1  引言

    隨著工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展，寬帶工業(yè)級網(wǎng)絡系統(tǒng)可以集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、實時閉環(huán)控制、視頻監(jiān)控、信息管理，甚至企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)，實現(xiàn)多網(wǎng)合一[1]。為實現(xiàn)這些功能，要求相應的網(wǎng)絡系統(tǒng)不僅帶寬大，而且要有一定的實時性。例如：單個視頻監(jiān)視器所需帶寬為幾個Mb/s（實際帶寬與視頻設置和信息壓縮比有關），因而工業(yè)企業(yè)內(nèi)部幾十個視頻監(jiān)視器的帶寬需求就有百兆以上的要求。同時工業(yè)生產(chǎn)閉環(huán)控制要求數(shù)據(jù)傳送延遲為幾個毫秒（實際應用決定），而且數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定可靠。傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)如10Mb/s和100Mb/s顯然不能滿足這種要求。傳統(tǒng)的以HUB構網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)，媒體接入控制MAC采用CSMA/CD，系統(tǒng)在重載的情況下表現(xiàn)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)包傳送有時延遲很大，甚至導致數(shù)據(jù)包的丟失，因而并不適合工業(yè)實時反饋控制的應用。交換式以太網(wǎng)（Switched Ethernet）由于使用保存轉送機制，可以避免數(shù)據(jù)碰撞。采用千兆以太網(wǎng)可以減小數(shù)據(jù)傳輸時間，同時較之10Mb/s的系統(tǒng)帶寬增加了100倍。雖然千兆基于交換式以太網(wǎng)為業(yè)界所推崇，然而作為構建下一代工業(yè)核心網(wǎng)絡系統(tǒng)卻仍然有其不足。無源全光以太網(wǎng)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一種高速接入網(wǎng)絡技術，它可以提供靈活的帶寬需求，同時組網(wǎng)簡單，可靠，高性價比[2]。本文將描述EPON系統(tǒng)如何構建工業(yè)以太網(wǎng)絡系統(tǒng)，同時與交換式工業(yè)千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)加以比較。

2  以太網(wǎng)，交換式以太網(wǎng)和EPON

    以太網(wǎng)是為實現(xiàn)多臺計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊而提出的，IEEE于1970年提出相應的標準IEEE802.3。它是互聯(lián)網(wǎng)在物理層和鏈路層的基礎。目前IEEE802.3中主要有10BASE-T，100BASE-TX及100BASE-FX。千兆以太網(wǎng)標準主要有1000BASE-T，1000BASE-CX，1000BASE-SX及1000BASE-LX。其中10BASE-T，100BASE-TX是以太網(wǎng)中最為廉價的，采用雙絞線，傳輸跨距最大為100m。100BASE-FX采用光纖做為介質(zhì)，傳輸距離最大為2km，同時可以抗噪聲，在工業(yè)應用中有很大的優(yōu)點。1000BASE-CX和1000BASE-T傳輸速率為千兆，采用銅線，最大傳輸距離分別為25m和100m。    1000BASE-SX和1000BASE-LX均采用光纖傳輸，距離最大分別為550m和5km。以太網(wǎng)采用CSMA/CD通訊協(xié)議。在發(fā)送一個數(shù)據(jù)包前，發(fā)送源站先檢測傳送介質(zhì)狀態(tài)是否忙，如果狀態(tài)是忙，發(fā)送源站需等待直到介質(zhì)狀態(tài)為空閑方可傳送數(shù)據(jù)。一旦檢測到有數(shù)據(jù)碰撞，發(fā)送源站即終止發(fā)送，并根據(jù)特定的算法等待一定的時間，然后進行重試。最多重試16次，如果失敗，就丟掉數(shù)據(jù)包。基于這種原理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t是隨機分布的，而且在大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)那闆r下延遲時間會迅速增加。交換式以太網(wǎng)可以解決數(shù)據(jù)碰撞的問題，并可以處理大數(shù)據(jù)量的傳輸。傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的HUB是一種直通器件，它將所有源站數(shù)據(jù)傳送到所有的在線終端。以太網(wǎng)交換機具有數(shù)據(jù)包處理功能，它將源端口的數(shù)據(jù)只傳送到目標端口，典型的交換機制是先儲存，后轉送。如圖1所示，交換機收到數(shù)據(jù)包后，檢測對應的目標站的接收線狀態(tài)是否空閑，如果空閑，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，否則，交換機將數(shù)據(jù)包存儲于緩存器中并等待，直至對應的接收線變空閑。當多個來自不同端口的數(shù)據(jù)包同時到達交換機而目標端口相同時，交換機將數(shù)據(jù)包存儲并排隊，然后根據(jù)排隊順序將數(shù)據(jù)包一一傳送。由于交換機可以根除數(shù)據(jù)碰撞，所以較之傳統(tǒng)的以太網(wǎng)最大傳送延遲時間會更小，數(shù)據(jù)傳輸能力會更大。交換式以太網(wǎng)可以支持多種類型的服務及流量控制，因而服務質(zhì)量（QoS）可以得到保證[3，4]。

圖1  以太網(wǎng)交換機中的隊列

    EPON的出現(xiàn)是為了解決通訊中所謂最后一公里的接入問題，通常稱作光纖到戶。EPON的標準近期在EFM TASK FORCE[2]中的IEEE802.3ah頒布。典型的EPON包括三部分：位于中央控制室的光端機OLT（Optical Line Terminal），位于用戶端的ONU（Optical Network Unit，ONU可以為終端用戶或LAN用戶提供寬帶聲音、數(shù)據(jù)、視頻服務）及無源器件光學分光器，結構如圖2所示。

圖2  EPON原理

    OLT到ONU的最大距離為20km。EPON的工作原理是基于多點控制協(xié)議（MPCP）來解決OLT到ONU的點對多點（P2MP）連接的OAM。上傳數(shù)據(jù)和下傳數(shù)據(jù)的操作處理是不同的。下傳數(shù)據(jù)（OLT到ONU）是廣播式的，所以來自OLT的數(shù)據(jù)廣播到所有的ONU，下傳數(shù)據(jù)采用單一波長。ONU根據(jù)自己的ID選擇性的接收數(shù)據(jù)。在上傳數(shù)據(jù)時，所有ONU共享上傳帶寬，并采用不同于下傳的另一波長。為避免數(shù)據(jù)碰撞，每個ONU都有OLT分配的對應時間段。ONU首先緩存終端用戶的數(shù)據(jù)然后根據(jù)自己的對應時間段以千兆的速率將數(shù)據(jù)傳送到OLT。時間段的分配是根據(jù)REPORT/GATE機理實現(xiàn)的。ONU送一個REPORT信息到OLT，REPORT中包含ONU中緩存的數(shù)據(jù)包的時標（Time Stamp）和隊列信息。OLT根據(jù)收到的Time Stamp計算傳輸?shù)耐禃r間（RTT），并根據(jù)所有ONU的隊列狀態(tài)決定帶寬的分配。帶寬分配的算法有：
    (1)  固定帶寬分配，即為每個ONU分配固定的時間段[5]；
    (2)  有限帶寬分配，即根據(jù)REPORT中的信息分配帶寬，同時限制帶寬上限[6]；
    (3)  基于信用（credit）的帶寬分配，即根據(jù)REPORT中的時間信息（同時根據(jù)OLT的等待時間）為接收數(shù)據(jù)再加上一定的信用時間[6]；
    (4)  超量帶寬分配，即將負載較輕的ONU的帶寬與負載較重的ONU共享[7]。
    帶寬分配決定后，OLT即送GATE信息到ONU，GATE中包括Time Stamp，許可的開始時間（Grant Start Time），許可的時間段長度（Grant Time Slot length）。目標ONU根據(jù)收到的Grant Time Stamp刷新自己的時鐘，并根據(jù)許可的開始時間在許可的時間長度段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。在單一時間段內(nèi)只允許傳送完整的數(shù)據(jù)包，超長的數(shù)據(jù)包只能延遲在下一時間段內(nèi)傳送。同樣的，EPON也可以支持QoS[8]。

3  Spine結構EPON設計

    典型的EPON結構如圖2所示。EPON也可以按SPINE結構來設計，如圖3所示。無源節(jié)點由光學耦合器構成。光學耦合器的分光比可以在1%～50%之間。在下傳通道中，每個ONU的接收功率損耗包括光纖長度再加上光學耦合器的分光損耗。在上傳通道中，損耗基本與下傳是相同的（光學分光器的WDL很小，可以忽略不計）。由于光學耦合器的特性，ONU只能收到下傳的光信號，而上傳的光脈沖也不會傳送到別的ONU。同圖4所示的串接式光交換以太網(wǎng)設計相比較，EPON有以下優(yōu)點：
    (1) EPON較之交換式光以太網(wǎng)需要更少的光轉發(fā)器，因而具有成本優(yōu)勢。
    (2) EPON中的節(jié)點是無源的分光器件，所以比有源的交換機節(jié)點更可靠，更容易維護。例如，一個交換機的故障可以導致它以下的網(wǎng)絡通訊DOWN機。
    (3) OLT和ONU之間的通訊是全光信號，因而可以抗環(huán)境干擾和抗噪聲。

圖3  基于EPON的工業(yè)網(wǎng)絡結構

圖4  基于交換式以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡結構

4  千兆以太網(wǎng)，交換式千兆以太網(wǎng)和千兆EPON的最大傳輸延遲比較

    傳輸延遲包括傳播延遲，源站的處理延遲，數(shù)據(jù)碰撞導致的延遲以及數(shù)據(jù)包隊列等待延遲。傳播延遲對三種網(wǎng)絡設計來說是相同的，即對光信號的傳播速度約4us/km。只有傳統(tǒng)以太網(wǎng)設計有數(shù)據(jù)碰撞延遲，源站可以在檢測到數(shù)據(jù)碰撞而導致數(shù)據(jù)丟失的情況下重新發(fā)送，然而傳輸延遲的分布在極端情況下就是無限的。交換式以太網(wǎng)和EPON沒有數(shù)據(jù)碰撞的延遲，主要的延遲來源于數(shù)據(jù)包隊列等待延遲。在正常情況下，傳輸信息實際負載是小于網(wǎng)絡傳輸設計能力的。假設每個交換機有M個端口，最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀有1518字節(jié)，假設所有端口均傳送最大的數(shù)據(jù)幀，因而總的數(shù)據(jù)包隊列等待延遲為M*1518*8/1Gbps，即M*82us。如果串接N個交換機，最大的傳輸延遲就是從連接到第N個交換機的數(shù)據(jù)終端到第一個交換機的延遲，總傳輸延遲就是N*M*82us。如果有32個串接交換機，每個交換機有兩個端口，總的傳輸延遲就是5.3ms。在每個端口受到超負載攻擊的情況下，第N個交換機的端口延遲就是MN*82us。在上述例子中，總的傳輸延遲達到3.5*105s。EPON給每個ONU分配時間段。為傳輸各種可能長度的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀，所分配的時間段必須大于最大的1518字節(jié)所對應的時間即82us。為避免不同ONU上傳光脈沖發(fā)生碰撞，通常在兩個相鄰的光脈沖數(shù)據(jù)包之間加區(qū)隔時間（guarding time）。通常的區(qū)隔時間是1us。另外在上傳信息中還有從ONU發(fā)送的REPORT信息窗口，通常是64個字節(jié)約5us。所以通常對有N個ONU的EPON系統(tǒng)總的傳輸延遲是N*(82+1)+5us。對32個ONU的EPON系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包隊列等待延遲是2.7ms。即使在對ONU超載的情況下，ONU的傳輸延遲時間在帶寬分配上限設置為1518字節(jié)，傳輸速率為1Gbps的條件下仍然與正常負載條件下是相同的。表1總結了交換式以太網(wǎng)和EPON的數(shù)據(jù)包隊列等待延遲。
與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，EPON和交換式以太網(wǎng)都可以應用在工業(yè)實時控制網(wǎng)絡中。而EPON在超載攻擊的情況下仍具有很好的實時性，具有更大的優(yōu)勢。

5  結論

    本文介紹了SPINE結構的EPON系統(tǒng)在工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的應用。從三種不同的以太網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸延遲的分析來看，交換式以太網(wǎng)和EPON可以滿足實時控制的要求，而EPON在超載的情況下仍然可以保證優(yōu)良的系統(tǒng)實時傳輸特性。由于EPON具有的優(yōu)良特性，成本優(yōu)勢以及可靠的結構，相信千兆全光無源以太網(wǎng)是一種全新的完全可以在工業(yè)應用中超越千兆交換式以太網(wǎng)的新技術。

參考文獻：
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[2] IEEE P802. 3ah task force, http://www.ieee802.org/3/efm.
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[4] Marvell Corp., Linkstreet 88E6021 Datasheet, 2003.
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[6] G. Kramer B. Mukherjee, and G. Pesavento, "IPACT: A Dynamic Protocol for an Ethernet PON (EPON)", IEEE Commun. Mag. Vol.40, no.2 Feb. 2002.
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[8] J. Xie et al., "A Dynamic Bandwidth Allocation Scheme for Differentiate Service in EPONs", IEEE Optical Communications, Aug. 2004, pp. S32-S39.