FTTH模式下PON網絡VLAN資源規劃方式探究

張 奇

（中國移動通信集團設計院有限公司上海分公司 上海 200060）

1 概述

在用戶接入帶寬迅猛增長、有線寬帶接入方式逐步向FTTH過渡的時代，PON網絡作為“最后一公里”的高效解決方案已經開始全面部署。其中除了光功率預算、接入用戶帶寬分配等方面限定PON網絡的規模與性能外，VLAN資源的規劃方式作為對整個PON網絡乃至數據城域網起到重要影響的因素之一，常常容易被忽視。

在PON網絡建設及發展的過程中，用戶接入方式的變化、數據城域網的結構特點決定了VLAN規劃方式的不同。由FTTB+LAN方式為主的接入方式曾一度作為有線寬帶接入的主流方式。隨著Internet網絡應用的豐富，用戶對帶寬體驗也提升至一個新的高度，FTTB+LAN的接入方式將逐漸過渡至FTTH/FTTO為主，并能提供給用戶更多、更方便的個人網關級服務[1]。

2 數據城域網及PON網絡結構

PON網絡作為普通有線寬帶業務的接入方式，以其靈活動態的帶寬分配機制、方便的部署、建設成本低廉等特點成為“最后一公里”接入方案的首選對象。一般數據城域網以及PON網絡的結構如圖1所示。

在圖1所示的網絡結構下，PON系統作為二層接入網收斂寬帶接入業務至數據城域網二層匯聚設備[2]。二層邊緣匯聚設備根據VLAN信息分流業務，并上聯至3層PE網元。PE及P網元識別、終結VLAN，并以IP包形式進行業務處理[3]。

在二層PON網絡區域中，每臺OLT均有其覆蓋范圍以及VLAN廣播域。在同一OLT的VLAN廣播域中應保證每用戶VLAN信息的惟一性。同時根據OLT上聯匯聚交換機是否具備VLAN端口隔離功能，還需要確定二層匯聚交換機端口或網元下的VLAN信息惟一性。

對于以移動業務為主的電信運營商，由于傳統業務采用集中處理的方式，核心層（L3層）部署規模集中于運營商網絡的骨干局房范圍。因此，在上述網絡結構中L2層的建設規模大于L3層網絡規模，屬于典型的“大2小3”結構。由于處理網元的集中部署方式，使得二層匯聚設備覆蓋較大的區域，二層VLAN廣播域范圍較大，需要細致、靈活的VLAN資源分配方式。

對于以固網業務為主的電信運營商，由于已部署較大規模的屬地接入網，且為了提供靈活的調度方式，3層處理往往下沉至運營商匯聚甚至接入節點內。因此，對于上述網絡結構，L3層部分將大于L2層，屬于 “大3小2”結構。由于二層網絡規模較小，單PON網絡覆蓋范圍以及接入用戶數量相對較小，二層VLAN廣播域較小，甚至VLAN資源在單獨PON網絡內有較大的使用空間及資源。因此，該方式下VLAN的管理及分配方式較簡單。

因此，對于以移動業務為主的“大2小3”網絡，VLAN資源合理規劃尤為重要，合理的規劃方式直接影響OLT以及匯聚交換機的覆蓋能力以及用戶接入能力。

3 VLAN資源規劃方式

在進行VLAN資源規劃方式前，有必要對數據城域網以及PON網絡作一些限定，并建立適當網絡結構模型，便于后文進一步討論與研究。

在模型中，設定多業務分流交換機不具備端口VLAN隔離功能，即單套SW下存在VLAN廣播域。

OLT上聯以雙端口負荷分擔方式單歸屬至SW，即SW以P2MP方式匯聚并收斂OLT，而OLT則以P2P方式上聯SW。OLT下聯ODN部分均以TypeB方式配置PON口主干路由保護，最大程度保障網絡的健壯性。

在VLAN使用方式上，采用IEEE 802.ah方式，即Q-in-Q的VLAN使用方式。ONU網元對業務凈荷打內層CVLAN標簽，外層SVLAN標簽在OLT上實現。

3.1 FTTB+LAN方式下的VLAN規劃方式

以該模型為主的大型城域范圍內，在固網寬帶業務發展初期，用戶接入數量、密集程度均比較稀疏。此外，住宅入戶端線纜以五類線為主。在該背景下，FTTB+LAN的寬帶用戶接入方式成為市場的主流模式。此時鑒于OLT設備能力（容量交叉能力、MAC地址容量等）以及單板 PON口密度均較少，OLT網元PON口有效使用數量在 24～32個，同時分光比以一級 1∶16、末端 MDU以16口FE為主。

在該模式下，為規范端口、用戶等對應關系，典型的VLAN規劃方式如下[4]。

（1）SVLAN 標簽

FTTB+LAN模式下的SVLAN格式如圖2所示。

·SVLAN 0～4 bit，OLT PON端口標識，標識 OLT設備中的PON口（最大32個）；

·SVLAN 5～8 bit，OLT設備標識，標識單套匯聚交換機匯聚OLT的數量（最多匯聚16臺OLT）；

·SVLAN 9～11 bit，業務標識，標識業務類型（最大承載8種業務）。

（2）CVLAN 標簽

FTTB+LAN模式下的CVLAN格式如圖3所示。

·CVLAN 0～8 bit：用戶標識，標識單PON口下接入的用戶數量（最大可接入512個用戶）；

·CVLAN 9～11 bit：業務標識，與 CVLAN標簽的 9～11 bit相同。

該VLAN的分配方式能夠支持8種業務需求，并將PON口、用戶進行一一對應，方便資源預分配，加快業務受理流程。但是，SVLAN的5～8 bit限制了匯聚交換機收斂OLT的數量，SVLAN的0～4 bit限制了單套OLT管理PON口的數量，CVLAN的 9～11 bit與 SVLAN的 9～11 bit功能重復，VLAN標簽資源浪費。

3.2 FTTH方式下的VLAN規劃方式

隨著寬帶業務的逐步發展，伴隨寬帶市場的激烈競爭，加之用戶對帶寬需求的增加以及更好的用戶體驗，以五類線入戶的FTTB+LAN方式逐漸演進為FTTH方式。在FTTH方式下，PON網絡組網結構雖然未發生重大變化，但是所使用的收發光模塊類型以及ODN結構存在變革。

由于ONU將直接入戶，導致PON網絡PON口分光比將擴大至 1∶64甚至更大，單PON口接入用戶數量從原先的256戶（1∶16分光，16口 MDU）減至約 64戶。因此，在FTTH模式下非常消耗PON口的數量資源。而FTTB+LAN模式下的VLAN分配方式卻只能支持單套OLT設備32個PON口。這對網絡規模、接入方式轉型等將造成瓶頸。若保持該資源分配方式，網絡建設的CAPEX及OPEX投入極不合理。因此，必須在現網VLAN資源分配方式基礎上進行優化及改進，以最小代價支持更多PON口的接入支持。

此外，FTTB+LAN方式的ONU以及FTTH方式下的配置模式完全不同，由于考慮到用戶接入的即時性以及業務申請/開通的快速性，ONT的配置應直接采用設備出廠默認配置，并使網絡具備VLAN資源靈活配置的功能。

基于上述瓶頸以及FTTH模式下的特殊性，一種改良型VLAN資源分配方式必須統一考慮上述因素，并以平滑過渡、對業務影響最小化為目標。

3.2.1 PON口組

在FTTH模式下，為保持SVLAN的基本格式，將引入PON口組概念，即將原有SVLAN與PON口的對應關系改變為單一SVLAN對應一組PON口。PON口組及VLAN的規劃思路示意如圖4所示。

在圖4(a)中，原有FTTB+LAN方式下為每一個PON口均分配了一個SVLAN（假設接入業務的SVLAN/CVLAN范圍為 512～1 023），根據 CVLAN字節的定義，每個 SVLAN下又有同樣數量（512～1 023）的 CVLAN可供使用，故單PON口下最大接入用戶數為512個，上述4個PON口共可接入用戶數量為2 048個。

在引入PON口組后（圖4(b)），同樣的4個PON口可以組成一個PON口組，而每個PON組只需要使用一個SVLAN（示例中舉例使用 SVLAN 512），而PON組下的每個PON口卻共用512～1 023個CVLAN，將單PON口存在VLAN廣播域擴展到4個PON口下。PON組劃分得越小，可供使用的CVLAN就越大，消耗的SVLAN也越多。因此，FTTB+LAN的VLAN方式可以視為一種PON口組容量為1個PON口的特殊情況。在上述示例中，4個PON口共組情況下，平均單PON口最大可接入用戶為128個。

3.2.2 VLAN字節規劃

回顧一下FTTB+LAN的VLAN結構定義，CVLAN的9～11 bit功能與SVLAN相同位一樣，VLAN資源浪費。因此，如何利用該重復資源，增強VLAN規劃對FTTH以及設備槽位端口等各種情況的支持度是本節討論的重點。

為了最大限度地兼容既有FTTB+LAN的VLAN劃分格式，同時又考慮PON口組的特點，將FTTH模式下的SVLAN規劃定義如下。

其中，SVLAN的字節定義與既有分配規劃方式保持一致，但0～4 bit不再標識單一PON口，而標識PON口組，取消了單PON口與單SVLAN的對應關系，釋放SVLAN的需求，具體如圖5所示。

引入PON口組后，CVLAN資源的共享問題將會成為潛在的瓶頸。因此，為彌補CVLAN的潛在缺失性，取消原CVLAN的9～11 bit定義業務類型的功能，將其12 bit全部用來指定用戶數量，最大接入用戶數量為1 000個。具體定義如圖6所示。

因此，當FTTH接入且單PON口接入用戶數量控制在64戶時，最大PON口組容量約為15個，可節約SVLAN資源15倍，解決了FTTH對PON口的高消耗導致SVLAN資源匱乏的問題。當FTTB接入且單PON口接入用戶數量控制在512戶時，最大PON口組容量為4個，節約SVLAN資源4倍，可提升FTTB+LAN方式的建設密度及規模。

（1）靈活的VLAN配置機制

為支持FTTH業務的開通，僅實現上述VLAN規劃方式仍然不夠。FTTH業務的開通特點主要體現為簡單、高效、方便。因此，如果沿用FTTB+LAN的配置方式，則將大大束縛業務開通流程，主要的瓶頸在于對個性化業務端口的配置、VLAN資源的實時指定等情況。所以，在FTTH業務發展為主的時代，必須改變用戶UNI接口側的VLAN配置機制。

結合設備功能的進一步強大及系統的完善，一種靈活的VLAN配置方式引入C’VLAN，能夠實現用戶側CVLAN及PON系統內用戶實際VLAN信息C’VLAN之間的切換及映射。為方便下面討論的方便，該方式簡稱為S+C’方式，而原VLAN規劃方式為S+C方式。

當用戶業務開通時，面向用戶的ONU設備均以CVLAN進行資源申請。CVLAN的定義與FTTB方式下完全不同，僅需要符合ONU設備端口數量即可，即假設CVLAN以101開始計取，則4端口ONU的CVLAN為101～104，8端口ONU的CVLAN為101～108，以此類推。

CVLAN的字節定義如圖7所示。

圖8示意了FTTH模式下VLAN資源分配及配置過程，清晰地體現了CVLAN、C’VLAN和SVLAN之間的關系，并展示上述VLAN資源在各個PON系統網元內的分配及調度情況。

首先，ONU以設備出廠CVLAN配置值發起業務連接需求，每條業務的CVLAN、ONU端口號以及ONU設備ID號將成為惟一標識接入業務的特征組。

當業務匯聚至OLT時，OLT網元根據特征組的不同，分配已預規劃的C’VLAN值。C’VLAN值僅適用于PON系統范圍內，向下對用戶不可見；向上對匯聚交換機不可見。同時，OLT根據業務類型標記外標簽SVLAN。在PON網絡中，S+C’的標識必須保證惟一性。

最后，當二層數據包出OLT設備網元后，保留S+C’格式，并上聯至多業務分流交換機。

3.3 多種模式下的VLAN規劃方式

在以FTTH為主要發展方式的背景下，S+C’的VLAN分配方式能夠較好地解決FTTH對PON口消耗的嚴重性，并能支持槽位及端口更密集的設備。但是對于網絡現存以及今后發展存在的FTTB+LAN接入方式，存在多種接入模式混合接入的情況。在該情況下，應充分利用S+C’方式對S+C的良好兼容性，采用全網統一的S+C’分配方式。

對于在網的OLT業務，由于S+C’只不過是S+C’方式的一種特例，原則上PON網絡VLAN分配方式的變更不會造成業務的中斷。

3.4 VLAN資源調整對其他網元的影響

從網絡結構角度，PON系統上聯匯聚交換機，承載有線寬帶業務，最終接入運營商PE及P設備中。從計費、認證角度，各種運營商采用不同的計費及認證方式，并對PPPoE及固定IP方式采用相異化處理。從業務開通角度，前臺受理、資源調度以及網絡管理等均需要用戶ID、密碼等信息。基于上述各種考慮因素，采用S+C’方式的VLAN資源分配方式下，對網絡各種網元的影響評估如下。

（1）對匯聚交換機的影響

由于S+C’方式充分兼容現網S+C方式，因此以SVLAN為主要識別對象的匯聚交換機不應改變VLAN分配方式而發生配置及數據制作上的變化。

（2）對 BRAS 的影響

BRAS主要對家庭用戶 （FTTx）數據進行VLAN終結并識別其中的IP地址。BRAS設備需要讀取VLAN的 24 byte。當改變為S+C’方式后，需要令BRAS對CVLAN的識別范圍擴充至0～4 KB。但并不改變SVLAN以及原有業務已配置的VLAN，故BRAS對現網數據可以保持不變，業務不發生中斷，但需要做部分數據調整，改動較小。

（3）對 SR 的影響

與BRAS類似，SR設備需要對CVLAN的識別擴充至0～4 KB。因此，原有業務將不發生中斷，但SR上需要作適當局數據調整。

（4）對支撐系統的影響

寬帶認證平臺：在平臺支撐新VLAN規劃的情況下，可能涉及業務受理接口的改造以及已受理的業務數據割接。

家庭寬帶受理平臺：可能會涉及VLAN資源管理、家庭寬帶業務受理等功能模塊的改造以及已受理業務數據的割接。

資源調度管理支撐系統：根據FTTH/FTTO的接入需要，開通相關業務支撐及開通功能，系統需要新功能模塊的開發。

4 結束語

本文從VLAN規劃角度，重點分析了采用FTTH/FTTO接入方式下所帶來的變化及影響。為保證業務的暢通及平滑演進，文章提出了一種新型的VLAN規劃方式。該方式以引入C’VLAN及PON口組為主要方式，既解決了FTTH方式下PON口需求激增的瓶頸，又能夠平滑支持FTTB+LAN的業務開通方式，能夠對更密集設備提供長遠的支撐。

由于各運營商的數據寬帶網絡結構存在不小的差異，本文僅以常規網絡的結構及網絡功能進行VLAN規劃方式的研究。

1 Lung B.PON architecture “futureproofs” FTTH.Lightwave,1999,16(10):104～107

2 Glen Kramer,Keiji Tanaka.Advances in optical access network.Optical Society of America,2005

3 Fang Luyuan,Nabil Bitar,Zhang Raymond,et al.The evolution of carrier ethernet services-requirements and deployment case studies.IEEE Communications Magazine,2008(3):69～76

4 Samer Salam,Ali Sajassi.Provider backbone bridging and MPLS_complementary technologies for next-generation carrier ethernet transport.IEEE Communications Magazine,2008(3)