EPON測(cè)試技術(shù)介紹

1 引言

伴隨著寬帶接入技術(shù)的迅速發(fā)展，各種新興的寬帶接入技術(shù)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。PON技術(shù)是繼DSL技術(shù)和Cable技術(shù)后，又一個(gè)理想的接入平臺(tái)，PON可以直接提供光業(yè)務(wù)或FTTH業(yè)務(wù)。EPON（以太網(wǎng)+無源光網(wǎng)絡(luò)）是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，它采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無源光傳輸，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務(wù)。它在物理層采用了PON技術(shù)，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。因此，它綜合了PON技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：低成本；高帶寬；擴(kuò)展性強(qiáng)，靈活快速的服務(wù)重組；與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性；方便的管理等。EPON的測(cè)試與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備的測(cè)試有很大不同，本文著重介紹 EPON測(cè)試技術(shù)。

2 EPON技術(shù)介紹以及所面臨的測(cè)試挑戰(zhàn)

EPON系統(tǒng)由多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），一個(gè)光線路終端（OLT）和一個(gè)或多個(gè)分光器組成（見圖1）。在下行方向，OLT所發(fā)送的信號(hào)廣播到所有的ONU上。在上行方向，采用TDMA多址接入技術(shù)，多個(gè)ONU的上行信息組成一個(gè)TDM信息流傳送到OLT。802.3ah修改了以太網(wǎng)幀格式，重新定義Preamble部分，加入時(shí)間戳和邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID）。LLID標(biāo)識(shí)PON系統(tǒng)的每一個(gè)ONU，LLID在發(fā)現(xiàn)過程中被指定。

圖1 EPON系統(tǒng)組成

2.1 在PON系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

（1）測(cè)距

EPON系統(tǒng)中，上行信息傳輸方向上各ONU與OLT之間的物理距離是不相等的。一般的EPON系統(tǒng)規(guī)定ONU到OLT之間的最遠(yuǎn)距離為20km，最近距離為0km。這種距離差將導(dǎo)致時(shí)延在0~200us之間變化。如果沒有足夠的隔離間隙，來自不同的ONU信號(hào)可能同時(shí)到達(dá)OLT的接收端，這將引起上行信號(hào)的沖突。沖突將引起大量的誤碼和同步丟失等，造成系統(tǒng)不能正常工作。采用測(cè)距的方法，首先測(cè)量物理距離，然后把所有ONU都調(diào)整到與OLT相同的邏輯距離處再進(jìn)行TDMA的方法來實(shí)現(xiàn)沖突避免。目前，采用的測(cè)距方法有擴(kuò)頻法測(cè)距、帶外法測(cè)距和帶內(nèi)開窗法測(cè)距等幾種。例如采用時(shí)間標(biāo)簽測(cè)距方法，首先測(cè)量出各個(gè)ONU到OLT的信號(hào)環(huán)路延遲時(shí)間，然后為每個(gè)ONU插入一個(gè)特定的均衡時(shí)延Td值，使所有ONU在插入Td后的環(huán)路延遲時(shí)間（稱為均衡環(huán)路延時(shí)值Tequ）都相等，其結(jié)果類似于使每個(gè)ONU都移到與OLT相同的邏輯距離處，以后就可以根據(jù)TDMA的技術(shù)正確地發(fā)送幀，而不會(huì)有沖突發(fā)生。

（2）發(fā)現(xiàn)過程

OLT發(fā)現(xiàn)PON系統(tǒng)中的ONU是通過定期發(fā)送Gate MPCP消息。收到Gate消息，沒有注冊(cè)的ONU會(huì)等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間（避免多個(gè)ONU同時(shí)注冊(cè)），然后向OLT發(fā)送Register消息。成功注冊(cè)后，OLT給ONU分配一個(gè)LLID。

（3）Ethernet OAM

ONU向OLT注冊(cè)完以后，ONU上的Ethernet OAM開始發(fā)現(xiàn)過程，與OLT建立連接。Ethernet OAM用在ONU/OLT鏈路上，用于發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端錯(cuò)誤，觸發(fā)遠(yuǎn)端環(huán)回和檢測(cè)鏈路質(zhì)量。然而，Ethernet OAM提供支持定制化的OAM PDU，信息單元和時(shí)間報(bào)告。許多ONU/OLT廠商利用OAM的擴(kuò)展來設(shè)置ONU的特殊功能。典型的應(yīng)用是用擴(kuò)展在ONU內(nèi)的配置帶寬模型控制端用戶的帶寬數(shù)量。這個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用是測(cè)試的關(guān)鍵，成為ONU和OLT的互通障礙。

（4）下游流量

當(dāng)OLT有流量發(fā)送ONU時(shí)，會(huì)在流量中攜帶目的ONU的LLID信息。因?yàn)镻ON的廣播特性，OLT發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)廣播到所有的ONU上。我們要特別考慮下游流量傳送視頻業(yè)務(wù)流的情況。由于EPON系統(tǒng)的廣播性，當(dāng)一個(gè)用戶定制了視頻節(jié)目，它會(huì)廣播到所有的用戶那，這樣非常消耗下游帶寬。OLT通常支持IGMP Snooping，它可以探聽IGMP Join Request消息，把組播數(shù)據(jù)發(fā)送到與這個(gè)組相關(guān)的用戶，而不是廣播到所有的用戶，通過這種方式減少流量。

（5）上游流量

在某個(gè)時(shí)候只有一個(gè)ONU可以發(fā)送流量。ONU有多個(gè)優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列（每個(gè)隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)QoS級(jí)別。ONU發(fā)送Report消息給OLT請(qǐng)求發(fā)送機(jī)會(huì)，詳細(xì)說明每個(gè)隊(duì)列的情況。OLT發(fā)Gate消息回應(yīng)ONU，告訴ONU下一次發(fā)送的開始時(shí)間和持續(xù)發(fā)送的時(shí)間。管理上行流量對(duì)OLT要面對(duì)很多的問題。OLT必須能夠?yàn)樗蠴NU管理帶寬需求，必須把發(fā)送許可分出優(yōu)先級(jí)，根據(jù)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)和平衡多個(gè) ONU的請(qǐng)求，動(dòng)態(tài)分配上行帶寬（即DBA算法）。

2.2 針對(duì)EPON系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，EPON系統(tǒng)面臨的測(cè)試挑戰(zhàn)

（1）針對(duì)EPON系統(tǒng)的規(guī)?？紤]

盡管IEEE802.3ah沒有定義在一個(gè)EPON系統(tǒng)里的最大數(shù)，一個(gè)EPON系統(tǒng)支持的最大數(shù)是從16~128。每個(gè)ONU加入到EPON系統(tǒng)都需要一個(gè)MPCP會(huì)話和OAM會(huì)話。當(dāng)隨著更多的站點(diǎn)加入到EPON，系統(tǒng)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增大。例如，每個(gè)ONU都需要重新發(fā)現(xiàn)過程，登錄過程和啟動(dòng) OAM會(huì)話。因此，整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)的時(shí)間會(huì)隨ONU的數(shù)量增加。

（2）設(shè)備的互通問題

對(duì)于設(shè)備的互通主要考慮以下幾個(gè)方面：

●不同廠家所提供的動(dòng)態(tài)帶寬算法（DBA）有所不同。

●一些廠家利用OAM的“Organization Specific Elements”設(shè)定特定行為。

●MPCP協(xié)議的開發(fā)是否完全一致。

●不同廠家所開發(fā)的測(cè)距方法和時(shí)鐘的處理是否一致。

（3）EPON系統(tǒng)傳送三重播放業(yè)務(wù)存在的隱患

由于EPON的傳輸特性，在傳送三重播放業(yè)務(wù)時(shí)也會(huì)引入一些隱患：

●下行浪費(fèi)大量帶寬：EPON系統(tǒng)在下行是用廣播式的傳送方式：每個(gè)ONU都會(huì)收到大量的發(fā)向其它ONU的流量，浪費(fèi)了大量的下行帶寬。

●上行延遲比較大：ONU在向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)必須等待由OLT分配的傳送機(jī)會(huì)，因此ONU必須緩存大量的上行流量，這將產(chǎn)生延遲、抖動(dòng)和包丟失。

3 EPON測(cè)試技術(shù)

對(duì)EPON的測(cè)試主要包括互通性測(cè)試、協(xié)議測(cè)試、系統(tǒng)傳輸性能測(cè)試、業(yè)務(wù)和功能驗(yàn)證等幾個(gè)方面。標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試拓?fù)鋱D如圖2所示。IXIA公司的 IxN2X產(chǎn)品提供專用的EPON測(cè)試卡，提供EPON測(cè)試接口，可以捕獲和分析MPCP和OAM協(xié)議，可以發(fā)送EPON流量，提供自動(dòng)測(cè)試程序，可以幫助用戶測(cè)試DBA算法。

圖2 EPON系統(tǒng)測(cè)試拓?fù)鋱D

3.1 MPCP注冊(cè)過程的測(cè)試

測(cè)試目的：在正確的時(shí)間窗口內(nèi)，ONU向OLT注冊(cè)。

測(cè)試方法：利用IxN2X分析MPCP并完成此項(xiàng)測(cè)試。可以設(shè)置觸發(fā)器，當(dāng)捕獲到OLT的Gate消息以后，開始捕獲其它交互的消息。

●OLT定期發(fā)出Gate消息，Gate消息里的Discovery Flag是置位的。

●ONU在發(fā)送Register消息時(shí)等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間。

●測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)是來測(cè)試ONU的注冊(cè)過程所用的時(shí)間。可以分析所捕獲的Gate消息，得出Discovery Window，然后比較所收到的Register消息的時(shí)間戳應(yīng)保證在Discovery Window內(nèi)。

3.2 下行流量廣播

測(cè)試目的：下行流量能正確轉(zhuǎn)發(fā)到指定ONU。盡管下行流量可以廣播到所有的ONU，但只有被指定的ONU才能把流量轉(zhuǎn)發(fā)到它的端用戶。

測(cè)試方法：利用IxN2X可以發(fā)現(xiàn)為每個(gè)ONU分配的LLID，然后在指定的ONU上接收流量，觀察是否能在指定的ONU上接收到流量。

●捕獲MPCP消息，查看為每個(gè)ONU分配的LLID。

●從OLT端發(fā)送流量，流量的LLID指向某個(gè)ONU。

●在指定的ONU端，能夠接收到此ONU轉(zhuǎn)發(fā)的流量。

●在其它的ONU端，不能夠接收到此ONU轉(zhuǎn)發(fā)的流量。

3.3 上行發(fā)送隊(duì)列

測(cè)試目的：此測(cè)試是驗(yàn)證ONU能在傳送窗口時(shí)間內(nèi)發(fā)送流量。

測(cè)試方法：IxN2X可以精確計(jì)算ONU發(fā)送包的時(shí)間，能夠驗(yàn)證ONU是否是在發(fā)送窗口內(nèi)發(fā)送流量。

●設(shè)置觸發(fā)器：當(dāng)雙向捕獲到指定的LLID的Gate消息時(shí)開始捕獲。

●設(shè)置過濾器：只捕獲指定的LLID的上行流量。

●向帶有指定的LLID的ONU發(fā)送流量，ONU向OLT發(fā)送Report消息，OLT向ONU發(fā)送Gate消息。用IxN2X捕獲協(xié)議包，查看 OLT為這個(gè)LLID分配的發(fā)送窗口。

●捕獲指定的ONU發(fā)送的上行流量。

●通過比較時(shí)間戳，可以驗(yàn)證出ONU應(yīng)在發(fā)送窗口內(nèi)發(fā)送流量。

3.4 EPON測(cè)距性能測(cè)試（見圖3）

圖3 測(cè)距測(cè)試拓?fù)鋱D

測(cè)試目的：測(cè)試OLT側(cè)對(duì)ONU進(jìn)行測(cè)距所能達(dá)到的最小距離和最大距離；測(cè)試新加入網(wǎng)絡(luò)的ONU在測(cè)距時(shí)是否影響其它在線ONU的正常運(yùn)行；測(cè)試測(cè)量測(cè)距精度。

測(cè)試方法：

●搭建好測(cè)試配置，使系統(tǒng)在最大分路比下工作，ONU1~ONUn-1與OLT距離為0km（通過分路器直連），ONUn與OLT距離為 10km/20km。

●在所有ONU正常工作的條件下，在OLT側(cè)對(duì)各ONU分別測(cè)距。

●如果所有ONU都能正常測(cè)距，用IxN2X可以監(jiān)視所有ONU（ONU1~ONUn）是否能正常工作（對(duì)于IP業(yè)務(wù)，要求在吞吐量的90%時(shí)測(cè)試，無丟包），說明測(cè)距范圍符合指標(biāo)。

●對(duì)ONU3進(jìn)行測(cè)距，記錄測(cè)距值為b1。

●在ONU3加入3m的光跳線。

●重新對(duì)ONU3進(jìn)行測(cè)距，記錄測(cè)距值為b2。

●去掉光跳線，再對(duì)ONU3進(jìn)行測(cè)距，記錄測(cè)距值為b3。

●計(jì)算測(cè)距值的變化| b2 -b1|和| b2 –b3|應(yīng)≤16ns。

3.5 EPON系統(tǒng)的性能測(cè)試（見圖4）

圖4 性能測(cè)試拓?fù)鋱D

測(cè)試目的：能夠更好地隔離造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)性能下降的原因。

測(cè)試方法：IxN2X可以在PON端口統(tǒng)計(jì)PON的流量，計(jì)算時(shí)延和包丟失。測(cè)試拓?fù)淙鐖D4所示。 IxN2X 103/2和N2X 103/3是以太網(wǎng)端口，N2X 101/1是EPON接口，統(tǒng)計(jì)上行流量，IxN2X 101/2是EPON接口，統(tǒng)計(jì)下行流量。

●在103/2和103/3之間互相發(fā)雙向業(yè)務(wù)流。

●分別在101/1和101/2端口統(tǒng)計(jì)上行和下行的流量。

●用戶可以分別計(jì)算出通過ONU和OLT的延遲。

測(cè)試結(jié)果如圖5所示。丟包也可以用同樣的方法計(jì)算。

圖5 ONU端和OLT端性能測(cè)試結(jié)果

從以上測(cè)試結(jié)果，我們可以計(jì)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 結(jié)束語

IXIA IxN2X在EPON測(cè)試領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，它提供了豐富的EPON測(cè)試功能，可以測(cè)試MPCP，OAM協(xié)議，可以測(cè)試DBA算法，可以測(cè)試EPON 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，可以測(cè)試EPON系統(tǒng)的QoS保證能力等。根據(jù)EPON的傳輸特性，有效地測(cè)試EPON系統(tǒng)是必要的。