EPON系統(tǒng)遠(yuǎn)端設(shè)備升級方案淺析

田 芳，曾 顏，熊中柱

（光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室 烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430074）

責(zé)任編輯:許 盈

0 引言

隨著電信技術(shù)的不斷發(fā)展，電信業(yè)務(wù)的需求正逐漸從簡單語音向數(shù)據(jù)、多媒體、綜合業(yè)務(wù)等發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高的要求。傳統(tǒng)的接入方式已無法滿足大量信息傳送的需求。以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）憑借其組網(wǎng)靈活、業(yè)務(wù)提供能力強大、技術(shù)成熟、維護成本低廉等優(yōu)勢，成為運營商“光進銅退”建設(shè)中的技術(shù)首選。光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）作為EPON系統(tǒng)的一種遠(yuǎn)端設(shè)備，具有設(shè)備使用量大、分布較為廣泛的特點，對其的管理和維護也就成為了運營商極為關(guān)注的問題[1-4]。支持光線路終端（OLT）對ONU設(shè)備進行快速、穩(wěn)定的遠(yuǎn)程升級是PON系統(tǒng)必須滿足的基本功能之一。本文對EPON系統(tǒng)為ONU進行遠(yuǎn)程升級的傳統(tǒng)方案中存在的缺陷進行了分析，針對這些缺陷提出一種利用基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文代替?zhèn)鹘y(tǒng)升級方案使用的OAM報文對遠(yuǎn)端設(shè)備進行遠(yuǎn)程升級的改進方案，該方案可以縮短升級過程的等待時間，使升級過程更穩(wěn)定。

1 PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中，PON系統(tǒng)位于接入層，PON系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。PON通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口與業(yè)務(wù)節(jié)點相連，通過用戶側(cè)接口與用戶端設(shè)備相連。其中，OLT為局端設(shè)備，ONU為客戶端設(shè)備，ODN為光分配網(wǎng)絡(luò)。一個OLT下可以連接多個ONU。OLT到ONU為下行方向，反之為上行方向。

2 傳統(tǒng)EPON系統(tǒng)中ONU設(shè)備升級的方案分析

在EPON系統(tǒng)組網(wǎng)中，OLT通常放置在局端的中心機房，而ONU則放置在用戶所在的小區(qū)、樓道或家中。一般，OLT與ONU之間的距離最長可達(dá)20 km。因此，如何使OLT對ONU進行快速、穩(wěn)定的遠(yuǎn)程升級就顯得相當(dāng)重要。

2.1 系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級過程

通常OLT對遠(yuǎn)端ONU設(shè)備進行遠(yuǎn)程升級，可分為3個過程:第一過程，OLT將升級軟件發(fā)送給ONU，使ONU獲得升級軟件；第二過程，ONU將OLT發(fā)送的升級軟件寫入自身的存儲區(qū)（Flash）；第三過程，ONU通過寫入Flash的升級軟件進行重新啟動運行。

2.2 傳統(tǒng)升級方案的弊端

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的升級方案存在一定的弊端:

1）OLT將升級軟件發(fā)送給ONU的過程中可能存在升級速度慢的問題?！吨袊娦臙PON技術(shù)要求》中指出，在EPON系統(tǒng)中，OLT應(yīng)支持基于TFTP協(xié)議和OAM機制的ONU軟件遠(yuǎn)程升級功能，用于軟件/固件的遠(yuǎn)程下載的信息由OAMPDU承載[5]。在升級的第一階段，OLT要將升級軟件進行拆分封裝進OAM報文，再將這些OAM報文逐個發(fā)送給ONU。但是，IEEE 802.3ah[6]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定OAM報文的傳輸速率為每秒鐘不超過10幀且每幀不超過128 byte。除去OAM報文的報頭，每幀大致可攜帶100 byte，那么系統(tǒng)每秒鐘發(fā)送給ONU的升級軟件大小只有1000 byte，這就限制了傳輸升級軟件的速度，使得升級等待時間過長。

2）不支持并行方式的批量升級。IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了OAM報文不支持廣播方式發(fā)送，只能以點對點的方式發(fā)送，所以當(dāng)OLT對多個ONU同時升級的時候，就會使升級ONU的過程變得十分繁瑣，同時也會增加升級的等待時間。

3）如果ONU寫入Flash的升級軟件出現(xiàn)異常，或者設(shè)備軟件升級過程中遭遇電力或者鏈路故障導(dǎo)致升級失敗，再或者ONU無法正常工作（由ONU判斷）等特殊情況，都會直接導(dǎo)致ONU升級失敗。這主要是由于該升級方法不支持升級失敗回滾，一旦ONU升級失敗，將會導(dǎo)致ONU不能啟動。這對運營商和用戶而言都會帶來很大的損失。

3 優(yōu)化的遠(yuǎn)程升級方案

鑒于傳統(tǒng)升級方案存在的種種弊端，需要對上述的升級方法進行優(yōu)化改善，優(yōu)化后的升級方法不僅升級速度快，支持并行的批量升級，還可支持軟件升級失敗后的自動回滾，即讓ONU在軟件升級失敗后能夠自動回滾到原來的版本。

3.1 設(shè)計方案

優(yōu)化的升級方案是針對原有升級方案中存在的弊端提出的。

1）利用基于802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文替代OAM報文封裝升級軟件。

先對需要升級的目的ONU設(shè)置邏輯鏈路標(biāo)識LLID，然后由OLT將升級軟件拆分并封裝到設(shè)置的基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文中，該報文要用目的ONU的LLID進行標(biāo)識，ONU可根據(jù)OLT廣播過來的下行報文中所攜帶的LLID來確定是否接收該下行報文。由于設(shè)置的基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文可以由OLT根據(jù)當(dāng)前EPON的情況來設(shè)置傳輸速率，這樣就可以提高升級速度，縮短升級等待時間。且可以通過廣播的方式發(fā)送給多個ONU，并支持批量升級。

2）利用下行報文可通過廣播方式發(fā)送給多個ONU的特點解決并行批量升級問題。

由于設(shè)置的基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文可以通過廣播的方式發(fā)送給多個ONU，故可以對多個ONU設(shè)備劃定一個組播組，并在基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文中設(shè)置一個組播MAC地址，利于ONU識別，利用組播的模式完成對ONU設(shè)備的并行批量升級。

3）針對ONU升級失敗后不支持軟件回退的弊端，可以通過在ONU的存儲區(qū)（Flash）中設(shè)置一個引導(dǎo)軟件（BOOT）部分進行判斷來解決，該部分與現(xiàn)有技術(shù)方案基本相同，不作為本文的論述重點。

將ONU的Flash劃分為4個部分，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軟件引導(dǎo)部分主要是通過判斷ONU軟件的校驗和來引導(dǎo)ONU重啟后運行升級軟件還是備份軟件；第2部分是用來存儲OLT發(fā)送給ONU的升級軟件；第3部分是用來存儲ONU的備份軟件，通常為ONU進行升級之前所運行的軟件；第4部分是空閑部分。ONU升級重啟時，F(xiàn)lash的BOOT部分會通過計算存儲的升級軟件的校驗和來引導(dǎo)ONU是選擇升級軟件還是備份軟件進行重啟。ONU通過Flash中BOOT部分的判斷來完成升級重啟后，重新接入OLT的動作。這樣就可以保證ONU在升級失敗后仍然可以回退到原來的軟件版本，并可以重新接入OLT。

3.2 設(shè)計流程

根據(jù)上文提出的思路，可以設(shè)計一個優(yōu)化的升級方案來解決文中提到的弊端，具體的軟件設(shè)計流程如圖3所示。

步驟1:給目的ONU設(shè)置邏輯鏈路標(biāo)識LLID，OLT先將升級軟件分片，拆分成相同大小的若干部分，再將拆分后的若干軟件分片分別封裝到設(shè)置的基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文中，同時該報文還需攜帶LLID，該LLID可以是目的ONU的LLID或者是廣播LLID。

步驟2:OLT將下行報文依次廣播給其管轄的ONU。此時，由于廣播發(fā)送的下行報文的速率可以由OLT來設(shè)定，故而可以提高升級的速度。由于ONU會將接收到的下行報文交給自身的CPU進行處理，為防止OLT由于快速下發(fā)大量的下行報文而導(dǎo)致ONU的CPU隊列堵死，所以要對下行報文的廣播速率進行限制。廣播完成后，OLT采用點對點的方式向目的ONU發(fā)送通知升級的報文，告知目的ONU已將全部升級軟件廣播，該報文中攜帶有目的ONU的LLID、升級軟件的長度和校驗和等。

步驟3:OLT管理的ONU通過判斷廣播接收到的多個下行報文中攜帶的LLID是否為自身設(shè)置的LLID，或為廣播LLID來決定是否接收這些下行報文，如果相同則轉(zhuǎn)入步驟5；否則，轉(zhuǎn)入步驟4。

步驟4:OLT管理的ONU不為目的ONU，則該ONU不接收通過廣播發(fā)送的下行報文，升級過程直接結(jié)束。

步驟5:OLT管理的ONU為目的ONU，則該ONU依次接收通過廣播發(fā)送過來的多個下行報文；目的ONU接收到下行報文后，進一步判斷下行報文中設(shè)置的MAC地址是否為自身的MAC地址或組播MAC地址，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟7；否則，將轉(zhuǎn)入步驟6。

步驟6:目的ONU的MAC地址與廣播來的下行報文中的MAC地址不一致，則該ONU直接將該下行報文轉(zhuǎn)發(fā)給具有報文中設(shè)置的MAC地址的ONU。

步驟7:下行報文中設(shè)置的MAC地址為目的ONU自身的MAC地址或組播MAC地址，則目的ONU將接收的下行報文交給自身的CPU進行處理，將升級軟件依次進行存儲，同時，目的ONU還要判斷是否接收到通知升級的報文，如果是，轉(zhuǎn)入步驟8；否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟7。

步驟8:目的ONU接收到通知升級報文后，給OLT發(fā)送回應(yīng)報文，回應(yīng)報文中攜帶有目的ONU是否完整接收到升級軟件的信息。

步驟9:目的ONU將接收到的升級軟件進行重組并存放到Flash的第2部分中。

步驟10:目的ONU通過Flash中的軟件引導(dǎo)（BOOT）部分對ONU中存儲的升級軟件的長度計算校驗和，通過計算后的結(jié)果來判斷是否升級重啟，如果計算的校驗和正確，則轉(zhuǎn)入步驟11；否則，轉(zhuǎn)入步驟12。

步驟11:目的ONU中存儲的升級軟件是完整可用的，該ONU采用OLT通過廣播發(fā)送來的升級軟件啟動并接入OLT運行，升級結(jié)束。

步驟12:目的ONU中存儲的升級軟件異?；蛏夁^程中出現(xiàn)異常情況，該ONU采用備份軟件啟動并接入OLT運行，升級結(jié)束。

4 遠(yuǎn)程升級方案對比

所設(shè)計的優(yōu)化的遠(yuǎn)程升級方案是在原有的升級方案的基礎(chǔ)上，針對其弊端提出的。下面對兩種升級方案的優(yōu)劣進行對比。

1）升級速度對比

現(xiàn)行的遠(yuǎn)程升級方案中封裝升級軟件報文均使用OAM報文，并且每秒僅能傳送不超過10幀，且每幀不超過128 byte的報文，單位時間內(nèi)所傳送的升級軟件報文的信息量較小，改進后的升級方案使用基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文，該報文在單位時間內(nèi)所傳送的升級軟件報文的信息量要比OAM報文傳送的升級軟件報文的信息量大，單位時間內(nèi)的效率更高，因此改進后的升級方案可以提高速度，縮短升級過程中用戶的等待時間，使升級過程的效率更高。

2）批量升級對比

由于現(xiàn)行的遠(yuǎn)程升級方案中OAM報文不支持廣播方式發(fā)送，只能以點對點的方式發(fā)送給遠(yuǎn)端設(shè)備，所以現(xiàn)行的升級方案所支持的是串行的批量升級方式，但是改進后的升級方案使用的是基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文，該報文可通過廣播方式發(fā)送給多個ONU，因此改進后的升級方案可以支持多臺遠(yuǎn)端設(shè)備進行并行的批量升級，縮短批量升級的時間，使批量升級過程的效率更高。

5 小結(jié)

對EPON系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端設(shè)備進行遠(yuǎn)程升級是系統(tǒng)必須滿足的基本功能。本文主要針對EPON系統(tǒng)中OLT對ONU進行遠(yuǎn)程升級的傳統(tǒng)方案中存在著升級速度慢、無法批量的弊端，提出利用基于IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)的下行報文替代OAM報文封裝升級軟件的方法解決升級速度慢的問題，同時利用下行報文可通過廣播方式發(fā)送給多個ONU的特點解決并行批量升級問題。改進后的升級方案不僅可以提高升級的速度，同時可以支持多臺ONU設(shè)備進行并行批量升級，提高系統(tǒng)升級工作的效率。

[1]龔濤.向以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)中的光網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)送升級軟件的方法:中國，200510112772.5[P].2006-04-26.

[2]熊偉成.EPON技術(shù)及市場應(yīng)用[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2007（2）:70-73.

[3]鄒蓉.基于EPON技術(shù)的接入網(wǎng)實施方案[J].科技信息，2009（3）:71.

[4]程樹文.EPON系統(tǒng)實用化設(shè)計與探討[J].電視技術(shù)，2006，30（10）:8-11.

[5]中國電信.中國電信EPON設(shè)備技術(shù)要求v2.1[EB/OL].[2011-01-04].http://wenku.baidu.com/view/786fb9eb19e8b8f67c1cb9ec.html.

[6]IEEE Std 802.3ah-2004，以太網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)&EPON-MAC標(biāo)準(zhǔn)[S].2004.