EPON+EOC的应用

潇洒农民

1.系统原理概况和关键技术应用
    1.1 网拓扑结构概述
    根据湖南省有线集团网络建设规划和网络实际情况，郴州有线采用三层网络结构：核心路由交换层、核心汇聚层和接入层。考虑到接入用户类型、接入业务的多样 性，接入设备必须能够支撑多种业务接入需求，以及具备对多种业务的处理能力，汇聚设备采用高性能和支撑多种业务的城域网汇聚设备。
    接入方式上，根据不同的用户特点配置多种接入和处理方式：针对已经布设完成、五类线接入的用户，采用EPON＋LAN接入方式；对还没有布设五类线或者难 以布设五类线的用户采用EPON＋EOC方式；针对大企业、政府部门等大客户，采用从USR综合业务网关设备接口直接出专线或MPLS VPN方式连接大客户，或者从汇聚设备OLT上通过EPON系统，在大客户处安顿专门的ONU设备实现大客户接入，针对有特殊需求的高端客户，从汇聚设备 OLT上拉专线解决高质量的大客户接入需求。
    下图1是本次湖南省有线郴州有线的网络拓扑模拟示意图。
  
    1.2 关键技术应用
    （一）EPON物理层的关键技术
    EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输、基于以太网和TDM时分复用的MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。
    从物理层看，EPON从电气、机械、规程、功能特性等功能基本上采纳了Ethernet的GE或1000BASE的标准，包含物理层协议 PHY（Physical Layer Protocol）和物理媒介协议PMD（Physical Medium Dependence Protocol）两大子层功能。在物理层，EPON使用1000BASE的以太网物理层协议PHY，无源光纤传输方式。
    （二）EPON数据链路层的关键技术
    EPON数据链路层分为逻辑LLC（Link Layer Control Protocol）和MAC两大部分。LLC遵循的标准为802.2 ，MAC遵循的标准为802.3（CSMA/CD）等。
    EPON在数据链路层的MAC层采用多点控制协议MPCP(Multi-Point Control Protocol，MPCP)，基于TDM时分复用的控制协议，OLT是控制中心，利用时间标记字段在下行传输GATE MAC控制信息，实现ONU与OLT同步，ONU接收GATE信息并传送REGISTER_REQUEST信息，在预定的时间周期内将其注册到 OLT，OLT利用REGISTER信息回复给ONU，用以指明认可ONU的注册。这样通过对时间分片，将不同的时间片指定给不同的ONU设备使 用，ONU自动回报带宽需求给OLT， OLT自动发现ONU的过程，包含了带宽排序和Logical Link IDs(LLID)的指定，灵活地将不同的网络带宽赋予不同带宽需求的ONU，实现动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)，实现了用户带宽的有效控制，从而避免数据传输过程的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。而这种带宽控制功能一般需要在路由 器或者宽带接入服务器上才能够实现，是Ethernet所不具备的。OLT与ONU的光收发器的参数由OLT与ONU的交流控制机制而达到最佳状态。
    下行方向采用广播方式，数据从OLT到多个ONU根据不同的时间片段以广播式下行（TDM时分复用技术），通过ODN中的1：N（一般是1：32）无源分 光器，分配给PON上所有ONU光网络单元。当OLT启动后，它会周期性地在各端口上广播允许接入的时隙允许接入信息，ONU上电后根据允许接入信息，发 起注册请求，实现OLT对ONU的认证，允许请求注册的合法的ONU接入，并给ONU分配一个唯一的逻辑链路标识（LLID），当数据信号到达该ONU 时，ONU根据LLID在物理层上做出判断，接收给它的数据帧，摒弃不是给自己的数据帧。
    上行采用时分多址接入技术（TDMA），分时隙给各个ONU传输上行数据流。来自各个ONU的多种业务信息根据各自分配到的时隙，互不干扰地通过ODN无 源分光器耦合到同一根光纤，最后送到OLT接收头端。OLT每一个端口（PON口）下面所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能在OLT给它分配的特定允许时隙传输数据，通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一 根光纤时，各个ONU的上行数据不会互相干扰。
    EPON具备一系列比如有效的带宽控制、优先权处理、点对多点等优越的特性。在传输机制上，通过MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线 路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，通过在MAC层中实现802.1p来提供 QOS确保服务质量。
    （三）EPON的系统组成设备
    EPON系统由OLT、ONU和POS组成。OLT（Optical Line Terminal）光线路头端设备一般放在中心机房；光网络单元ONU（Optical Network Unit）放在用户端附近或与其合为一体；POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分支器，是一个一点到多点的连接一个OLT和多个ONU的无源设备，分发下行数据，集中汇聚上行数据。EPON使用单芯光 纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1490nm，为防止1490nm和1550nm相互干扰，湖南1550nm波长的 模拟电视信号另外安排光纤传输）。
    OLT兼具交换机的接入功能和汇聚等路由交换功能，是一个多业务交换平台，提供面向无源光纤的接口（每一PON口可以接32个ONU）。OLT还具有根据 用户需求进行带宽分配DBA、QOS、网络安全和管理配置等功能，可根据实际需要配置多块OLC（Optical Line Card）板卡。POS是无源设备，不需要电源，没有电子部件，铺设简单方便，基本不用维护，长期运营成本和管理成本都很节省。在EPON中系统，OLT 到ONU间的距离最大可达20km。
    （四）测距和时延补偿
    EPON的上行信道采用时分多用TDMA方式，由于各个ONU相对于OLT的距离不同，对于OLT的接收模块，不同时隙的功率不同，多点接入必然会导致各 ONU的数据帧延时不同，需要通过测距和时延补偿技术实现全网时隙同步，使数据流按DBA算法的确定时隙到达。EPON的测距由OLT通过时间标记 （Timestamp）在监测ONU的即插即用的同时发起和完成。
    （五）不同业务的数据报文的区分
    1. Internet 宽带互联网数据业务采用PPPoE报文，通过BAS和Radius服务器认证。通过打记端口ID 即PVID（Port Vlan ID），也就是端口的虚拟局域网ID号，对所有进入楼道交换机配置了pvid的端口的数据包打上相应的tag头。对于一般划分基于端口的VLAN,只需配 置PVID就可以了,但是湖南有线需要划分基于802.1Q的VLAN,还需要在端口配置PVID的基础上配置VID,一个端口可以划分一个PVID,但 可属于多个VID。
    OLT基于端口使能灵活的QinQ功能，为不同OLT端口上来的报文封装不同外层VLAN tag，传送给BRAS设备，BRAS负责终结PPPoE报文的内、外两层VLAN tag（配合网管系统实现和用户帐号及计算机网卡MAC地址的绑定，防止用户帐号盗用或者一号多用）。其中外层VLAN TAG代表用户接入的小区（OLT端口），内层VLAN 代表用户在小区中的具体位置（楼道交换机端口）。数据回传，则通过对应的来程路线下传。
2. STB数字电视机顶盒的业务采用IPOE数据报文，通过DHCP＋认证方式，根据用户的物理位置进行认证，通过支撑OPTIONT60和OPTION82 的DHCP服务器来实现用户认证，用户终端不需要任何配置，符合用户使用习惯，扩展性和实用性较好。其认证流程为：STB设备开机后，发起DHCP请 求，OLT设备根据协议对此请求进行识别后，将其转发至USR，USR与DHCP Server服务器进行用户认证，分配规定的业务网段地址。
    OLT基于端口使能灵活的QinQ功能，为不同OLT端口上来的报文封装不同外层VLAN tag，传送给USR综合业务网关设备，USR负责终结IPoE报文的内、外两层VLAN tag（配合网管系统实现和用户帐号及机顶盒MAC地址的绑定，防止用户帐号盗用或者一号多用）。其中外层VLAN TAG代表用户接入的小区（OLT端口），内层VLAN 代表用户在小区中的具体位置（楼道交换机端口）。数据回传，则通过对应的来程路线下传。
    如果家庭用户既有PC上网需求又有STB双向业务需求，则需要在家庭用户端配置配置HUB或家庭路由器来承载多业务功能。
    湖南省有线各个地市及少数业务发达的县市都布署了分布式的DHCP服务器和BRAS认证计费接入管理系统，这样对于大量用户同时申请IP地址时系统压力较小，同时也区分了不同的业务数据流。
    （六）灵活QinQ技术
    IEEE802.1Q中定义的VLAN Tag域为12个比特位，用于表示VLAN ID，所以设备最多可以支撑2的12次方即4096个VLAN，在实际应用中， 4094个VLAN远不能满足实际需求。
    设备提供的端口QinQ特性是一种简单、灵活的二层VPN技术，它通过在运营商网络边缘设备上为用户的私网报文封装外层VLAN Tag，使报文携带两层VLAN Tag穿越运营商的骨干公网。在公网中，设备只根据外层VLAN Tag对报文进行转发，并将报文的源MAC地址表项学习到外层Tag所在VLAN的MAC地址表中，而把用户的私网VLAN Tag当作报文中的数据部分来进行传输。QinQ特性使得运营商可以用一个VLAN为含有多个VLAN的用户网络服务。
    QinQ的实现方式目前有两种：一种是基于端口的QinQ，一种是基于流分类的灵活QinQ。
    湖南有线基于流分类的灵活QinQ实现机理如下：根据流分类分别打印外层VLAN tag以及如何根据用户Vlan tag、MAC地址、IP协议、源地址、目的地址、优先级、应用程序的端口号等信息灵活地打记VLAN tag，从而实现根据不同用户、不同业务、不同优先级等对报文进行外层VLAN tag封装，形成一个“用户业务编号+小区编号”的二层ID，实现对多种业务的承载。
    （八）基带EOC技术
    EOC（Ethernet Over Cable）主要分为基带传输、调制传输、2.4GHz扩展应用三类，可具体细分出很多标准、非标准的技术，如基带、MoCA、同轴Wi-Fi、CableRan等。
    基带EOC(Ethernet Over Coax)是基于IEEE802.3协议的一种同轴传输技术，只做物理变换，原来的以太网帧格式和MAC层保持不变，不涉及任何协议转换，不增加任何网络 层次，对同一根同轴电缆通过频率分割，在0.5－25MHZ带宽内直接传送10Base-T的基带以太网信号，110－860MHz仍然传送RF TV信号，把有线电视信号的下行传输和IP数据双向传输有机地结合在一起，用同一根电缆送入用户，既有大容量清晰的图像，又有双向独享的宽带数据接入。
    基带EOC设备包括EOC局端设备和EOC终端设备。EOC局端设备相当于交换机+混频器，将数据信号与电视信号混合后进行传输，有数据接入口，接口类型为10/100M自适应，连接器类型为RJ45网络接口，输入阻抗为100Ω。
    EOC终端设备实质上就是分频器，一般都是无源类型，有同轴输入口、数据和TV输出口。同轴输入口为F型连接座, 输入阻抗为75Ω；数据接口类型为RJ45网络接口，输入阻抗为100Ω。TV输出口为F型连接座, 输入阻抗为75Ω。
    但是，由于以太网PHY芯片只能适应比较纯净的五类线或者铜缆等物理介质，而对于各个有线网络实际使用中五花八门的各种品质的同轴电缆，会出现复杂的信号 衰减和回传畸变情况，影响接入距离和信号传输质量。需要EOC设备具有较好的自适应传输阻抗匹配能力，和良好的稳定性、可靠性。
    另外基带EOC只适合点对点的应用，只能适应星型结构的集中分配方式，而对于串接型的树形结构难以适应。目前在湖南地区，相当多的用户家庭室内布线是私人 布线，布线极不规范，所用材料参差不齐，多数是劣质产品，如果不进行认真的网络线路整治，一般不适合直接应用基带EOC技术和设备。
    2.设备主要测试技术指标
    设备的主要测试技术指标：
    1.OLT、ONU设备的测试
序号 主要测试项目 主要测试内容、指标结果和主要步骤
1 PON-C 光口的平均发送光功率 将OLT的PON口和光功率计的光口连接起来，将光功率计的工作波长设置为1490nm，PON－C接口的发射功率一般为：+2～+7dBm
2 ONU的注册功能 测试ONU加电注册功能、ONU掉电和链路中断影响、掉电重启激活及其恢复功能。所有ONU都能注册，LLID能正常释放.
3 测距功能测试 在OLT网管上查看各个ONU的测距值，然后通过光时域反射仪一一验证，对比两者的数据是否基本一致。
4 ONU认证能力 验证ONU认证、ONU认证拒绝、OLT对特定ONU限制使用功能。先将ONU全部关电，将OLT上的ONU注册信息清空；启用OLT上的ONU认证功能，配置其MAC地址为合法地址，查看各个ONU是否能够正常注册。
5 ONU吞吐量 使用网络分析仪的相应App发送不同大小帧的以太网包，测出各种帧长的端口吞吐量。测试3次取平均值。看能否满足端口达到上行900M以上，下行950M。
6 广播包抑制功能 配置OLT上联口的广播抑制功能，通过网络测试仪向ONU发送广播包，通过网络测试仪在OLT上联端口抓包查看在ONU发送了1000个广播包后，OLT上联端口能收到多少个包。
7 OLT的灵活QinQ功能及其转发性能 在OLT的PON口上设置灵活QinQ，要求PON口收到ONU报文后，对报文按照报头类别（PPPOE、IPOE）进行外层标签设置，测试OLT能否按照要求将PPPoE和IPoE的报文准确分流，同时测试报文的TAG是否按照标注要求。
8 ONU注册、离线、掉电、以太网端口掉线告警 先将ONU全部关电，清空OLT上的ONU注册信息；逐个打开ONU的电源，使ONU注册；查看网管上是否有ONU首次注册告警信息；拔掉一个ONU的光纤，使ONU离线，查看网管上是否有ONU离线告警信息；在插上该ONU上的光纤，使ONU注册，查看网管上是否有ONU重新注册告警信息；
9 OLT上对ONU进行管理及业务配置 使用命令“onu x/x/x”进入ONU配置节点；使用命令“show device information”查看ONU设备的信息；查看ONU上的VLAN配置及重新进行配置。测试是否可以从OLT上通过命令行对ONU进行管理、配置。
10 测试PON主控板、电源板等是否支撑热插拔功能 测试PON主控板、电源板等热插拔后，业务是否正常，是否能够恢复到正常工作状态。
11 端口统计功能 测试能否查看OLT、ONU上的以太网端口数据统计，包括收发包总数，端口流量等，测试OLT及ONU上的端口统计功能
2.  EOC设备的测试
序号 主要测试项目 主要测试内容、指标结果和主要步骤
1 MAC地址数限制 PC连接到EOC终端后可以正常上网, 登录网管系统将指定EOC终端的MAC地址数改为0, 测试在PC上端口网络连接后能否建立网络连接，以验证EOC终端对用户MAC地址连接限制功能。

2 EOC局端设备访问控制 将PC的IP地址设成和EOC局端设备在同一网段内，在EOC局端设备上开启ACL功能，限制PC主机的IP地址访问EOC局端，测试被限制的IP地址能否访问该局端，以验证EOC局端设备控制远程访问功能。
3 终端设备上线时间测试 中断EOC终端的射频信号，确定EOC离线后，在重新连接射频信号的同时，启动秒表记录EOC终端的上线时间；在现实网络环境下测试终端上线时间，要求EOC终端上线时间小于12秒。
4 数字信号电平测试 用数字场强仪测试在EOC局端设备输出MER和BER指标，测试EOC系统对原有线电视数字信号的影响。
5 FTP应用测试 安装EOC系统和FTP服务器，在EOC终端下挂FTP客户端，登录FTP服务器并开始下载，记录FTP下载速率，
下载速率不低于5.5MBp/S
6 丢包率和时延测试 在EOC终端下挂PC，ping网关IP地址，ping包长为10000bye，时间为2分钟，记录ping包时延，丢包率；Ping10000bye包长时，系统时延小于10mS，系统丢包率为0%。以测试EOC系统在实际环境中数据处理性能。

    3.试点所使用的设备情况及简单成本分析
    机房设备：
    OLT设备使用华三的H3C 75E一台（8个PON口）。
    五岭大市场小区：
    共使用32个华三的ET254-L-60V或ET704-L型号的ONU设备。
    EOC设备使用陕西天思的EOC设备，合计使用头端设备ECS1212或ECS1414型号的EOC头端设备56台，用户终端采用EOC用户终端ECT01小计42户。每线EOC平均成本约230元，总成本约340元。
    广电公寓：
    使用8个华三的ET254-L-60V或ET704-L的ONU设备。
    EOC设备使用陕西天思的EOC设备，头端设备采用ECS1212或ECS1414累计32台，用户终端采用ECT01小计40个接入双向互动电视用户40户。
    每线EOC平均成本约230元，总成本约340元。
    4.经验总结
    EPON技术是面向未来的技术，其星形或树形无源分配的网络结构与广电系统CATV网络结构非常吻合，具有非常好的实用性。
在已经完成了五类线布线的地区，优先采用EPON+LAN的方式，技术标准性强、非常成熟，性能稳定，产品价格便宜，最好作为主要接入方式。
    在无法完成五类线布线的地区，采用EPON+ 基带EoC的方式进行改造，最大的特点是通过无源器件，不需要增加有源设备，无需布线，比较适用于线路改造困难，以及使用集中分配的星型结构的小区。但是 对网络采用的分支分配器要求很高，一般情况下中间不能有分支分配器，低频抗干扰性能较差，但是一旦调试好，性能就很稳定，而且是独享带宽，产品价格相对便 宜。这是郴州企业的技术选择的主要因素。但能否适用于其他网络，应根据当地网络状况进行合理选择。
    郴州企业2007年开始先后在五岭大市场小区和广电公寓等小区进行双向网络改造试点，采用EPON+基带EOC和EPON+LAN方式，开展双向互动电视 和互联网宽带业务。可同时传输宽带数据信号和数字电视信号，个人用户可利用双向数字机顶盒，在使用游戏、VOD点播等双向互动功能的同时，提供网速 2Mbps的互联网宽带业务，相互间影响很小，2年来用户反映质量良好。
    EPON+基带EOC方式再改造施工不需重新敷设五类线，利用既有同轴网络资源，降低了建设成本，为湖南有线网络双向网络改造提供了很好的接入模式和试点经验。现场测试表明，基带EoC有鲜明的技术特点和实用性能，可以作为双向接入的重要模式之一。
    天思EOC产品基本能够与湖南有线当前绝大多数主流机顶盒稳定连通，但是与个别品牌机顶盒的联通还存在一些不稳定现象，主要原因一个是机顶盒所用的网络芯 片对10M半双工支撑不好，另一个是EOC的PHY电路兼容设计问题，需要通过对DM9000APE、LAN9115－NT芯片程序的不断升级，不断改善 其10M半双工的兼容性调校以及算法优化，进一步提高产品稳定性。