左晓波1，陈 雪1，邓 羽2，刘 冬2
(1.北京邮电大学 北京 100876；
2.格林威尔科技发展有限公司，北京 100085)
摘 要:ONU的注册是EPON系统正常运行的前提.在系统运行中新ONU自动加入 或故障ONU重新加入而不影响正常运行的ONU是PON系统可扩展性好、操作维护方便的重要体 现.文章分析了对ONU自动加入的基本需求，详细描述了ONU自动加入过程，并对冲突处理方 法进行了分析比较.
关键词：以太网无源光网络；光网络单元；光线路终端；逻辑链接标识；自 动加入
以太网无源光网络(EPON，Ethernet Passive Optical Network）是把以太网技术与PON技术 相结合，在PON上架构以太网的新技术.这项技术融合了PON的容量大、寿命长、可升级性好 、低成本、高可靠性等优势和以太网技术与IP协议配合最好、成本低廉、技术成熟度高等 优点，向用户提供低廉、高速、便捷的传输接入网络.
多业务无源光网络(MS-EPON，MultiService Ethernet Passive Optical Network）项目 是北京邮电大学和北京格林威尔科技发展有限公司共同承担的国家十五“八六三计划”课题 .MS-EPON是基于千兆以太网和无源光纤网络技术，提供电路业务和以太网业务的多业务承 载能力和电信级运营服务质量的宽带接入系统.
在EPON系统中，最开始的也是至关重要的一步就是要解决光网络单元(ONU)的注册问题.为实 现PON系统良好的可扩展性和方便的操作维护管理，在系统开通运行后，随业务发展需要增 加新的ONU或故障修复后的ONU要重新加入到系统时，希望这些ONU能够自动地加入而不影响 正常工作的ONU .因此ONU的自动加入是PON系统的关键技术之一.本文所提出的ONU自动加入方案不仅适用 于MS-EPON而且同样可应用于物理层基于以太网帧传输的其它EPON系统中.
PON系统的应用场合是覆盖半径不太大（通常10 km以内）、汇聚众多用户多种业务的接入网 ，而且用户的需求时常变化.针对这样的特点，我们提出ONU加入的基本要求如下：
·系统自动完成对新ONU的发现和注册，不需要人工干预.
·新ONU的加入不影响运行中的ONU.
·能够在短时间内（60 s）完成新ONU的自动加入.
·可以根据ONU距光线路终端(OLT)的最远距离优化ONU自动加入相关参数，支持最远距离为 30 km的ONU自动加入.
1 OUN自动加入的处理过程
我们根据上述ONU自动加入的基本要求，设计了ONU自动加入方案.在以下的内容中首 先简单介绍逻辑链接标识（LLID）以及MAC控制帧的内容，然后详细描述ONU自动加入的处理 过程.
1.1 EPON系统中的LLID
LLID是EPON系统分配给通过点到点仿真子层（P2PE Sublayer）建立起来的逻辑链接的一种数字标识，每一个逻辑链接都会分配到不同的LLID.在EPON系统中，LLID是由网管通过OLT 分配的，这样，OLT就可以通过LLID辨别帧是由哪个ONU发来的，或者通过修改帧中的LLID将 帧转发到相应的ONU处，于是，我们就能够建立起OLT→ONU，ONU→OLT的通路，完成OLT与ON U之间，以及ONU与ONU之间的通信.LLID位于帧的前导码中，占2 byte共16 bit，其中bit15 为SCB（Singal Copy Broadcast）位，bit14～bit8为ONU ID，bit7～bit0为端口号.需要 说明的是，LLID只是用于辨别链路，并不能代替虚拟局域网(VLAN)，当帧到达端口后，就会 去掉该帧的LLID，并进入MAC层，所以MAC层是看不到LLID的.
1.2 EPON系统中的MAC控制帧
EPON中MAC控制帧确定了一个主单元(Master Unit)和几个从单元(Slave Units)之间点对多 点的连接机制，从而实现有效的数据传输.通过MAC控制帧传递消息，可以控制网络启动过程 ,实现测距、带宽授权和分配等功能.根据IEEE 802.3ah D1.1的建议，确定EPON中用到的MAC 控制帧为64字节(从DA到FCS，不计前导码)，其上、下行帧格式相同.
下面简单地介绍一下与ONU自动加入相关的几种MAC控制帧：
(1) 注册开窗授权.注册开窗是带宽授权帧的一种，由OLT发送给未注册的ONU，Opcode为0x 0002，其中包含目的MAC地址、源MAC地址、时间标签、未注册ONU的LLID（系统默认为全零 ）、开窗的起始时间以及开窗的大小等信息.带宽授权帧中的discovery位置1即为注册 开窗授权.注册开窗授权每1 s以广播的形式发送一次，所有未注册的ONU都能接收到.
(2) 注册请求帧.注册请求帧是未注册的ONU收到OLT发来的注册开窗授权后发送的MAC控制 帧，Opcode为0x0004，其中包含目的MAC地址、源MAC地址、未注册ONU的LLID、时间标签、O LT CPU MAC地址、OLT PON ID、ONU ID、ONU类型和ONU PON ID等信息.
(3) 注册帧.注册帧是OLT在收到未注册的ONU发来的注册请求帧后发送给该ONU的MAC控制帧 ，Opcode为0x0005，其中包含目的MAC地址、源MAC地址、时间标签、Flags字节和分配给该O NU的LLID等信息.
(4) 注册确认帧.注册确认帧是未注册的ONU在收到OLT发送给它的注册帧后发送给OLT的，O pcode为0x0006，其中包含目的MAC地址、源MAC地址、时间标签、Flags字节和该ONU的LLID 等信息.
通过以上的MAC控制帧，OLT和ONU之间就能相互通信，进而完成ONU的自动加入.
1.3 ONU自动加入的过程描述
下面结合图1对ONU自动加入的过程予以详细描述.
(1) OLT每隔1s向系统各个ONU广播发送目的地址为广播LLID（全零）的注册授权，并根据系 统内距离最远的ONU确定开窗大小（例如：10 km为150μs；20 km为250μs；30km为 350μs）.注册授权的发送是否被激活由网管决定，当网管允许新ONU加入时，向OLT发 出使能信息，OLT收到网管发出的使能信息后，就可以周期性地发送注册授权.该周期内的剩 余带宽将由在线的ONU平均分配.OLT发送注册开窗后，等待ONU的应答，一旦发现有ONU应答 则自动运行ONU加入的各个步骤；如果没有应答，那么1 s后重新发送注册授权.当OLT收到网 管的停止加入的信息后，就停止发送注册授权.
(2) 新的ONU收到注册授权后，在开窗分配的时间内向OLT发送注册请求帧，并等待接收OLT 发送的注册帧.如果ONU在发送注册请求帧后100 ms（系统可配置）内还没有收到OLT发出的 注册帧，则认为注册冲突，自动延迟一定时间（1～8 s，系统可配置）后，等待OLT新 的注册授权开窗.
(3) OLT接收到ONU发出的注册请求帧后，由系统软件为该ONU分配ONU ID，然后以广播LLID 向该ONU发送注册帧，目的MAC地址指向该ONU.需要考虑的是当有多个ONU正好同时需要加入 系统时，自动加入流程如何处理.此时可能有多个ONU收到OLT发出的注册授权，并都在开窗 给定的时间内向OLT发送注册请求帧.当OLT在同一个注册开窗内收到多个ONU的没有混叠的 注册请求帧时，OLT不作任何处理.只有OLT在同一个注册开窗内只收到唯一一个注册请求帧 时，OLT才对此注册请求帧进行处理.
(4) 在发送了注册帧后，OLT为注册确认帧发送注册确认帧授权（带宽授权），并等待该ONU 发出的注册确认帧，该授权在OLT认为ONU注册失败前始终有效.如果OLT在发出注册确认帧 授权后50 ms内没有收到该ONU发出的注册确认帧，那么OLT认为该ONU注册失败，向该ONU发 送要求其重新注册的信息.
(5) 新ONU收到注册帧后,用新分配的ONU ID覆盖原来的ONU ID，同时等待OLT的注册确认帧 授权以发送注册确认帧，通知OLT新ONU ID刷新成功，同时等待最小带宽授权.如果ONU在发 送了注册确认帧后，100 ms内还没有收到OLT发出的最小带宽授权，那么ONU认为自己注册失 败，ONU ID自动复位，重新等待注册授权.
(6) OLT在发送注册确认帧授权后的50 ms（系统可配置）内收到ONU的注册确认帧，那么OLT 认为该ONU刷新ONU ID完成，该ONU注册成功，否则认为ONU注册失败.
2 冲突的解决
当EPON系统中有多个ONU等待加入时，就有可能引起注册冲突.各等待加入的ONU在收到注册 开窗授权后，在授权允许的时间内向OLT发送注册请求帧.但是，由于此时各ONU没有进行测 距，就不能有效地保证各注册请求帧之间的间隔，而可能发生帧的混叠，导致FCS校验错误 ，产生冲突.
2.1 冲突的检测
当ONU在发出注册请求帧的一段时间内（100 ms，可由系统配置）没有收到OLT发给自己 的注册帧时，此ONU认为自己注册发生冲突，自动进入退避算法，随机跳过n个注册开窗周 期后 重新发送注册请求帧；或者在收到下一个注册开窗后随机延迟nμs，再发送注册请求帧 .
2.2 冲突的解决
我们可以通过下面两种方法解决注册冲突：
(1) 随机延迟时间.发生注册冲突时，发生冲突的ONU仍然每次都响应注册授权，但是在响 应开窗时随机延迟一定时间（但必须保证ONU随机延迟后的应答仍然可以落在开窗内）.采 用随机延迟时间的方法可以缩短ONU加入系统的时间，但是由于需要给冲突的ONU留出一定的 富余，使得它们在冲突并延迟一段时间后仍能落在注册授权开窗允许的范围内，所以需要增 大注册开窗的长度，这样会降低系统的带宽利用率，从而导致整个系统效率的降低.
(2) 随机跳过周期.发生注册冲突时，发生冲突的ONU随机跳过若干个注册授权后才重新响 应.由于注册授权的周期为1s，那么发生冲突的ONU可随机延时1～8s(系统可配置)，然后 继续等待注册授权.采用随机跳过开窗的方法比随机延迟时间需要多花一些时间，但是不需 增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率.
2.3 冲突解决方法的比较
下面我们从ONU加入时间、开窗对系统带宽利用率的影响以及硬件实现复杂度等方面对这两 种方法进行比较.
(1) 加入时间的比较
由于在实际情况中，多个ONU同时加入的机率很小，所以我们假设最多只有8个ONU同时加入 系统.据参考文献［3］的计算可知两种方法 完成8个ONU注册所需时间如表1所示.
由表1可以看出，对于8个ONU同时加入的情况，随机延迟时间避免冲突方法的自动加入时间 较随机跳过周期避免冲突方法短，但是，随机跳过周期避免冲突方法的自动加入时间也短得 足以满足要求（60 s内完成加入）.
(2) 对系统带宽利用率的影响
ONU自动加入系统时，开窗频率和开窗时间都会对系统的带宽利用率造成一定的影响. 开窗频率越高，带宽利用率就越低，同时开窗频率的高低还会影响错误恢复的超时长度 ；而开窗时间越长，开窗所占用的带宽就越大，系统的带宽利用率就越低.
对于一个EPON系统，开窗的大小由以下的因素决定：
·系统的最大RTD（环回延迟时间，即消息从OLT发送到ONU后回到OLT所需的时间）.
·注册请求帧信息.随机跳过为一个，约占带宽1μs；随机延迟为n个，约占带宽nμ s.
·保护带宽与激光器开启和关断时间：随机跳过约占带宽1μs；随机延迟约占带宽nμs.
当最大RTD为200μs典型值时，由上述因素得出开窗的时间为
随机跳过:200+2＝202μs
随机延迟:200+2×16＝232μs(16个ONU)
可以看出两者相差不大.
注册开窗大小与开窗速率对于系统带宽利用率的影响见表2.由表2可以看出，对于 1s及1s以上的开窗速率，注册开窗对于系统带宽利用率的影响是可以忽略的.所以我们为 了满足在60 s内完成ONU自动加入，取1s为注册开窗的频率，OLT每隔1s发送一次注册开窗 .
(3) 硬件实现复杂度的比较
由于在实际的方案中，每个开窗周期只允许一个ONU进行注册，这样的话，使用随机跳过周 期的方法就可以很好地避免软硬件处理一个周期多个授权的情况(如测距、发送控制、接收 处理等).同时，随机跳过周期的方法在延时算法的逻辑控制上也比较简单，而且相对于随机 延迟时间来说，效率会高一些.
由以上分析可以看出，虽然随机延迟时间避免冲突方法的自动加入时间较随机跳过周期避免 冲突方法短，但随机跳过周期避免冲突方法的自动加入时间也短得足以满足要求；并且对于 系统带宽利用率的影响两种方法是相差无几的；所以，我们采用实现相对简单的随机跳过周 期方法来解决注册冲突的问题.
3 结论
ONU的自动加入使PON系统易于扩展、运行维护方便.本文根据EPON系统的特点设计了一种加 入时间短、能有效处理冲突、实现简单的ONU自动加入方案.该方案采用MAC控制帧来进行OLT 与ONU间自动加入相关信息的交互，采用随机跳过周期的方法来解决注册冲突.
［参考文献
［1］IEEE Std 802.3-2000 Edition，Part 3:clause 37:Autonegotiation function, type 1000BASE-X [S].
［2］IEEE Std 802.3-2000 Edition，Part 3：clause 3：Media access control fram e structure [S].
［3］Bob Gaglianello.ONU auto discovery:Gaglianello-1-0502.pdf [DB/OL].h ttp://www.ieee802.org/3/efm/public/may02/gaglianello-1-0502.pdf,2002-05.
摘自 光通信研究
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