基于GPON 系統的PON 保護設計

韓莉敏

（武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430070）

在當前的網絡時代，人們對網絡的使用頻率逐漸上升，對網絡的速度有了更高的要求[1]。吉比特無源光網絡（Gigabit-Capable Passive Optical Networks，GPON）有著帶寬高、接入業務全面的特點[2]，能夠提高用戶的體驗感受。GPON 系統使用光纖作為傳輸介質，傳輸距離至少達到20 km，且采用的光分路器最大有1:128[3-4]。對于運營商而言，GPON系統傳輸距離長、設備利用率高，有合理的價格優勢。GPON 系統由于具有以上優勢而有較大的市場需求量，它作為“最后一公里”的關鍵節點[5-6]，一旦出現故障，會引起大面積的網絡癱瘓，所以對于GPON 系統的保護方法的研究是非常必要的。為了盡量不影響業務，PON 保護的研究中最受關注的就是倒換時間[7]。

1 PON保護方案分析

1.1 根據保護范圍

國際電信聯盟電信標準化部門（International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector,ITU-T）對GPON 系統制定了標準。下面介紹的4 種PON 保護方式，在G.984.1 標準的基礎上進行了些許修改，廠家和運營商等可根據需求進行選擇[8-9]。

A 類保護為主干光纖冗余保護，如圖1 所示。OLT 的一個PON MAC 芯片通過1∶2 電開關與兩個光模塊相接。兩個光模塊連接2∶N光分路器的兩根主光纖。該方法只對光模塊和主干光纖進行了保護，且所使用的光模塊較為特殊，實現較為不便。

圖1 A類PON保護

B 類保護為PON 口和主干光纖冗余保護，如圖2所示。OLT 的每個PON 口由一個光模塊和一個PON MAC 芯片構成，這是最普遍的PON 口結構。該方法對獨立的PON 口和主干光纖進行保護，且對現網的改變不大，實現較為簡單。

圖2 B類PON保護

C 類保護為全光纖保護，如圖3 所示。該處使用了兩個的1∶N的光分路器。ONU 采用一個PON MAC芯片和兩個的光模塊[10]，C 類保護的ONU 需要特定的型號。該方法對OLT PON 口、主干光纖、光分路器、分支光纖和ONU 光模塊進行冗余保護。保護范圍較大，可靠性較好，但相比B 類保護，資源消耗較多。

圖3 C類PON保護

D 類保護也為全光纖保護，如圖4 所示。仍然使用了兩個的1∶N的光分路器。ONU 采用兩個PON MAC 芯片分別對應兩個光模塊，此類保護的ONU 也需要特定的型號。該方法對OLT PON 口、主干光纖、光分路器、分支光纖和ONU PON 口進行冗余保護。4 種方法中D 類保護范圍最大，可靠性最好，但資源消耗也最多。

圖4 D類PON保護

根據以上分析，B 類PON 保護方式具有一定的可靠性、成本較低，而且對于現網新增PON 保護影響不大[11]，作為該文研究的主要方法。

1.2 根據組網方式

根據組網方式進行分類，也就是根據PON 保護的兩個PON 口是否跨OLT 來決定。在1.1 節中全部在單臺OLT 的情況下進行介紹。當PON 保護采用兩臺OLT 時，稱之為手拉手保護方式[12-13]。以B 類保護為例，單臺OLT 的組網如圖2 所示，手拉手保護的組網如圖5 所示。

圖5 B類手拉手PON保護

手拉手保護將OLT 設備也加入保護范圍，當OLT 產生故障或需要進行升級時，可以啟用備用OLT，使得業務能夠恢復[14]。

2 軟件設計

2.1 系統整體軟件結構

OLT 設備的系統整體軟件結構[15]如圖6 所示。

圖6 系統整體軟件結構

主控軟件運行在主控盤上，實現各功能的總體控制，對各模塊進行管理和維護，并向網管軟件提供管理維護接口。

線卡軟件運行在各個線卡上，實現各板卡的業務，各板卡實現的業務基于GPON、10GPON 等。線卡軟件通過背板總線與主控軟件進行通信。在此特別說明，文中實驗所使用的線卡為雙CPU。

上聯盤軟件運行于上聯盤上，主要進行端口工作狀態等信息的采集，并將這些信息上報到主控盤。上聯盤軟件通過背板總線與主控盤建立通信。

網管軟件運行在網管服務器上，通過SNMP 協議和主控盤建立通信，并提供圖形化的操作維護界面。

2.2 PON保護功能設計

2.2.1 保護組的創建與刪除

PON 保護組的創建和刪除在網管軟件上進行。創建保護組時，主控盤配置模塊接收網管下發的創建命令，包括保護組端口號、類型、組網等。并向保護組端口對應的線卡下發保護組創建命令。線卡配置模塊收到主控下發的創建命令后，更新保護組數據，創建成功后上報保護組狀態，主控盤更新保護狀態。網管上則可以讀取PON 保護組的工作狀態。

刪除PON 保護也是由網管下發給主控盤的配置模塊，主控盤刪除本地存儲的保護組數據，并向保護組端口對應的線卡下發刪除保護組的命令。線卡刪除保護組數據，并使PON 保護控制模塊刪除底層芯片配置。

2.2.2 保護倒換

PON 保護倒換功能可以分為強制倒換和自動倒換。

強制倒換由網管來控制。主控盤收到強制倒換的命令后，根據組號發送給對應線卡。線卡首先判斷是否為手拉手保護。非手拉手保護時，主口關閉光模塊，備口打開光模塊。當為手拉手保護時，需要判斷主備口，若為主口則進行主口關光，并通知備端口開光；若為備口，則發送倒換消息到主口，從主口發起倒換流程。

自動倒換的觸發條件有光信號丟失、光通信質量差、線卡不在位等。例如當觸發LOS 告警時，線卡判斷是否為板內保護，若為板內保護，則倒換模塊直接進行倒換或通過RPC 傳遞倒換消息到備口；若不為板內保護，則發送至主控盤。主控盤判斷是否為手拉手保護，若為非手拉手保護，直接判斷PON 口，發送消息到備口對應線卡；若為手拉手保護，則通過UDP 協議轉發到相應的OLT，對端OLT 接收到報文后，發送給相應的線卡進行處理。

2.2.3 狀態回調和上報

PON 保護組有3 種狀態：工作態、備用態和探測態。探測態是保護組的中間狀態，比如保護組正在創建，或倒換后處于未知的狀態。

在網管上可以對PON 保護組狀態、PON 口的工作狀態進行查詢。線卡會向主控盤實時上報保護組的狀態。當處于工作態的PON 口發出倒換消息，線卡上報主控盤，保護組進入探測態。直到一個PON口穩定在工作態，另一個PON 口穩定在備用態，則保護組再次進入工作態。

2.3 PON保護數據通道設計

主控盤與線卡之間已有的TCP/IP 協議用于各類數據消息的傳遞，但保護倒換消息的實時性要求高，采用這種傳輸通道可能會導致PON 保護倒換失敗，所以對PON 保護通道進行了優化。

設計一種PON 保護專用的二層私有協議用于傳輸PON 保護的狀態、告警以及倒換消息等。實驗研究的線卡內擁有雙CPU，而對包含主備CPU 的線卡,主CPU 和備CPU 分別與主控盤建立PON 保護專用二層數據通道。PON 保護數據通道如圖7 所示。

圖7 PON保護數據通道

主控盤傳送同步數據時，首先會判斷目的端口所在的線卡是否為雙CPU，若為雙CPU 則判斷主備CPU，并向對應的CPU 直接發送同步消息，從而減少倒換時間，特別是對于保護組端口在備CPU 上的情況，不用經過主CPU 進行轉發。非手拉手保護的板間倒換、手拉手保護倒換中，倒換消息都要經過線卡與主控之間的專用二層數據通道。而非手拉手保護的板內倒換，也分為在同一CPU 和不同CPU 間的情況。保護倒換在同一CPU 下的過程是最簡單的，直接調用接口進行切換，倒換成功后再上報狀態給主控；而不同CPU 的情況下，是通過遠程過程調用（Remote Procedure Call，RPC）通道進行倒換消息的傳遞。

3 測試與結果

實驗搭建的實驗組網以手拉手保護為例，如圖8所示。非手拉手保護在此基礎上減少一臺OLT。

圖8 手拉手保護組網

此處的兩臺交換機是為了減少所使用的儀表口，減少資源的利用，從而方便測試。

實驗為了全面測試各傳輸通道，需要對PON 保護組各種情況都進行測試。根據保護組端口的分布，要對以下情況進行測試：

1）非手拉手保護模式：板內同主CPU、板內同備CPU、板內一主一備CPU、板間同主CPU、板間同備CPU、板間一主一備CPU。

2）手拉手保護模式：板間同主CPU、板間同備CPU、板間一主一備CPU。

測試內容主要有強制倒換和斷纖倒換，以下將以非手拉手保護模式的板間一主一備CPU 和手拉手保護模式的板間同備CPU 為例，分別進行強制倒換和斷纖倒換的實驗。

3.1 非手拉手保護模式

在非手拉手保護模式下，板間一主一備CPU 時，進行強制倒換實驗。測試情況如下，首先下發PON保護組配置，如圖9 所示。

圖9 保護組配置

PON 保護組創建成功后可在網管上顯示其狀態，如圖10 所示。

圖10 保護組狀態查詢

如圖11 所示，通過TestCenter[16]模擬數據流，進行強制倒換后，通過查看儀表顯示的丟包數計算出倒換時間。

圖11 丟包情況

根據數據傳輸速率8 446 fps，以及上行數據流丟包數量210 fps可以計算出最大丟包時間約為24.8 ms。

重復倒換操作多次，記錄每次的倒換時間，分析結果發現倒換時間能夠保證在50 ms 以內。

3.2 手拉手保護模式

在手拉手保護模式下，板間同備CPU 時，進行斷纖倒換實驗。測試情況如下，首先對OLT1 和OLT2分別下發PON 保護組配置，如圖12 所示。

圖12 OLT1&OLT2保護組配置

手拉手PON 保護組創建成功后暫不可在網管上查看狀態，通過命令行可以在兩臺OLT 上查看其狀態，如圖13 所示。

圖13 保護組狀態查詢

線卡上查看狀態時，是直接到相應的CPU 上進行查看，所以主控對應的PON 口號9-16，在備CPU上則顯示1-8。

如圖14 所示，通過TestCenter 模擬數據流，進行斷纖倒換后，通過查看儀表顯示的丟包數計算出倒換時間。

圖14 丟包情況

根據數據傳輸速率8 446 fps 和上行數據流丟包數量246 fps 可以計算出最大丟包時間約為29.1 ms。重復倒換操作多次，記錄每次的倒換時間，分析結果發現倒換時間能夠保證在50 ms 以內。

在大量的倒換測試中，有時發現丟包時間能夠在10 ms 以內，根據分析這時OLT 處于空閑狀態，即除了本實驗的PON 保護業務，基本無其他業務進行。

4 結論

在實驗與結果中僅對兩種情形的測試過程進行了描述。實際上實驗對所有情景下都進行了強制倒換和斷纖倒換的測試。

實驗結果表明基于雙CPU 線卡的保護倒換功能能夠正常進行，倒換時間能夠保證在50 ms 以內，且當OLT 空閑時倒換時間能夠達到10 ms 以內。由于資源有限，實驗組網采用交換機將ONU 端進行了匯聚，在這一情況下有可能會增加倒換時間。