EPON中的接入控制技术

在EFM工作小组提出的EPON系统中，要求对千兆以太网的MAC（媒质接入控制）子层不做或做 尽量少的改动，对EPON的接入实现通过扩充MAC控制子层和／或物理层功能来实现，这样有利于EPON系统 和千兆以太网的兼容性，便于现有的以太网设备用于EPON中，缩短EPON推向市场的时间。本文只讨论通过 MAC控制层的扩充来实现的接入控制机制。在EPON中的接入控制大体有2种：基于静态分配时隙的接入控制 和基于动态分配时隙的接入控制方式。
基于静态分配时隙的接入控制方式
　　在这种方式下，OLT不管ONU的请求信息，将系统时隙分配给各个ONU，这种接入方式从复用 的角度看属于TDM（时分复用）。分配给ONU的时隙可以是定长的，也可以是变长的，在EPON中由于以太协 议分组是变长的，所以分配时隙也应该是变长的。
　　在千兆以太网的MAC控制帧有一个用于流量控制的pause（暂停）帧，该帧可被EPON用来进行 接入控制。通过pause帧OLT周期性的轮询各个ONU，实现各ONU有序接入。这种接入方式的优点是协议简单 ，便于将以太网设备直接引用到EPON中。
基于动态带宽分配的接入机制
　　在这种接入方式中，OLT根据ONU的请求情况动态的将系统带宽分配给各个ONU。这种分配由M AC控制层的2个管理信息来完成：授权（grant）信息，OLT发送授权信息来分配一个时隙给某个ONU，该信 息不需要ONU发回确认；请求（request）信息，ONN通过该信息来报告其状态的改变，请求信息不需要OLT 来进行确认。通过动态带宽分配可以以较小的代价共享系统带宽，实现宽带综合业务的接入。在EPON中动 态带宽分配的目标是将系统带宽公平、高效的分配给各个ONU和各种业务。在EPON动态带宽分配中，有关 文献提出了2种方式：一种是OLT将授权给各个ONU；另一种是单个ONU可以支持多个用户和业务，OLT授权 给予每一个用户或业务。在此，对这两种授权方式加以介绍，对他们的优缺点进行对比，提出我们自己的 观点。
　　在这种机制中，OLT根据各个ONU的请求情况来分配带宽，带宽分配算法由高层来完成，各个 厂商可以有自己独特的算法，没必要标准化。而在MAC控制子层以下则应该具有标准，这也是EFM正致力的 一项工作。需要标准化的MAC控制帧信息应该有：ONU的初始化注册信息（允许新的ONU接入系统，将其MAC 地址、设备容量等参数通知OLT）；OLT的测距授权信息和ONU的测距响应信息（完成OLT-ONU 间周期性的 定时调整，测量RTT）；ONU的带宽请求信息（通过该信息携带上行ONU基于其负载的改变而请求带宽授权 的改变）；OLT的带宽授权信息（该信息携带给各个ONU的带宽分配信息，同时还要决定发送机会是给数据 还是给控制信息）。一个ONU接入EPON系统必须经过初始化和带宽动态分配2步：初始化过程分为注册和测 距2步。注册是指在一个ONU新接入系统或关闭后重新开启时将给ONU的一些参数（如MAC地址等）通知给OL T的过程。注册过程首先由OLT广播发送注册授权信息，所有未注册ONU都可响应该授权，如果发送冲突则 采用退避算法（如二进制指数退避算法）等待一段时间重新响应；测距是EPON同步的重要一步，其主要目 的是计算各ONU的补偿时间。其过程为：OLT向ONU发送测距授权（由于OLT-ONU间的RTT未知，所以测距授 权间的保护时间应该足够长）；ONU响应测距授权发送测距响应帧给OLT；OLT收到ONU的测距响应帧后，根 据授权给ONU的时隙开始时间和实际ONU到达的时隙开始时间之间的差值，计算出OLT到该ONU的RTT，并将 该值通知ONU，同时OLT不断的监视RTT值的变化，当其漂移超过一定程度时，重新发送RTT值给ONU。
　　动态带宽分配过程是：ONU根据自己的上行缓存器情况组织自己的上行请求帧，并发送给OLT ；OLT在收到ONU的请求帧后，交给高层根据带宽分配算法决定是否响应请求，如果响应，则根据系统带宽 利用情况给ONU分配时隙。基于请求／授权的动态带宽分配过程示意图如图3所示。OLT发送的授权帧是这种接入方式的关键，授权帧结构如图4所示，在图4 中给一个ONU的授权域包括16 b的ONU地址（不使用ONU的MAC地址是因为其太长），2 b的授权类型（是控 制授权还是数据授权），14 b的保护时间说明和32 b的授权信息（包括16 b的开始时间，16 b的停止时间 ）。由于在IEEE802．3建议中MAC控制帧净负荷长度为44 B，所以在OLT的一个授权帧中可以携带多个ONU 的授权信息。有些文献提出为了使一个OLT授权帧多携带ONU的授权信息，建议将其授权域扩展到128 B， 但我们认为这样做不利于EPON系统和以太网的协议兼容；另外，在EPON中激活ONU数目较少时，会造成浪 费。当EPON中激活ONU数目较多时，为减少轮询时间可用多个授权帧来进行授权；为减少ONU的请求时间， 可将ONU的请求分类，通过同一请求帧传输多类请求信息。这种分类包括，一个ONU可以有多个缓存器以及 在一个缓存中将请求分为带宽请求（当系统中请求ONU数较多时）和总的缓存帧数请求（当系统中请求ONU 数较少时），其示意图如图5所示。
　　OLT将授权信息给各个ONU的动态接入方式的优点是具有统计复用增益，接入损耗小，能够保 证各种业务的QoS需要，缺点是需要复杂的带宽分配算法，在和现有的以太网兼容上还需设备改进。另外 ，当一个ONU接有多个用户或业务时，这种分配方式无法满足带宽分配对各个用户或业务的公平性，所以 有了下一种动态接入方式。
授权给每一个逻辑端口的接入控制方式
　　在这种方式中，提出了逻辑端口（logicalport）的概念［4］。逻辑端口独立于ONU的物理 端口，一个ONU可以有一个或多个逻辑端口。OLT为各个逻辑端口直接发送授权，由高层协议（如802．1p 等）来完成对逻辑端口的认证和业务选择。这种接入控制方式和上一种十分相似，一个ONU在接入系统时 也要经过初始化和动态带宽分配2步，只是在高层的带宽分配算法，端口确认等方面以及MAC控制子层的授 权信息结构不同。在这种方式中，被授权地址为ONU地址加逻辑端口的地址，每个ONU地址由8 b信息表示 （可表示16～128个ONU的EPON系统），每个逻辑端口地址由4比特信息组成。其授权帧结构如图6所示，在 ONU的请求中同样可以采用在上一种讨论过的将请求分类方式来缩短请求时延，提高系统效率。
　　这种方式的最大优点是对各个用户或业务可以保证公平性，有利于保证业务的QoS（服务质 量），尤其对时延敏感性业务，可以降低接入时延；其缺点是高层的分配算法比较复杂。
　　 采用基于动态带宽分配的接入控制方式在性能方面比较适合在EPON 中使用，在 IP／Ethernet网中对用户业务的QoS保证相比于ATM网一直是其弱势，在EPON中如何得到和APON相媲美 的 业务QoS保证，是EPON设计中的一大技术挑战，采用OLT直接授权给逻辑端口的方式结合IP技术在QoS方面 的发展（如在IPv4中通过ToS（业务类型）域将业务分等级等）在保证业务QoS方面进了一大步；其次，其 选择8 b的ONU地址也是合理的，因为在不加光放大器的情况下，在功率预算允许的情况下即使加上纠错编 码，EPON系统的最大ONU数也仅为128；第三，这种方式比较灵活，可以由高层灵活改变逻辑端口的业务选 择。当然，对EPON的接入控制方式研究还很不成熟，如何选择最佳方式还有待于进一步研究。