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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。
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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。
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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。
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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.