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（Switched Ethernet）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（Ethernet Passive Optical Network，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100m。100BASE-FX采用光纤做为介质，传输距离最大为2km，同时可以抗噪声，在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25m和100m。    1000BASE-SX和1000BASE-LX均采用光纤传输，距离最大分别为550m和5km。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。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所示，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]。

图1  以太网交换机中的队列

    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EFM TASK FORCE[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（Optical Line Terminal），位于用户端的ONU（Optical Network Unit，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，结构如图2所示。

图2  EPON原理

    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中包含ONU中缓存的数据包的时标（Time Stamp）和队列信息。OLT根据收到的Time Stamp计算传输的往返时间（RTT），并根据所有ONU的队列状态决定带宽的分配。带宽分配的算法有：
    (1)  固定带宽分配，即为每个ONU分配固定的时间段[5]；
    (2)  有限带宽分配，即根据REPORT中的信息分配带宽，同时限制带宽上限[6]；
    (3)  基于信用（credit）的带宽分配，即根据REPORT中的时间信息（同时根据OLT的等待时间）为接收数据再加上一定的信用时间[6]；
    (4)  超量带宽分配，即将负载较轻的ONU的带宽与负载较重的ONU共享[7]。
    带宽分配决定后，OLT即送GATE信息到ONU，GATE中包括Time Stamp，许可的开始时间（Grant Start Time），许可的时间段长度（Grant Time Slot length）。目标ONU根据收到的Grant Time Stamp刷新自己的时钟，并根据许可的开始时间在许可的时间长度段内发送数据包。在单一时间段内只允许传送完整的数据包，超长的数据包只能延迟在下一时间段内传送。同样的，EPON也可以支持QoS[8]。

3  Spine结构EPON设计

    典型的EPON结构如图2所示。EPON也可以按SPINE结构来设计，如图3所示。无源节点由光学耦合器构成。光学耦合器的分光比可以在1%～50%之间。在下传通道中，每个ONU的接收功率损耗包括光纤长度再加上光学耦合器的分光损耗。在上传通道中，损耗基本与下传是相同的（光学分光器的WDL很小，可以忽略不计）。由于光学耦合器的特性，ONU只能收到下传的光信号，而上传的光脉冲也不会传送到别的ONU。同图4所示的串接式光交换以太网设计相比较，EPON有以下优点：
    (1) EPON较之交换式光以太网需要更少的光转发器，因而具有成本优势。
    (2) EPON中的节点是无源的分光器件，所以比有源的交换机节点更可靠，更容易维护。例如，一个交换机的故障可以导致它以下的网络通讯DOWN机。
    (3) OLT和ONU之间的通讯是全光信号，因而可以抗环境干扰和抗噪声。

图3  基于EPON的工业网络结构

图4  基于交换式以太网的工业网络结构

4  千兆以太网，交换式千兆以太网和千兆EPON的最大传输延迟比较

    传输延迟包括传播延迟，源站的处理延迟，数据碰撞导致的延迟以及数据包队列等待延迟。传播延迟对三种网络设计来说是相同的，即对光信号的传播速度约4us/km。只有传统以太网设计有数据碰撞延迟，源站可以在检测到数据碰撞而导致数据丢失的情况下重新发送，然而传输延迟的分布在极端情况下就是无限的。交换式以太网和EPON没有数据碰撞的延迟，主要的延迟来源于数据包队列等待延迟。在正常情况下，传输信息实际负载是小于网络传输设计能力的。假设每个交换机有M个端口，最大的以太网数据帧有1518字节，假设所有端口均传送最大的数据帧，因而总的数据包队列等待延迟为M*1518*8/1Gbps，即M*82us。如果串接N个交换机，最大的传输延迟就是从连接到第N个交换机的数据终端到第一个交换机的延迟，总传输延迟就是N*M*82us。如果有32个串接交换机，每个交换机有两个端口，总的传输延迟就是5.3ms。在每个端口受到超负载攻击的情况下，第N个交换机的端口延迟就是MN*82us。在上述例子中，总的传输延迟达到3.5*105s。EPON给每个ONU分配时间段。为传输各种可能长度的以太网的数据帧，所分配的时间段必须大于最大的1518字节所对应的时间即82us。为避免不同ONU上传光脉冲发生碰撞，通常在两个相邻的光脉冲数据包之间加区隔时间（guarding time）。通常的区隔时间是1us。另外在上传信息中还有从ONU发送的REPORT信息窗口，通常是64个字节约5us。所以通常对有N个ONU的EPON系统总的传输延迟是N*(82+1)+5us。对32个ONU的EPON系统的数据包队列等待延迟是2.7ms。即使在对ONU超载的情况下，ONU的传输延迟时间在带宽分配上限设置为1518字节，传输速率为1Gbps的条件下仍然与正常负载条件下是相同的。表1总结了交换式以太网和EPON的数据包队列等待延迟。
与传统的以太网相比，EPON和交换式以太网都可以应用在工业实时控制网络中。而EPON在超载攻击的情况下仍具有很好的实时性，具有更大的优势。

5  结论

    本文介绍了SPINE结构的EPON系统在工业网络系统中的应用。从三种不同的以太网系统的传输延迟的分析来看，交换式以太网和EPON可以满足实时控制的要求，而EPON在超载的情况下仍然可以保证优良的系统实时传输特性。由于EPON具有的优良特性，成本优势以及可靠的结构，相信千兆全光无源以太网是一种全新的完全可以在工业应用中超越千兆交换式以太网的新技术。

参考文献：
[1] M.H. Hung et al., "Development of Ethernet-based equipment integration framework for factory automation", Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2004(20), pp.369-383.
[2] IEEE P802. 3ah task force, http://www.ieee802.org/3/efm.
[3] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks (4th Edition), 2003.
[4] Marvell Corp., Linkstreet 88E6021 Datasheet, 2003.
[5] Y. Luo and N. Ansari，"Bandwidth Allocation For Multiservice Access on EPONs", IEEE Optical Communications, Feb. 2005， pp. S16-S21.
[6] G. Kramer B. Mukherjee, and G. Pesavento, "IPACT: A Dynamic Protocol for an Ethernet PON (EPON)", IEEE Commun. Mag. Vol.40, no.2 Feb. 2002.
[7] C. M. Assi et al., "Dynamic Bandwidth Allocation for Quality-of-Service over Ethernet PONs", IEEE JSAC, vol. 21, no.9 Nov. 2003, pp.1467-77.
[8] J. Xie et al., "A Dynamic Bandwidth Allocation Scheme for Differentiate Service in EPONs", IEEE Optical Communications, Aug. 2004, pp. S32-S39.