FTTH - EPON

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**乙太網無源光網路**（EPON）是一種PON，它使用乙太網封裝資料，並可以提供1 Gbps到10 Gbps的容量。EPON遵循PON的原始架構。在這裡，連線到樹幹的DTE被稱為**光線路終端**（OLT），如下圖所示。

它通常位於服務提供商處，而連線到樹枝的DTE分支被稱為**光網路單元**（ONU），位於使用者的場所。來自OLT的訊號透過無源分路器到達ONU，反之亦然。

第一英里的乙太網

標準化過程始於2000年11月成立了一個新的研究小組，名為**第一英里的乙太網**（EFM），其主要目標是研究乙太網點到多點（P2MP）光纖與乙太網銅纜。乙太網在點到點（P2P）光纖上和網路作業系統、管理和維護（OAM）上的應用，以促進網路操作和故障排除。EFM工作組於2004年6月完成標準化過程，批准了**IEEE Std 802.3ah**。

EFM（第一英里的乙太網）的產品。一種基於乙太網的PON技術。它基於一個主要標準——IEEE 802.3ah。基於多點控制協議（MPCP），定義為MAC控制子層內的功能，用於控制對P2MP拓撲的訪問。

EPON/MPCP協議的基礎在於點到點（P2P）模擬子層。其傳輸速率為→對稱1.25G；距離：10KM/20KM；分路器比率：> 1:32。EFM指出了基於乙太網作為核心技術的EPON的許多優點，包括協議成熟度、技術簡單、擴充套件靈活性和使用者導向。

EPON系統不選擇昂貴的ATM硬體和SONET裝置，使其與現有的乙太網網路相容。它簡化了系統結構，降低了成本，並使其易於升級。裝置供應商專注於最佳化功能和實用性。

BPON ATM系統

基於BPON ATM的系統已被證明效率非常低，因為接入網路中絕大多數流量由大型IP幀和可變大小組成。這為開發基於純乙太網的EPON、**支援QoS的千兆乙太網**以及與其他新興乙太網裝置的經濟高效整合創造了機會。事實證明，乙太網是IP流量的理想傳輸方式。

因此，IEEE 802.3ah標準802.3指示“第一英里的乙太網”工作組開發點到點和點到多點接入網路的標準，後者表示乙太網PON。EPON目前是乙太網標準的一部分。

**FSAN成員（Quantum Bridge，Al）**提出ATM/乙太網PON解決方案後，無源光網路（GPON）即千兆位標準（G.984系列）的開發才真正開始。Gbps與協議無關，在IEEE 802.3ah工作組中並不流行。FSAN決定將其作為與ITU競爭的不同標準。

在涉及運作良好的通用概念（操作PON**光分配網路**（ODN）、波長規劃和應用）時，EPON和GPON大量借鑑了BPON的標準G.983。它們都提供了各自版本的增強功能，以更好地適應不同速率Gbps的可變大小IP/乙太網幀。

IEEE 802.3ah乙太網標準指定了接入網路，也稱為第一英里的乙太網。IEEE802.3ah的第五部分構成了與服務和協議元素定義相對應的IEEE Std 802.3。它允許在使用者接入網路中的站點之間交換IEEE 802.3格式的幀。

EPON的概念

EFM引入了EPON的概念，其中使用無源光分路器實現點到多點（P2MP）網路拓撲。然而，乙太網點到點光纖以合理的價格提供了最高的頻寬。乙太網點到多點光纖以較低的成本提供相對較高的頻寬。IEEE Std 802.3ah的目的是擴充套件乙太網的應用，將其納入使用者接入網路，以顯著提高效能，同時最大限度地降低裝置操作和維護成本。

IEEE 802.3ah EFM標準的完成大大擴充套件了乙太網傳輸在接入和都會網路中的應用範圍。該標準允許服務提供商為接入和都會網路提供寬頻乙太網服務提供各種靈活且經濟高效的解決方案。

EFM涵蓋了一系列在介質型別和訊號速度方面不同的技術——它被設計用於部署在FSM介質型別或多個FSM介質的網路中，以及與混合的10/100/1000/10000 Mb/s乙太網網路互動。IEEE 802.3中定義的任何網路拓撲都可以在使用者的場所使用，然後連線到乙太網使用者接入網路。EFM技術允許不同型別的拓撲以實現最大的靈活性。

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ah包括使用者乙太網接入網路的規範，IEEE Std 802.3ah EPON支援每個通道的標稱速率約為1 Gb/s（可擴充套件到10 Gb/s）。它們由兩個波長定義：一個用於下行鏈路的波長，另一個用於使用者裝置之間共享的上行鏈路方向。

EFM支援全雙工鏈路，因此可以定義一個全雙工簡化的介質訪問控制（MAC）。乙太網體系結構將物理層劃分為**物理介質相關**（PMD）、**物理介質連線**（PMA）和**物理編碼子層**（PCS）。

EPON使用適當的擴充套件來實現P2MP網路拓撲，這些擴充套件用於底塗和協調子層MAC控制以及光纖底層物理介質相關（PMD），以支援此拓撲。

物理層

對於P2MP拓撲，EFM引入了一系列物理層的訊號系統，這些系統源自1000BASE-X。但是，它包括RS、PCS和PMA的擴充套件，以及可選的**前向糾錯**（FEC）功能。1000BASE-X PCS和PMA子層對映介面的特性。PMD子層（包括MDI）提供底塗協調預期的服務。1000BASE-X可以擴充套件以支援其他全雙工介質——只需要環境與PMD級別一致即可。

介質載入介面（MDI）

它是PMD和物理介質之間的介面。它描述了訊號、物理介質以及機械和電氣介面。

物理介質相關（PMD）

PMD負責與傳輸介質的介面。根據連線的物理介質的性質，PMD生成電訊號或光訊號。透過PON的1000BASE-X連線至少可以達到10公里和20公里（底塗1000BASE-PX10和1000BASE-PX20 PMD）提供P2MP。

在PON乙太網中，D和U字尾表示鏈路兩端的PMD，它們在這些方向上進行傳輸並在相反方向上接收，即單個下行鏈路PMD被標識為1000BASE-PX10-D，上行鏈路1000BASE-PX10 U PMD。相同的纖維同時用於兩個方向。

1000BASE-PX-U PMD或1000BASE-PX-D PMD連線到相應的PMA 1000BASE-X並透過MDI進行支援。PMD可以選擇性地與可以透過管理介面訪問的管理功能組合。為了允許在10公里或20公里Pons的情況下進行升級，1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMD和PMDU彼此之間可以互操作。

物理介質連線（PMA）

PMA包括傳輸、接收、時鐘恢復和對齊功能。PMA為PCS提供了一個獨立的中間途徑，以支援使用一系列面向位的物理介質系列。物理編碼（PCS）子層包含位編碼功能。PCS介面是**千兆位媒體獨立介面**（GMII），它為所有1000 Mb/s PHY的實現提供了一個統一的介面到協調子層。

千兆位媒體獨立介面（GMII）

GMII介面指的是**千兆位MAC層**和**物理層**之間的介面。它允許多種DTE與各種千兆位速度**物理層**實現混合使用。PCS服務介面允許1000BASE-X PCS將資訊傳輸到PCS客戶並從PCS客戶傳輸資訊。PCS客戶包括MAC（透過協調的底塗）和中繼器。PCS介面被精確地定義為千兆位媒體獨立介面（GMII）。

**協調子層**（RS）確保匹配定義服務介質訪問控制的GMII訊號。GMII和RS用於提供獨立的介質，以便可以將相同的介質訪問控制器與任何型別的銅和光PHY一起使用。

資料鏈路層（多點MAC控制）

MAC控制協議被指定為支援和新功能同時在標準中實施和新增。它是多點控制協議（MPCP）的情況。對P2MP的管理協議是多點控制協議定義的功能之一。

實施多點MAC控制功能以訪問包含點到多點物理層裝置的使用者裝置。通常，MAC模擬許可權在OLT和ONU之間提供點到點服務，但現在還包含一個額外的例項，其通訊目標是同時針對所有ONU。

MPCP（多點控制協議）

MPCP 非常靈活，易於實現。MPCP 使用五種型別的訊息（每條訊息都是 MAC 控制幀），ONU/ONT 報告多個數據包邊界，OLT 在資料包邊界上授予許可權——沒有分界開銷。

MPCP 指示 OLT 和與點到多點 (P2MP) PON 部分關聯的 ONU 之間的系統，以允許在向上行方向上有效地傳輸資訊。

MPCP 執行以下功能 -

• MPCP 控制自動發現過程。
• 將時隙/頻寬分配給 ONT。
• 提供時間參考以同步 ONT。

MPCP 引入了五種新的 MAC 控制訊息 -

• 門控、報告
• 註冊請求
• 註冊
• 註冊確認
• 自動發現

訊息發現序列摘要

下圖描述了訊息發現序列摘要。

DBA EPON

在 EPON 中，OLT 和 ONY 之間的通訊被視為下行，OLT 使用整個頻寬向下廣播資料到 ONT，而在另一端，ONT 使用乙太網幀中提供的資訊接收幀。來自 ONT 到 OLT 的上行鏈路使用單通道通訊，這意味著多個 ONT 將使用一個通道，這意味著資料衝突。

為了避免此問題，需要有效的頻寬分配方案，該方案可以同時為 ONT 平等分配資源並確保 QoS，此方案稱為**動態頻寬分配**(DBA) 演算法。DBA 使用報告和門控訊息來構建要傳達給 ONT 的傳輸排程。

DBA 特性

EPON 的一個重要特性是使用不同的 DBA 分配提供具有最佳 QoS 和有效頻寬分配的不同服務，以滿足當前和未來應用程式的需求。

目前，EPON 提供了以下兩種不同的 DBA 演算法 -

• 第一個是用於適應流量波動。
• 第二個是為不同型別的流量提供 QoS。

其他特性包括避免幀衝突、透過 QoS 管理即時流量以及管理每個使用者的頻寬以及減少低優先順序流量的延遲。

EPON 幀格式

EPON 操作基於乙太網 MAC，EPON 幀基於 GbE 幀，但需要擴充套件 -

• **第 64 條** - **多點控制協議** PDU。這是實現所需邏輯的控制協議。

• **第 65 條** - 點到點模擬（協調）。這使得 EPON 看起來像一個點到點鏈路，並且 EPON MAC 有一些特殊的約束。

• 它們在獲得授權時傳輸，而不是使用 CSMA/CD。

• 透過 MAC 堆疊的時間必須恆定（± 16 位持續時間）。

• 必須維護準確的本地時間。

EPON 頭部

標準乙太網以一個基本上無內容的 8B 前導碼開始 -

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

為了隱藏新的 PON 頭部，EPON 覆蓋了一些前導碼位元組。

**LLID 欄位**包含以下因素 -

模式 (1b) -

• 對於 ONU 始終為 0
• OLT 單播為 0，OLT 多播/廣播為 1

實際邏輯鏈路 ID (15b) -

• 標識已註冊的 ONU
• 廣播為 7FFF

CRC 保護從 SLD（位元組 3）到 LLID（位元組 7）。

安全性

**下行流量**廣播到所有 ONU，因此惡意使用者很容易重新程式設計 ONU 並捕獲所需幀。

**上行流量**沒有暴露給其他 ONU，因此不需要加密。不要考慮光纖竊聽器，因為 EPON 沒有提供任何標準的加密方法，但是 -

• 可以補充使用 IPsec 或 MACsec，以及
• 許多供應商添加了專有的基於 AES 的機制。

BPON 使用了一種稱為**抖動**的機制——抖動是一種低成本的硬體解決方案（24b 金鑰），具有幾個安全缺陷，例如 -

• 引擎是線性的——簡單的已知明文攻擊。
• 事實證明，24b 金鑰可以在 512 次嘗試中匯出。

因此，G.983.3 添加了 AES 支援，現在在 GPON 中使用。

QoS – EPON

許多 PON 應用程式需要高 QoS（例如 IPTV），EPON 將 QoS 留給更高級別的層，例如 -

• VLAN 標籤。
• P 位或 DiffServ DSCP。

除了這些之外，LLID 和埠 ID 之間存在一個關鍵區別 -

• 每個 ONU 始終有 1 個 LLID。
• 每個輸入埠有 1 個埠 ID——每個 ONU 可能有多個。
• 這使得在 PON 層輕鬆實現基於埠的 QoS。

EPON 與 GPON

下表顯示了 EPON 和 GPON 的比較特性 -

下圖顯示了 EPON 和 GPON 的不同結構 -