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基于FPGA的通用EPON协议分析

时间:2022-03-21 08:06:10  浏览次数:

【摘要】该文阐述了基于以太网的无源光网络(EPON)的体系结构和基本特点,并详细描述了其控制协议IEEE802.3ah的特点。 同时说明了对EPON协议进行分析的意义,以及如何用FPGA实现EPON协议分析。

【关键词】EPON系統;EPON协议特点;IEEE802.3ah协议;EPON协议分析

一、EPON系统简介

1.EPON的定义

EPON:Ethernet Passive Optical Network,基于以太网方式的无源光网络。EPON是一种采用点到多点(P2MP)结构的单纤双向光接入网络,实行动态带宽分配机制和自动发现机制。

2.EPON网络传输分配

EPON系统具有多业务承载能力,支持以太网/IP业务,可选支持语音业务、TDM业务(E1电路仿真业务)和CATV业务。

EPON系统为单纤双向系统,上、下行应分别使用不同的波长,其中上行应使用1260nm ~1360nm波长,下行应使用1480nm~1500nm波长,如果采用第三波长方式实现CATV等模拟视频业务的承载,应使用1540nm~1560nm波长。

3.EPON的特点

在成本方面,EPON采用单纤波分复用技术(下行1490nm,上行1310nm),仅需一根主干光纤和一个OLT,传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户,因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力。

在协议方面,EPON遵循IEEE802.3ah标准协议,采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术,二者具有天然的融合性,消除了复杂的传输协议转换。

二、IEEE 802.3ah简介

IEEE 802.3是标准以太网通讯控制网络协议。描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法,在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA/CD访问方式,对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。

针对EPON网络的特点,工作组在IEEE802.3协议簇的基础上,扩展了IEEE 802.3ah协议。主要增加了点对多点(P2MP)的网络协议(MPCP),点对点仿真(RS子层扩展),OAM以及10km和20km两种PMD物理媒质相关子层。其中MPCP帧的协议分析是本文描述和工作的重点。

MPCP帧通常称作MPCP数据单元,MPCP一共定义了5个帧用于在ONU和OLT之间进行信息交互,这5个帧分别是:授权帧(GATE)、报告帧(REPORT)、注册请求帧(REGISTER_REQ)、注册帧(REGISTER)、注册确认帧(REGISTER_ACK)。所有的MPCP数据单元都是64字节长度的MAC控制帧,这些帧由以下几个域组成。

数据域 目的地址(DA) 源地址(SA) 长度/类型=88-08 操作码 时间标签 信息域 帧序列校验(FCS)

字节数 6 6 2 2 4 40 4

1.目的地址(DA):占用6字节。MAC控制帧的目的地址域包含该帧发往地的48比特地址,除了注册帧以外,所有的MPCP数据单元使用48比特的组播地址:01-80-c2-00-00-01。注册帧的目的地址是目的ONU的单播MAC地址。

2.源地址(SA):占用6字节。MAC控制帧的源地址域包含该帧发出地的48比特地址,在OLT侧,LTE功能用一个GMII接口承载多个MAC实体,可以分配给这些MAC实体一个唯一的地址。从OLT发出的帧应当使用发出帧的MAC实体所对应的地址作为源地址。

3.长度/类型:占用2字节,MAC控制帧的长度/类型的值为十六进制的88-08,这个值用作标识MAC控制帧。

4.操作码:占用2字节。操作码用于标识不同的MAC控制帧,定义如下:

00-01:PAUSE帧(暂停帧)

00-02:GATE帧(授权帧)

00-03:REPORT帧(报告帧)

00-04:REGISTER_REQ帧(注册请求帧)

00-05:REGISTER帧(注册帧)

00-06:REGISTER_ACK帧(注册确认帧)

5.时间标签:占用4字节。时间标签域携带MPCP时钟对应发送DA第一个字节时的时钟值,时间标签用于同步OLT和ONU的MPCP时钟。

6.信息域:占用40字节。信息域承载特定MPCP功能的信息,信息域净荷不足40字节时,未使用部分填充0。

7.帧序列校验(FCS):占用4字节。帧序列校验域包含该MAC帧的CRC-32校验值,用于校验接收帧的完整性。

在发送设备中,位于协调子层(RS层)的LTE功能用LLID起始定界符(Start of LLID Delimiter,SLD),包括模式比特和逻辑链路标识的LLID域和8比特循环冗余码校验码(CRC-8)。在接收端的LTE功能再把前导码与数据帧转发给MAC子层之前,LTE功能将提取这些数据域并用传统值替换掉它们,把前导码转换回成传统的模样。

EPON中数据帧的格式:

字节大小 1 8 6 6 2 46~1500 4

802.3数据帧的数据结构 SPD 前导码 DA SA Len/Type 负载 FCS

EPON中帧前导码的格式:

字节大小 2 1 2 2 1

数据帧的前导码的数据结构 保留 SLD 保留 LLID CRC-8

从以上协议的分析可以知道,在EPON中帧前导码中数据结构中有几个保留位,这些保留位为不同厂家提供了自己的编码空间,厂家在这些保留位上编写了代表自己厂商信息的数据,这也就造成了不同厂家的EPON设备之间不能通用,再实际的工程使用和维护中造成了很多的不便利性。为了克服这个问题,我们采用了一种新的方法,通过FPGA直接全部提取出完整的数据,再根据不同厂家的协议,将厂家信息滤除,就可以达到测量通用EPON设备,进行通用EPON协议分析的目的。

三、对EPON进行协议分析的必要性

随着多媒体技术的发展,人们对带宽的需求越来越大,基于PON技术的光纤到户为此提供了很好的解决方案。在EPON的大规模工程化过程中, 目前主要存在两个问题, 一个是各个生产厂家的互通互联问题, 即A厂家的光线路终端(OLT)与B厂家的光网络单元(ONU)授权注册问题,这是因为在如上描述的协议中并没有明确各保留字的定义;另一个是便捷有效的网络布置调试以及故障查询,要方便有效地在EPON网络开通前完成工程验收,以及网络维护。这些需求就需要对EPON的通讯协议进行分析,找到网络可能存在的问题和并对网络性能的直接评估。通过调整设置OLT与ONU直接的注册字节,动态DBA算法参数,可以最大限度的提升设备的利用率。

四、FPGA实现EPON协议分析

EPON的数据流速度为串行1.25Gbps,经过8b\10b转换后的数据流速度为并行125M,这个流速度是一般的数字处理器DSP所承接不下来的,需要使用FPGA进行接收和数据预处理。并且,EPON系统的OLT发出的数据流是连续数据流,在空闲时间也有空闲字节包发出,这就给数据处理增加了很大的难度,所以必须使用FPGA进行空閑字节的滤除,提取出有效数据,才能够对有效数据进行合理的分析。

FPGA的总体框架流程流程如下:

使用DSP采集FPGA滤除空包后转换过来的EPON数据:

1.DSP采集OLT的数据

观察以上数据,可以分析结果如下:

A.FB-55-D5-55-18-00-01-AA;其中数据FB为802.3ah数据帧的SPD;数据D5为802.3ah数据帧的SLD,数据00-01为802.3ah数据帧的LLID;

B.01-80-C2-00-00-01;此数据串是802.3ah数据帧的DA地址,此地址为组播地址。

C.00-00-00-00-00-AA;此数据串是802.3ah数据帧的SA地址。

D.88-0;此数据串是802.3ah数据帧的MAC控制帧。

E.00-02;此数据串是802.3ah数据帧的操作码,标识不同的MAC控制帧,此处表示GATE帧(授权帧)。

F.0B-D6-91-34;此数据串是802.3ah数据帧的时间标签。

G.11-0B-D7-89-0A-00-AD-00-……-00-00;此数据串是802.3ah数据帧的信息域。信息域承载特定MPCP功能的信息,信息域净荷不足时,未使用部分填充0。

H.29-9B-16-5F;此数据串是802.3ah数据帧的帧序列校验(FCS)。帧序列校验域包含该MAC帧的CRC-32校验值,用于校验接收帧的完整性。

2.DSP采集ONU的数据

观察以上数据,可以分析结果如下:

A、FB-55-D5-55-24-00-01-72;其中数据FB为802.3ah数据帧的SPD;数据D5为802.3ah数据帧的SLD,数据00-01为802.3ah数据帧的LLID;

B.01-80-C2-00-00-01;此数据串是802.3ah数据帧的DA地址,此地址为组播地址。

C.00-0C-D5-63-53-44;此数据串是802.3ah数据帧的SA地址。

D.88-08;此数据串是802.3ah数据帧的MAC控制帧。

E.00-03;此数据串是802.3ah数据帧的操作码,标识不同的MAC控制帧,此处表示REPORT帧(报告帧)。

F.6E-B7-AB-96;此数据串是802.3ah数据帧的时间标签。

G.11-FF-00-……-00-00;此数据串是802.3ah数据帧的信息域。信息域承载特定MPCP功能的信息,信息域净荷不足时,未使用部分填充0。

H、22-2E-48-66;此数据串是802.3ah数据帧的帧序列校验(FCS)。帧序列校验域包含该MAC帧的CRC-32校验值,用于校验接收帧的完整性。

五、工程应用

通过FPGA对EPON的实时数据进行过滤和转换之后,再将有效的数据提供给DSP进行后续分析,方便地进行一些ping测试和traceroute测试,简单验证用户驻地网的以太网数据包的发送接收效率。针对电信级以太网络中最敏感的丢包率以及时延这两项参数做出评估。这样才能快速有效的帮助实际运营网络查找到网络运营中存在的问题和评测网络的健康状态。

以下是EPON协议分析仪采集的实际网络中的运行数据。

以上是我们按照工程实际应用设计的通用EPON协议分析仪,使用这台协议分析仪可以测试不同厂家的EPON设备,解决了不同厂家设备不兼容的问题,在工程实践中,具有广泛的工程意义。

作者简介:薛玉梅(1975—),副总工程师,主要从事有线电视、移动通讯、光纤测量、光谱分析等方面的技术规划和技术实现。

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