以太网无源光网络（EPON）中交换机软件

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武汉理工大学 硕士学位论文以太网无源光网络（EPON）中交换机软件 级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：李方敏 20050301 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 ＥＰＯＮ（Ｅｔｈｅｍｅｔ ＰＯＮ）是采用点到多点结构、无源光纤传输、在以太网之上提供多种业务的一种新技术。

    它旨在是解决“最后一公里”瓶颈，具有成本低、兼容性好、技术成熟、可维护性强、业务功能灵活等特点，因此市场前景十分看好。

    ＶＬＡＮ（虚拟局域网）技术和二层组播技术是ＥＰＯＮ接入网乃至其他所有网络中必不可少的应用之一。

    在接入网应用中，ＶＬＡＮ提供了终端用户类型的划分，减小了不必要的网络负载，改善了网络安全性能，提高了整个系统的效率。

    二层组播提供了对网络流量的有效控制，从而有效的节约系统带宽。

     论文主要论述了ＥＰＯＮ系统中软硬件件系统。

    分六章的篇幅介绍了ＥＰＯＮ软件系统的实现细节，主要内容如下：１．ＥＰＯＮ系统中，不需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户：来自最终用户的数据也能被集中传送到网络。

    从ＥＰＯＮ的系统结构出发，分析ＥＰＯＮ系统构成和特点，重点介绍和分析了ＥＰＯＮ的上下行技术，分析了嵌入式系统的技术在该系统中的应用及其特点。

    ＥＰＯＮ中的ＯＬＮ和ＯＬＴ都是典型的二层交换设备，分析二层以太网交换机的功能结构，给出了二层以太网交换机通用软件平台体系结构，并对ＩＥＥＥ８０２．１标准的关键协议进行了分析。

    ２．从分析ＡＳＩＣ的性能出发，给出ＥＰＯＮ系统的关键部分ＯＵＮ和ＯＬＴ的硬件实现；系统的硬件环境包括：ＯＵＮ和ＯＬＴ控ＳＪ〕ＣＰＵ采用ｐｏｗｅｒｐｃ的处理器ｐｐｃ８２４ｌ，局端设备采用背板结构，提供多个ＰＣＩ插槽，可以同时插多个０ＬＴ盘和业务盘。

    交换芯片采用Ｂｒｏａｄｃｏｍ公司的两ＢＣＭ５６４５和ＢＣＭ５６９１，控制ｃＰｕ通过ＰＣＩ总线对交换芯片进行控制。

    ３．从需求出发，给出了ＥＰＯＮ系统软件的整体构架。

    软件系统的设计主要涉及到操作系统中交换芯片驱动的移植，系统的管理实现等。

    详细分析了ＶＬＡＮ功能和二层组播功能以及用户配置的总体结构，设计了符合系统要求的相应数据结构和控制软件。

    在分析了不同二层组播的特点后，给出了系统二层组播的解决方案。

    测试表明，设计的软件系统工作正常，通过ＶＬＡＮ来解决的多运营商的接入符合和小区服务器的挂接满足预期的要求，同时通过二层组播来实现的多媒体服务符合用户的需求，运行良好。

    关键词：ＥＰＯＮ；ＩＧＭＰ ＳＮＯＯＰＩＮＧ；虚拟局域网；组播 武汉理工大学硕士学位论文 Ａｂｓｔｒａｃｔ ＥＰＯＮ（Ｅｔｈｅｍｅｔ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）ｉｓ ａ ｎｅｗ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｈｉｃｈｕｓｅｓ ｐｏｉｎｔ·－ｔＯ·－Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐａｓｓｉｖｅ ｆｉｂｅｒ．Ｉｔ ａｉｍｓ ｔｏｓｏｌｖｅ ｔｈｅ“ｌａｓｔ ｍｉｌｅ”ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｇｏｏｄｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｅｌｌ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ＥＰＯＮ ｈａｓ ａｆａｉｒｌｙ ｗｉｄｅ ｍａｒｋｅｔ．Ｌａｙｅｒ ２ ｍｕｌｔｉｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ＶＬＡＮ ａｒｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｗｏ ｎｅｃｅｓｓａｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ＥＰＯＮ Ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｃｃｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆａｃｃｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ，ＶＬＡＮ ｃａｎ ｓｕｐｐｌｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｕｓｅｒｓ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅｕｎｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｌｏａｄ ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｌａｙｅｒ ２ ｎｍｌｔｉｃａｓｔｉｎｇ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｐａｃｋｅｔ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄｈａｒｄｗａｒｅ ｆｏｒ ＥＰＯＮ．Ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ ＥＰＯＮ ｓｏｆｔｗａｒｅ＆ｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｘ ｃｈａｐｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｗｏｒｋ ｉｓ ａｓ ｂｅｌｏｗ：１．Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｃａｎ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｔｏ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｕｓｅｒｓ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉｎ ＥＰＯＮ ｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｓｔｒｎｃｔｕｒｅ ｏｆ ＥＰＯＮ，ＥＰＯＮｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ．ＯＵＮ ａｎｄ ＯＬＴｉｎ ＥＰＯＮ ａｒｅ ｂｏｔｈ ｔｙｐｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ２ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｌａｙｅｒ２ Ｅｔｈｅｍｅｔ ｓｗｉｔｃｈ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ，ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｌａｙｅｒ ２ Ｅｔｈｅｍｅｔｓｗｉｔｃｈ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｋｅｙ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｏｆ ＩＥＥＥ８０２．１ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．２．Ｐｒｏｖｉｄｅｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＡＳＩＣｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒｐｃ ８２４１ ＣＰＵ，ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈ ｅｎｇｉｎｅｓ ＢＣＭ５６４５＆ＢＣＭ５６９ １．ＣＰＵ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒｓｗｉｔｃｈ ＡＳＩＣｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ＰＣＩ ｂｕｓ．３．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｅｓ ｕｐ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ＥＰＯＮ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｒｏｍｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｖｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｐｏｒｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｉｐｄｒｉｖｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． ¨ 武汉理工火学硕士学位论文Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＶＬＡＮ ａｎｄ Ｌａｙｅｒ ２ｍｕｌｔｉｃａｓｔｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ａｃｃｏｒｄｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｒｅｑｕｅｓｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｅｓｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｔｕｒｎｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥＰＯＮ；ＩＧＭＰ ＳＮＯＯＰＩＮＧ；ＶＬＡＮ；ｍｕｌｔｉｃａｓｔｉｎｇ １１１ 武汉理工大学硕士学位论文 第１章绪论１．１ 引言 近年来电信骨干网持续发展，然而接入网却进展不大，最后一英里仍然是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈。

    为了突出它的优先地位和重要性，最后一英里已被改称为“第一英里”。

    目前常用的宽带接入技术有数字用户线（ＤＳＬ）和电缆调制解调器（ｃａｂｌｅ ｍｏｄｅｍ），它们相对５６ Ｋｂｐｓ的拨号线有了很大的提高，但是还不能综合支持视频点播、交互游戏或双向的视频会议等。

    因此人们迫切需要一种经济、简单、易升级、能够综合传输语音、数字和视频业务的新的网络技术、ＥＰＯＮ就是在这种背景下由国际标准化组织ＩＥＥＥ ＥＦＭＩ作组干２００１年底在ＬＡＮ／ＭＡＮ标准委员会（ＬＭＳＣ）会议上提出的。

    它融合了低成本、高带宽的以太网设备和低成本的光纤网，被业界普遍看好，成为能够满足上述要求的下一代接入网的最佳候选技术。

     ＥＰｏＮ的经济学考虑非常简单，光纤是传输数据、视频和语音业务最有效的媒介，能提供无限的带宽。

    但是将每个用户与端局之间实现点对点光纤连接，在光纤的两端安装有源电设备，在端局实现所有光纤连接的管理，其费用巨大，无法承受。

    ＥＰＯＮ克服了点对点的弊端，转而采用点对多点拓扑，不需要诸如再生器、放大器和激光器等电子器件，减少了端局使用的激光器数量。

    点对点光纤技术适用于城域网和长距离应用，ＥＰＯＮ适用于接入网的特殊要求。

    ＥＰＯＮ比其他接入网技术更为简单，效率高，费用低。

    ＥＰＯＮ将光纤延伸到最后一公里，从而获得高效、高可扩性、低维护费用、端到端的光网。

     ＥＰＯＮ最大的优越性在于允许运营商放弃复杂昂贵的ＡＴＭ和ＳＯＮＥＴ器件，从而使网络大为简化。

    传统的电信网使用多层结构，ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ、ＳＯＮＥＴ和ＷＤＭ。

    这种结构的网络要传输ＩＰ业务，需要使用ＡＴＭ交换机来构成虚链路，使用分插复用器和数字交叉连接设备管理ＳＯＮＥＴ环和点对点的ＷＤＭ光连接。

    １．２ ＥＰＯＮ的结构、特点和上下行技术 武汉理工大学硕士学位论文 ＰＯＮ的英文全称为Ｐａｓｓｉｖｅ ０ｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ，即无源光网络，它与目前应用最为广泛、己成为局域网事实上标准的以太网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）结合在一起，便形成了ＥＰＯＮ，它是继ＡＰＯＮ技术之后又一受到广泛关注的用户接入技术。

    它采用点到多点的拓扑结构，利用光纤和光无源器件进行传输，在以太网上提供多种类型业务的一种新的接入网技术。

    １．２．１ ＥＰＯＮ的系统结构介绍 图１一ｌ给出了ＥＰＯＮ的系统构成，从中可以看到它主要由以下几部分构成：提供操作维护管理（ＯＡＭ）网络的网元管理系统（ＥＭＳ）、位于中心局内的光线路终端（ＯＬＴ）、进行光信号的分支和合并的光配线Ｎ（０ＤＮ）、连接各用户的光网络单元（ＯＮＵ）等，而ＯＤＮ由光传输媒质光纤和光分支器件（ＯＢＤ）组成ｔ“５１。

     据 图卜１ ＥＰＯＮ系统构成 ＯＬＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）：作为ＥＰＯＮ的核心，ＯＬＴ应实现以下功能。

     ①向ＯＮＵ以广播方式发送以太网数据。

     ②发起并控制测距过程，并记录测距信息。

     ③发起并控制ＯＮＵ功率控制。

     ④为ＯＮＵ分配带宽，即控制ＯＮＵ发送数据的起始时间和发送窗口大小。

     武汉理工大学硕士学位论文 ⑤其它相关的以太网功能。

     ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）：它连接ＰＯＮ的另一端，为用户数据、视频和电话网提供到ＰＯＮ的接口。

    ＯＮＵ为用户提供ＥＰＯＮ接入的功能。

     ①选择接收ＯＬＴ发送的广播数据。

     ②响应ＯＬＴ发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整。

     ③对用户的以太网数据进行缓存，并在ＯＬＴ分配的发送窗口中向上行方向发送。

     ④其它相关的以太网功能 ＥＭＳ（Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）：网元管理系统可以管理ＰＯＮ的不 同网元并且可以提供和运营商骨干操作网的接口。

    同时可以提供所有错误报 警、配置、统计以及性能和安全等功能（即ＦＣＡＰＳ功能）。

    其关键特征和功 能有： ①用ＧＵＩ提供ＦＣＡＰＳ所有功能； ②管理很多全配置的ＰＯＮ系统； ③同时支持几百个并发ＧＵＩ用户： ④给骨干操作网提供标准接口如ＣＯＲＢＡ（公用对象请求调度程序体系结 构）等。

    １．２．２ ＥＰＯＮ的优势及其关键技术 ＥＰＯＮ相对于现有类似技术的优势归纳起来主要体现在以下几个方面“１：１、与现有以太网的兼容性。

    作为迄今为止最成功、最成熟、应用最广泛的以太网技术，ＥＰＯＮ只是对以太网有关协议的补充，基本上是兼容的，这样一来可以节省大量的投资，可以说这是它作为接入网技术的最大优势。

     ２、高带宽。

    ＥＰＯＮ的下行为百兆／千兆的广播方式，而上行信道是用户共 享的百兆／千兆信道，分析目前各种用户接入方式，其带宽要高得多，甚至相 对ＡＰＯＮ（下行６２２／１５５Ｍｂｐｓ，上行共享１５５Ｍｂｐｓ）也是如此。

     ３、成本低。

    因为使用ＥＰＯＮ技术后运营商再也无需昂贵而复杂的ＡＴＭ和 ＳＤＨ／ＳＯＮＥＴ网元并且可以大大的简化网络结构、设备的操作维护也更为简单 等原因。

     虽然ＥＰＯＮ有优势所在，但ＥＰＯＮ技术目前还处在研究讨论阶段，还有许 多问题有待解决和完善，主要包括以下几个方面： 武汉理工大学硕士学位论文 １．上行信道复用技术：可以说上行的复用技术是ＥＰＯＮ技术的核心，从目前的研究来看，大多数方案都使用了ＤｗＤＭ＋ＴＤＭＡ的复用方法。

    ＤＷＤＭ的使用是发展的趋势，但主要取决于光器件。

    因此，主要讨论的焦点将是ＴＤＭＡ的实现方法，即如何使用ＴＤＭＡ的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。

    其中，上行带宽的分配方法、ＯＮＵ发送窗口固定还是可变、最大的ＯＮＵ发送窗口应为多大、ＯＮＵ发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。

     ２．测距和时延补偿技术：由于光纤信道时延较大的特点，ＯＮＵ与ＯＬＴ之间的距离将会影响到上行信道的复用，如果准确测量各个ＯＮＵ到ＯＬＴ的距离并能精确的调整ＯＮＵ的发送时延，则可以减小ＯＮＵ发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。

    另外，测距过程应充分考虑到整个ＥＰＯＮ的配置情况。

    例如，系统在工作中加入新的ＯＮＵ，此时对它的测距不应对其它０ＮＵ有太大的影响。

     ３．光器件：由于ＥＰＯＮ上行信道是所有ＯＮＵ分时复用的，每个ＯＮＵ只能在指定的时间窗口内发送数据。

    因此，ＥＰＯＮ上行信道中使用的是突发信号，这就要求在ＯＮＵ和ＯＬＴ中使用支持突发信号的光器件。

    现有的大部分光器件还不能满足这一要求，少数突发模式的光器件也只能工作在１ ５５Ｍｂｐｓ的速率上，而且价格昂贵。

    可以说，这是ＥＰＯＮ技术面临的一大问题，但是，目前已有厂商正在研制满足ＥＰＯＮ要求的光器件，相信随着ＥＰＯＮ标准的制定，会有更多的产品出现。

     ４．突发信号的快速同步：由于ＯＬＴ接收到的信号为突发信号，ＯＬＴ必须能在很短的时间（几个ｂｉｔｓ）内实现相位的同步，进而接收数据。

    这一技术与ＡＰＯＮ中使用的类似，因此可以借鉴ＡＰＯＮ的经验。

    １，２．３ ＥＰＯＮ的上行及下行技术 ＥＰＯＮ采用点到多点的分布结构，不需任何复杂的协议，光信号就能直接传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络１５】。

     在下行方向，如图１．２所示，ＥＰＯＮ充分利用ＰＯＮ结构的广播方式，多种业务信号通过光纤传输到中心局（ＣＯ），然后被ＯＬＴ经光分配器（ＯＢＤ）无源地分配到ＯＮＵ单元，经过ＯＮＵ的光／电转换和信号处理后为用户服务。

    下行的工作波长典型值为１３１０ｎｍ。

     武汉理工火学硕士学位论文 ｅＵＳＥＲ 发往特定０ＮＵ的信息包 ——’ 缀 石而〕望厮 —０—ＮＵ—〕一—－．／—～ Ｉ里鱼④／０ＤＮ０ＬＴ ——－ＩＥＥＥ８０２．３格式变长信息包 ～ 一＼ 霪 石丽里厩 ——————■’ 图１．２ ＥＰＯＮ系统的下行数据信息 由各个０ＮＵ发送的信息包 图１－３ ＥＰＯＮ系统采用ＴＤＭＡ的上行数据信息 由各个０ＮＵ发送的信息包 图１－４ ＥＰＯＮ系统采用ＷＤＭＡ的上行数据信息 ５ 武汉理工大学硕士学位论文 在上行方向，如图ｌ一３、１—４所示，一般采用时分多址（ＴＤＭＡ）或波分多址（ｗＤＭＡ）技术。

    采用ＴＤＭＡ技术，实现起来较为复杂，ＯＮＵ之间相互争用带宽，必须在自己的时隙内发送数据报，否则会发生碰撞。

    因此需要解决快速比特同步、定时、测距和突发式光发送／接收等关键技术，但目前的开发中，采用ＴＤＭＡ技术的成本比较低。

     而采用ＷＤＭＡ技术实现起来较简单，对于分线率为３２的ＯＤＮ，上行工作波长根据Ｇ．６９２，间隔１０００Ｈｚ选择３２波，为每个ＯＮＵ分配一个波长，探测器阵列接收各ＯＮＵ的信号。

    根据接收探测器，就可以判断出对应的是哪个ＯＮＵ。

    由于每个ＯＮＵ都独占一个波长，享有的上行带宽可以得到保证，所以不需要与其他ＯＮＵ争用有限的带宽，可以持续发送数据，而无需等待自己的时隙，这样上行方向采用了点到点的传输，每个上行信道可以实现与下行信道对称的带宽。

    ＷＤＭＡ的主要问题是：对光源波长精确度要求较高，并且需要更多的光接收器件，因此成本比较高，主要是光器件成本目前还比较高。

    只要所需光器件的成本降下来，ＥＰＯＮ上行采用ＷＤＭＡ接入方式比ＴＤＭＡ方式的优势大很多。

    １．３嵌入式系统与ＥＰＯＮ１．３．１嵌入式系统概述及其特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

    它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能【岳引。

     嵌入式系统一般指非ＰＣ系统，它包括硬件和软件两部分。

    硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和Ｉ／Ｏ端口、图形控制器等。

    软件部分包括操作系统软件（ｏｓ）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。

    有时设计人员把这两种软件组合在一起。

    应用程序控制着系统的运作和行为：而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

     嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： １．嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式ＣＰＵ与通用型的最大不同就 武汉理工大学硕士学位论文是嵌入式ＣＰＵ大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用ＣＰＵ中许多由板卡完成的任务集成在：卷片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。

     ２，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。

    这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

     ３．嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。

     ４．嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

     ５．为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

     ６．嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

    １．３．２ Ｌｊ Ｆ）ＵＸ操作系统与ＥＰＯＮ Ｌｉｎｕｘ的诞生来自于一名芬兰大学生Ｌｉｎｕｓ Ｔｏｒｖａｌｄｓ的业余爱好，而在网络上不断完善和发展的操作系统，在网络上，开发Ｌｉｎｕｘ已流行成为一些高手热衷的活动，使得Ｌｉｎｕｘ在短期内就成为了一个稳定、成熟的操作系统（ＯＳ）。

    重要的是，Ｌｉｍｌｌｘ的开发都是在ＧＰＬ的版本控制之下，因此Ｌｉｎｕｘ内核都是源代码开放的ｆ４”。

    Ｌｉｎｕｘ内核的开发是由ＬｉｎｕｓＴｏｒｖａｌｄｓ领导的内核开发小组进行开发的。

    目前在他们的公共站点ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｍｅｌ．ｏｒｇ／＿ｋ几乎每三天进行一次内核的升级，目前最新的内核是Ｌｉｎｕｘ２．４内核，Ｌｉｎｕｘ２．６也即将面世。

     最近几年嵌入式Ｌｉｎｕｘ崭露头角，受到了人们的广泛关注，它不但有前面所提到的嵌入式操作系统所具有的通用特点，还有它所特有的优点； １、支持多种硬件平台、系统稳定、功能强大、编程容易【Ｉｏｌ Ｌｉｎｕｘ在许多方面与ＵＮＩＸ类似，但是它是一个完全独立的操作系统，它可以非常稳定地运行在许多种体系结构的处理器上。

    目前它支持Ｉｎｔｅｌ ｘ８６、Ｍｏｔｏｒｏｌａ／ＩＢＭ ＰｏｗｅｒＰＣ、Ｃｏｍｐａｑ（ＤＥＣ）Ａｌｐｈａ、ＩＡ ６４、Ｓ／３９０、ＳｕｐｅｒＨ、ＳＰＡＲ、 武汉理工大学硕士学位论文ＡＲＭ、ＭＩＰＳ等微处理器体系结构，几乎支持所有流行的ＣＰＵ体系结构，由此可见它适用的广泛性。

    同时各种软件在不同的微处理器体系结构之间可以很方便地进行移植，同时Ｌｉｎｕｘ支持大量的周边硬件设备，具有丰富的驱动程序，这些都可以极大地缩短开发时间。

     Ｌｉｎｕｘ的系统界面和编程接口和传统的ＵＮＩＸ类似，大量在ＵＮＩＸ下的程序员可以很方便的从ＵＮＩＸ环境转移到Ｌｉｎｕｘ环境下来，而不像从ＵＮＩＸ环境转移到Ｗｉｎｄｏｗｓ开发环境那样复杂。

     ２、使用成本低… 几乎所有的商业用操作系统如Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／２０００／ＮＴＳｅｒｖｅｒ／ＮＴＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ系列，都需要为每一个拷贝支付相当数量的费用，在其下的应用软件每一个也都需要大量的支出来获得。

    商用操作系统下建立一个开发工具链，除了要为操作系统本身付费之外，还要为组成工具链的应用软件工具包支付大量的费用。

    但是Ｌｉｎｕｘ是自由软件，源代码完全公开，只要遵守ＧＰＬ的规定，就可以免费获得其拷贝，因此不必为其作任何的资金投入。

     此外Ｌｉｎｕｘ有着非常优秀的完整开发工具链，如同样遵循ＧＰＬ规定的ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ软件工具开发包，有十几种集成开发环境，其中很多是免费的，而且从功能角度上看并不亚于商用开发包，因而大大降低了开发费用，这正符合嵌入式系统的低成本要求。

    这点优势是其他商用操作系统无法比拟的。

     ３、文档完善 Ｌｉｎｕｘ有非常多的文档支持，从为初学者准备的各种教程到非常详细的联机帮助文档。

    Ｌｉｎｕｘ是互联网充分发展的产物，许多关于Ｌｉｎｕｘ的文档都可以在Ｉｎｔｅｍｅｔ上找到并免费下载。

    Ｌｉｎｕｘ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｐｒｏｊｅｃｔ是为Ｌｉｎｕｘ提供系统化的文档支持的项目，在世界上许多程序员和用户的帮助下，它已经收集了非常详细的系统文档和使用文档。

    而且，各种关于Ｌｉｎｕｘ的书籍和杂志正如雨后春笋般地出现，大量的英文资料也正在翻译成中文，方便中文使用者。

     ４、强大的网络功能 Ｌｉｎｕｘ操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在Ｌｉｎｕｘ上找到它们的实现。

    Ｌｉｎｕｘ内核比标准的ＵＮＩＸ更加高效地处理网络协议，系统的网络吞吐性能非常好。

    可以说在日益网络化的今天，强大的网络功能是嵌入式系统所要求的，这也是为什么Ｌｉｎｕｘ在网络服务器市场上占据越来越大市场份额的一个原因。

     武汉理工大学硕士学位论文 ５、高度模块化，容易定制 Ｌｉｎｕｘ内核虽然较为庞大，但是由于其结构模块化强，而且很多驱动程序可以很容易地进行裁剪，其它部分也可以针对具体的应用进行定制，因此可以说Ｌｉｎｕｘ又是一个很小的系统，这正是嵌入式系统所需要的。

    用来启动Ｌｉｎｕｘ系统只需要小至４ ５００Ｋ字节不到的目标代码，完全可以把Ｌｉｎｕｘ内核和ｒｏｏｔ文件系统放在一张软盘上，启动一台硬件条件最小的机器。

    另外也可以通过网络来启动嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统。

     ６、强大的网络技术支持 随着Ｌｉｎｕｘ的发展，专门为客户提供专业化技术支持的公司开始出现，但实际上不用花钱也可以通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ新闻组得到强大的Ｌｉｎｕｘ技术支持和帮助。

    有成千上万的软件和Ｌｉｎｕｘ高手分布在世界各地，几乎任何一个问题都能够在互联网上得到及时有效的答案。

    因此可大大地缩短开发时间，这对赢得激烈的市场竞争是及其重要的。

    这些，也是其它嵌入式操作系统所没有的。

     因此可以说，嵌入式Ｌｉｎｕｘ是嵌入式系统的首选，也必将在后ＰＣ时代的下一代计算设备一嵌入式计算设备中大显身手。

    根据上面所述的Ｌｉｎｕｘ的种种优势，为节约成本，同时在ＥＰＯＮ系统中ＯＬＴ／ＯＮＵ使用的是Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＣＰＵ８２４１，它属于Ｌｉｎｕｘ支持的ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构，因此采用了嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为操作系统。

    １．４本文的主要内容与结构１．４．１主要工作 本文围绕ＥＰＯＮ系统中交换机（ＯＬＴ＆ＯＮＴ）设计与实现从理论、技术及设计实践方面进行了研究，主要做了以下一些工作： Ｉ首先研究分析了ＥＰＯＮ的整体体系结构，及其特点和优势，叙述了嵌入式系统的概念及其应用领域。

    并对Ｌｉｎｕｘ操作系统以及基于Ｌｉｎｕｘ的嵌入式系统开发进行了简单的介绍； ＩＩ对二层以太网的交换原理进行了阐述，分析一些主要以太网二层协议，同时给出了二层以太网交换机通用软件平台体系结构： １１１分析ＥＰＯＮ系统的需求，对ＢＣＭ５６４５和ＢＣＭ５６９１的性能进行分析比较， 武汉理工大学硕士学位论文提出了系统总体解决方案； Ⅳ着重从软件代码的角度详细分析了实现ＶＬＡＮ和二层ＭＵＬＴＩＣＡＳＴ功能以及用户配置的总体结构，并分别针对用户命令控制，内核字符设备以及芯片驱动实现中的相关部分进行了详细的分析和讨论； Ｖ对系统ＶＬＡＮ和二层组播功能进行了测试，结合试验结果对系统进行了分析；１．４．２组织结构 本文共分为６章，第１章，绪论；第２章，二层以太网交换机及二层交换协议的分析：第３章，硬件系统设计及其交换芯片驱动的移植：第４章，系统应用软件的整体；第５章，功能测.