EPON技术介绍及所面临的测试挑战
1 引言
pon技术是继dsl技术和cable技术后，又一个理想的接入平台，pon可以直接提供光业务或ftth业务。epon（以太网+无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了pon技术，在链路层使用以太网协议，利用pon的拓扑结构实现了以太网的接入。因此，它综合了pon技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等。epon的测试与传统以太网设备的测试有很大不同，本文着重介绍 epon测试技术。
2 epon技术介绍以及所面临的测试挑战
epon系统由多个光网络单元（onu），一个光线路终端（olt）和一个或多个分光器组成（见图1）。在下行方向，olt所发送的信号广播到所有的onu上。在上行方向，采用tdma多址接入技术，多个onu的上行信息组成一个tdm信息流传送到olt。802.3ah修改了以太网帧格式，重新定义preamble部分，加入时间戳和逻辑链路标识（llid）。llid标识pon系统的每一个onu，llid在发现过程中被指定。
图1 epon系统组成
2.1 在pon系统中的关键技术
（1）测距
epon系统中，上行信息传输方向上各onu与olt之间的物理距离是不相等的。一般的epon系统规定onu到olt之间的最远距离为20km，最近距离为0km。这种距离差将导致时延在0~200us之间变化。如果没有足够的隔离间隙，来自不同的onu信号可能同时到达olt的接收端，这将引起上行信号的冲突。冲突将引起大量的误码和同步丢失等，造成系统不能正常工作。采用测距的方法，首先测量物理距离，然后把所有onu都调整到与olt相同的逻辑距离处再进行tdma的方法来实现冲突避免。目前，采用的测距方法有扩频法测距、带外法测距和带内开窗法测距等几种。例如采用时间标签测距方法，首先测量出各个onu到olt的信号环路延迟时间，然后为每个onu插入一个特定的均衡时延td值，使所有onu在插入td后的环路延迟时间（称为均衡环路延时值tequ）都相等，其结果类似于使每个onu都移到与olt相同的逻辑距离处，以后就可以根据tdma的技术正确地发送帧，而不会有冲突发生。
（2）发现过程
olt发现pon系统中的onu是通过定期发送gate mpcp消息。收到gate消息，没有注册的onu会等待一个随机的时间（避免多个onu同时注册），然后向olt发送register消息。成功注册后，olt给onu分配一个llid。
（3）ethernet oam
onu向olt注册完以后，onu上的ethernet oam开始发现过程，与olt建立连接。ethernet oam用在onu/olt链路上，用于发现远端错误，触发远端环回和检测链路质量。然而，ethernet oam提供支持定制化的oam pdu，信息单元和时间报告。许多onu/olt厂商利用oam的扩展来设置onu的特殊功能。典型的应用是用扩展在onu内的配置带宽模型控制端用户的带宽数量。这个非标准的应用是测试的关键，成为onu和olt的互通障碍。
（4）下游流量
当olt有流量发送onu时，会在流量中携带目的onu的llid信息。因为pon的广播特性，olt发送的数据会广播到所有的onu上。我们要特别考虑下游流量传送视频业务流的情况。由于epon系统的广播性，当一个用户定制了视频节目，它会广播到所有的用户那，这样非常消耗下游带宽。olt通常支持igmp snooping，它可以探听igmp join request消息，把组播数据发送到与这个组相关的用户，而不是广播到所有的用户，通过这种方式减少流量。
（5）上游流量
在某个时候只有一个onu可以发送流量。onu有多个优先级的队列（每个队列对应一个qos级别。onu发送report消息给olt请求发送机会，详细说明每个队列的情况。olt发gate消息回应onu，告诉onu下一次发送的开始时间和持续发送的时间。管理上行流量对olt要面对很多的问题。olt必须能够为所有onu管理带宽需求，必须把发送许可分出优先级，根据队列的优先级和平衡多个 onu的请求，动态分配上行带宽（即dba算法）。
2.2 针对epon系统的技术特点，epon系统面临的测试挑战
（1）针对epon系统的规模考虑
尽管ieee802.3ah没有定义在一个epon系统里的最大数，一个epon系统支持的最大数是从16~128。每个onu加入到epon系统都需要一个mpcp会话和oam会话。当随着更多的站点加入到epon，系统错误的风险会增大。例如，每个onu都需要重新发现过程，登录过程和启动 oam会话。因此，整个系统恢复的时间会随onu的数量增加。
（2）设备的互通问题
对于设备的互通主要考虑以下几个方面：
●不同厂家所提供的动态带宽算法（dba）有所不同。
●一些厂家利用oam的“organization specific elements”设定特定行为。
●mpcp协议的开发是否完全一致。
●不同厂家所开发的测距方法和时钟的处理是否一致。
（3）epon系统传送三重播放业务存在的隐患
由于epon的传输特性，在传送三重播放业务时也会引入一些隐患：
●下行浪费大量带宽：epon系统在下行是用广播式的传送方式：每个onu都会收到大量的发向其它onu的流量，浪费了大量的下行带宽。
●上行延迟比较大：onu在向olt发送数据时必须等待由olt分配的传送机会，因此onu必须缓存大量的上行流量，这将产生延迟、抖动和包丢失。
3 epon测试技术
对epon的测试主要包括互通性测试、协议测试、系统传输性能测试、业务和功能验证等几个方面。标准的测试拓扑图如图2所示。ixia公司的 ixn2x产品提供专用的epon测试卡，提供epon测试接口，可以捕获和分析mpcp和oam协议，可以发送epon流量，提供自动测试程序，可以帮助用户测试dba算法。
图2 epon系统测试拓扑图
3.1 mpcp注册过程的测试
测试目的：在正确的时间窗口内，onu向olt注册。
测试方法：利用ixn2x分析mpcp并完成此项测试。可以设置触发器，当捕获到olt的gate消息以后，开始捕获其它交互的消息。
●olt定期发出gate消息，gate消息里的discovery flag是置位的。
●onu在发送register消息时等待一个随机的时间。
●测试的关键点是来测试onu的注册过程所用的时间。可以分析所捕获的gate消息，得出discovery window，然后比较所收到的register消息的时间戳应保证在discovery window内。
3.2 下行流量广播
测试目的：下行流量能正确转发到指定onu。尽管下行流量可以广播到所有的onu，但只有被指定的onu才能把流量转发到它的端用户。
测试方法：利用ixn2x可以发现为每个onu分配的llid，然后在指定的onu上接收流量，观察是否能在指定的onu上接收到流量。
●捕获mpcp消息，查看为每个onu分配的llid。
●从olt端发送流量，流量的llid指向某个onu。
●在指定的onu端，能够接收到此onu转发的流量。
●在其它的onu端，不能够接收到此onu转发的流量。
3.3 上行发送队列
测试目的：此测试是验证onu能在传送窗口时间内发送流量。
测试方法：ixn2x可以精确计算onu发送包的时间，能够验证onu是否是在发送窗口内发送流量。
●设置触发器：当双向捕获到指定的llid的gate消息时开始捕获。
●设置过滤器：只捕获指定的llid的上行流量。
●向带有指定的llid的onu发送流量，onu向olt发送report消息，olt向onu发送gate消息。用ixn2x捕获协议包，查看 olt为这个llid分配的发送窗口。
●捕获指定的onu发送的上行流量。
●通过比较时间戳，可以验证出onu应在发送窗口内发送流量。
3.4 epon测距性能测试（见图3）
图3 测距测试拓扑图
测试目的：测试olt侧对onu进行测距所能达到的最小距离和最大距离；测试新加入网络的onu在测距时是否影响其它在线onu的正常运行；测试测量测距精度。
测试方法：
●搭建好测试配置，使系统在最大分路比下工作，onu1~onun-1与olt距离为0km（通过分路器直连），onun与olt距离为 10km/20km。
●在所有onu正常工作的条件下，在olt侧对各onu分别测距。
●如果所有onu都能正常测距，用ixn2x可以监视所有onu（onu1~onun）是否能正常工作（对于ip业务，要求在吞吐量的90%时测试，无丢包），说明测距范围符合指标。
●对onu3进行测距，记录测距值为b1。
●在onu3加入3m的光跳线。
●重新对onu3进行测距，记录测距值为b2。
●去掉光跳线，再对onu3进行测距，记录测距值为b3。
●计算测距值的变化| b2 -b1|和| b2 –b3|应≤16ns。
3.5 epon系统的性能测试（见图4）
图4 性能测试拓扑图
测试目的：能够更好地隔离造成系统转发性能下降的原因。
测试方法：ixn2x可以在pon端口统计pon的流量，计算时延和包丢失。测试拓扑如图4所示。 ixn2x 103/2和n2x 103/3是以太网端口，n2x 101/1是epon接口，统计上行流量，ixn2x 101/2是epon接口，统计下行流量。
●在103/2和103/3之间互相发双向业务流。
●分别在101/1和101/2端口统计上行和下行的流量。
●用户可以分别计算出通过onu和olt的延迟。
测试结果如图5所示。丢包也可以用同样的方法计算。
图5 onu端和olt端性能测试结果
从以上测试结果，我们可以计算出：
●olt downstream avg latency=10.4us。
●onu upstream avg latency=406.4us。
●olt upstream avg latency=416.7-406.4=10.3us。
●onu downstream avg latency=13.4-10.4=3us。
4 结束语
ixia ixn2x在epon测试领域一直处于领先地位，它提供了丰富的epon测试功能，可以测试mpcp，oam协议，可以测试dba算法，可以测试epon 系统的转发性能，可以测试epon系统的qos保证能力等。根据epon的传输特性，有效地测试epon系统是必要的。
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（2）发现过程
olt发现pon系统中的onu是通过定期发送gate mpcp消息。收到gate消息，没有注册的onu会等待一个随机的时间（避免多个onu同时注册），然后向olt发送register消息。成功注册后，olt给onu分配一个llid。
（3）ethernet oam
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（2）设备的互通问题
对于设备的互通主要考虑以下几个方面：
●不同厂家所提供的动态带宽算法（dba）有所不同。
●一些厂家利用oam的“organization specific elements”设定特定行为。
●mpcp协议的开发是否完全一致。
●不同厂家所开发的测距方法和时钟的处理是否一致。
（3）epon系统传送三重播放业务存在的隐患
由于epon的传输特性，在传送三重播放业务时也会引入一些隐患：
●下行浪费大量带宽：epon系统在下行是用广播式的传送方式：每个onu都会收到大量的发向其它onu的流量，浪费了大量的下行带宽。
●上行延迟比较大：onu在向olt发送数据时必须等待由olt分配的传送机会，因此onu必须缓存大量的上行流量，这将产生延迟、抖动和包丢失。
3 epon测试技术
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图2 epon系统测试拓扑图
3.1 mpcp注册过程的测试
测试目的：在正确的时间窗口内，onu向olt注册。
测试方法：利用ixn2x分析mpcp并完成此项测试。可以设置触发器，当捕获到olt的gate消息以后，开始捕获其它交互的消息。
●olt定期发出gate消息，gate消息里的discovery flag是置位的。
●onu在发送register消息时等待一个随机的时间。
●测试的关键点是来测试onu的注册过程所用的时间。可以分析所捕获的gate消息，得出discovery window，然后比较所收到的register消息的时间戳应保证在discovery window内。
3.2 下行流量广播
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测试方法：利用ixn2x可以发现为每个onu分配的llid，然后在指定的onu上接收流量，观察是否能在指定的onu上接收到流量。
●捕获mpcp消息，查看为每个onu分配的llid。
●从olt端发送流量，流量的llid指向某个onu。
●在指定的onu端，能够接收到此onu转发的流量。
●在其它的onu端，不能够接收到此onu转发的流量。
3.3 上行发送队列
测试目的：此测试是验证onu能在传送窗口时间内发送流量。
测试方法：ixn2x可以精确计算onu发送包的时间，能够验证onu是否是在发送窗口内发送流量。
●设置触发器：当双向捕获到指定的llid的gate消息时开始捕获。
●设置过滤器：只捕获指定的llid的上行流量。
●向带有指定的llid的onu发送流量，onu向olt发送report消息，olt向onu发送gate消息。用ixn2x捕获协议包，查看 olt为这个llid分配的发送窗口。
●捕获指定的onu发送的上行流量。
●通过比较时间戳，可以验证出onu应在发送窗口内发送流量。
3.4 epon测距性能测试（见图3）
图3 测距测试拓扑图
测试目的：测试olt侧对onu进行测距所能达到的最小距离和最大距离；测试新加入网络的onu在测距时是否影响其它在线onu的正常运行；测试测量测距精度。
测试方法：
●搭建好测试配置，使系统在最大分路比下工作，onu1~onun-1与olt距离为0km（通过分路器直连），onun与olt距离为 10km/20km。
●在所有onu正常工作的条件下，在olt侧对各onu分别测距。
●如果所有onu都能正常测距，用ixn2x可以监视所有onu（onu1~onun）是否能正常工作（对于ip业务，要求在吞吐量的90%时测试，无丢包），说明测距范围符合指标。
●对onu3进行测距，记录测距值为b1。
●在onu3加入3m的光跳线。
●重新对onu3进行测距，记录测距值为b2。
●去掉光跳线，再对onu3进行测距，记录测距值为b3。
●计算测距值的变化| b2 -b1|和| b2 –b3|应≤16ns。
3.5 epon系统的性能测试（见图4）
图4 性能测试拓扑图
测试目的：能够更好地隔离造成系统转发性能下降的原因。
测试方法：ixn2x可以在pon端口统计pon的流量，计算时延和包丢失。测试拓扑如图4所示。 ixn2x 103/2和n2x 103/3是以太网端口，n2x 101/1是epon接口，统计上行流量，ixn2x 101/2是epon接口，统计下行流量。
●在103/2和103/3之间互相发双向业务流。
●分别在101/1和101/2端口统计上行和下行的流量。
●用户可以分别计算出通过onu和olt的延迟。
测试结果如图5所示。丢包也可以用同样的方法计算。
图5 onu端和olt端性能测试结果
从以上测试结果，我们可以计算出：
●olt downstream avg latency=10.4us。
●onu upstream avg latency=406.4us。
●olt upstream avg latency=416.7-406.4=10.3us。
●onu downstream avg latency=13.4-10.4=3us。
4 结束语
ixia ixn2x在epon测试领域一直处于领先地位，它提供了丰富的epon测试功能，可以测试mpcp，oam协议，可以测试dba算法，可以测试epon 系统的转发性能，可以测试epon系统的qos保证能力等。根据epon的传输特性，有效地测试epon系统是必要的。
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