GPON系統(tǒng)中ONU快速升級(jí)技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

方 倩，袁鑫昌，柳 杰

(1.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074;2.烽火通信股份有限公司，湖北 武漢 430074)

GPON技術(shù)是基于ITU－T G.984.x標(biāo)準(zhǔn)的新一代寬帶無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其具有傳輸速率高、傳輸距離長(zhǎng)、效率高、可伸縮性強(qiáng)、支持不同QoS要求的業(yè)務(wù)強(qiáng)大的OAM能力和穩(wěn)健性、高安全性等特點(diǎn)，被大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商視為實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)業(yè)務(wù)寬帶化，綜合化改造的理想技術(shù)［1－2］。GPON 系統(tǒng)是由 OLT，ONU 和 ODN 組成。ODN(Optical Distributed Network)由光纖和無(wú)源分光器組成，它連接局端的OLT(Optical Line Terminal)和用戶端的ONU(Optical Network Unit)，其上行數(shù)據(jù)傳輸速率為1.25 Gbit/s，下行為 2.5 Gbit/s［3］。

GPON代表下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)開始在國(guó)內(nèi)、國(guó)外大規(guī)模商用，而當(dāng)前GPON ONU在工程上升級(jí)速度較慢，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了設(shè)備的可維護(hù)性。為了讓用戶得到更好的服務(wù)，全網(wǎng)ONU的功能快速升級(jí)顯得十分必要，而如何讓其升級(jí)得更快更穩(wěn)定便成為當(dāng)前工程上的重要問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種快速升級(jí)ONU的方法。

1 ONU升級(jí)技術(shù)

ONU的升級(jí)功能是指對(duì)ONU設(shè)備的系統(tǒng)文件(如固件、CPU文件等)進(jìn)行版本更新的能力。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，升級(jí)功能又可以分為手動(dòng)升級(jí)和自動(dòng)升級(jí)兩種方式。

手動(dòng)升級(jí)是通過(guò)在用戶界面指定升級(jí)文件、FTP服務(wù)器的地址、用戶名和密碼等信息，下發(fā)控制命令，一次完成單個(gè)或多個(gè)在線ONU的版本更新。

自動(dòng)升級(jí)是用戶將一個(gè)或多個(gè)升級(jí)文件、FTP服務(wù)器的地址、用戶名、密碼、自動(dòng)升級(jí)開關(guān)等自動(dòng)升級(jí)相關(guān)配置信息下發(fā)到設(shè)備，在自動(dòng)升級(jí)配置打開的時(shí)段內(nèi)，設(shè)備自動(dòng)識(shí)別配置中需要升級(jí)的對(duì)象的版本信息，在版本不一致時(shí)自動(dòng)從FTP服務(wù)器下載升級(jí)文件完成對(duì)配置對(duì)象的版本更新。

從用戶操作和實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，ONU手動(dòng)升級(jí)和自動(dòng)升級(jí)的最大區(qū)別是:手動(dòng)升級(jí)命令是一個(gè)控制命令，自動(dòng)升級(jí)是一個(gè)配置命令［2］。

2 傳統(tǒng)升級(jí)方案分析

圖1所示為OLT線卡的帶外控制模式，即業(yè)務(wù)流與控制信息使用不同的通道。HBI(Host Bus Interface)是PON芯片提供給CPU的帶外管理控制通道。傳統(tǒng)的升級(jí)方式是CPU和PON芯片在HBI通道上建立TCP連接進(jìn)行通信。首先ONU升級(jí)鏡像文件按每31 byte分為一段，由CPU給每段凈荷封裝上OMCI幀序號(hào)和消息頭、TCP頭、IP頭、以太網(wǎng)頭，然后通過(guò)HBI通道傳送到PON芯片，最后由PON芯片的CPU及TCP協(xié)議棧對(duì)此包進(jìn)行解析處理后再傳送到遠(yuǎn)端ONU。

圖1 線卡帶外控制模式

而實(shí)際上利用此種方式升級(jí)ONU時(shí)比較慢，一個(gè)大小只有4 Mbit的ONU鏡像文件升級(jí)完成大約需要3 min。以半框滿配置為例，共計(jì)2048 臺(tái)ONU，升級(jí)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)102 h，嚴(yán)重影響了工程維護(hù)的成本。

TCP協(xié)議具有面向連接、可靠的特點(diǎn)，3次握手機(jī)制便是它可靠性的保證，但這同時(shí)也會(huì)降低傳輸速度，故懷疑是TCP協(xié)議棧對(duì)于升級(jí)包處理慢導(dǎo)致了整個(gè)升級(jí)過(guò)程耗時(shí)很長(zhǎng)。通過(guò)CPU調(diào)試網(wǎng)口(motfcc)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)包以便與CPU和PON芯片接口(mlbnet)的效率進(jìn)行比較。利用發(fā)包函數(shù)通過(guò)線卡CPU的motfcc接口往計(jì)算機(jī)網(wǎng)口發(fā)二層包、TCP包，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，線卡CPU向PON芯片mlbnet接口發(fā)二層包、TCP包，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 測(cè)試結(jié)果1

表2 測(cè)試結(jié)果2

對(duì)比表1、表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PON芯片的mlbnet接口的包處理速度明顯較慢，且TCP包的處理效率也不如二層包。證明傳統(tǒng)升級(jí)方式的速率瓶頸在于TCP協(xié)議棧的處理以及HBI通道本身的處理速度上。由于PON芯片提供了另一種基于帶內(nèi)控制模式的OMCI消息交互途徑，因此本文提出的快速升級(jí)技術(shù)便是基于帶內(nèi)控制模式的研究與設(shè)計(jì)。

3 快速升級(jí)方案分析與設(shè)計(jì)

3.1 理論分析

圖2所示為OLT線卡的帶內(nèi)控制模式，即業(yè)務(wù)流與控制信息共用一條通道。交換芯片與PON芯片之間有4條2.5 Gbit/s的高速SGMⅡ通道，將升級(jí)的OMCI消息改由交換芯片進(jìn)行L2 Proxy的方式進(jìn)行傳遞，即使用帶內(nèi)控制模式升級(jí)遠(yuǎn)端ONU。

圖2 線卡帶內(nèi)控制模式

根據(jù)前面的分析，CPU對(duì)二層包的處理效率遠(yuǎn)高于對(duì)TCP包的處理效率，且交換芯片與PON芯片之間的高速SGMII通道對(duì)于升級(jí)包的傳輸速率也遠(yuǎn)高于HBI通道的傳輸速率，故將OMCI消息封裝在一個(gè)二層包里使用帶內(nèi)控制模式升級(jí)ONU，理論上是能大大提高OMCI消息傳輸?shù)絇ON芯片的速度，繼而提高升級(jí)遠(yuǎn)端ONU的速度。

在帶內(nèi)控制模式下，OMCI消息的傳輸速度提高了很多，但考慮到業(yè)務(wù)流與控制信息共用一條通道，業(yè)務(wù)流可能會(huì)影響OMCI消息的傳輸，所以在升級(jí)ONU時(shí)，通過(guò)OMCI協(xié)議將升級(jí)包放在高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，業(yè)務(wù)流放在低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，以此來(lái)保證業(yè)務(wù)流不會(huì)對(duì)升級(jí)造成影響。由于二層包沒(méi)有TCP協(xié)議的3次握手機(jī)制，為了保證升級(jí)的可靠性，線卡PON芯片向ONU的PON芯片發(fā)送升級(jí)的OMCI包時(shí)，每個(gè)窗口的最后一個(gè)包要求ONU向上發(fā)一個(gè)回應(yīng)確認(rèn)包，如果收到來(lái)自O(shè)NU回復(fù)正確的確認(rèn)包，則OLT端將繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)窗口;如果出現(xiàn)確認(rèn)錯(cuò)誤(比如CRC錯(cuò)誤或是段內(nèi)容丟失)，OLT端將重傳此窗口全部?jī)?nèi)容;如果3次重傳失敗則返回錯(cuò)誤并終止升級(jí)流程。

3.2 實(shí)現(xiàn)思路

3.2.1 下行方向

配置PON芯片處理L2消息的MAC地址、以太網(wǎng)類型及VLANID。OMCI消息在完成協(xié)議棧封裝后加上L2消息頭，通過(guò)交換芯片發(fā)往PON芯片。

3.2.2 上行方向

交換芯片通過(guò)對(duì)以太網(wǎng)類型及VLANID的識(shí)別，進(jìn)行包過(guò)濾，將PON芯片發(fā)送過(guò)來(lái)的OMCI消息TRAP到CPU進(jìn)行處理。

3.3 升級(jí)流程設(shè)計(jì)

線卡從FTP服務(wù)器下載升級(jí)包，如圖3所示，按L2 Proxy以太網(wǎng)幀格式組包后，通過(guò)HiSGMII通道將L2 Proxy包傳輸?shù)絇ON芯片。

具體流程為:

1)將從FTP服務(wù)器下載的ONU升級(jí)文件按照每31 byte分為1個(gè)段，每232個(gè)段劃分為一個(gè)窗口;

圖3 L2 Proxy組包流程

2)按段將文件鏡像封裝在OMCI消息中，即給每31 byte的段加上OMCI消息頭、OMCI升級(jí)幀序號(hào)和尾部信息;

3)每29條OMCI消息封裝在一個(gè)L2消息中，即每29條OMCI消息加上以太網(wǎng)消息頭、L2消息頭和CRC校驗(yàn)。

PON芯片將L2 Proxy以太網(wǎng)包中的OMCI消息內(nèi)容拆分出來(lái)，包括OMCI消息、OMCI消息頭、OMCI尾部信息，再加上GEM幀頭。按包序號(hào)串行傳輸?shù)竭h(yuǎn)端ONU的PON芯片，表3所示為在GEM模式下，ONT管理控制協(xié)議的報(bào)文格式［4］。

表3 ONT管理控制協(xié)議的報(bào)文格式 byte

ONU接收完升級(jí)包后，解包并提取OMCI消息進(jìn)行重新組包，最后寫Flash。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明，原本需要3 min才能完成1個(gè)ONU鏡像文件升級(jí)，按本文升級(jí)方式改進(jìn)后僅需21 s，所需升級(jí)時(shí)間是原來(lái)的1/9左右。半框滿配置升級(jí)由原來(lái)的102 h，減少到近12 h，大大節(jié)省了工程維護(hù)的時(shí)間。

4 小結(jié)

傳統(tǒng)升級(jí)方式是將一個(gè)短幀長(zhǎng)的OMCI消息映射在TCP/IP消息中進(jìn)行傳送，而本文提出的這種快速升級(jí)ONU技術(shù)，是在OLT上將多個(gè)短幀長(zhǎng)的OMCI消息映射在一個(gè)長(zhǎng)幀長(zhǎng)的L2消息中進(jìn)行傳送，并且通過(guò)設(shè)置窗口數(shù)減少ONU的應(yīng)答次數(shù)，由此對(duì)升級(jí)效率帶來(lái)了很大的提升。此快速升級(jí)技術(shù)能同時(shí)應(yīng)用于手動(dòng)和自動(dòng)升級(jí)ONU兩種方式中，并且能兼容目前工程上已經(jīng)應(yīng)用的ONU，滿足了實(shí)際工程上對(duì)大規(guī)模ONU升級(jí)的需求。

［1］崔海霞.FTTH發(fā)展?fàn)顩r及低成本方案探討［J］.電視技術(shù)，2006，30(10):4－7.

［2］萬(wàn)洪丹.吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)和光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

［3］劉謙.ONT遠(yuǎn)程集中管理探討［J］.電信技術(shù)，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.