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千兆以太无源光网

2/14/2005来源:光纤通信人气:8440

摘要

  本文讨论以太无源光网络的经济,技术基础,特点,益处,历史。以太无源光网络是刚刚出现一种以太网接入技术,以低价格的方法实现运行商中心机房和用户住所的光纤连接。以太无源光网络是建立在ITU为ATM无源光网络制定的G.983基础上,实现在单个光纤接入系统上传送汇集的数据,视频,语音的多服务的接入网。

  无源光网络的演变

  无源光网络是定位在服务提供商的中心机房,头端或服务供应点和商业及普通用户之间的最后一公里的通信设施。称作接入网或本地环路。在住宅区最后一公里段有先入为主的电话铜线,同轴有线电视缆。在城域网里,集中了大量的商业客户,接入网中包含了高容量的SONET环网,T-3光线路,T-1铜线路。

  通常,只有大型企业有能力每月花费3200美元租用T-3(45Mb/s),或花费4300美元租用OC-3(155Mb/s)同步光网络链路。T-1(1.544Mb/s)的租用费用是每月375美元,是中型企业的一种选择。对于大多数中小型企业,和普通用户只有极少的选择机会,通常是使用电话线拨号访问Internet。有些场合,DSL和Cable Modem提供了另外的可负担的接入方法,但是他们的提供较困难和耗时,尤其是可提供的带宽受到距离和已有线路质量的限制,语音服务不得不通过这些技术实现。

  正当接入网以相对停顿的速度发展,在长途主干网上通过使用波分复用和其他技术带宽显著提高。最近波分复用技术已经渗透到了城域网,显著提高了它们的容量。与此同时企业内的局域网由10Mb/s升级到100Mb/s,很多网络要升级到千兆以太网。结果在城域网和终端客户之间形成了最后一公里流量的瓶颈。



图1. 无源光网络的可受点

  无源光网络的目标是打破最后一公里的带宽瓶颈,解决其它接入网技术不能很好处理的T-1到OC-3之间的适合点。主要的无源光网络技术有ATM和以太网无源光网络。   异步传输模式(ATM)的无源光网络

  ATM无源光网络在90年代中期,通过完全服务接入网发展起来。完全服务接入网(FSAN)是由20个大型的网络运行商及它们的战略设备供应商联合组成的,大家一致同意在通用的宽带接入系统上同时提供宽带和窄带服务。1995年英国电信促成完全服务接入网的联合,发展最便宜,最快捷的方法来扩展高速的服务,如ip数据,视频,10/100以太网。通过光纤传送给世界范围内的商业和普通客户。

  那时,对于协议和物理架构的选择是异步传输模式ATM和无源光网络PON。ATM被认为最适合于多协议,多业务环境。PON被认为是最经济的宽带光解决方案。完全服务接入网采用的ATM和PON模式被ITU定义为G.983标准。最初这个标准着重于普通住户的应用,最初版本并未提及在无源光网络上传送视频服务。后来一些发起组织在商业市场推出APON兼容系统。

  以太网(Ethernet)的无源光网络

  以太无源光网络是由几个富于幻想的发起者充当先锋发展而来的,如Alloptic公司,认为APON标准由于缺乏视频能力,不充分的带宽,过于复杂,造价过高等因素不适合接入网方案。随着快速以太网,千兆以太网,10千兆以太网成为主流。Alloptic坚信以太无源光网络会消除广域网与局域网链路上的ATM和IP协议的转换。

  Alloptic最初强调发展光纤到业务,光纤到路边方案,长远的目标是实现在单个的平台上传送数据,视频,语音的完全服务。随着以太无源光网络比APON以更低的花费,提供更高的带宽和更广阔的服务,网络架构越来越遵循G.983建议。

  2000年11月,在IEEE组织下,通过创建“以太网最前一公里”研究组,以太网的发展商们抛弃了自我的一些标准,瞄准接入网市场,发展已广泛使用和证实的以太网协议标准。69个公司包括3Com,Alloptic,Aura Networks, CDT/Mohawk, Cisco Systems, DomiNet Systems, Intel, WorldCom, and World Wide Packets声明它们加入该研究组。

  经济的以太无源光网络的案例

  经济的以太无源光网络的案例非常的简单:光纤是传送数据,视频,语音的最有效的介质,实际上具有无限的带宽。但是对于每个客户到中心机房都采用点到点的链路,在光纤两端都安装有源电元件,在中心机房管理所有的链路是不可取的。以太无源光网络消除了这种点到点的光纤解决方案的缺点,它用一点到多点的拓扑代替了点到点的户外拓扑结构,消除了户外中继器,放大器,激光器,同时减少了中心机房的激光器的个数。

  点到点的光纤技术,特别适合用于城域网和长途主干网。而以太无源光网络特别适合接入网的独一无二的要求,因为它同其他的接入网方案比较更简单,有效,低费用。对于服务提供商扩展光纤到最后一公里,以太无源光网络性价比高,囊括了有效,可升级,低成本维护等诸多优点。

  以太无源光网络的关键优点是它允许运营商消除复杂且昂贵的ATM和SONET元件,显著地简化网络。传统的电信网使用复杂的多层架构,它覆盖了IP over ATM,SONET和WDM。这种架构要求路由器网络承载IP流量,ATM交换机建立虚电路,增加和减少复用器,数字交叉链接管理SONET环网,点到点的DWDM光链接。



图2. 点到点光纤接入和以太无源光网络的比较

  ATM/SONET有一些天生的限制:(1)每一个服务,都必须提供对应的ATM通道。(2)它优化了时分复用的语音而非数据,它的固定带宽通道很难处理突发的数据流量。(3)要求每一个网络节点具有光到电,电到光的能力。(4)要求所有的节点的安装是基于前面的节点的。(5)由于是面向连接的虚电路,扩展性较差。

  在图3中,改进的以太无源光网络使用光网络单元在用户前置端代替SONET网中的复用器和路由器,使用一个光线路终端代替中心机房的ATM交换机复用器



图3. 改进的无源光网络

  这种架构为运营商带来诸多的优点,(1)这种架构相对于SONET和ATM降低了前期主体设备和实际操作的花费。(2)以太无源光网络比SONET和ATM要求更简单的硬件和户外有源元件,配置简单,减少对特别有经验的技师的需求。(3)更灵活地提供服务,快速地服务配置。(4)提供多层的安全性,如VLAN,对VPN,IPSec,通道的支持。(5)运行商可以通过以太无源光网络提供广泛,灵活的服务,促进收入增长。包括带宽升级从1Mbps到1Gbps,可管理的防火墙,语音服务,VPN,Internet接入等附加值服务。

  以太无源光网络架构

  以太无源光网络的无源元件位于光分布网(户外),包括单模光纤,无源分支器,耦合器,连接器,结合器。有源网络元件如光纤终端(OLT)和光网络单元(ONU)分布在无源光网络的两端。光信号在无源光网络的传输是下行通过分支器分离到多根光纤或是上行通过耦合器耦合到单根光纤上。无源光网络针对普通用户应用采用典型的单点到多点的树形分支结构,针对商业应用提供保护环网,或为出租单元和校园网提供总线结构。



图4. 无源光网络的有源和无源器件

  有源网络单元

  以太无源光网络供应商集中发展无源光网络两端的有源设备,如中心机房主机和光网络单元。中心机房主机底盘位于服务商的中心机房,头端或服务提供点,用来放置光线终端(OLT),网络接口模块(NIM),交换卡模块(SCM)。PON通过链接OLT卡最多可以连接64个光网络单元。光网络单元位于家庭,商业居所或租用单元。网络管理单元提供数据,视频,语音服务接口个客户,同时具有网络接口作数据的回传给OLT。

  中心机房主机底盘

  中心机房主机底盘提供了以太无源光网络和服务提供商的核心数据,视频,电话网络的接口。主机底盘也通过元件管理系统连接到服务提供商的核心操作网。主机底盘的广域网接口可以和下列设备相连:

数字交叉连接(DCS),负责传送非交换和非本地交换的时分复用流量到电话网。通常的DCS的接口包括:DS1,DS3,STS-1和OC-3

语音网关,传送本地交换的时分复用语音流量到公共电话网

IP路由器和ATM的边缘交换机,直接将数据传给核心数据网

视频网络设备,传送视频流量到核心视频网络

中心机房主机包括的关键功能和特性:

多服务接口到核心广域网

千兆以太网到无源光网络,第二,三层交换和路由

服务质量问题和服务等级协议

流量汇聚

放置光线终端和交换卡模块

  光网络单元

  光网络单元提供用户数据,视频,电话网和无源光网络的接口。光网络的主要功能是接收光格式的数据,转换成用户所需的格式(以太网,IP多播,普通电话,T1等等)。以太无源光网络独有的特性是光网络单元除了终止和转换光信号还提供二,三层的交换功能,使得企业的数据流量在光网络单元完成内部路由。以太无源光网络既适合用另一个波长以模拟CATV格式传送视频服务,也适合传送IP视频。

  在FTTB和FTTH方式的应用中,光网络单元位于每个客户住所,花费并不由多个用户分摊,光网络单元的设计和花费成为以太无源光网络系统被接受和实施的关键。光网络单元通常占光纤到业务应用中花费的70%和占光纤到户应用中花费的80%。

  光网络单元的关键特性和功能包括:

提供多种用户接口,普通电话,T1,DS3,10/100BaseT,IP多播和专有的波长服务

第二,第三层的交换和路由能力,提供数据流量带宽从64Kbps到1Gbps

启动花费低和即插即用的扩展能力

标准的以太接口消除对附加的DSL和Cable Modem的需求

  元件管理系统

  元件管理系统负责管理无源光网络中的不同元件及提供到应用服务商的核心网络的接口。它的管理包括全方位的容错,配置,性能,账户及安全性管理。

EMS的关键特性和功能包括:

通过图形用户界面实现FCAPS的功能

可以管理众多完全配置的无源光网络

支持数以百计的GUI客户的连接

标准的接口,如CORBA,直接连接到核心操作网

  以太无源光网络是如何工作的

  以太无源光网络和ATM无源光网络的关键区别是以太无源光网络的数据传送是遵从的IEEE802.3协议,帧的长度最大可以达到1518字节,而ATM无源光网络的数据传送是遵从的ATM协议,帧的长度是固定的53字节(48字节的净荷和5字节的帧头),这种格式意味着ATM的无源光网络较难充分传送IP数据包。IP协议组织数据成变长的数据包,数据包最大长度可达65535字节。对于ATM无源光网络承载IP流量,首先将数据包分割成48字节,然后加上5字节的帧头。这种处理过程是耗时和复杂的,增加了OLT和ONU的花费。另外,每48字节的数据消费5字节的带宽,这种花销称作ATM信元税。形成鲜明对照的,以太网帧被裁剪来传送IP流量,显著减少ATM的消耗。

  在以太无源光网络上管理上行/下行流量

  在以太无源光网络处理上,下行数据流量的方法是根本不同的。图5和图6说明了上,下行不同的传输技术。



图5. 无源以太网下行数据流的处理

  图5中,数据流遵从以太网IEEE802.3协议,将变长的数据帧,最大长度1518字节,从OLT广播到多个光网络单元。但每一帧头附加了独一无二的标识,用于识别光网络单元ONU-1,ONU-2,ONU-3,另外一些数据帧要广播给所有的光网络单元,或发送给特定的光网络单元。在分支器处数据流量被分为相同的三份,包括所有的确定ONU的数据帧。当数据帧到达ONU,ONU仅仅接受属于自己的数据帧,丢弃掉不属于自己的数据帧。如图5,光网络单元ONU-1接受所有的数据帧,但只传递属于自己的数据给终端客户1。



  图6显示上行数据流是如何通过时分复用技术有效的传输的,在时分复用中传输用的时隙是基于光网络单元的。时隙是同步的,从光网络单元上行的数据帧在耦合到公用光纤时不会相互影响。例如:光网络单元ONU-1在第1时隙中传送数据帧1,ONU-2在第2时隙中传送数据帧2,ONU-3在第3时隙中传送数据帧3。相互之间不会覆盖。

  光网络单元使用基于ONU的时隙的时分复用,传送上行数据以避免传输冲突。

  以太无源光网络的帧格式

  图7叙述了一个从OLT下行到ONU的变长数据帧的例子。下行的数据流量被分成固定的帧,每个帧承载着变长的数据包。时钟信息包含在同步标志里,同步标志是一个字节的代码,每两毫秒钟传送以同步ONU和OLT。

  每个变长的数据帧是基于ONU的,编号从1到N。 帧的格式是遵从IEEE802.3标准的。下行流量的速度可达

1Gb/s。从数据帧的扩展视图中,可以看到帧头,变长净荷,错误检测区域。

  图8 叙述了一个通过时分复用,从ONU上行,耦合数据到公用光纤上,避免上行数据的冲突。上行数据被分成帧,然后每帧被放入基于ONU的时隙中,整个上行帧是以2ms为间隔传送的。帧头标识了上行帧的开始。



  图7. 无源光网络的上行帧格式

  基于ONU的时隙是上行帧中的传输间隔,用于不同的光网络单元传送变长的以太帧。每个ONU有属于自己的时隙。例如,图8中,每个上行帧被分为N个时隙,每个时隙对应不同的网络单元,从1到N。

  每个ONU的时分控制器,从OLT获取时钟同步信号,控制上传的时序。图8显示了一个特定的时隙ONU-4,包括两个变长的数据帧和一些时隙消耗。时隙消耗包括一个看守波段,时序指示器和信号能量指示器。当没有数据传送时,时隙中传送空闲信号。



  光系统设计选项

  以太无源光网络可以通过2波长或3波长实现。2波长的设计适合传送数据,语音,基于IP的视频。三波长的设计用于传送射频的视频服务和密集的波分复用。

  图9是双波长的以太无源光网络的设计图。在这个架构中,1510nm的窗口用于传送下行数据,视频,声音,1310nm的窗口用于传送上行的数据。使用1.25Gbps的双向的无源光网络可以接32个分支器传20km。



图9. 双波长的无源光网络的光设计

  图10是三波长的以太无源光网络的设计图。在这个架构中,1510nm和1310nm的窗口分别用于下行和上行的数据传输。1550窗口用于下行的视频,视频采用MPEG2的编码,使用QAM载波。使用这种方式,无源光网络有效范围时跨32个分支器达18公里。



图10. 三波长的无源光网络的光设计

  三波长的设计也能用于密集波分复用,这个方案使用单根光纤1510nm窗口用于下行,1310nm窗口用于上行,1550nm窗口未使用。发送接收器设计成能透明的支持DWDM通道。无源光网络可以不使用DWDM元件,但是将来随着DWDM的升级,能够提供波长服务,模拟视频,增长的带宽。在本文中,以太无源光网络提供了一个经济的启动花费,而且将来可有效地升级。

  服务质量

  以太网提供了许多性能和价格的优势,使运行商能够在非常经济的平台上提供创收的服务。但是,对于以太无源光网络发展商最大的挑战是增强以太网的能力来确保实时的语音和IP视频服务能够在单个的平台上传送,和ATM和SONET平台相同的服务质量和便于管理。

  Alloptic正在从多个角度解决这个问题。一种是实现方法,如不同服务,802.1p协议。优化不同级别服务的流量。在这种技术中,TOS领域提供8种级别的服务,确保依照重要性传送数据包。另一种是带宽保留技术,例如提供一条高速通道给需要低延时的普通电话流量,使它无需和数据竞争。

  为了说明用一些不同的方案,在以太无源光网络上,来模拟ATM/SONET服务。图11突出了四种关键的目标,ATM和SONET已经很有效地提供了:(1)实时服务要求的质量和可靠性。(2)统计复用来有效地管理网络资源。(3)多重服务提供来最公平的在诸多用户中分配网络资源。(4)用来提供,管理,操作网络资源的工具。(5)全系统的冗余和恢复。

  在每个案例中,Alloptic的以太无源光网络已经被设计成用以太和IP技术来传送可比较地服务和目标。有时需要创新技术的发展,这并未充分地反映到ATM和SONET中。



  这些技术允许以太无源光网络传送和昂贵的SONET和ATM方案相同的可靠性,安全性,服务质量。

使用TOS领域和分别服务来保证服务质量

全系统的冗余提供高可获得性和可靠性

不同的环形架构提供完全的冗余和路径保护

多层安全,如VLAN,对VPN、IPSec和通道技术支持

  以太无源光网络的未来

  可以预见,2001年以太无源光网络正处于实验应用阶段,商业发展的早期。尽管ATM无源光网络在市场上有微小的领先,当前的工业趋势(包括快速增长的数据流量和快速以太网和千兆以太网的重要性的增加)使以太无源光网络受益。. 在最前一公里的研究组中,以太网接入网的标准正在建立。准备升级全服务接入网。

  现阶段是通讯工业的模式转变阶段,伴随广泛的光纤和以太网技术应用,会引发新的设备应用循环。光IP以太架构确保成为捆绑语音,数据和视频服务的统治性方案。另外,这种架构带来新的战略合作关系,把内容提供商,服务提供商,网络运行商,设备厂家集中到一起,提供以前服务不可能达到的捆绑服务。

由比瑞利电缆有限公司供稿