CN103281131A - 一种基于以太网无源光网络的光纤总线设计方法 - Google Patents

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杜和青
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杜和青
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Abstract

本发明涉及一种光纤总线的设计方法，包括：以太网无源光网络配置方法，三层交换机制，光纤总线设计的拓扑图，总线控制器、接入单元、光电转换模块，光分路器，光纤。在本发明以前，有关光纤总线的技术都是采用国外的标准，由于这些技术和实现这个技术的芯片都是属于西方对中国的禁运范围，我国无法直接采用这些标准。本发明用一种新的方法来取代国外的同类技术，建立一套我国自主的光纤总线产品标准体系，使光纤总线技术能广泛地应用到航天、航空、军工、电子工业等领域。

Description

一种基于以太网无源光网络的光纤总线设计方法
技术领域
本发明属于电子信息和通信科技领域，涉及一种基于以太网无源光网络的光纤总线设计方法和原理。
背景技术
1.以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network，EPON)
以太网无源光网络是一种以光纤作为传输介质，用以太网协议为上层传输协议的网络。它由四部分组成：光纤线路终端(Optical Line Terminal，OLT)，光网络单元(Optical NetworkUnit，ONU)，无源分光器(Passive Optical Splitter，POS)、光纤(Optical Line)。光纤线路终端OLT完成各接入ONU之间的数据交换和控制；光网络单元ONU完成与用户设备的转接，分光器完成光路的分路；光纤是数据传输的通道；以太网无源光网络是一种新型的宽带接入技术，它的用途是实现光纤到户的宽带互联网接入。与以太网交换机相比，它具有以下特点：
传输速率高：由光纤直接联入用户设备，可以实现达1Gbps的带宽。
-采用时分复用机制：控制单元对接入的用户设备实行按照时间间隔来分配数据传输权限的机制。这种机制避免了以太网中采用的介质访问控制方法——CSMA/CD(Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection，冲突检测载波监听多点访问)。这是以太网规定的一种非确定性或随机性通信方式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。在网络负荷较高时，以太网上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极大地影响了以太网的数据吞吐量和传输延时，并导致以太网实际性能的下降。由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。以太网的这种CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。采用时分复用技术后，网络按照预定的时间间隔分配数据传输时间，就可以避免信息碰撞。
传输距离远：由于光纤采用无源的工作模式，传输距离可达20公里。
具有QOS机制：可以按照用户端的要求配置优先级控制。
可采用星型、总线型和环形拓扑结构。
2.以太网三层交换
以太网协议中三层交换的“三层”指的是OSI(开放系统互连)七层参考模型的下面三层。OSI参考模型是国际标准化组织为了解决不同系统的互联而提出的模型，它将计算机网络按功能划分为七个层次，这就是网络通信中的七层模型或七层结构，各层名称如附图1所示。
(a)第一层——物理层
物理层设备是最低层次的网络设备，主要负责实际的信号传输，即比特流。对于物理层设备来讲，它只认识比特流，不认MAC地址、IP地址。
(b)第二层——数据链路层
数据链路层负责在两个主机上建立数据链路连接，向物理层传输数据帧，并对信号进行处理使之无差错并合理地传输。二层交换机只能连接IP地址在同一子网内的计算机，如果计算机的IP地址在不同的子网内，即使连接在同一台交换机的端口上，虽然近在咫尺，也不能相互通信，因为现在的计算机是通过IP地址相互通信的，而交换机不能识别IP地址。
(c)第三层——网络层
网络层主要负责路由，即选择合适的路径的功能。网络中经常使用的路由器就是典型的网络层设备，它能够识别帧中的三层地址。比如一台IP地址为“192.168.1.1”的计算机想与IP地址为“10.1.1.2”的计算机通信，因为它们不在同一子网里，必须通过路由器路由才能实现通信。
传统的局域网交换机是一种二层网络设备，它在操作过程中不断收集信息去建立起它本身的一个MAC(Media Access Control)地址表。这个表相当简单，基本上说明了某个MAC地址是在哪个端口上被发现的。这样当交换机收到一个以太网包时，它便会查看一下该以太网包的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以确认该从哪个端口把包发出去。但当交换机收到一个不认识的包时，也就是说如果目的MAC地址不在MAC地址表中，交换机便会把该包“扩散”出去，即从所有端口发出去，就如同交换机收到一个广播包一样，这就暴露出传统局域网交换机的弱点：不能有效的解决广播、异种网络互连、安全性控制等问题。因此，产生了交换机上的VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)技术。
三层交换(也称多层交换技术，或IP(Internet Protocol)交换技术)是相对于传统交换概念而提出的。众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术在网络模型中的第三层实现了分组的高速转发。简单的说，三层交换技术就是“二层交换技术+三层转发”。三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是两者的有机结合，而不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。功能强大的三层交换机可同时工作在数据链路层和网络层，并根据MAC地址或IP地址转发数据包。但是要注意到三层交换机并不能完全取代路由器，因为它主要是为了实现处于两个不同子网的VLAN进行通讯，而不是用来作数据传输的复杂路径选择。
发明内容
本发明把以太网无源光网络技术与三层交换技术结合在一起，产生一种新的技术-光纤总线。光纤总线的特性和技术指标如下：
-总线的拓扑结构有星型结构、总线型冗余结构、总线型非冗余结构三种，见附图2，附图3，附图4；
-接入设备间进行实时数据交换；
-总线数据传输带宽：1Gbps；
-总线控制器设置四个光口，每个光口传输带宽1Gbps；
-每个光口设置一个分光器，可分出16路光纤，每个光纤连接一个接入卡；
-无源光纤传输，远端设备接入距离可达20公里；
-支持百兆网口和RS232/485接口；
-接入设备数：64个，可以根据需要扩展；
-支持虚拟局域网(VLAN)数目4094个；
-可对接入设备的上下行带宽进行动态分配；
-支持优先级控制(QOS)：端到端的QOS配置；
本发明的有益效果在于：提供了一种新的光纤总线设计方法，解决了现在各类总线中要求大带宽传输数据的问题。用光纤取代铜线有两个优点：第一，光纤是无源传输，不存在电磁干扰的问题，数据传输通道的可靠性高；第二，数据传输带宽高，普通总线的带宽一般是每秒几兆(M)比特，而光纤传输的带宽可以做到每秒几个千兆(G)比特。
附图说明
图1网络七层结构示意图；
图2光纤总线星型结构拓扑图；
图3光纤总线冗余结构拓扑图；
图4光纤总线非冗余结构拓扑图；
图5三层交换模式总线控制器结构图；
图6非三层交换模式总线控制器结构图。
具体实施方式
本发明设计了一组装置，其拓扑结构如附图2，附图3，附图4.所示，该装置由四部分组成：总线控制器、分光器、光纤和接入卡。总线控制器完成各接入设备之间的数据交换和控制；分光器完成光路的分路；光纤是数据传输的通道；接入卡完成总线与接入设备之间的转接。任何一个接入设备可以与另一个接入设备进行宽带数据通信，实现数据总线的交换功能。
1.总线控制器
分为两种模式：
(1)三层交换模式：由光纤线路终端(OLT)和三层交换机组成，其连接方式如附图5，这种模式适用于大带宽的数据传输。来自接入卡的数据通过三层交换机实现数据转发。
(2).非三层交换模式：由OLT独立完成数据转发，配置P to P功能，这种模式适用于小带宽需求的数据传输，如附图6.
2.接入卡
由光纤网络单元(ONU)组成。设有百兆网口和RS232/485接口与用户设备连接。
3.分光器
一个无源分光器可把一路光纤分成16路分路，每个分路光纤连接一个光纤线路单元(ONU)。
4.光纤
无源光纤，下行波长1490nm，上下波长1310nm，其传输距离可达20公里。

Claims (1)

1.一种基于以太网无源光网络的光纤总线设计方法，其特征在于，包括：
(1)以太网无源光网络的配置：采用虚拟局域网(VLAN)建立总线控制器与接入卡之间的数据传输通道；
(2)三层交换机制：把需要在不同网端之间传输的数据交换由三层交换实现，与OLT之间的连接和配置。
(3)非三层交换模式：由OLT独立完成数据转发，配置P to P功能。
(4)光纤总线设计拓扑图：总线的拓扑结构有星型结构、总线型冗余结构、总线型非冗余结构三种。
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