GPON系统中ONU快速升级技术研究与设计

方 倩，袁鑫昌，柳 杰

(1.光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北 武汉 430074;2.烽火通信股份有限公司，湖北 武汉 430074)

GPON技术是基于ITU－T G.984.x标准的新一代宽带无源光网络标准，其具有传输速率高、传输距离长、效率高、可伸缩性强、支持不同QoS要求的业务强大的OAM能力和稳健性、高安全性等特点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术［1－2］。GPON 系统是由 OLT，ONU 和 ODN 组成。ODN(Optical Distributed Network)由光纤和无源分光器组成，它连接局端的OLT(Optical Line Terminal)和用户端的ONU(Optical Network Unit)，其上行数据传输速率为1.25 Gbit/s，下行为 2.5 Gbit/s［3］。

GPON代表下一代互联网的发展趋势，已经开始在国内、国外大规模商用，而当前GPON ONU在工程上升级速度较慢，花费时间较长，严重影响了设备的可维护性。为了让用户得到更好的服务，全网ONU的功能快速升级显得十分必要，而如何让其升级得更快更稳定便成为当前工程上的重要问题。针对以上问题，本文提出一种快速升级ONU的方法。

1 ONU升级技术

ONU的升级功能是指对ONU设备的系统文件(如固件、CPU文件等)进行版本更新的能力。根据实现方式的不同，升级功能又可以分为手动升级和自动升级两种方式。

手动升级是通过在用户界面指定升级文件、FTP服务器的地址、用户名和密码等信息，下发控制命令，一次完成单个或多个在线ONU的版本更新。

自动升级是用户将一个或多个升级文件、FTP服务器的地址、用户名、密码、自动升级开关等自动升级相关配置信息下发到设备，在自动升级配置打开的时段内，设备自动识别配置中需要升级的对象的版本信息，在版本不一致时自动从FTP服务器下载升级文件完成对配置对象的版本更新。

从用户操作和实现上来看，ONU手动升级和自动升级的最大区别是:手动升级命令是一个控制命令，自动升级是一个配置命令［2］。

2 传统升级方案分析

图1所示为OLT线卡的带外控制模式，即业务流与控制信息使用不同的通道。HBI(Host Bus Interface)是PON芯片提供给CPU的带外管理控制通道。传统的升级方式是CPU和PON芯片在HBI通道上建立TCP连接进行通信。首先ONU升级镜像文件按每31 byte分为一段，由CPU给每段净荷封装上OMCI帧序号和消息头、TCP头、IP头、以太网头，然后通过HBI通道传送到PON芯片，最后由PON芯片的CPU及TCP协议栈对此包进行解析处理后再传送到远端ONU。

图1 线卡带外控制模式

而实际上利用此种方式升级ONU时比较慢，一个大小只有4 Mbit的ONU镜像文件升级完成大约需要3 min。以半框满配置为例，共计2048 台ONU，升级时间长达102 h，严重影响了工程维护的成本。

TCP协议具有面向连接、可靠的特点，3次握手机制便是它可靠性的保证，但这同时也会降低传输速度，故怀疑是TCP协议栈对于升级包处理慢导致了整个升级过程耗时很长。通过CPU调试网口(motfcc)向PC发送数据包以便与CPU和PON芯片接口(mlbnet)的效率进行比较。利用发包函数通过线卡CPU的motfcc接口往计算机网口发二层包、TCP包，实验结果如表1所示，线卡CPU向PON芯片mlbnet接口发二层包、TCP包，实验结果如表2所示。

表1 测试结果1

表2 测试结果2

对比表1、表2实验结果发现，PON芯片的mlbnet接口的包处理速度明显较慢，且TCP包的处理效率也不如二层包。证明传统升级方式的速率瓶颈在于TCP协议栈的处理以及HBI通道本身的处理速度上。由于PON芯片提供了另一种基于带内控制模式的OMCI消息交互途径，因此本文提出的快速升级技术便是基于带内控制模式的研究与设计。

3 快速升级方案分析与设计

3.1 理论分析

图2所示为OLT线卡的带内控制模式，即业务流与控制信息共用一条通道。交换芯片与PON芯片之间有4条2.5 Gbit/s的高速SGMⅡ通道，将升级的OMCI消息改由交换芯片进行L2 Proxy的方式进行传递，即使用带内控制模式升级远端ONU。

图2 线卡带内控制模式

根据前面的分析，CPU对二层包的处理效率远高于对TCP包的处理效率，且交换芯片与PON芯片之间的高速SGMII通道对于升级包的传输速率也远高于HBI通道的传输速率，故将OMCI消息封装在一个二层包里使用带内控制模式升级ONU，理论上是能大大提高OMCI消息传输到PON芯片的速度，继而提高升级远端ONU的速度。

在带内控制模式下，OMCI消息的传输速度提高了很多，但考虑到业务流与控制信息共用一条通道，业务流可能会影响OMCI消息的传输，所以在升级ONU时，通过OMCI协议将升级包放在高优先级队列，业务流放在低优先级队列，以此来保证业务流不会对升级造成影响。由于二层包没有TCP协议的3次握手机制，为了保证升级的可靠性，线卡PON芯片向ONU的PON芯片发送升级的OMCI包时，每个窗口的最后一个包要求ONU向上发一个回应确认包，如果收到来自ONU回复正确的确认包，则OLT端将继续发送下一个窗口;如果出现确认错误(比如CRC错误或是段内容丢失)，OLT端将重传此窗口全部内容;如果3次重传失败则返回错误并终止升级流程。

3.2 实现思路

3.2.1 下行方向

配置PON芯片处理L2消息的MAC地址、以太网类型及VLANID。OMCI消息在完成协议栈封装后加上L2消息头，通过交换芯片发往PON芯片。

3.2.2 上行方向

交换芯片通过对以太网类型及VLANID的识别，进行包过滤，将PON芯片发送过来的OMCI消息TRAP到CPU进行处理。

3.3 升级流程设计

线卡从FTP服务器下载升级包，如图3所示，按L2 Proxy以太网帧格式组包后，通过HiSGMII通道将L2 Proxy包传输到PON芯片。

具体流程为:

1)将从FTP服务器下载的ONU升级文件按照每31 byte分为1个段，每232个段划分为一个窗口;

图3 L2 Proxy组包流程

2)按段将文件镜像封装在OMCI消息中，即给每31 byte的段加上OMCI消息头、OMCI升级帧序号和尾部信息;

3)每29条OMCI消息封装在一个L2消息中，即每29条OMCI消息加上以太网消息头、L2消息头和CRC校验。

PON芯片将L2 Proxy以太网包中的OMCI消息内容拆分出来，包括OMCI消息、OMCI消息头、OMCI尾部信息，再加上GEM帧头。按包序号串行传输到远端ONU的PON芯片，表3所示为在GEM模式下，ONT管理控制协议的报文格式［4］。

表3 ONT管理控制协议的报文格式 byte

ONU接收完升级包后，解包并提取OMCI消息进行重新组包，最后写Flash。

经多次实验证明，原本需要3 min才能完成1个ONU镜像文件升级，按本文升级方式改进后仅需21 s，所需升级时间是原来的1/9左右。半框满配置升级由原来的102 h，减少到近12 h，大大节省了工程维护的时间。

4 小结

传统升级方式是将一个短帧长的OMCI消息映射在TCP/IP消息中进行传送，而本文提出的这种快速升级ONU技术，是在OLT上将多个短帧长的OMCI消息映射在一个长帧长的L2消息中进行传送，并且通过设置窗口数减少ONU的应答次数，由此对升级效率带来了很大的提升。此快速升级技术能同时应用于手动和自动升级ONU两种方式中，并且能兼容目前工程上已经应用的ONU，满足了实际工程上对大规模ONU升级的需求。

［1］崔海霞.FTTH发展状况及低成本方案探讨［J］.电视技术，2006，30(10):4－7.

［2］万洪丹.吉比特无源光网络(GPON)和光网络终端(ONT)关键技术研究［D］.南京:南京理工大学，2007.

［3］刘谦.ONT远程集中管理探讨［J］.电信技术，2008(9):31－34.

［4］ITU－T G.984.4，ONT management and control interface specification for gigabit－capable passive optical networks(GPON)［S］.2008.