EPON设备互通性

　　1 引言

　　PON系统（包括BPON、EPON、GPON等）采用无源光传输介质，具有系统可靠性高、维护成本低、业务透明性好、成本相对较低等特点，被认为是未来固定宽带接入的发展趋势。EPON在无源光网络的体系架构基础上，采用扩展的以太网数据链路层协议，具有协议简单、成本低、业务能力强等优点。自EPON概念提出以来，受到业界的高度关注。IEEE的EFMA（公里以太网联盟）于2004年6月发布了EPON的技术规范IEEE 802.3ah，受到了业界的广泛支持，相关的芯片和设备均已推出，也有一定的应用。

　　从xDSL技术和移动通信技术发展的经验来看，实现EPON网络终端的开放性可以有效降低网络建设成本和运维成本，促进其应用，有利于形成完整的产业环境，是技术发展的趋势。因此，能否实现异厂商OLT和ONU的互通，是衡量EPON技术是否成熟的关键。从目前来看，异厂商的OLT与ONU（特别是异芯片厂商的OLT和ONU）互通尚难实现。因此，尽快确定影响互通的因素，设定互通的目标，提出解决的办法，是目前亟待解决的重要问题

　　为加快EPON和FTTH产业的发展，推动EPON互通进程，中国电信股份有限公司组织进行了EPON芯片级互通性的测试，并取得了阶段性的成果。本文主要根据此次EPON芯片级互通性测试的结果，探讨影响EPON系统互通性的因素，并提出了解决互通问题的方法。

　　2 EPON互通的3个层次

　　如图1所示，IEEE 802.3ah对EPON系统的物理层和数据链路层（PMD（物理介质相关）子层、RS（调和子层）、MAC控制子层、OAM子层等）制定了相关规范，对动态带宽分配、终端设备的、服务质量（QoS）保证、业务层功能（如组播、VoIP和TDM业务的承载、VLAN等）、指配和管理等方面均未做描述。而就具体的设备实现而言，这些功能都是必需的。因此，该标准尚无法保证EPON设备的互通性。另一方面，从目前来看，IEEE 802.3ah在个别问题上也存在不完善或者模糊之处，在某些问题上未做详细的规定或者是可选的，都会导致各厂商在理解和实现上的差异，从而导致互通性问题。

　　图1 IEEE 802.3ah描述的EPON协议参考模型

　　考虑网络设备的实现和实际业务需求，可以将EPON的互通性问题分为3个层次：传输层的互通、业务层的互通和管理层的互通，必须实现这3个层次的互通，才能实现真正意义上的EPON系统互通。

　　2.1传输层的互通

　　传输层的互通主要指在IEEE 802.3ah标准体系下，在ISO参考模型中的物理层和数据链路层实现不同厂商的OLT和ONU之间的以太网业务的互操作，主要包括PMD、PMA（物理介质接入）、PCS（物理编码子层）、RS、MAC、MPCP（多点控制协议）等子层的互通。另外，DBA（动态带宽分配）、加密、FEC（前向纠错）等功能也属于传输层的功能。传输层的互通是其他一切互通工作的基础。没有传输层的互通，其他层次的互通无从谈起。但对于电信级的网络来讲，传输层的互通是远远不够的，还需要能够实现具有服务质量保证的综合业务接入功能和所需的网络管理功能。

　　2.2业务层的互通

　　业务层的互通主要是指为正常开展各种业务（数据、语音、视频等）所必须的协议的一致性和功能上的互操作。业务层的互通是与运营商的业务模式相关的，不同的业务模式对EPON的互通性有着不同的要求。一般来讲，除普通上网业务、FTP、网络游戏等普通数据业务外，EPON系统还要能够提供语音、视频（如IPTV、视讯电话等）甚至TDM业务，并且要能够保证多业务接入环境下的QoS。针对特定的业务，可能有不同的实现协议和具体参数，这种实现上的差异性会导致互通问题。在多业务综合接入环境下，如何实现QoS保证也是影响业务层互通的因素之一。为实现业务层的互通，需要定义更清晰的业务层功能需求和实现标准。[BR]2.3管理层的互通

　　管理层的互通是指通过某OLT厂商的网络管理系统，能够对异厂商的ONU进行正常的、配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等OAM功能。IEEE 802.3ah第57条款定义了以太网的OAM子层功能，但也仅仅是规范了OAM功能发现、链路状态监控和诊断、链路失效和缺陷的定位机制等链路层的OAM功能，对其他方面和更高层的管理功能尚未规范，如对ONU的、对业务层的管理等。另外，中国电信股份有限公司通过测试发现，一些厂商对于OAMPDU的某些字节含义的理解也存在错误。这都将导致OAM互通性方面的问题。

　　3 影响EPON互通性的因素

　　导致目前市场上EPON设备无法互通的原因比较复杂，主要是由于现有规范覆盖范围比较有限、各厂商对协议理解上的分歧以及实现方式上的差异。下面对影响EPON互通性的一些因素进行具体分析。对于协议已有明确定义，而由于厂家对协议理解上的错误和具体实现方面的失误（如Preamble的CRC-8计算错误、MPCPDU的“mode&LLID”字节的处理、OAMPDU消息中“flag”字节的值等）导致的互通性问题，本文不做详细阐述。

　　3.1物理层的互通性

　　在物理层影响EPON互通性的因素主要是FEC问题。FEC通过增加以太网帧的冗余字节降低系统的误码率，增加光功率预算。EPON系统采用一种基于帧的线性分组码：Reed-Solomon（239，255）编码（该码属于一种系统码，也就是说将校验码附加在数据分组的后面），以有利于实现支持FEC的设备和不支持FEC的设备互通。为了将FEC编码的以太网帧与未编码的以太网帧区分开来，IEEE 802.3ah定义了三种FEC帧定界符：S_FEC、T_FEC_E、T_FEC_O，它们的传输序列如下：S_FEC /K28.5/D6.4/K28.5/D6.4/S/；T_FEC_E /T/R/I/T/R/；T_FEC_O /T/R/R/I/T/R/。具体的FEC编码的以太网帧的格式如图2所示。

　　图2 FEC编码的以太网帧的结构

　　S_FEC和T_FEC_O/E中的前两个字节（/T/R/）与普通以太网帧的帧起始定界符（SPD）和帧结束定界符（EPD）基本相同，也不会导致互通性问题。但是对于不支持FEC的设备而言，在一个EPD和下一个SPD之间应该全部为空闲字节（/I/），而在FEC编码的以太网帧中，其T_FEC_O/E的两个字节（/T/R/）和Parity、T_FEC_E等均非空闲字节，所以会在物理层触发False_Carrier事件告警（在以太网中，如果帧间的空闲字节发生误码才会触发该事件）。False Carrier计数器的值会随着False_Carrier事件告警的增加而增加，这样会淹没真正的False_Carrier事件，给运行维护带来一定的困难。

　　此外，如果OLT和ONU分别使用了不同的PMD光接口（1000BASE-PX10和1000BASE-PX20），在某些线路长度和分光比的情况下可能会发生功率衰耗过大或者功率过载等问题。这些问题可以通过更换光模块、调整线路衰耗等方法比较容易地解决。

　　3.2数据链路层的互通性

　　帧发送的字节位置问题：在EPON系统中，以太网帧间填充的都是idle码组（包含两个字节/K28.5/D16.2/），因此存在发送以太网帧的个字节的位置问题，即是在奇字节时刻还是偶字节时刻。不同字节位置发送的以太网帧的格式如图3所示。对于ONU和OLT来讲，都必须能够正确地处理不同时刻发送的以太网帧，否则会导致部分以太网帧的丢失，进而无法互通。

　　图3 由于帧发送时刻不同导致的帧格式的变化

　　ONU的注册与：在EPON系统中，为验证ONU的有效性和合法性，需要进行ONU的。ONU的一般在MPCP发现和OAM发现过程之后。图4给出了典型的ONU发现、注册和的简明流程。

　　图4 ONU的发现、注册、流程

　　目前，有多种ONU的实现方式，普遍采用ONU的MAC地址作为标识。采用ONU的MAC地址进行是简单的方式，ONU不需要支持任何功能。如果OLT和ONU都采用这种机制，易于实现ONU的。802.1x方式具有更加完善的机制，但实现比较复杂。对于EPON系统的互通性而言，采用不同的ONU方法和不同的ONU标识都会导致无法互通，需要运营商制定统一的流程和参数。

　　MPCP发现过程：在MPCP的流程中，存在几个参数，如在Discovery Gate和Register消息中的同步时间（synctime），Normal Gate消息中的ONU的开窗时间（grantlength）等。如果synctime的定义不一致或者grantlength值偏小，都会导致MPCP发现过程无法完成或者业务不通。解决办法是要求厂商统一按照IEEE 802.3ah的修订版本设置synctime值，同时使OLT的grantlength值要略大一些（>0x8A）。

　　另外，对于注册过程，IEEE 802.3ah协议只定义了正常注册过程，对于异常情况的处理，各芯片厂家可能不相同，导致不能兼容。如在MPCP发现过程中没有规定，ONU没有在规定的时间、规定的窗口发送Register_ACK的情况下，OLT如何处理，也没有规定ONU注册失败情况下的强制解注册的流程，这些都会导致无法互通。[BR]3.3业务层的互通性

　　（1）DBA的互通性问题

　　DBA根据与用户签订的SLA和Report消息上报的ONU队列状态信息，按照特定的算法给ONU分配相应数量的带宽授权（grant），以动态控制每个ONU的上行带宽。因此，如何在Report消息中上报ONU的各队列的状态信息和DBA的调度算法是影响DBA互通性的两个关键问题。图5是IEEE 802.3ah规定的report MPCPDU的消息格式。

　　图5 IEEE 802.3ah中定义的Report帧格式

　　在Report报文中设置多个Queue Set（队列集）的目的是希望为DBA服务器提供更详细的ONU队列中的以太网帧构成信息，以提高DBA的和效率。但是，802.3ah并没有给出Queue Set的确切定义，对于在多个Queue Set情况下各队列的填充内容也没有明确，所以各芯片厂商有不同的实现方式，进而导致EPON设备的互通性问题，轻者导致通信效率降低，重者导致业务无法互通。

　　此外，不同的算法对上行业务的调度方法不同，所以采用不同的DBA算法也会影响EPON系统的效率。

　　（2）多LLID与单LLID

　　单个ONU支持的LLID（逻辑链路标识）的数量对DBA的互通也有一定影响。一些厂商的芯片采用多LLID方案，即每个ONU支持多个LLID，并用不同的LLID来进行业务区分和调度。而另一些厂商的芯片支持单LLID方案，不同的业务被区分到不同的队列缓存，其Report帧中的每个Queue Set有8个队列。当采用B厂商芯片的ONU与采用A厂商芯片的OLT互联时，A厂商的OLT无法处理除了队列＃0以外的其他队列的信息，导致业务和OAM无法互通。另一方面，各芯片支持的Queue Set数量也各不相同，也会导致互通性问题。

　　（3）加密

　　EPON系统下行采用广播方式，所以存在信息安全性问题，应进行下行方向的信息加密。目前普遍采用相对成熟可靠的AES-128算法进行下行加密，并选择分组加密模式（block cipher mode），加密码模式一般采用计数器（CTR）模式。影响EPON系统中加密功能互通性的因素有如下几点：密码输入分组（cipher input block）的产生方法和相关参数；密码计数器的同步方法；密钥的产生方法；密钥交换的方法；密钥更换方法。例如，一种密码计数器同步的方法是将对应于以太网帧中个分组的密码计数器的比特5传输给解密端，但这个比特的值如何传送，各厂商有着不同的方法；密钥的交换一般都是通过OAMPDU消息进行，各厂商也会有不同的实现细节。上下行双向加密过程更加复杂，其互通难度也更大。

　　此外，由于AES算法属于美国的国家标准加密算法，不符合中国的《商用密码管理条例》。因此，对于在中国应用的商用EPON产品，还需要采用国内的商用密码标准。不过即使都采用中国的商用密码产品，也存在着类似于AES-128的互通问题。

　　（4）对组播的处理

　　不同的芯片和设备对组播的支持方式和方法是不同的。结合EPON特有的单拷贝广播（SCB）功能，通过在OLT和ONU上实现IGMP snooping或者IGMP proxy可以实现传统意义的组播。这些实现方式以及所支持的IGMP协议的版本方面的不同都会导致互通问题。此外，在IEEE 802.3ah制定过程中，关于组播和VLAN方面的内容做过重大修改，删除了原来D1.0版本中共享LAN仿真方面的内容。一些按照早期版本实现的芯片将某些广播LLID用作特定用途，如果OLT采用“mode&LLID”>0x8000作为组播LLID，采用旧版本标准的ONU将不能正确地接收并转发广播业务。

　　（5）业务的QoS保证问题

　　各厂商对（上、下行）多业务QoS的处理方式将严重影响EPON互通。这里主要包括前面提到的业务映射问题（基于LLID、802.1P、IP TOS）、队列数量、调度算法（SP（strict priority）、WRR（weighted round robin）、WFQ（weighted fair queuing）等）。如果各厂家采用不同的实现方式，将会影响业务的QoS。对于QoS机制，需要有明确的定义。

　　（6）VLAN

　　对于VLAN的功能实现（透明模式、VLAN 堆栈、VLAN传输等）、在OLT侧实现VLAN还是在ONU侧实现VLAN等方面尚需要明确定义。对VLAN优先级（802.1P）的定义，VLAN优先级到设备缓存队列的映射方式等方面都影响EPON系统的互通性。

　　（7）语音业务和TDM业务的实现方式

　　对于EPON来讲，实现语音接入应主要面向VoIP技术。但就VoIP技术而言，也存在采用何种协议（H.264、MGCP和SIP）和编码方式（G.711、G.723、G.729）的问题。因此，需要确定VoIP的相关标准并解决IAD与SS（软交换机）之间的互通问题。

　　为解决部分企业用户对n×64 kbit/s和E1/T1专线等TDM业务的需求，EPON有必要支持TDM业务。对于TDM业务的承载，目前主要采用PWE3和其他私有协议的多种方式实现。PWE3分为两种：将TDM比特流封装在以太网帧中传输和封装在IP包中传输。不同的实现方式会导致互通困难。另外，采用PWE3方式下的QoS保证措施（如OLT的轮询周期和确保TDM业务优先级的调度算法等）也对互通有一定影响。私有协议（如以类似GPON的、周期为125 ?s的固定时隙方式传送TDM业务）易于满足传输指标要求，带宽利用率高，但尚未标准化，会给互通带来更大困难。

　　3.4 OAM层的互通性

　　在OAM方面，IEEE 802.3ah主要规定了OAM功能发现、环回、链路监测、告警上报等功能，同时也提供了Organization Specific（组织特定）功能以便于相关机构进行OAM功能扩展。目前看来，OAM层的互通主要涉及以下几个问题：

　　·在IEEE 802.3ah中，OAM功能是可选的，因此可能会有厂商采用私有的OAM方案。在IEEE 802.3ah体系内，与PON接口相关的OAM功能的互通问题不大。

　　·IEEE 802.3ah仅仅规范了用于网络运行状况的监控和诊断、链路失效和缺陷的定位机制等链路层的OAM功能，对其他方面和更高层的管理功能尚未规范，如对ONU的、对业务层的管理等。因此，很难做到异厂商设备间的互操作。需要运营商或者行业组织根据可能的产品形态，利用OAM扩展协议，制定特定的OAM标准。

　　·与业务相关的管理功能无法互通。如UNI的管理、对与业务相关的策略的配置管理和故障管理、一些与业务相关的统计功能方面，目前还无法互通，还需要定义一个统一的业务层管理的规范。

　　4 解决EPON互通的方法和步骤

　　从上述分析可以看出，影响EPON互通性的根本原因是缺少详细的设备规范。考虑到网络对设备功能和性能需求的多样性，而且现有的标准体系无法实现足够细致的规范，所以，解决EPON互通问题的主体应该是运营商和芯片厂商。

　　首先，应该建立一个性或者区域性的产业联盟，为产业链的各方提供平台，以共同推动EPON互联互通，促进EPON产业发展。DSL 论坛就是一个很好的例子。

　　第二，结合各自的技术、业务和运维方面的需求，运营商制定EPON详细的技术规范，对上述影响EPON互通的因素进行定义。例如，制定ONU的功能需求和实现细节；对加密和DBA功能进行规范；利用OAM中的Organization Specific功能，详细定义所需要的管理功能。

　　此外，芯片厂商和设备厂商应以积极的态度促进EPON的互联互通，逐步达成框架性的EPON芯片和设备实现规范，推进EPON尽快成熟，降低设备成本。如果各方囿于自身利益，而导致EPON互通性进程缓慢，那么标准化水平相对较高而且倍受市场青睐的GPON可能将很快成熟，进而取代EPON技术，不利于EPON技术的应用。

　　，充分发挥第三方技术机构的作用，通过一致性和互通性测试以及相关测试手段的开发，促进EPON互通性。如lometrix和UNH的互操作实验室（IOL）都是比较权威的互通性测试机构。中国电信股份有限公司上海研究院也于2005年邀请了Passave、Teknovus、格林威尔、Conexant等4家芯片厂商进行了业界次EPON互操作测试，取得了很好的效果，有力地促进了EPON的互通性进程。相关仪表厂商也应尽快开发相关测试仪表。

　　5 总结

　　从ADSL等技术发展的历程来看，互通是EPON技术成熟和产业发展的必然要求。影响EPON互通性的因素可以分为三个层次：传输层、业务层和管理层，主要包括FEC、加密、DBA、组播、业务（VLAN、TDM、VoIP等）、QoS、OAM等方面。

　　为促进EPON的互联互通，需要产业链上各方的共同努力，应以产业联盟为平台，以运营商的实际需求为导向，制定完善、详细的技术规范，解决阻碍EPON互通的各个问题。芯片和设备制造商应以积极的态度促进EPON互联互通，促进EPON技术的成熟和应用。

　　欢迎转载,信息来自维库电子市场网（www.dzsc.com）