EPON測試技術
來源：電信網技術
摘要： 伴隨著寬帶接入技術的迅速發展，各種新興的寬帶接入技術如雨后春筍般不斷涌現。PON技術是繼DSL技術和Cable技術后，又一個理想的接入平臺，PON可以直接提供光業務或FTTH業務。EPON（以太網+無源光網絡）是一種新型的光纖接入網技術，它采用點到多點結構、無源光傳輸，在以太網之上提供多種業務。它在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網協議，利用PON的拓撲結構實現了以太網的接入。因此，它綜合了PON技術和以太網技術的優點：低成本；高帶寬；擴展性強，靈活快速的服務重組；與現有以太網的兼容性；方便的管理等。EPON的測試與傳統以太網設備的測試有很大不同，本文著重介紹EPON測試技術。
Abstract：
Key words :
1 引言
伴隨著寬帶接入技術的迅速發展，各種新興的寬帶接入技術如雨后春筍般不斷涌現。PON技術是繼DSL技術和Cable技術后，又一個理想的接入平臺，PON可以直接提供光業務或FTTH業務。EPON（以太網+無源光網絡）是一種新型的光纖接入網技術，它采用點到多點結構、無源光傳輸，在以太網之上提供多種業務。它在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網協議，利用PON的拓撲結構實現了以太網的接入。因此，它綜合了PON技術和以太網技術的優點：低成本；高帶寬；擴展性強，靈活快速的服務重組；與現有以太網的兼容性；方便的管理等。EPON的測試與傳統以太網設備的測試有很大不同，本文著重介紹EPON測試技術。
2 EPON技術介紹以及所面臨的測試挑戰
EPON系統由多個光網絡單元（ONU），一個光線路終端（OLT）和一個或多個分光器組成（見圖1）。在下行方向，OLT所發送的信號廣播到所有的ONU上。在上行方向，采用TDMA多址接入技術，多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳送到OLT。802.3ah修改了以太網幀格式，重新定義Preamble部分，加入時間戳和邏輯鏈路標識（LLID）。LLID標識PON系統的每一個ONU，LLID在發現過程中被指定。
圖1 EPON系統組成
2.1 在PON系統中的關鍵技術
（1）測距
EPON系統中，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系統規定ONU到OLT之間的最遠距離為20km，最近距離為0km。這種距離差將導致時延在0~200us之間變化。如果沒有足夠的隔離間隙，來自不同的ONU信號可能同時到達OLT的接收端，這將引起上行信號的沖突。沖突將引起大量的誤碼和同步丟失等，造成系統不能正常工作。采用測距的方法，首先測量物理距離，然后把所有ONU都調整到與OLT相同的邏輯距離處再進行TDMA的方法來實現沖突避免。目前，采用的測距方法有擴頻法測距、帶外法測距和帶內開窗法測距等幾種。例如采用時間標簽測距方法，首先測量出各個ONU到OLT的信號環路延遲時間，然后為每個ONU插入一個特定的均衡時延Td值，使所有ONU在插入Td后的環路延遲時間（稱為均衡環路延時值Tequ）都相等，其結果類似于使每個ONU都移到與OLT相同的邏輯距離處，以后就可以根據TDMA的技術正確地發送幀，而不會有沖突發生。
2.1 在PON系統中的關鍵技術
（1）測距
EPON系統中，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系統規定ONU到OLT之間的最遠距離為20km，最近距離為0km。這種距離差將導致時延在0~200us之間變化。如果沒有足夠的隔離間隙，來自不同的ONU信號可能同時到達OLT的接收端，這將引起上行信號的沖突。沖突將引起大量的誤碼和同步丟失等，造成系統不能正常工作。采用測距的方法，首先測量物理距離，然后把所有ONU都調整到與OLT相同的邏輯距離處再進行TDMA的方法來實現沖突避免。目前，采用的測距方法有擴頻法測距、帶外法測距和帶內開窗法測距等幾種。例如采用時間標簽測距方法，首先測量出各個ONU到OLT的信號環路延遲時間，然后為每個ONU插入一個特定的均衡時延Td值，使所有ONU在插入Td后的環路延遲時間（稱為均衡環路延時值Tequ）都相等，其結果類似于使每個ONU都移到與OLT相同的邏輯距離處，以后就可以根據TDMA的技術正確地發送幀，而不會有沖突發生。
（2）發現過程
OLT發現PON系統中的ONU是通過定期發送Gate
MPCP消息。收到Gate消息，沒有注冊的ONU會等待一個隨機的時間（避免多個ONU同時注冊），然后向OLT發送Register消息。成功注冊后，OLT給ONU分配一個LLID。
（3）Ethernet OAM
ONU向OLT注冊完以后，ONU上的Ethernet OAM開始發現過程，與OLT建立連接。Ethernet OAM用在ONU/OLT鏈路上，用于發現遠端錯誤，觸發遠端環回和檢測鏈路質量。然而，Ethernet OAM提供支持定制化的OAM PDU，信息單元和時間報告。許多ONU/OLT廠商利用OAM的擴展來設置ONU的特殊功能。典型的應用是用擴展在ONU內的配置帶寬模型控制端用戶的帶寬數量。這個非標準的應用是測試的關鍵，成為ONU和OLT的互通障礙。
（4）下游流量
當OLT有流量發送ONU時，會在流量中攜帶目的ONU的LLID信息。因為PON的廣播特性，OLT發送的數據會廣播到所有的ONU上。我們要特別考慮下游流量傳送視頻業務流的情況。由于EPON系統的廣播性，當一個用戶定制了視頻節目，它會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，把組播數據發送到與這個組相關的用戶，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
在某個時候只有一個ONU可以發送流量。ONU有多個優先級的隊列（每個隊列對應一個QoS級別。ONU發送Report消息給OLT請求發送機會，詳細說明每個隊列的情況。OLT發Gate消息回應ONU，告訴ONU下一次發送的開始時間和持續發送的時間。管理上行流量對OLT要面對很多的問題。OLT必須能夠為所有ONU管理帶寬需求，必須把發送許可分出優先級，根據隊列的優先級和平衡多個ONU的請求，動態分配上行帶寬（即DBA算法）。
2.2 針對EPON系統的技術特點，EPON系統面臨的測試挑戰
（1）針對EPON系統的規模考慮
盡管IEEE802.3ah沒有定義在一個EPON系統里的最大數，一個EPON系統支持的最大數是從16~128。每個ONU加入到EPON系統都需要一個MPCP會話和OAM會話。當隨著更多的站點加入到EPON，系統錯誤的風險會增大。例如，每個ONU都需要重新發現過程，登錄過程和啟動OAM會話。因此，整個系統恢復的時間會隨ONU的數量增加。
（2）設備的互通問題
對于設備的互通主要考慮以下幾個方面：
不同廠家所提供的動態帶寬算法（DBA）有所不同。
一些廠家利用OAM的“Organization Specific Elements”設定特定行為。
MPCP協議的開發是否完全一致。
不同廠家所開發的測距方法和時鐘的處理是否一致。
（3）EPON系統傳送三重播放業務存在的隱患
由于EPON的傳輸特性，在傳送三重播放業務時也會引入一些隱患：
下行浪費大量帶寬：EPON系統在下行是用廣播式的傳送方式：每個ONU都會收到大量的發向其它ONU的流量，浪費了大量的下行帶寬。
OLT發現PON系統中的ONU是通過定期發送Gate
MPCP消息。收到Gate消息，沒有注冊的ONU會等待一個隨機的時間（避免多個ONU同時注冊），然后向OLT發送Register消息。成功注冊后，OLT給ONU分配一個LLID。
（3）Ethernet OAM
ONU向OLT注冊完以后，ONU上的Ethernet OAM開始發現過程，與OLT建立連接。Ethernet OAM用在ONU/OLT鏈路上，用于發現遠端錯誤，觸發遠端環回和檢測鏈路質量。然而，Ethernet OAM提供支持定制化的OAM PDU，信息單元和時間報告。許多ONU/OLT廠商利用OAM的擴展來設置ONU的特殊功能。典型的應用是用擴展在ONU內的配置帶寬模型控制端用戶的帶寬數量。這個非標準的應用是測試的關鍵，成為ONU和OLT的互通障礙。
（4）下游流量
當OLT有流量發送ONU時，會在流量中攜帶目的ONU的LLID信息。因為PON的廣播特性，OLT發送的數據會廣播到所有的ONU上。我們要特別考慮下游流量傳送視頻業務流的情況。由于EPON系統的廣播性，當一個用戶定制了視頻節目，它會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，把組播數據發送到與這個組相關的用戶，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
在某個時候只有一個ONU可以發送流量。ONU有多個優先級的隊列（每個隊列對應一個QoS級別。ONU發送Report消息給OLT請求發送機會，詳細說明每個隊列的情況。OLT發Gate消息回應ONU，告訴ONU下一次發送的開始時間和持續發送的時間。管理上行流量對OLT要面對很多的問題。OLT必須能夠為所有ONU管理帶寬需求，必須把發送許可分出優先級，根據隊列的優先級和平衡多個ONU的請求，動態分配上行帶寬（即DBA算法）。
2.2 針對EPON系統的技術特點，EPON系統面臨的測試挑戰
（1）針對EPON系統的規模考慮
盡管IEEE802.3ah沒有定義在一個EPON系統里的最大數，一個EPON系統支持的最大數是從16~128。每個ONU加入到EPON系統都需要一個MPCP會話和OAM會話。當隨著更多的站點加入到EPON，系統錯誤的風險會增大。例如，每個ONU都需要重新發現過程，登錄過程和啟動OAM會話。因此，整個系統恢復的時間會隨ONU的數量增加。
（2）設備的互通問題
對于設備的互通主要考慮以下幾個方面：
不同廠家所提供的動態帶寬算法（DBA）有所不同。
一些廠家利用OAM的“Organization Specific Elements”設定特定行為。
MPCP協議的開發是否完全一致。
不同廠家所開發的測距方法和時鐘的處理是否一致。
（3）EPON系統傳送三重播放業務存在的隱患
由于EPON的傳輸特性，在傳送三重播放業務時也會引入一些隱患：
下行浪費大量帶寬：EPON系統在下行是用廣播式的傳送方式：每個ONU都會收到大量的發向其它ONU的流量，浪費了大量的下行帶寬。
上行延遲比較大：ONU在向OLT發送數據時必須等待由OLT分配的傳送機會，因此ONU必須緩存大量的上行流量，這將產生延遲、抖動和包丟失。
3 EPON測試技術
對EPON的測試主要包括互通性測試、協議測試、系統傳輸性能測試、業務和功能驗證等幾個方面。標準的測試拓撲圖如圖2所示。IXIA公司的IxN2X產品提供專用的EPON測試卡，提供EPON測試接口，可以捕獲和分析MPCP和OAM協議，可以發送EPON流量，提供自動測試程序，可以幫助用戶測試DBA算法。
3 EPON測試技術
對EPON的測試主要包括互通性測試、協議測試、系統傳輸性能測試、業務和功能驗證等幾個方面。標準的測試拓撲圖如圖2所示。IXIA公司的IxN2X產品提供專用的EPON測試卡，提供EPON測試接口，可以捕獲和分析MPCP和OAM協議，可以發送EPON流量，提供自動測試程序，可以幫助用戶測試DBA算法。
圖2 EPON系統測試拓撲圖
3.1 MPCP注冊過程的測試
測試目的：在正確的時間窗口內，ONU向OLT注冊。
測試方法：利用IxN2X分析MPCP并完成此項測試。可以設置觸發器，當捕獲到OLT的Gate消息以后，開始捕獲其它交互的消息。
OLT定期發出Gate消息，Gate消息里的Discovery Flag是置位的。
ONU在發送Register消息時等待一個隨機的時間。
測試的關鍵點是來測試ONU的注冊過程所用的時間。可以分析所捕獲的Gate消息，得出Discovery
Window，然后比較所收到的Register消息的時間戳應保證在Discovery Window內。
3.2 下行流量廣播
測試目的：下行流量能正確轉發到指定ONU。盡管下行流量可以廣播到所有的ONU，但只有被指定的ONU才能把流量轉發到它的端用戶。
測試方法：利用IxN2X可以發現為每個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ONU分配的LLID。
從OLT端發送流量，流量的LLID指向某個ONU。
在指定的ONU端，能夠接收到此ONU轉發的流量。
在其它的ONU端，不能夠接收到此ONU轉發的流量。
3.3 上行發送隊列
測試目的：此測試是驗證ONU能在傳送窗口時間內發送流量。
測試方法：IxN2X可以精確計算ONU發送包的時間，能夠驗證ONU是否是在發送窗口內發送流量。
設置觸發器：當雙向捕獲到指定的LLID的Gate消息時開始捕獲。
設置過濾器：只捕獲指定的LLID的上行流量。
向帶有指定的LLID的ONU發送流量，ONU向OLT發送Report消息，OLT向ONU發送Gate消息。用IxN2X捕獲協議包，查看OLT為這個LLID分配的發送窗口。
捕獲指定的ONU發送的上行流量。
3.1 MPCP注冊過程的測試
測試目的：在正確的時間窗口內，ONU向OLT注冊。
測試方法：利用IxN2X分析MPCP并完成此項測試。可以設置觸發器，當捕獲到OLT的Gate消息以后，開始捕獲其它交互的消息。
OLT定期發出Gate消息，Gate消息里的Discovery Flag是置位的。
ONU在發送Register消息時等待一個隨機的時間。
測試的關鍵點是來測試ONU的注冊過程所用的時間。可以分析所捕獲的Gate消息，得出Discovery
Window，然后比較所收到的Register消息的時間戳應保證在Discovery Window內。
3.2 下行流量廣播
測試目的：下行流量能正確轉發到指定ONU。盡管下行流量可以廣播到所有的ONU，但只有被指定的ONU才能把流量轉發到它的端用戶。
測試方法：利用IxN2X可以發現為每個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ONU分配的LLID。
從OLT端發送流量，流量的LLID指向某個ONU。
在指定的ONU端，能夠接收到此ONU轉發的流量。
在其它的ONU端，不能夠接收到此ONU轉發的流量。
3.3 上行發送隊列
測試目的：此測試是驗證ONU能在傳送窗口時間內發送流量。
測試方法：IxN2X可以精確計算ONU發送包的時間，能夠驗證ONU是否是在發送窗口內發送流量。
設置觸發器：當雙向捕獲到指定的LLID的Gate消息時開始捕獲。
設置過濾器：只捕獲指定的LLID的上行流量。
向帶有指定的LLID的ONU發送流量，ONU向OLT發送Report消息，OLT向ONU發送Gate消息。用IxN2X捕獲協議包，查看OLT為這個LLID分配的發送窗口。
捕獲指定的ONU發送的上行流量。
通過比較時間戳，可以驗證出ONU應在發送窗口內發送流量。
3.4 EPON測距性能測試（見圖3）
3.4 EPON測距性能測試（見圖3）
圖3 測距測試拓撲圖
測試目的：測試OLT側對ONU進行測距所能達到的最小距離和最大距離；測試新加入網絡的ONU在測距時是否影響其它在線ONU的正常運行；測試測量測距精度。
測試方法：
搭建好測試配置，使系統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側對各ONU分別測距。
如果所有ONU都能正常測距，用IxN2X可以監視所有ONU（ONU1~ONUn）是否能正常工作（對于IP業務，要求在吞吐量的90%時測試，無丟包），說明測距范圍符合指標。
對ONU3進行測距，記錄測距值為b1。
在ONU3加入3m的光跳線。
重新對ONU3進行測距，記錄測距值為b2。
去掉光跳線，再對ONU3進行測距，記錄測距值為b3。
計算測距值的變化| b2 -b1|和| b2 –b3|應≤16ns。
3.5 EPON系統的性能測試（見圖4）
測試目的：測試OLT側對ONU進行測距所能達到的最小距離和最大距離；測試新加入網絡的ONU在測距時是否影響其它在線ONU的正常運行；測試測量測距精度。
測試方法：
搭建好測試配置，使系統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側對各ONU分別測距。
如果所有ONU都能正常測距，用IxN2X可以監視所有ONU（ONU1~ONUn）是否能正常工作（對于IP業務，要求在吞吐量的90%時測試，無丟包），說明測距范圍符合指標。
對ONU3進行測距，記錄測距值為b1。
在ONU3加入3m的光跳線。
重新對ONU3進行測距，記錄測距值為b2。
去掉光跳線，再對ONU3進行測距，記錄測距值為b3。
計算測距值的變化| b2 -b1|和| b2 –b3|應≤16ns。
3.5 EPON系統的性能測試（見圖4）
圖4 性能測試拓撲圖
測試目的：能夠更好地隔離造成系統轉發性能下降的原因。
測試方法：IxN2X可以在PON端口統計PON的流量，計算時延和包丟失。測試拓撲如圖4所示。IxN2X 103/2和N2X 103/3是以太網端口，N2X 101/1是EPON接口，統計上行流量，IxN2X 101/2是EPON接口，統計下行流量。
在103/2和103/3之間互相發雙向業務流。
分別在101/1和101/2端口統計上行和下行的流量。
用戶可以分別計算出通過ONU和OLT的延遲。
測試結果如圖5所示。丟包也可以用同樣的方法計算。
測試目的：能夠更好地隔離造成系統轉發性能下降的原因。
測試方法：IxN2X可以在PON端口統計PON的流量，計算時延和包丟失。測試拓撲如圖4所示。IxN2X 103/2和N2X 103/3是以太網端口，N2X 101/1是EPON接口，統計上行流量，IxN2X 101/2是EPON接口，統計下行流量。
在103/2和103/3之間互相發雙向業務流。
分別在101/1和101/2端口統計上行和下行的流量。
用戶可以分別計算出通過ONU和OLT的延遲。
測試結果如圖5所示。丟包也可以用同樣的方法計算。
圖5 ONU端和OLT端性能測試結果
從以上測試結果，我們可以計算出：
從以上測試結果，我們可以計算出：
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 結束語
IXIA IxN2X在EPON測試領域一直處于領先地位，它提供了豐富的EPON測試功能，可以測試MPCP，OAM協議，可以測試DBA算法，可以測試EPON系統的轉發性能，可以測試EPON系統的QoS保證能力等。根據EPON的傳輸特性，有效地測試EPON系統是必要的。
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 結束語
IXIA IxN2X在EPON測試領域一直處于領先地位，它提供了豐富的EPON測試功能，可以測試MPCP，OAM協議，可以測試DBA算法，可以測試EPON系統的轉發性能，可以測試EPON系統的QoS保證能力等。根據EPON的傳輸特性，有效地測試EPON系統是必要的。
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