以太无源光网络中光网络单元注册的FPGA实现

殷爱菡，刘方仁

（华东交通大学信息工程学院，江西南昌 330013）

以太无源光网络EPON（ethernet passive optical network，EPON）是光接入网的重要解决方案之一[1]，为了实现EPON系统良好的可扩展性和方便的操作维护管理，在系统开通运行后，新连接的或者掉电的光网络单元ONU（optical network unit，ONU）需要能够自动加入到系统中，而不影响其它正常工作的ONU。以往关于ONU注册的研究，大部分集中在对ONU注册算法的研究，如对ONU注册窗口大小和周期的选择[2]，以及对ONU注册流程及其安全性研究[3]，很少涉及到ONU注册的硬件实现。本文提出了一种基于FPGA的ONU注册方案，且采用自顶向下的设计方法，通过硬件描述语言Verilog HDL编程实现，该方案具有占用硬件资源少、结构简单、可靠性高和可移植性等优点。

1 ONU注册的过程及原理

ONU的注册是指新连接的或断线的ONU接入网络，能够被光线路终端OLT（optical line terminal，OLT）自动识别，这一过程由OLT来驱动。注册过程中需要的控制帧有：传送注册授权和带宽授权的GATE帧，传送注册请求的REGISTER_REQ帧，传送注册信息的REGISTER帧，传送注册确认信息的REGISTER_ACK帧。具体的注册过程及原理如下.

1）OLT周期性的向系统各个ONU广播发送注册授权GATE帧，让新接入的或者断线的ONU有机会被OLT识别。OLT发送注册授权GATE帧后，启动发现窗口定时器，若定时器超时未收到ONU的应答，则关闭发现窗口，等待下一周期的到来[4]。

2）已注册的ONU忽略注册授权GATE帧，而未注册的ONU接收到注册授权GATE帧后，首先根据时间标签调整本地时钟，然后在授权的时隙内利用REGISTER_REQ帧发送注册请求信息。若ONU在发送注册请求后的指定时间内未收到OLT发来的REGISTER帧，则认为发生了注册冲突。ONU进行随机延时后重新发送注册请求，直至收到OLT发来的REGISTER帧[5]。

3）OLT在发现窗口内收到一个有效地注册请求消息后，首先给新发现的ONU分配逻辑链路标识LLID（logical link identifier），并将LLID与该ONU的MAC地址绑定起来，同时利用REGISTER帧给该ONU发送注册信息；然后OLT再给该ONU发送带宽授权GATE帧以使其向OLT发送注册确认帧[6]。

4）未注册的ONU收到REGISTER帧后，利用该消息中携带的新分配的LLID替换未注册时的LLID，同时等待OLT发送带宽授权GATE帧。收到授权后，ONU利用REGISTER_ACK帧向OLT发送注册确认信息，这样就完成了整个注册过程。具体的注册过程如图1所示。

2 ONU注册的FPGA实现

根据ONU的注册过程以及模块化的FPGA设计思想，将ONU注册作为一个模块来实现，其总体设计框图如图2所示。为了更好地说明ONU注册的FPGA实现过程，设计了一个由OLT和3个ONU组成的简单注册模块。由设计框图可知，注册模块包括：启动注册模块、OLT端控制帧处理模块、单播/广播控制模块和ONU端控制帧处理模块等4个子模块。

2.1 启动注册模块设计

ONU注册过程的第一步是OLT以广播的方式周期发送注册授权GATE帧，由于该帧是周期发送的，且该GATE帧的内容是固定的，因此单独设计一个模块来周期发送注册授权GATE帧。注册授权GATE帧的长度为72个字节，故启动注册模块的设计中将该GATE帧存储在一个长度为18，位宽为32的数组中。clk_gate为发送注册授权GATE帧的标识信号，当clk_gate产生一个高电平时，OLT就立即发送注册授权GATE帧。

2.2 OLT端控制帧处理模块设计

OLT端控制帧处理模块的主要功能是发送REGISTER帧和带宽授权GATE帧，处理ONU发来的REGISTER_REQ帧和REGISTER_ACK帧。控制帧的发送与接收可以利用FIFO来实现[7]。考虑到控制帧的长度为72字节，故FIFO的位宽设定为32，深度设定为18。OLT端控制帧处理模块接收到ONU发来的控制帧后将其保存到64位的移位寄存器中，然后判断移位寄存器的数值是不是帧前导码。若不是帧前导码，则继续检测；若是，则将计数器置0，并开始计数，直到计数器的值为8时，再进行数据检测。此时检测的是操作码字段的值，根据操作码字段的值来进行帧识别，从而对不同的帧作出相应的处理。操作码0x0002代表GATE帧，0x0004代表REGISTER_REQ帧，0x0005代表REGISTER帧，0x0006代表REGISTER_ACK帧，其中0x表示十六进制[8]。该模块程序设计流程图如图3所示。

2.3 单播/广播控制模块设计

在ONU的注册过程中，OLT控制帧的发送方式分为广播发送与单播发送，注册授权GATE帧和REG-ISTER帧为广播发送，带宽授权GATE帧为单播发送。当控制帧进入单播/广播控制模块时，检测该帧的操作码字段，从而识别该帧的类型，选择相应发送方式。单播/广播控制模块程序设计流程图如图4所示。

2.4 ONU端控制帧处理模块设计

ONU端控制帧处理模块的主要功能是接收注册授权GATE帧、带宽授权GATE帧，发送REGISTER_REQ帧和REGISTER_ACK帧。ONU端控制帧处理模块也采用FIFO来进行数据处理的，将接收到的数据存储到64位的移位寄存器中，检测其操作码字段的值，从而确定帧的类型。当ONU连续收到REGISTER帧和带宽授权GATE帧后，ONU向OLT发送一个REGISTER_ACK帧，报告注册结果。ONU端控制帧处理模块程序设计流程图如图5所示。

3 实现结果的验证与分析

ONU注册的FPGA实现和功能验证是在Modelsim SE 6.5和QuartusⅡ7.1环境下完成的。验证所采用的芯片是CycloneⅡ系列芯片EP2C8Q208C7。为了对ONU注册过程进行仿真，特设定如下参数:OLT的MAC地址为0x201010011030，LLID为0x1fff；ONU1的MAC地址为0x201010011001，ONU2的MAC地址为0x201010011002，ONU3的MAC地址为0x201010011003；注册成功后OLT分配给ONU1，ONU2，ONU3的LLID分别为0x1111，0x2222，0x3333。

ONU注册的仿真过程如图6所示，图6（a）是OLT发送的注册授权GATE帧，图6（b）是OLT接收到ONU1发送的REGISTER_REQ帧，图6（c）和图6（d）分别是OLT向ONU1发送的REGISTER帧和带宽授权GATE帧。ONU注册成功的确认结果如图7所示，图中的数据是OLT接收到ONU发送的REGISTER_ACK确认帧。该帧的第1，2组数据是帧前导码，第3，4，5组数据是目的地址和源地址，第6组数据是帧类型标识和操作码，第7组数据是时戳，第8组数据是数据域，其前2位数字表示注册成功与否，若为0x01则表示注册成功；中间4位数字表示注册完成后OLT分配给某个ONU的LLID，后面2位数字则是对同步时间值作的回应。

图7（a）（b）（c）分别是OLT接收到ONU1，ONU2，ONU3发送的REGISTER_ACK帧。从图7中的结果可以看出，图7（a）中的第3组数据和第4组数据的前4位为0x201010011030，为OLT的MAC地址，表示该帧是发送给OLT的；第4组数据的后4位和第5组数据为0x201010011001，为ONU1的MAC地址，表示该帧是从ONU1发出的；第6组数据的前4位为0x8808，表示该帧的类型为控制帧，其后4位为0x0006，表示该帧为注册确认帧；第7组数据表示ONU1发送该确认帧时的本地时间值；第8组数据的前2位数字为0x01，且中间4位数字为1111，这说明ONU1注册成功，且分配的LLID与前面预期设定的分配值相同。同理，图7（b）中的第8组数据的前6位数字为0x012222，图7（c）中的第8组数据的前6位数字为0x013333。综上所述，仿真结果验证了该ONU注册方案的有效性和可行性。

4 结束语

通过对ONU注册的各个模块的程序设计，在Altera的平台上实现了FPGA硬件电路，成功实现了提出的ONU注册方案，仿真结果与预期的理论值完全相符。该方案设计灵活，具有可移植性，能很容易地扩展为16个或者32个ONU的网络拓扑结构，可广泛地应用于新一代无源光接入网中。

[1]SÍLVIAPATO，HENRIQUE SILVA，PAULO MONTEIRO.Forward error correction in 10 Gbits/s Ethernet passive optical networks[J].Journal of Optical Networking，2009，8（1）：84-94

[2]戚世杰，李迎春，林如俭.EPON系统注册过程[J].上海大学学报：自然科学版，2005（11）：346-349.

[3]简化，李庆山，秦前清.EPON中ONU的自动加入技术及实现[J].光通信技术，2004（9）：18-19.

[4]朱华伟，侯晓荣，何峥.10 G EPON系统ONU注册技术研究[J].光通信技术，2010（2）：1-4.

[5]张多英，李学易，刘伟平，等.EPON系统中的MPCP协议研究[J].应用光学，2004，25（4）：21-25.

[6]李霞，黄俊，朱雁程.EPON中LLID配置方式[J].光通信技术，2009（5）：8-10.

[7]陈军，张远见，杨俊.一种节能型可升级异步FIFO的FPGA实现[J].电子技术应用，2009（4）：66-69.

[8]LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEE Std 802.3ah-2004[S].New York：The Institue of Electrical and Electronics Engineers：2004.