EPON

以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network , EPON) 是一种新型的光纤接入网技术,它采用点到多点结构、无源光纤传输,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;方便的管理等等。
　　
由于EPON的众多优点,它越来越受到人们的青睐,即将成为宽带接入网一种最有效的通信方法。为了保证EPON网络能够稳定、高效、准确的运行,为EPON提供一个有效的网络管理系统显得尤为重要。
　　
在网络管理领域,随着基于TCP/IP体系的网络管理技术的不断发展,SNMP已经成为事实上的标准。基于SNMP的EPON网络管理系统是指采用SNMP管理协议框架,对EPON网络实体的资源实现有效管理的系统。

SNMP的介绍
SNMP(简单网络管理协议)是一种基于TCP/IP的网络管理协议,它使用UDP作为传输层协议,能管理支持代理进程的网络设备。SNMP主要包括SMI(管理信息结构)、MIB(管理信息库)和SNMP协议几部分。SMI给出了管理对象定义的一般框架。MIB是设备所维护的全部被管理对象的结构集合。SNMP协议包括SNMP操作、SNMP信息的格式以及如何在应用程序和设备间交换消息。
SNMP采用代理/管理站模型进行网络管理。SNMP有5种消息类型,分别为Get-Request、Get-Response、Get-Next-Request、Set-Request和Trap。代理和管理站之间通过这几种消息报文进行相互通信,以获取网络设备的各种信息,从而控制网络设备的正常运行。


EPON网管系统结构EPON系统的管理对象为1个OLT(光线路终端)和32个ONU(光网络单元)。基于SNMP的EPON网管系统结构如图2所示。
　　
EMS网管系统安装在工作站,与OLT设备之间通过带外网管接口(F接口)相连。EMS网管系统和OLT、ONU设备之间采用SNMP协议进行通信,实现在EMS中对OLT、ONU的统一管理。通信的方式有2种:
　　
(1)轮询。管理站每隔一段时间对所有OLT和ONU代理站的MIB进行主动查询,各代理站返回被查询的结点值。(2)告警(trap)。当某些指定事件发生时,代理进程向管理站发送trap报文。管理站接收、显示告警事件,并做相应处理。

同时OLT设备和ONU设备具备本地Console接口,可以实现本地操作管理维护。


EPON网管系统的设计EPON网管系统按照网管功能分为四大模块:配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。

1. 配置管理

配置管理主要是组织EPON网内运转所需要的资源和数据,构造和维护网络系统的配置,识别各网元,保证网元的基本配置,监控当前配置和按照具体情况改变配置,设置系统参数,收集并存储各参数,报告与基本配置值的偏差,启动和关闭资源等。

EPON配置管理包括系统初次启动时的配置管理和系统正常运行时的配置管理。
　　
启动时,针对EPON网络,可自动或手动生成OLT、ONU设备拓扑图,显示当前网络中各OLT、ONU设备的状态。在网络拓扑图生成后,SNMP 管理进程采用轮询的方式定期查询SNMP 代理进程,收集设备信息用于更新数据库,以实现配置信息的实时性。系统正常运行后,网管可根据需要随时手动设置其各项配置参数。如可以设置各OLT、ONU代理的标识信息和系统信息,启用、禁用某个端口,配置各端口的工作状态,配置网桥的工作参数,配置VLAN,重启设备等。还提供基于用户的动态带宽管理。

2. 性能管理
　　
性能管理功能对EPON网络性能进行监视、检测,采集相关性能统计数据,进行分析、诊断,从而为网络进一步规划与调整提供依据,以保证网络的业务质量。
　　
EPON的性能管理功能分为性能监测、性能管理控制和性能统计分析。性能监测是连续的收集OLT、ONU上与性能相关的数据,根据性能数据确定网元的性能,从而掌握设备单元因不太频繁或间断的差错导致业务质量变差的性能情况。性能管理控制的目的是支持管理人员发出控制命令或网管软件自动发出控制命令,以改善OLT、ONU性能。它可以设置性能管理数据采集周期、设置性能监测数据存储过滤条件,并对门限值进行管理。性能统计分析是对收集到的性能数据做进一步的处理,以分析表或分析图的形式报告分析结果。如计算接口利用率、接口的输入错误率、接口输出错误率、吞吐率等。

3. 故障管理
　　
故障管理功能提供对EPON网络故障监测、故障定位,保护切换与恢复,并存储故障信息供以后查询。对来自硬件设备或路径结点的报警进行监控、报告和存储,对故障进行诊断、定位和处理,是故障管理的重要工作。
　　
当监测到网络、设备故障或异常时,网管系统实时产生报警。一些故障、异常是由网管程序通过查询代理站MIB发现的,而另一些是代理站通过Trap通知管理站发现的。可以设置各种告警事件的告警等级。不同等级的告警事件采取不同的告警指示和处理措施。
　　
网管系统收到告警信息后,进行分析和提示,然后针对不同等级的告警,进行不同的处理。对于严重影响网络运行的故障,需要进行故障定位和测试。启动故障定位过程,试图从这些过程中获取相关信息。进行故障定位后,网管系统会尽快做出响应,采取故障修复措施,使EPON网络恢复正常。
　　
告警信息被存储到本地数据库。可以按照告警时间、告警设备、告警等级等关键字查询历史告警信息。根据全部告警信息,进行告警统计分析,绘制出统计图表。

4. 安全管理
　　
安全管理功能通过访问操作控制策略等方法保证管理应用程序和管理信息不被非法访问和破坏。
　　
用户标识和鉴定,是网管系统提供的最外层的安全保护措施。网管用户在启动程序前必须输入用户名和登陆密码,系统在核实鉴定了用户身份以后才能提供网管系统的使用权。用户被分为3个等级,不同等级的用户设置不同的管理权限,第一级用户拥有最高管理权限,可以使用网管系统提供的所有功能;低级用户在设置参数、操作设备等权限上被限制;高级用户拥有低级用户的所有权限,并能对低级用户进行管理。
　　
系统还提供安全日志,登陆者的所有操作将被录入数据库,以便维护和检查使用。


EPON网管系统的实现EPON网管系统的实现包括管理站网管软件的实现和代理站软件的实现。

1. 管理站网管软件的实现
管理站网管系统是为用户提供友好的交互式界面,利用SNMP协议对代理进程实现管理的控制实体。

通信模块的功能是按照SNMP协议,对网络中的代理站(OLT和ONU)发送、接收SNMP报文,从而获取或设置代理站中MIB库的相应信息。一方面,它将上层的操作、信息封装成对应的PDU(协议数据单元),向网络中发送。另一方面,它接收代理发给自己的PDU,并解析成上层可识别的信息,向上传递。对应于5种消息类型,SNMP有5种类型
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数据采集、处理模块负责将采集的数据分析、处理、储存或者送往上层。对各种采集到的数据,要按照配置、性能、故障几个模块的需求进行转换,向上传送。一些数据直接可以给上层显示使用;一些采集到的数据需要处理后,再送往上层显示。如通过访问接口MIB,可以得到每个接口在每个时刻的总流量。可以设置每隔一秒钟取一次值,然后计算秒间总流量差值,得到接口每秒钟的流量。有些数据暂时不需要显示,需要储存在数据库,供以后查询使用。

显示模块是面向用户的。它按照配置管理、性能管理、故障管理、安全管理几个模块分类,以图形化界面形式显示各项信息,并且提供人机接口,供配置使用。
　　
本系统是在Windows环境下,用VC++ 6.0开发出来的。 通信模块是利用Windows提供的API函数,封装成一个SNMP类,来实现SNMP的各种操作。按照显示模块的需要,数据处理模块采用各种算法对采集到的数据进行分析处理。显示模块则以对话框、列表框、曲线图等形式,提供直观、方便的图形化界面,如图4所示。

2.代理站软件的实现
　　
SNMP在代理站的实现工作主要包括代理进程软件的实现和MIB的设计与组织。
　　
(1) 代理进程软件的实现
　　
代理进程软件实现SNMP协议,并管理MIB。它实际上是一个执行无限循环的守护进程,在循环中,它接收管理站的SNMP请求,然后进行相应的操作,并作出响应。同时,代理进程能够根据自身管理的MIB信息,主动向管理站发送陷阱报文(Trap),以通知管理站所管理的网络设备发生了异常事件,实现故障告警。
　　
通常,在开发过程中使用一些软件开发包可以大大缩短产品开发周期。ucd-snmp软件包是一个广泛使用的实现SNMP代理开发的免费软件包,它支持SNMP v1/v2c/v3,支持分布式代理的开发,支持MIB-II。它包括SNMP协议模块和MIB管理模块,实现了SNMP代理站的基本框架。

(2) EPON设备MIB的设计与组织
　　
OLT、ONU设备的MIB主要包括RFC1213定义的MIB-II、RFC1573定义的Interfaces MIB、RFC1493定义的Bridge MIB和根据EPON设备需要自定义的私有MIB。
　　
MIB-II包含了基于TCP/IP网络的基本网管信息,包括系统组、接口组、IP组、ICMP组、UDP组、SNMP组等基本管理对象。通过MIB-II,我们可以获取OLT、ONU设备运行的基本网络信息,如系统信息、端口基本信息、IP、ICMP等类型数据包的统计等,对某些对象可以配置。Interfaces MIB是针对改善MIB-II中的接口组的不足和缺陷,发展而来的一个以定义网络接口管理对象为主的MIB。Bridge MIB是一个定义网桥管理对象的MIB,它包括一般网桥管理信息、生成树网桥管理信息和透明网桥管理信息。它主要对OLT设备中所具有的生成树网桥的设置、监测提供网络管理手段。
　　
自定义MIB是针对OLT、ONU特殊管理对象和特殊功能而定义的,主要包含各OLT、ONU的特殊系统信息和带宽控制管理两部分。特殊系统信息包括硬件系统信息和软件系统信息。如我们的EPON系统上行是采用WDMA方式的,对于每个ONU端,对应于不同的上行波长。把波长信息加入每个ONU的自定义MIB中,这样通过网管系统就可以查询各ONU的波长相关信息了。带宽控制管理MIB是自定义MIB的一个重要部分,通过它,我们可以远程进行基于用户的带宽管理。

随着EPON的快速发展,为EPON设计和实现一个稳定高效和准确的网络管理系统具有重要的意义。本文结合EPON的特点,设计和实现了一个基于SNMP的EPON网络管理系统。目前,本系统已经基本完成,正在进行最后的测试工作。


EPON接入系统特点
Ø 局端(OLT)与用户(ONU)之间仅有光纤、光分路器等光无源器件,无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员,因此,可有效节省建设和运营维护成本;

Ø EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术,二者具有天然的融合性,消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素;

Ø 采用单纤波分复用技术(下行1490nm,上行1310nm),仅需一根主干光纤和一个OLT,传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户,因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力;

Ø 上下行均为千兆速率,下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽,上行利用时分复用(TDMA)共享带宽。高速宽带,充分满足接入网客户的带宽需求,并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽;

Ø 点对多点的结构,只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级,充分保护运营商的投资;

Ø EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力,其中TDM和IP数据采用IEEE 802.3以太网的格式进行传输,辅以电信级的网管系统,足以保证传输质量。通过扩展第三个波长(通常为1550nm)即可实现视频业务广播传输。

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