EPON系統中ONU告警仿真的設計與實現

朱 靜，武樹斌，黃 準，郝愿愿，姚 方

(光纖通信技術和網絡國家實驗室;烽火網絡有限公司，湖北 武漢 430074)

本文設計的模擬ONU軟件，運行于機架式OLT的模擬單盤上，起到系統仿真驗證的作用，對于提高系統的性能意義重大。與通常的交換網絡組網應用環境不同，光接入網的OLT設備組網會接入大量的ONU終端，運行期間需要實現對所有的ONU終端進行批量或單個管理，完成ONU終端的發現、授權、配置、查詢、報警管理和性能統計等功能。單臺機架式OLT設備需要管理的ONU個數多達4000個以上，系統管理開銷較大，會給系統正常運行帶來極大地沖擊。而采用大量的實際ONU物理設備模擬，測試環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模ONU在線，模擬ONU發起大量告警，同時具備自統計功能，用來測試OLT的告警管理能力和EMS系統的承受負載沖擊能力是否能夠滿足設計要求。

1 EPON系統原理介紹

1.1 EPON系統簡介

以太網無源光網絡(EPON)技術［1］是一種基于以太網技術、點到多點的光纖接入技術。一個典型的EPON系統由 OLT(Optical Line Terminal)、ONU(Optical Network Unit)、POS(Passive Optical Splitter)組成［2］。在下行方向，IP數據、語音、視頻等多種業務由位于中心局的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的多種業務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。其關系如圖1所示。

圖1 EPON組成結構圖

在典型的EPON系統中，每臺機架式OLT設備可以裝載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設備，所以每臺OLT可帶4096個ONU設備。當ONU設備出現批量斷電或恢復電源的情況時，就會出現大量ONU設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管，當發生大量的告警消息時，OLT設備的CPU利用率和內存利用率都會增加，同時，圖形化網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］是實現對ONU和PON端口的管理，實現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發現(Extended OAM Discovery)和能力通告(Capability Notification);ONU的基本信息和能力通告;與攪動功能相關的密鑰交換、更新和同步功能;與DBA功能相關的DBA參數讀取和設置功能;用戶端口配置功能(Configuration of User Ports)和管理;VLAN配置和管理;組播相關功能的配置;QoS相關配置，包括業務流分類和標記等;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語音業務的配置和管理。

1.2 EPON系統中ONU告警的處理流程

ONU告警處理對系統維護有重要作用，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，系統通過分級別的告警管理［4－5］，有利于管理員利用圖形化網管實時掌握系統運行狀況，進行故障定位等操作。告警從類型上分為設備告警(例如系統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(例如光模塊發射光功率低于/超過門限值，光模塊光信號丟失/恢復等)、ONU設備告警(例如ONU注冊成功、ONU電源關閉、手動注銷ONU等)、ONU以太網端口告警(例如ONU以太網端口環回檢測、ONU以太網端口從啟動狀態改變到禁用，ONU以太網端口從禁用狀態改變到啟用等)。

EPON系統對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，設備檢測到故障后將告警傳遞到PON芯片驅動模塊，PON芯片解析后將告警消息上報給消息分發模塊。消息分發模塊根據告警消息進入告警分發入口，將告警消息繼續上報給ONU管理模塊。ONU管理模塊根據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，并上報給圖形化網管［6］，圖形化網管根據告警類型對告警進行處理后，更新設備的告警狀態及設備拓撲圖。

圖2 告警處理流程

2 設計原理與實現

2.1 設計原理

2.1.1 模擬ONU實現原理

EPON系統的機架式OLT由主控盤和模擬單盤組成，主控盤通過網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、統計模塊、告警模塊、PON驅動模塊等。在PON系統的應用中，OLT與其下面所掛載的ONU間的通信鏈路是分時復用的，即每個時刻只存在一個ONU與OLT通信，這在真實設備中由OLT的PON驅動模塊實現，在模擬ONU中同樣需要有這樣一個模塊來實現調度，故如圖3所示將模擬ONU設計為兩個部分:消息解析調度模塊和ONU模擬模塊。

圖3 模擬ONU的設計框圖

消息解析調度模塊接收到模擬單盤下發的命令后，進行消息解析，返回相應的響應或向ONU模擬線程傳遞配置參數;同時該模塊還需要接收來自ONU模擬線程通過消息隊列上報的“自發”消息，并轉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個數及報警數量的自統計也由該模塊來完成。

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

2.1.2 模擬ONU軟件設計

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

圖4 軟件設計流程圖

模擬ONU上線:網管命令行向模擬ONU發起啟動請求，包括需要啟動的ONU數量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，創建消息隊列，創建N個ONU的模擬線程并且分配對應的MAC地址，然后將ONU的上線消息放入消息隊列，創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的MAC地址后返回給ONU管理模塊。

模擬ONU啟動告警:網管命令行向模擬ONU發起告警啟動請求，包括告警類型、告警頻率、告警狀態和告警數目。模擬ONU收到告警啟動請求后，如果告警狀態為0，表示啟動告警，ONU模擬線程啟動定時器，將相應類型的告警消息放入消息隊列(當告警類型為0時，所有告警類型輪訓啟動)，對告警數目進行統計，最后將告警消息和告警數目上報給告警模塊。

2.2 軟件實現方式

2.2.1 程序運行環境

模擬ONU軟件完全基于簽署時實時操作系統［7］，設備的CPU采用PowerPC架構的通信處理器，與其他處理器相比，PowerPC處理器整合度高且具有技術先進性，它集成豐富I/O接口，集成以太網和存儲器控制器，支持各種通信協議CPM協處理器等，客戶無須設計復雜的外圍電路，減少設計復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，研發周期短。不僅如此，PowerPC架構具有很強的穩定性、高可靠性和更長的產品壽命周期(通常10～15年)，苛刻條件下，芯片健壯性較好，適合工業級應用。

操作系統采用VxWorks操作系統，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。它可以提供強大的嵌入式集成開發平臺Tornado等。Vx-Works實時操作系統具有良好的實時性和穩定性，能高效地進行任務管理，靈活地進行任務間的通信，具有微秒級的中斷處理能力，方便移植、構建的VxWorks支持包，同時支持多種標準，具有豐富的網絡能力等。

2.2.2 軟件的主要數據結構

模擬ONU軟件的主要數據結構包括能力集表項結構、上線消息結構、告警消息結構、查詢能力集命令字等，其中能力集表項結構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上線時需要的相關信息，告警消息結構記錄了模擬ONU發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過程中的幾個重要的命令字。

能力集表項結構為:

上線消息結構為:

告警消息結構為:

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管接口，該任務的執行不影響其他任務。該模塊的開發目標是高內聚、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設備的ONU管理模塊和PON驅動模塊存在軟件接口。

2.2.4 軟件穩健性設計

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致數據沖突，消息隊列中定義了信號量來進行保護。

2.3 測試結果分析

2.3.1 模擬ONU上線告警

按圖5所示配置測試的網絡拓撲圖，啟動模擬ONU，利用網管命令行輸入起始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，利用網管命令行輸入告警啟動狀態、告警類型、告警頻率和告警數目。

圖5 測試網絡拓撲圖

測試結果如下:

網管告警顯示如表1所示。

表1 網管告警顯示

結果分析:可以啟動模擬ONU并按需求完成模擬ONU的上線;可以發起告警，在網管上可以接收到。

2.3.2 模擬不同數量的ONU告警，查看系統性能和告警密度

按圖5所示配置測試的網絡拓撲圖，在啟動1024個線程情況下，分別啟動10個、100個、1000個告警，查看系統性能，包括主控盤CPU利用率、主控盤內存利用率模擬單盤CPU利用率和模擬單盤內存利用率。由如表2所示測試結果可知，本軟件能夠實現大規模告警的產生，能實現對系統性能的測試，且系統性能穩定。

表2 啟動告警與系統性能比較

3 小結

本文提出了通過在主機接口層進行模擬ONU的軟件設計，用戶可以通過網管命令行CLI對ONU的個數、類型、告警、性能等各參數進行配置，測試EPON系統的性能。實驗結果表明，本模擬軟件接受來自主控盤和模擬單盤的CLI網管命令配置并具備自統計功能，可以模擬大規模ONU的告警行為并響應EMS的性能統計查詢。對于工程應用中常見的ONU設備批量上線、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、內存占用率以及網管服務器的報警處理能力，達到了預期的研發目標。

［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的發展現狀與關鍵技術［J］.光通信研究，2002(1):26－29.

［5］袁偉，金燕，陳彪.EPON技術實現機制及其最新發展探討［J］.電視技術，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設備互通性研究［J］.電信科學，2006(1):59－63.

［8］張碧瑩.以太網無源光網絡光線路終端的設計與實現［D］.上海:東華大學，2010.