基于GPON 系统的PON 保护设计

韩莉敏

（武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430070）

在当前的网络时代，人们对网络的使用频率逐渐上升，对网络的速度有了更高的要求[1]。吉比特无源光网络（Gigabit-Capable Passive Optical Networks，GPON）有着带宽高、接入业务全面的特点[2]，能够提高用户的体验感受。GPON 系统使用光纤作为传输介质，传输距离至少达到20 km，且采用的光分路器最大有1:128[3-4]。对于运营商而言，GPON系统传输距离长、设备利用率高，有合理的价格优势。GPON 系统由于具有以上优势而有较大的市场需求量，它作为“最后一公里”的关键节点[5-6]，一旦出现故障，会引起大面积的网络瘫痪，所以对于GPON 系统的保护方法的研究是非常必要的。为了尽量不影响业务，PON 保护的研究中最受关注的就是倒换时间[7]。

1 PON保护方案分析

1.1 根据保护范围

国际电信联盟电信标准化部门（International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector,ITU-T）对GPON 系统制定了标准。下面介绍的4 种PON 保护方式，在G.984.1 标准的基础上进行了些许修改，厂家和运营商等可根据需求进行选择[8-9]。

A 类保护为主干光纤冗余保护，如图1 所示。OLT 的一个PON MAC 芯片通过1∶2 电开关与两个光模块相接。两个光模块连接2∶N光分路器的两根主光纤。该方法只对光模块和主干光纤进行了保护，且所使用的光模块较为特殊，实现较为不便。

图1 A类PON保护

B 类保护为PON 口和主干光纤冗余保护，如图2所示。OLT 的每个PON 口由一个光模块和一个PON MAC 芯片构成，这是最普遍的PON 口结构。该方法对独立的PON 口和主干光纤进行保护，且对现网的改变不大，实现较为简单。

图2 B类PON保护

C 类保护为全光纤保护，如图3 所示。该处使用了两个的1∶N的光分路器。ONU 采用一个PON MAC芯片和两个的光模块[10]，C 类保护的ONU 需要特定的型号。该方法对OLT PON 口、主干光纤、光分路器、分支光纤和ONU 光模块进行冗余保护。保护范围较大，可靠性较好，但相比B 类保护，资源消耗较多。

图3 C类PON保护

D 类保护也为全光纤保护，如图4 所示。仍然使用了两个的1∶N的光分路器。ONU 采用两个PON MAC 芯片分别对应两个光模块，此类保护的ONU 也需要特定的型号。该方法对OLT PON 口、主干光纤、光分路器、分支光纤和ONU PON 口进行冗余保护。4 种方法中D 类保护范围最大，可靠性最好，但资源消耗也最多。

图4 D类PON保护

根据以上分析，B 类PON 保护方式具有一定的可靠性、成本较低，而且对于现网新增PON 保护影响不大[11]，作为该文研究的主要方法。

1.2 根据组网方式

根据组网方式进行分类，也就是根据PON 保护的两个PON 口是否跨OLT 来决定。在1.1 节中全部在单台OLT 的情况下进行介绍。当PON 保护采用两台OLT 时，称之为手拉手保护方式[12-13]。以B 类保护为例，单台OLT 的组网如图2 所示，手拉手保护的组网如图5 所示。

图5 B类手拉手PON保护

手拉手保护将OLT 设备也加入保护范围，当OLT 产生故障或需要进行升级时，可以启用备用OLT，使得业务能够恢复[14]。

2 软件设计

2.1 系统整体软件结构

OLT 设备的系统整体软件结构[15]如图6 所示。

图6 系统整体软件结构

主控软件运行在主控盘上，实现各功能的总体控制，对各模块进行管理和维护，并向网管软件提供管理维护接口。

线卡软件运行在各个线卡上，实现各板卡的业务，各板卡实现的业务基于GPON、10GPON 等。线卡软件通过背板总线与主控软件进行通信。在此特别说明，文中实验所使用的线卡为双CPU。

上联盘软件运行于上联盘上，主要进行端口工作状态等信息的采集，并将这些信息上报到主控盘。上联盘软件通过背板总线与主控盘建立通信。

网管软件运行在网管服务器上，通过SNMP 协议和主控盘建立通信，并提供图形化的操作维护界面。

2.2 PON保护功能设计

2.2.1 保护组的创建与删除

PON 保护组的创建和删除在网管软件上进行。创建保护组时，主控盘配置模块接收网管下发的创建命令，包括保护组端口号、类型、组网等。并向保护组端口对应的线卡下发保护组创建命令。线卡配置模块收到主控下发的创建命令后，更新保护组数据，创建成功后上报保护组状态，主控盘更新保护状态。网管上则可以读取PON 保护组的工作状态。

删除PON 保护也是由网管下发给主控盘的配置模块，主控盘删除本地存储的保护组数据，并向保护组端口对应的线卡下发删除保护组的命令。线卡删除保护组数据，并使PON 保护控制模块删除底层芯片配置。

2.2.2 保护倒换

PON 保护倒换功能可以分为强制倒换和自动倒换。

强制倒换由网管来控制。主控盘收到强制倒换的命令后，根据组号发送给对应线卡。线卡首先判断是否为手拉手保护。非手拉手保护时，主口关闭光模块，备口打开光模块。当为手拉手保护时，需要判断主备口，若为主口则进行主口关光，并通知备端口开光；若为备口，则发送倒换消息到主口，从主口发起倒换流程。

自动倒换的触发条件有光信号丢失、光通信质量差、线卡不在位等。例如当触发LOS 告警时，线卡判断是否为板内保护，若为板内保护，则倒换模块直接进行倒换或通过RPC 传递倒换消息到备口；若不为板内保护，则发送至主控盘。主控盘判断是否为手拉手保护，若为非手拉手保护，直接判断PON 口，发送消息到备口对应线卡；若为手拉手保护，则通过UDP 协议转发到相应的OLT，对端OLT 接收到报文后，发送给相应的线卡进行处理。

2.2.3 状态回调和上报

PON 保护组有3 种状态：工作态、备用态和探测态。探测态是保护组的中间状态，比如保护组正在创建，或倒换后处于未知的状态。

在网管上可以对PON 保护组状态、PON 口的工作状态进行查询。线卡会向主控盘实时上报保护组的状态。当处于工作态的PON 口发出倒换消息，线卡上报主控盘，保护组进入探测态。直到一个PON口稳定在工作态，另一个PON 口稳定在备用态，则保护组再次进入工作态。

2.3 PON保护数据通道设计

主控盘与线卡之间已有的TCP/IP 协议用于各类数据消息的传递，但保护倒换消息的实时性要求高，采用这种传输通道可能会导致PON 保护倒换失败，所以对PON 保护通道进行了优化。

设计一种PON 保护专用的二层私有协议用于传输PON 保护的状态、告警以及倒换消息等。实验研究的线卡内拥有双CPU，而对包含主备CPU 的线卡,主CPU 和备CPU 分别与主控盘建立PON 保护专用二层数据通道。PON 保护数据通道如图7 所示。

图7 PON保护数据通道

主控盘传送同步数据时，首先会判断目的端口所在的线卡是否为双CPU，若为双CPU 则判断主备CPU，并向对应的CPU 直接发送同步消息，从而减少倒换时间，特别是对于保护组端口在备CPU 上的情况，不用经过主CPU 进行转发。非手拉手保护的板间倒换、手拉手保护倒换中，倒换消息都要经过线卡与主控之间的专用二层数据通道。而非手拉手保护的板内倒换，也分为在同一CPU 和不同CPU 间的情况。保护倒换在同一CPU 下的过程是最简单的，直接调用接口进行切换，倒换成功后再上报状态给主控；而不同CPU 的情况下，是通过远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）通道进行倒换消息的传递。

3 测试与结果

实验搭建的实验组网以手拉手保护为例，如图8所示。非手拉手保护在此基础上减少一台OLT。

图8 手拉手保护组网

此处的两台交换机是为了减少所使用的仪表口，减少资源的利用，从而方便测试。

实验为了全面测试各传输通道，需要对PON 保护组各种情况都进行测试。根据保护组端口的分布，要对以下情况进行测试：

1）非手拉手保护模式：板内同主CPU、板内同备CPU、板内一主一备CPU、板间同主CPU、板间同备CPU、板间一主一备CPU。

2）手拉手保护模式：板间同主CPU、板间同备CPU、板间一主一备CPU。

测试内容主要有强制倒换和断纤倒换，以下将以非手拉手保护模式的板间一主一备CPU 和手拉手保护模式的板间同备CPU 为例，分别进行强制倒换和断纤倒换的实验。

3.1 非手拉手保护模式

在非手拉手保护模式下，板间一主一备CPU 时，进行强制倒换实验。测试情况如下，首先下发PON保护组配置，如图9 所示。

图9 保护组配置

PON 保护组创建成功后可在网管上显示其状态，如图10 所示。

图10 保护组状态查询

如图11 所示，通过TestCenter[16]模拟数据流，进行强制倒换后，通过查看仪表显示的丢包数计算出倒换时间。

图11 丢包情况

根据数据传输速率8 446 fps，以及上行数据流丢包数量210 fps可以计算出最大丢包时间约为24.8 ms。

重复倒换操作多次，记录每次的倒换时间，分析结果发现倒换时间能够保证在50 ms 以内。

3.2 手拉手保护模式

在手拉手保护模式下，板间同备CPU 时，进行断纤倒换实验。测试情况如下，首先对OLT1 和OLT2分别下发PON 保护组配置，如图12 所示。

图12 OLT1&OLT2保护组配置

手拉手PON 保护组创建成功后暂不可在网管上查看状态，通过命令行可以在两台OLT 上查看其状态，如图13 所示。

图13 保护组状态查询

线卡上查看状态时，是直接到相应的CPU 上进行查看，所以主控对应的PON 口号9-16，在备CPU上则显示1-8。

如图14 所示，通过TestCenter 模拟数据流，进行断纤倒换后，通过查看仪表显示的丢包数计算出倒换时间。

图14 丢包情况

根据数据传输速率8 446 fps 和上行数据流丢包数量246 fps 可以计算出最大丢包时间约为29.1 ms。重复倒换操作多次，记录每次的倒换时间，分析结果发现倒换时间能够保证在50 ms 以内。

在大量的倒换测试中，有时发现丢包时间能够在10 ms 以内，根据分析这时OLT 处于空闲状态，即除了本实验的PON 保护业务，基本无其他业务进行。

4 结论

在实验与结果中仅对两种情形的测试过程进行了描述。实际上实验对所有情景下都进行了强制倒换和断纤倒换的测试。

实验结果表明基于双CPU 线卡的保护倒换功能能够正常进行，倒换时间能够保证在50 ms 以内，且当OLT 空闲时倒换时间能够达到10 ms 以内。由于资源有限，实验组网采用交换机将ONU 端进行了汇聚，在这一情况下有可能会增加倒换时间。