EPON系統環網保護組網方式

劉小麗

（深圳鍵橋通訊技術股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

以太網無源光網路（EPON，Ethernet Passive Optical Network）是由IEEE802.3EFM提出的1種采用點到多點網絡結構、無源光纖傳輸方式、基于高速以太網平臺和TDM時分MAC媒體訪問控制方式提供多種綜合業務的寬帶接入技術[1]。EPON通過1個單一的光纖接入系統，實現數據、語音及視頻的綜合業務接入，具有高帶寬、低成本對IP 業務支持好、技術成熟和維護簡單等特點，被認為是最有前景的下一代接入網技術之一[2-3]。EPON系統由光線路終端（OLT，Optical Line Terminal），光網絡單元（ONU，Optical Network Unit）以及光分路器組成，是OSI參考模型中的數據鏈路層的網絡設備，IEEE 802. 3協議把數據鏈路層分為MAC子層、邏輯鏈路控制子層及可選的MAC控制子層[4]。

接入網（Access Network）是電信網的重要組成部分，位于電信網的最低層，是電信網向用戶提供業務服務的窗口。接入網常見的拓撲結構有樹形，環形和總線型。在很多重要的應用場合，要求接入網具有快速保護倒換功能。保護是指在故障發送前為工作實體指定了備用資源，并可保證備用實體的帶寬資源，從而實現在故障發生時的快速自愈。IEEE 802.17 定義了MAC 層規范，綜合傳統電信網SDH和計算機以太網的優點，設計了1種彈性的、面向分組、帶寬利用率更高的光纖傳輸技術，即彈性分組環（RPR，Resilient Packet Ring）[5]。

EPON有比RPR更優異的環網保護性能，EPON提供不同路由的線路備用/冗余，為不同的接入網應用環境提供不同的保護倒換方案。

1 快速以太環網技術

ITU-T G.8032給出了以太環網的組網目標及定義，規范了電信級以太網(CE)環網技術[6]。以太環網保護技術可以歸納為 4項技術的疊加:標準 MAC交換+改進的生成樹算法+以太故障檢測OAM+簡單的環網控制協議。通過環網控制協議將物理的環破解成邏輯的鏈, 并利用改進的生成樹協議和 MAC交換完成保護切換[7]。EPON系統中的OLT設備，通過快速以太網環網保護技術，在以太網環上組環，實現業務的冗余保護。

以太網環上的OLT設備分別為主節點和傳輸節點。選取環網上的1臺OLT設備為主節點，其它所有OLT設備為傳輸節點。主節點上的主端口發送環網探測報文，主節點從次端口接收環網探測報文，判斷環網拓撲是否完整。在拓撲完整的情況下，次端口阻塞數據報文，防止產生環路；在環網發生鏈路中斷之后，次端口轉發數據報文。主節點和傳輸節點之間通過1個專用的控制VLAN(虛擬局域網)交互協議報文，環網端口加入控制VLAN，保證協議報文可以正常收發。

2 OLT的以太環網保護機制

2.1 環路探測與控制

在正常情況下，主端口轉發數據報文，次端口處于阻塞狀態。主節點通過主端口發送探測報文，經過其它所有的傳輸節點最后到達次端口。若次端口持續收到探測報文，則保持對數據VLAN的阻塞。若次端口超過1個周期未收到探測報文，主節點就從正常狀態轉移到環失效狀態，并且開啟次端口。同時，主節點刷新自己的 MAC地址表，并向環網中所有節點發送1個控制幀，命令各傳輸節點也刷新自己的 MAC地址表。在刷新地址表后，各節點重新開始學習新的拓撲。

若次端口收到探測報文，則認為環網恢復，此時主節點開始阻塞次端口，更新本地拓撲信息并通知其它節點老化地址表。圖1為以太環網拓撲圖，其中，S1是主節點，S2，S3，S4是傳輸節點，S1連接S4的端口是主端口，S1連接S2的端口是次端口，其它設備連接環網的端口都是傳輸端口。

2.2 斷路警告與環網重建

如果1個傳輸節點檢測到了它的任何1個傳輸端口出現故障（Link Down），傳輸節點會立即向主節點發起1個Link Down控制VLAN幀。當主節點接收到控制幀，認為環網失效，此時主節點放開次端口對數據VLAN的阻塞，老化本地MAC地址表，并發送控制報文通知其它節點。

圖1 OLT千兆以太冗余環網

傳輸端口恢復之后，并不立即開始轉發數據VLAN報文，而是進入“預轉發”狀態，僅轉發和接收控制 VLAN的控制報文。該端口進入預轉發狀態后，次端口重新收到主端口發出的探測報文，主節點重新阻塞次端口阻塞，并向外發送老化地址表通知。包含預轉發狀態端口的傳輸節點收到老化地址表通知之后，刷新MAC地址表，開放預轉發狀態的端口，恢復正常。若傳輸節點在1個可配置的時限內未收到主節點的老化地址表通知，可以認為到達主節點的鏈路失效，傳輸節點自行將預轉發狀態的端口設置為轉發態[8]。

3 光纖線路保護與組網方式

3.1 PON口光纖保護類型

整個EPON系統采用光纖保護倒換機制，冗余保護，也可以達到增加網絡可靠性和生存性的目的。冗余可以是整個PON冗余，如主干和分支均保護的樹形 PON，也可以是部分冗余，比如 PON的主干或分支光纖冗余[9]。本組網方式中采用的OLT支持兩種光纖保護類型：主干光纖保護和全保護[10]。

主干保護的樹形PON如圖2所示。主干光纖、OLT發送機和接收機是PON中最關鍵的部件，其中任何1個出現故障則PON所有用戶將丟失業務。在該方案中，OLT配備有主用和備用兩套光收發器、采用兩個不同路由的主干光纖連到2：N光分路器。備用的OLT PON端口處于冷備用狀態，由OLT檢測線路狀態、OLT PON端口狀態，一旦檢測到鏈路故障，OLT倒換到備用收發器。這種結構可以實現以最少的冗余提供關鍵部件的保護。

圖2 主干光纖保護結構

主干和分支均保護的樹形PON，即全保護方式。該保護包括OLT PON口、主干光纖、光分路器、配線光纖冗余保護，如圖3所示。這種結構的PON有2根主干光纖連到2N個分支上（每個ONU 2根分支），下行方向的信號通過2個1：N的分路器連接，ONU的2個PON口都接入光纖，主、備用的OLT PON端口均處于工作狀態。在 PON端口前內置光開關裝置，由ONU檢測線路狀態，并決定主用線路，倒換應由ONU完成。當其中1個PON口或者是光分路器出現故障時，可以通過另一個 PON口實現ONU在OLT上的快速注冊，使倒換業務時間盡可能地縮短。

圖3 全保護結構

全保護和主干光纖保護，這2種光纖保護倒換都可以通過自動倒換和強制倒換進行，實現光纖的冗余保護。其中，自動倒換是由故障發現觸發，如信號丟失或信號劣化等引起的；強制倒換是由管理事件觸發，人工實現的。結果表明，在保證其它線路正常工作的情況下，這兩種環路保護倒換機制都可以達到小于50 ms的電信級要求。

3.2 ONU的手拉手保護組網方式

EPON具有靈活的組網方式，其中主要包括星型、鏈型、混合型、手拉手型等多種組網方式。雙總線手拉手拓撲特點：使用雙PON口的ONU分別通過不同的分光器注冊到2個OLT上，PON口提供主備保護，正常狀態時只有一個PON工作，當出現故障時，會自動倒換到另一個PON上。2個OLT分別處于不同的地理位置，共同的路由到控制中心，符合電力配網輸電結構，能在不改變原有光纖結構的情況下，實現全光路保護，不同地理位置設備的檢修不影響整個業務傳輸，可靠性高。拓撲結構如圖4所示。

圖4 手拉手保護組網方式

4 結語

環形網絡拓撲可以提供靈活快速的保護，環上節點數與設備性能、業務流量、傳輸距離相關，理論上沒有限制，與星型拓撲和總線型拓撲相比，有更高的應用價值。光纖保護的 2種模式能分別對于主干光纖和分支光纖進行保護，可靠性較高。通過手拉手組網方式來對ONU進行冗余保護，節省光纖資源，可以使用在對于業務要求較高的終端，由2個OLT承擔故障風險，將業務保護的效率提高了一倍，同時也便于排查故障ONU，減少工作量。

通過以太網環網技術和手拉手保護組網方式，分別對OLT的環路，PON口光纖以及ONU進行備份保護，可以節省光纖資源，實現電信級以太網50ms保護倒換，提高業務可靠性，實現了從終端到接入網線路的全部保護。隨著環網保護技術和組網方式的不斷深入研究和完善，結合不同廠家技術和設備特點，用戶實際的需求將會更高效地滿足。

[1] YD-T 1475-2006.接入網技術要求—基于以太網方式的無源光網絡（EPON）[S].北京:中華人民共和國信息產業部, 2006.

[2] 張杰，趙子儀，付疆.一種EPON-WiMAX 融合網絡帶寬分配算法[J].信息安全與通信保密, 2011(10):58.

[3] 李鷹. EPON 加密系統的設計和實現[J].信息安全與通信保密, 2009(11):79.

[4] 曹云鵬, 錢敏, 楊翠軍. 雙速自適應以太網MAC設計及FPGA驗證[J].通信技術, 2010，43(11):87-88.

[5] 周先軍,周丹,李利榮,等. IEEE 802 標準分析[J].通信技術,2009,42 (07) :255.

[6] ITU-T G.8032/Y.1344. Ethernet Ring Protection Switching[S]. USA: ITU-T, 2010.

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[8] 沈一波.工業以太網快速自愈環技術的研究[D].浙江:浙江工業大學, 2010:25-27.

[9] 陳雪,格倫.克雷默.基于以太網的無源光網絡,[M].北京:北京郵電大學出版社,2007: 171-172

[10] CIRCIORA W, FARMER J, LARGE D. Modern Cable Television Technology[M].American:Morgan Kaufmann Publishers,1999.