FTTH - EPON

以太网无源光网络 (EPON) 是一种将数据与以太网封装在一起的 PON，可提供 1 Gbps 至 10 Gbps 的容量。 EPON 遵循 PON 的原始架构。 这里，DTE 连接到树干并称为光线路终端 (OLT)，如下图所示。

它通常位于服务提供商处，所连接的树状 DTE 分支称为光网络单元 (ONU)，位于用户的场所。 来自OLT的信号通过无源分路器到达ONU，反之亦然。

第一英里以太网

标准化进程始于一个名为第一英里以太网 (EFM) 的新研究小组于 2000 年 11 月成立，其主要目标是以太网点对多点 (P2MP) 的研究 光纤与以太网铜缆。 以太网通过点对点（P2P）光纤和网络运行机制、管理和维护（OAM）来促进网络操作和故障排除。 EFM 工作组于 2004 年 6 月批准 IEEE Std 802.3ah，结束了规范化过程。

EFM（第一英里以太网）的产品。 一种基于以太网的PON技术。 它基于主要标准 – IEEE 802.3ah。 基于多点控制协议 (MPCP)，定义为 MAC 控制子层内的一项功能，用于控制对 P2MP 拓扑的访问。

EPON/MPCP 协议的基础在于点对点 (P2P) 仿真子层。其传输速率为 → 对称1.25G； 距离：10KM/20KM; 分光比： > 1:32。EFM指出了以以太网为核心技术的EPON的诸多优点，包括协议成熟、技术简单、扩展灵活、面向用户等。

EPON 系统没有选择昂贵的 ATM 硬件和 SONET 设备，使其能够兼容现有的以太网网络。 简化了系统结构，降低了成本，升级灵活。 设备商注重功能和实用性的优化。

BPON ATM 系统

基于 BPON ATM 的系统已被证明效率非常低，因为接入网络中的绝大多数流量由大型 IP 帧和可变大小组成。 它为纯以太网的EPON、享受QoS的GigE密码以及与其他新兴以太网设备的经济高效集成的发展创造了机会。 随着时间的推移，以太网已被证明是 IP 流量的理想传输器。

相应地，IEEE 802.3ah标准802.3指示"第一英里以太网"工作组制定点对点和点对多点接入网络的标准，后者指的是以太网PON。 EPON 目前是以太网标准的一部分。

无源光网络（GPON）的发展，即在 FSAN 成员（Quantum Bridge，Al）提出 ATM/以太网 PON 解决方案之后，千兆位标准（G.984 系列）才真正开始。独立于协议的 Gbps 在 IEEE 802.3ah 工作组中并不是很受欢迎。 FSAN 决定将此作为与 ITU 不同的竞争标准。

当涉及到运行良好的一般概念（操作 PON 光分配网络 (ODN)、波长规划和应用）时，EPON 和 GPON 很大程度上借鉴了 BPON 标准 G.983。 它们都提供了自己的增强版本，以适应可变速率 Gbps 的更大尺寸的 IP/以太网帧。

IEEE 802.3ah以太网标准指定了接入网络，也称为第一英里以太网。 IEEE802.3ah 的第五节构成了 IEEE Std 802.3，对应于服务和协议元素的定义。 它允许用户接入网络中的站之间交换 IEEE 802.3 格式帧。

EPON的概念

EFM 引入了 EPON 的概念，其中点对多点 (P2MP) 网络拓扑是通过无源分光器实现的。 然而，以太网点对点光纤以合理的成本提供最高的带宽。 以太网点对多点光纤以较低的成本提供相对较高的带宽。 IEEE Std 802.3ah 的目的是将以太网的应用扩展到包括接入用户网络，以显着提高性能，同时最大限度地降低设备的运营和维护成本。

IEEE 802.3ah EFM 标准的制定极大地扩展了以太网传输在接入网和城域网中的使用范围和范围。 该标准为服务提供商提供了各种灵活且具有成本效益的解决方案，用于在接入网和城域网中提供宽带以太网服务。

EFM 涵盖了一系列在媒体类型和信令速度方面有所不同的技术 - 它旨在部署在一种或多种 FSM 媒体的网络中，并与混合 10/100/1000/10000 Mb/s 以太网进行交互。 IEEE 802.3 中定义的任何网络拓扑都可以在用户的本地使用，然后连接到以太网用户接入网络。 EFM技术允许不同类型的拓扑实现最大的灵活性。

IEEE 标准 802.3ah

IEEE Std 802.3ah 包括用户以太网接入网络的规范，IEEE Std 802.3ah EPON 支持每个通道约 1 Gb/s（可扩展至 10 Gb/s）的标称速率。 它们由两种波长定义：一种下行波长，一种用于用户设备之间共享的上行方向。

EFM 支持全双工链路，因此可以定义全双工简化媒体访问控制 (MAC)。 以太网架构将物理层划分为物理介质相关 (PMD)，物理介质附件 (PMA) 和物理编码子层 (PCS)。

EPON 实现了 P2MP 网络拓扑，并对底层和协调子层 MAC 控制进行了适当的扩展，并通过光纤底层物理介质相关 (PMD) 来支持该拓扑。

物理层

对于 P2MP 拓扑，EFM 引入了一系列源自 1000BASE-X 的物理层信令系统。 但是，它包括 RS、PCS 和 PMA 的扩展，以及可选的前向纠错 (FEC) 功能。 1000BASE-X PCS 和 PMA 子层映射接口的特性。 PMD子层（包括MDI）提供底层调和所期望的服务。 1000BASE-X可以扩展以支持其他全双工介质——仅要求环境与PMD级别一致。

中等负载接口（MDI）

它是 PMD 和物理介质之间的接口。 它描述了信号、物理介质以及机械和电气接口。

物理介质相关 (PMD)

PMD 负责传输介质的接口。 PMD 根据所连接的物理介质的性质生成电信号或光信号。 通过 PON 的 1000BASE-X 连接至少 10 公里和 20 公里（底层 1000BASE-PX10 和 1000BASE-PX20 PMD）提供 P2MP。

在 PON 以太网中，D 和 U 后缀表示链路每一端的 PMD，它在这些方向上发送并在相反方向上接收，即单个下游 PMD 被标识为 1000BASE-PX10-D，上游 PMD 被标识为 1000BASE-PX10 U PMD。 两个方向同时使用相同的纤维。

1000BASE-PX-U PMD 或 1000BASE-PX-D PMD 连接到相应的 PMA 1000BASE-X 并通过 MDI 提供支持。 PMD 可以选择与可通过管理界面访问的管理功能相结合。 为了允许在 10 公里或 20 公里 Pons 的情况下进行升级，1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMD 和 PMDU 都可以相互操作。

物理介质附件 (PMA)

PMA 包括发送、接收、时钟恢复和对齐功能。 PMA为PCS提供了一种独立的中间方式来支持一系列面向比特的物理介质系列的使用。 物理编码(PCS)子层包括编码位功能。 PCS 接口是千兆位媒体独立接口 (GMII)，它为 1000 Mb/s PHY 的所有实现提供了到协调子层的统一接口。

千兆位媒体独立接口 (GMII)

接口GMII是指千兆MAC层和物理层之间的接口。 它允许多个 DTE 与千兆位物理层速度的各种实现混合。 PCS 服务接口允许 1000BASE-X PCS 与 PCS 客户之间传输信息。 PCS客户包括MAC（通过底层协调）和中继器。 PCS接口被精确地定义为千兆位媒体独立接口(GMII)。

协调子层 (RS) 确保定义服务访问控制介质的 GMII 信号的匹配。 GMII 和 RS 用于提供独立的介质，以便访问控制器相同的介质可以与任何类型的铜缆和光纤 PHY 一起使用。

数据链路层（多点MAC控制）

指定了MAC控制协议以支持新功能，同时将实现并添加到标准中。 多点控制协议（MPCP）就是这种情况。 P2MP的管理协议是多点控制协议定义的功能之一。

实现多点MAC控制功能以访问包含点对多点物理层设备的订户设备。 通常，MAC 仿真管辖区在 OLT 和 ONU 之间提供点对点服务，但现在一次为所有 ONU 的通信目标包含一个附加实例。

MPCP（多点控制协议）

MPCP非常灵活，易于实现。 MPCP 使用五种类型的消息（每个消息是一个 MAC 控制帧），ONU/ONT 报告多个数据包边界，OLT 在数据包边界上授予权限 – 无描述开销。

MPCP 指示 OLT 和 ONU 之间的系统与点对多点 (P2MP) PON 部分相关联，以允许在 UPSTREAM 标题中有效传输信息。

MPCP 执行下列功能 −

• MPCP 控制自动发现过程。
• 为 ONT 分配时隙/带宽。
• 提供时序参考以同步 ONT。

MPCP 引入了 5 种新的 MAC 控制消息 −

• Gate, Report
• Registered REQ
• Register
• Registered ACK
• Auto Discovery

消息发现序列摘要

下图描述了消息发现序列摘要。

DBA EPON

在EPON中，OLT和ONY之间的通信被视为下游，OLT使用整个带宽向ONT广播下游数据，而另一端ONT使用以太网帧上可用的信息接收帧。 ONT到OLT的上行采用单通道通信，意味着一个通道将被多个ONT使用，这意味着数据冲突。

为了避免这个问题，需要有效的带宽分配方案，在保证QoS的同时，将资源平均分配给ONT，该方案被称为动态带宽分配（DBA）算法。 DBA 使用报告和门控消息来构建要传送到 ONT 的传输计划。

DBA 特征

EPON的一个重要特点是为不同的服务提供最佳的QoS，并使用不同的DBA分配来有效地分配带宽，以满足当前和未来应用的需求。

目前，EPON可用的DBA算法有以下两种不同类型 −

• 第一个是为了适应流量波动。
• 第二个是为不同类型的流量提供 QoS。

其他特性是避免帧冲突、通过 QoS 管理实时流量、每个订户的带宽管理以及减少低优先级流量的延迟。

EPON帧格式

EPON操作基于以太网MAC，EPON帧基于GbE帧，但需要扩展 −

• Clause 64 − 多点控制协议PDU。 这是实现所需逻辑的控制协议。

• Clause 65 − 点对点仿真（协调）。 这使得 EPON 看起来像点对点链路，并且 EPON MAC 有一些特殊的限制。

• 它们不是 CSMA/CD，而是在获得许可时进行传输。

• 通过 MAC 堆栈的时间必须恒定（±16 位持续时间）。

• 必须保持准确的当地时间。

EPON 标头

标准以太网以本质上无内容的 8B 前导码开始 −

• 7B of alternating ones and zeros 10101010
• 1B of SFD 10101011

为了隐藏新的 PON 标头，EPON 覆盖了一些前导字节。

LLID字段包含以下因素 −

MODE (1b) −

• ONU 始终为 0
• 0 表示 OLT 单播，1 表示 OLT 多播/广播

实际逻辑链路 ID (15b) −

• 识别注册的 ONU
• 7FFF 广播

CRC 通过 LLID（字节 7）保护 SLD（字节 3）。

安全

下行流量向所有ONU广播，因此恶意用户很容易对ONU重新编程并捕获所需的帧。

上行流量尚未暴露给其他ONU，因此不需要加密。 不考虑光纤分路器，因为 EPON 不提供任何标准加密方法，但 −

• 可以补充 IPsec 或 MACsec 以及
• 许多供应商添加了基于 AES 的专有机制。

BPON 使用了一种名为 churning 的机制 - Churning 是一种低成本硬件解决方案（24b 密钥），但存在多个安全缺陷，例如 −

• 引擎是线性的 - 简单的已知文本攻击。
• 经过 512 次尝试，24b 密钥被证明是可推导的。

因此，G.983.3添加了AES支持，目前已在GPON中使用。

QoS – EPON

许多 PON 应用需要高 QoS（例如 IPTV），而 EPON 将 QoS 留给更高层，例如 −

• VLAN 标记。
• P 位或 DiffServ DSCP。

除此之外，LLID 和 Port-ID 之间还有一个至关重要的区别 −

• 每个 ONU 始终有 1 个 LLID。
• 每个输入端口有 1 个端口 ID - 每个 ONU 可能有多个端口 ID。
• 这使得基于端口的 QoS 在 PON 层实现起来变得简单。

EPON 与 GPON

下表说明了 EPON 和 GPON 的特点对比 −

下图展示了 EPON 和 GPON 的不同结构 −