PON系统中的PON保护倒换技术研究

沈 宜

(武汉邮电科学研究院，湖北 武汉 430074)

1 PON系统简介

无源光网络(Passive Optical Network，PON)是1种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。

如图1所示，PON中最主要的3部分包括位于局端的光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)、终端光网络单元(Optical Network Unit，ONU)以及光配线网(Optical Distribution Network，ODN)。PON“无源”是指 ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。

图1 PON网络系统

随着大量用户使用光纤接入，用户对宽带接入持续无中断性的要求也越来越高。本文研究的PON保护倒换方式能够在主用的PON口检测到PON口光信号异常、单板离线等告警后，触发倒换，且倒换完成后恢复业务。

现有PON保护倒换技术的主要不足之处在于倒换后业务恢复时间过长，本文设计的PON保护倒换方案可以满足A、B类保护业务中断时间小于150 ms，C类保护业务中断时间小于50 ms。

2 PON保护倒换技术概述

2.1 PON 保护机制[1－2]

由于PON系统线路速率极大提高，且都分布在户外，容易受到损坏，因此网络保护显得更为重要。为了提高PON系统的可靠性，目前按保护模式分有A、B、C、D 4类保护方案。其中，A类保护类型的OLT的2个PON口采用1个PON MAC芯片，通过1∶2电开关连接至2个光模块，实现2个PON口的保护，该类只适用于同一PON板内的PON口间保护。C类和D类保护类型虽提供了全网的保护，使得系统的可靠性最好，但由于保护成本太高，只有特别高端的用户才能承受，所以在实际的工程中几乎没有用到。考虑到接入成本和实用性，B类保护更经济实用，B类保护中OLT的2个PON口分别采用独立的PON MAC芯片和光模块，实现2个PON口的保护，适用同一OLT的任意2个PON口间保护。

从配置和业务处理上来分类，PON保护可以分为1∶1保护、1+1保护、1∶N保护和1+N保护几种类型。其中，1∶1是指OLT设备上任意2个PON口之间进行一对一的保护，它们之间是互为主备的关系。1+1是指发端在主备2个信道上发同样的信息(并发)，收端在正常情况下选收主用信道上的业务，因为主备信道上的业务一模一样，均为主用业务，所以在主用信道损坏时，通过切换选收备用信道而使主用业务得以恢复。此种倒换方式又叫做单端倒换(仅收端切换)，倒换速度快，但信道利用率低。1∶N并不是严格意义的1∶N保护，而是指配置的时候指定1个PON口作为N个PON口的保护，但是实际发生切换的时候，只能是N个中的1个PON口切换。而且一旦切换后，这个保护就失效了，除非再切换回主PON口，备用PON口才能再作为保护PON口。

从保护组成员所在的单盘来分类可以分为盘内保护和盘间保护。

2.2 PON 倒换机制

对于OLT和ONU设备而言，当检测到故障时，应连续检测5 ms，如该故障一直存在则正式确认该物理层失效事件[2－3]。如5 ms内该物理层故障得到恢复，则不确认该物理层失效事件。对于不同的保护类型，OLT和ONU启动光链路保护的倒换机制分别为:

1)类型a的倒换机制

当OLT在5 ms内检测到主干光链路发生上述物理层触发事件时，则OLT立即启动PON口的倒换;当OLT在5 ms内检测到分支光链路发生上述物理层触发事件时，则OLT不启动PON的倒换。ONU无倒换功能。

2)类型b的倒换机制

如果OLT在5 ms内检测到特定PON口下所有处于激活状态的ONU的光链路发生上述物理层触发事件时，则OLT立即启动PON口的倒换;当特定PON口下存在2个或者2个以上ONU时，如果OLT在5 ms内仅检测到其中1个ONU发生上述物理层触发事件，则OLT不启动PON的倒换。ONU无倒换功能。

3)类型c(d)的倒换机制

当OLT检测到特定PON口下任何一个处于激活状态的ONU的上行光链路发生触发事件时，OLT则立即通过主用光链路向所有ONU发送扩展OAM消息，命令ONU倒换到备用光链路，然后停止向该ONU发送下行光信号，并将该ONU的流量倒换到备用PON口上。当OLT接收到来自某一个ONU发来的PON_IF Switch事件通告消息后，则确认该ONU已倒换到备用PON口。当ONU检测到下行光链路发生触发事件时，ONU立即倒换到备用光模块接口并利用其“状态保持”功能迅速建立与OLT备用PON口之间的MPCP和OAM同步。在完成MPCP和OAM同步后，ONU通过新主用链路向OLT发送PON_IF Switch事件通告消息。

3 PON保护倒换功能实现

3.1 增加和删除保护组

系统软件和图形网管提供界面来增加或者删除保护组，并且配置保护组的属性，如保护组内成员的个数;保护组的模式(全保护和主干保护)。网管和主控盘软件有必要的差错检查，不允许不同类型PON口之间配置成保护组。EPON的PON口不能和GPON的PON口配置成保护组。

在配置保护组时，首先要指定1个主端口，可以选择是否保留主端口配置作为保护组配置。1个保护组有且仅有1个主端口。除了指定主端口外，在配置保护组时，还要指定若干成员端口。对于1∶1保护，成员端口最多只能有1个。若选择不保留主端口配置，则删除所有PON口的配置。也可以将原PON口或者其他PON口的配置重新导入到保护组中，或重新配置保护组的配置。在删除保护组的时候，可以选择将原保护组配置保留在主端口上，或者全部删除。

3.2 强制切换和自动切换

可以使用系统软件和图形网管来强制主用、备用PON口间进行切换。

自动切换默认的触发条件有:输入光信号丢失(LOS);输入通道信道劣化(门限和策略可以配置);盘不在位或者PON MAC芯片损坏。

线卡负责监控是否发生了网管配置的倒换触发条件中的事件。倒换条件有:

1)监控是否发生了输入光信号丢失的事件，线卡还要支持软件检测方式来检测PON口下所有的ONU都掉注册;

2)发生了误码率越限的事件(软件不断检测误码率是否越限，例如CRC错误越限，或者配置芯片发生这个事件后产生中断);

3)光功率越限;

4)线卡被拔出(由主控盘检测)。

一旦线卡检测到发生了倒换触发条件，线卡硬件或者软件就需要向主控盘发送1条消息，表示工作线路发生故障，需要倒换，倒换由主控盘的CPU或者CPLD主导完成。发生倒换后，主控盘要上报事件给网管。

3.3 状态的查询和上报功能

通过系统软件和图像网管可以查询保护组内每1个PON MAC的工作状态，即处于active状态还是standby状态。对于全保护模式，还要查询每1个PON MAC下，实际注册的ONU信息。无论是ONU还是OLT发生倒换事件，倒换成功或者失败，系统都主动上报网管。如果是主控盘主导的倒换，则在倒换成功或者失败由主控盘来上报网管。如果是线卡自动主导的倒换，则倒换成功或者失败要由线卡上报给主控盘再上报给网管。用1个统一的协议，在显示的时候，分全保护和主干保护来显示。

4 PON保护倒换技术要点

为保证保护倒换后业务的平滑过渡，PON保护组中初始配置需要同步下发，以及保护组运行过程中的动态数据也需要同步。初始化配置指在保护组中主端口上的静态业务配置信息，如SN认证信息、授权信息VLAN、带宽、语音配置、TDM业务配置、组播配置等。动态数据包括MAC地址学习表、组播成组信息、DHCP/PPPOE绑定表、密钥信息等。

4.1 初始配置同步

盘内的OLT配置由同一个CPU来管理，因此对于初始化配置的同步，必须让线卡软件允许同一个ONU在保护组内的2个端口上同时授权。保护组初始化时的配置同步关键有如下2点:

1)预注册时，所有在主端口上注册的链路同时被静态地写到成员端口所在的芯片中，并且发送Link Discovery事件，让ONU配置模块认为在成员PON口上有链路注册，于是ONU配置模块更新ONU在线状态结构。主PON口模块还应向成员PON口模块同步配置状态信息，以避免配置重复下发影响业务。

2)预注册完成后，线卡向主控盘上报保护组配置完成。主控盘向线卡下发一系列配置命令。主控盘将主端口上的配置信息复制到成员端口上(如ONU授权、SLA、OLT/ONU QinQ等)。在成员PON上，由于ONU配置模块已经指示链路已注册，并且3723中存在相应的静态链路，这些配置即可开始配置。对于配置给3723的数据，如OLT QinQ和SLA，配置动作可以立即执行成功。对于配置给ONU的数据，如FE端口规则等，由于ONU实体并不存在，故在成员PON口上无法立即配置。但是ONU上的配置在主端口已经同时完成，倒换时利用ONU的Holdover功能保持到成员PON口继续工作。

盘间的配置初始化和盘内的类似，有区别的地方在于配置是由不同线卡上的CPU分别管理，故配置同步需要通过板间私有协议通信来完成。主控盘在下发配置时，向主、备成员端口所在的槽位各发1份。

4.2 动态同步

动态同步指的是在数据改变时，从工作态的PON口将数据同步到备用态的PON口。这些数据可归纳如下:

1)链路上学习到的MAC地址;

2)组播成组信息;

3)DHCP/PPPoE绑定表;

4)动态保存在内存中的数据，如CPU学习到的ONU，IAD，MAC 等等。

如果是盘内的同步，则由Host CPU实时完成数据同步更新;如果是盘间的同步，则需要工作态槽位的CPU通过带外通信将同步数据发送给备用态槽位的CPU，再由备用态槽位的CPU更新内存数据或写EPON芯片。

4.3 业务恢复

执行PON口的主备倒换后，原备用PON口变为主用，且该PON口下所有的PON口相关配置以及ONU配置(如ONU的授权信息、业务配置等)应与原主用PON口相同。在完成PON口保护倒换后，在新主用PON口可用的情况下，所有业务可自动恢复。

对倒换中配置了E1业务的ONU，主控盘需要同时向E1业务盘通告ONU在原主用PON口的授权以及在新主用PON口下的E1业务配置和ONU在线状态，以保证E1业务的自动恢复。

为实现倒换后语音业务的恢复，保证倒换前后ONU IAD私网IP地址保持不变，由主控盘在ONU授权时同时下发计算ONU私网IP使用的槽位号和PON口号。保护组使用第1个端口作参数下发，未配置保护组的以实际自身端口下发。

对于组播业务，主控盘的交换芯片、线卡的交换芯片和PON的芯片需处理MAC地址表。在PON口保护组倒换期间，由主控盘主动发IGMP QUERY报文，如间隔2 s，发送2 min。

对于数据业务，无须额外动作。

5 实验仿真

本实验在烽火通信股份有限公司研发的AN5516—01 GPON设备及图形网管ANM2000的平台上进行。以盘内PON保护类型b为例，进行自动保护倒换和强制保护倒换[3]。

实验环境如图2所示。使用2∶N光分路器，分别连接主用端口和备用端口，并使用仪表SmartBits600打数据业务流。

图2 实验连接图

配置PON保护组(如图3)，12号槽位下PON口1为主端口，PON口5为备用端口，需要注意的是盘内保护不允许同一芯片的PON口组成对。此时查询PON口保护组状态(如图4)，可以看到配置的PON保护组已生效。模拟事故环境，拔掉PON口1的光纤，使系统产生断纤告警(如图5)触发自动PON保护倒换，倒换后再次查询PON口保护组状态发现PON口的主、备状态已经倒换成功(如图6)。同时，始终观测业务数据流的状态，拔纤后业务流有瞬时中断，而后迅速恢复正常。重复拔纤10次，抓包计算的业务流平均中断时间为148.6 ms。此外，发现业务中断时间也与PON口下挂ONU个数有一定联系。

在图形网管界面进行强制保护倒换，观测业务流、查询PON口保护组状态，所得结果与自动保护倒换一致。

图6 倒换后的PON口状态

6 结束语

本文简要概述了PON保护倒换的基本实现，其中数据同步和倒换后业务的快速恢复是关键。考虑到接入成本和实用性，b类保护更经济实用。目前，PON保护倒换都有PON芯片支持。

[1]IEEE 802.3—2008，信息技术系统间通信和信息交换局域网和城域网特定要求第3部分:载波检测多址存取采用冲突检测(CSMA/CD)的存取方法和物理层规范[S].2008.

[2]ITU－TG.984.3，Gigabit－capable Passive Optical Networks(GPON):Transmission Layer Specification[S].2004.

[3]徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系统及实验[M].北京:北京邮电大学出版社，2006.