EPON技术介绍及所面临的测试挑战

1 引言

       PON技术是继DSL技术和Cable技术后，又一个理想的接入平台，PON可以直接提供光业务或FTTH业务。EPON（以太网+无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等。EPON的测试与传统以太网设备的测试有很大不同，本文着重介绍 EPON测试技术。

2 EPON技术介绍以及所面临的测试挑战

EPON系统由多个光网络单元（ONU），一个光线路终端（OLT）和一个或多个分光器组成（见图1）。在下行方向，OLT所发送的信号广播到所有的ONU上。在上行方向，采用TDMA多址接入技术，多个ONU的上行信息组成一个TDM信息流传送到OLT。802.3ah修改了以太网帧格式，重新定义Preamble部分，加入时间戳和逻辑链路标识（LLID）。LLID标识PON系统的每一个ONU，LLID在发现过程中被指定。

图1 EPON系统组成

2.1 在PON系统中的关键技术

（1）测距

EPON系统中，上行信息传输方向上各ONU与OLT之间的物理距离是不相等的。一般的EPON系统规定ONU到OLT之间的最远距离为20km，最近距离为0km。这种距离差将导致时延在0~200us之间变化。如果没有足够的隔离间隙，来自不同的ONU信号可能同时到达OLT的接收端，这将引起上行信号的冲突。冲突将引起大量的误码和同步丢失等，造成系统不能正常工作。采用测距的方法，首先测量物理距离，然后把所有ONU都调整到与OLT相同的逻辑距离处再进行TDMA的方法来实现冲突避免。目前，采用的测距方法有扩频法测距、带外法测距和带内开窗法测距等几种。例如采用时间标签测距方法，首先测量出各个ONU到OLT的信号环路延迟时间，然后为每个ONU插入一个特定的均衡时延Td值，使所有ONU在插入Td后的环路延迟时间（称为均衡环路延时值Tequ）都相等，其结果类似于使每个ONU都移到与OLT相同的逻辑距离处，以后就可以根据TDMA的技术正确地发送帧，而不会有冲突发生。

（2）发现过程

OLT发现PON系统中的ONU是通过定期发送Gate MPCP消息。收到Gate消息，没有注册的ONU会等待一个随机的时间（避免多个ONU同时注册），然后向OLT发送Register消息。成功注册后，OLT给ONU分配一个LLID。

（3）Ethernet OAM

ONU向OLT注册完以后，ONU上的Ethernet OAM开始发现过程，与OLT建立连接。Ethernet OAM用在ONU/OLT链路上，用于发现远端错误，触发远端环回和检测链路质量。然而，Ethernet OAM提供支持定制化的OAM PDU，信息单元和时间报告。许多ONU/OLT厂商利用OAM的扩展来设置ONU的特殊功能。典型的应用是用扩展在ONU内的配置带宽模型控制端用户的带宽数量。这个非标准的应用是测试的关键，成为ONU和OLT的互通障碍。

（4）下游流量

当OLT有流量发送ONU时，会在流量中携带目的ONU的LLID信息。因为PON的广播特性，OLT发送的数据会广播到所有的ONU上。我们要特别考虑下游流量传送视频业务流的情况。由于EPON系统的广播性，当一个用户定制了视频节目，它会广播到所有的用户那，这样非常消耗下游带宽。OLT通常支持IGMP Snooping，它可以探听IGMP Join Request消息，把组播数据发送到与这个组相关的用户，而不是广播到所有的用户，通过这种方式减少流量。

（5）上游流量

在某个时候只有一个ONU可以发送流量。ONU有多个优先级的队列（每个队列对应一个QoS级别。ONU发送Report消息给OLT请求发送机会，详细说明每个队列的情况。OLT发Gate消息回应ONU，告诉ONU下一次发送的开始时间和持续发送的时间。管理上行流量对OLT要面对很多的问题。OLT必须能够为所有ONU管理带宽需求，必须把发送许可分出优先级，根据队列的优先级和平衡多个 ONU的请求，动态分配上行带宽（即DBA算法）。

2.2 针对EPON系统的技术特点，EPON系统面临的测试挑战

（1）针对EPON系统的规模考虑

尽管IEEE802.3ah没有定义在一个EPON系统里的最大数，一个EPON系统支持的最大数是从16~128。每个ONU加入到EPON系统都需要一个MPCP会话和OAM会话。当随着更多的站点加入到EPON，系统错误的风险会增大。例如，每个ONU都需要重新发现过程，登录过程和启动 OAM会话。因此，整个系统恢复的时间会随ONU的数量增加。

（2）设备的互通问题

对于设备的互通主要考虑以下几个方面：

●不同厂家所提供的动态带宽算法（DBA）有所不同。

●一些厂家利用OAM的“Organization Specific Elements”设定特定行为。

●MPCP协议的开发是否完全一致。

●不同厂家所开发的测距方法和时钟的处理是否一致。

（3）EPON系统传送三重播放业务存在的隐患

由于EPON的传输特性，在传送三重播放业务时也会引入一些隐患：

●下行浪费大量带宽：EPON系统在下行是用广播式的传送方式：每个ONU都会收到大量的发向其它ONU的流量，浪费了大量的下行带宽。

●上行延迟比较大：ONU在向OLT发送数据时必须等待由OLT分配的传送机会，因此ONU必须缓存大量的上行流量，这将产生延迟、抖动和包丢失。

3 EPON测试技术

对EPON的测试主要包括互通性测试、协议测试、系统传输性能测试、业务和功能验证等几个方面。标准的测试拓扑图如图2所示。IXIA公司的 IxN2X产品提供专用的EPON测试卡，提供EPON测试接口，可以捕获和分析MPCP和OAM协议，可以发送EPON流量，提供自动测试程序，可以帮助用户测试DBA算法。

图2 EPON系统测试拓扑图

3.1 MPCP注册过程的测试

测试目的：在正确的时间窗口内，ONU向OLT注册。

测试方法：利用IxN2X分析MPCP并完成此项测试。可以设置触发器，当捕获到OLT的Gate消息以后，开始捕获其它交互的消息。

●OLT定期发出Gate消息，Gate消息里的Discovery Flag是置位的。

●ONU在发送Register消息时等待一个随机的时间。

●测试的关键点是来测试ONU的注册过程所用的时间。可以分析所捕获的Gate消息，得出Discovery Window，然后比较所收到的Register消息的时间戳应保证在Discovery Window内。

3.2 下行流量广播

测试目的：下行流量能正确转发到指定ONU。尽管下行流量可以广播到所有的ONU，但只有被指定的ONU才能把流量转发到它的端用户。

测试方法：利用IxN2X可以发现为每个ONU分配的LLID，然后在指定的ONU上接收流量，观察是否能在指定的ONU上接收到流量。

●捕获MPCP消息，查看为每个ONU分配的LLID。

●从OLT端发送流量，流量的LLID指向某个ONU。

●在指定的ONU端，能够接收到此ONU转发的流量。

●在其它的ONU端，不能够接收到此ONU转发的流量。

3.3 上行发送队列

测试目的：此测试是验证ONU能在传送窗口时间内发送流量。

测试方法：IxN2X可以精确计算ONU发送包的时间，能够验证ONU是否是在发送窗口内发送流量。

●设置触发器：当双向捕获到指定的LLID的Gate消息时开始捕获。

●设置过滤器：只捕获指定的LLID的上行流量。

●向带有指定的LLID的ONU发送流量，ONU向OLT发送Report消息，OLT向ONU发送Gate消息。用IxN2X捕获协议包，查看 OLT为这个LLID分配的发送窗口。

●捕获指定的ONU发送的上行流量。

●通过比较时间戳，可以验证出ONU应在发送窗口内发送流量。

3.4 EPON测距性能测试（见图3）

图3 测距测试拓扑图

测试目的：测试OLT侧对ONU进行测距所能达到的最小距离和最大距离；测试新加入网络的ONU在测距时是否影响其它在线ONU的正常运行；测试测量测距精度。

测试方法：

●搭建好测试配置，使系统在最大分路比下工作，ONU1~ONUn-1与OLT距离为0km（通过分路器直连），ONUn与OLT距离为 10km/20km。

●在所有ONU正常工作的条件下，在OLT侧对各ONU分别测距。

●如果所有ONU都能正常测距，用IxN2X可以监视所有ONU（ONU1~ONUn）是否能正常工作（对于IP业务，要求在吞吐量的90%时测试，无丢包），说明测距范围符合指标。

●对ONU3进行测距，记录测距值为b1。

●在ONU3加入3m的光跳线。

●重新对ONU3进行测距，记录测距值为b2。

●去掉光跳线，再对ONU3进行测距，记录测距值为b3。

●计算测距值的变化| b2 -b1|和| b2 –b3|应≤16ns。

3.5 EPON系统的性能测试（见图4）

图4 性能测试拓扑图

测试目的：能够更好地隔离造成系统转发性能下降的原因。

测试方法：IxN2X可以在PON端口统计PON的流量，计算时延和包丢失。测试拓扑如图4所示。 IxN2X 103/2和N2X 103/3是以太网端口，N2X 101/1是EPON接口，统计上行流量，IxN2X 101/2是EPON接口，统计下行流量。

●在103/2和103/3之间互相发双向业务流。

●分别在101/1和101/2端口统计上行和下行的流量。

●用户可以分别计算出通过ONU和OLT的延迟。

测试结果如图5所示。丢包也可以用同样的方法计算。

图5 ONU端和OLT端性能测试结果

从以上测试结果，我们可以计算出：

●OLT Downstream avg Latency=10.4us。

●ONU Upstream avg Latency=406.4us。

●OLT Upstream avg Latency=416.7-406.4=10.3us。

●ONU Downstream avg Latency=13.4-10.4=3us。

4 结束语

IXIA IxN2X在EPON测试领域一直处于领先地位，它提供了丰富的EPON测试功能，可以测试MPCP，OAM协议，可以测试DBA算法，可以测试EPON 系统的转发性能，可以测试EPON系统的QoS保证能力等。根据EPON的传输特性，有效地测试EPON系统是必要的。