本论文是作者在参与了北京市科委“点到点的FTTH设备研发与应用”(Z0005170041321)项目的科研与开发工作的背景下，写作而成的。该项目的目的是实现可实用化的EPON和GPON系统及设备。本文主要对GPON的媒体接入控制(MAC)层(包括MAC控制子层和RS子层)中的若干关键问题进行了深入的研究。本文的工作集中于吉比特无源光网络系统媒质接入控制(MAC)协议的研究和设计、协议性能分析以及其它与MAC协议相关内容的研究。作为媒质共享的树型网络，GPON需要媒质接入控制(MAC)协议协调各终端对上行信道的访问，避免冲突。MAC协议在整个通信系统中扮演着重要的角色，对系统的性能有着深刻的影响，在GPON系统中居于核心地位。ITU-T建议G．984.1，G．984.2、G．984.3和G．984.4的形成使GPON的发展走上了标准化之路，但它们未对MAC协议作出明确规定，并未指定具体的带宽分配算法，并指明尚需要进一步研究，因此本文的工作具有现实意义。与其他媒质共享网络相比，PON的树型结构具有特殊性，这对MAC协议提出了特殊要求。随机接入控制方法虽然具有简单和易于扩展的特点，但是无法满足电信级的时延和吞吐量要求，因而不适合PON系统。中央控制基于预约的带宽分配算法是PON的首选，它具有良好的时延和吞吐量特性。论文的主要创新点有：①．在吉比特光网络(GPON)中，针对OLT提出了一种支持多种DBA算法的上行带宽分配系统的分层模型。设计了一个硬件支持层，包括授权实体队列状态收集模块、尾部编号带宽映射表和时隙转换模块。该分层系统将具体的DBA算法与带宽的管理和发放机制相分离，不受具体的带宽分配算法的限制，能够支持多种带宽分配算法，使得系统能够有效地支持多种不同的应用场合或不同的业务对带宽分配的要求；②．针对具有同类用户的GPON系统提出了一种面向多业务等级的动态带宽分配算法；③．设计了一种新的MAC协议来解决GPON用户之间的公平性问题，并基于该MAC协议对ONU中的队列调度系统进行了设计；④．在③基础上，针对具有不同类型用户的GPON系统提出了一种基于认购速率和QoS等级的动态带宽分配算法，有效地解决了由于某些用户恶意产生大量高优先级数据而影响其他用户使用网络的问题；⑤．提出了组播协议在GPON系统中的实现方案，包括ONU加入、离开组播组的方法以及OLT对下行数据的处理方法。归纳起来，论文主要包括以下三个方面：(1)在有关上行带宽分配的控制系统的系统结构方面，本文针对OLT提出了一个支持上行带宽分配功能的分层模型。将OLT的上行带宽分配功能划分为三层：参数管理层、带宽分配算法层以及硬件支持层。将具体的DBA算法同上行报告信息的处理以及带宽的管理和发放机制相分离，前者由软件实现，后者全部由硬件完成。采用了这种分层模型的设计后，OLT可以支持多种带宽分配算法，并且带宽分配的响应速度也不受软件或CPU性能的限制。从而使得系统可以适应多种场合或业务的需求；(2)在动态带宽分配(DBA)算法方面，本文提出了不同情况下的两种DBA算法。首先，当GPON系统中的所有用户属于同一级别时，提出了一种面向多业务等级业务的动态带宽分配算法。该算法可分为两步：第一步，OLT最大限度地满足每个ONU的带宽请求，即设一个最大确保带宽，若ONU的请求带宽(固定带宽除外)没有超过确保带宽，则按需分配，否则，为该ONU分配的带宽就是该确保带宽；第二步，若带宽还有剩余，则按比例以及业务的优先级别为未能得到带宽满足的ONU中的不同等级的业务分配带宽。理论分析和仿真试验证明，这种算法可以提高网络的吞吐量，满足各种业务的时延要求，并且对不同用户和不同等级的业务都具有很好的公平性。考虑到不同用户对于网络的服务质量可能存在着不同的需求，本文设计了一种新的ONU端的MAC协议，即用户可以预先申购不同的网络带宽，ONU会按照用户的认购速率为其上传的业务选择适当的队列，利用严格的队列调度机制保证用户之间的公平性。基于这种MAC协议，本文提出了一种基于认购速率和QoS等级的动态带宽分配算法。该算法在网络负载较小时，即总的请求带宽小于可用带宽时，按需分配；在网络负载较大时，首先按照用户的认购速率分配带宽，若带宽还有剩余，则比例分配给尚需带宽的ONU。通过OPNET仿真结果可以看出，这种算法在严格控制数据传输延时的前提下，能够保证多用产之间带宽分配的公平性。(3)组播协议在吉比特无源光网络中的应用方面，本文提出了组播协议在GPON中的实现方案，包括ONU加入、离开组播组的方法以及OLT对下行数据的处理方法。通过OPNET仿真平台对组播协议进行了测试，考察GPON网络对IGMPv2的支持程度和对IGMP Snooping的支持程度。最后，我们对本文所做工作进行总结，并讨论将来可能继续的研究方向。