2.3　系统工作关键技术

系统工作关键技术主要由MPCP协议LLID与仿真子层和自动化注册与测距组成。

2.3.1　仿真子层的功能与特点

1.仿真子层的功能

仿真子层位于数据链路层和物理层之间：

·使下层的P2MP网络的处理方式看起来类似于多个P2P链路的集合；

·LLID的定义改变了以太网固有的特性，这是传输质量获得可以控制的基础。

实现的方法：

·在每一个分组开始之前添加一个LLID，替代前导符的最后两个字节。

实现机制：

·在ONU注册成动后分配一个唯一的LLID；

·OLT接收数据时，比较LLID注册列表；

·ONU接收数据时，仅接收符合自己的LLID或者广播包。

2.仿真子层特点

·支持P2PE（Point to Point Emulation）；

·使OLT支持多个LLID和MAC客户端；

·每个ONU上支持单个LLID（唯一）；

·支持广播；

·适于动态带宽分配；

·使用MAC层原有定义结构；

·使用32位时间标签进行时钟同步；

·利于网络测距及实施修正；

·方便网络拓扑发现。

2.3.2　MPCP

MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制——MPCP来协调数据的有效发送和接收：

·系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送；

·位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告，从而优化PON系统内部的带宽分配。

MPCP有两种GATE操作模式：初始化模式和普通模式：

·初始化模式用来检测新连接的ONU，测量环路时延和ONU的MAC地址；

·普通模式用来给所有已经初始化的ONU分配传输带宽。

5种类型的MPCP帧：

·GATE（OLT发出）允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指定的时间段发送数据；

·REPORT（ONU发出）向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳以及是否有数据需要发送；

·REGISTER_REQ（ONU发出）在注册规程处理过程中请求注册；

·REGISTER（OLT发出）在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求；

·REGISTER_ACK（ONU发出）在注册规程处理过程中表示注册确认。

MPCP帧格式如图2-8所示。

P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。MPCP协议层次模型如图2-9所示。图中虚线以上为客户端层，由MAC双客户端和MAC客户端组成，虚线以下由802.ah构成，详见图2-2。

图2-8　MPCP帧格式

图2-9　MPCP层次模型

2.3.3　自动注册过程

自动注册是指OLT对系统中的ONU进行注册，主要用于系统中增加ONU或者ONU重新启动时。自动注册过程如图2-10所示。MPCP功能是基于与门的协议数据报文完成的，即MPCPDU；定义了5种消息：GATE、REGISTER_REQ、REGISTER、EGISTER_ACK、REPORT。

图2-10　注册规程处理过程

1.在授权窗口时间内完成注册申请的理想注册情况

（1）OLT定时向ONU发送广播（GET）信息通知ONU发现窗口的周期，包含OLT MAC地址和同步时间、LLID等物理参数。允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指定的时间段发送数据。

①在发现（Discovery Window，发现窗口）过程中，ONU的执行动作：在上电启动或复位时，ONU进入Discovery状态。等待来自OLT的“Discovery Gate”消息。如果所收到的消息类型为Discovery，且消息中的逻辑PHY ID与自己相同或为默认值“是”，就对此消息做出应答。

②在Discovery过程中OLT的执行动作：OLT必须周期性地发送Discovery检测帧。所有的“Discovery Gate”帧都是以广播方式发送的。

（2）ONU上电启动或复位时，发送注册请求信息。经过一段随机时延（防止ONU注册冲突，随机时延小于发现周期，随机定时是通过OLT对ONU测距获得随机分布而设置的随机定时）在OLT规定的发现窗口期内，ONU发送REGISTER_REQ。在注册规程处理过程中请求注册。REGISTER_REQ消息：目的地址DA=主控OLT MAC地址；源地址SA=ONU MAC地址；操作码=申请注册。

（3）OLT在发现窗口时间接收ONU发送的REGISTER_REQ后，OLT发送REGISTER消息，在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了该ONU的注册请求。在OLT侧的发现周期内会同时发现很多ONU发送的REGISTER_REQ，所以设置Echo Pending Grants等待授权响应参数。

OLT发送REGISTER消息包含目的地址DA=ONU MAC地址；源地址SA=OLT MAC地址；同步时间、等待授权响应（Echo Pending Grants）、LLID等作为对ONU的认证授权信息。

OLT发送REGISTER消息后，OLT已经获得了足够的消息确认ONU，可以采用单播方式处理多个申请注册的ONU请求，所以在非授权窗口时间，用单播方式发送GATE消息通知各ONU授权完成，GATE消息内容：目的地址DA=ONU MAC地址、源地址SA=OLT MAC地址、命令码为授权，如图2-10所示。

（4）ONU收到GATE消息经过验证后，在授权窗口时间内，ONU发出REGISTER_ACK，在注册规程处理过程中表示注册确认完成。

（5）OLT收到ONU发出REGISTER_ACK，发现握手完成，OLT和ONU完成注册认证，建立了传输信道，可以开始传输数据。图2-10为在授权窗口时间内完成注册申请的理想情况。层管理将OLT PON口和ONU MAC地址绑定。此图显示EPON将MAC地址作为认证地址。中国通信行业标准将EPON认证扩展为逻辑ONU标识（LOID，Logical ONU-ID），将MAC地址更换为LOID，实现了LOID认证，有利于FTTH业务推广，详见第4章。

2.在授权窗口时间内完成注册申请（考虑注册处理时间的情况）流程

此流程创新了定时器Register_Gate_Timer。当OLT收到ONU发送的REGISTER_REQ消息后，OLT应向新发现的ONU发送REGISTER消息，该消息包含ONU的LLID以及OLT要求的时间（Synctime）。然后，OLT向ONU发送标准的GATE消息，该消息用于向ONU发送授权，以发送REGISTER_ACK消息。考虑到在发现过程中，ONU处理REGITSTER消息需要一定的时延，为确保ONU获得发送REGISTER_ACK的授权，中国电信对MPCP发现过程做如下修订，具体实现方式有两种，OLT应至少支持其中一种。ONU的注册处理时间（Register Processing Time）应不大于20ms。EPON系统的MPCP发现过程应符合IEEE 802.3 ah（1G EPON）和IEEE 802.3av（10G EPON）的规定。

（1）变量和参数定义。

Register_Gate_Timeout：整数变量，为在OLT上注册选通定时器的超时时间，单位为1ms，其值可配置，取值范围为2～50，默认值为20。

（2）实现流程。

在OLT上设置一个定时器，当OLT发送REGISTER消息后，启动定时器。在定时器超时后，OLT将立即向ONU发送一个Normal Gate（单播）。如果ONU在OLT的授权窗口（Grant Window）内返回REGISTER_ACK消息，则完成MPCP的注册；如果OLT在Grant Window内没有收到REGISTER_ACK消息，OLT将取消注册。修改后的MPCP发现过程如图2-11所示。定时器的超时时间应可配置为2～50ms，默认值为20ms。

图2-11　注册申请（考虑注册处理时间的情况）流程

3.REPORT报告消息

REPORT（ONU发出），向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳以及是否有数据需要发送。

为确保ONU获得足够的授权发送上行数据，在关闭FEC的情况下，Normal Gate帧的Grantlength值应大于“0x6A+Synctime”个时间量子。

REPORT消息应符合IEEE 802.3-2005和IEEE 802.3av的规定。在REPORT MPCPDU中，队列集（Queue Set）用于表示多阈值（Threshold）下队列长度。

特定Queue Set中的Queue #n Report值表示队列n在Report消息产生时刻在该Queue Set所对应的阈值下的完整以太网帧的总长度及其所需的帧间隔（IPG）和FEC开销（如果FEC使能）。Queue #n Report的队列长度值应采用累计方式，表示在不同阈值下，从队列起点到该阈值的完整以太网帧的总长度及其所需要的开销。

多个Queue Set中的Queue #n Report的队列长度（Queue Length）值应采取增量（Incremental）方式，即对于特定的队列Queue #n，报告帧中的第一个Queue Set中的Queue #n Report的队列长度值最小，最后一个Queue Set中的Queue #n Report的队列长度值最大。

对于Report帧中的最后一个Queue Set，Queue #n Report应描述该队列的总长度。

当该队列的总长度［含完整以太网帧的总长度及其所需帧间隔（IPG）及FEC开销］的值大于128KByte（两个Octet所能描述的最大值）时，则该Queue #n Report值为65535 TQ。

ONU中上行队列的编号应与IEEE 802.1Q中规定的User Priority一致，即编号为0的队列（Queue＃0）对应于User Priority=0的业务，编号为1的队列（Queue#1）对应于User Priority=1的业务，依次类推。

2.3.4　自动测距技术

自动测试技术的功能和作用：因为OLT不同，ONU间的环路时延也不同。各ONU距OLT的光纤路径不同，各ONU元器件具有不一致性。由于环境温度的变化和器件老化，环路时延也会不断地发生变化。测距是保证PON系统内ONU上行方向不发生时隙冲突的基础。

测距方式包括静态测距和动态测距。

静态测距：用在新的ONU安装调试阶段、停机的ONU重新投入运行时，通过开窗测距技术获得往返时延，并对时延差异进行补偿。

动态测距：应用于系统运行过程中，通过检测往返时延的变化，对温度、光电器件老化等因素的影响进行补偿。

测距精度：一般要求在1～2bit内，即有±16ns或±48ns误差。OLT和ONU都有1=16ns步长的32bit的计数器，提供本地时间戳。当OLT和ONU任一设备发送MPCPDU时，它将把计数器的值映射到MPCPDU中，时间戳域。MAC控制发送给MAC的MPCPDU的第一个8位字节的发送时间被设定为时间戳的参考时间，例如，测距过程对运行中的其他ONU的影响越小，可保证运行业务的QoS测距范围越大，即能提供的均衡时延越大。

ONU与OLT之间因距离不同而产生时延差异（RTT，Round Trip Time）计算如下。

补偿因ONU距离不同而产生的RTT方法，在注册过程中，OLT对新加入的ONU启动测距过程。OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间。OLT也可以在任何收到MPCP PDU的时候启动测距功能。RTT=T2-T1+T5-T3=T5-T4，如图2-12所示。

图2-12　ONU距离不同而产生的RTT

计算出RTT后，OLT据此给ONU发送GATE帧（消息），例如，如果OLT希望在T1时刻接收ONU的数据，则在GATE帧中给ONU的起始时间为T0=T1-RTT，如图2-13所示。由此获得本ONU时间同步起始时间。

图2-13为考虑上下行处理时间的情况发送GATE消息的示意图，除考虑RTT外，还要考虑DTT、UTT的影响因素。图中DTT为程序处理下行时延，OLT→ODU；UTT程序处理上行时延，ONU→时延。

在EPON系统中使用注册冲突避让解决ONU的注册冲突的方案有两种：随机延迟时间法和随机跳过开窗法，本文从略。

图2-13　OLT向ONU发送GATE帧（消息）时间示意