CN101039159A - 一种无源光网络数据链路层数据传输方法 - Google Patents

一种无源光网络数据链路层数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无源光网络数据链路层数据传输方法，主要包括：数据上行传输时，整个传输循环划分为多个时隙，每个光网络单元占用一个或多个时隙进行数据传输，每个时隙中包含一个预同步头以及至少一个使用标签进行定界的帧。本发明所述的无源光网络数据链路层数据传输方法具有对有效带宽的占用小、可进行精确的帧定界、封装方式简单、IP分组封装效率高、直接支持标签转发的优点。

Description

一种无源光网络数据链路层数据传输方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种无源光网络数据链路层数据传输方法。
背景技术
无源光网络(PON)是一种利用光纤实现用户宽带接入的技术。现有的接入网技术主要基于铜线，如电缆调制解调器(cable modem)及非对称用户数字线(ADSL)，其速率无法进一步提高，存在一个带宽瓶颈。随着多媒体和实时业务的增长，光纤到户将会解决这一带宽瓶颈，其中无源光网络就是光纤到户的最重要的实现方式。
目前无源光网络包括有异步传输模式无源光网络APON(ITU-T建议G.983)、基于千兆以太网的无源光网络EPON(IEEE标准802.3ah)和千兆比无源光网络GPON(ITU-T建议G.984)。
如图1所示，在现有PON中，一种的典型无源光网络技术为EPON，其数据链路层采用以太网封装格式(见IEEE std 802.3ahTM-2004)，直接将以太网封装用于无源光网络的数据链路层传输。具体帧格式沿用千兆以太网封装格式，为了同原以太网协议特别是IEEE 802.1D网桥协议的兼容，在预同步头(preamble)域处进行修改，新增了字节定义以用于无源光网络设备的物理层识别。如图所示，预同步头中的两字节用于PON tag标记：模式(mode)比特用于标识该帧是否属于多播帧；逻辑链路标识LLID用于对发送或接收该帧的光网络单元ONU物理层进行识别。具体的识别规则为，
下行：单播为mode＝0，LLID＝ONUi
广播为mode＝1，LLID＝全1
上行：单播为mode＝0，LLID＝ONUi
广播为mode＝1，LLID＝ONUi
本方案的缺点是IP分组封装效率低，及不支持标签转发。首先，在无源光网络PON传输中并不需要12字节的源和目的介质访问控制(MAC)层地址识别，只需要对光网络单元ONU的物理层ID进行识别即可。第二，在以太网封装中不直接支持标签转发，要支持标签转发则必须在封装的IP分组头和MAC分组头之间嵌入标签。第三，原用于帧定界识别的预同步码被用于物理层ID识别，影响帧定界识别效果，而且其中相当一部分字节被预留造成浪费。第四，现有帧定界识别方式依靠帧起始字节定界，其定界性能不如帧头校验同步搜索方式，如异步传输模式(ATM)封装和通用成帧格式(GFP)封装。第五，按照以太封装格式，一个IP分组只能被封装入一个以太分组中，封装效率较低。
如图2所示，现有技术方案还有基于ATM的无源光网络APON，其数据链路层封装方式沿用原有的ATM封装(见ITU-T G.983)。本技术方案的优点在于，ATM封装采用了帧头同步校验搜索定界方式，其帧定界性能较好，而且定长帧简化了光网络单元ONU物理层的识别。
本方案的缺点主要包括：第一，由于ATM属于定长封装(53字节)，因此对于变长IP分组的封装效率较低。第二，其头部字节用于存放虚通道标识VPI和虚电路标识VCI，占用了有限的空间。第三，ATM封装不直接支持标签转发，实现标签转发需要在VPI/VCI和标签之间进行映射。第四，所有物理层开销和控制信令开销均在帧内随帧携带，占用了有效的带宽空间。
如图3所示，现有技术方案还有基于GEM(GPON封装模式)封装的无源光网络GPON，其数据链路层封装方式采用GEM封装(见ITU-T G.984.3)。
本方案的主要缺点包括：第一，封装方式相当复杂，虽然封装效率较高，但实现成本太大。第二，其有效载荷中采用对IP分组进行二次封装，先将IP分组进行以太封装(GEM)或ATM封装，然后再封装入GEM的有效载荷中，造成带宽进一步浪费。第三，GEM封装不直接支持标签转发，实现标签转发需要经过ATM封装VPI/VCI和标签之间的映射过程或通过以太封装和IP封装之间的标签添加。第四，其物理层开销和其他控制信令开销仍然采用帧内随帧携带，占用有效带宽。
以上三种技术现已有了国际标准，也有部分产品问世，但它们都共同存在数据链路层网络协议(IP)分组封装效率低，不支持标签转发，服务质量较差等缺陷。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种直接支持标签转发，采用专门的控制帧实现控制开销，采用帧头校验同步搜索进行帧确定的无源光网络数据链路层数据传输方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种无源光网络数据链路层数据传输方法，包括：
数据上行传输时，整个传输循环划分为多个时隙，每个光网络单元占用一个或多个时隙进行数据传输，每个时隙中包含一个预同步头以及至少一个使用标签进行定界的帧。
所述在上行传输的每个时隙中使用预同步头锁定、提取光接收机的同步时钟，调整光接收机的接收功率。
所述每个帧中包括：
长度域，以字节为单位表示当前帧的长度，其表示范围包括从长度域开始至帧结束的所有域长度；
协议或类型域，表示当前帧所携带分组的协议或者类型；
标签或光网络单元标识符域，在上行传输时该域中至少包含标签，用于标示帧内分组标签和标签交换路径，在下行传输时该域中至少包含光网络单元标识符，用于标示下行方向帧光网络单元标识符；
帧头同步校验域，用于对帧头进行循环冗余校验并进行帧定界；
数据域，用于承载网络协议分组数据，包含至少一个网络协议分组，每个分组前设有一个校验字节。
所述每个帧中还可以包括一个帧校验序列，用于对整个帧进行循环冗余校验。
所述使用标签进行帧定界的过程包括：
通过循环冗余校验确定帧头的位置，通过帧长度域所标示的帧长度确定帧的起始和结束；
每个帧的数据域中所有分组均使用标签或光网络单元标识符域中的同一标签，各分组的路径均为该标签对应的同一个标签交换路径；
光线路终端通过对接收到的上行发送帧中的分组进行标签交换路径的识别进行帧定界，根据接收到帧的绝对时间判断接收帧所属的光网络单元。
在一个帧中可对多个网络协议进行分组封装，所有分组具有同一标签，属于同一个标签交换路径。
接收时对于多个网络协议的分组封装，通过使用每个分组前的校验字节对分组进行循环冗余校验实现对分组的校验和同步定界。
数据上行传输时，在两个相邻时隙间设置保护带宽，保护带宽的宽度设定由物理层参数和线速率共同决定。
数据上行传输时，光线路终端根据光网络单元的业务情况和总体资源使用情况动态分配时隙。
所述时隙的分配包括开始时间分配和发送长度分配。
每个光网络单元在达到规定的开始时间时，媒质接入控制模块打开物理层设备及激光器进行数据发送；当达到规定的发送长度时，媒质接入控制模块关闭物理层设备和激光器，保证不同光网络单元发出的数据不会产生冲突。
数据下行传输时，采用广播方式发送数据，光网络单元的数据传输使用单独的帧结构、不划分固定时隙。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的无源光网络数据链路层数据传输方法具有对有效带宽的占用小、可进行精确的帧定界、封装方式简单、IP分组封装效率高、直接支持标签转发的优点。
附图说明
图1所示为EPON(IEEE 802.3ah)中的帧结构示意图；
图2所示为APON/BPON(ITU-T G.983系列)中的帧结构示意图；
图3所示为GPON(ITU-T G.984系列)中的帧结构示意图；
图4所示为无源光网络的一般拓扑和设备示意图；
图5所示为无源光网络一般协议分层示意图；
图6所示为传输循环及光网络单元时隙组成图；
图7所示为光网络单元时隙内单个帧的结构图；
图8所示为单个帧中标签/光网络单元标识符域结构图；
图9所示为单个帧中数据域结构图；
图10所示为为帧定界过程示意图。
具体实施方式
本发明的核心是获得一种数据链路层数据封装方法，该方法需具有较高的IP分组封装效率；能够支持标签转发；能够进行光网络单元的寻址；能够保证极高的发送正确率；提供帧头同步搜索定界方式，帧定界快而且效率高；物理层开销和信令开销使用专门的控制帧实现。此外本方法还需提供光网络单元(ONU)时钟同步和功率调整信号，能够使得光线路终端(OLT)有充分时间进行时钟同步和接收功率调整以适应不同光网络单元的发送功率。
具体一点讲，本发明结合无源光网络特殊的拓扑和媒质接入控制模式，即共享介质和时分复用多址接入，提出一种简单无源光网络链路层(SPDL)封装技术，用于在基于标签交换的无源光网络中的数据链路层封装。
对于上行方向：
每个光网络单元在整个发送传输循环中占用一个或多个时隙，相邻两个时隙之间可留有保护带宽，保护带宽的宽度由具体的物理层参数和线路速率确定；
在发送传输循环中，时隙的分配由光线路终端根据光网络单元的业务情况和总体资源情况动态分配；
时隙的分配分为开始时间分配和发送长度分配(或结束时间分配)组成；
每个光网络单元在其自身发送时隙开始时由媒质接入控制模块负责打开物理层设备及激光器进行数据发送，当发送时间达到规定的发送长度或结束时间时，媒质接入控制模块关闭物理层设备和激光器，这时发送结束，不同光网络单元发出的数据不会产生冲突；
每个时隙由一个预同步头和不少于一体帧组成，预同步头的设置由物理层参数决定；
时隙中预同步头的作用是提供“0”、“1”连续二进制码流以便于光线路终端光接收机进行时钟锁定和提取，并且光线路终端的光接收机可以借此调整最佳接收功率；
时隙中每个帧包含：
长度域，用于以字节为单位表示当前帧的长度，包括从长度域开始至帧结束的所有域长度；
复合协议/类型域，用于表示当前帧所携带分组的协议或者类型；
复合标签/光网络单元识别符域，用于表示当前帧中分组所属标签交换路径和光网络单元识别符；
帧头同步校验域，用于对帧头进行循环冗余校验并进行帧定界；数据域，用于承载网络协议(IP)分组数据，可以包含多个IP分组；
可选帧校验序列，用于对整个帧进行循环冗余校验。
对于下行方向：
数据传输采用广播连续发送，因此无固定的时隙，只有单独的帧结构。
下面将结合附图对本发明所述的方法作进一步详细说明。
图4所示为无源光网络的一般拓扑和设备示意图。
本发明提供的无源光网络数据链路层分组封装方法，用于在光线路终端和光网络单元之间传送链路层数据。如图4所示的无源光分配网络中，网络的一端接有多个光网络单元，另一端为一个光线路终端。数据上行传输时为多点到一点模式，数据下行传输为一点到多点模式。
图5所示为无源光网络一般协议分层示意图。
如图5所示，数据链路层位于网络层和物理层中间，提供分组封装格式，用于物理层传输和接收功能，提供简单的媒质接入控制功能。
图6所示为传输循环及光网络单元时隙组成图。
如图6所示，本发明中用于光网络单元上行发送的时隙和整个上行传输循环之间的关系为：整个传输循环分成若干时隙，每个光网络单元可以占用一个或多个时隙用于帧的发送；时隙由光线路终端根据动态带宽分配方案进行分配；信令在每个传输时隙开始前将分配结果通知各光网络单元，在通知中必须明确所分配给光网络单元发送时隙的绝对开始时间和发送长度(或结束时间)，以防止不同光网络单元的发送数据产生碰撞冲突。
为了保持光线路终端和光网络单元之间的时间同步，光线路终端和光网络单元之间引入测距和同步机制。
当达到发送开始时间时，光网络单元打开物理层设备和激光器，将在缓存中的IP分组进行链路层封装并交付物理层进行码流转换，最后送入发送机并在通信链路中进行发送。
当达到发送长度或达到发送结束时间时，光网络单元关闭物理层设备和激光器，避免同其他光网络单元的发送时隙碰撞冲突。每个光网络单元能在所分配时隙中发送完整的帧而不经过分拆，避免产生错误。
在每个传输时隙中，包含一个预同步头(其长度视不同光网络单元接收机参数和线路情况不同)，用于光线路终端光接收机同步时钟的锁定/提取和光线路终端光接收机的接收功率调整，预同步头的长度由不同光网络单元接收机参数和线路情况确定。
在下行发送中，光线路终端的光发送机和光网络单元的光接收机均处于连续工作阶段，其同步时钟锁定和提取可以连续实现，接收功率不会发生很大变化，因此不需动态的调整。
而在上行发送中，各光网络单元按照时隙进行发送，到达光线路终端的时间不同，而且各光网络单元光发送机参数可能不一致，因此需要光线路终端的接收机进行动态的调整，即时钟的同步锁定和提取，并且接收功率也必须动态调整，以达到最佳接收效果。在每一时隙中可以包含多个发送帧。
图7所示为光网络单元时隙内单个帧的结构图。
如图7所示，每个帧包括一个长度域(2字节)、一个复合协议/类型域(2字节)、一个复合标签/光网络单元ONU标识符域(4字节)、一个帧头循环冗余校验(1字节)、一个数据域(0-4096字节)、一个可选的帧尾循环冗余校验序列(4字节)。
长度域用于标识整个帧的长度，从长度域开始到帧校验域结束，可标识从0-65536字节的长度帧。
协议/类型域是一个复合标识的域，用于标识所传送帧承载的上层协议和帧类型，根据不同的比特顺序或取值空间区分是表示协议或类型，其中协议类型域目前只支持因特网协议IP协议，类型域只用于标识是否是控制帧和数据帧，其他用于保留未来的扩展。
标签/光网络单元标识符域，是复合型标识域，用于标识所传输上行方向帧内分组的标签及标签交换路径，标识所传输下行方向帧的光网络单元标识符，用于光网络单元正确接收属于自己的帧。
帧头循环冗余校验有两个作用，一个是用于对帧头进行校验并纠错，另一个是对帧头进行同步定界。和传统的使用帧定界符进行帧定界的方法相比，这种方式能够得到更高的定界性能并且不需要对帧进行扰码。
数据域用于对IP分组进行封装，为了提高封装效率，一个帧中的数据域可以包含多个IP分组。在帧的最后可以使用一个可选的帧校验序列对整个帧作循环冗余校验，以增强帧接收的正确率。
图8所示为单个帧中标签/光网络单元标识符域结构图。
图8给出了单个帧中标签/光网络单元标识符域结构图，此域参考32比特的多协议标签交换(MPLS)标签头格式。
在光网络单元上行发送帧中，数据域中所传输的分组都必须属于同一个标签交换路径，因此具有相同的标签。而由于光线路终端可以根据所接收到帧的绝对时间直接判断接收帧所属的光网络单元，因此在上行发送帧中可以不使用光网络单元标识符，而只需要对上行发送帧中的分组进行标签交换路径的识别，因此在上行发送帧中只有标签域，其他字节用于保留。
而在下行发送帧中，由于是广播发送没有时隙的限制，有必要指明所发送帧的目的地(即光网络单元)，因此需要携带光网络单元标识符，而在标签交换协议中通过倒数第二跳弹出的操作，使得在帧中不再需要携带标签域，因此在下行发送帧中只需携带光网络单元标识符，其他字节用于保留。
图9所示为单个帧中数据域结构图。
图9给出了光网络单元时隙内单个帧中数据域结构图，为了提高封装效率，规定在一个帧中可以对多个IP分组封装，但所有IP分组必须具有相同的标签，属于一个标签交换路径。由于封装多个IP分组，因此需要在接收时对分组进行定界，在每个分组前面增加一个字节的循环冗余校验，不仅用于对分组进行校验，同样可以用来对分组进行同步定界。
图10所示为帧定界过程示意图。这里引入帧头循环冗余校验的生成多项式，根据循环冗余校验的结构确定帧头的位置，该多项式为g(x)＝x8+x2+x+1，继而通过帧长域所标识的帧长度确定帧的起始和结束来对帧进行定界。
帧定界的具体过程包括：
首先开始捕获状态，在这个状态搜索一切正确的帧头校验。
当发现一个正确的帧头校验，系统进入预同步状态，并设置一个计数器N1。
进入预同步状态后，系统继续寻找下一个正确的帧头校验。如果连续地发现另一个正确的帧头校验，则计数器N1加1，在计数器达到预设值δ之前如果发现任何一个错误的帧头校验，则进入捕获状态；如果连续发现δ次正确的帧头校验，则进入同步状态，可以宣布能够正确的进行帧定界。
此时开始处理帧内信息，并设置计数器N2，开始记录连续不正确的帧头校验数量，如果发现连续不正确的帧头校验数量达到预设值α后则重新进入捕获状态，同步状态丢失。
与此相同，在帧内数据域的分组定界也使用相同的定界原理。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1、一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，包括：
数据上行传输时，整个传输循环划分为多个时隙，每个光网络单元占用一个或多个时隙进行数据传输，每个时隙中包含一个预同步头以及至少一个使用标签进行定界的帧。
2、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，在上行传输的每个时隙中使用预同步头锁定、提取光接收机的同步时钟，调整光接收机的接收功率。
3、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，每个帧中包括：
长度域，以字节为单位表示当前帧的长度，其表示范围包括从长度域开始至帧结束的所有域长度；
协议或类型域，表示当前帧所携带分组的协议或者类型；
标签或光网络单元标识符域，在上行传输时该域中至少包含标签，用于标示帧内分组标签和标签交换路径，在下行传输时该域中至少包含光网络单元标识符，用于标示下行方向帧光网络单元标识符；
帧头同步校验域，用于对帧头进行循环冗余校验并进行帧定界；
数据域，用于承载网络协议分组数据，包含至少一个网络协议分组，每个分组前设有一个校验字节。
4、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，每个帧中还可以包括一个帧校验序列，用于对整个帧进行循环冗余校验。
5、根据权利要求1或3所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，所述使用标签进行帧定界的过程包括：
通过循环冗余校验确定帧头的位置，通过帧长度域所标示的帧长度确定帧的起始和结束；
每个帧的数据域中所有分组均使用标签或光网络单元标识符域中的同一标签，各分组的路径均为该标签对应的同一个标签交换路径；
光线路终端通过对接收到的上行发送帧中的分组进行标签交换路径的识别进行帧定界，根据接收到帧的绝对时间判断接收帧所属的光网络单元。
6、根据权利要求3所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，在一个帧中可对多个网络协议进行分组封装，所有分组具有同一标签，属于同一个标签交换路径。
7、根据权利要求3或6所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，接收时对于多个网络协议的分组封装，通过使用每个分组前的校验字节对分组进行循环冗余校验实现对分组的校验和同步定界。
8、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，数据上行传输时，在两个相邻时隙间设置保护带宽，保护带宽的宽度设定由物理层参数和线速率共同决定。
9、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，数据上行传输时，光线路终端根据光网络单元的业务情况和总体资源使用情况动态分配时隙。
10、根据权利要求9所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，时隙的分配包括开始时间分配和发送长度分配。
11、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，每个光网络单元在达到规定的开始时间时，媒质接入控制模块打开物理层设备及激光器进行数据发送；当达到规定的发送长度时，媒质接入控制模块关闭物理层设备和激光器，保证不同光网络单元发出的数据不会产生冲突。
12、根据权利要求1所述的一种无源光网络数据链路层数据传输方法，其特征在于，数据下行传输时，采用广播方式发送数据，光网络单元的数据传输使用单独的帧结构、不划分固定时隙。
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