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1、EPON在工业网络通讯中的应用段小东,阎晓峰简介1.引言随着工业以太网的迅速发展,宽带工业级网络系统可以集成数据采集,数据交换,实时闭环控制,视频监控,信息管理,甚至企业内部网互联,实现多网合一[1].为实现这些功能,要求相应的网络系统不仅带宽大,而且要有一定的实时性.例如:单个视频监视器所需带宽为几个Mb/s(实际带宽与视频设置和信息压缩比有关),因而工业企业内部几十个视频监视器的带宽需求就有百兆以上的要求.同时工业生产闭环控制要求数据传送延迟为几个毫秒(实际应用决定),而且数据传送稳定可靠.传统的工业以太网如10Mb/s和100Mb/s显然不能满足这种要求.传统的以HUB构网的
2、工业网络系统,媒体接入控制MAC采用CSMA/CD,系统在重载的情况下表现不稳定,数据包传送有时延迟很大,甚至导致数据包的丢失,因而并不适合工业实时反馈控制的应用.交换式以太网(SwitchedEthernet)由于使用保存转送机制,可以避免数据碰撞.采用千兆以太网可以减小数据传输时间,同时较之10Mb/s的系统带宽增加了100倍.虽然千兆基于交换式以太网为业界所推崇,然而作为构建下一代工业核心网络系统却仍然有其不足.无源全光以太网(EPON)是一种高速接入网络技术,它可以提供灵活的带宽需求,同时组网简单,可靠,高性价比[2].本文将描述EPON系统如何构建工业以太网络系统,同时与
3、交换式工业千兆以太网系统加以比较.2.以太网,交换式以太网和EPON以太网是为实现多台计算机系统的数据通讯而提出的,IEEE于1970年提出相应的标准IEEE802.3.它是互联网在物理层和链路层的基础.目前IEEE802.3中主要有10BASE-T,100BASE-TX及100BASE-FX.千兆以太网标准主要有1000BASE-T,1000BASE-CX,1000BASE-SX及1000BASE-LX.其中10BASE-T,100BASE-TX是以太网中最为廉价的,采用双绞线,传输跨距最大为100米.100BASE-FX采用光纤做为介质,传输距离最大为2公里,同时可以抗噪声,在
4、工业应用中有很大的优点.1000BASE-CX和1000BASE-T传输速率为千兆,采用铜线,最大传输距离分别为25米和100米.1000BASE-SX和1000BASE-LX均采用光纤传输,距离最大分别为550米和5公里.以太网采用CSMA/CD通讯协议.在发送一个数据包前,发送源站先检测传送介质状态是否忙,如果状态是忙,发送源站需等待直到介质状态为空闲方可传送数据.一旦检测到有数据碰撞,发送源站即终止发送,并根据特定的算法等待一定的时间,然后进行重试.最多重试16次,如果失败,就丢掉数据包.基于这种原理,数据传输的延迟是随机分布的,而且在大数据量传输的情况下延迟时间会迅速增加.
5、交换式以太网可以解决数据碰撞的问题,并可以处理大数据量的传输.传统以太网中的HUB是一种直通器件,它将所有源站数据传送到所有的在线终端.以太网交换机具有数据包处理功能,它将源端口的数据只传送到目标端口,典型的交换机制是先储存,后转送.如图1,交换机收到数据包后,检测对应的目标站的接收线状态是否空闲,如果空闲,开始发送数据包,否则,交换机将数据包存储于缓存器中并等待,直至对应的接收线变空闲.当多个来自不同端口的数据包同时到达交换机而目标端口相同时,交换机将数据包存储并排队,然后根据排队顺序将数据包一一传送.由于交换机可以根除数据碰撞,所以较之传统的以太网最大传送延迟时间会更小,数据传
6、输能力会更大.交换式以太网可以支持多种类型的服务及流量控制,因而服务质量(QoS)可以得到保证.[3,4]EPON的出现是为了解决通讯中所谓最后一公里的接入问题,通常称作光纤到户.EPON的标准近期在EFMTASKFORCE[2]中的IEEE802.3ah颁布.典型的EPON包括三部分:位于中央控制室的光端机OLT,位于用户端的ONU(ONU可以为终端用户或LAN用户提供宽带声音,数据,视频服务)及无源器件光学分光器,结构见图2.OLT到ONU的最大距离为20Km.EPON的工作原理是基于多点控制协议(MPCP)来解决OLT到ONU的点对多点(P2MP)连接的OAM.上传数据和下传
7、数据的操作处理是不同的.下传数据(OLT到ONU)是广播式的,所以来自OLT的数据广播到所有的ONU,下传数据采用单一波长.ONU根据自己的ID选择性的接收数据.在上传数据时,所有ONU共享上传带宽,并采用不同于下传的另一波长.为避免数据碰撞,每个ONU都有OLT分配的对应时间段.ONU首先缓存终端用户的数据然后根据自己的对应时间段以千兆的速率将数据传送到OLT.时间段的分配是根据REPORT/GATE机理实现的.ONU送一个REPORT信息到OLT,REPORT中包
