基于雙PON口的光網絡單元業務隔離設計

陶靜，沈文，陳磊，鄧輝（全球能源互聯網研究院 江蘇 南京210003）

基于雙PON口的光網絡單元業務隔離設計

陶靜，沈文，陳磊，鄧輝
（全球能源互聯網研究院 江蘇 南京210003）

在電力系統接入網中，同一網絡中承載多種業務時存在多種業務之間的隔離問題。文中探討并提出了PON技術架構中光網絡單元的幾種業務隔離方案，在綜合分析優劣勢及應用場景的基礎上，采用基于空分和交換存儲資源隔離的技術設計出基于雙PON口的業務隔離方案，滿足了電力系統業務承載高可靠性、可擴展性的要求。

光網絡單元；隔離技術；業務隔離；雙PON口

電力系統接入網的多業務承載在業務需求和實現技術方面與公網有很大不同，這是因為：1）電力系統的特殊性使得其在通信安全性、可靠性方面提出了工業級要求；2）電力系統業務終端可能同時存在多種接入方式，即業務可能會在多種通信方式之間進行智能選擇或者進行多種通信方式的協調通信。3）電力系統的業務類型很多，不但包括企業和生產信息化業務，還包括對實時性、可靠性要求嚴格的控制業務。鑒于這些特點需要專門針對電力系統業務需求和網絡現狀研究接入網多業務承載技術。

隨著分組化光纖傳輸接入技術的進步和成熟，今后智能電網和控制業務的發展方向是逐步過渡到采用分組化光纖多業務接入網絡統一承載，其它通信方式作為光纖方式的有效補充。而分組光纖接入技術發展的主流方向是無源光網絡 （Passive Optical Network，PON）技術。

在PON技術架構下進行多業務承載時，如何在承載多業務時進行隔離傳輸以滿足電力系統接入網的高可靠、高實時的要求成了重要問題。

1 光網絡單元的業務隔離要求

1.1 光網絡單元簡介

PON是一種點到多點的光纖傳輸和接入技術，連接用戶和核心網采用了單纖雙向的方式。PON由3部分組成：光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）以及光分配網絡 （Optical Distribution Network，ODN）。其中OLT和ONU分別部署在局端和終端，ODN則是兩者間的傳輸通道，如圖1所示。

其中ONU作為用戶側設備，下行時需要接收OLT發送的廣播數據，當OLT發出測距及功率控制命令時，需做出響應和相應的調整；上行時接入用戶，緩存用戶的業務數據，并在OLT分配的時隙內向上行方向發送。從上圖可以看出與接入網中業務數據直接相連的是ONU，同時ONU也是PON系統中使用數量最多的設備。

圖1PON的組成

1.2 承載業務及隔離要求

電力系統接入網的業務類型很多，不但包括企業和生產信息化業務，還包括對實時性、可靠性要求嚴格的控制業務。具體包含：調度自動化系統、調度員培訓系統（反事故演習）、電能量計量系統、廣域相量測量系統、水調自動化系統、保護及故障錄波信息管理系統、電力市場運營系統、調度生產管理系統、營銷系統、通信網管系統、通信專業及運行管理信息化系統業務等。根據《電力監控系統安全防護規定》，各安全區、大區間需遵循不同的安全隔離標準。通常情況下，對同一安全大區業務需進行邏輯隔離，不同安全大區業務需實現物理隔離。

2 業務隔離技術研究

2.1 安全隔離技術

網絡安全隔離主要分為兩類：物理隔離和邏輯隔離。

物理隔離從物理上將網絡完全隔離開來，也就是采用兩套網絡或系統，或者使用不同硬件存儲。采用這種隔離技術后，網絡之間無法通過網絡、電磁輻射等進行連接。物理隔離的優點是可靠性高，但容易存在信息孤島，初期投入成本高，維護費用低。

邏輯隔離區別于物理隔離之處在于網絡之間仍存在物理連接，但通過安全協議或者邏輯隔離器來實現網絡的隔離。采用這種隔離技術時需要根據實際情況定制通信協議。邏輯隔離技術的優點是費用低、易修改、易升級維護，缺點是可靠性比物理隔離低，技術風險大。

這兩種技術是設備、網絡等進行隔離設計的核心思想，各種設計方案都由其衍生而來。可以在不同場景下靈活運用。

2.2 ONU的業務隔離設計方案

文中通過研究PON技術的基礎架構、ONU使用場景及隔離技術，提出了以下幾種隔離方案：空分方案、時分方案、交換與存儲資源隔離方案。下面簡單介紹下這幾種隔離方案：

空分方案也就是完全物理隔離，不同業務使用獨立的ONU，連接到獨立的PON系統中。在這種方案下ONU無需做額外的設計。在實施時，可能需要在客戶端安裝一個以上ONU以連接不同業務。這種隔離方案技術簡單且成熟，能達到最佳的隔離程度，但實施成本較高，后期維護和升級的成本也高。

時分方案：使用一個ONU連接到同一PON系統，將傳輸通道通過協議劃分為不同的時隙，不同業務在不同的時隙接入到ONU中，這樣可以避免發生碰撞。這種方案實施成本比空分方案低，但業務隔離度一般，且技術有一定的復雜度。

交換與存儲資源隔離方案：這種方案與空分方案類似，但只需要使用一個ONU，不同業務共享端口和PON口，只是將最關鍵的交換和存儲單元實現物理隔離，使用同一管理和維護機制。這種方案在保證了一定的隔離度的基礎上進一步降低了實施成本，但技術復雜度增大了。

這幾種方案各有優劣勢，對比分析如表1所示。

表1 業務隔離方案對比

經過綜合分析，最后我們同時結合了空分方案、交換和存儲資源隔離方案，設計出基于雙PON口的光網絡單元業務隔離方案。在該方案中，不同業務除了使用不同交換和存儲資源外，還使用了不同的端口和PON口。

3 基于雙PON口的業務隔離設計實現

上文中描述了設計方案，本章將介紹在ONU中具體如何實現該隔離方案。如圖2所示：ONIU采用了兩個分別與不同業務相連接的端口、兩個PON芯片、兩個光模塊、兩個交換芯片和一個CPU。

圖2 基于雙PON口的業務隔離設計

在這種方案中不同的業務數據根據端口劃分分別與對應端口的以太網口RJ45或串口RS232連接，端口中的串口RS232與收發芯片相連，由其完成串口信號和以太網幀信號的相互轉換。

交換芯片通過FE口與對應的端口的GMII口相連。上行方向，交換芯片接收業務端口傳輸的比特流，首先對比特流進行4B/5B糾錯，接著控制器將數據流依次傳送到MAC發送器，按照隊列插入前導碼，在需要時打上用戶標簽。交換芯片將GE口設置為PHY模式，與對應的PON芯片進行MAC-MAC對接，并將數據傳送給PON芯片。下行方向，交換芯片首先緩存PON芯片傳輸過來的MAC幀格式的數據流，處理器對業務進行分類分類后完成目的MAC的查找、學習和轉發。

PON芯片與光模塊和交換芯片相連，完成MAC幀數據和比特流的轉換。上行方向，PON芯片的UNI接收交換芯片發送的MAC數據幀，由分包器進行分包，然后根據C-Tag優先級進行數據幀速率限制。在需要時還必須添加VLAN-Tag、加上LLID后轉成比特流傳輸給對應光模塊。下行方向，PON芯片接收光模塊傳輸的比特流，并將其變換成MAC幀數據，PON芯片對經過LLID過濾后的數據幀進行解密、分包、限速、需要時VLAN外層Tag處理后，轉發給交換芯片。

光模塊通過光纖接入到ODN中，最終與OLT相連。上行方向，光模塊將從PON芯片接收到的比特流轉換為光信號，在指定時隙內傳輸到光纖中。下行方向，光模塊持續接收OLT下發的光信號，并將其轉換為電信號傳輸給PON芯片。

CPU與交換芯片的管理端口進行MDC/MDCIO通信，CPU讀取交換芯片寄存器信息后，執行OAM消息的實時狀態監控和處理，CPU還對交換芯片進行配置和控制。

4 結束語

文中提出的基于雙PON口的光網絡單元設計，采用雙端口和雙PON口連接業務數據和ODN，根據不同等級的業務隔離要求以及應用場景實際情況，可接入統一或者不同ODN以支持多種網絡拓撲，具備靈活性。該方案在ONU內部采用獨立的交換、存儲模塊，實現了業務數據的物理隔離。與此同時，不同業務使用同一CPU進行管理和配置，提升了系統的可靠性，也節約了設備成本。該設計方案滿足了電力系統高可靠性要求，且其靈活性使其運用在更多場合，最終節省了系統成本。

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The services isolation design of ONU based on double-PON-port

TAO Jing，SHEN Wen，CHEN Lei，DENG Hui
（Global Energy Interconnection Research Institute，Nanjing 210003，China）

The services isolation problem should be noticed when carrying multiple services in the power system access network.This paper discusses and presents some services isolation schemes of optical network unit in PON technology architecture.On the basis of comprehensive analysis of the advantages and disadvantages and application scenarios，the scheme combines space division and exchange and storage resource isolation is chosen.The services isolation design based on Double-PON-Port meets the requirements of high reliability and scalability of the power system operation.

optical network unit；isolation technology；services isolation；double-PON-port

TN929

A

1674－6236（2017）07-0075-03

2016-07-12稿件編號：201607092

國家電網公司科技項目（SGRIXTKJ[2015]476號）

陶 靜（1987—），女，湖北荊州人，高級工程師。研究方向：電力系統通信技術。