EPON測試儀硬件平臺的設計與實(shí)現

基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(EPON)是一種融合了以太網(wǎng)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(PON)優(yōu)點(diǎn)的接入網(wǎng)技術(shù)，具有容量大、成本低、對IP業(yè)務(wù)支持好、技術(shù)成熟和維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)實(shí)現FTTx的理想方案之一。目前EPON系統已在日本大規模應用，我國也有不少EPON系統投入商業(yè)應用。為使EPON能夠低成本、大規模地成功應用，不僅要求不同廠(chǎng)商的EPON光線(xiàn)路終端(OLT)和光網(wǎng)絡(luò )單元(ONU)設備能夠互通，而且需要方便有效地在EPON網(wǎng)絡(luò )開(kāi)通前完成工程驗收，以及在EPON網(wǎng)絡(luò )運行過(guò)程中進(jìn)行便捷的維護等。由于EPON點(diǎn)對多點(diǎn)的拓撲結構及其相應的上行時(shí)分多址接入(TDMA)方式，傳統的網(wǎng)絡(luò )測試設備都不能直接介入到EPON系統內部，只能通過(guò)EPON用戶(hù)側和網(wǎng)絡(luò )側接口進(jìn)行相關(guān)測試，因此無(wú)法監測EPON內部運行狀況，不能對會(huì )影響互通的EPON相關(guān)協(xié)議進(jìn)行測試分析。為此我們設計開(kāi)發(fā)了EPON測試儀，以幫助運營(yíng)商進(jìn)行EPON組網(wǎng)前的設備互通測試和組網(wǎng)后的工程驗收和網(wǎng)絡(luò )維護。

1、系統簡(jiǎn)介

EPON采用單纖雙向通信方式，為了觀(guān)測EPON的內部運行情況，我們在OLT與光分配網(wǎng)絡(luò )(ODN)主干光纖之間接入

X型光耦合器，分出部分上行和下行光信號至EPON測試儀，以實(shí)現對上下行鏈路的監視，如圖1所示。

圖1　EPON測試儀介入被測網(wǎng)絡(luò )的方式

EPON測試儀由硬件平臺和配套的軟件控制臺兩大部分組成，其中硬件平臺負責EPON協(xié)議幀和相關(guān)數據的采集處理以及與軟件控制臺的通信，軟件控制臺負責EPON相關(guān)協(xié)議分析、提供用戶(hù)界面和對硬件平臺的配置管理等。本文著(zhù)重闡述EPON測試儀硬件平臺的設計與實(shí)現。

2、硬件平臺功能需求分析

EPON測試儀主要關(guān)注影響EPON互通和運維的EPON調和(RS)子層、多點(diǎn)MAC控制(MPCP)子層和運行管理維護(OAM)子層。其中RS子層定義了EPON的前導碼格式，它在原以太網(wǎng)前導碼的基礎上引入了邏輯鏈路標識(LLID)區分OLT與各個(gè)ONU的邏輯連接，并增加了對前導碼的8位循環(huán)冗余校驗(CRC8);MPCP子層負責ONU到OLT的注冊、上行方向TDMA機制的運行等;OAM子層則負責有關(guān)EPON網(wǎng)絡(luò )運維的功能。EPON參考模型如圖2所示。

圖2　EPON參考模型

EPON測試儀的主要功能有兩個(gè)：幫助發(fā)現影響互通的原因和方便EPON網(wǎng)絡(luò )的管理維護。前一個(gè)功能主要是指它可以幫助分析ONU的注冊過(guò)程是否符合標準、注冊成功后上層OAM消息的交互和業(yè)務(wù)的互通是否存在問(wèn)題等;后一個(gè)功能主要是指它可為網(wǎng)絡(luò )維護人員提供在線(xiàn)ONU的基本信息和鏈路參數的統計數據，以方便運營(yíng)者對網(wǎng)絡(luò )的管理和故障定位。

根據EPON測試儀的功能要求和我們對EPON測試儀硬件平臺和軟件控制臺的功能分割，確定EPON測試儀硬件平臺功能需求如下：

(1)提取ONU注冊過(guò)程所涉及的幀。

(2)按配置的過(guò)濾條件采集非注冊過(guò)程MPCP幀和OAM幀。針對EPON的特點(diǎn)，過(guò)濾條件可為L(cháng)LID、幀的前64字節內用戶(hù)自定義的6字節長(cháng)關(guān)鍵字，或二者的“與/或”組合?？紤]到協(xié)議幀流量、送往軟件控制臺前的封裝開(kāi)銷(xiāo)、與控制臺接口的速率限制和實(shí)現復雜度等因素，支持最多64個(gè)LLID過(guò)濾條件，和兩組用戶(hù)自定義關(guān)鍵字，關(guān)鍵字支持精確到比特的掩碼配置。

(3)對采集到的EPON協(xié)議幀(MPCP/OAM幀)打上本地時(shí)鐘標簽，并標明是來(lái)自EPON上行還是下行鏈路。

(4)EPON前導碼校驗的差錯率統計，支持統計使能和統計數據上報周期的配置。

(5)基于最多256個(gè)LLID，對前導碼正確的EPON幀的業(yè)務(wù)流量和幀校驗序列(FCS)校驗結果進(jìn)行統計，支持統計使能和統計數據上報周期的配置。

(6)采集到的EPON協(xié)議幀和統計信息被封裝到以太網(wǎng)幀后通過(guò)百兆以太網(wǎng)接口送軟件控制臺分析。

(7)硬件平臺的配置內容由軟件控制臺通過(guò)百兆接口下達，配置內容包括EPON協(xié)議幀的過(guò)濾條件、鏈路統計項的使能和上報周期、EPON協(xié)議幀和統計信息被封裝到以太網(wǎng)幀時(shí)的源地址/目的地址/類(lèi)型(DA/SA/type)字段等，硬件平臺應支持向軟件控制臺返回配置確認幀。

3、硬件平臺的設計實(shí)現

3.1　硬件總體結構

EPON測試儀硬件平臺的組成如圖3所示：

圖3　EPON測試儀硬件平臺框圖

光接收模塊采用符合IEEE 802.3ah規范中1000Base-PX光接口要求的EPON光收發(fā)模塊，但只使用光接收部分。千兆以太網(wǎng)收發(fā)器芯片則采用商用芯片，它完成比特同步和串/并變換功能，然后將并行數據通過(guò)10比特接口(TBI)輸出給EPON測試儀核心功能現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)來(lái)處理。

核心功能FPGA完成底層硬件平臺的核心處理功能，包括EPON協(xié)議幀的采集、EPON鏈路參數統計和用戶(hù)配置等，綜合考慮這些功能對FPGA的資源需求、可擴展性和低成本要求，我們選擇的是Altera公司的stratix系列芯片。

百兆物理層(PHY)芯片采用的是VT6108S，它實(shí)現核心功能FPGA與軟件控制臺的接口功能。由于核心功能FPGA采集數據的峰值速率可達千兆速率，而輸出給控制臺時(shí)僅為百兆速率，故使用一個(gè)外部靜態(tài)存儲器(SRAM)實(shí)現輸出數據的緩存。

3.2　核心功能的FPGA設計

3.2.1　EPON協(xié)議幀的采集

圖4是上/下行協(xié)議幀采集框圖。千兆收發(fā)器芯片通過(guò)TBI接口將EPON上/下行鏈路的數據送給核心功能FPGA，FPGA以異步先入先出(FIFO)方式將接收到的數據同步到FPGA內部的125 MH

z時(shí)鐘，然后進(jìn)行8B/10B解碼，轉換為千兆比特媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口(GMII)格式的數據并恢復出各幀。

圖4　上/下行協(xié)議幀采集框圖

經(jīng)過(guò)EPON前導碼校驗和FCS校驗后，錯誤的幀將被丟棄。由于MPCP幀的type域為0x8808，OAM幀的type域為Ox8809，幀分類(lèi)模塊據此篩選出MPCP/OAM幀送過(guò)濾模塊。

過(guò)濾模塊包括一個(gè)注冊過(guò)程提取模塊和一個(gè)用戶(hù)自定義過(guò)濾模塊。注冊過(guò)程提取模塊能夠根據LLID和幀內type/opcode字段篩選出所有的注冊過(guò)程幀，其余的幀送用戶(hù)自定義過(guò)濾模塊。用戶(hù)自定義過(guò)濾模塊支持按LLID過(guò)濾，或按用戶(hù)自定義幀內字段過(guò)濾，或按兩種過(guò)濾條件的“與/或”組合過(guò)濾，具體參數見(jiàn)硬件平臺功能需求分析。

由于硬件平臺與軟件控制臺的接口為百兆以太網(wǎng)口，故采集到的EPON協(xié)議幀(含EPON前導碼)需要先封裝到以太網(wǎng)幀再輸出給軟件控制臺，封裝時(shí)應盡量反映EPON協(xié)議幀的原始信息，如采集時(shí)間、來(lái)自EPON上行方向還是下行方向等，這些分別在timestamp域和flag域中標識，另外考慮到EPON幀封裝到以太網(wǎng)幀后的長(cháng)度可能會(huì )超過(guò)以太網(wǎng)的最大傳輸單元(MTU)，長(cháng)度大于1 490字節的EPON協(xié)議幀將被分為2段封裝，有關(guān)分段的信息也包含在flag域。封裝格式見(jiàn)圖5。其中在subtype域標明以太網(wǎng)幀的凈荷部分為EPON協(xié)議幀。

圖5　EPON協(xié)議幀的封裝

3.2.2　EPON鏈路參數統計

我們對反映EPON鏈路性能最為關(guān)鍵的3類(lèi)信息：EPON前導碼CRC8校驗的差錯率、各LLID對應幀的FCS校驗差錯率和各LLID對應的業(yè)務(wù)流量信息，進(jìn)行了統計上報。

基于用戶(hù)對幾類(lèi)統計數據的關(guān)注程度不同，底層支持對各類(lèi)統計的使能和上報周期控制，在上報周期到達時(shí)刻，統計信息將被打包輸出。為了在數據輸出時(shí)仍能進(jìn)行統計，我們使用了兩套統計模塊，當一套需要輸出統計信息時(shí)，則切換到另一套進(jìn)行參數統計。

在EPON中，OAM消息均以TLV(Type Length Value)的格式承載，然后再被封裝到OAM幀中的data域，這種格式使得OAM消息具有很好的擴展性。在此我們借鑒了EPON OAM幀的封裝方式，統計數據將先被封裝到一個(gè)TLV中，在TLV頭部的type字段標明該TLV承載了哪類(lèi)統計信息，通過(guò)length域標明該TLV的長(cháng)度。在將TLV封裝到以太網(wǎng)幀時(shí)，仍使用了subtype字段來(lái)標識該以太網(wǎng)幀的凈荷部分為統計信息，flag域預留，封裝格式見(jiàn)圖6。

圖6　統計信息的封裝格式

3.2.3　配置解析

來(lái)自軟件控制臺的各種配置消息由配置解析模塊處理后，被送往相應模塊。用戶(hù)可配內容包括EPON協(xié)議幀的過(guò)濾條件、各鏈路統計項的使能和上報周期以及數據封裝到以太網(wǎng)幀時(shí)的DA/SA/type字段等。

考慮到與軟件控制臺的通信線(xiàn)路可靠性，當配置解析模塊收到一個(gè)沒(méi)有誤碼的配置消息后，它將產(chǎn)生一個(gè)包含該配置消息號和配置生效時(shí)間的確認幀告知控制臺，格式與統計幀類(lèi)似。

3.2.4　輸出控制

它將采集到的上下行EPON協(xié)議幀、統計信息幀和配置確認幀等幾路數據調度到外部的SRAM，然后控制它們輸出到百兆口，這通過(guò)對外部SRAM的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現。

外部存儲器我們采用的是pipelined類(lèi)型的零總線(xiàn)變換(ZBT)SRAM，其讀寫(xiě)操作的切換不需要任何等待周期，因而總線(xiàn)利用率可達100%。SRAM的數據接口位寬為36 bit，而待寫(xiě)入SRAM的各路數據位寬為9 bit(8 bit數據+1 bit幀包絡(luò )信息)，這樣各路數據每4個(gè)時(shí)鐘分別往SRAM寫(xiě)一次36 bit位寬數據即可實(shí)現線(xiàn)速存儲。為此將SRAM劃分為3個(gè)獨立的存儲區，并將讀寫(xiě)時(shí)隙分配如下：第1個(gè)時(shí)鐘周期可往SRAM的存儲1區寫(xiě)EPON上行協(xié)議幀，第2個(gè)時(shí)鐘周期可往SRAM的存儲2區寫(xiě)EPON下行協(xié)議幀，第3個(gè)時(shí)鐘周期可往SRAM的存儲3區寫(xiě)統計信息幀和配置確認幀，第4個(gè)時(shí)鐘周期可從SRAM讀出數據，從某一塊存儲區讀出完整一幀后即切換到讀另一塊存儲區。

3.3　測試結果

我們在北京格林威爾科技發(fā)展有限公司的EPON系統上進(jìn)行了實(shí)際測試。所研發(fā)的EPON測試儀能夠提取ONU注冊過(guò)程中涉及到的所有幀;當收到控制臺配置的過(guò)濾條件時(shí)，它將向控制臺返回一個(gè)確認消息，然后按照配置的過(guò)濾條件提取特定MPCP/OAM幀;可對幾

類(lèi)鏈路參數中的某一類(lèi)或全部進(jìn)行統計，并可獨立配置各類(lèi)統計數據的上報周期;所有送往控制臺的數據均按設定格式封裝到以太網(wǎng)幀。此外我們還對EPON測試儀硬件平臺支持的參數進(jìn)行了測試，測試結果表明，各項功能和性能指標均與設計要求相符。

4、結束語(yǔ)

本文說(shuō)明了研究開(kāi)發(fā)EPON測試儀的意義，簡(jiǎn)要描述了其功能結構，并著(zhù)重闡述了其硬件平臺的FPGA設計與實(shí)現。EPON測試儀可以有效地幫助網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商進(jìn)行設備互通測試、工程驗收和網(wǎng)絡(luò )運維等。