現方式的主要困難是OLT並不知道每個ONU的快取器中存有多少數據。另外數據流量的突發性也使得無法準確預測佇列長度。為了能夠高效地分配時隙並滿足每個ONU的要求，OLT應該準確地知道每個ONU的狀態。一個可能的解決方案是採用請求—許可的方式。當ONU有數據要傳輸時，ONU要先向OLT傳送頻寬請求。OLT將處理來自所有ONU的頻寬請求，並根據每個ONU的頻寬請求及其他的網路狀態信息分配適當數量的時隙給ONU。有關時隙分配的信息將以許可訊息的形式在下行信道廣播。這種方案的好處是OLT知道整個網路的狀態，可以在滿足每個ONU的QoS要求的同時保持較高的頻寬利用率。
選擇最好的動態分配方案並不是一件容易的事。如果所有的用戶屬於同一個管理域，網路管理者可以通過統計復用充分利用已有的頻寬。然而，對於公共的用戶接入網，主要目標是為每個用戶保證相應的SLA。如果通過統計復用使每個用戶獲得更多頻寬，將會使計費更加複雜，也可能使用戶不願意升級到更高的頻寬。另外，用戶有可能習慣於在非忙時所獲得的性能，這樣在忙時雖然他們已經得到SLA所保證的性能，他們可能還是不滿意。最終選擇哪種最佳化的頻寬動態分配方案與運營商所採用的SLA以及計費模型有關。
安全性
在傳統的乙太網中，安全性並不是一個關鍵的問題。但在EPON中是以廣播的方式實現下行數據的傳輸，如果一個惡意的ONU設定為混雜模式，就可以接收到所有的下行信息，因此安全性是一個很重要的問題。一般來說，加密和解密可以在物理層、數據鏈路層以及更高的協定層實現。在MAC層以上實現的加密技術將只對MAC幀的負荷信息加密，幀頭信息則沒有加密。這種方案可以防止惡意的ONU獲取負荷信息，但是其他ONU的地址還是有可能被惡意的ONU截取。在物理層實現的加密，將對整個比特流(包括幀頭和CRC)進行加密。在接收端，物理層首先對數據進行解密然後將解密的數據傳遞給MAC層驗證。因為每個ONU採用不同的密鑰，即使是收到別的ONU的數據幀，也不能夠將其解密成具有正確格式的幀，因而不會被MAC層接受。在這種方案中，惡意的ONU不能獲得任何信息。但是，這種方案要求OLT的物理層對不同的ONU使用不同的密鑰，這對物理層來說是很難實現的。
