【正文】 PCP 控制幀的一般結(jié)構(gòu)Preamble/SFD 8bytesMAC DA 6bytesMAC SA 6bytesLength/Type（8808） 2bytesOpcode 2bytesTime Stamp 4bytesData/Reserved/Pad 40bytesFCS 4bytes以太控制幀的類型值為 0x8808，以太數(shù)據(jù)幀的類型字段則為它的長度。不同的控制幀有著不同的操作碼和數(shù)據(jù)/保留/填充區(qū)，時間戳用于攜帶時間信息，以同步整個 EPON 系統(tǒng)，其他部分與通常 MAC 幀定義均相同。由表 可以看出，每種控制幀除去前導(dǎo)碼/幀起始定界符之后都是 64 字節(jié)，正是以太網(wǎng)幀的最小長度。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19表 MPCP 協(xié)議中各種控制幀的操作碼從系統(tǒng)上行傳輸總帶寬中減去各種系統(tǒng)運(yùn)行開銷就是上行可用帶寬。它與系統(tǒng)中包括的 ONU 數(shù)量、DBA（動態(tài)帶寬分配）算法的輪詢周期、承載業(yè)務(wù)的類型以及各業(yè)務(wù)所占比例等都有很大關(guān)系。EPON 是寬帶接入技術(shù)，承載的業(yè)務(wù)以IP 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。下面將計算 EPON 在包含 32 個 ONU，輪詢周期為 750s 的情況下，承載純IP 業(yè)務(wù)時的上行可用帶寬。EPON 的上行線路速率是 ，因?yàn)椴捎昧?8B/10B 線路編碼，每 10bit中有 8bit 有效數(shù)據(jù)，所有其有效上行傳輸總帶寬為 1Gbit/s，即 1000Mbit/s。EPON 上行的系統(tǒng)運(yùn)行開銷及其占總帶寬的比例如下：（1）用于突發(fā)接收的物理層開銷：約 %；（2）以太網(wǎng)幀的封裝開銷：約 %；（3）MPCP（多點(diǎn)控制協(xié)議）和 OAM（運(yùn)行管理維護(hù)）協(xié)議開銷：約%；（4）DBA 算法造成的剩余時隙（即不足以傳輸一個完整以太網(wǎng)幀的時隙）浪費(fèi)：約 %；EPON 上行總開銷為上述開銷之和，約為 144Mbit/s，可用帶寬約為856Mbit/s（即 1000Mbit/s144Mbit/s）。MPCP 主要包括三個控制過程：GATE 過程、REPORT 過程、DISCOVERY過程。其中 GATE 過程和 REPORT 過程，控制上下行帶寬分配，保證數(shù)據(jù)有序控制幀名稱 GATE REPORT REGISTER REQ REGISTER REGISTER ACK操作碼（opcode） 0002 0003 0004 0005 0006武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20傳輸，實(shí)現(xiàn)一個 OLT 與多個 ONU 的正常通信。DISCOVERY 過程使 OLT 可以自動發(fā)現(xiàn)并注冊 ONU。(1) GATE 過程MPCP 的一個關(guān)鍵原則是每時刻只允許一個 ONU 占用上行信道。OLT 通過發(fā)送 GATE 消息向 ONU 授權(quán)，告訴傳送窗口的起始時間（Start Time）和間隔大?。↙ength）。 ONU 接收到 GATE 消息后等待自己的傳送窗口打開（Start Time到來），然后開始向 OLT 發(fā)送數(shù)據(jù):當(dāng)傳送窗口關(guān)閉時（經(jīng)過 Length 大小的時間間隔后）停止發(fā)送，等待下一次授權(quán)和授權(quán)所指定的窗口。這里需要注意的是:授權(quán) GATE 只是一個控制命令，是 OLT 用來告訴 ONU 什么時候可以上傳數(shù)據(jù)而發(fā)送的一個消息。傳送窗口是 ONU 上傳數(shù)據(jù)的時間區(qū)間。通常 ONU 接收到授權(quán)后需等待一段時間才能傳送數(shù)據(jù)。GATE 具體過程如圖 所示：圖 GATE 過程圖(2) REPORT 過程為了優(yōu)化帶寬分配，OLT 須實(shí)時監(jiān)控各 ONU 的傳輸需求，所以 OLT 的授權(quán)必須以 ONU 的申請(REPORT)為前提。ONU 在傳送窗口內(nèi)除了發(fā)送一般數(shù)據(jù)也會向 OLT 發(fā)送命令數(shù)據(jù) REPORT 消息，向 OLT 報告本地還有多少數(shù)據(jù)等待下次發(fā)送。OLT 才能夠根據(jù)每個 ONU 的申請統(tǒng)籌規(guī)劃，動態(tài)分配帶寬。MPCP 沒有武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21定義帶寬分配算法，但自定義的算法需要符合“OLT 應(yīng)盡量滿足 ONU 需求”的基本原則。MPCP 要求 OLT 必須定期向 ONU 授權(quán)。所以在 ONU 沒有數(shù)據(jù)申請時，也要向其發(fā)送一個空授權(quán)（窗口的 Length 僅夠 ONU 發(fā)送下一個的 REPORT幀，不附帶任何其他上行數(shù)據(jù)）。只有這樣才可以保持鏈路激活和 OLT、ONU同步。(3) DISCOVERY 過程OLT 啟動時首先要運(yùn)行 DISCOVERY 過程，自動發(fā)現(xiàn)活動的 ONU，將它連接到 EPON 上（ONU 登錄）。此后 OLT 還會周期調(diào)用 DISCOVERY 過程動態(tài)發(fā)現(xiàn)新啟動的 ONU 或掉線后重新恢復(fù)的 ONU，使它們能及時登錄到 EPON 上。此外還可以通過該過程實(shí)現(xiàn)重新登錄（Reregister）和注銷（Deregister ）。在登錄過程中 ONU 和 OLT 可以相互交換性能參數(shù)，使得 EPON 的介質(zhì)更加廣泛，不同廠商的設(shè)備可以互連互通。DISCOVERY 具體過程如圖 所示。（1）OLT 廣播 DISCOVERY GATE，向所有 ONU 通知 DISCOVERY 窗口的時間范圍；（2）未登錄的 ONU 在 DISCOVERY 窗內(nèi)發(fā)送 REGISTER REQ 消息，告知OLT 自己的 MAC 地址，及其他性能參數(shù)；（3）OLT 在一個 DISCOVERY 窗內(nèi)可能收到多個正確的 REGISTER REQ請求。OLT 收到 REGISTER REQ 后：a)為該 ONU 分配 LLID，并將該 LLID 與其 MAC 地址綁定；b)記錄 ONU 參數(shù)并作相應(yīng)處理；c)發(fā)送 REGISTER 消息通知 ONU 登錄是否成功，返回 LLID 等參數(shù)，并回應(yīng) ONU 的性能參數(shù)；（4）OLT 向 ONU 發(fā)標(biāo)準(zhǔn) GATE，授權(quán) ONU 回復(fù) REGISTER ACK；（5）ONU 在 GATE 所授權(quán)的窗口內(nèi)回應(yīng) REGISTER ACK 。OLT 正確收到REGISTER ACK 標(biāo)志著對該 ONU 的 DISCOVERY 過程結(jié)束。ONU 登錄后正常的數(shù)據(jù)傳送開始。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）22圖 ONU 的 DISCOVERY 過程需要注意的是：DISCOVERY 窗口是唯一允許多個 ONU 同時占用上行信道的時段。當(dāng) ONU 在發(fā)出 REGISTER REQ 的一段時間內(nèi)，如果沒有收到 OLT 發(fā)給自己的REGISTER，該 ONU 就認(rèn)為自己發(fā)送的 REGISTER REQ 與其它 ONU 發(fā)送的 REGISTER REQ 發(fā)生了沖突，從而自動進(jìn)入沖突的處理算法。對于注冊沖突，主要有兩種處理方案：（1）隨機(jī)延遲時間:發(fā)生注冊沖突后，發(fā)生沖突的 ONU 仍然每次都響應(yīng)DISCOVERY GATE，但它在新的注冊窗口中， ONU 發(fā)送 REGISTER REQ 前隨機(jī)等待一段時間（時間小于 DISCOVERY 窗口大小）。這種方法可以縮短 ONU加入系統(tǒng)的時間，但是要增大注冊開窗的長度，從而降低系統(tǒng)的帶寬利用率。（2）隨機(jī)跳過開窗:發(fā)生注冊沖突后，發(fā)生沖突的 ONU 隨機(jī)跳過若干個DISCOVERY GATE 才開始重新響應(yīng)。采用這種方法比隨機(jī)延遲時間的方法所需時間多，但是不需要增大注冊窗口，從而也不會影響到整個系統(tǒng)的帶寬利用率 [14][15]。 測距與同步EPON 中的各 ONU 上行接入采用 TDM 方式，因此 OLT 和 ONU 在開始通信武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）23前以及通信過程中必須建立并保持同步，才能避免碰撞。而測距（ranging）是獲得 RTT 的過程。MPCP(位于 OLT 和所有 ONU 中的)各自維護(hù)一個本地時鐘，OLT 中的時鐘作為全局時間。當(dāng) MPCP 消息從高層的 MAC 控制客戶端到達(dá) MAC 控制子層時，MPCP 用本地時間對消息標(biāo)以時戳（time stamp）。 EPON 的同步和測距正是通過時戳完成的?；具^程如圖 所示 [16]。（1）OLT 在時刻 TI 發(fā)送 GATE 幀給 ONU，在 GATE 幀中加時間標(biāo)簽為T1； (2) ONU 在 T2 時刻接收 GATE 幀后，根據(jù)時間標(biāo)簽 T1 將自己的本地時鐘置為 T1； (3) ONU 在本地時間為 T3 時開始上傳 REPORT 幀，在 REPORT 中加時間標(biāo)簽 T3； (4) OLT 在時刻 T4 收到該 REPORT 幀，得到時間標(biāo)簽 T4。 則 RTT=TAB 十 TCD=(T4Tl)(T3T2)=(T4TI)(T3T I )=T4T3，因此可以看出 OLT 只需將收到 REPORT 幀時的絕對時間 T4 減去收到 REPORT 幀中時間標(biāo)簽中的時間 T3 就可以得到 RTT 的值了。圖 RTT 測量武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）24 QoS 和 OAM在 QoS 方面，EPON 定義了 8 個優(yōu)先級隊列，DBA 算法也考慮了對不同優(yōu)先級隊列的寬帶分配策略和公平性等問題。對于數(shù)據(jù)包中的 IP 優(yōu)先級或以太網(wǎng)優(yōu)先級可以很容易地映射到這 8 個優(yōu)先級隊列中，再通過 DBA 算法保證其傳輸?shù)膸捄蜁r延，因此完全可以滿足不同業(yè)務(wù)的 QoS 要求。例如：對 TDM 業(yè)務(wù)，使用 EPON 的 QoS 機(jī)制，就可以保證期各項指標(biāo)要求。在 OAM 方面，EPON 標(biāo)準(zhǔn)中定義了遠(yuǎn)端故障指示，遠(yuǎn)端環(huán)回控制和鏈路監(jiān)視等基本的 OAM 功能，對于其它高級的 OAM 功能，則定義了豐富的廠商擴(kuò)展機(jī)制，讓廠商在具體的設(shè)備實(shí)現(xiàn)中自主增強(qiáng)各種 OAM 功能。而且 EPON 標(biāo)準(zhǔn)還從便于開通維護(hù)的角度定義了一套 OAM 能力的自動協(xié)商機(jī)制（與以太網(wǎng)端口的自動協(xié)商機(jī)制類似），可以在無需人工參與的情況下，自動識別并配置 OLT 和ONU 兩端的 OAM 能力。另外，比較有特色的是，EPON 定義了一種 PON 端口的環(huán)回測試功能，把 PON 鏈路的性能測試功能嵌入到系統(tǒng)之中，可以在無需外部測試儀表的情況下，進(jìn)行 PON 鏈路的性能檢測，大大方便了系統(tǒng)的開通和故障定位。 動態(tài)帶寬分配在 EPON 系統(tǒng)的上行方向，采用 TDMA（時分多址接入）方式實(shí)現(xiàn)多個ONU 對上行帶寬的多址接入，其帶寬分配方案可分為靜態(tài)帶寬分配的和動態(tài)帶寬分配。靜態(tài)帶寬分配方式的原理是 OLT 周期性為每個 ONU 分配固定的時隙作為上行發(fā)送窗口。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但存在帶寬利用率低、帶寬分配不靈活、對于突發(fā)性業(yè)務(wù)適應(yīng)能力差等問題。動態(tài)帶寬分配（Dynamic Bandwidth Allocation，DBA）就是 OLT 根據(jù) ONU的實(shí)時帶寬請求獲取各 ONU 的流量信息，通過特定的算法為 ONU 動態(tài)分配上行帶寬，保證各 ONU 上行數(shù)據(jù)幀互不沖突。DBA 具有帶寬效率高，公平性好、能夠滿足 QoS 要求的優(yōu)點(diǎn)。DBA 采用集中控制方式：所有的 ONU 的上行信息發(fā)送，都要向 OLT 申請武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）25帶寬，OLT 根據(jù) ONU 的請求按照一定的算法給予帶寬（時隙）占用授權(quán)，ONU根據(jù)分配的時隙發(fā)送信息。其分配準(zhǔn)許算法的基本思想是：各 ONU 利用上行可分割時隙反應(yīng)信元到達(dá)時間分布并請求帶寬，OLT 根據(jù)各 ONU 的請求公平合理地分配帶寬，并同時考慮處理超載、信道有誤碼、有信元丟失等情況的處理。EPON 系統(tǒng)的 DBA 的實(shí)現(xiàn)基于兩種 MPCP 幀：GATE 消息和 REPORT 消息。ONU 利用 REPORT 幀向 OLT 匯報其上行隊列的狀態(tài)，向 OLT 發(fā)送帶寬請求。OLT 根據(jù)與該 ONU 簽署的服務(wù)等級協(xié)議（SLA）和該 ONU 的帶寬請求，利用特定的算法計算并給該 ONU 發(fā)布上行帶寬授權(quán)（Grant），以動態(tài)控制每個 ONU的上行帶寬。EPON 系統(tǒng)的 DBA 一般采用輪詢方式。其針對每個 ONU 的工作過程如圖 所示。（1）DBA 的工作流程是 Gate→Report →Gate →Report，如此循環(huán)；（2）OLT 給 ONU 發(fā)布的 grant 在 Gate 消息中承載；（3）ONU 通過 Report 消息使 OLT 了解其本地的隊列狀態(tài)和業(yè)務(wù)流量；（4）Grant 的分配是基于特定算法的；（5）DBA 要按照 SLA 進(jìn)行 grant 分配（包括保證帶寬、最大帶寬等參數(shù)）。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）26圖 DBA 實(shí)現(xiàn)流程圖 安全性考慮 EPON 下行方向的數(shù)據(jù)采用廣播形式，每個 ONU 都可以接收