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当今在世界范围内广泛使用的PON技术有两种，EPON和GPON。其中EPON在中国、日本和韩国应用较广，GPON则被欧美运营商采用。不过由于GPON带宽大并且获得产业链更大力度的支持，世界上越来越多的运营商开始采用GPON技术。以下我们分别介绍EPON和GPON的情况和关键技术。
EPON技术是由IEEE 802.3ah EFM（Ethernet in the First Mile）工作组提出并进行标准化的，EFM的主要目标是推动以太网技术在用户接入网络中的应用。EPON标准于 2004 年正式发布，已有的EPON标准只对物理层和媒质访问控制（MAC）子层作了规定，因而MAC层以上的标准还需要各EPON厂商自行开发。IEEE 802.3ah是对IEEE 802.3 标准的增补，尽可能沿用IEEE 802.3 原有的MAC子层、MAC控制子层以及相关的各物理子层。IEEE802.3ah也包括了OAM（运营和维护）机制的内容，以便于网络的运维和故障处理。
EFM给出了EPON支持的点到多点（P2MP）的拓扑结构，可通过单一分光器拓扑、树型结构拓扑及混合介质拓扑三种方式实现。EPON标准IEEE 802.3ah通过牺牲一部分性能使得技术复杂度和实现难度得到降低，因而在带宽能力和使用效率方面就会存在不足。为了进一步增强EPON的竞争力，IEEE成立了 802.3av工作组并开展了 10 Gb/s EPON系统的研究，从而使带宽能力得到了提高，但带宽使用效率上尚无明显改善。IEEE 802.3av工作组的目标是重新定义 10 Gb/s上下行不对称网络架构（下行 10 Gb/s，上行 1.25 Gb/s）和 10 Gb/s上下行对称网络架构，且满足物理层误比特率小于 10 − 12 的点对多点的接入技术。为了支持两种速率的接入，IEEE 802.3 标准对 10G EPON物理层进行了全新定义，目前 10G EPON技术也已经成熟，各个运营商也在准备对其进行商用或试商用。
OLT与ONU之间信号传输是基于IEEE 802.3 以太网帧的，采用 8B/10B的线路编码，数据速率为上下行对称的 1 Gb/s，线路速率为上下行对称的 1.25 Gb/s，支持最高 1:64 的分光比和 10 km或 20 km的传输距离。IEEE 802.3 以MAC控制子层的多点控制协议（Multi Point Control Protocol，MPCP）机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。它提供了一种专门的运行管理和维护（OAM）机制，实现对链路监控、远端环回，并可以进行扩展以实现业务层管理功能。
1）EPON分层结构模型
图 2-8 举例描述了EPON的协议分层，以及与ISO/IEC OSI参考模型之间的关系。数据链路层控制物理传输媒质的访问，包括MAC客户端、操作管理维护OAM、多点MAC控制和MAC，共 4 个子层。物理层（PHY）构成了整个网络数据传输的基础，它通过吉比特媒质独立接口（Gigabit Medium Independent Interface，GMII）与适配子层（RS）相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。
EPON物理层定义了物理层编码子层（PCS）、物理层媒质附加子层（PMA）、物理媒质相关子层（PMD）和一个可选的前向纠错（FEC）层。PCS层将GMII发送的数据进行编解码，使之适合在物理媒体上传送。PMA层生成并接收线路上的信号，PMD层提供与传输介质的物理连接，FEC层用于发送数据前向纠错功能。PCS层与MAC层的接口定义为吉比特媒质独立接口（GMII），是字节宽度的数据通道。PMA层与PCS层的接口定义为 10 位接口（Ten Bit Interface，TBI），是 10 位宽带的数据通道。PMD层与物理媒质（PX-type）的接口为媒质相关接口（Medium Dependent Interface，MDI），是串行比特物理接口。FEC子层是EPON物理层和吉比特以太网物理层的主要区别，其他各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。FEC完成前向纠错的功能，它处在物理编码子层和物理媒质附加子层之间，它的存在使激光器的选择、光分路器的分路比、网络覆盖范围有了更大的自由。
GMI=千兆比特媒质无关接口 PCS=物理编码子层
MDI=媒质相关接口 PMA=物理媒质附加子层
OAM=操作、管理和维护 PMD=物理媒质相关子层
OLT=光线路终端 P-type=物理媒质类型
ONU=光网络单元 RS=适配子层
PHY=物理层
图 2-8 EPON分层结构模型
（1）物理媒质相关子层（PMD）
EPON系统应使用符合ITU-T G.652 要求的单模光纤。EPON系统为单纤双向系统，上、下行应分别使用不同的波长。其中，1 Gb/s通道上行的中心波长为 1 310 nm，波长范围为 1 260～1 360 nm；1 Gb/s通道下行的中心波长为 1 490 nm，波长范围为 1 480～1 500 nm。10 Gb/s通道上行的中心波长为 1 270 nm，波长范围为 1 260～1 280 nm；10 Gb/s通道下行的中心波长为 1 577 nm，波长范围为 1 575～1 580 nm。如果要实现CATV（有线电视）业务的承载，则使用的下行中心波长为 1 550 nm，波长范围为 1 540～1 560 nm。
（2）物理编码子层（PCS）
PCS实现 8B/10B编码转换。由于 10 比特的数据能有效地减少直流分量，便于接收端的时钟提取，降低误比特率，因此PCS采用把从GMII中收到的 8 位数据，通过 8B/10B编码转换变成 10 位并行数据输出。在线路上传输的EPON速率为 1.25 Gb/s，这是经过编码后的数据，因此实际有效数据速率是 1 Gb/s。
（3）物理媒质附加子层（PMA）
PMA子层与吉比特以太网的PMA子层技术相比没有什么变化，主要功能是完成串并、并串转换、时钟恢复并提供环回测试功能。
（4）前向纠错子层（FEC）
FEC子层处在PCS和PMA子层之间，是EPON物理层的可选部分。发送时，它接收PCS发过来的数据包，先进行 10B/8B变化，，然后执行FEC编码算法，用校验字节取代一部分扩展的包间间隔，最后再把整个数据包经过 8B/10B编码并把数据发给PMA子层。接收时，FEC子层把从PMA接收到的数据进行译码、插入空闲码后发送给PCS子层。对EPON系统而言，使用前向纠错技术的好处是可以减小激光器的发射功率预算、减少功耗，增加光信号的最大传输距离，增大覆盖范围，有效地减小误比特率，满足高性能光纤通信系统的要求。在同样的接入距离内，采用FEC技术，可以使用更大光分路比的分光器，支持更多的接入用户。采用FEC技术使得价格很低的法布里-珀罗激光器（FP-LD）在EPON系统中应用成为可能，从而减少了系统在光模块上的成本。
2）EPON与标准以太网帧结构的异同
图 2-9 展示了EPON和标准（传统）以太网在帧结构上的相同和不同之处。以太网的帧长度范围是 72～1 526 字节（未含填充字段）。
标准以太网的前导码由 7 个字节的 8 比特交替出现的 1 和 0 组成（10101010）。当接收机连续收到 7 组 10101010 时（共 56 比特），则可以判定一个帧的开始。
图 2-9 EPON与以太网帧结构的相同和不同之处
帧定界符（Start Frame Delimiter，SFD）可以被看做前导码的延续。该字段的组成方式继续使用前导码字段中的格式，这 1 字节的字段（10101011）的前 6 个比特由交替出现的 1 和 0 构成，最后 2 个比特为 11（10101011），这最后 2 个比特的作用是当接收机收到最后两位是 11 时，就知道其后的字节是目的地址等（帧数据）。当控制器将接收帧送入缓存器时，前导码字段和帧起始定界符均会被去除。
目的地址（Destination Address，DA）由 6 个字节组成，用于确定数据帧的接收者。
源地址（Source Address，SA）由 6 个字节组成，标识发送数据帧的工作站。
长度和类型字段定义了数据字段包含的字节数及以太网处理完后的数据帧发往上层协议的类型。从目的地址到校验FCS之间字段的帧长度最小必须是 64 字节。规定最小帧长度可以保证有足够的传输时间用于以太网网络接口卡精确的检测冲突。最小帧长度 64字节和使用 6 字节地址字段的要求，意味着每个数据字段的最小长度为 46 字节，如果传输数据少于 46 字节，应填充至 46 字节。
数据字段（PDU）包括逻辑链路控制数据（LLC）和一个变长的信息数据字段。协议数据单元的最小长度必须为 46 字节以保证整个以太网帧长至少为 64 字节。数据字段的最大长度为 1 500 字节。
帧校验（FCS）由 4 字节组成的循环冗余校验（CRC）值，以检验帧是否出错。
EPON采用的是全双工以太网通信模式，EPON帧结构对标准以太网结构的前导码结构做了一些修改，在前导码中增加了光网络单元（ONU）地址等信息，增加了一个ID标签，说明哪一个光网络单元（ONU）应该接收此数据帧。前导码之外的后续字节定义和标准以太网帧结构是一样的。前导码中包定界符SPD（Start-of-Packet Delimiter）的长度为 1字节，其中包含了同步信息，每 2 ms发送一次同步标记，用于使ONU和光线路终端（OLT）保持同步。3 字节长度的保留字节留给未来的扩充功能使用。两字节的逻辑链路标识（Logical Link Identifier，LLID）用于表示本数据包发送给哪一个ONU。帧监测序列（Frame Check Seguence，FCS）用于EPON帧的错误监测，通常采用CRC（循环冗余编码）校验的方式增加前导码的可靠性。
为了保证每个ONU的数据能够被正确的收发，EPON帧结构中引入了LLID，每个ONU都由OLT分配一个本网内独一无二的LLID号。ONU根据EPON帧中的LLID信息来接收和过滤数据包，丢弃不属于自己LLID的数据包。LLID仅在EPON内部有效，ONU接收到EPON帧后，将剥去LLID等信息，转换成标准以太网帧转发给终端用户。
3）多点控制协议MPCP
在EPON系统的上行通信中，得到授权的ONU在规定的时隙发送数据包，其他ONU处于休眠状态，这种模式属于突发通信。为了避免不同ONU上行通道内的数据冲突，EPON在数据链路层采用多点控制协议（Multi-Point Control Protocol，MPCP）。
MPCP是EPON的核心控制协议，其主要功能是通过OLT为ONU动态地分配上行带宽。在系统启动阶段，MPCP实现ONU的即插即用功能，即进行ONU的自动注册、测距和延时补偿。完成上述功能后，MPCP继续处理上行信道的多址控制功能，以实现动态带宽分配（DBA）。
EPON的MPCP协议是依靠多点MAC控制层产生的MAC控制帧来实现的，包括授权处理过程、发现处理过程和报告处理过程三个部分。
4）EPON关键技术
EPON虽然采用了以太网的帧结构和接口，但是网络结构和工作原理却有很多差异，其中涉及EPON的多个关键技术：
（1）EPON物理层关键技术
EPON在物理层的关键技术有两方面，数据的突发发送和突发接收，以及突发信号的快速同步。
EPON上行方向采用时分复用技术，不同位置的ONU发送的数据采用间插的方式汇集在同一根光纤上。ONU只有接收到OLT的授权后才发送数据，其他时间激光器则处于关闭状态，可见ONU的数据发送采用的是突发模式。在OLT侧，相应地需要突发模式的接收机从不同的ONU来接收数据包。由于OLT和各个ONU之间的距离不等，在EPON链路中的光信号衰减对每个ONU来说是不同的，OLT接收模块在不同时隙收到的光功率不同，在动态带宽应用中，同一时隙可能被不同的ONU所使用，因此相同时隙接收的光信号都可能不一样，这种现象称为远近效应（Near-Far problem）。
远近效应的实质是信号的突发发送和接收，解决远近效应的方法有两种：
一是发送功率控制，允许ONU根据距离OLT的远近，调节自身的发送功率等级，这样最后在OLT处接收到的ONU的功率就是一样的。这种方法的缺点是：会使ONU的硬件变得复杂，ONU的发射机在这种情况下就不能是标准的发射机，需要特殊的信令协议来实现从OLT到ONU的反馈。这样会增加ONU的成本和物理层协议的复杂度，而且使线路传输性能限定在离ONU最远的ONU等级，降低了ONU的性能。
另一种方法是自适应接收，就是通过对接收器接收门限的实时调整，使ONU可以自适应地接收数据。如果说OLT接收器判决阈值较高，则在接收远距离的弱信号时，可能会错误地把“1”判决成“0”；相反如果阈值较低，可能会错误地把“0”判决成“1”。因此，为了正确的检测收到的信号流，OLT接收机必须在每个接收时隙开始的时候，能够快速地调节判决门限，即OLT接收机必须支持突发接收。
物理层的另一个关键技术是突发同步。由于OLT接收到的信号为突发信号，OLT必须能在几个比特的短时间内实现相位同步，进而接收数据。由于上行方向采用TDMA方式，而且在 20 km的覆盖范围内不同的ONU数据时延最大可以达到 0.1 ms，为了避免不同ONU的数据时隙发生冲突，必须实现整个EPON全网的同步。系统必须有一个共同的参考时钟，EPON中以OLT的时钟作为参考时钟，每个ONU都以OLT的时钟为基准。OLT周期性地广播发送同步信息给ONU，使其调整自己的时钟。
（2）ONU的自动加入和注册
EPON系统开通运行以后，随着业务的发展，可能需要增加新的ONU，或者发生故障修复后的ONU需要重新加入系统，这些不能影响到其他ONU的正常工作，这时就需要ONU的自动发现和注册机制。当系统第一次启动或者有新的ONU加入时，自动注册机制会通知OLT新增ONU的存在和各项参数，根据这些消息，OLT可以分配给ONU带宽。图 2-10 描述了ONU自动加入和注册的过程。
图中，①为信息发送与广播通道，②为信息发送与单播通道
图 2-10 ONU的发现注册过程
光线路终端（OLT）周期性地产生发现时间窗口（Discovery Time Windows），在这段时间内，OLT检测未接入网络的ONU（光网络单元）。ONU通过OLT广播的Gate（选通）消息来得知此窗口，选通消息（Gate）包含了发现窗口的开始时间和时间长度等信息。准备注册的ONU接收到该消息后将等待该周期的开始，然后向OLT发送注册请求消息（Register Request）。在注册请求消息中，包含了ONU的MAC地址以及最大等待授权的数目。OLT接收到有效的注册消息后，即注册该ONU，分配新端口的LLID，并将LLID和MAC地址绑定。在OLT收到并且注册了ONU后，OLT将会发送注册消息（Request）给ONU，该注册消息包含了ONU的LLID和OLT要求的同步时间。完成ONU的发现和注册之后，OLT发送标准的Gate信息给ONU，ONU收到Gate消息后回送注册确认信息（Register Acknowledge）。标准的Gate信息包括了对ONU的授权，注册确认包括了对LLID和时间同步的回应。
（3）测距和时延补偿
在EPON系统中每个ONU与OLT之间的距离都不相同，按照最大 20 km的覆盖距离，将产生最大 200 μs的时延。为了避免由于延时的不同造成ONU之间数据的冲突，在EPON系统中是通过测距和时延补偿来实现的。测距是指通过测量OLT到ONU的物理距离，然后把每个ONU都调整到与OLT有相同逻辑距离的过程。带内开窗测距法是EPON中最常用的测距方法，其优点是利用成熟的数字技术、实现简单、精度高、成本低，不足之处是需要占用上行带宽。
带内开窗测距法是由OLT通过时间标签在监测ONU即插的同时发起和完成的，基本流程如图 2-11 所示。OLT在本地 t 0 时刻，通过下行信道广播时隙同步信号和空闲时隙标记，已在运行中的ONU当地 t 0 时刻检测到一个空闲时隙标记时，将当地计数器重置为与OLT一样的 t 0 ，然后在ONU当地时刻 t 1 回送一个包含ONU参数的在线相应数据帧。此时，数据帧的当地时间标签为 t 1 。OLT在本地时刻 t 2 收到该响应帧。通过该响应帧OLT能够获得ONU的参数，同时可以计算与ONU之间的信道环路延时RTT= t 2 − t 1 。按照此方法测出所有的ONU的环路延迟的时间，然后按照不同ONU的环路延迟时间，为每个ONU插入一个特定的均衡时延值，使所有ONU在插入均衡时延值后每个ONU都具有相同的环路延时，相当于所有ONU与OLT具有相同的距离，此距离称为逻辑距离。之后，每个ONU按照TDMA技术发送信息时就不会产生数据时隙的重叠和冲突了。
图 2-11 带内开窗测距法
吉比特无源光网络（GPON）是基于ITU-T G.984.x标准的宽带无源光综合接入标准。GPON的概念最早由全业务接入网组织（FSAN）于 2002 年提出，在此之前，FSAN与ITU-T已经提出并标准化了APON/BPON（ATM/宽带无源光网络）技术。FSAN及ITU-T以APON/BPON标准为基本框架，设计了新的物理层传输速率和传输汇集子层（TC）层，开发出了GPON技术和标准。GPON沿用了APON/BPON的很多概念，如动态带宽分配、保护倒换、测距、PLOAM（Physical Layer OAM，物理层运营和维护）消息等，能够提供更强大的OAM和QoS功能。GPON的G.984 标准族包括以下内容：
GPON的系统架构，OLT和ONU功能等方面与EPON类似，以下着重介绍GPON特有的技术细节。
1）GPON的主要特点
GPON作为一种国际广泛采用的无源光网络技术，具有以下主要特点：
ITU-T G.984.2 对GPON的物理媒质相关子层PMD的传输系统光学特性作出了规范。GPON系统使用符合ITU-T G.652 要求的单模光纤。
GPON系统为单纤双向系统，上、下行应分别使用不同的波长，下行通道的中心波长是 1 490 nm，波长范围是 1 480～1 500 nm，如果采用第三波长方式实现CATV业务的承载，则中心波长是 1 550 nm，波长范围是 1 540～1 560 nm。
GPON的PON侧光接口可以支持Class B + 以及C + 光模块，上行通道的中心波长是1 310 nm，波长范围是 1 290～1 330 nm。GPON系统支持下行 2 488.32 Mb/s，上行1 244.16 Mb/s的传输速率。
GPON采用 125 μs的帧长度，可以更好地适配TDM业务。区别GPON与APON/BPON的本质特征在于传输汇聚层（TC）的适配子层（RS），GPON引入了功能强大的TC适配子层，采用传输汇聚层协议GEM用于多业务的映射封装。GEM的概念与帧格式和通用成帧规程GFP类似。GEM是GPON传输汇聚层专有的适配协议，专为GPON所定制，仅在GPON内部实现各种用户业务的适配封装使用。
2）GPON下行帧结构
GPON的下行帧结构如图 2-12 所示。下行帧由物理控制块（Physical Control Block，PCB）和有效荷载（净荷）组成，净荷包括ATM段和GEM段。
图 2-12 GPON下行帧结构
GPON的下行物理控制块PCBd（Physical Control Block for downstream）如图 2-13 所示，包含如下信息：
图 2-13 GPON下行PCB结构
US BW Map由 N 个实体构成，每个实体代表一个T-CONT，为特定的ONU的带宽分配。其中，Alloc ID（配量识别）用于识别特定的T-CONT；Flags（标志）用于标识指定的ONU上行物理层相关开销传输状态；Start标识上行传输窗口的有效数据传输的开始时间，以字节为单位，上行帧的起始点被指定为 0；Stop标识上行帧传输窗口的停止时间，从 0 开始指出此次分配的最后一个有效的数据字节；最后是 1 字节的CRC校验，实现差错控制。每个T-CONT的数据长度等于相应的Stop时间减去Start时间。
图 2-14 US BW Map分配结构
GPON下行帧中的US BW Map的主要功能是对上行业务流实现媒质接入控制。通过US BW Map中的指针信息来指示上行数据流中相应的ONU开始和结束传输的时间，保证在任何时间内只有一个ONU能够访问媒质，在正常工作的情况下不会发生数据冲突。这里的指针以字节为单位，允许OLT以 64 kb/s的颗粒度对媒质进行高效的带宽控制。OLT的应用也可以选择更大的颗粒度，通过动态带宽颗粒度设置和带宽分配达到更好的带宽控制。
3）GPON上行帧结构
GPON的上行数据来自于不同的ONU，按照OLT所分配的时隙来传输，ONU按照TDMA以突发模式发送数据，OLT为了能够正确地收到每个ONU的突发帧，在上行数据中也需要一定的开销字节来支持上行突发模式数据的发送，如图 2-15 所示。
图 2-15 GPON上行帧结构
GPON上行（Upink）帧结构由帧头和净荷两大部分组成，帧头包括四种类型的开销，净荷区域长度恶变，用于承载用户数据。帧头的开销和功能如下：
GPON上行数据净荷部分包括ATM上行净荷、GEM上行净荷以及动态带宽分配（DBA）报告部分。净荷区域首先安排ATM净荷，OLT尽量使ATM信元净荷为 53 字节的整数倍；之后是GEM帧（即GEM格式封装的帧），包含了若干GEM帧；最后是上行动态带宽分配净荷，包含所查询ONU的动态带宽分配报告。
4）GEM帧结构
从技术的本质上来讲，GPON的GEM帧封装格式源于通用时帧规程GFP，因此GEM帧格式与GFP非常相似。GEM为GPON提供了一种灵活的帧封装协议，支持定长和不定长的封装，对多种业务实现通用映射，不需要协议转换，使实现过程比较简单，可以充分利用带宽资源。GEM封装的用户数据帧结构如图 2-16 所示，最大可以支持 4 095 字节，如果用户数据帧长度超过 4 095 字节，用户数据会被分成小片。例如，以太网数据帧长度最长为 1 518 字节，因此以太网数据不需要分片。如果数据被分片，到达目的地后会被恢复成原始的帧长度。GEM帧的组成如下：
图 2-16 GEM帧结构
5）GPON功率电平调整和FEC功能
GPON系统的关键技术与EPON类似，包括突发模式的光发送和接收，突发信号的快速同步，测距和时延补偿，功率电平调整，FEC功能，动态带宽分配等。下面主要介绍一下功率电平调整和FEC功能。其他与EPON类似的关键技术不再描述。
在OLT接收机的突发接收方面，GPON中考虑了功率电平调整的设计，上行帧结构中引入了功率电平调整相关的开销：上行功率等级序列PLSu（Power Lever Sequenceupstream）。这个开销携带有ONU的光功率等级信息，上报给OLT，OLT根据PLSu信息来调整ONU的发光功率电平，减小OLT的动态接收光功率的范围。使用功率电平调整机制不仅减小了OLT接收机的动态范围要求，而且可以使ONU能在低损耗光分配网络中采用低发射功率，从而增加ONU激光器的使用寿命。
为了保证高速数据传输的完整性，并尽可能降低光收发模块的成本，GPON标准规范了一个解决方案，使用前向纠错技术FEC（Forward Error Correction）。数据的高速传输会降低接收机的接收灵敏度，而且色散对传输的影响随着速率的升高会变得逐渐明显，这些会造成误比特率的升高。在GPON中使用FEC技术，可以在保证高速数据正确传输的情况下，降低 3～6 dB的光功率需求，从而扩大GPON的覆盖范围。
FEC是一种数据编码技术，由接收方进行差错校验。接收方不仅能发现差错，而且可以确定错误发生的位置，加以纠正，无须通知发送方重发。在FEC中，经编码的冗余信息和原始数据一起传输。GPON的传输速率是 2.488 Gb/s，经过FEC之后，线路上传输的速率可能变为 2.655 Gb/s，多余出来的数据（167 Mb/s）就是编码的冗余，FEC通过经一定算法附加的这些冗余信息来判别并纠正误码。考虑到要保证传输的效率，FEC冗余信息量通常比较小，如果希望在线路严重劣化情况下能够恢复数据传输错误，就需要更多的冗余信息量，这样一来传输效率就会降低。
FEC中最普遍的编码方式是循环冗余编码CRC。循环冗余编码的表示方法是（ n ， m ）， m 表示原始信息比特数， n 表示经过编码后比特数。最普遍使用的循环冗余编码是RS（ReedSolomon，里德-所罗门）FEC编码方式，典型的是RS（255, 239），即 239 比特信息经过FEC编码后变为 255 比特。
使用FEC可以扩展GPON的覆盖范围，1:64 分光比的情况下最高可以达到 30 km。FEC前向纠错是在数据发送前进行编码的，RS（255, 239）编码在每 239 个数据字节后插入 16 字节的校验码。如果接收端不支持FEC，可以忽略校验比特，直接处理原始数据。