基于GPON 系統(tǒng)的PON 保護(hù)設(shè)計(jì)

韓莉敏

（武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430070）

在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，人們對網(wǎng)絡(luò)的使用頻率逐漸上升，對網(wǎng)絡(luò)的速度有了更高的要求[1]。吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（Gigabit-Capable Passive Optical Networks，GPON）有著帶寬高、接入業(yè)務(wù)全面的特點(diǎn)[2]，能夠提高用戶的體驗(yàn)感受。GPON 系統(tǒng)使用光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸距離至少達(dá)到20 km，且采用的光分路器最大有1:128[3-4]。對于運(yùn)營商而言，GPON系統(tǒng)傳輸距離長、設(shè)備利用率高，有合理的價(jià)格優(yōu)勢。GPON 系統(tǒng)由于具有以上優(yōu)勢而有較大的市場需求量，它作為“最后一公里”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[5-6]，一旦出現(xiàn)故障，會引起大面積的網(wǎng)絡(luò)癱瘓，所以對于GPON 系統(tǒng)的保護(hù)方法的研究是非常必要的。為了盡量不影響業(yè)務(wù)，PON 保護(hù)的研究中最受關(guān)注的就是倒換時(shí)間[7]。

1 PON保護(hù)方案分析

1.1 根據(jù)保護(hù)范圍

國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector,ITU-T）對GPON 系統(tǒng)制定了標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹的4 種PON 保護(hù)方式，在G.984.1 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了些許修改，廠家和運(yùn)營商等可根據(jù)需求進(jìn)行選擇[8-9]。

A 類保護(hù)為主干光纖冗余保護(hù)，如圖1 所示。OLT 的一個(gè)PON MAC 芯片通過1∶2 電開關(guān)與兩個(gè)光模塊相接。兩個(gè)光模塊連接2∶N光分路器的兩根主光纖。該方法只對光模塊和主干光纖進(jìn)行了保護(hù)，且所使用的光模塊較為特殊，實(shí)現(xiàn)較為不便。

圖1 A類PON保護(hù)

B 類保護(hù)為PON 口和主干光纖冗余保護(hù)，如圖2所示。OLT 的每個(gè)PON 口由一個(gè)光模塊和一個(gè)PON MAC 芯片構(gòu)成，這是最普遍的PON 口結(jié)構(gòu)。該方法對獨(dú)立的PON 口和主干光纖進(jìn)行保護(hù)，且對現(xiàn)網(wǎng)的改變不大，實(shí)現(xiàn)較為簡單。

圖2 B類PON保護(hù)

C 類保護(hù)為全光纖保護(hù)，如圖3 所示。該處使用了兩個(gè)的1∶N的光分路器。ONU 采用一個(gè)PON MAC芯片和兩個(gè)的光模塊[10]，C 類保護(hù)的ONU 需要特定的型號。該方法對OLT PON 口、主干光纖、光分路器、分支光纖和ONU 光模塊進(jìn)行冗余保護(hù)。保護(hù)范圍較大，可靠性較好，但相比B 類保護(hù)，資源消耗較多。

圖3 C類PON保護(hù)

D 類保護(hù)也為全光纖保護(hù)，如圖4 所示。仍然使用了兩個(gè)的1∶N的光分路器。ONU 采用兩個(gè)PON MAC 芯片分別對應(yīng)兩個(gè)光模塊，此類保護(hù)的ONU 也需要特定的型號。該方法對OLT PON 口、主干光纖、光分路器、分支光纖和ONU PON 口進(jìn)行冗余保護(hù)。4 種方法中D 類保護(hù)范圍最大，可靠性最好，但資源消耗也最多。

圖4 D類PON保護(hù)

根據(jù)以上分析，B 類PON 保護(hù)方式具有一定的可靠性、成本較低，而且對于現(xiàn)網(wǎng)新增PON 保護(hù)影響不大[11]，作為該文研究的主要方法。

1.2 根據(jù)組網(wǎng)方式

根據(jù)組網(wǎng)方式進(jìn)行分類，也就是根據(jù)PON 保護(hù)的兩個(gè)PON 口是否跨OLT 來決定。在1.1 節(jié)中全部在單臺OLT 的情況下進(jìn)行介紹。當(dāng)PON 保護(hù)采用兩臺OLT 時(shí)，稱之為手拉手保護(hù)方式[12-13]。以B 類保護(hù)為例，單臺OLT 的組網(wǎng)如圖2 所示，手拉手保護(hù)的組網(wǎng)如圖5 所示。

圖5 B類手拉手PON保護(hù)

手拉手保護(hù)將OLT 設(shè)備也加入保護(hù)范圍，當(dāng)OLT 產(chǎn)生故障或需要進(jìn)行升級時(shí)，可以啟用備用OLT，使得業(yè)務(wù)能夠恢復(fù)[14]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)

OLT 設(shè)備的系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)[15]如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)

主控軟件運(yùn)行在主控盤上，實(shí)現(xiàn)各功能的總體控制，對各模塊進(jìn)行管理和維護(hù)，并向網(wǎng)管軟件提供管理維護(hù)接口。

線卡軟件運(yùn)行在各個(gè)線卡上，實(shí)現(xiàn)各板卡的業(yè)務(wù)，各板卡實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)基于GPON、10GPON 等。線卡軟件通過背板總線與主控軟件進(jìn)行通信。在此特別說明，文中實(shí)驗(yàn)所使用的線卡為雙CPU。

上聯(lián)盤軟件運(yùn)行于上聯(lián)盤上，主要進(jìn)行端口工作狀態(tài)等信息的采集，并將這些信息上報(bào)到主控盤。上聯(lián)盤軟件通過背板總線與主控盤建立通信。

網(wǎng)管軟件運(yùn)行在網(wǎng)管服務(wù)器上，通過SNMP 協(xié)議和主控盤建立通信，并提供圖形化的操作維護(hù)界面。

2.2 PON保護(hù)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 保護(hù)組的創(chuàng)建與刪除

PON 保護(hù)組的創(chuàng)建和刪除在網(wǎng)管軟件上進(jìn)行。創(chuàng)建保護(hù)組時(shí)，主控盤配置模塊接收網(wǎng)管下發(fā)的創(chuàng)建命令，包括保護(hù)組端口號、類型、組網(wǎng)等。并向保護(hù)組端口對應(yīng)的線卡下發(fā)保護(hù)組創(chuàng)建命令。線卡配置模塊收到主控下發(fā)的創(chuàng)建命令后，更新保護(hù)組數(shù)據(jù)，創(chuàng)建成功后上報(bào)保護(hù)組狀態(tài)，主控盤更新保護(hù)狀態(tài)。網(wǎng)管上則可以讀取PON 保護(hù)組的工作狀態(tài)。

刪除PON 保護(hù)也是由網(wǎng)管下發(fā)給主控盤的配置模塊，主控盤刪除本地存儲的保護(hù)組數(shù)據(jù)，并向保護(hù)組端口對應(yīng)的線卡下發(fā)刪除保護(hù)組的命令。線卡刪除保護(hù)組數(shù)據(jù)，并使PON 保護(hù)控制模塊刪除底層芯片配置。

2.2.2 保護(hù)倒換

PON 保護(hù)倒換功能可以分為強(qiáng)制倒換和自動倒換。

強(qiáng)制倒換由網(wǎng)管來控制。主控盤收到強(qiáng)制倒換的命令后，根據(jù)組號發(fā)送給對應(yīng)線卡。線卡首先判斷是否為手拉手保護(hù)。非手拉手保護(hù)時(shí)，主口關(guān)閉光模塊，備口打開光模塊。當(dāng)為手拉手保護(hù)時(shí)，需要判斷主備口，若為主口則進(jìn)行主口關(guān)光，并通知備端口開光；若為備口，則發(fā)送倒換消息到主口，從主口發(fā)起倒換流程。

自動倒換的觸發(fā)條件有光信號丟失、光通信質(zhì)量差、線卡不在位等。例如當(dāng)觸發(fā)LOS 告警時(shí)，線卡判斷是否為板內(nèi)保護(hù)，若為板內(nèi)保護(hù)，則倒換模塊直接進(jìn)行倒換或通過RPC 傳遞倒換消息到備口；若不為板內(nèi)保護(hù)，則發(fā)送至主控盤。主控盤判斷是否為手拉手保護(hù)，若為非手拉手保護(hù)，直接判斷PON 口，發(fā)送消息到備口對應(yīng)線卡；若為手拉手保護(hù)，則通過UDP 協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的OLT，對端OLT 接收到報(bào)文后，發(fā)送給相應(yīng)的線卡進(jìn)行處理。

2.2.3 狀態(tài)回調(diào)和上報(bào)

PON 保護(hù)組有3 種狀態(tài)：工作態(tài)、備用態(tài)和探測態(tài)。探測態(tài)是保護(hù)組的中間狀態(tài)，比如保護(hù)組正在創(chuàng)建，或倒換后處于未知的狀態(tài)。

在網(wǎng)管上可以對PON 保護(hù)組狀態(tài)、PON 口的工作狀態(tài)進(jìn)行查詢。線卡會向主控盤實(shí)時(shí)上報(bào)保護(hù)組的狀態(tài)。當(dāng)處于工作態(tài)的PON 口發(fā)出倒換消息，線卡上報(bào)主控盤，保護(hù)組進(jìn)入探測態(tài)。直到一個(gè)PON口穩(wěn)定在工作態(tài)，另一個(gè)PON 口穩(wěn)定在備用態(tài)，則保護(hù)組再次進(jìn)入工作態(tài)。

2.3 PON保護(hù)數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)

主控盤與線卡之間已有的TCP/IP 協(xié)議用于各類數(shù)據(jù)消息的傳遞，但保護(hù)倒換消息的實(shí)時(shí)性要求高，采用這種傳輸通道可能會導(dǎo)致PON 保護(hù)倒換失敗，所以對PON 保護(hù)通道進(jìn)行了優(yōu)化。

設(shè)計(jì)一種PON 保護(hù)專用的二層私有協(xié)議用于傳輸PON 保護(hù)的狀態(tài)、告警以及倒換消息等。實(shí)驗(yàn)研究的線卡內(nèi)擁有雙CPU，而對包含主備CPU 的線卡,主CPU 和備CPU 分別與主控盤建立PON 保護(hù)專用二層數(shù)據(jù)通道。PON 保護(hù)數(shù)據(jù)通道如圖7 所示。

圖7 PON保護(hù)數(shù)據(jù)通道

主控盤傳送同步數(shù)據(jù)時(shí)，首先會判斷目的端口所在的線卡是否為雙CPU，若為雙CPU 則判斷主備CPU，并向?qū)?yīng)的CPU 直接發(fā)送同步消息，從而減少倒換時(shí)間，特別是對于保護(hù)組端口在備CPU 上的情況，不用經(jīng)過主CPU 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。非手拉手保護(hù)的板間倒換、手拉手保護(hù)倒換中，倒換消息都要經(jīng)過線卡與主控之間的專用二層數(shù)據(jù)通道。而非手拉手保護(hù)的板內(nèi)倒換，也分為在同一CPU 和不同CPU 間的情況。保護(hù)倒換在同一CPU 下的過程是最簡單的，直接調(diào)用接口進(jìn)行切換，倒換成功后再上報(bào)狀態(tài)給主控；而不同CPU 的情況下，是通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）通道進(jìn)行倒換消息的傳遞。

3 測試與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)搭建的實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)以手拉手保護(hù)為例，如圖8所示。非手拉手保護(hù)在此基礎(chǔ)上減少一臺OLT。

圖8 手拉手保護(hù)組網(wǎng)

此處的兩臺交換機(jī)是為了減少所使用的儀表口，減少資源的利用，從而方便測試。

實(shí)驗(yàn)為了全面測試各傳輸通道，需要對PON 保護(hù)組各種情況都進(jìn)行測試。根據(jù)保護(hù)組端口的分布，要對以下情況進(jìn)行測試：

1）非手拉手保護(hù)模式：板內(nèi)同主CPU、板內(nèi)同備CPU、板內(nèi)一主一備CPU、板間同主CPU、板間同備CPU、板間一主一備CPU。

2）手拉手保護(hù)模式：板間同主CPU、板間同備CPU、板間一主一備CPU。

測試內(nèi)容主要有強(qiáng)制倒換和斷纖倒換，以下將以非手拉手保護(hù)模式的板間一主一備CPU 和手拉手保護(hù)模式的板間同備CPU 為例，分別進(jìn)行強(qiáng)制倒換和斷纖倒換的實(shí)驗(yàn)。

3.1 非手拉手保護(hù)模式

在非手拉手保護(hù)模式下，板間一主一備CPU 時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)制倒換實(shí)驗(yàn)。測試情況如下，首先下發(fā)PON保護(hù)組配置，如圖9 所示。

圖9 保護(hù)組配置

PON 保護(hù)組創(chuàng)建成功后可在網(wǎng)管上顯示其狀態(tài)，如圖10 所示。

圖10 保護(hù)組狀態(tài)查詢

如圖11 所示，通過TestCenter[16]模擬數(shù)據(jù)流，進(jìn)行強(qiáng)制倒換后，通過查看儀表顯示的丟包數(shù)計(jì)算出倒換時(shí)間。

圖11 丟包情況

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率8 446 fps，以及上行數(shù)據(jù)流丟包數(shù)量210 fps可以計(jì)算出最大丟包時(shí)間約為24.8 ms。

重復(fù)倒換操作多次，記錄每次的倒換時(shí)間，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)倒換時(shí)間能夠保證在50 ms 以內(nèi)。

3.2 手拉手保護(hù)模式

在手拉手保護(hù)模式下，板間同備CPU 時(shí)，進(jìn)行斷纖倒換實(shí)驗(yàn)。測試情況如下，首先對OLT1 和OLT2分別下發(fā)PON 保護(hù)組配置，如圖12 所示。

圖12 OLT1&OLT2保護(hù)組配置

手拉手PON 保護(hù)組創(chuàng)建成功后暫不可在網(wǎng)管上查看狀態(tài)，通過命令行可以在兩臺OLT 上查看其狀態(tài)，如圖13 所示。

圖13 保護(hù)組狀態(tài)查詢

線卡上查看狀態(tài)時(shí)，是直接到相應(yīng)的CPU 上進(jìn)行查看，所以主控對應(yīng)的PON 口號9-16，在備CPU上則顯示1-8。

如圖14 所示，通過TestCenter 模擬數(shù)據(jù)流，進(jìn)行斷纖倒換后，通過查看儀表顯示的丟包數(shù)計(jì)算出倒換時(shí)間。

圖14 丟包情況

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率8 446 fps 和上行數(shù)據(jù)流丟包數(shù)量246 fps 可以計(jì)算出最大丟包時(shí)間約為29.1 ms。重復(fù)倒換操作多次，記錄每次的倒換時(shí)間，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)倒換時(shí)間能夠保證在50 ms 以內(nèi)。

在大量的倒換測試中，有時(shí)發(fā)現(xiàn)丟包時(shí)間能夠在10 ms 以內(nèi)，根據(jù)分析這時(shí)OLT 處于空閑狀態(tài)，即除了本實(shí)驗(yàn)的PON 保護(hù)業(yè)務(wù)，基本無其他業(yè)務(wù)進(jìn)行。

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)與結(jié)果中僅對兩種情形的測試過程進(jìn)行了描述。實(shí)際上實(shí)驗(yàn)對所有情景下都進(jìn)行了強(qiáng)制倒換和斷纖倒換的測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于雙CPU 線卡的保護(hù)倒換功能能夠正常進(jìn)行，倒換時(shí)間能夠保證在50 ms 以內(nèi)，且當(dāng)OLT 空閑時(shí)倒換時(shí)間能夠達(dá)到10 ms 以內(nèi)。由于資源有限，實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)采用交換機(jī)將ONU 端進(jìn)行了匯聚，在這一情況下有可能會增加倒換時(shí)間。