简单介绍融合以太网和无源光网络(PON)测试仪的FPGA设计与实现

基于以太网的无源光网络(EPON)是一种融合了以太网和无源光网络(PON)优点的接入网技术,具有容量大、成本低、对IP业务支持好、技术成熟和维护简单等优点,是未来实现FTTx的理想方案之一。无光源网络是一种点对多点的光纤传输和接入技术,下行采用广播方式、上行采用时分多址方式,可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构,在光分支点只需要暗转一个简单的光分支器即可,因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、建网速度快、综合建网成本低等优点。无光源网络包括ATM-PON和Ethernet-PON两种。目前EPON系统已在日本大规模应用,我国也有不少EPON系统投入商业应用。为使EPON能够低成本、大规模地成功应用,不仅要求不同厂商的EPON光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)设备能够互通,而且需要方便有效地在EPON网络开通前完成工程验收,以及在EPON网络运行过程中进行便捷的维护等。由于EPON点对多点的拓扑结构及其相应的上行时分多址接入(TDMA)方式,传统的网络测试设备都不能直接介入到EPON系统内部,只能通过EPON用户侧和网络侧接口进行相关测试,因此无法监测EPON内部运行状况,不能对会影响互通的EPON相关协议进行测试分析。为此我们设计开发了EPON测试仪,以帮助运营商进行EPON组网前的设备互通测试和组网后的工程验收和网络维护。

 
1、系统简介
 
EPON采用单纤双向通信方式,为了观测EPON的内部运行情况,我们在OLT与光分配网络(ODN)主干光纤之间接入X型光耦合器,分出部分上行和下行光信号至EPON测试仪,以实现对上下行链路的监视,如图1所示。
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                                                          图1 EPON测试仪介入被测网络的方式
 
EPON测试仪由硬件平台和配套的软件控制台两大部分组成,其中硬件平台负责EPON协议帧和相关数据的采集处理以及与软件控制台的通信,软件控制台负责EPON相关协议分析、提供用户界面和对硬件平台的配置管理等。本文着重阐述EPON测试仪硬件平台的设计与实现。
 
2、硬件平台功能需求分析
 
EPON测试仪主要关注影响EPON互通和运维的EPON调和(RS)子层、多点MAC控制(MPCP)子层和运行管理维护(OAM)子层。其中RS子层定义了EPON的前导码格式,它在原以太网前导码的基础上引入了逻辑链路标识(LLID)区分OLT与各个ONU的逻辑连接,并增加了对前导码的8位循环冗余校验(CRC8);MPCP子层负责ONU到OLT的注册、上行方向TDMA机制的运行等;OAM子层则负责有关EPON网络运维的功能。EPON参考模型如图2所示。
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                                                                  图2 EPON参考模型
 
EPON测试仪的主要功能有两个:帮助发现影响互通的原因和方便EPON网络的管理维护。前一个功能主要是指它可以帮助分析ONU的注册过程是否符合标准、注册成功后上层OAM消息的交互和业务的互通是否存在问题等;后一个功能主要是指它可为网络维护人员提供在线ONU的基本信息和链路参数的统计数据,以方便运营者对网络的管理和故障定位。
 
根据EPON测试仪的功能要求和我们对EPON测试仪硬件平台和软件控制台的功能分割,确定EPON测试仪硬件平台功能需求如下:
 
(1)提取ONU注册过程所涉及的帧。
 
(2)按配置的过滤条件采集非注册过程MPCP帧和OAM帧。针对EPON的特点,过滤条件可为LLID、帧的前64字节内用户自定义的6字节长关键字,或二者的“与/或”组合。考虑到协议帧流量、送往软件控制台前的封装开销、与控制台接口的速率限制和实现复杂度等因素,支持最多64个LLID过滤条件,和两组用户自定义关键字,关键字支持精确到比特的掩码配置。
 
(3)对采集到的EPON协议帧(MPCP/OAM帧)打上本地时钟标签,并标明是来自EPON上行还是下行链路。
 
(4)EPON前导码校验的差错率统计,支持统计使能和统计数据上报周期的配置。
 
(5)基于最多256个LLID,对前导码正确的EPON帧的业务流量和帧校验序列(FCS)校验结果进行统计,支持统计使能和统计数据上报周期的配置。
 
(6)采集到的EPON协议帧和统计信息被封装到以太网帧后通过百兆以太网接口送软件控制台分析。
 
(7)硬件平台的配置内容由软件控制台通过百兆接口下达,配置内容包括EPON协议帧的过滤条件、链路统计项的使能和上报周期、EPON协议帧和统计信息被封装到以太网帧时的源地址/目的地址/类型(DA/SA/type)字段等,硬件平台应支持向软件控制台返回配置确认帧。
 
3、硬件平台的设计实现
 
3.1 硬件总体结构
 
EPON测试仪硬件平台的组成如图3所示:
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