EPON系統(tǒng)中ONU告警仿真的設(shè)計與實現(xiàn)

朱 靜，武樹斌，黃 準，郝愿愿，姚 方

(光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家實驗室;烽火網(wǎng)絡(luò)有限公司，湖北 武漢 430074)

本文設(shè)計的模擬ONU軟件，運行于機架式OLT的模擬單盤上，起到系統(tǒng)仿真驗證的作用，對于提高系統(tǒng)的性能意義重大。與通常的交換網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境不同，光接入網(wǎng)的OLT設(shè)備組網(wǎng)會接入大量的ONU終端，運行期間需要實現(xiàn)對所有的ONU終端進行批量或單個管理，完成ONU終端的發(fā)現(xiàn)、授權(quán)、配置、查詢、報警管理和性能統(tǒng)計等功能。單臺機架式OLT設(shè)備需要管理的ONU個數(shù)多達4000個以上，系統(tǒng)管理開銷較大，會給系統(tǒng)正常運行帶來極大地沖擊。而采用大量的實際ONU物理設(shè)備模擬，測試環(huán)境的搭建和維護都非常困難，采用模擬ONU工具，非常好地解決了這個問題，取得了良好的效果。本文描述的ONU模擬軟件可以模擬大規(guī)模ONU在線，模擬ONU發(fā)起大量告警，同時具備自統(tǒng)計功能，用來測試OLT的告警管理能力和EMS系統(tǒng)的承受負載沖擊能力是否能夠滿足設(shè)計要求。

1 EPON系統(tǒng)原理介紹

1.1 EPON系統(tǒng)簡介

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)技術(shù)［1］是一種基于以太網(wǎng)技術(shù)、點到多點的光纖接入技術(shù)。一個典型的EPON系統(tǒng)由 OLT(Optical Line Terminal)、ONU(Optical Network Unit)、POS(Passive Optical Splitter)組成［2］。在下行方向，IP數(shù)據(jù)、語音、視頻等多種業(yè)務(wù)由位于中心局的OLT，采用廣播方式，通過ODN中的1∶N無源分光器分配到PON上的所有ONU單元。在上行方向，來自各個ONU的多種業(yè)務(wù)信息互不干擾地通過ODN中的1∶N無源分光器耦合到同一根光纖，最終送到位于局端OLT接收端。其關(guān)系如圖1所示。

圖1 EPON組成結(jié)構(gòu)圖

在典型的EPON系統(tǒng)中，每臺機架式OLT設(shè)備可以裝載4塊模擬單盤，每塊模擬單盤有16個PON端口，每個端口可以接入64個ONU設(shè)備，所以每臺OLT可帶4096個ONU設(shè)備。當ONU設(shè)備出現(xiàn)批量斷電或恢復(fù)電源的情況時，就會出現(xiàn)大量ONU設(shè)備下線或上線的情況，這樣就會有大量的告警消息上報給圖形化網(wǎng)管，當發(fā)生大量的告警消息時，OLT設(shè)備的CPU利用率和內(nèi)存利用率都會增加，同時，圖形化網(wǎng)管的告警處理時間也會增加，處理效率會降低。

EPON的基本功能［3］是實現(xiàn)對ONU和PON端口的管理，實現(xiàn)OLT的PON芯片管理和ONU的芯片管理，EPON的OLT對ONU的管理中主要通過中國電信擴展的OAM完成。擴展的OAM支持以下ONU的管理功能:擴展的OAM發(fā)現(xiàn)(Extended OAM Discovery)和能力通告(Capability Notification);ONU的基本信息和能力通告;與攪動功能相關(guān)的密鑰交換、更新和同步功能;與DBA功能相關(guān)的DBA參數(shù)讀取和設(shè)置功能;用戶端口配置功能(Configuration of User Ports)和管理;VLAN配置和管理;組播相關(guān)功能的配置;QoS相關(guān)配置，包括業(yè)務(wù)流分類和標記等;reset ONU等Action功能;ONU的軟件下載功能;基于邏輯標識的ONU認證;ONU的事件通告;ONU語音業(yè)務(wù)的配置和管理。

1.2 EPON系統(tǒng)中ONU告警的處理流程

ONU告警處理對系統(tǒng)維護有重要作用，告警從級別上分為緊急告警、重要告警、一般告警、次要告警等級別，系統(tǒng)通過分級別的告警管理［4－5］，有利于管理員利用圖形化網(wǎng)管實時掌握系統(tǒng)運行狀況，進行故障定位等操作。告警從類型上分為設(shè)備告警(例如系統(tǒng)電源異常告警和電源模塊插拔告警等)、模擬單盤告警(例如PON模擬單盤的插入拔出，未知模擬單盤類型等)、PON/NNI口端口告警(例如光模塊發(fā)射光功率低于/超過門限值，光模塊光信號丟失/恢復(fù)等)、ONU設(shè)備告警(例如ONU注冊成功、ONU電源關(guān)閉、手動注銷ONU等)、ONU以太網(wǎng)端口告警(例如ONU以太網(wǎng)端口環(huán)回檢測、ONU以太網(wǎng)端口從啟動狀態(tài)改變到禁用，ONU以太網(wǎng)端口從禁用狀態(tài)改變到啟用等)。

EPON系統(tǒng)對ONU告警的處理主要在模擬單盤中完成，其告警處理流程如圖2所示，設(shè)備檢測到故障后將告警傳遞到PON芯片驅(qū)動模塊，PON芯片解析后將告警消息上報給消息分發(fā)模塊。消息分發(fā)模塊根據(jù)告警消息進入告警分發(fā)入口，將告警消息繼續(xù)上報給ONU管理模塊。ONU管理模塊根據(jù)告警類型將告警上報給告警處理模塊，告警處理模塊對告警進行解析處理，并上報給圖形化網(wǎng)管［6］，圖形化網(wǎng)管根據(jù)告警類型對告警進行處理后，更新設(shè)備的告警狀態(tài)及設(shè)備拓撲圖。

圖2 告警處理流程

2 設(shè)計原理與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計原理

2.1.1 模擬ONU實現(xiàn)原理

EPON系統(tǒng)的機架式OLT由主控盤和模擬單盤組成，主控盤通過網(wǎng)管命令行對模擬單盤進行操作，模擬單盤一般包括ONU管理模塊、統(tǒng)計模塊、告警模塊、PON驅(qū)動模塊等。在PON系統(tǒng)的應(yīng)用中，OLT與其下面所掛載的ONU間的通信鏈路是分時復(fù)用的，即每個時刻只存在一個ONU與OLT通信，這在真實設(shè)備中由OLT的PON驅(qū)動模塊實現(xiàn)，在模擬ONU中同樣需要有這樣一個模塊來實現(xiàn)調(diào)度，故如圖3所示將模擬ONU設(shè)計為兩個部分:消息解析調(diào)度模塊和ONU模擬模塊。

圖3 模擬ONU的設(shè)計框圖

消息解析調(diào)度模塊接收到模擬單盤下發(fā)的命令后，進行消息解析，返回相應(yīng)的響應(yīng)或向ONU模擬線程傳遞配置參數(shù);同時該模塊還需要接收來自O(shè)NU模擬線程通過消息隊列上報的“自發(fā)”消息，并轉(zhuǎn)換為一定的格式后上傳給模擬單盤的ONU管理模塊或告警模塊;消息解析模塊還可以通過消息隊列向ONU模擬線程傳送命令(如啟動報警);對啟動的ONU個數(shù)及報警數(shù)量的自統(tǒng)計也由該模塊來完成。

ONU模擬模塊通過創(chuàng)建多個線程(0～4096)來模擬多個ONU，線程創(chuàng)建后即通過消息隊列發(fā)送上線或告警消息，模擬ONU線程發(fā)送完自發(fā)消息后進入等待啟動報警消息狀態(tài)，收到報警啟動消息后，開啟定時器，周期性地發(fā)送報警消息。

2.1.2 模擬ONU軟件設(shè)計

模擬ONU的主要功能是模擬ONU的上線/下線、定時報警以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。對于統(tǒng)計需求，依照目前的模擬單盤設(shè)計，只要能上報ONU的存在，查詢時模擬單盤的統(tǒng)計模塊就可以將設(shè)計好的數(shù)據(jù)表項(初始值為全零)發(fā)送到主控盤。故主要針對上下線及告警的功能模擬進行設(shè)計，其具體軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程圖

模擬ONU上線:網(wǎng)管命令行向模擬ONU發(fā)起啟動請求，包括需要啟動的ONU數(shù)量N、起始的MAC地址、注冊的PON端口號等。模擬ONU收到啟動請求后，初始化能力集表項，創(chuàng)建消息隊列，創(chuàng)建N個ONU的模擬線程并且分配對應(yīng)的MAC地址，然后將ONU的上線消息放入消息隊列，創(chuàng)建解析線程接收消息隊列并解析上線消息，最后將ONU上線消息上報給ONU管理模塊。

能力集查詢:ONU管理模塊對模擬ONU發(fā)起能力集查詢請求，模擬ONU收到請求后將初始化好的能力集表項填上相應(yīng)的MAC地址后返回給ONU管理模塊。

模擬ONU啟動告警:網(wǎng)管命令行向模擬ONU發(fā)起告警啟動請求，包括告警類型、告警頻率、告警狀態(tài)和告警數(shù)目。模擬ONU收到告警啟動請求后，如果告警狀態(tài)為0，表示啟動告警，ONU模擬線程啟動定時器，將相應(yīng)類型的告警消息放入消息隊列(當告警類型為0時，所有告警類型輪訓(xùn)啟動)，對告警數(shù)目進行統(tǒng)計，最后將告警消息和告警數(shù)目上報給告警模塊。

2.2 軟件實現(xiàn)方式

2.2.1 程序運行環(huán)境

模擬ONU軟件完全基于簽署時實時操作系統(tǒng)［7］，設(shè)備的CPU采用PowerPC架構(gòu)的通信處理器，與其他處理器相比，PowerPC處理器整合度高且具有技術(shù)先進性，它集成豐富I/O接口，集成以太網(wǎng)和存儲器控制器，支持各種通信協(xié)議CPM協(xié)處理器等，客戶無須設(shè)計復(fù)雜的外圍電路，減少設(shè)計復(fù)雜程度以及物料使用。PowerPC處理器的芯片可選范圍大，性能高，升級容易，研發(fā)周期短。不僅如此，PowerPC架構(gòu)具有很強的穩(wěn)定性、高可靠性和更長的產(chǎn)品壽命周期(通常10～15年)，苛刻條件下，芯片健壯性較好，適合工業(yè)級應(yīng)用。

操作系統(tǒng)采用VxWorks操作系統(tǒng)，VxWorks是一個運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它可以提供強大的嵌入式集成開發(fā)平臺Tornado等。Vx-Works實時操作系統(tǒng)具有良好的實時性和穩(wěn)定性，能高效地進行任務(wù)管理，靈活地進行任務(wù)間的通信，具有微秒級的中斷處理能力，方便移植、構(gòu)建的VxWorks支持包，同時支持多種標準，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)能力等。

2.2.2 軟件的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

模擬ONU軟件的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括能力集表項結(jié)構(gòu)、上線消息結(jié)構(gòu)、告警消息結(jié)構(gòu)、查詢能力集命令字等，其中能力集表項結(jié)構(gòu)記錄了所啟動的模擬ONU的一些基本信息，上線消息隊列記錄模擬ONU上線時需要的相關(guān)信息，告警消息結(jié)構(gòu)記錄了模擬ONU發(fā)起告警時需要的告警信息，查詢能力集命令字主要記錄的是軟件在實現(xiàn)過程中的幾個重要的命令字。

能力集表項結(jié)構(gòu)為:

上線消息結(jié)構(gòu)為:

告警消息結(jié)構(gòu)為:

查詢能力集命令字為:

2.2.3 軟件對外接口

模擬ONU軟件模塊有獨立的網(wǎng)管接口，該任務(wù)的執(zhí)行不影響其他任務(wù)。該模塊的開發(fā)目標是高內(nèi)聚、低耦合，不受特定版本BSP和SDK的限制［8］。其用戶界面采用CLI命令配置和查詢，與網(wǎng)管命令行的接口有啟動請求和啟動告警;無硬件接口，與OLT設(shè)備的ONU管理模塊和PON驅(qū)動模塊存在軟件接口。

2.2.4 軟件穩(wěn)健性設(shè)計

模擬ONU軟件啟動了多個線程，每個線程上報的ONUID和MAC地址都是唯一的，要求在多線程多任務(wù)同步，一個線程完成了某一個動作就通知其他線程資源可用，其他的線程再進行某些動作。為了保證不會被兩個ONU模擬線程同時占用而導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突，消息隊列中定義了信號量來進行保護。

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1 模擬ONU上線告警

按圖5所示配置測試的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，啟動模擬ONU，利用網(wǎng)管命令行輸入起始MAC地址00:00:00:00:00:01，所在PON端口號1和啟動5個模擬ONU;查看上線情況;啟動3個下線告警，利用網(wǎng)管命令行輸入告警啟動狀態(tài)、告警類型、告警頻率和告警數(shù)目。

圖5 測試網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

測試結(jié)果如下:

網(wǎng)管告警顯示如表1所示。

表1 網(wǎng)管告警顯示

結(jié)果分析:可以啟動模擬ONU并按需求完成模擬ONU的上線;可以發(fā)起告警，在網(wǎng)管上可以接收到。

2.3.2 模擬不同數(shù)量的ONU告警，查看系統(tǒng)性能和告警密度

按圖5所示配置測試的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，在啟動1024個線程情況下，分別啟動10個、100個、1000個告警，查看系統(tǒng)性能，包括主控盤CPU利用率、主控盤內(nèi)存利用率模擬單盤CPU利用率和模擬單盤內(nèi)存利用率。由如表2所示測試結(jié)果可知，本軟件能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模告警的產(chǎn)生，能實現(xiàn)對系統(tǒng)性能的測試，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

表2 啟動告警與系統(tǒng)性能比較

3 小結(jié)

本文提出了通過在主機接口層進行模擬ONU的軟件設(shè)計，用戶可以通過網(wǎng)管命令行CLI對ONU的個數(shù)、類型、告警、性能等各參數(shù)進行配置，測試EPON系統(tǒng)的性能。實驗結(jié)果表明，本模擬軟件接受來自主控盤和模擬單盤的CLI網(wǎng)管命令配置并具備自統(tǒng)計功能，可以模擬大規(guī)模ONU的告警行為并響應(yīng)EMS的性能統(tǒng)計查詢。對于工程應(yīng)用中常見的ONU設(shè)備批量上線、下線、告警等ONU終端動作起到良好的模擬作用，能夠驗證EMS系統(tǒng)是否能夠承受負載沖擊。同時，本模擬軟件也具備驗證主控盤的CPU處理能力、內(nèi)存占用率以及網(wǎng)管服務(wù)器的報警處理能力，達到了預(yù)期的研發(fā)目標。

［1］KRAMER G.Ethernet passive optical networks［M］.New York:McGraw－Hill，2005.

［2］IEEE 802.3ah，Local and metropolitan area networks，part3:CSMA/CD access methods and physical layer specifications［S］.2005.

［3］KRAMER G，MUKHERJEE B，PESAVENTO G.Ethernet PON(ePON):design and analysis of an optical access network［J］.Photonic Network Communications，2001，3(3):307－319.

［4］張繼東，陶智勇.EPON的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)［J］.光通信研究，2002(1):26－29.

［5］袁偉，金燕，陳彪.EPON技術(shù)實現(xiàn)機制及其最新發(fā)展探討［J］.電視技術(shù)，2005，29(8):70－72.

［6］郎為民，郭東生.EPON/GPON從原理到實踐［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［7］沈成彬，趙煥東，蔣銘，等.EPON設(shè)備互通性研究［J］.電信科學(xué)，2006(1):59－63.

［8］張碧瑩.以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)光線路終端的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.上海:東華大學(xué)，2010.