第二章_EPON系统原理_KennyZhao_0902
EPON基本原理
EPON基本原理一、EPON系统简介以太网无源光纤网络（EPON）是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构如下图所示：OLTONU1ONU2ONUn 1:n无源光分路器ODNSNIUNI IF PONIF PONSNI：业务节点接口UNI：用户网络接口IF PON：PON专用接口图1 EPON系统EPON系统由局侧的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成，为单纤双向系统。
在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过一个1:n的无源光分路器（或几个分路器的级联）到达各个ONU；在上行方向（ONU到OLT），一个ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。
为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁。
二、EPON传输原理EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。
其中上行波长1310nm，下行波长1490nm,用于传递数据业务。
另外光纤上还可以传送1550nm的波长，这个波长主要是用来传递CATV信号。
图2 EPON上下行传输EPON 从OLT 到多个ONU 下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。
下行传输从OLT 到多个ONU 以广播式下行（时分复用技术TDM ）每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU 的逻辑链路标识（LLID ），该标识表明本数据帧是给ONU（ONU1 、ONU2 、ONU3......ONUn ）中的唯一一个。
另外，部分数据帧可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播）。
如下图，ONU1 收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1 给终端用户1 ，丢弃包2和包3。
图3 EPON下行传输上行传输从多个ONU到OLT上行数据，采用时分多址接入技术（TDMA ）分时隙给ONU 传输上行流量。
当ONU 在注册时成功后，OLT会给ONU分配特定的带宽。
EPON的工作原理以及技术特点
本文全面地介绍了目前一种先进的宽带接入技术——以太无源光纤网络(EPON)接入技术，介绍了EPON的工作原理以及技术特点。
关键词宽带接入点到多点 EPON ONU OLT1 无源光纤网络的发展过程无源光纤网络为服务供应商的中心机房和商业及居民客户之间解决了最后一公里的网络通信基础。
众所周知，在接入网和本地环路中，在最后一公里的居民区范围里，电话铜线和ATV的同轴电缆的分布占有很大的优势。
在城域范围内，商业用户比较集中的区域一般采用高容量的SONET环、光纤T-3线路或者基于铜线的T-1来解决用户接入问题。
一般说来，租用一条T-3(45Mbit/s)或OC-3(155Mbit/s)线路，每个月的租金至少需要20000～30000元，只有大型企业才能够负担这样高昂的费用。
对于中型规模的企业，通常会选择T-1接入，月租金大约为3000元。
但是大多数小规模的企业和广大住宅用户只能采用基于电话线路的窄带接入(POTS和拨号)。
现在，DSL和Cable Modem作为过渡技术，提供了比较便宜的数据传输服务，但是这些技术也有其缺点，如实施比较困难，施工周期比较长，带宽受到传输距离和现有线路的质量影响较大，对话音服务支持不好等等。
虽然接入网技术的发展相对缓慢，远距离网络传输的带宽却因为波分复用(WDM)等新技术的应用而迅速增长。
近来WDM已经开始渗透到城域网范围。
与此同时，企业内部的局域网已经从10 Mbit/s升级到100 Mbit/s，其中很多不久还会升级到1000 Mbit/s。
城域网具有巨大的带宽容量，末端用户的带宽需求也不断增长，而“最后一公里”的接入就成为了两者之间的瓶颈。
根据Vertical Systems Group的调查，在1999年，76%的美国商业用户，其公司所在位置方圆一英里范围内都有光纤接入点，但是却没有光纤连接到公司。
近年来，运营商们一直在设法给网络市场的接入段提供廉价的宽带。
然而，接入网中存在大量的断点。
EPON原理介绍分-光器介绍
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分光器在工业自动化中的应用
分光器在工业自动化中用于实现设备的远程控制和监测。
通过分光器将光信号传输到各种工业传感器和执行器，实现设备的自动化控制和数 据采集。
分光器在工业自动化中还可以用于构建工业物联网系统，提高生产效率和设备可靠 性。
05 分光器的市场前景和发展 趋势
分光器市场的现状和前景
分光器市场现状
分光器采用光学原理中的分束技术，将输入的光信号分成多路等功率的 光信号，分别传送到不同的用户端设备，实现多用户共享同一根光缆资 源。
分光器不需要电源供电，因此被称为无源光网络中的无源器件。
分光器的技术指标
分光比
分光器将输入光信号分 成个输出光信号的比 例，通常以1:N表示，N
为分路数。
插入损耗
分光器插入到光路中引 起的光功率损失，越小
智能化
随着物联网、云计算等技术的发展，分光器将与智能化技术结合， 实现远程监控、自动调整等功能，提高网络运维效率。
04 分光器的实际应用案例
分光器在宽带接入中的应用
分光器在宽带接入中起到将光 信号分路的作用，实现多用户 共享同一光路。
在光纤入户场景中，分光器可 以将光信号按需分配给各个用 户，提高网络覆盖率和接入速 度。
特点
EPON具有高带宽、长距离传输、低成本、高可靠性、易扩展和维护等优点，是 实现FTTH（光纤到户）的主要技术之一。
EPON的工作原理
01
03
数据传输
02
树形拓扑结构
04
EPON采用单纤双向传输方式， 上行使用1310nm波长，下行使 用1490nm波长。OLT（光线路 终端）通过合波器将CATV信号 和数据信号合在一起传输到ONU （光网络单元），ONU再将 CATV信号和数据信号分离，分 别输出给电视和电脑。
EPON的基本原理
EPON的传输原理 EPON的传输原理
◆EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的 EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的 上行/下行技术: 上行/下行技术:
◆当OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后，根据OLT广播的允许接入 OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后，根据OLT广播的允许接入 信息主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本 信息主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本 OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。 OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。
EPON的基本原理 EPON的基本原理
■ 一个典型的Ethernet over PON系统由OLT、ONU、POS组成。 一个典型的Ethernet PON系统由OLT、ONU、POS组成。 OLT（ OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit）放在用户设备端附近或与其合为一 Terminal）放在中心机房，ONU（ Unit）放在用户设备端附近或与其合为一 体。POS（ 体。POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发 Splitter）是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发 下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下 下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下 行波长：1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟电视信号）。 行波长：1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟
EPON组网的模式和基本原理(part2)
参考资料《基于以太网的无源光网络（EPON）设备测试规范》中国电力科学院2010年7月24日发布术语和定义OLT Optical Line Terminal 光线路终端；ONU Optical Network Unit 光网络单元；软交换soft switching 利用把呼叫控制功能与媒体网关分开的方法来沟通公用电话交换网(PSTN)与IP电话(V oIP)的一种交换技术；光分路器optical splitter 连接OLT与ONU的无源设备，其负责分发下行数据和集中上行数据，具有一个上行光接口和若干下行光接口；FE接口Fast Ethernet 100M快速以太网接口GE接口Gigabit Ethernet 1000M快速以太网接口BRAS Broadband Remote Access Server 宽带远程接入服务器典型的组网测试模型1、组网模型一图1 EPON组网范例一1.1该组网图的结构原理软交换设备通过电口与OLT设备的一个电口连接，连接线采用RJ45电缆(网线)；OLT设备的一个PON口(光口)与光分路器上行光接口连接，光分路器的一个下行光接口与ONU设备的PON口连接，连接线采用光纤；ONU设备的两个语音(窄带)端口分别与两个电话座机连接，连接线采用电话线；网络分析仪的两个电口分别连接OLT设备的一个电口和ONU设备的一个电口，连接线采用RJ45电缆。
(注1:若OLT设备与ONU设备的光口与电口具有成对复用功能，即某个光口(或电口)处于应用状态，与其成对复用的电口(或光口)就不能应用了。
)(注2:网络分析仪与PC机连接，用PC机的客户端软件对网络分析仪进行控制.)1.2该组网图能够完成的测试功能1）ONU备点模式下的智能关断功能；验证ONU 是否支持在备电模式下，选择语音业务或者宽带业务关断的功能。
2）PON接口业务割接功能；验证被测试网管系统是否支持端口业务割接的功能。
在一个PON口坏了的情况下，这个PON口的配置可以移动到另外一个PON口，既可以快速方便的恢复业务，又可以避免重复配置。
EPON原理及相关协议介绍
ONU
2
作为EPON网络的中央控制单元，负 责转发和管理数据。
Optical Network Unit（光网络光信号的接收和发送。
3
Passive Optical Splitter
被动光分配器将光信号分割给多个 ONU，使得一个OLT可以服务多个终 端用户。
1 传输技术
EPON使用光纤传输数据，而传统网络通常使用电缆传输。
2 网络结构
EPON采用基于以太网的分布式网络结构，传统网络通常采用集中式结构。
3 拓扑结构
EPON网络常用的拓扑结构包括星型和树状，传统网络则有更多不同的拓扑结构。
EPON的优点和缺点
1
优点
EPON具有高带宽、灵活性高、成本较低等优点，适用于大规模宽带接入。
3 支持新技术
EPON将持续支持新技术的发展，如5G、云计算和物联网等，满足未来网络的需求。
EPON商业模式和成本分析
EPON的商业模式可以包括设备供应商、网络运营商、互联网服务提供商等不同参与方，成本分析涉及 设备投入、维护费用等。
EPON的推广策略
推广EPON可以结合行业需求，加大市场推广力度，提供完善的解决方案， 增加宣传和培训等手段。
2
缺点
EPON存在距离限制、光纤依赖性强等缺点，需要综合考虑使用场景和需求。
IEEE 802.3 ah标准
IEEE 802.3ah是用于以太网在PON上的扩展标准，规定了EPON网络的物理 层和MAC层协议。
IEEE 802.1 Q和802 .1 ad标准
IEEE 802.1Q是虚拟局域网（VLAN）标准，而802.1ad是在以太网上实现多级VLAN的标准。
FTTx
EPON是实现光纤到用户 （Fiber-to-the-X）的重要技术 之一，可以为家庭和企业提供 高速接入。
EPON的基本工作原理和关键的实现技术分析
EPON的基本工作原理和关键的实现技术分析摘要：文章就EPON技术的工作原理进行了介绍，并分析了其工作特点以及应用优势等相关问题，对实现EPON的关键技术进行了重点分析，以便更多人对EPON技术有更深的了解。
关键词：EPON；基本原理；关键技术随着我国社会科技的快速发展，我国的信息化水平不断的提高。
宽带入网技术是我国信息化建设的重要战略资源，也是推动我国信息化建设的关键。
EPON技术是光纤联网的重要形式，也是实现网络FTTH的关键技术。
随着我国科技水平的提高，网络信息化水平也会随机得到提升，网络的FTTH成为网络接入发展的必然趋势。
1EPON技术的基本原理EPON技术是一种新型的宽带接入技术，且工作的基本原理是利用由一点到多点的结构以及采用无光源的光纤传输模式。
利用以太网，EPON技术可以实现多种功能。
EPON技术在物理层面上采用PON技术，在链路层上使用以太网协议，利用相应的拓扑结构帮助实现以太网接入。
1.1EPON技术的特点EPON技术的特点主要表现在以下几个方面：①利用这一技术，在局端以及用户终端之间不用设置配电电源、机房等设施，利用光分路器等光源器件，就能实现光纤接入。
②EPON技术在网络传输过程中，除了利用传统的传输格式，还有针对性的选用部分局域网、驻地网中相关的技术，将传统的传输格式与局域网、驻地网相关技术有机的结合起来。
这样不仅能够有效的简化复杂的协议以及传输过程，还能降低客户使用成本。
在具体使用方面，这种技术对光线要求低，可以利用一个OLT与主干光纤就能够完成网络传输功能，有效的降低了光纤的成本。
③在结构方面，EPON技术具有一点对多点的结构特点，为技术的升级提供了便利。
④在物理层方面，EPON技术采用单纤双向传输的方式，与PON光纤结构连接，并在物理编码的子层中，有效的借鉴了以太网原有的标准。
1.2EPON技术的优势EPON技术的应用优势具体体现在以下几个方面：①EPON技术的应用范围较广，EPON技术采用一点对多点的结构进行网络连接，可以用最小的成本，为更多的客户提供服务，实现了网络服务范围扩充的效果；②利用EPON技术可以为客户提供高宽带，随着信息技术等的发展，FTTH成为了信息网络发展的必然趋势，而EPON技术作为一种长距离的光线传输，在FTTH模式下非常的适用，目前，这种光纤技术上，EPON能够为客户提供大约1.25 Gb/s的宽带。
EPON的工作原理以及技术特点
Working Principle and Technical Characteristics of EPON
Li Ke
(Qinghe Water Telecom Brigade, Hubei Qianjiang Jianghan Oilfield Hydropower Branch, QianjiangHubei 433123, China)
2019 年第 15 期
信息与电脑 China Computer & Communication
网络与通信技术
EPON 的工作原理以及技术特点
李 科 （湖北潜江江汉油田水电分公司清河水电信大队，湖北 潜江 433123）
摘 要：EPON 物理层通过 GMII 接口与 RS 层相连，担负为 MAC 层传送可靠数据的责任。物理层的主要功能是将数据 编成合适的线路码，完成数据前向纠错，通过光电、电光转换完成数据收发。EPON 的优点主要表现在成本低、维护简单、 易扩展和易升级。EPON 结构在传输途中不需电源，没有电子部件，易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本低。 EPON 是一种采用点到多点网络结构，通过无源光纤传输数据，基于以太网和 TDM 时分复用的 MAC 媒体访问控制方式，是 提供多种综合业务的宽带接入技术。EPON 系统占用局端资源很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展简单，投资回 报率高。EPON 系统是面向未来的技术，大多数 EPON 系统都是一个多业务平台，对于向全 IP 网络过渡是一个很好的选择。
Abstract: EPON physical layer is connected with RS layer through GMII interface, and it is responsible for transmitting reliable data for MAC layer. The main function of physical layer is to compile data into appropriate line code, complete data forward error correction, and complete data sending and receiving through photoelectric and electro-optical conversion. The advantages of EPON are low cost, simple maintenance, easy expansion and upgrade. EPON structure in the transmission process does not need power supply, no electronic components, easy to lay, basic maintenance, long-term operation costs and low management costs. EPON is a kind of MAC media access control method based on Ethernet and time division multiplexing (TDM), which adopts a point-tomultipoint network structure and transmits data through passive optical fibers. It is a broadband access technology that provides a variety of integrated services. EPON system occupies very little office resources, has high modularity, low initial investment, simple expansion and high return on investment. EPON system is a future-oriented technology. Most EPON systems are multi-service platforms, which is a good choice for the transition to full IP network.
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REGISTER_ACK帧
前导码/SFD 目的地址(DA) 源地址(SA) 长度/类型=0x8808 操作码=0x0006 时间戳 数据/填充
8 6 6 2
0: 被上层实体拒绝 1: 注册成功 其它值: 保留 ONU对OLT分配的 LLID端口号的确认
2 4 40
4
ONU对OLT接收数据 所需同步时间的确认
– PING测试，检查网络的连通性 – 远端环回，提供了环回模式的机制
– 远端统计查询
远端故障指示
– 支持包括诊断信息的事件通知 – 支持轮询MIB中变量
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26
OAM帧结构
前导码
、 、 、 6B 、 、 、
目的地址=01-80-C2-00-00-02 源地址 长度/类型=0x8809 (慢协议) 子类型域=0x03 (OAM) 标志域 编码域
EPON关键技术 EPON性能
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9
EPON体系结构
OSI参考模型
应用层 表达层 会话层
协调子层(RS) 协调子层(RS) GMII 物理编码子层(PCS) 可选FEC 物理媒质附加子层(PMA) 物理媒质相关子层(PMD) MDI
OLT
运行管理和维护子层OAM 多点MAC控制子层 MAC MAC MAC
帧校验序列 REPORT帧格式
REPORT帧内容
注：REPORT帧既用于ONU注册过程也用于时隙分配等过程
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20
REGISTER_REQ帧
前导码/SFD
目的地址(DA) 源地址(SA) 长度/类型=0x8808 操作码=0x0004 时间戳 数据/填充
8 6
6
2 2 4 40 4
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27
Information帧
功能
– 用来发送OAM状态信息到远端DTE
目的地址=01-80-C2-00-00-02 源地址 长度/类型0x8809 (慢协议) 子类型域=0x03 (OAM) 标志域 编码域=0x00
数据/填充 帧校验序列
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28
Event Notification帧
– OLT广播发送 – ONU有选择提取
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7
EPON上行工作模式
任一ONU发出的数据包只能到达OLT，不 能直接到达其它的ONU
– 所有ONU属于同一个冲突域 – OLT采用“授权”机制避免ONU冲突
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8
课程内容
EPON基本原理
IEEE 802.3ah标准
功能
– 可选帧，用于告知远端DTE相关链路事件
目的地址=01-80-C2-00-00-02 源地址 长度/类型0x8809 (慢协议) 子类型域=0x03 (OAM) 标志域 编码域=0x01
数据/填充 帧校验序列
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29
Variable Request帧
功能
– 可选帧，用来请求远端DTE一个或多个MIB变量
1: 请求注册 3: 请求解除注册 其它值: 保留 ONU向OLT报告可以 存储未来授权参数的 缓存容量
帧校验序列
REGISTER_REQ帧格式
REGISTER_REQ帧内容
注：REGISTER_REQ帧仅用于ONU注册过程
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21
REGISTER帧
OLT分配给ONU LLID
前导码/SFD 目的地址(DA) 源地址(SA) 长度/类型=0x8808 8 6 6 2 2 4 40
帧校验序列
REGISTER_ACK帧格式
REGISTER_ACK帧内容
注：REGISTER_ACK帧仅用于ONU注册过程
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23
OAM子层
OSI参考模型
应用层 表达层 会话层 LLC子层(LLC或MAC客户端) 传输层 OAM子层 MAC控制子层 媒质接入控制层
网络层
数据链路层 物理层
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17
MPCP帧结构
46～1500B 6B 6B 源地址 2B 长度 类型 4B
Ethernet V2帧结构 目的地址
数据/填充
帧校验 序列
6B
MPCP帧结构
6B
2B
2B
4B
40B
数据/填充
4B 帧校验 序列
目的地址 源地址
长度 操作码 时间标签 类型 0x8808
0x0001：PAUSE (暂停帧) 0x0002：GATE (授权帧) 0x0003：REPORT (报告帧) 0x0004：REGISTER_REQ (注册请求帧) 0x0005：REGISTER (注册帧) 0x0006：REGISTER_ACK (注册确认帧)
ONU
运行管理和维护子层OAM 多点MAC控制子层 MAC
传输层 网络层 数据链路层 物理层
GMII 物理编码子层(PCS) 可选FEC 物理媒质附加子层(PMA) 物理媒质相关子层(PMD) MDI
光纤
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10
物理层
物理层组成
– 协调子层RS
• 保证同一PON端口下ONU可以相互通信，与Ethernet兼容
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11
数据链路层
数据链路层组成
– 逻辑链路控制子层LLC
• 负责数据链路层与媒质接入无关的功能
– 运行管理维护子层OAM
• 远端故障显示、远端回环测试和链路监测
– MAC控制子层
• 可选子层，负责ONU接入控制 • 执行多点控制协议MPCP
– MAC子层
• 将上层数据封装成Ethernet帧并发送 • 扩展MAC控制子层功能
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12
层间接口
PCS与MAC间接口
– GMII (Gigabit Medium Independent Interface) – 字节宽度数据通道
PMA与PCS间接口
– TBI (Ten Bit Interface) – 10位宽度数据通道
PMD与物理媒质间接口
– MDI (Medium Dependent Interface) – 串行比特物理接口
1: 重新注册 2: 解除注册 3: 注册确认 4: 拒绝注册 其它值: 保留 OLT接收机所需同步时间 OLT向ONU确认ONU 存储未来授权参数的 缓存容量 REGISTER帧内容
操作码=0x0005
时间戳 数据/填充
帧校验序列
REGISTER帧格式
4
注：REGISTER帧仅用于ONU注册过程
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EPON系统原理
G-EPON培训
课程介绍
本课程主要包含以下内容：
– EPON基本原理
– IEEE 802.3ah标准
– EPON关键技术
– EPON性能
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2
课程目标
通过学习本课程，您可以完成以下任务：
– 能够描述出EPON工作机制；
– 能够描述出ONU自动注册流程； – 能够讲解EPON中的关键技术； – 能够独立完成简单的EPON组网方案设计。
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16
MAC子层
实现原理
– PON系统上行采用共享媒质，引起ONU上行冲突 – 扩展MAC控制子层，增加MAC控制帧
多点控制协议
– MPCP (Multi-Point Control Protocol) – ONU自动发现和注册
– ONU测距
– ONU带宽分配 – OAM (Operation/Administrator/Maintenance)
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13
PMD子层
实现原理
– 位于整个网络的最底层，完成光纤连接和光/电转换功能
类型规范
PMD类型
1000BASE-PX10-U 1000BASE-PX10-D 1000BASE-PX20-U 1000BASE-PX20-D
光纤类型
光纤数目 标称发射波长 发射方向 最小范围 最大通道插损 最小通道插损 1310nm 上行 0.5m～10km 20dB 5dB 19.5dB 1490nm 下行
目的地址=01-80-C2-00-00-02 源地址 长度/类型= 0x8809 (慢协议) 子类型域=0x03 (OAM) 标志域 编码域=0x02
数据/填充 帧校验序列
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Variable Response帧
功能
– 可选帧，用来返回一个或多个MIB变量
目的地址=01-80-C2-00-00-02 源地址 长度/类型0x8809 (慢协议) 子类型域=0x03 (OAM) 标志域 编码域=0x03
SMF
1 1310nm 上行 0.5m～20km 24dB 10dB 23.5dB 1490nm 下行
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RS子层
实现原理
– 扩展RS子层，仿真点到点媒质
– 扩展802.3 Ethernet V2帧支持P2MP拓扑
逻辑链路标识LLID
– GEPON帧和普通802.3 Ethernet V2帧相同但 对Preamble和SFD部分做了修改
6B
2B 1B 2B 1B 42~1496B 4B
数据/填充 帧校验序列
0x00：Information (消息) 0x01：Event Notification (事件通知) 0x02：Variable Request (变量请求) 0x03：Variable Response (变量响应) 0x04：Loopback Control (环回控制) 0x05-0xFD：保留 0xFE：由运营商保留 0xFF：保留