EPON系统远端设备升级方案浅析

田 芳，曾 颜，熊中柱

（光纤通信技术和网络国家重点实验室 烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430074）

责任编辑:许 盈

0 引言

随着电信技术的不断发展，电信业务的需求正逐渐从简单语音向数据、多媒体、综合业务等发展，人们对网络带宽提出了更高的要求。传统的接入方式已无法满足大量信息传送的需求。以太网无源光网络（EPON）凭借其组网灵活、业务提供能力强大、技术成熟、维护成本低廉等优势，成为运营商“光进铜退”建设中的技术首选。光网络单元（ONU）作为EPON系统的一种远端设备，具有设备使用量大、分布较为广泛的特点，对其的管理和维护也就成为了运营商极为关注的问题[1-4]。支持光线路终端（OLT）对ONU设备进行快速、稳定的远程升级是PON系统必须满足的基本功能之一。本文对EPON系统为ONU进行远程升级的传统方案中存在的缺陷进行了分析，针对这些缺陷提出一种利用基于IEEE 802.3ah标准的下行报文代替传统升级方案使用的OAM报文对远端设备进行远程升级的改进方案，该方案可以缩短升级过程的等待时间，使升级过程更稳定。

1 PON系统结构概述

在现有网络层次结构中，PON系统位于接入层，PON系统的结构如图1所示。PON通过网络侧接口与业务节点相连，通过用户侧接口与用户端设备相连。其中，OLT为局端设备，ONU为客户端设备，ODN为光分配网络。一个OLT下可以连接多个ONU。OLT到ONU为下行方向，反之为上行方向。

2 传统EPON系统中ONU设备升级的方案分析

在EPON系统组网中，OLT通常放置在局端的中心机房，而ONU则放置在用户所在的小区、楼道或家中。一般，OLT与ONU之间的距离最长可达20 km。因此，如何使OLT对ONU进行快速、稳定的远程升级就显得相当重要。

2.1 系统远程升级过程

通常OLT对远端ONU设备进行远程升级，可分为3个过程:第一过程，OLT将升级软件发送给ONU，使ONU获得升级软件；第二过程，ONU将OLT发送的升级软件写入自身的存储区（Flash）；第三过程，ONU通过写入Flash的升级软件进行重新启动运行。

2.2 传统升级方案的弊端

在实际应用中发现，传统的升级方案存在一定的弊端:

1）OLT将升级软件发送给ONU的过程中可能存在升级速度慢的问题。《中国电信EPON技术要求》中指出，在EPON系统中，OLT应支持基于TFTP协议和OAM机制的ONU软件远程升级功能，用于软件/固件的远程下载的信息由OAMPDU承载[5]。在升级的第一阶段，OLT要将升级软件进行拆分封装进OAM报文，再将这些OAM报文逐个发送给ONU。但是，IEEE 802.3ah[6]标准中规定OAM报文的传输速率为每秒钟不超过10帧且每帧不超过128 byte。除去OAM报文的报头，每帧大致可携带100 byte，那么系统每秒钟发送给ONU的升级软件大小只有1000 byte，这就限制了传输升级软件的速度，使得升级等待时间过长。

2）不支持并行方式的批量升级。IEEE 802.3ah标准中规定了OAM报文不支持广播方式发送，只能以点对点的方式发送，所以当OLT对多个ONU同时升级的时候，就会使升级ONU的过程变得十分繁琐，同时也会增加升级的等待时间。

3）如果ONU写入Flash的升级软件出现异常，或者设备软件升级过程中遭遇电力或者链路故障导致升级失败，再或者ONU无法正常工作（由ONU判断）等特殊情况，都会直接导致ONU升级失败。这主要是由于该升级方法不支持升级失败回滚，一旦ONU升级失败，将会导致ONU不能启动。这对运营商和用户而言都会带来很大的损失。

3 优化的远程升级方案

鉴于传统升级方案存在的种种弊端，需要对上述的升级方法进行优化改善，优化后的升级方法不仅升级速度快，支持并行的批量升级，还可支持软件升级失败后的自动回滚，即让ONU在软件升级失败后能够自动回滚到原来的版本。

3.1 设计方案

优化的升级方案是针对原有升级方案中存在的弊端提出的。

1）利用基于802.3ah标准的下行报文替代OAM报文封装升级软件。

先对需要升级的目的ONU设置逻辑链路标识LLID，然后由OLT将升级软件拆分并封装到设置的基于IEEE 802.3ah标准的下行报文中，该报文要用目的ONU的LLID进行标识，ONU可根据OLT广播过来的下行报文中所携带的LLID来确定是否接收该下行报文。由于设置的基于IEEE 802.3ah标准的下行报文可以由OLT根据当前EPON的情况来设置传输速率，这样就可以提高升级速度，缩短升级等待时间。且可以通过广播的方式发送给多个ONU，并支持批量升级。

2）利用下行报文可通过广播方式发送给多个ONU的特点解决并行批量升级问题。

由于设置的基于IEEE 802.3ah标准的下行报文可以通过广播的方式发送给多个ONU，故可以对多个ONU设备划定一个组播组，并在基于IEEE 802.3ah标准的下行报文中设置一个组播MAC地址，利于ONU识别，利用组播的模式完成对ONU设备的并行批量升级。

3）针对ONU升级失败后不支持软件回退的弊端，可以通过在ONU的存储区（Flash）中设置一个引导软件（BOOT）部分进行判断来解决，该部分与现有技术方案基本相同，不作为本文的论述重点。

将ONU的Flash划分为4个部分，具体结构如图2所示。

软件引导部分主要是通过判断ONU软件的校验和来引导ONU重启后运行升级软件还是备份软件；第2部分是用来存储OLT发送给ONU的升级软件；第3部分是用来存储ONU的备份软件，通常为ONU进行升级之前所运行的软件；第4部分是空闲部分。ONU升级重启时，Flash的BOOT部分会通过计算存储的升级软件的校验和来引导ONU是选择升级软件还是备份软件进行重启。ONU通过Flash中BOOT部分的判断来完成升级重启后，重新接入OLT的动作。这样就可以保证ONU在升级失败后仍然可以回退到原来的软件版本，并可以重新接入OLT。

3.2 设计流程

根据上文提出的思路，可以设计一个优化的升级方案来解决文中提到的弊端，具体的软件设计流程如图3所示。

步骤1:给目的ONU设置逻辑链路标识LLID，OLT先将升级软件分片，拆分成相同大小的若干部分，再将拆分后的若干软件分片分别封装到设置的基于IEEE 802.3ah标准的下行报文中，同时该报文还需携带LLID，该LLID可以是目的ONU的LLID或者是广播LLID。

步骤2:OLT将下行报文依次广播给其管辖的ONU。此时，由于广播发送的下行报文的速率可以由OLT来设定，故而可以提高升级的速度。由于ONU会将接收到的下行报文交给自身的CPU进行处理，为防止OLT由于快速下发大量的下行报文而导致ONU的CPU队列堵死，所以要对下行报文的广播速率进行限制。广播完成后，OLT采用点对点的方式向目的ONU发送通知升级的报文，告知目的ONU已将全部升级软件广播，该报文中携带有目的ONU的LLID、升级软件的长度和校验和等。

步骤3:OLT管理的ONU通过判断广播接收到的多个下行报文中携带的LLID是否为自身设置的LLID，或为广播LLID来决定是否接收这些下行报文，如果相同则转入步骤5；否则，转入步骤4。

步骤4:OLT管理的ONU不为目的ONU，则该ONU不接收通过广播发送的下行报文，升级过程直接结束。

步骤5:OLT管理的ONU为目的ONU，则该ONU依次接收通过广播发送过来的多个下行报文；目的ONU接收到下行报文后，进一步判断下行报文中设置的MAC地址是否为自身的MAC地址或组播MAC地址，如果是，则转入步骤7；否则，将转入步骤6。

步骤6:目的ONU的MAC地址与广播来的下行报文中的MAC地址不一致，则该ONU直接将该下行报文转发给具有报文中设置的MAC地址的ONU。

步骤7:下行报文中设置的MAC地址为目的ONU自身的MAC地址或组播MAC地址，则目的ONU将接收的下行报文交给自身的CPU进行处理，将升级软件依次进行存储，同时，目的ONU还要判断是否接收到通知升级的报文，如果是，转入步骤8；否则，继续执行步骤7。

步骤8:目的ONU接收到通知升级报文后，给OLT发送回应报文，回应报文中携带有目的ONU是否完整接收到升级软件的信息。

步骤9:目的ONU将接收到的升级软件进行重组并存放到Flash的第2部分中。

步骤10:目的ONU通过Flash中的软件引导（BOOT）部分对ONU中存储的升级软件的长度计算校验和，通过计算后的结果来判断是否升级重启，如果计算的校验和正确，则转入步骤11；否则，转入步骤12。

步骤11:目的ONU中存储的升级软件是完整可用的，该ONU采用OLT通过广播发送来的升级软件启动并接入OLT运行，升级结束。

步骤12:目的ONU中存储的升级软件异常或升级过程中出现异常情况，该ONU采用备份软件启动并接入OLT运行，升级结束。

4 远程升级方案对比

所设计的优化的远程升级方案是在原有的升级方案的基础上，针对其弊端提出的。下面对两种升级方案的优劣进行对比。

1）升级速度对比

现行的远程升级方案中封装升级软件报文均使用OAM报文，并且每秒仅能传送不超过10帧，且每帧不超过128 byte的报文，单位时间内所传送的升级软件报文的信息量较小，改进后的升级方案使用基于IEEE 802.3ah标准的下行报文，该报文在单位时间内所传送的升级软件报文的信息量要比OAM报文传送的升级软件报文的信息量大，单位时间内的效率更高，因此改进后的升级方案可以提高速度，缩短升级过程中用户的等待时间，使升级过程的效率更高。

2）批量升级对比

由于现行的远程升级方案中OAM报文不支持广播方式发送，只能以点对点的方式发送给远端设备，所以现行的升级方案所支持的是串行的批量升级方式，但是改进后的升级方案使用的是基于IEEE 802.3ah标准的下行报文，该报文可通过广播方式发送给多个ONU，因此改进后的升级方案可以支持多台远端设备进行并行的批量升级，缩短批量升级的时间，使批量升级过程的效率更高。

5 小结

对EPON系统中的远端设备进行远程升级是系统必须满足的基本功能。本文主要针对EPON系统中OLT对ONU进行远程升级的传统方案中存在着升级速度慢、无法批量的弊端，提出利用基于IEEE 802.3ah标准的下行报文替代OAM报文封装升级软件的方法解决升级速度慢的问题，同时利用下行报文可通过广播方式发送给多个ONU的特点解决并行批量升级问题。改进后的升级方案不仅可以提高升级的速度，同时可以支持多台ONU设备进行并行批量升级，提高系统升级工作的效率。

[1]龚涛.向以太网无源光网络中的光网络单元发送升级软件的方法:中国，200510112772.5[P].2006-04-26.

[2]熊伟成.EPON技术及市场应用[J].电信网技术，2007（2）:70-73.

[3]邹蓉.基于EPON技术的接入网实施方案[J].科技信息，2009（3）:71.

[4]程树文.EPON系统实用化设计与探讨[J].电视技术，2006，30（10）:8-11.

[5]中国电信.中国电信EPON设备技术要求v2.1[EB/OL].[2011-01-04].http://wenku.baidu.com/view/786fb9eb19e8b8f67c1cb9ec.html.

[6]IEEE Std 802.3ah-2004，以太网接入标准&EPON-MAC标准[S].2004.