PON系统在NetFPGA10G基础上的构建与实现
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着科技的进步与信息产业的发展，网络技术已渗透到人类生活的方方面面，带宽需求也随之迅猛增加。近年来，核心网带宽迅速增长，但位于骨干网与用户之间的接入网发展却相对滞后。与此同时，传统的铜芯设备因布署成本高、维护难度大，缺点也逐渐显现出来，xDSL 和 cable modem 技术的发展虽使得带宽容量得到提高，但面对接入网的带宽瓶颈问题依然是捉襟见肘，传统的接入技术已不能满足日益增长的网络通信需求[1]。光纤宽带接入技术因具备成本低、带宽高、防电磁干扰、性能稳定等优点已成为工业界及学术界所看好的宽带接入方式。电信基础设施也逐渐由铜基设备向光纤设备转换，无源光网络(Passive OpticalNetwor, PON)的概念也因此而生。
作为光纤宽带接入技术之一的 EPON 由 2000 年 11 月成立的 EFM(Ether inthe First Mile)研究小组提出，该技术以传统以太网为载体的同时采用了 PON 的拓扑结构，EPON 与传统以太网设备具有良好的兼容性，且支持传统以太网的各种技术及协议，能够通过单一平台实现数据、语音和视频业务[2]。与传统的接入技术相比，基于 EPON 的 FTTx 技术具有建设成本低、接入速率高、覆盖范围广、可扩展性强等优点。此外，EPON 具有良好的服务质量(Quality of Service, QoS)保证能力和组播业务支持能力。IEEE 802.3ah 标准表明，90%的数据传输都是基于以太网实现的，使用 EPON 可以降低数据在局域网和接入网移动适应性的要求[1]。EPON 因此被视为全光网络中最后一公里;问题极具前景的解决方案。
EPON 概念提出以来就受到了国内外相关领域的广泛关注，尤其是其标准颁布之后，EPON 的发展更是进入了全新的阶段。然而纵观学术界所搭建的 EPON仿真测试平台，大多是基于 Op、Om、MATLAB 等软件平台或 FPGA、ARM等硬件平台，尚缺少一种将硬件高速性与软件灵活性有效结合的高性能、低成本的硬件测试平台。
1.1.2 研究意义
由于光纤接入已成为不可逆转的必然趋势，目前国内外的学术界和产业界都对 PON 技术表现出极大的兴趣。许多企业开始投入大量人力、财力和物力进行EPON 系统关键技术及实现的研究，以争取自己的市场份额[3]，他们在相互竞争的同时为光纤接入技术的发展与关键问题的解决做出了卓越贡献。一些科研院所也加入了 EPON 的开发研究工作中，并取得了很大进展[4]。
目前许多 EPON 设计方案中的多点控制协议(Multi-Point Control Protocol,MPCP)及以太网交换等功能通常是由外围处理器中的嵌入式软件等方式实现的[3,5,6]，而嵌入式软件一般会引起较长的乃至不可预测的处理时延[3,7]，进而对 EPON系统的性能产生影响。此外，相对于电信网中的骨干网和城域网，接入网涉及的电信设备最多，其能源消耗较为严重[8]，随着全球化能源危机的加剧和气候变暖问题的日益严峻，如何提高接入网的能源效率已成为通信网络中节能技术研究的重要对象。
NetFPGA 是由斯坦福大学为科研与教学设计开发的高性能、低成本、可重构的开源高速硬件网络实验平台[9-10]，该平台包含搭建完整的交换机、路由器以及网络安全设备所必须的所有逻辑资源、寄存器系统和吉比特级以太网接口等资源，极大程度的减少了用户在网络底层上的开发时间。此外，NetFPGA 整个数据通路的硬件实现方式使得该平台能够支持数据包在极短的处理时延下以千兆/万兆速率持续转发[11]。针对能源消耗问题，NetFPGA 平台能够将所消耗的能量精确地分解至传输每个数据包或每个字节所耗费的能量，进而为全网能耗评估提供有力依据[12]。目前，NetFPGA 系列产品主要包括 NetFPGA 1G 板卡、NetFPGA 10G 板卡以及 2021 年最新问市的 NetFPGA-1G-CML 板卡和 NetFPGA SUM 板卡[13]。由于 NetFPGA 10G 板卡相对于 1G 板卡具有更丰富的逻辑资源、更高的端口速率、更大的存储容量且支持 1G 和 10G 两种工作模式，因此得到了更多用户的青睐。
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1.2 国内外研究现状
EPON 标准的出台促进了该技术在全球的发展，许多芯片供应商也跻身于EPON 核心芯片的研发工作当中。为了在促进 EPON 技术发展和光纤接入大范围普及的同时降低 EPON 建设的成本，EPON 标准制定时尽量放宽了其标准限制，为各个供应商和研发人员提供足够的设计空间[6]。
1.2.1 PON 系统研究现状
随着通信技术的飞速发展，网络化、信息化成为了各行各业发展的必然趋势，通信产业已成为世界发展和科技进步不可或缺的中坚力量。接入网作为最后一公里;在通信网络中占据着举足轻重的地位。目前，全球正积极开展 FTTH/B(光纤到户/光纤到楼的部署)。截止 2021 年，世界 FTTx 用户约达 1.28 亿，其中 80%左右集中在亚洲地区。我国作为近年来光接入网发展最快的国家之一，截至 2021年 11 月，光纤到户用户总数已达到 3881.2 万户[15]。为进一步推进光纤接入技术的发展，2021 年 8 月，国务院颁布了《宽带中国;战略及实施方案》，宽带发展正式成为国家战略，促进了光纤到户的推广与普及，接入网技术已成为我国重要发展目标之一[16,17]。
自 EPON 诞生以来，国内外专家们纷纷致力于 EPON 关键技术的研究。鉴于EPON 建立在已经广泛部署的以太网基础之上，已达到设计周期短、开发成本低等目的，目前 EPON 产品成熟稳重度高、商用芯片和设备丰富，成为了较为成熟稳重、可规模化应用的 PON 技术[18,19]。
在国外，一些研究机构针对 EPON 关键技术及实现方法展开了大量研究，国外 EPON 研究起步较早，发展速度也相对迅速。自 2003 年开始，美国、日本、韩国等国家已经开始大规模部署 FTTH，其中日本、韩国等地区主要以 EPON 技术为主[20]。目前，EPON 领域较为领先的国外厂商包括 Salira、Alloptic、World WidePacets 等公司。Salira 光网络系统公司已与美国最大运营商中的三家合作建立了三个测试系统，该公司推出的 EPON 系统由接入操作系统、桥接 TDM 以及分组域的软件部分组成，具有流量分类和动态 QoS 保障功能。一些主要设备运营商，如北电网络、思科、Broad 和阿尔卡特等也特别看好 EPON 在宽带接入方面的优势，并开始研究相关产品。此外，富士通作为全球性信息通信技术企业推出了一系列 EPON 解决方案。比瑞利特也开发了相应的 EPON 产品[21]。
在国内，EPON 设备厂商主要包括中兴、华为、烽火通信等公司。虽然国内外 EPON 系统生产厂商众多，但其芯片主要由 Cortina、PMC、Tenovus 等公司垄断[22]。除运营商和设备供应商之外，北京邮电大学、清华大学、西安电子科技大学、浙江大学等很多高校也加入了 EPON 的研发工作，并取得了大量的科研成果，该领域的竞争日益激烈。
近年来，随着全球温室效应和能源危机的加剧，节能减排已成为全世界的共同问题。如何降低在能源消耗中占有较大比重的电信网络的能耗，尤其是占据整个电信网络总能源消耗 70%的接入网的能耗已成为节能技术研究的重要目标。相关领域也相应开始侧重于 EPON 系统的节能机制和能源调度算法研究。文献[23]中，刘心教授等人针对下一代 PON 中基于网络编码的能源管理机制进行了深入研究。文章在对网络编码于 EPON 中的应用进行部分验证的基础上，提出一种基于网络编码技术和下行带宽预约机制的 ONU 精确休眠控制机制，该机制通过异或操作将两个数据包编码为一个包，并按照一定的顺序调度数据包、计算相应的休眠时间，实现了 ONU 的精确休眠控制。仿真结果表明，该机制在网络性能及能耗等方面得取得了有效优化。文献[24]指出，无论 EPON 中网络参数如何变化，ONU 的休眠节能机制都是通过绿色动态带宽分配(Green Brandwidth Allocation,GBA)来实现的。文献[25]及[26]提出一种双向轮询式动态带宽分配算法(DynamicBandwidth Allocation, DBA)，从而实现了 EPON 中节能机制的设计。该算法与传统 DBA 算法的差异在于，其上行和下行方向上都进行了轮询式带宽分配。文章通过仿真验证了节能方案的有效性。
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第 2 章 EPON 系统介绍
EPON 即以太网无源光网络，该技术充分结合了以太网技术和 PON 技术的优势，是目前为止应用较为广泛的局域网技术之一。EPON 采用以太网帧格式和无源光纤传输方式，提供了多种综合业务的宽带接入，形成了城域网、接入网至局域网的无缝连接，在避免复杂帧格式转换的同时，提高了网络传输效率。
2.1 EPON 系统架构
EPON 采用点到多点结构，是一种单纤双向接入网络，其拓扑结构种类很多，主要包括树型结构、环型结构、总线型结构及混合型结构[45]。目前使用最多的为树型拓扑结构。典型的 EPON 系统主要由三部分组成，即 OLT、ONU 及光分配网络(Optical Distribution Networ, ODN)，如图 2-1 所示。
其中 OLT 位于服务供应商中心局端，该设备是整个系统的核心设备，能够同时支持 IP 业务和传统的 TDM 业务[46]。作为 EPON 中的重要局端设备，OLT 具有光/电转换功能，并能够控制各个信道的连接，提供网络的集中和接入，即 OLT一方面将所承载的各种业务信号在局端汇聚，并依据一定的信号格式传送至接入网络，以便向终端用户传送。另一方面将来自于终端用户的信息按照业务类型配送至各个业务网中。除此之外，OLT 能够实现实时监控、管理、维护功能，并可以针对不同业务对 QoS/SLA 需求的不同进行带宽分配。
ONU 位于用户端，主要负责为 EPON 及用户侧提供接口。能够实现以太网二层和三层的交换功能[45]，通信过程中无需协议转换就可实现 ONU 与用户之间的透明传输。此外，ONU 可在不增加设计和操作复杂度的基础上支持其他传统的TDM 协议。由于 ONU 侧采用的是光接口，而用户侧采用电接口，因此 ONU 除具备光/电互转换功能外，还需具备语音信号的复用、处理、管理和维护等功能。
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2.2 EPON 传输原理
在 EPON 系统中，由 ONU 至 OLT 的传输方向称之为上行，反之，由 OLT至 ONU 的传输方向称为下行。鉴于 EPON 点到多点的拓扑特点，由 ONU 至 OLT的上行传输方向共享同一条光纤，数据在传输过程中可能会发生碰撞，因此必须进行上行接入控制，合理调度各个 ONU 的发送时间以避免数据冲突的发生。光纤传输中的多址方式主要包括时分多址复用(Time Division Multiple, TDM)、波分多址复用(Wavelength Division Multiple, WDM)和码分多址复用(Code DivisionMultiple, CDM)。其中 CDM 技术接入简易、抗干扰能力强，目前在数字蜂窝系统中较为常见，但在光纤传输系统中的应用尚不成熟稳重。此外，该技术的正交码数量较少，对器件性能要求较高，目前还很难应用于 EPON 系统中。WDM 能为每个用户提供大量带宽，但要求每个 ONU 使用唯一的带宽，服务器必须储存多种不同类型的 ONU。TDM 允许所有 ONU 共享同一带宽，并且这些 ONU 可以为同一类型，该技术发展比较成熟稳重，目前在 EPON 网络中应用较为广泛。EPON 系统采用单光纤波道分配复合使用技术[48]，且上行链路传输与下行链路传输所采用的传输机制不同。
2.2.1 下行数据传输
EPON 下行传输利用 1550nm 波长，采用 TDM 技术以广播形式进行。ONU注册成功后，OLT 为其分配一个唯一的逻辑链路标识(Logical Lin Identifier,LLID)，并在每个分组开始之前用所添加的 LLID 代替以太网前导符的最后两个字节。在下行数据传输过程中，OLT 发出的业务信号经过一级无源光分路器或几级分路器传送至每一个 ONU。当以太网数据到达 ONU 时，ONU 将依据 LLID 在MAC 层对数据包地址进行解析，每个 ONU 仅接收与自身 LLID 相符的数据包或广播帧，而丢弃那些属于其他 ONU 的数据包[49]。EPON 下行传输原理如图 2-2所示。
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第 3 章 NetFPGA10G 相关技术介绍 ................................. 17
3.1 NetFPGA 10G 开发平台简介 .................................... 17
3.1.1 NetFPGA 10G 硬件架构 .......................................... 18
3.1.2 NetFPGA 10G 软件系统 ...................................... 19
3.2 NetFPGA 10G 开发环境搭建 ................................. 20
3.3 NetFPGA 10G 数据通路 ............................. 24
3.3.1 功能模块介绍 ................................... 25
3.3.2 数据处理流程 ....................................... 26
3.4 NetFPGA 10G 系统开发 ...................................... 26
3.4.1 NetFPGA 10G 开发工具 ............................. 26
3.4.2 NetFPGA 10G 开发流程 .................................. 27
3.5 本章小结 ..................................... 28
第 4 章 基于 NetFPGA10G 的 PON 系统设计 ............................ 29
4.1 参考工程分析与选取 .................................. 29
4.2 OLT 设计................................ 31
4.2.1 OLT 接收端设计 ..................................... 35
4.2.2 OLT 发送端设计 ................................... 38
4.3 ONU 设计 ...................................... 41
4.3.1 ONU 接收端设计 .................................... 42
4.3.2 ONU 发送端设计 ..................................... 44
4.4 本章小结 .................................. 45
第 5 章 工程实现与验证
5.1 ED 系统搭建
NetFPGA 10G 平台采用 Xilinx 的嵌入式开发套件 ED 在 XPS 环境下创建工程。XPS 为 ED 硬件综合、实现及 bit 文件生成的顶级集成设计工具，主要用来嵌入式处理器硬件系统开发，微处理器、外围设备属性设置以及这些组件之间的连接问题都在 XPS 中进行。需要注意的是，只有安装了 ISE 才能正常运行 ED，且两者版本需要保持一致。
XPS 启动前应保证 ISE 环境变量已正确加载，具体指令如下：
# source /opt/Xilinx/13.4/ISE_DS/settings64.sh
# xps <project_root>/hw/system.xmp
其中/opt/Xilinx/13.4/ISE_DS/与<project_root>分别因 ISE 安装路径和具体工程路径的不同而异。XPS 界面如图 5-1 所示。
由于 EPON 系统中 OLT 与 ONU 设计与实现均以 Reference NIC 参考工程的Output_port_Looup 模块为基础，因此在 ED 开发过程中需要将 Reference NIC的 Output_port_Looup 模块从整个参考工程中删除并用 OLT/ONU 的核心模块加以代替。为了保证 OLT/ONU 核心模块与 Reference NIC 工程架构的良好对接，OLT/ONU 核心模块的总线信号必须和参考工程的信号宽度保持一致，配置参数如图 5-2 所示。
OLT/ONU 核心模块添加至 Reference NIC 参考工程整体架构之后，将通过NetFPGA 10G 工程中自带的 microblaze 处理器实现与其他 IP 核之间的相互连接。根据NetFPGA 10G数据通路的逻辑顺序，OLT/ONU核心模块应处于Input_Arbiter模块与 Output_Queues 模块之间，即 OLT/ONU 核心模块的输入端口和输出端口分别与Input_Arbiter模块的输出端口和Output_Queues模块的输入端口相连。OLT与 ONU 的整体逻辑电路图分别如图 5-3 和图 5-4 所示。为了尽量保证在界面中看清每个模块，电路图中仅显示了系统中的数据总线和控制总线。
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结 论
随着信息产业的飞速发展与宽带技术的普及，宽带用户数量急剧上涨，人们对网络系统性能的要求越来越高，接入网成为网络发展不可忽视的重要环节。PON作为一种高速、高效的接入方式，受到相关研究人员越来越多的关注，其应用范围也越来越广泛。本文针对现有的 PON 系统仿真验证平台不能满足高速网络仿真需求的问题，提出了在 NetFPGA 10G 平台上实现 EPON 系统原型的设计方案。本文的研究内容主要包括以下方面：
(1) 深入研究了 EPON 层次模型和工作原理，对 PON 系统在 NetFPGA 10G平台上实现的可行性进行了分析。
(2) 对 NetFPGA 10G 平台的硬件架构与软件系统进行了分析总结，深入研究了NetFPGA 10G数据通路中每个模块的功能以及数据处理流程。阐述了NetFPGA10G 工程的开发流程。
(3) 提出一种基于 NetFPGA 10G 平台的 PON 系统设计方案。该方案采用模块化设计思想将复杂的逻辑功能分为多个子模块加以实现，从而降低了系统功能实现的复杂度。此外，设计方案中采用了后端缓存的缓存机制，无论是对于 OLT还是 ONU，该缓存方式均有利于输出端控制帧的生成、发送以及网络数据流传输时隙的控制。本文在对 OLT 与 ONU 功能验证的基础上结合无源光分路器构建了树型 PON 系统，实现了 PON 系统上下行数据通路、MPCP 协议及以太网交换等基本功能。
随着全球能源消耗的加剧与温室效应的日益严峻，在通信行业中如何提高网络设备的能源效率已成为相关研究领域的热点问题。本文仅实现了基于 NetFPGA10G 平台的 PON 系统搭建，提出了较为简易的集中调度机制，从降低发射机功率方面考虑了系统节能，但并未涉及复杂的节能算法与能源调度机制。因此本文工作尚具有可扩展性，主要表现在以下方面：
第一，本设计方案中的MPCP协议及时钟控制等功能均由硬件编程形式实现。硬件实现方式虽然速度快、执行能力强，但在内部逻辑需要更改的情况下需要对工程重新综合、仿真并生成 bit 文件，因此可以在该平台基础上结合目前较为热点的 SDN 技术，即通过 OpenFlow 控制器实现上下行传输时隙控制及以太网交换等功能。此外，针对能源消耗问题，也可在本文所搭建的 PON 系统基础上结合OpenFlow 进行能源调度、节能算法等控制，实现基于 PON 系统节能机制的进一步研究。OpenFlow 的引入将会大大提高本文所实现的 PON 系统的灵活性和可操作性。
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参考文献（略）