1  引言

    隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展，寬帶工業(yè)級網(wǎng)絡(luò )系統可以集成數據采集、數據交換、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制、視頻監控、信息管理，甚至企業(yè)內部網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現多網(wǎng)合一[1]。為實(shí)現這些功能，要求相應的網(wǎng)絡(luò )系統不僅帶寬大，而且要有一定的實(shí)時(shí)性。例如：?jiǎn)蝹€(gè)視頻監視器所需帶寬為幾個(gè)Mb/s（實(shí)際帶寬與視頻設置和信息壓縮比有關(guān)），因而工業(yè)企業(yè)內部幾十個(gè)視頻監視器的帶寬需求就有百兆以上的要求。同時(shí)工業(yè)生產(chǎn)閉環(huán)控制要求數據傳送延遲為幾個(gè)毫秒（實(shí)際應用決定），而且數據傳送穩定可靠。傳統的工業(yè)以太網(wǎng)如10Mb/s和100Mb/s顯然不能滿(mǎn)足這種要求。傳統的以HUB構網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )系統，媒體接入控制MAC采用CSMA/CD，系統在重載的情況下表現不穩定，數據包傳送有時(shí)延遲很大，甚至導致數據包的丟失，因而并不適合工業(yè)實(shí)時(shí)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，可以避免數據碰撞。采用千兆以太網(wǎng)可以減小數據傳輸時(shí)間，同時(shí)較之10Mb/s的系統帶寬增加了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(luò )系統卻仍然有其不足。無(wú)源全光以太網(wǎng)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一種高速接入網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它可以提供靈活的帶寬需求，同時(shí)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可靠，高性?xún)r(jià)比[2]。本文將描述EPON系統如何構建工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )系統，同時(shí)與交換式工業(yè)千兆以太網(wǎng)系統加以比較。

2  以太網(wǎng)，交換式以太網(wǎng)和EPON

    以太網(wǎng)是為實(shí)現多臺計算機系統的數據通訊而提出的，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(jià)的，采用雙絞線(xiàn)，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(shí)可以抗噪聲，在工業(yè)應用中有很大的優(yōu)點(diǎn)。1000BASE-CX和1000BASE-T傳輸速率為千兆，采用銅線(xiàn)，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(gè)數據包前，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)為空閑方可傳送數據。一旦檢測到有數據碰撞，發(fā)送源站即終止發(fā)送，并根據特定的算法等待一定的時(shí)間，然后進(jìn)行重試。最多重試16次，如果失敗，就丟掉數據包?；谶@種原理，數據傳輸的延遲是隨機分布的，而且在大數據量傳輸的情況下延遲時(shí)間會(huì )迅速增加。交換式以太網(wǎng)可以解決數據碰撞的問(wèn)題，并可以處理大數據量的傳輸。傳統以太網(wǎng)中的HUB是一種直通器件，它將所有源站數據傳送到所有的在線(xiàn)終端。以太網(wǎng)交換機具有數據包處理功能，它將源端口的數據只傳送到目標端口，典型的交換機制是先儲存，后轉送。如圖1所示，交換機收到數據包后，檢測對應的目標站的接收線(xiàn)狀態(tài)是否空閑，如果空閑，開(kāi)始發(fā)送數據包，否則，交換機將數據包存儲于緩存器中并等待，直至對應的接收線(xiàn)變空閑。當多個(gè)來(lái)自不同端口的數據包同時(shí)到達交換機而目標端口相同時(shí)，交換機將數據包存儲并排隊，然后根據排隊順序將數據包一一傳送。由于交換機可以根除數據碰撞，所以較之傳統的以太網(wǎng)最大傳送延遲時(shí)間會(huì )更小，數據傳輸能力會(huì )更大。交換式以太網(wǎng)可以支持多種類(lèi)型的服務(wù)及流量控制，因而服務(wù)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的出現是為了解決通訊中所謂最后一公里的接入問(wèn)題，通常稱(chēng)作光纖到戶(hù)。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(hù)端的ONU（Optical Network Unit，ONU可以為終端用戶(hù)或LAN用戶(hù)提供寬帶聲音、數據、視頻服務(wù)）及無(wú)源器件光學(xué)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(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）來(lái)解決OLT到ONU的點(diǎn)對多點(diǎn)（P2MP）連接的OAM。上傳數據和下傳數據的操作處理是不同的。下傳數據（OLT到ONU）是廣播式的，所以來(lái)自OLT的數據廣播到所有的ONU，下傳數據采用單一波長(cháng)。ONU根據自己的ID選擇性的接收數據。在上傳數據時(shí)，所有ONU共享上傳帶寬，并采用不同于下傳的另一波長(cháng)。為避免數據碰撞，每個(gè)ONU都有OLT分配的對應時(shí)間段。ONU首先緩存終端用戶(hù)的數據然后根據自己的對應時(shí)間段以千兆的速率將數據傳送到OLT。時(shí)間段的分配是根據REPORT/GATE機理實(shí)現的。ONU送一個(gè)REPORT信息到OLT，REPORT中包含ONU中緩存的數據包的時(shí)標（Time Stamp）和隊列信息。OLT根據收到的Time Stamp計算傳輸的往返時(shí)間（RTT），并根據所有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(gè)ONU分配固定的時(shí)間段[5]；
    (2)  有限帶寬分配，即根據REPORT中的信息分配帶寬，同時(shí)限制帶寬上限[6]；
    (3)  基于信用（credit）的帶寬分配，即根據REPORT中的時(shí)間信息（同時(shí)根據OLT的等待時(shí)間）為接收數據再加上一定的信用時(shí)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(kāi)始時(shí)間（Grant Start Time），許可的時(shí)間段長(cháng)度（Grant Time Slot length）。目標ONU根據收到的Grant Time Stamp刷新自己的時(shí)鐘，并根據許可的開(kāi)始時(shí)間在許可的時(shí)間長(cháng)度段內發(fā)送數據包。在單一時(shí)間段內只允許傳送完整的數據包，超長(cháng)的數據包只能延遲在下一時(shí)間段內傳送。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(lái)設計，如圖3所示。無(wú)源節點(diǎn)由光學(xué)耦合器構成。光學(xué)耦合器的分光比可以在1%～50%之間。在下傳通道中，每個(gè)ONU的接收功率損耗包括光纖長(cháng)度再加上光學(xué)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(xué)分光器的WDL很小，可以忽略不計）。由于光學(xué)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(huì )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(diǎn)：
    (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中的節點(diǎn)是無(wú)源的分光器件，所以比有源的交換機節點(diǎn)更可靠，更容易維護。例如，一個(gè)交換機的故障可以導致它以下的網(wǎng)絡(luò )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(luò )結構

圖4  基于交換式以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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，數據碰撞導致的延遲以及數據包隊列等待延遲。傳播延遲對三種網(wǎng)絡(luò )設計來(lái)說(shuō)是相同的，即對光信號的傳播速度約4us/km。只有傳統以太網(wǎng)設計有數據碰撞延遲，源站可以在檢測到數據碰撞而導致數據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(wú)限的。交換式以太網(wǎng)和EPON沒(méi)有數據碰撞的延遲，主要的延遲來(lái)源于數據包隊列等待延遲。在正常情況下，傳輸信息實(shí)際負載是小于網(wǎng)絡(luò )傳輸設計能力的。假設每個(gè)交換機有M個(gè)端口，最大的以太網(wǎng)數據幀有1518字節，假設所有端口均傳送最大的數據幀，因而總的數據包隊列等待延遲為M*1518*8/1Gbps，即M*82us。如果串接N個(gè)交換機，最大的傳輸延遲就是從連接到第N個(gè)交換機的數據終端到第一個(gè)交換機的延遲，總傳輸延遲就是N*M*82us。如果有32個(gè)串接交換機，每個(gè)交換機有兩個(gè)端口，總的傳輸延遲就是5.3ms。在每個(gè)端口受到超負載攻擊的情況下，第N個(gè)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(gè)ONU分配時(shí)間段。為傳輸各種可能長(cháng)度的以太網(wǎng)的數據幀，所分配的時(shí)間段必須大于最大的1518字節所對應的時(shí)間即82us。為避免不同ONU上傳光脈沖發(fā)生碰撞，通常在兩個(gè)相鄰的光脈沖數據包之間加區隔時(shí)間（guarding time）。通常的區隔時(shí)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(gè)字節約5us。所以通常對有N個(gè)ONU的EPON系統總的傳輸延遲是N*(82+1)+5us。對32個(gè)ONU的EPON系統的數據包隊列等待延遲是2.7ms。即使在對ONU超載的情況下，ONU的傳輸延遲時(shí)間在帶寬分配上限設置為1518字節，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的數據包隊列等待延遲。
與傳統的以太網(wǎng)相比，EPON和交換式以太網(wǎng)都可以應用在工業(yè)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )中。而EPON在超載攻擊的情況下仍具有很好的實(shí)時(shí)性，具有更大的優(yōu)勢。

5  結論

    本文介紹了SPINE結構的EPON系統在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )系統中的應用。從三種不同的以太網(wǎng)系統的傳輸延遲的分析來(lái)看，交換式以太網(wǎng)和EPON可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求，而EPON在超載的情況下仍然可以保證優(yōu)良的系統實(shí)時(shí)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(wú)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(shù)。

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.