以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和常見故障簡析

中國電信股份有限公司南京分公司網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)中心 唐維東

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和常見故障簡析

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闡述了MPCP（多點(diǎn)控制協(xié)議）中ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）注冊的詳細(xì)過程及在此過程中常見的故障，運(yùn)用總結(jié)了在實(shí)現(xiàn)EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議分析能力的設(shè)計(jì)與研發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)，提出以EPON協(xié)議的解碼分析為基礎(chǔ)的分析處理方法，為EPON中層出不窮的疑難故障提供一種定位和解決方案。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)；注冊；故障；多點(diǎn)控制協(xié)議；測距

0 引言

EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）在下行方向〔OLT（光線路終端）到ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）的方向〕，從傳輸上來說采用了廣播方式，OLT發(fā)給所有ONU的數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)在下行數(shù)據(jù)中，ONU通過注冊時OLT為其分配的LLID（邏輯鏈路識別）來區(qū)分哪些數(shù)據(jù)包是屬于自己的。在上行方向（即ONU到OLT的方向），采用了時分復(fù)用方式，每個ONU在OLT通過gate幀指定的時隙向上發(fā)送數(shù)據(jù)。由于在這整個過程中，多個ONU處于一個OLT的控制之下，所以EPON規(guī)范中把這套傳輸控制協(xié)議叫做MPCP（多點(diǎn)控制協(xié)議），它是整個EPON通信機(jī)制的基礎(chǔ)。

盡管大家都清楚MPCP的功能和重要性，但在EPON的日常維護(hù)中，它通常對于很多的技術(shù)人員尤其是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員來說，處于一種看不到、摸不著的地位。這是因?yàn)镸PCP僅僅出現(xiàn)于OLT和ONU數(shù)據(jù)傳輸控制過程中，在OLT的上行口和ONU的LAN（局域網(wǎng)）等業(yè)務(wù)功能接口中已經(jīng)再也看不到它的影子。這種情況有時候?qū)τ诮鉀Q一些EPON運(yùn)維中的疑難雜癥是很不利的，所以筆者嘗試揭開MPCP的神秘面紗，讓這個協(xié)議分析的盲區(qū)展露出來，希望能對EPON維護(hù)有所幫助。

1 MPCP介紹

MPCP是對以太網(wǎng)控制幀的一種擴(kuò)展，它只是增加了控制幀中的操作碼，具體見表 1。

從表 1 可以看出，MPCP只包含了gate、report、register_req、register和register_ack共5種操作，在這5種操作的共同控制下，完成MPCP的整個協(xié)議流程。而在MPCP的所有流程中，重要的內(nèi)容大致包含3類：注冊與注銷、測距、動態(tài)帶寬分配。下面就分別闡述5種操作是如何配合完成這3類流程的，同時也會在中間穿插加入常見故障與這些流程間的關(guān)系。

2 ONU注冊流程

使用EPON協(xié)議分析，從光路上可以抓取到MPCP的完整協(xié)議數(shù)據(jù)，圖 1 就是典型的ONU注冊流程。

圖 1 ONU注冊流程

圖 1 中用紅色框圈起來的部分就是個正常的ONU注冊流程，步驟如下。

步驟1：OLT下行廣播discovery類型的gate幀。這個幀的主要功能是通知所有待注冊的ONU用于注冊請求的一個上行時隙（我們也常常把這個時隙的范圍稱為注冊窗口），它沒有特定的接收對象，所以LLID為廣播LLID 65535，它的目的MAC（媒體訪問控制）地址是固定的組播地址01-80-C2-00-00-01，所有的ONU都可以在這個指定的時隙里發(fā)送register_req幀給OLT。這個幀的發(fā)送頻率可以在OLT里調(diào)整，常見的設(shè)置為每秒鐘發(fā)送一次。這個幀的處理對OLT很重要，它還跟OLT里設(shè)置的ONU最大距離有關(guān)（關(guān)于這一點(diǎn)會在后文里進(jìn)一步闡述）。

步驟2：ONU發(fā)送register_req幀給OLT。ONU接收到OLT廣播的discovery之后，就可以根據(jù)注冊窗口的情況，在允許的時間范圍內(nèi)擇機(jī)發(fā)送register_req幀。如果同時有幾個ONU發(fā)送register_req幀，那么是有可能存在沖突的，因?yàn)檫@是EPON系統(tǒng)中唯一一個未獲得OLT特定授權(quán)時隙的ONU發(fā)光行為，discovery規(guī)定的時隙是所有待注冊O(shè)NU共享的。必須了解的是，即使這個幀發(fā)生沖突，也只會導(dǎo)致相關(guān)ONU本次注冊失敗，并不會影響到已經(jīng)注冊成功的ONU，當(dāng)然是在OLT中ONU最大距離設(shè)置跟實(shí)際情況一致的前提下。這個幀的LLID很特殊，是32767，也就是0x7FFF。

步驟3：OLT廣播給特定ONU MAC地址register幀。在OLT接收到ONU的register_req幀之后，在時間系統(tǒng)上就完成了同步，測距也已經(jīng)完成，此后ONU的所有發(fā)光行為就必須按照OLT的授權(quán)進(jìn)行，否則就是亂發(fā)光。OLT在收到ONU的register_req之后，OLT可以根據(jù)授權(quán)情況給ONU回復(fù)register幀，幀內(nèi)容可能是接受注冊，也可能是拒絕注冊。register的LLID仍然是65535廣播LLID，如果是接受注冊，在register里會有為ONU分配的LLID字段。

步驟4：OLT給特定ONU發(fā)送gate幀。在ONU接收到OLT發(fā)來的register幀后，如果幀內(nèi)容是拒絕注冊，那ONU就應(yīng)該什么都不做，結(jié)束注冊過程，等待一段時間再次嘗試；如果幀內(nèi)容是接受注冊，那就記錄下幀里面分配給自己的LLID，等待OLT下一個gate幀分配給自己發(fā)光時隙。這個GATE幀就是用于OLT給ONU發(fā)光分配時隙的，其LLID就是剛才在register中分配的LLID值。

步驟5：ONU向OLT發(fā)送register_ack幀。ONU接收到OLT發(fā)送的gate幀之后，得到了發(fā)光許可，在這個OLT許可的時刻，向OLT發(fā)送register_ack幀，這個幀的LLID就是OLT已經(jīng)分配給ONU的LLID。OLT接收到本幀后，MPCP注冊過程成功完成。今后的所有過程都交給ONU的report和OLT的gate幀接管。

3 常見故障簡析

我們在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)當(dāng)中，經(jīng)常會遇到ONU不上線的疑難故障，這個時候就可以用EPON協(xié)議分析診斷是哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。首先要搞清楚是ONU沒有接收到discovery gate還是OLT沒有接收到ONU發(fā)送的register_req，再或者是ONU沒發(fā)送過register_req，這就能區(qū)分出是上行還是下行方向的問題；如果這幾種情況都不是，那就要看后續(xù)環(huán)節(jié)中的register是拒絕還是接受，以及其他流程是否規(guī)范，是否存在不按分配時隙發(fā)送上行數(shù)據(jù)等情況。

由于EPON系統(tǒng)上行方向是多點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以每個ONU的發(fā)送時隙必須與OLT分配的時隙保持一致，否則各個ONU的上行數(shù)據(jù)就會發(fā)生碰撞，因此ONU側(cè)的時鐘要與OLT側(cè)的時鐘同步。EPON系統(tǒng)采用時間戳方式進(jìn)行系統(tǒng)同步。OLT、ONU兩端具有同頻時鐘，OLT在每一個MPCP包中都會發(fā)送當(dāng)前OLT的時鐘計(jì)數(shù)器值（即時間戳），ONU收到OLT發(fā)來的時間戳后，用該值來替代本地的時鐘計(jì)數(shù)器值，這樣保證ONU以落后于OLT一定的時間與OLT在時間上同步。這個落后的時間是個定值，就等于光信號從OLT到達(dá)ONU所經(jīng)歷的時鐘計(jì)數(shù)器增量，可以由測距過程來確定。這種同步是一種一定頻度的計(jì)數(shù)器值的修正，保證兩端的計(jì)數(shù)器偏差在系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)。

不同的ONU與OLT間的距離不同，也就導(dǎo)致光信號到達(dá)OLT的時延不同。OLT只有清楚每個ONU的實(shí)際距離才能對各ONU發(fā)光時隙進(jìn)行精確計(jì)算、補(bǔ)償和分配，從而避免在上行時間片中發(fā)生碰撞。測距的方法有很多種，比如擴(kuò)頻法測距、帶外法測距等，而目前市場上的所有設(shè)備采用的都是帶內(nèi)開窗測距法。帶內(nèi)開窗測距法技術(shù)簡單，而且不需要占用額外的資源，它跟系統(tǒng)時鐘同步形成了一套整體的方案。

從圖 2 可以看出，每個OLT發(fā)送的MPCP包都會攜帶時間戳信息tx，而ONU接收到之后就把本地時間戳更新為tx，這就是系統(tǒng)時間戳同步。OLT在t3時刻把下行MPCP包發(fā)送給ONU，ONU在收到該數(shù)據(jù)包后，立即更新本地時間戳為t3，在OLT授權(quán)ONU發(fā)送消息的時刻t4，ONU發(fā)送一個上行MPCP包給OLT，此時ONU的本地時間戳為t4；OLT在t5（OLT的本地時間戳）時刻接收到ONU發(fā)來的MPCP包。由圖 3 可知，OLT與ONU之間的信道環(huán)回時延tRTT＝（t5－t3）－（t4－t3）＝t5－t4，即OLT接收時刻的本地時間戳減去來自O(shè)NU的MPCP包內(nèi)的時間戳，就等于OLT和ONU間的往返時延。因此，OLT與ONU間的距離就可以計(jì)算出來，等于c（t5－t4）／2n，其中c為光速，n為光纖的折射率。綜上所述，ONU接收到任意OLT的MPCP包都可以進(jìn)行系統(tǒng)同步，而OLT則接收到每個ONU的MPCP包都可以進(jìn)行測距。如果同一個ONU幾次測距結(jié)果之間的差異特別大的話，OLT可以給出告警，從而提醒維護(hù)人員有不正常的情況發(fā)生。

前面曾經(jīng)提到過OLT在處理discovery類型的gate幀時跟設(shè)置的最大ONU距離有關(guān)。我們假定discovery幀給出的注冊窗口大小為W1，最大ONU距離為L1，最小ONU距離為0（OLT里一般都認(rèn)為最小ONU距離為0，不允許設(shè)置這一參數(shù)），那么當(dāng)OLT每次發(fā)送完discovery幀之后，它需要預(yù)留給ONU注冊請求幀的總時間就是W1加上光信號傳送2L1距離的時間（從這里可發(fā)現(xiàn)discovery的開銷還是比較大的），這樣才不至于和其他上行數(shù)據(jù)發(fā)生信號碰撞。那么如果ONU的實(shí)際最大距離大于OLT里的參數(shù)設(shè)置時，OLT在發(fā)送完discovery幀之后，就會發(fā)生預(yù)留注冊時間片不足，從而導(dǎo)致注冊失敗以及正常ONU斷線。由于最大ONU距離設(shè)置錯誤而導(dǎo)致的ONU斷線的問題在實(shí)際中比較常見，一般發(fā)生在有新的ONU加入或者有ONU開關(guān)機(jī)時，其他已注冊O(shè)NU會因?yàn)閿?shù)據(jù)碰撞而掉線。但是一味加大最大ONU距離設(shè)置也不是好方法，因?yàn)檫@會導(dǎo)致上行方向帶寬的額外浪費(fèi)。另外，discovery的發(fā)送頻度也應(yīng)適當(dāng)，否則也會對上行帶寬造成浪費(fèi)，合理的OLT參數(shù)設(shè)置是十分必要的。

當(dāng)ONU的MPCP層注冊完成后，所有的上行帶寬分配就掌控在ONU的report和OLT的gate配合之下，這就是常說的上行方向的動態(tài)帶寬分配。基本上是由ONU發(fā)送report報告通知待發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列的情況，OLT根據(jù)整體的帶寬分配狀況在gate幀里分配相應(yīng)的時間片。

在實(shí)際EPON維護(hù)當(dāng)中，有一種特殊的網(wǎng)絡(luò)故障，就是當(dāng)入戶ONU的任意兩個LAN口被硬環(huán)回之后，只要用戶計(jì)算機(jī)發(fā)送一個廣播包即可觸發(fā)大規(guī)模的廣播風(fēng)暴，此時ONU會不斷申請上行帶寬，而OLT又不斷為其分配帶寬，直到上行帶寬被占用殆盡，最終使得同一OLT PON口下的所有ONU無法正常通信。在這種故障發(fā)生的時候，我們可以用EPON協(xié)議分析的統(tǒng)計(jì)功能定位到發(fā)生硬環(huán)回的用戶ONU，其特征是可以明顯看到該ONU的下行MPCP包數(shù)量大大多于其他ONU的下行MPCP包數(shù)量，大大提高排障效率。

4 結(jié)束語

EPON是個綜合的網(wǎng)絡(luò)，其承載的業(yè)務(wù)種類繁多，數(shù)據(jù)流量大，所以面對各類故障的時候，我們必須保持清醒的頭腦，從各個層次來綜合考慮，才不至于以偏概全，或者錯漏故障的根源。比如對于ONU斷線故障，首先要判別出來是PPPoE（以太網(wǎng)上點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議）斷線還是MPCP斷線，因?yàn)楦@二者相關(guān)的主要設(shè)備是不一樣的。如果是MPCP斷線，就可以用EPON協(xié)議分析來分析是OLT主動發(fā)起了注銷類型的register，還是ONU長時間不發(fā)送report導(dǎo)致的，這樣才能一步步縮小排查的范圍，并最終找出故障的根源。

MPCP是EPON中最基礎(chǔ)的傳輸控制協(xié)議，我們以往對它看不到、摸不著，實(shí)際上使得維護(hù)人員對很多基于該協(xié)議的故障及其成因一知半解，往往停留在經(jīng)驗(yàn)的層面，而無法從理論的本質(zhì)上解讀和把握它。現(xiàn)在只要我們熟練掌握了MPCP的原理和流程，就可以借助EPON協(xié)議分析以不變應(yīng)萬變，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的故障定位，給用戶帶來優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時，也大大提升了我們的工作效率。◆