EPON原理之工作模式

anthonyu

IEEE802.3定义了以太网的两种基本操作模式。第一种模式采用载波侦听多址接入/冲突检测（CSMA/CD）协议而应用在共享媒质上；第二种模式为各个站点采用全双工的点到点的链路通过交换机连接到一起。相应的，以太网MAC可以工作于这两种模式之一：CSMA/CD模式或全双工模式。
EPON媒质的性质是共享媒质和点到点网络的结合。在下行方向，拥有共享媒质的连接性，而在上行方向其行为特性就如同点到点网络。
下行方向：olt发出的以太网数据报经过一个1:n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个ONU。N的典型取值在4～64之间（由可用的光功率预算所限制）。这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向，因为以太网具有广播特性，与EPON结构和匹配：OLT广播数据包，目的ONU有选择的提取。
上行方向：由于无源光合路器的方向特性，任何一个ONU发出的数据包只能到达OLT，而不能到达其他的ONU。EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同。但是，不同于一个真正的点到点网络，在EPON种，所有的ONU都属于同一个冲突域――来自不同 的ONU的数据包如果同事传输依然可能会冲突。因此在上行方向，EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突。欲知后事如何，且听下文分解。
4．1基于竞争的与有保证的两种媒介接入机制的比较
基于竞争的媒质接入机制（类似与CSMA/CD）在EPON中难以实现，这是由于epon系统中光分路器/合路器的方向特性使能ONU不能检测到冲突。OLT可以检测到冲突并通过发送拥塞指示信号的方式通知ONU，但是由于PON的传输距离可以达到20公里。其传输延时会在很大程度商降低这种机制的效率。另外，基于竞争所谓机制还有一个缺点，其提供的服务具有不确定性。也就是说，节点吞吐量、信道利用率以及媒质接入的时延只能使用统计平均值来描述。一个节点能否在任意短的时间间隔内接入到媒质是没有保证的。在企业网络中，由于链路很短却带宽基本不受限制，业务流量主要是对时延指标不太敏感的数据应用构成，因此在这样的业务模型下，基于CSMA/CD机制的媒质接入的不确定性还不是特别严重的问题。但在实际运营商的接入网环境中，除了数据业务之外，还要支撑对实时性要求较高的语音和视频业务，因此必须对这些业务的既是传送提供保证。
为了保证数据包传送的确定性，提出了各种“非冲突”机制，所有这些机制都是授权ONU在一段时间内（传输窗口或时隙）独占媒质。
所有的ONU都与一个公共的参考时钟同步，而且每一个ONU分配一个时隙。每个时隙可以承载几个以太网数据包。ONU要把从用户处收到的数据帧缓存，直到它的发送时隙来临。但其发送时隙来临时，ONU把它缓存的帧一全线路速率（1000Mbit/s）“突发”发送。如果缓存区没有足够的数据帧填满整个时隙，就遵照全双工以太网MAC的规范传送10个比特的空闲码组。
EPON的性能取决于具体的带宽分配方案。可能的时隙分配方案可以时静态分配（固定的TDMA），也可以时根据每个ONU即时的队列负载大小来调整时隙长短的动态方案（统计复用方案），然而要想使用最好的分配方案并不容易。
固定的TDMA方案比较容易实现。最简单的方法是让每个ONU都周期性的在预先定义好的时间段内开始和停止发送数据。固定TDMA方案在遇到突发性数据或长度可变数据包的情况下效率很低。
如果所有用户都属于同一个管理域，如一个企业或校园网络，完全统计复用是有意义的。――因为网络管理者希翼最大可能的利用可用带宽，而不在意每个用户获得的带宽。然而接入网和私有局域网不同，其目标是保证每个独立用户的服务等级。
4．2集中式与分布式仲裁的比较
非冲突（即保证的）方案需要进行信道仲裁。仲裁方式可以是集中式也可以是分布式。
在分布式仲裁方案中，ONU自己决定何时开始发送数据和持续的时间长短。这些方案与令牌传递方案有些相似。在这样的方案中，每个ONU在发送数据前，需要发送一个特殊的消息说明它将要发送多少字节的数据。预定下一个发送数据的ONU讲监测前一个ONU的数据传送并计算自己的传送时刻，以使自己的数据紧随前一个ONU的数据到达OLT。这样就避免了冲突，也不会浪费带宽，但有个主要的局限：要求所有的ONU都是连同的（可互相通信的）。这对PON的拓扑结构强加了限制，这个网络只能是环形的或是广播星型的。此并非我理想的网络结构，原因有二：1，此结构可能要求部署更多的光纤；2、不同拓扑结构的光纤网络可能早已预先部署完毕。总之首选的算法应该能够支撑任何的点到多点的PON拓扑结构。
在实际的PON拓扑结构，只能指望从OLT到每个ONU（下行通道）以及从每个ONU到OLT（上行通道）是连通的。因此，只有选择OLT作为唯一能够对共享的信道进行时分接入仲裁的设备。
使用集中式动态仲裁（基于OLT）机制的挑战在于：OLT并不知道每个ONU缓存了多少字节的数据。数据流的突发性使比较精确的预测ONU队列的数据长度无法进行。如果OLT要进行精确的时隙分配，就要准确的了解每个ONU的状态。其中一个解决方案使采用基于请求和授权消息的轮询方案。请求是由每个ONU发送，报告ONU状态的变化，如缓存数据的数量。OLT处理所有的请求并给每个ONU分配不同的发送窗口（时隙）。时隙分配信息通过授权消息发送给ONU。
采用集中智能式的时隙分配算法的优点式OLT知道整个网络的状态，并且可以根据网络状态切换到另一种分配方案；另外ONU不需要检测网络状态。不需要进行协商或告知新参数。这使得ONU可以更简单、更便宜，而整个网络更稳定。最终，IEEE802.3ah工作组决定上行信道接入采用非冲突的集中式。
因为带宽分配算法可能取决于很多因素，如部署的环境、支撑的服务类型和与SLA的配合。IEEE802.3ah工作组不指定任何一种特定的动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation DBA）算法，而是申明了DBA不在该标准范围之内，把选择权留给了设备商。
因为算法是开放的，为了保证设备之间的互通，需要规定消息交互协议。为了支撑动态带宽分配，IEEE802.3ah工作组提出了多点控制协议(mpcp)。MPCP与其他任何具体的DBA算法无关，只是支撑机制，可以支撑在EPON中实现各种带宽分配方案。