久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

1  引言

    隨著工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展，寬帶工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制、視頻監(jiān)控、信息管理，甚至企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一[1]。為實(shí)現(xiàn)這些功能，要求相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅帶寬大，而且要有一定的實(shí)時(shí)性。例如：單個(gè)視頻監(jiān)視器所需帶寬為幾個(gè)Mb/s（實(shí)際帶寬與視頻設(shè)置和信息壓縮比有關(guān)），因而工業(yè)企業(yè)內(nèi)部幾十個(gè)視頻監(jiān)視器的帶寬需求就有百兆以上的要求。同時(shí)工業(yè)生產(chǎn)閉環(huán)控制要求數(shù)據(jù)傳送延遲為幾個(gè)毫秒（實(shí)際應(yīng)用決定），而且數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定可靠。傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)如10Mb/s和100Mb/s顯然不能滿足這種要求。傳統(tǒng)的以HUB構(gòu)網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，媒體接入控制MAC采用CSMA/CD，系統(tǒng)在重載的情況下表現(xiàn)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)包傳送有時(shí)延遲很大，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失，因而并不適合工業(yè)實(shí)時(shí)反饋控制的應(yīng)用。交換式以太網(wǎng)（Switched Ethernet）由于使用保存轉(zhuǎn)送機(jī)制，可以避免數(shù)據(jù)碰撞。采用千兆以太網(wǎng)可以減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，同時(shí)較之10Mb/s的系統(tǒng)帶寬增加了100倍。雖然千兆基于交換式以太網(wǎng)為業(yè)界所推崇，然而作為構(gòu)建下一代工業(yè)核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)卻仍然有其不足。無源全光以太網(wǎng)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一種高速接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以提供靈活的帶寬需求，同時(shí)組網(wǎng)簡單，可靠，高性價(jià)比[2]。本文將描述EPON系統(tǒng)如何構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)與交換式工業(yè)千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)加以比較。

2  以太網(wǎng)，交換式以太網(wǎng)和EPON

    以太網(wǎng)是為實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊而提出的，IEEE于1970年提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3。它是互聯(lián)網(wǎng)在物理層和鏈路層的基礎(chǔ)。目前IEEE802.3中主要有10BASE-T，100BASE-TX及100BASE-FX。千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有1000BASE-T，1000BASE-CX，1000BASE-SX及1000BASE-LX。其中10BASE-T，100BASE-TX是以太網(wǎng)中最為廉價(jià)的，采用雙絞線，傳輸跨距最大為100m。100BASE-FX采用光纖做為介質(zhì)，傳輸距離最大為2km，同時(shí)可以抗噪聲，在工業(yè)應(yīng)用中有很大的優(yōu)點(diǎn)。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(wǎng)采用CSMA/CD通訊協(xié)議。在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包前，發(fā)送源站先檢測(cè)傳送介質(zhì)狀態(tài)是否忙，如果狀態(tài)是忙，發(fā)送源站需等待直到介質(zhì)狀態(tài)為空閑方可傳送數(shù)據(jù)。一旦檢測(cè)到有數(shù)據(jù)碰撞，發(fā)送源站即終止發(fā)送，并根據(jù)特定的算法等待一定的時(shí)間，然后進(jìn)行重試。最多重試16次，如果失敗，就丟掉數(shù)據(jù)包。基于這種原理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t是隨機(jī)分布的，而且在大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)那闆r下延遲時(shí)間會(huì)迅速增加。交換式以太網(wǎng)可以解決數(shù)據(jù)碰撞的問題，并可以處理大數(shù)據(jù)量的傳輸。傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的HUB是一種直通器件，它將所有源站數(shù)據(jù)傳送到所有的在線終端。以太網(wǎng)交換機(jī)具有數(shù)據(jù)包處理功能，它將源端口的數(shù)據(jù)只傳送到目標(biāo)端口，典型的交換機(jī)制是先儲(chǔ)存，后轉(zhuǎn)送。如圖1所示，交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包后，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)站的接收線狀態(tài)是否空閑，如果空閑，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，否則，交換機(jī)將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)于緩存器中并等待，直至對(duì)應(yīng)的接收線變空閑。當(dāng)多個(gè)來自不同端口的數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)交換機(jī)而目標(biāo)端口相同時(shí)，交換機(jī)將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)并排隊(duì)，然后根據(jù)排隊(duì)順序?qū)?shù)據(jù)包一一傳送。由于交換機(jī)可以根除數(shù)據(jù)碰撞，所以較之傳統(tǒng)的以太網(wǎng)最大傳送延遲時(shí)間會(huì)更小，數(shù)據(jù)傳輸能力會(huì)更大。交換式以太網(wǎng)可以支持多種類型的服務(wù)及流量控制，因而服務(wù)質(zhì)量（QoS）可以得到保證[3，4]。

圖1  以太網(wǎng)交換機(jī)中的隊(duì)列

    EPON的出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(shù)據(jù)、視頻服務(wù)）及無源器件光學(xué)分光器，結(jié)構(gòu)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(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）來解決OLT到ONU的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（P2MP）連接的OAM。上傳數(shù)據(jù)和下傳數(shù)據(jù)的操作處理是不同的。下傳數(shù)據(jù)（OLT到ONU）是廣播式的，所以來自O(shè)LT的數(shù)據(jù)廣播到所有的ONU，下傳數(shù)據(jù)采用單一波長。ONU根據(jù)自己的ID選擇性的接收數(shù)據(jù)。在上傳數(shù)據(jù)時(shí)，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(shù)據(jù)碰撞，每個(gè)ONU都有OLT分配的對(duì)應(yīng)時(shí)間段。ONU首先緩存終端用戶的數(shù)據(jù)然后根據(jù)自己的對(duì)應(yīng)時(shí)間段以千兆的速率將數(shù)據(jù)傳送到OLT。時(shí)間段的分配是根據(jù)REPORT/GATE機(jī)理實(shí)現(xiàn)的。ONU送一個(gè)REPORT信息到OLT，REPORT中包含ONU中緩存的數(shù)據(jù)包的時(shí)標(biāo)（Time Stamp）和隊(duì)列信息。OLT根據(jù)收到的Time Stamp計(jì)算傳輸?shù)耐禃r(shí)間（RTT），并根據(jù)所有ONU的隊(duì)列狀態(tài)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(gè)ONU分配固定的時(shí)間段[5]；
    (2)  有限帶寬分配，即根據(jù)REPORT中的信息分配帶寬，同時(shí)限制帶寬上限[6]；
    (3)  基于信用（credit）的帶寬分配，即根據(jù)REPORT中的時(shí)間信息（同時(shí)根據(jù)OLT的等待時(shí)間）為接收數(shù)據(jù)再加上一定的信用時(shí)間[6]；
    (4)  超量帶寬分配，即將負(fù)載較輕的ONU的帶寬與負(fù)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(shí)間（Grant Start Time），許可的時(shí)間段長度（Grant Time Slot length）。目標(biāo)ONU根據(jù)收到的Grant Time Stamp刷新自己的時(shí)鐘，并根據(jù)許可的開始時(shí)間在許可的時(shí)間長度段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。在單一時(shí)間段內(nèi)只允許傳送完整的數(shù)據(jù)包，超長的數(shù)據(jù)包只能延遲在下一時(shí)間段內(nèi)傳送。同樣的，EPON也可以支持QoS[8]。

3  Spine結(jié)構(gòu)EPON設(shè)計(jì)

    典型的EPON結(jié)構(gòu)如圖2所示。EPON也可以按SPINE結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)，如圖3所示。無源節(jié)點(diǎn)由光學(xué)耦合器構(gòu)成。光學(xué)耦合器的分光比可以在1%～50%之間。在下傳通道中，每個(gè)ONU的接收功率損耗包括光纖長度再加上光學(xué)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(xué)分光器的WDL很小，可以忽略不計(jì)）。由于光學(xué)耦合器的特性，ONU只能收到下傳的光信號(hào)，而上傳的光脈沖也不會(huì)傳送到別的ONU。同圖4所示的串接式光交換以太網(wǎng)設(shè)計(jì)相比較，EPON有以下優(yōu)點(diǎn)：
    (1) EPON較之交換式光以太網(wǎng)需要更少的光轉(zhuǎn)發(fā)器，因而具有成本優(yōu)勢(shì)。
    (2) EPON中的節(jié)點(diǎn)是無源的分光器件，所以比有源的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)更可靠，更容易維護(hù)。例如，一個(gè)交換機(jī)的故障可以導(dǎo)致它以下的網(wǎng)絡(luò)通訊DOWN機(jī)。
    (3) OLT和ONU之間的通訊是全光信號(hào)，因而可以抗環(huán)境干擾和抗噪聲。

圖3  基于EPON的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4  基于交換式以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4  千兆以太網(wǎng)，交換式千兆以太網(wǎng)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(shù)據(jù)碰撞導(dǎo)致的延遲以及數(shù)據(jù)包隊(duì)列等待延遲。傳播延遲對(duì)三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來說是相同的，即對(duì)光信號(hào)的傳播速度約4us/km。只有傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)碰撞延遲，源站可以在檢測(cè)到數(shù)據(jù)碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況下重新發(fā)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(wǎng)和EPON沒有數(shù)據(jù)碰撞的延遲，主要的延遲來源于數(shù)據(jù)包隊(duì)列等待延遲。在正常情況下，傳輸信息實(shí)際負(fù)載是小于網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)能力的。假設(shè)每個(gè)交換機(jī)有M個(gè)端口，最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀有1518字節(jié)，假設(shè)所有端口均傳送最大的數(shù)據(jù)幀，因而總的數(shù)據(jù)包隊(duì)列等待延遲為M*1518*8/1Gbps，即M*82us。如果串接N個(gè)交換機(jī)，最大的傳輸延遲就是從連接到第N個(gè)交換機(jī)的數(shù)據(jù)終端到第一個(gè)交換機(jī)的延遲，總傳輸延遲就是N*M*82us。如果有32個(gè)串接交換機(jī)，每個(gè)交換機(jī)有兩個(gè)端口，總的傳輸延遲就是5.3ms。在每個(gè)端口受到超負(fù)載攻擊的情況下，第N個(gè)交換機(jī)的端口延遲就是MN*82us。在上述例子中，總的傳輸延遲達(dá)到3.5*105s。EPON給每個(gè)ONU分配時(shí)間段。為傳輸各種可能長度的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀，所分配的時(shí)間段必須大于最大的1518字節(jié)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即82us。為避免不同ONU上傳光脈沖發(fā)生碰撞，通常在兩個(gè)相鄰的光脈沖數(shù)據(jù)包之間加區(qū)隔時(shí)間（guarding time）。通常的區(qū)隔時(shí)間是1us。另外在上傳信息中還有從ONU發(fā)送的REPORT信息窗口，通常是64個(gè)字節(jié)約5us。所以通常對(duì)有N個(gè)ONU的EPON系統(tǒng)總的傳輸延遲是N*(82+1)+5us。對(duì)32個(gè)ONU的EPON系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包隊(duì)列等待延遲是2.7ms。即使在對(duì)ONU超載的情況下，ONU的傳輸延遲時(shí)間在帶寬分配上限設(shè)置為1518字節(jié)，傳輸速率為1Gbps的條件下仍然與正常負(fù)載條件下是相同的。表1總結(jié)了交換式以太網(wǎng)和EPON的數(shù)據(jù)包隊(duì)列等待延遲。
與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，EPON和交換式以太網(wǎng)都可以應(yīng)用在工業(yè)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)中。而EPON在超載攻擊的情況下仍具有很好的實(shí)時(shí)性，具有更大的優(yōu)勢(shì)。

5  結(jié)論

    本文介紹了SPINE結(jié)構(gòu)的EPON系統(tǒng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用。從三種不同的以太網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸延遲的分析來看，交換式以太網(wǎng)和EPON可以滿足實(shí)時(shí)控制的要求，而EPON在超載的情況下仍然可以保證優(yōu)良的系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸特性。由于EPON具有的優(yōu)良特性，成本優(yōu)勢(shì)以及可靠的結(jié)構(gòu)，相信千兆全光無源以太網(wǎng)是一種全新的完全可以在工業(yè)應(yīng)用中超越千兆交換式以太網(wǎng)的新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：
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