以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中光網(wǎng)絡(luò)單元注冊(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)

殷愛(ài)菡，劉方仁

（華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330013）

以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)EPON（ethernet passive optical network，EPON）是光接入網(wǎng)的重要解決方案之一[1]，為了實(shí)現(xiàn)EPON系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性和方便的操作維護(hù)管理，在系統(tǒng)開(kāi)通運(yùn)行后，新連接的或者掉電的光網(wǎng)絡(luò)單元ONU（optical network unit，ONU）需要能夠自動(dòng)加入到系統(tǒng)中，而不影響其它正常工作的ONU。以往關(guān)于ONU注冊(cè)的研究，大部分集中在對(duì)ONU注冊(cè)算法的研究，如對(duì)ONU注冊(cè)窗口大小和周期的選擇[2]，以及對(duì)ONU注冊(cè)流程及其安全性研究[3]，很少涉及到ONU注冊(cè)的硬件實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種基于FPGA的ONU注冊(cè)方案，且采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL編程實(shí)現(xiàn)，該方案具有占用硬件資源少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和可移植性等優(yōu)點(diǎn)。

1 ONU注冊(cè)的過(guò)程及原理

ONU的注冊(cè)是指新連接的或斷線的ONU接入網(wǎng)絡(luò)，能夠被光線路終端OLT（optical line terminal，OLT）自動(dòng)識(shí)別，這一過(guò)程由OLT來(lái)驅(qū)動(dòng)。注冊(cè)過(guò)程中需要的控制幀有：傳送注冊(cè)授權(quán)和帶寬授權(quán)的GATE幀，傳送注冊(cè)請(qǐng)求的REGISTER_REQ幀，傳送注冊(cè)信息的REGISTER幀，傳送注冊(cè)確認(rèn)信息的REGISTER_ACK幀。具體的注冊(cè)過(guò)程及原理如下.

1）OLT周期性的向系統(tǒng)各個(gè)ONU廣播發(fā)送注冊(cè)授權(quán)GATE幀，讓新接入的或者斷線的ONU有機(jī)會(huì)被OLT識(shí)別。OLT發(fā)送注冊(cè)授權(quán)GATE幀后，啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口定時(shí)器，若定時(shí)器超時(shí)未收到ONU的應(yīng)答，則關(guān)閉發(fā)現(xiàn)窗口，等待下一周期的到來(lái)[4]。

2）已注冊(cè)的ONU忽略注冊(cè)授權(quán)GATE幀，而未注冊(cè)的ONU接收到注冊(cè)授權(quán)GATE幀后，首先根據(jù)時(shí)間標(biāo)簽調(diào)整本地時(shí)鐘，然后在授權(quán)的時(shí)隙內(nèi)利用REGISTER_REQ幀發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求信息。若ONU在發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求后的指定時(shí)間內(nèi)未收到OLT發(fā)來(lái)的REGISTER幀，則認(rèn)為發(fā)生了注冊(cè)沖突。ONU進(jìn)行隨機(jī)延時(shí)后重新發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，直至收到OLT發(fā)來(lái)的REGISTER幀[5]。

3）OLT在發(fā)現(xiàn)窗口內(nèi)收到一個(gè)有效地注冊(cè)請(qǐng)求消息后，首先給新發(fā)現(xiàn)的ONU分配邏輯鏈路標(biāo)識(shí)LLID（logical link identifier），并將LLID與該ONU的MAC地址綁定起來(lái)，同時(shí)利用REGISTER幀給該ONU發(fā)送注冊(cè)信息；然后OLT再給該ONU發(fā)送帶寬授權(quán)GATE幀以使其向OLT發(fā)送注冊(cè)確認(rèn)幀[6]。

4）未注冊(cè)的ONU收到REGISTER幀后，利用該消息中攜帶的新分配的LLID替換未注冊(cè)時(shí)的LLID，同時(shí)等待OLT發(fā)送帶寬授權(quán)GATE幀。收到授權(quán)后，ONU利用REGISTER_ACK幀向OLT發(fā)送注冊(cè)確認(rèn)信息，這樣就完成了整個(gè)注冊(cè)過(guò)程。具體的注冊(cè)過(guò)程如圖1所示。

2 ONU注冊(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)

根據(jù)ONU的注冊(cè)過(guò)程以及模塊化的FPGA設(shè)計(jì)思想，將ONU注冊(cè)作為一個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。為了更好地說(shuō)明ONU注冊(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程，設(shè)計(jì)了一個(gè)由OLT和3個(gè)ONU組成的簡(jiǎn)單注冊(cè)模塊。由設(shè)計(jì)框圖可知，注冊(cè)模塊包括：?jiǎn)?dòng)注冊(cè)模塊、OLT端控制幀處理模塊、單播/廣播控制模塊和ONU端控制幀處理模塊等4個(gè)子模塊。

2.1 啟動(dòng)注冊(cè)模塊設(shè)計(jì)

ONU注冊(cè)過(guò)程的第一步是OLT以廣播的方式周期發(fā)送注冊(cè)授權(quán)GATE幀，由于該幀是周期發(fā)送的，且該GATE幀的內(nèi)容是固定的，因此單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)模塊來(lái)周期發(fā)送注冊(cè)授權(quán)GATE幀。注冊(cè)授權(quán)GATE幀的長(zhǎng)度為72個(gè)字節(jié)，故啟動(dòng)注冊(cè)模塊的設(shè)計(jì)中將該GATE幀存儲(chǔ)在一個(gè)長(zhǎng)度為18，位寬為32的數(shù)組中。clk_gate為發(fā)送注冊(cè)授權(quán)GATE幀的標(biāo)識(shí)信號(hào)，當(dāng)clk_gate產(chǎn)生一個(gè)高電平時(shí)，OLT就立即發(fā)送注冊(cè)授權(quán)GATE幀。

2.2 OLT端控制幀處理模塊設(shè)計(jì)

OLT端控制幀處理模塊的主要功能是發(fā)送REGISTER幀和帶寬授權(quán)GATE幀，處理ONU發(fā)來(lái)的REGISTER_REQ幀和REGISTER_ACK幀?？刂茙陌l(fā)送與接收可以利用FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。考慮到控制幀的長(zhǎng)度為72字節(jié)，故FIFO的位寬設(shè)定為32，深度設(shè)定為18。OLT端控制幀處理模塊接收到ONU發(fā)來(lái)的控制幀后將其保存到64位的移位寄存器中，然后判斷移位寄存器的數(shù)值是不是幀前導(dǎo)碼。若不是幀前導(dǎo)碼，則繼續(xù)檢測(cè)；若是，則將計(jì)數(shù)器置0，并開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器的值為8時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。此時(shí)檢測(cè)的是操作碼字段的值，根據(jù)操作碼字段的值來(lái)進(jìn)行幀識(shí)別，從而對(duì)不同的幀作出相應(yīng)的處理。操作碼0x0002代表GATE幀，0x0004代表REGISTER_REQ幀，0x0005代表REGISTER幀，0x0006代表REGISTER_ACK幀，其中0x表示十六進(jìn)制[8]。該模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

2.3 單播/廣播控制模塊設(shè)計(jì)

在ONU的注冊(cè)過(guò)程中，OLT控制幀的發(fā)送方式分為廣播發(fā)送與單播發(fā)送，注冊(cè)授權(quán)GATE幀和REG-ISTER幀為廣播發(fā)送，帶寬授權(quán)GATE幀為單播發(fā)送。當(dāng)控制幀進(jìn)入單播/廣播控制模塊時(shí)，檢測(cè)該幀的操作碼字段，從而識(shí)別該幀的類型，選擇相應(yīng)發(fā)送方式。單播/廣播控制模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

2.4 ONU端控制幀處理模塊設(shè)計(jì)

ONU端控制幀處理模塊的主要功能是接收注冊(cè)授權(quán)GATE幀、帶寬授權(quán)GATE幀，發(fā)送REGISTER_REQ幀和REGISTER_ACK幀。ONU端控制幀處理模塊也采用FIFO來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到64位的移位寄存器中，檢測(cè)其操作碼字段的值，從而確定幀的類型。當(dāng)ONU連續(xù)收到REGISTER幀和帶寬授權(quán)GATE幀后，ONU向OLT發(fā)送一個(gè)REGISTER_ACK幀，報(bào)告注冊(cè)結(jié)果。ONU端控制幀處理模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果的驗(yàn)證與分析

ONU注冊(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)和功能驗(yàn)證是在Modelsim SE 6.5和QuartusⅡ7.1環(huán)境下完成的。驗(yàn)證所采用的芯片是CycloneⅡ系列芯片EP2C8Q208C7。為了對(duì)ONU注冊(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真，特設(shè)定如下參數(shù):OLT的MAC地址為0x201010011030，LLID為0x1fff；ONU1的MAC地址為0x201010011001，ONU2的MAC地址為0x201010011002，ONU3的MAC地址為0x201010011003；注冊(cè)成功后OLT分配給ONU1，ONU2，ONU3的LLID分別為0x1111，0x2222，0x3333。

ONU注冊(cè)的仿真過(guò)程如圖6所示，圖6（a）是OLT發(fā)送的注冊(cè)授權(quán)GATE幀，圖6（b）是OLT接收到ONU1發(fā)送的REGISTER_REQ幀，圖6（c）和圖6（d）分別是OLT向ONU1發(fā)送的REGISTER幀和帶寬授權(quán)GATE幀。ONU注冊(cè)成功的確認(rèn)結(jié)果如圖7所示，圖中的數(shù)據(jù)是OLT接收到ONU發(fā)送的REGISTER_ACK確認(rèn)幀。該幀的第1，2組數(shù)據(jù)是幀前導(dǎo)碼，第3，4，5組數(shù)據(jù)是目的地址和源地址，第6組數(shù)據(jù)是幀類型標(biāo)識(shí)和操作碼，第7組數(shù)據(jù)是時(shí)戳，第8組數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)域，其前2位數(shù)字表示注冊(cè)成功與否，若為0x01則表示注冊(cè)成功；中間4位數(shù)字表示注冊(cè)完成后OLT分配給某個(gè)ONU的LLID，后面2位數(shù)字則是對(duì)同步時(shí)間值作的回應(yīng)。

圖7（a）（b）（c）分別是OLT接收到ONU1，ONU2，ONU3發(fā)送的REGISTER_ACK幀。從圖7中的結(jié)果可以看出，圖7（a）中的第3組數(shù)據(jù)和第4組數(shù)據(jù)的前4位為0x201010011030，為OLT的MAC地址，表示該幀是發(fā)送給OLT的；第4組數(shù)據(jù)的后4位和第5組數(shù)據(jù)為0x201010011001，為ONU1的MAC地址，表示該幀是從ONU1發(fā)出的；第6組數(shù)據(jù)的前4位為0x8808，表示該幀的類型為控制幀，其后4位為0x0006，表示該幀為注冊(cè)確認(rèn)幀；第7組數(shù)據(jù)表示ONU1發(fā)送該確認(rèn)幀時(shí)的本地時(shí)間值；第8組數(shù)據(jù)的前2位數(shù)字為0x01，且中間4位數(shù)字為1111，這說(shuō)明ONU1注冊(cè)成功，且分配的LLID與前面預(yù)期設(shè)定的分配值相同。同理，圖7（b）中的第8組數(shù)據(jù)的前6位數(shù)字為0x012222，圖7（c）中的第8組數(shù)據(jù)的前6位數(shù)字為0x013333。綜上所述，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該ONU注冊(cè)方案的有效性和可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ONU注冊(cè)的各個(gè)模塊的程序設(shè)計(jì)，在Altera的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了FPGA硬件電路，成功實(shí)現(xiàn)了提出的ONU注冊(cè)方案，仿真結(jié)果與預(yù)期的理論值完全相符。該方案設(shè)計(jì)靈活，具有可移植性，能很容易地?cái)U(kuò)展為16個(gè)或者32個(gè)ONU的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可廣泛地應(yīng)用于新一代無(wú)源光接入網(wǎng)中。

[1]SíLVIAPATO，HENRIQUE SILVA，PAULO MONTEIRO.Forward error correction in 10 Gbits/s Ethernet passive optical networks[J].Journal of Optical Networking，2009，8（1）：84-94

[2]戚世杰，李迎春，林如儉.EPON系統(tǒng)注冊(cè)過(guò)程[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005（11）：346-349.

[3]簡(jiǎn)化，李慶山，秦前清.EPON中ONU的自動(dòng)加入技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].光通信技術(shù)，2004（9）：18-19.

[4]朱華偉，侯曉榮，何崢.10 G EPON系統(tǒng)ONU注冊(cè)技術(shù)研究[J].光通信技術(shù)，2010（2）：1-4.

[5]張多英，李學(xué)易，劉偉平，等.EPON系統(tǒng)中的MPCP協(xié)議研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2004，25（4）：21-25.

[6]李霞，黃俊，朱雁程.EPON中LLID配置方式[J].光通信技術(shù)，2009（5）：8-10.

[7]陳軍，張遠(yuǎn)見(jiàn)，楊俊.一種節(jié)能型可升級(jí)異步FIFO的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009（4）：66-69.

[8]LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEE Std 802.3ah-2004[S].New York：The Institue of Electrical and Electronics Engineers：2004.