FTTH模式下PON网络VLAN资源规划方式探究

张 奇

（中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司 上海 200060）

1 概述

在用户接入带宽迅猛增长、有线宽带接入方式逐步向FTTH过渡的时代，PON网络作为“最后一公里”的高效解决方案已经开始全面部署。其中除了光功率预算、接入用户带宽分配等方面限定PON网络的规模与性能外，VLAN资源的规划方式作为对整个PON网络乃至数据城域网起到重要影响的因素之一，常常容易被忽视。

在PON网络建设及发展的过程中，用户接入方式的变化、数据城域网的结构特点决定了VLAN规划方式的不同。由FTTB+LAN方式为主的接入方式曾一度作为有线宽带接入的主流方式。随着Internet网络应用的丰富，用户对带宽体验也提升至一个新的高度，FTTB+LAN的接入方式将逐渐过渡至FTTH/FTTO为主，并能提供给用户更多、更方便的个人网关级服务[1]。

2 数据城域网及PON网络结构

PON网络作为普通有线宽带业务的接入方式，以其灵活动态的带宽分配机制、方便的部署、建设成本低廉等特点成为“最后一公里”接入方案的首选对象。一般数据城域网以及PON网络的结构如图1所示。

在图1所示的网络结构下，PON系统作为二层接入网收敛宽带接入业务至数据城域网二层汇聚设备[2]。二层边缘汇聚设备根据VLAN信息分流业务，并上联至3层PE网元。PE及P网元识别、终结VLAN，并以IP包形式进行业务处理[3]。

在二层PON网络区域中，每台OLT均有其覆盖范围以及VLAN广播域。在同一OLT的VLAN广播域中应保证每用户VLAN信息的惟一性。同时根据OLT上联汇聚交换机是否具备VLAN端口隔离功能，还需要确定二层汇聚交换机端口或网元下的VLAN信息惟一性。

对于以移动业务为主的电信运营商，由于传统业务采用集中处理的方式，核心层（L3层）部署规模集中于运营商网络的骨干局房范围。因此，在上述网络结构中L2层的建设规模大于L3层网络规模，属于典型的“大2小3”结构。由于处理网元的集中部署方式，使得二层汇聚设备覆盖较大的区域，二层VLAN广播域范围较大，需要细致、灵活的VLAN资源分配方式。

对于以固网业务为主的电信运营商，由于已部署较大规模的属地接入网，且为了提供灵活的调度方式，3层处理往往下沉至运营商汇聚甚至接入节点内。因此，对于上述网络结构，L3层部分将大于L2层，属于 “大3小2”结构。由于二层网络规模较小，单PON网络覆盖范围以及接入用户数量相对较小，二层VLAN广播域较小，甚至VLAN资源在单独PON网络内有较大的使用空间及资源。因此，该方式下VLAN的管理及分配方式较简单。

因此，对于以移动业务为主的“大2小3”网络，VLAN资源合理规划尤为重要，合理的规划方式直接影响OLT以及汇聚交换机的覆盖能力以及用户接入能力。

3 VLAN资源规划方式

在进行VLAN资源规划方式前，有必要对数据城域网以及PON网络作一些限定，并建立适当网络结构模型，便于后文进一步讨论与研究。

在模型中，设定多业务分流交换机不具备端口VLAN隔离功能，即单套SW下存在VLAN广播域。

OLT上联以双端口负荷分担方式单归属至SW，即SW以P2MP方式汇聚并收敛OLT，而OLT则以P2P方式上联SW。OLT下联ODN部分均以TypeB方式配置PON口主干路由保护，最大程度保障网络的健壮性。

在VLAN使用方式上，采用IEEE 802.ah方式，即Q-in-Q的VLAN使用方式。ONU网元对业务净荷打内层CVLAN标签，外层SVLAN标签在OLT上实现。

3.1 FTTB+LAN方式下的VLAN规划方式

以该模型为主的大型城域范围内，在固网宽带业务发展初期，用户接入数量、密集程度均比较稀疏。此外，住宅入户端线缆以五类线为主。在该背景下，FTTB+LAN的宽带用户接入方式成为市场的主流模式。此时鉴于OLT设备能力（容量交叉能力、MAC地址容量等）以及单板 PON口密度均较少，OLT网元PON口有效使用数量在 24～32个，同时分光比以一级 1∶16、末端 MDU以16口FE为主。

在该模式下，为规范端口、用户等对应关系，典型的VLAN规划方式如下[4]。

（1）SVLAN 标签

FTTB+LAN模式下的SVLAN格式如图2所示。

·SVLAN 0～4 bit，OLT PON端口标识，标识 OLT设备中的PON口（最大32个）；

·SVLAN 5～8 bit，OLT设备标识，标识单套汇聚交换机汇聚OLT的数量（最多汇聚16台OLT）；

·SVLAN 9～11 bit，业务标识，标识业务类型（最大承载8种业务）。

（2）CVLAN 标签

FTTB+LAN模式下的CVLAN格式如图3所示。

·CVLAN 0～8 bit：用户标识，标识单PON口下接入的用户数量（最大可接入512个用户）；

·CVLAN 9～11 bit：业务标识，与 CVLAN标签的 9～11 bit相同。

该VLAN的分配方式能够支持8种业务需求，并将PON口、用户进行一一对应，方便资源预分配，加快业务受理流程。但是，SVLAN的5～8 bit限制了汇聚交换机收敛OLT的数量，SVLAN的0～4 bit限制了单套OLT管理PON口的数量，CVLAN的 9～11 bit与 SVLAN的 9～11 bit功能重复，VLAN标签资源浪费。

3.2 FTTH方式下的VLAN规划方式

随着宽带业务的逐步发展，伴随宽带市场的激烈竞争，加之用户对带宽需求的增加以及更好的用户体验，以五类线入户的FTTB+LAN方式逐渐演进为FTTH方式。在FTTH方式下，PON网络组网结构虽然未发生重大变化，但是所使用的收发光模块类型以及ODN结构存在变革。

由于ONU将直接入户，导致PON网络PON口分光比将扩大至 1∶64甚至更大，单PON口接入用户数量从原先的256户（1∶16分光，16口 MDU）减至约 64户。因此，在FTTH模式下非常消耗PON口的数量资源。而FTTB+LAN模式下的VLAN分配方式却只能支持单套OLT设备32个PON口。这对网络规模、接入方式转型等将造成瓶颈。若保持该资源分配方式，网络建设的CAPEX及OPEX投入极不合理。因此，必须在现网VLAN资源分配方式基础上进行优化及改进，以最小代价支持更多PON口的接入支持。

此外，FTTB+LAN方式的ONU以及FTTH方式下的配置模式完全不同，由于考虑到用户接入的即时性以及业务申请/开通的快速性，ONT的配置应直接采用设备出厂默认配置，并使网络具备VLAN资源灵活配置的功能。

基于上述瓶颈以及FTTH模式下的特殊性，一种改良型VLAN资源分配方式必须统一考虑上述因素，并以平滑过渡、对业务影响最小化为目标。

3.2.1 PON口组

在FTTH模式下，为保持SVLAN的基本格式，将引入PON口组概念，即将原有SVLAN与PON口的对应关系改变为单一SVLAN对应一组PON口。PON口组及VLAN的规划思路示意如图4所示。

在图4(a)中，原有FTTB+LAN方式下为每一个PON口均分配了一个SVLAN（假设接入业务的SVLAN/CVLAN范围为 512～1 023），根据 CVLAN字节的定义，每个 SVLAN下又有同样数量（512～1 023）的 CVLAN可供使用，故单PON口下最大接入用户数为512个，上述4个PON口共可接入用户数量为2 048个。

在引入PON口组后（图4(b)），同样的4个PON口可以组成一个PON口组，而每个PON组只需要使用一个SVLAN（示例中举例使用 SVLAN 512），而PON组下的每个PON口却共用512～1 023个CVLAN，将单PON口存在VLAN广播域扩展到4个PON口下。PON组划分得越小，可供使用的CVLAN就越大，消耗的SVLAN也越多。因此，FTTB+LAN的VLAN方式可以视为一种PON口组容量为1个PON口的特殊情况。在上述示例中，4个PON口共组情况下，平均单PON口最大可接入用户为128个。

3.2.2 VLAN字节规划

回顾一下FTTB+LAN的VLAN结构定义，CVLAN的9～11 bit功能与SVLAN相同位一样，VLAN资源浪费。因此，如何利用该重复资源，增强VLAN规划对FTTH以及设备槽位端口等各种情况的支持度是本节讨论的重点。

为了最大限度地兼容既有FTTB+LAN的VLAN划分格式，同时又考虑PON口组的特点，将FTTH模式下的SVLAN规划定义如下。

其中，SVLAN的字节定义与既有分配规划方式保持一致，但0～4 bit不再标识单一PON口，而标识PON口组，取消了单PON口与单SVLAN的对应关系，释放SVLAN的需求，具体如图5所示。

引入PON口组后，CVLAN资源的共享问题将会成为潜在的瓶颈。因此，为弥补CVLAN的潜在缺失性，取消原CVLAN的9～11 bit定义业务类型的功能，将其12 bit全部用来指定用户数量，最大接入用户数量为1 000个。具体定义如图6所示。

因此，当FTTH接入且单PON口接入用户数量控制在64户时，最大PON口组容量约为15个，可节约SVLAN资源15倍，解决了FTTH对PON口的高消耗导致SVLAN资源匮乏的问题。当FTTB接入且单PON口接入用户数量控制在512户时，最大PON口组容量为4个，节约SVLAN资源4倍，可提升FTTB+LAN方式的建设密度及规模。

（1）灵活的VLAN配置机制

为支持FTTH业务的开通，仅实现上述VLAN规划方式仍然不够。FTTH业务的开通特点主要体现为简单、高效、方便。因此，如果沿用FTTB+LAN的配置方式，则将大大束缚业务开通流程，主要的瓶颈在于对个性化业务端口的配置、VLAN资源的实时指定等情况。所以，在FTTH业务发展为主的时代，必须改变用户UNI接口侧的VLAN配置机制。

结合设备功能的进一步强大及系统的完善，一种灵活的VLAN配置方式引入C’VLAN，能够实现用户侧CVLAN及PON系统内用户实际VLAN信息C’VLAN之间的切换及映射。为方便下面讨论的方便，该方式简称为S+C’方式，而原VLAN规划方式为S+C方式。

当用户业务开通时，面向用户的ONU设备均以CVLAN进行资源申请。CVLAN的定义与FTTB方式下完全不同，仅需要符合ONU设备端口数量即可，即假设CVLAN以101开始计取，则4端口ONU的CVLAN为101～104，8端口ONU的CVLAN为101～108，以此类推。

CVLAN的字节定义如图7所示。

图8示意了FTTH模式下VLAN资源分配及配置过程，清晰地体现了CVLAN、C’VLAN和SVLAN之间的关系，并展示上述VLAN资源在各个PON系统网元内的分配及调度情况。

首先，ONU以设备出厂CVLAN配置值发起业务连接需求，每条业务的CVLAN、ONU端口号以及ONU设备ID号将成为惟一标识接入业务的特征组。

当业务汇聚至OLT时，OLT网元根据特征组的不同，分配已预规划的C’VLAN值。C’VLAN值仅适用于PON系统范围内，向下对用户不可见；向上对汇聚交换机不可见。同时，OLT根据业务类型标记外标签SVLAN。在PON网络中，S+C’的标识必须保证惟一性。

最后，当二层数据包出OLT设备网元后，保留S+C’格式，并上联至多业务分流交换机。

3.3 多种模式下的VLAN规划方式

在以FTTH为主要发展方式的背景下，S+C’的VLAN分配方式能够较好地解决FTTH对PON口消耗的严重性，并能支持槽位及端口更密集的设备。但是对于网络现存以及今后发展存在的FTTB+LAN接入方式，存在多种接入模式混合接入的情况。在该情况下，应充分利用S+C’方式对S+C的良好兼容性，采用全网统一的S+C’分配方式。

对于在网的OLT业务，由于S+C’只不过是S+C’方式的一种特例，原则上PON网络VLAN分配方式的变更不会造成业务的中断。

3.4 VLAN资源调整对其他网元的影响

从网络结构角度，PON系统上联汇聚交换机，承载有线宽带业务，最终接入运营商PE及P设备中。从计费、认证角度，各种运营商采用不同的计费及认证方式，并对PPPoE及固定IP方式采用相异化处理。从业务开通角度，前台受理、资源调度以及网络管理等均需要用户ID、密码等信息。基于上述各种考虑因素，采用S+C’方式的VLAN资源分配方式下，对网络各种网元的影响评估如下。

（1）对汇聚交换机的影响

由于S+C’方式充分兼容现网S+C方式，因此以SVLAN为主要识别对象的汇聚交换机不应改变VLAN分配方式而发生配置及数据制作上的变化。

（2）对 BRAS 的影响

BRAS主要对家庭用户 （FTTx）数据进行VLAN终结并识别其中的IP地址。BRAS设备需要读取VLAN的 24 byte。当改变为S+C’方式后，需要令BRAS对CVLAN的识别范围扩充至0～4 KB。但并不改变SVLAN以及原有业务已配置的VLAN，故BRAS对现网数据可以保持不变，业务不发生中断，但需要做部分数据调整，改动较小。

（3）对 SR 的影响

与BRAS类似，SR设备需要对CVLAN的识别扩充至0～4 KB。因此，原有业务将不发生中断，但SR上需要作适当局数据调整。

（4）对支撑系统的影响

宽带认证平台：在平台支撑新VLAN规划的情况下，可能涉及业务受理接口的改造以及已受理的业务数据割接。

家庭宽带受理平台：可能会涉及VLAN资源管理、家庭宽带业务受理等功能模块的改造以及已受理业务数据的割接。

资源调度管理支撑系统：根据FTTH/FTTO的接入需要，开通相关业务支撑及开通功能，系统需要新功能模块的开发。

4 结束语

本文从VLAN规划角度，重点分析了采用FTTH/FTTO接入方式下所带来的变化及影响。为保证业务的畅通及平滑演进，文章提出了一种新型的VLAN规划方式。该方式以引入C’VLAN及PON口组为主要方式，既解决了FTTH方式下PON口需求激增的瓶颈，又能够平滑支持FTTB+LAN的业务开通方式，能够对更密集设备提供长远的支撑。

由于各运营商的数据宽带网络结构存在不小的差异，本文仅以常规网络的结构及网络功能进行VLAN规划方式的研究。

1 Lung B.PON architecture “futureproofs” FTTH.Lightwave,1999,16(10):104～107

2 Glen Kramer,Keiji Tanaka.Advances in optical access network.Optical Society of America,2005

3 Fang Luyuan,Nabil Bitar,Zhang Raymond,et al.The evolution of carrier ethernet services-requirements and deployment case studies.IEEE Communications Magazine,2008(3):69～76

4 Samer Salam,Ali Sajassi.Provider backbone bridging and MPLS_complementary technologies for next-generation carrier ethernet transport.IEEE Communications Magazine,2008(3)