EPON系統遠端設備升級方案淺析

田 芳，曾 顏，熊中柱

（光纖通信技術和網絡國家重點實驗室 烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430074）

責任編輯:許 盈

0 引言

隨著電信技術的不斷發展，電信業務的需求正逐漸從簡單語音向數據、多媒體、綜合業務等發展，人們對網絡帶寬提出了更高的要求。傳統的接入方式已無法滿足大量信息傳送的需求。以太網無源光網絡（EPON）憑借其組網靈活、業務提供能力強大、技術成熟、維護成本低廉等優勢，成為運營商“光進銅退”建設中的技術首選。光網絡單元（ONU）作為EPON系統的一種遠端設備，具有設備使用量大、分布較為廣泛的特點，對其的管理和維護也就成為了運營商極為關注的問題[1-4]。支持光線路終端（OLT）對ONU設備進行快速、穩定的遠程升級是PON系統必須滿足的基本功能之一。本文對EPON系統為ONU進行遠程升級的傳統方案中存在的缺陷進行了分析，針對這些缺陷提出一種利用基于IEEE 802.3ah標準的下行報文代替傳統升級方案使用的OAM報文對遠端設備進行遠程升級的改進方案，該方案可以縮短升級過程的等待時間，使升級過程更穩定。

1 PON系統結構概述

在現有網絡層次結構中，PON系統位于接入層，PON系統的結構如圖1所示。PON通過網絡側接口與業務節點相連，通過用戶側接口與用戶端設備相連。其中，OLT為局端設備，ONU為客戶端設備，ODN為光分配網絡。一個OLT下可以連接多個ONU。OLT到ONU為下行方向，反之為上行方向。

2 傳統EPON系統中ONU設備升級的方案分析

在EPON系統組網中，OLT通常放置在局端的中心機房，而ONU則放置在用戶所在的小區、樓道或家中。一般，OLT與ONU之間的距離最長可達20 km。因此，如何使OLT對ONU進行快速、穩定的遠程升級就顯得相當重要。

2.1 系統遠程升級過程

通常OLT對遠端ONU設備進行遠程升級，可分為3個過程:第一過程，OLT將升級軟件發送給ONU，使ONU獲得升級軟件；第二過程，ONU將OLT發送的升級軟件寫入自身的存儲區（Flash）；第三過程，ONU通過寫入Flash的升級軟件進行重新啟動運行。

2.2 傳統升級方案的弊端

在實際應用中發現，傳統的升級方案存在一定的弊端:

1）OLT將升級軟件發送給ONU的過程中可能存在升級速度慢的問題。《中國電信EPON技術要求》中指出，在EPON系統中，OLT應支持基于TFTP協議和OAM機制的ONU軟件遠程升級功能，用于軟件/固件的遠程下載的信息由OAMPDU承載[5]。在升級的第一階段，OLT要將升級軟件進行拆分封裝進OAM報文，再將這些OAM報文逐個發送給ONU。但是，IEEE 802.3ah[6]標準中規定OAM報文的傳輸速率為每秒鐘不超過10幀且每幀不超過128 byte。除去OAM報文的報頭，每幀大致可攜帶100 byte，那么系統每秒鐘發送給ONU的升級軟件大小只有1000 byte，這就限制了傳輸升級軟件的速度，使得升級等待時間過長。

2）不支持并行方式的批量升級。IEEE 802.3ah標準中規定了OAM報文不支持廣播方式發送，只能以點對點的方式發送，所以當OLT對多個ONU同時升級的時候，就會使升級ONU的過程變得十分繁瑣，同時也會增加升級的等待時間。

3）如果ONU寫入Flash的升級軟件出現異常，或者設備軟件升級過程中遭遇電力或者鏈路故障導致升級失敗，再或者ONU無法正常工作（由ONU判斷）等特殊情況，都會直接導致ONU升級失敗。這主要是由于該升級方法不支持升級失敗回滾，一旦ONU升級失敗，將會導致ONU不能啟動。這對運營商和用戶而言都會帶來很大的損失。

3 優化的遠程升級方案

鑒于傳統升級方案存在的種種弊端，需要對上述的升級方法進行優化改善，優化后的升級方法不僅升級速度快，支持并行的批量升級，還可支持軟件升級失敗后的自動回滾，即讓ONU在軟件升級失敗后能夠自動回滾到原來的版本。

3.1 設計方案

優化的升級方案是針對原有升級方案中存在的弊端提出的。

1）利用基于802.3ah標準的下行報文替代OAM報文封裝升級軟件。

先對需要升級的目的ONU設置邏輯鏈路標識LLID，然后由OLT將升級軟件拆分并封裝到設置的基于IEEE 802.3ah標準的下行報文中，該報文要用目的ONU的LLID進行標識，ONU可根據OLT廣播過來的下行報文中所攜帶的LLID來確定是否接收該下行報文。由于設置的基于IEEE 802.3ah標準的下行報文可以由OLT根據當前EPON的情況來設置傳輸速率，這樣就可以提高升級速度，縮短升級等待時間。且可以通過廣播的方式發送給多個ONU，并支持批量升級。

2）利用下行報文可通過廣播方式發送給多個ONU的特點解決并行批量升級問題。

由于設置的基于IEEE 802.3ah標準的下行報文可以通過廣播的方式發送給多個ONU，故可以對多個ONU設備劃定一個組播組，并在基于IEEE 802.3ah標準的下行報文中設置一個組播MAC地址，利于ONU識別，利用組播的模式完成對ONU設備的并行批量升級。

3）針對ONU升級失敗后不支持軟件回退的弊端，可以通過在ONU的存儲區（Flash）中設置一個引導軟件（BOOT）部分進行判斷來解決，該部分與現有技術方案基本相同，不作為本文的論述重點。

將ONU的Flash劃分為4個部分，具體結構如圖2所示。

軟件引導部分主要是通過判斷ONU軟件的校驗和來引導ONU重啟后運行升級軟件還是備份軟件；第2部分是用來存儲OLT發送給ONU的升級軟件；第3部分是用來存儲ONU的備份軟件，通常為ONU進行升級之前所運行的軟件；第4部分是空閑部分。ONU升級重啟時，Flash的BOOT部分會通過計算存儲的升級軟件的校驗和來引導ONU是選擇升級軟件還是備份軟件進行重啟。ONU通過Flash中BOOT部分的判斷來完成升級重啟后，重新接入OLT的動作。這樣就可以保證ONU在升級失敗后仍然可以回退到原來的軟件版本，并可以重新接入OLT。

3.2 設計流程

根據上文提出的思路，可以設計一個優化的升級方案來解決文中提到的弊端，具體的軟件設計流程如圖3所示。

步驟1:給目的ONU設置邏輯鏈路標識LLID，OLT先將升級軟件分片，拆分成相同大小的若干部分，再將拆分后的若干軟件分片分別封裝到設置的基于IEEE 802.3ah標準的下行報文中，同時該報文還需攜帶LLID，該LLID可以是目的ONU的LLID或者是廣播LLID。

步驟2:OLT將下行報文依次廣播給其管轄的ONU。此時，由于廣播發送的下行報文的速率可以由OLT來設定，故而可以提高升級的速度。由于ONU會將接收到的下行報文交給自身的CPU進行處理，為防止OLT由于快速下發大量的下行報文而導致ONU的CPU隊列堵死，所以要對下行報文的廣播速率進行限制。廣播完成后，OLT采用點對點的方式向目的ONU發送通知升級的報文，告知目的ONU已將全部升級軟件廣播，該報文中攜帶有目的ONU的LLID、升級軟件的長度和校驗和等。

步驟3:OLT管理的ONU通過判斷廣播接收到的多個下行報文中攜帶的LLID是否為自身設置的LLID，或為廣播LLID來決定是否接收這些下行報文，如果相同則轉入步驟5；否則，轉入步驟4。

步驟4:OLT管理的ONU不為目的ONU，則該ONU不接收通過廣播發送的下行報文，升級過程直接結束。

步驟5:OLT管理的ONU為目的ONU，則該ONU依次接收通過廣播發送過來的多個下行報文；目的ONU接收到下行報文后，進一步判斷下行報文中設置的MAC地址是否為自身的MAC地址或組播MAC地址，如果是，則轉入步驟7；否則，將轉入步驟6。

步驟6:目的ONU的MAC地址與廣播來的下行報文中的MAC地址不一致，則該ONU直接將該下行報文轉發給具有報文中設置的MAC地址的ONU。

步驟7:下行報文中設置的MAC地址為目的ONU自身的MAC地址或組播MAC地址，則目的ONU將接收的下行報文交給自身的CPU進行處理，將升級軟件依次進行存儲，同時，目的ONU還要判斷是否接收到通知升級的報文，如果是，轉入步驟8；否則，繼續執行步驟7。

步驟8:目的ONU接收到通知升級報文后，給OLT發送回應報文，回應報文中攜帶有目的ONU是否完整接收到升級軟件的信息。

步驟9:目的ONU將接收到的升級軟件進行重組并存放到Flash的第2部分中。

步驟10:目的ONU通過Flash中的軟件引導（BOOT）部分對ONU中存儲的升級軟件的長度計算校驗和，通過計算后的結果來判斷是否升級重啟，如果計算的校驗和正確，則轉入步驟11；否則，轉入步驟12。

步驟11:目的ONU中存儲的升級軟件是完整可用的，該ONU采用OLT通過廣播發送來的升級軟件啟動并接入OLT運行，升級結束。

步驟12:目的ONU中存儲的升級軟件異常或升級過程中出現異常情況，該ONU采用備份軟件啟動并接入OLT運行，升級結束。

4 遠程升級方案對比

所設計的優化的遠程升級方案是在原有的升級方案的基礎上，針對其弊端提出的。下面對兩種升級方案的優劣進行對比。

1）升級速度對比

現行的遠程升級方案中封裝升級軟件報文均使用OAM報文，并且每秒僅能傳送不超過10幀，且每幀不超過128 byte的報文，單位時間內所傳送的升級軟件報文的信息量較小，改進后的升級方案使用基于IEEE 802.3ah標準的下行報文，該報文在單位時間內所傳送的升級軟件報文的信息量要比OAM報文傳送的升級軟件報文的信息量大，單位時間內的效率更高，因此改進后的升級方案可以提高速度，縮短升級過程中用戶的等待時間，使升級過程的效率更高。

2）批量升級對比

由于現行的遠程升級方案中OAM報文不支持廣播方式發送，只能以點對點的方式發送給遠端設備，所以現行的升級方案所支持的是串行的批量升級方式，但是改進后的升級方案使用的是基于IEEE 802.3ah標準的下行報文，該報文可通過廣播方式發送給多個ONU，因此改進后的升級方案可以支持多臺遠端設備進行并行的批量升級，縮短批量升級的時間，使批量升級過程的效率更高。

5 小結

對EPON系統中的遠端設備進行遠程升級是系統必須滿足的基本功能。本文主要針對EPON系統中OLT對ONU進行遠程升級的傳統方案中存在著升級速度慢、無法批量的弊端，提出利用基于IEEE 802.3ah標準的下行報文替代OAM報文封裝升級軟件的方法解決升級速度慢的問題，同時利用下行報文可通過廣播方式發送給多個ONU的特點解決并行批量升級問題。改進后的升級方案不僅可以提高升級的速度，同時可以支持多臺ONU設備進行并行批量升級，提高系統升級工作的效率。

[1]龔濤.向以太網無源光網絡中的光網絡單元發送升級軟件的方法:中國，200510112772.5[P].2006-04-26.

[2]熊偉成.EPON技術及市場應用[J].電信網技術，2007（2）:70-73.

[3]鄒蓉.基于EPON技術的接入網實施方案[J].科技信息，2009（3）:71.

[4]程樹文.EPON系統實用化設計與探討[J].電視技術，2006，30（10）:8-11.

[5]中國電信.中國電信EPON設備技術要求v2.1[EB/OL].[2011-01-04].http://wenku.baidu.com/view/786fb9eb19e8b8f67c1cb9ec.html.

[6]IEEE Std 802.3ah-2004，以太網接入標準&EPON-MAC標準[S].2004.