EPON系统环网保护组网方式

刘小丽

（深圳键桥通讯技术股份有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

以太网无源光网路（EPON，Ethernet Passive Optical Network）是由IEEE802.3EFM提出的1种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM时分MAC媒体访问控制方式提供多种综合业务的宽带接入技术[1]。EPON通过1个单一的光纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务接入，具有高带宽、低成本对IP 业务支持好、技术成熟和维护简单等特点，被认为是最有前景的下一代接入网技术之一[2-3]。EPON系统由光线路终端（OLT，Optical Line Terminal），光网络单元（ONU，Optical Network Unit）以及光分路器组成，是OSI参考模型中的数据链路层的网络设备，IEEE 802. 3协议把数据链路层分为MAC子层、逻辑链路控制子层及可选的MAC控制子层[4]。

接入网（Access Network）是电信网的重要组成部分，位于电信网的最低层，是电信网向用户提供业务服务的窗口。接入网常见的拓扑结构有树形，环形和总线型。在很多重要的应用场合，要求接入网具有快速保护倒换功能。保护是指在故障发送前为工作实体指定了备用资源，并可保证备用实体的带宽资源，从而实现在故障发生时的快速自愈。IEEE 802.17 定义了MAC 层规范，综合传统电信网SDH和计算机以太网的优点，设计了1种弹性的、面向分组、带宽利用率更高的光纤传输技术，即弹性分组环（RPR，Resilient Packet Ring）[5]。

EPON有比RPR更优异的环网保护性能，EPON提供不同路由的线路备用/冗余，为不同的接入网应用环境提供不同的保护倒换方案。

1 快速以太环网技术

ITU-T G.8032给出了以太环网的组网目标及定义，规范了电信级以太网(CE)环网技术[6]。以太环网保护技术可以归纳为 4项技术的叠加:标准 MAC交换+改进的生成树算法+以太故障检测OAM+简单的环网控制协议。通过环网控制协议将物理的环破解成逻辑的链, 并利用改进的生成树协议和 MAC交换完成保护切换[7]。EPON系统中的OLT设备，通过快速以太网环网保护技术，在以太网环上组环，实现业务的冗余保护。

以太网环上的OLT设备分别为主节点和传输节点。选取环网上的1台OLT设备为主节点，其它所有OLT设备为传输节点。主节点上的主端口发送环网探测报文，主节点从次端口接收环网探测报文，判断环网拓扑是否完整。在拓扑完整的情况下，次端口阻塞数据报文，防止产生环路；在环网发生链路中断之后，次端口转发数据报文。主节点和传输节点之间通过1个专用的控制VLAN(虚拟局域网)交互协议报文，环网端口加入控制VLAN，保证协议报文可以正常收发。

2 OLT的以太环网保护机制

2.1 环路探测与控制

在正常情况下，主端口转发数据报文，次端口处于阻塞状态。主节点通过主端口发送探测报文，经过其它所有的传输节点最后到达次端口。若次端口持续收到探测报文，则保持对数据VLAN的阻塞。若次端口超过1个周期未收到探测报文，主节点就从正常状态转移到环失效状态，并且开启次端口。同时，主节点刷新自己的 MAC地址表，并向环网中所有节点发送1个控制帧，命令各传输节点也刷新自己的 MAC地址表。在刷新地址表后，各节点重新开始学习新的拓扑。

若次端口收到探测报文，则认为环网恢复，此时主节点开始阻塞次端口，更新本地拓扑信息并通知其它节点老化地址表。图1为以太环网拓扑图，其中，S1是主节点，S2，S3，S4是传输节点，S1连接S4的端口是主端口，S1连接S2的端口是次端口，其它设备连接环网的端口都是传输端口。

2.2 断路警告与环网重建

如果1个传输节点检测到了它的任何1个传输端口出现故障（Link Down），传输节点会立即向主节点发起1个Link Down控制VLAN帧。当主节点接收到控制帧，认为环网失效，此时主节点放开次端口对数据VLAN的阻塞，老化本地MAC地址表，并发送控制报文通知其它节点。

图1 OLT千兆以太冗余环网

传输端口恢复之后，并不立即开始转发数据VLAN报文，而是进入“预转发”状态，仅转发和接收控制 VLAN的控制报文。该端口进入预转发状态后，次端口重新收到主端口发出的探测报文，主节点重新阻塞次端口阻塞，并向外发送老化地址表通知。包含预转发状态端口的传输节点收到老化地址表通知之后，刷新MAC地址表，开放预转发状态的端口，恢复正常。若传输节点在1个可配置的时限内未收到主节点的老化地址表通知，可以认为到达主节点的链路失效，传输节点自行将预转发状态的端口设置为转发态[8]。

3 光纤线路保护与组网方式

3.1 PON口光纤保护类型

整个EPON系统采用光纤保护倒换机制，冗余保护，也可以达到增加网络可靠性和生存性的目的。冗余可以是整个PON冗余，如主干和分支均保护的树形 PON，也可以是部分冗余，比如 PON的主干或分支光纤冗余[9]。本组网方式中采用的OLT支持两种光纤保护类型：主干光纤保护和全保护[10]。

主干保护的树形PON如图2所示。主干光纤、OLT发送机和接收机是PON中最关键的部件，其中任何1个出现故障则PON所有用户将丢失业务。在该方案中，OLT配备有主用和备用两套光收发器、采用两个不同路由的主干光纤连到2：N光分路器。备用的OLT PON端口处于冷备用状态，由OLT检测线路状态、OLT PON端口状态，一旦检测到链路故障，OLT倒换到备用收发器。这种结构可以实现以最少的冗余提供关键部件的保护。

图2 主干光纤保护结构

主干和分支均保护的树形PON，即全保护方式。该保护包括OLT PON口、主干光纤、光分路器、配线光纤冗余保护，如图3所示。这种结构的PON有2根主干光纤连到2N个分支上（每个ONU 2根分支），下行方向的信号通过2个1：N的分路器连接，ONU的2个PON口都接入光纤，主、备用的OLT PON端口均处于工作状态。在 PON端口前内置光开关装置，由ONU检测线路状态，并决定主用线路，倒换应由ONU完成。当其中1个PON口或者是光分路器出现故障时，可以通过另一个 PON口实现ONU在OLT上的快速注册，使倒换业务时间尽可能地缩短。

图3 全保护结构

全保护和主干光纤保护，这2种光纤保护倒换都可以通过自动倒换和强制倒换进行，实现光纤的冗余保护。其中，自动倒换是由故障发现触发，如信号丢失或信号劣化等引起的；强制倒换是由管理事件触发，人工实现的。结果表明，在保证其它线路正常工作的情况下，这两种环路保护倒换机制都可以达到小于50 ms的电信级要求。

3.2 ONU的手拉手保护组网方式

EPON具有灵活的组网方式，其中主要包括星型、链型、混合型、手拉手型等多种组网方式。双总线手拉手拓扑特点：使用双PON口的ONU分别通过不同的分光器注册到2个OLT上，PON口提供主备保护，正常状态时只有一个PON工作，当出现故障时，会自动倒换到另一个PON上。2个OLT分别处于不同的地理位置，共同的路由到控制中心，符合电力配网输电结构，能在不改变原有光纤结构的情况下，实现全光路保护，不同地理位置设备的检修不影响整个业务传输，可靠性高。拓扑结构如图4所示。

图4 手拉手保护组网方式

4 结语

环形网络拓扑可以提供灵活快速的保护，环上节点数与设备性能、业务流量、传输距离相关，理论上没有限制，与星型拓扑和总线型拓扑相比，有更高的应用价值。光纤保护的 2种模式能分别对于主干光纤和分支光纤进行保护，可靠性较高。通过手拉手组网方式来对ONU进行冗余保护，节省光纤资源，可以使用在对于业务要求较高的终端，由2个OLT承担故障风险，将业务保护的效率提高了一倍，同时也便于排查故障ONU，减少工作量。

通过以太网环网技术和手拉手保护组网方式，分别对OLT的环路，PON口光纤以及ONU进行备份保护，可以节省光纤资源，实现电信级以太网50ms保护倒换，提高业务可靠性，实现了从终端到接入网线路的全部保护。随着环网保护技术和组网方式的不断深入研究和完善，结合不同厂家技术和设备特点，用户实际的需求将会更高效地满足。

[1] YD-T 1475-2006.接入网技术要求—基于以太网方式的无源光网络（EPON）[S].北京:中华人民共和国信息产业部, 2006.

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[3] 李鹰. EPON 加密系统的设计和实现[J].信息安全与通信保密, 2009(11):79.

[4] 曹云鹏, 钱敏, 杨翠军. 双速自适应以太网MAC设计及FPGA验证[J].通信技术, 2010，43(11):87-88.

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[9] 陈雪,格伦.克雷默.基于以太网的无源光网络,[M].北京:北京邮电大学出版社,2007: 171-172

[10] CIRCIORA W, FARMER J, LARGE D. Modern Cable Television Technology[M].American:Morgan Kaufmann Publishers,1999.