CN1252967C - 以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法 - Google Patents
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Abstract
一种EPON系统中双向带宽控制的方法，是在由OLT和多个ONU组成的EPON上进行上下行方向的带宽控制。包括：将各ONU上下行用户带宽协议换算成一固定周期内各ONU的上下行带宽授权内容；OLT将各ONU的下行带宽授权内容保存在OLT侧的下行授权寄存器中，和将各ONU的上行带宽授权内容分别封装成MAC控制帧格式的含有OLT侧时间标签值的带宽授权帧，发送给对应ONU侧并保存在上行授权寄存器中；OLT侧缓存各ONU的下行业务数据，由OLT侧的下行时分控制器根据下行授权寄存器保存的下行带宽授权内容，实现各ONU下行业务数据流的下行发送；ONU侧缓存各ONU的上行业务数据，由各ONU侧的上行发送控制器根据上行授权寄存器保存的上行带宽授权内容，实现各ONU上行业务数据流的上行发送。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及基于以太网的无源光网络(Ethernet Passive Optical Network，简写为EPON)中，实现带宽控制的方法和设备。
背景技术
参见图1，EPON系统采用一个局端设备-光纤线路终端11(Optical lineTerminal，简称OLT)通过光分配网12连接多个远端设备-光网络单元13(OpticalNet Unit，简称ONU)的点对多点拓扑结构(图中示出一个OLT连接3个ONU)，是一种树形分支系统结构。OLT侧至ONU侧的下行方向数据流(DownStream)如图1A中所示，下行数据流1、2、3以广播方式流向三个ONU分支，经ONU1、ONU2、ONU3再分流到相应的用户端14；ONU侧至OLT侧的上行方向数据流(UpStream)如图1b中所示，三个用户14的数据分别经过相应的ONU1、ONU2、ONU3后，再汇总流向OLT侧。从图中可以看出，系统传输带宽由多个ONU共享，因此EPON系统需要根据用户需求对线路中上下行带宽进行管理控制(根据带宽控制机制)，以保障各支路的带宽权益，并防止上行数据链路发生冲突。
当前，国内外EPON设备提供商普遍采用的带宽控制策略是只对ONU的上行带宽进行控制，对各ONU的下行带宽则不进行控制，是按需提供的。这种从技术角度出发的基本考虑，其目的是为了防止EPON系统上行共享链路时发生冲突。但是从网络运营的角度来看，这样的控制策略对于运营商来说是十分不方便的。
由于以太网接入数据上下行流向的不平衡性，实际上下行带宽管理是最为关键的环节。传统的下行广播式的带宽管理策略使运营商无法控制各用户业务单元的下行流量分配；难于将下行流量与用户计费相联系；更为严重的是该策略无法防止某ONU侵占其它ONU的带宽利益。基于以上分析，传统带宽控制策略无法有效保障EPON用户的根本利益，难以满足电信运营商的基本管理需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，通过采用这种简洁方便的MAC层带宽控制方案，不仅能防止EPON系统各ONU上行数据的冲突，和按与各ONU用户签定的带宽协议来管理各ONU的上行带宽，还能有效控制各ONU的下行带宽分配，为运营商提供一种灵活可靠的带宽管理手段。
实现本发明目的的技术方案是这样的：一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，是在由OLT、光分配网和多个ONU组成的以太网无源光网络上进行上下行方向的带宽控制，其特征在于包括：
A.取各ONU的上下行用户带宽协议，将各ONU上下行用户带宽协议换算成一固定周期内各ONU的上下行带宽授权内容；
B.OLT将各ONU的下行带宽授权内容保存在OLT侧下行时分控制器的下行授权寄存器中，和将各ONU的上行带宽授权内容分别封装成MAC控制帧格式的含有表征时钟同步信息的OLT侧时间标签值的带宽授权帧，发送给对应ONU侧并保存在对应ONU侧上行发送控制器的上行授权寄存器中，ONU侧使用收到的带宽授权帧中的时间标签值同步其本地时钟；
C.OLT侧缓存各ONU的下行业务数据，由OLT侧的下行时分控制器根据下行授权寄存器保存的下行带宽授权内容，实现各ONU下行业务数据流的下行发送控制；
D.ONU侧缓存各ONU的上行业务数据，由各ONU侧的上行发送控制器根据上行授权寄存器保存的上行带宽授权内容，实现各ONU上行业务数据流的上行发送控制。
本发明的技术方案，利用固定周期内的时分复用手段实现EPON系统对上下行共享链路带宽的分配和控制。上行方向，该方案利用以太网MAC控制帧格式的带宽授权帧传递时钟同步消息及带宽授权消息，时分控制各ONU上行发送缓存中的数据发送；下行方向，该方案在OLT端为各ONU配置数据的多队列缓存，利用目的ONU的MAC地址与目的ONU_ID的转换表查到目的ONU_ID，并利用时分控制器控制下行发送多队列的入队列及出队列操作，实现下行带宽控制。
本发明方法经济有效地根据各ONU的带宽协议管理控制EPON系统各ONU的双向带宽。
本发明的技术方案用下行带宽授权消息配置下行发送寄存器，利用该发送寄存器控制下行发送起始时间点及发送时长，通过对下行出队列操作的时分控制，实现下行带宽控制。各ONU按照接收到的带宽授权配置上行发送寄存器，实现上行带宽控制。
利用MAC控制帧格式的带宽授权帧，实现授权消息的下行传递；带宽授权帧含有时间标签值，用于实现各ONU侧与OLT侧的系统时钟同步。
本发明的技术方案，带宽管理的方式集中易控，只需在各OLT侧就可实现对上下行带宽的配置与管理；OLT侧与各ONU侧各自独立地实现对上下行带宽的时分控制，即上行与下行带宽的配置管理可以相互独立地进行。
本发明采用的上下行带宽控制方法能够充分利用线路资源，在低成本的EPON平台上提供可靠的上下行连接通道，同时为电信运营商提供简洁方便的上下行带宽管理方式，确保接入网段运营收费的合理性，即接入网用户所享受的带宽能与其付费保持正比。
本发明的方法能提高接入网运营商对EPON系统上下行共享带宽的控制和管理能力，保障EPON用户的带宽权益。
附图说明
图1是多业务EPON(MS-EPON)系统拓扑结构，图1A中示出下行数据流方向，图1B中示出上行数据流方向；
图2是多业务EPON(MS-EPON)系统的上下行带宽分配示意图，图2A中示出下行带宽分配，图2B中示出上行带宽分配，图2C中示出实施带宽分配的一个多业务EPON(MS-EPON)系统结构；
图3是OLT向ONU传递带宽授权信息(循环周期Tms时间内各ONU占用时隙的信息)的消息格式；
图4是时钟同步原理图，图4A中示出ONU侧与OLT侧时钟同步的原理性框图，图4B中示出ONU计数器值的校正过程；
图5是上行带宽控制原理图，图5A中示出在一个发送周期内的上行带宽授权，图5B中示出OLT侧到ONU侧的上行带宽控制原理框图；
图6是下行带宽控制原理图，图6A中示出下行带宽控制原理，图6B中示出下行带宽的分配结构。
具体实施方式
本发明采用双向时分控制策略：在EPON点对多点的系统中，定义数据传输周期T；根据运营商与各ONU用户之间的带宽协议，将每个发送周期分段成若干时隙(定义为带宽授权，具体包括授权起始时刻与授权大小即时长)，并规定各ONU只能在自己的授权时隙内发送或接收数据。由于运营商与各ONU用户之间达成的带宽协议，其上下行带宽可能对称但更可能是不对称的，本发明技术方案支持上下行相互独立的带宽授权方式。
为实现双向时分控制策略，首先需要通过网管界面获取各ONU的上下行用户带宽协议。其次，在OLT侧的CPU中，利用系统软件将各ONU用户带宽协议换算成各ONU的上下行带宽授权。然后通过EPON管理通道，将上下行带宽授权保存在OLT侧下行时分控制器的现场可编程逻辑阵列(FPGA)芯片的授权寄存器中。接下来，在OLT侧，一方面由FPGA芯片将各ONU上行带宽授权封装成各MAC控制帧格式的带宽授权帧，发送给相应ONU，由ONU侧的上行授权寄存器FPGA芯片接收并保存；另一方面，EPON系统在OLT侧缓存各ONU的下行业务数据流，并利用OLT侧的下行授权寄存器实现EPON的下行发送控制。在各ONU侧，缓存各ONU的上行业务数据流，并利用各ONU侧的上行授权寄存器实现PON内数据流的发送控制。
此外，为了保证各ONU的步调一致，需要同步各ONU的时钟，使之与OLT时钟相一致。
综上所述，本发明方案需要完成带宽授权计算、EPON系统时钟同步、带宽授权信息传递、数据缓存、数据发送的时分控制等子任务。下面以在多业务EPON系统(Multi-Service EPON，简称为MS-EPON，可支持传统电路业务E1与数据业务，在千兆以太网上同时传输的系统)上，实施本发明技术方案为例，并结合附图进一步说明本发明方案中的各子任务。
带宽授权计算子任务：EPON系统将ONU用户带宽协议转换为带宽授权的过程称为带宽授权计算过程。本发明在OLT侧CPU中，通过系统软件，利用制定在协议中的各ONU的带宽分配表计算出各ONU的上下行带宽授权，包括发送的授权起始时间Tn和授权长度Gn(n指某一个ONU)。
参见图2，说明了MS-EPON系统的双向带宽分配方案。MS-EPON系统中，上下行带宽分配相互独立，为运营商与业务客户在商讨带宽协议时提供了灵活性。MS-EPON系统软件根据带宽协议分别计算出各ONU的上下行带宽授权。在下行方向带宽授权的计算中，专门为带宽授权等管理信息(图2A中的控制帧)以及其它广播式的数据帧(图2A中广播数据帧)分配了广播带宽，而上行方向各ONU发出的广播帧仍占用本ONU数据通道。MS-EPON系统正是通过带宽授权的方式，为各ONU的数据传输分别提供独立的逻辑链路通道，并保障该逻辑链路通道的大小与用户带宽协议的一致性。
图2A、2B中，MS-EPON系统，每周期(1ms)将电路业务E1的传输固定在0ms及500ms处，即在0ms及500ms处提供了两个授权，用于传输以太网帧格式的E1数据包。MS-EPON系统再通过在接收端增加平滑抖动措施(缓存不同周期数据)，就可以充分保障E1业务的业务质量(QOS)。每周期(1ms)为普通以太网数据ONU1 DATA1至ONU1 DATA32的传输提供了32个授权，用于对应传输32个普通以太网数据帧。图2C中示意出，OLT侧至ONU侧不同距离位置处的ONU1、ONU2、ONU3间，在互相独立的逻辑传输通道21中进行上下行数据传输。
时钟同步子任务：EPON上行为多点到一点的拓扑结构方式，每个ONU发送时隙与OLT分配的时隙一致是防止各个ONU上行数据发生碰撞的基础，因此，ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步。本方案采用了以时间标签值为核心的时钟同步技术：周期性地提取OLT侧时钟计数器的值(定义为时间标签值)，将之传递给各ONU；ONU侧接收到时间标签值后，调整本地时钟与时间标签值一致，完成与OLT的时钟同步。
参见图4，图中示出通过时间标签法实现EPON系统时钟同步的原理。图4A中，EPON系统OLT侧，OLT时钟源41通过本地晶振产生OLT时钟，如频率为125Mhz，频偏±50ppm。同样，ONU侧，ONU时钟源48也产生与OLT时钟同频的本地时钟，频率为125Mhz。因为两端的时钟会存在偏差，所以需要校正，EPON的系统时钟同步就是完成该校正功能的。
EPON系统时钟同步采用时间标签值方式：在每个基本的MAC控制帧格式的带宽授权帧中增加4字节的时间标签值，时间标签值是在OLT侧，在带宽授权帧生成器45的控制下，在控制帧出管理队列44的时刻由硬件即时添加进去的(步骤43)，添加内容为当时本机(OLT)时钟计数器42的值。当ONU收到来自OLT的含有该时间标签值的带宽授权帧时(通过步骤46)，即时调整本地ONU时钟计数器47，使之与带宽授权帧的时间标签值一致，完成时钟校正。
在图4B中，ONU收到第一个时间标签值时的计数器47的值为15189，收到的时间标签值为15203，所以将ONU的计数器47值置为15203。ONU收到第二个时间标签值时的计数器值为20200，收到的时间标签值为20203，所以将ONU的计数器值置为20203，依此类推。图中15189、20200、25205是校正前ONU时钟计数器47的值，15203、20203、25203是校正后ONU时钟计数器47的值。
带宽授权信息传递子任务：该过程包括上下行带宽授权信息自OLT侧CPU传递到OLT侧FPGA芯片的过程①，以及上行带宽授权信息自OLT侧FPGA传递到ONU侧FPGA的过程②。本方案中，过程①利用EPON OAM MAC控制帧(帧类型标识符＝0x8809，网管通道)承载上下行带宽授权信息；过程②则利用EPONMAC控制帧(帧类型标识符＝0x8808)承载上行带宽授权信息。
图3显示了带宽授权帧的帧格式。带宽授权帧由OLT侧FPGA芯片产生并发送，在ONU端接收并终结于ONU侧FPGA芯片。带宽授权帧是ONU获取上行带宽授权信息的途径，它采用MAC控制帧的结构，包括了通用以太网帧格式中所有的域。带宽授权帧含有下列信息：8个字节的前导码，含广播LLID(Logical LinkIdentification，为逻辑链路标识，是通过带宽控制策略在EPON平台上建立的点对点逻辑链路通道的标识)或ONU LLID(ONUID+0x00)，在OLT侧建立有以太网目的MAC地址与目的ONU ID的对应表，通过硬件查表的方式可获得对应ONU的LLID号，并写入前导码中；6个字节的源MAC(介质访问控制层，是以太网数据链路层的一个子层)，是OLT MAC地址；6个字节的目的MAC，是广播地址或目的ONU MAC地址；2个字节的唯一的类型标识符0x8808，用于进行帧类型标识(EPONOAM MAC控制帧)；2个字节的MAC操控代码0x0002，用于区分不同的EPON MAC控制帧；4个字节的时间tag(timestamp)，是授权帧发出的时间标签值。
带宽授权帧中含有的授权内容，包括：1个字节的授权数/flag域(包括3个比特的num_grant，表示相应OUN的授权数；3个比特的reserved是预留位，后两个比特discovery和report是其它用途的标志位，包括是否为初始化授权的标志及是否需要带宽请求帧的标志)，相应的针对每一个ONU分配两个E1授权，为E1授权时长1(E1_Gl)、E1授权起始时间1(E1_T1)、E1授权时长2(E1_G2)、E1授权起始时间2(E1_T2)，和针对每一个ONU分配两个数据授权，为数据授权时长1(data_G1)、数据起始时间1(data_T1)、数据授权时长2(data_G2)、数据起始时间2(data_T2)。
利用上述MAC控制帧格式的带宽授权帧，实现系统时钟同步及授权消息的下行传递。每次授权更新发生时，MS-EPON系统给每个在线的ONU分别发送一个带宽授权帧。
数据缓存子任务：由于采用时分控制策略，各ONU只能在自己的授权时隙内发送或接收数据。因此，上行方向EPON系统需要在ONU侧缓存数据；下行方向，EPON系统需要在OLT侧为各ONU建立数据缓存队列。OLT侧分别缓存各ONU的下行数据，利用前导码中的LLID实现入队列操作；和通过OLT侧的下行时分控制器实现下行出队列操作的时分控制，实现下行带宽控制。
数据发送的时分控制子任务：该任务是EPON系统带宽控制策略的核心。上行方向，各ONU接收到带宽授权帧后，按照授权配置上行授权寄存器，并利用该寄存器控制上行发送起始时间点及发送时长。下行方向，OLT用下行带宽授权消息配置下行授权寄存器，并控制各缓存队列的出队列时间点及时长。
EPON系统通过上述带宽控制流程，实质上是在基于千兆以太网的PON平台上，为各个ONU提供了相互独立、具有双向带宽保障的数据传输通道，并利用时分控制及分配的带宽授权，保证了各ONU数据通道的互不干扰。
参见图5，图中示出上行带宽控制原理。图5B中，上行带宽授权消息由OLTCPU 51产生，经过OLT侧以太网交换机52进入带宽授权帧生成器45。带宽授权帧生成器45产生上行带宽授权，入管理队列44后，在步骤43插入由OLT时钟计数器42产生的时间标签值，然后将含有该时间标签值的带宽授权帧发送到ONU端。
ONU侧通过步骤461接收带宽授权帧，并通过步骤462从接收的带宽授权帧中提取出时间标签值，根据该时间标签值修改本地ONU时钟计数器47，步骤461还同时将授权信息保存在上行发送控制器53的上行授权寄存器中。另一方面，ONU侧的本地数据在以太网接口54中封装成标准MAC帧，然后在步骤55中加上本ONU的LLID，再在上行发送缓存器中缓存，在上行发送控制器53的控制下，上行数据在本地时钟计数器47的值等于上行带宽授权中本ONU的授权起始时刻(T1或T2)时方能发送，直至上行带宽授权中的授权时长(G1或G2)结束后，上行发送停止。
图5A中示出OLT侧的这种发送过程，OLT向ONU进行上行带宽授权，在一个发送周期Tms中，按上行带宽授权，分别在各ONU时隙，于各授权起始时刻至授权时长间，进行发送，从ONU1至ONUn。
参见图6，图6A中示出下行带宽控制原理。下行带宽授权消息由OLT CPU 51产生，利用网管通道发送到OLT侧以太网交换机52，经过OLT侧以太网交换机52送到OLT下行时分控制器61中。来自业务网络接口62的下行业务数据也送到OLT侧以太网交换机52中。
为了实现下行带宽控制，首先需要在OLT侧建立以太网帧的MAC地址与目的ONU逻辑链路标识(LLID)之间的转发关系对应表53。当有数据需要传输时，OLT侧以太网交换机52查询该表便可在数据帧前导码中加上目的ONU的LLID。然后，OLT根据前导码中的LLID，将相应的以太网帧放入对应的ONU数据缓存队列中，如图中所示的多队列ONU1(54)，----，ONU32(55)，此外还包括广播队列(56)，用于发送OLT给各ONU的带宽配置信息和E1数据队列(57)，用于发送电路业务数据。最后，OLT根据下行时分控制器61中下行授权寄存器中存储的下行带宽授权(下行带宽分配中各个ONU的带宽授权表)控制各队列的发送准许，将数据发送到下行数据链路上。按图6B所示的各个ONU的下行带宽授权分配，保证各队列只能在它们的授权时间段输出数据，实现带宽控制。在一个带宽周期1ms中，各ONU完成一轮上行发送的周期。
总之，采用本发明的方法，可以有效提高线路的利用率，保障PON内传输的可靠性，增强带宽控制和管理的灵活性，为电信运营商提供真正安全可控的宽带管理控制方案。
本发明的方法主要应用在基于千兆以太网的EPON系统中，但在其它能够提供基于以太网点对多点应用的任何网络中，也都可以应用本发明的方案设计。
Claims (10)
1.一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，是在由OLT、光分配网和多个ONU组成的以太网无源光网络上进行上下行方向的带宽控制，其特征在于包括：
A.取各ONU的上下行用户带宽协议，将各ONU上下行用户带宽协议换算成一固定周期内各ONU的上下行带宽授权内容；
B.OLT将各ONU的下行带宽授权内容保存在OLT侧下行时分控制器的下行授权寄存器中，和将各ONU的上行带宽授权内容分别封装成MAC控制帧格式的含有表征时钟同步信息的OLT侧时间标签值的带宽授权帧，发送给对应ONU侧并保存在对应ONU侧上行发送控制器的上行授权寄存器中，ONU侧使用收到的带宽授权帧中的时间标签值同步其本地时钟；
C.OLT侧缓存各ONU的下行业务数据，由OLT侧的下行时分控制器根据下行授权寄存器保存的下行带宽授权内容，实现各ONU下行业务数据流的下行发送控制；
D.ONU侧缓存各ONU的上行业务数据，由各ONU侧的上行发送控制器根据上行授权寄存器保存的上行带宽授权内容，实现各ONU上行业务数据流的上行发送控制。
2.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：所述步骤A，是通过系统网管界面获取各ONU的上下行用户带宽协议的，和在OLT侧的CPU内通过系统软件将各ONU用户带宽协议换算成一固定周期内各ONU的上下行带宽授权内容。
3.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：所述步骤A中，换算上下行带宽授权内容，是将数据传输周期分成多个时隙，每个时隙对应于一个带宽授权，并在带宽授权中指定该时隙所分配给的ONU，每个ONU只能在自己的授权时隙内发送或接收数据。
4.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：所述步骤A，所述的各ONU的上下行带宽授权内容包括发送各ONU的授权起始时间及其授权长度，及发送电路业务E1数据的授权起始时间及其授权长度。
5.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：所述步骤B，是通过以太网无源光网络的管理通道和OLT侧以太网交换机，将各ONU的下行带宽授权内容发送并保存在OLT侧下行时分控制器的授权寄存器中；所述的带宽授权帧是通过广播队列发送并保存在ONU侧上行发送控制器的上行授权寄存器中。
6.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：所述步骤B中，各ONU的上行带宽授权内容分别封装成MAC控制帧格式的带宽授权帧，是在各ONU的上行带宽授权内容基础上再插入OLT侧时间标签值、各ONU逻辑链路标识、OLT的MAC地址、目的ONU的MAC地址后形成的。
7.根据权利要求6所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：插入各ONU逻辑链路标识，是从建立在OLT中的目的ONU的MAC地址与目的ONU_ID的对应表中，由目的ONU的MAC地址通过硬件查表方式获得对应ONU的逻辑链路标识，并写入带宽授权帧的前导码中。
8.根据权利要求6所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于：插入的OLT侧时间标签值，是由OLT时钟计数器对OLT时钟源计数产生的。
9.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于所述步骤C进一步包括：
在OLT侧为各ONU建立相应的缓冲队列，分别缓存各ONU的下行业务数据；利用目的ONU的MAC地址与ONU_ID的转换表查到目的ONU_ID：下行时分控制器根据下行授权寄存器中存储的下行带宽授权内容，和根据查到的目的ONU_ID，控制各ONU的缓冲队列的下行业务数据的入队列及出队列操作，进行下行业务数据发送。
10.根据权利要求1所述的一种以太网无源光网络系统中双向带宽控制的方法，其特征在于所述步骤D进一步包括：各ONU接收各自的带宽授权帧，提取出OLT时间标签值；修改ONU本地时钟计数器值与该OLT时间标签值一致；将有各ONU逻辑链路标识的上行业务数据，缓存在上行发送缓存器中；在ONU本地时钟计数器值等于存储在该ONU侧上行授权寄存器中带宽授权内容中该ONU的授权起始时刻时，进行发送，并在授权时长结束后停止发送。
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