基于双PON口的光网络单元业务隔离设计

陶静，沈文，陈磊，邓辉（全球能源互联网研究院 江苏 南京210003）

基于双PON口的光网络单元业务隔离设计

陶静，沈文，陈磊，邓辉
（全球能源互联网研究院 江苏 南京210003）

在电力系统接入网中，同一网络中承载多种业务时存在多种业务之间的隔离问题。文中探讨并提出了PON技术架构中光网络单元的几种业务隔离方案，在综合分析优劣势及应用场景的基础上，采用基于空分和交换存储资源隔离的技术设计出基于双PON口的业务隔离方案，满足了电力系统业务承载高可靠性、可扩展性的要求。

光网络单元；隔离技术；业务隔离；双PON口

电力系统接入网的多业务承载在业务需求和实现技术方面与公网有很大不同，这是因为：1）电力系统的特殊性使得其在通信安全性、可靠性方面提出了工业级要求；2）电力系统业务终端可能同时存在多种接入方式，即业务可能会在多种通信方式之间进行智能选择或者进行多种通信方式的协调通信。3）电力系统的业务类型很多，不但包括企业和生产信息化业务，还包括对实时性、可靠性要求严格的控制业务。鉴于这些特点需要专门针对电力系统业务需求和网络现状研究接入网多业务承载技术。

随着分组化光纤传输接入技术的进步和成熟，今后智能电网和控制业务的发展方向是逐步过渡到采用分组化光纤多业务接入网络统一承载，其它通信方式作为光纤方式的有效补充。而分组光纤接入技术发展的主流方向是无源光网络 （Passive Optical Network，PON）技术。

在PON技术架构下进行多业务承载时，如何在承载多业务时进行隔离传输以满足电力系统接入网的高可靠、高实时的要求成了重要问题。

1 光网络单元的业务隔离要求

1.1 光网络单元简介

PON是一种点到多点的光纤传输和接入技术，连接用户和核心网采用了单纤双向的方式。PON由3部分组成：光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、光网络单元（Optical Network Unit，ONU）以及光分配网络 （Optical Distribution Network，ODN）。其中OLT和ONU分别部署在局端和终端，ODN则是两者间的传输通道，如图1所示。

其中ONU作为用户侧设备，下行时需要接收OLT发送的广播数据，当OLT发出测距及功率控制命令时，需做出响应和相应的调整；上行时接入用户，缓存用户的业务数据，并在OLT分配的时隙内向上行方向发送。从上图可以看出与接入网中业务数据直接相连的是ONU，同时ONU也是PON系统中使用数量最多的设备。

图1PON的组成

1.2 承载业务及隔离要求

电力系统接入网的业务类型很多，不但包括企业和生产信息化业务，还包括对实时性、可靠性要求严格的控制业务。具体包含：调度自动化系统、调度员培训系统（反事故演习）、电能量计量系统、广域相量测量系统、水调自动化系统、保护及故障录波信息管理系统、电力市场运营系统、调度生产管理系统、营销系统、通信网管系统、通信专业及运行管理信息化系统业务等。根据《电力监控系统安全防护规定》，各安全区、大区间需遵循不同的安全隔离标准。通常情况下，对同一安全大区业务需进行逻辑隔离，不同安全大区业务需实现物理隔离。

2 业务隔离技术研究

2.1 安全隔离技术

网络安全隔离主要分为两类：物理隔离和逻辑隔离。

物理隔离从物理上将网络完全隔离开来，也就是采用两套网络或系统，或者使用不同硬件存储。采用这种隔离技术后，网络之间无法通过网络、电磁辐射等进行连接。物理隔离的优点是可靠性高，但容易存在信息孤岛，初期投入成本高，维护费用低。

逻辑隔离区别于物理隔离之处在于网络之间仍存在物理连接，但通过安全协议或者逻辑隔离器来实现网络的隔离。采用这种隔离技术时需要根据实际情况定制通信协议。逻辑隔离技术的优点是费用低、易修改、易升级维护，缺点是可靠性比物理隔离低，技术风险大。

这两种技术是设备、网络等进行隔离设计的核心思想，各种设计方案都由其衍生而来。可以在不同场景下灵活运用。

2.2 ONU的业务隔离设计方案

文中通过研究PON技术的基础架构、ONU使用场景及隔离技术，提出了以下几种隔离方案：空分方案、时分方案、交换与存储资源隔离方案。下面简单介绍下这几种隔离方案：

空分方案也就是完全物理隔离，不同业务使用独立的ONU，连接到独立的PON系统中。在这种方案下ONU无需做额外的设计。在实施时，可能需要在客户端安装一个以上ONU以连接不同业务。这种隔离方案技术简单且成熟，能达到最佳的隔离程度，但实施成本较高，后期维护和升级的成本也高。

时分方案：使用一个ONU连接到同一PON系统，将传输通道通过协议划分为不同的时隙，不同业务在不同的时隙接入到ONU中，这样可以避免发生碰撞。这种方案实施成本比空分方案低，但业务隔离度一般，且技术有一定的复杂度。

交换与存储资源隔离方案：这种方案与空分方案类似，但只需要使用一个ONU，不同业务共享端口和PON口，只是将最关键的交换和存储单元实现物理隔离，使用同一管理和维护机制。这种方案在保证了一定的隔离度的基础上进一步降低了实施成本，但技术复杂度增大了。

这几种方案各有优劣势，对比分析如表1所示。

表1 业务隔离方案对比

经过综合分析，最后我们同时结合了空分方案、交换和存储资源隔离方案，设计出基于双PON口的光网络单元业务隔离方案。在该方案中，不同业务除了使用不同交换和存储资源外，还使用了不同的端口和PON口。

3 基于双PON口的业务隔离设计实现

上文中描述了设计方案，本章将介绍在ONU中具体如何实现该隔离方案。如图2所示：ONIU采用了两个分别与不同业务相连接的端口、两个PON芯片、两个光模块、两个交换芯片和一个CPU。

图2 基于双PON口的业务隔离设计

在这种方案中不同的业务数据根据端口划分分别与对应端口的以太网口RJ45或串口RS232连接，端口中的串口RS232与收发芯片相连，由其完成串口信号和以太网帧信号的相互转换。

交换芯片通过FE口与对应的端口的GMII口相连。上行方向，交换芯片接收业务端口传输的比特流，首先对比特流进行4B/5B纠错，接着控制器将数据流依次传送到MAC发送器，按照队列插入前导码，在需要时打上用户标签。交换芯片将GE口设置为PHY模式，与对应的PON芯片进行MAC-MAC对接，并将数据传送给PON芯片。下行方向，交换芯片首先缓存PON芯片传输过来的MAC帧格式的数据流，处理器对业务进行分类分类后完成目的MAC的查找、学习和转发。

PON芯片与光模块和交换芯片相连，完成MAC帧数据和比特流的转换。上行方向，PON芯片的UNI接收交换芯片发送的MAC数据帧，由分包器进行分包，然后根据C-Tag优先级进行数据帧速率限制。在需要时还必须添加VLAN-Tag、加上LLID后转成比特流传输给对应光模块。下行方向，PON芯片接收光模块传输的比特流，并将其变换成MAC帧数据，PON芯片对经过LLID过滤后的数据帧进行解密、分包、限速、需要时VLAN外层Tag处理后，转发给交换芯片。

光模块通过光纤接入到ODN中，最终与OLT相连。上行方向，光模块将从PON芯片接收到的比特流转换为光信号，在指定时隙内传输到光纤中。下行方向，光模块持续接收OLT下发的光信号，并将其转换为电信号传输给PON芯片。

CPU与交换芯片的管理端口进行MDC/MDCIO通信，CPU读取交换芯片寄存器信息后，执行OAM消息的实时状态监控和处理，CPU还对交换芯片进行配置和控制。

4 结束语

文中提出的基于双PON口的光网络单元设计，采用双端口和双PON口连接业务数据和ODN，根据不同等级的业务隔离要求以及应用场景实际情况，可接入统一或者不同ODN以支持多种网络拓扑，具备灵活性。该方案在ONU内部采用独立的交换、存储模块，实现了业务数据的物理隔离。与此同时，不同业务使用同一CPU进行管理和配置，提升了系统的可靠性，也节约了设备成本。该设计方案满足了电力系统高可靠性要求，且其灵活性使其运用在更多场合，最终节省了系统成本。

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The services isolation design of ONU based on double-PON-port

TAO Jing，SHEN Wen，CHEN Lei，DENG Hui
（Global Energy Interconnection Research Institute，Nanjing 210003，China）

The services isolation problem should be noticed when carrying multiple services in the power system access network.This paper discusses and presents some services isolation schemes of optical network unit in PON technology architecture.On the basis of comprehensive analysis of the advantages and disadvantages and application scenarios，the scheme combines space division and exchange and storage resource isolation is chosen.The services isolation design based on Double-PON-Port meets the requirements of high reliability and scalability of the power system operation.

optical network unit；isolation technology；services isolation；double-PON-port

TN929

A

1674－6236（2017）07-0075-03

2016-07-12稿件编号：201607092

国家电网公司科技项目（SGRIXTKJ[2015]476号）

陶 静（1987—），女，湖北荆州人，高级工程师。研究方向：电力系统通信技术。