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1  引言

    隨著工業以太網的迅速發展，寬帶工業級網絡系統可以集成數據采集、數據交換、實時閉環控制、視頻監控、信息管理，甚至企業內部網互聯，實現多網合一[1]。為實現這些功能，要求相應的網絡系統不僅帶寬大，而且要有一定的實時性。例如：單個視頻監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），因而工業企業內部幾十個視頻監視器的帶寬需求就有百兆以上的要求。同時工業生產閉環控制要求數據傳送延遲為幾個毫秒（實際應用決定），而且數據傳送穩定可靠。傳統的工業以太網如10Mb/s和100Mb/s顯然不能滿足這種要求。傳統的以HUB構網的工業網絡系統，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，數據包傳送有時延遲很大，甚至導致數據包的丟失，因而并不適合工業實時反饋控制的應用。交換式以太網（Switched Ethernet）由于使用保存轉送機制，可以避免數據碰撞。采用千兆以太網可以減小數據傳輸時間，同時較之10Mb/s的系統帶寬增加了100倍。雖然千兆基于交換式以太網為業界所推崇，然而作為構建下一代工業核心網絡系統卻仍然有其不足。無源全光以太網（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一種高速接入網絡技術，它可以提供靈活的帶寬需求，同時組網簡單，可靠，高性價比[2]。本文將描述EPON系統如何構建工業以太網絡系統，同時與交換式工業千兆以太網系統加以比較。

2  以太網，交換式以太網和EPON

    以太網是為實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。它是互聯網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。千兆以太網標準主要有1000BASE-T，1000BASE-CX，1000BASE-SX及1000BASE-LX。其中10BASE-T，100BASE-TX是以太網中最為廉價的，采用雙絞線，傳輸跨距最大為100m。100BASE-FX采用光纖做為介質，傳輸距離最大為2km，同時可以抗噪聲，在工業應用中有很大的優點。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。以太網采用CSMA/CD通訊協議。在發送一個數據包前，發送源站先檢測傳送介質狀態是否忙，如果狀態是忙，發送源站需等待直到介質狀態為空閑方可傳送數據。一旦檢測到有數據碰撞，發送源站即終止發送，并根據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，就丟掉數據包。基于這種原理，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間會迅速增加。交換式以太網可以解決數據碰撞的問題，并可以處理大數據量的傳輸。傳統以太網中的HUB是一種直通器件，它將所有源站數據傳送到所有的在線終端。以太網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狀態是否空閑，如果空閑，開始發送數據包，否則，交換機將數據包存儲于緩存器中并等待，直至對應的接收線變空閑。當多個來自不同端口的數據包同時到達交換機而目標端口相同時，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最大傳送延遲時間會更小，數據傳輸能力會更大。交換式以太網可以支持多種類型的服務及流量控制，因而服務質量（QoS）可以得到保證[3，4]。

圖1  以太網交換機中的隊列

    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、數據、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議（MPCP）來解決OLT到ONU的點對多點（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，所以來自OLT的數據廣播到所有的ONU，下傳數據采用單一波長。ONU根據自己的ID選擇性的接收數據。在上傳數據時，所有ONU共享上傳帶寬，并采用不同于下傳的另一波長。為避免數據碰撞，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據然后根據自己的對應時間段以千兆的速率將數據傳送到OLT。時間段的分配是根據REPORT/GATE機理實現的。ONU送一個REPORT信息到OLT，REPORT中包含ONU中緩存的數據包的時標（Time Stamp）和隊列信息。OLT根據收到的Time Stamp計算傳輸的往返時間（RTT），并根據所有ONU的隊列狀態決定帶寬的分配。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REPORT中的時間信息（同時根據OLT的等待時間）為接收數據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根據收到的Grant Time Stamp刷新自己的時鐘，并根據許可的開始時間在許可的時間長度段內發送數據包。在單一時間段內只允許傳送完整的數據包，超長的數據包只能延遲在下一時間段內傳送。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結構來設計，如圖3所示。無源節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設計相比較，EPON有以下優點：
    (1) EPON較之交換式光以太網需要更少的光轉發器，因而具有成本優勢。
    (2) EPON中的節點是無源的分光器件，所以比有源的交換機節點更可靠，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，因而可以抗環境干擾和抗噪聲。

圖3  基于EPON的工業網絡結構

圖4  基于交換式以太網的工業網絡結構

4  千兆以太網，交換式千兆以太網和千兆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。只有傳統以太網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。交換式以太網和EPON沒有數據碰撞的延遲，主要的延遲來源于數據包隊列等待延遲。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個交換機，最大的傳輸延遲就是從連接到第N個交換機的數據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的數據幀，所分配的時間段必須大于最大的1518字節所對應的時間即82us。為避免不同ONU上傳光脈沖發生碰撞，通常在兩個相鄰的光脈沖數據包之間加區隔時間（guarding time）。通常的區隔時間是1us。另外在上傳信息中還有從ONU發送的REPORT信息窗口，通常是64個字節約5us。所以通常對有N個ONU的EPON系統總的傳輸延遲是N*(82+1)+5us。對32個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和EPON的數據包隊列等待延遲。
與傳統的以太網相比，EPON和交換式以太網都可以應用在工業實時控制網絡中。而EPON在超載攻擊的情況下仍具有很好的實時性，具有更大的優勢。

5  結論

    本文介紹了SPINE結構的EPON系統在工業網絡系統中的應用。從三種不同的以太網系統的傳輸延遲的分析來看，交換式以太網和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良的系統實時傳輸特性。由于EPON具有的優良特性，成本優勢以及可靠的結構，相信千兆全光無源以太網是一種全新的完全可以在工業應用中超越千兆交換式以太網的新技術。

參考文獻：
[1] M.H. Hung et al., "Development of Ethernet-based equipment integration framework for factory automation", Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2004(20), pp.369-383.
[2] IEEE P802. 3ah task force, http://www.ieee802.org/3/efm.
[3] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks (4th Edition), 2003.
[4] Marvell Corp., Linkstreet 88E6021 Datasheet, 2003.
[5] Y. Luo and N. Ansari，"Bandwidth Allocation For Multiservice Access on EPONs", IEEE Optical Communications, Feb. 2005， pp. S16-S21.
[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.
[7] C. M. Assi et al., "Dynamic Bandwidth Allocation for Quality-of-Service over Ethernet PONs", IEEE JSAC, vol. 21, no.9 Nov. 2003, pp.1467-77.
[8] J. Xie et al., "A Dynamic Bandwidth Allocation Scheme for Differentiate Service in EPONs", IEEE Optical Communications, Aug. 2004, pp. S32-S39.