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　　隨著基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）商用規(guī)模的逐步擴大，不同廠商設(shè)備間的互通測試以及EPON系統(tǒng)的工程驗收測試和運行維護變得日益迫切，為此我們設(shè)計開發(fā)了EPON測試儀。文章分析了EPON測試儀的功能需求，簡述了EPON測試儀的總體框架，著重闡述了EPON測試儀硬件平臺的設(shè)計及其核心功能的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的實現(xiàn)。
　　
　　基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）是一種融合了以太網(wǎng)和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）優(yōu)點的接入網(wǎng)技術(shù)，具有容量大、成本低、對IP業(yè)務(wù)支持好、技術(shù)成熟和維護簡單等優(yōu)點，是未來實現(xiàn)FTTx的理想方案之一。目前EPON系統(tǒng)已在日本大規(guī)模應(yīng)用，我國也有不少EPON系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。為使EPON能夠低成本、大規(guī)模地成功應(yīng)用，不僅要求不同廠商的EPON光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）設(shè)備能夠互通，而且需要方便有效地在EPON網(wǎng)絡(luò)開通前完成工程驗收，以及在EPON網(wǎng)絡(luò)運行過程中進行便捷的維護等。由于EPON點對多點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的上行時分多址接入（TDMA）方式，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備都不能直接介入到EPON系統(tǒng)內(nèi)部，只能通過EPON用戶側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口進行相關(guān)測試，因此無法監(jiān)測EPON內(nèi)部運行狀況，不能對會影響互通的EPON相關(guān)協(xié)議進行測試分析。為此我們設(shè)計開發(fā)了EPON測試儀，以幫助運營商進行EPON組網(wǎng)前的設(shè)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(tǒng)簡介
　　
　　EPON采用單纖雙向通信方式，為了觀測EPON的內(nèi)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，以實現(xiàn)對上下行鏈路的監(jiān)視，如圖1所示。
　　
　　圖1EPON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(fù)責(zé)EPON協(xié)議幀和相關(guān)數(shù)據(jù)的采集處理以及與軟件控制臺的通信，軟件控制臺負(fù)責(zé)EPON相關(guān)協(xié)議分析、提供用戶界面和對硬件平臺的配置管理等。本文著重闡述EPON測試儀硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。
　　
　　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(diào)和（RS）子層、多點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(dǎo)碼格式，它在原以太網(wǎng)前導(dǎo)碼的基礎(chǔ)上引入了邏輯鏈路標(biāo)識（LLID）區(qū)分OLT與各個ONU的邏輯連接，并增加了對前導(dǎo)碼的8位循環(huán)冗余校驗（CRC8）；MPCP子層負(fù)責(zé)ONU到OLT的注冊、上行方向TDMA機制的運行等；OAM子層則負(fù)責(zé)有關(guān)EPON網(wǎng)絡(luò)運維的功能。EPON參考模型如圖2所示。
　　
　　圖2EPON參考模型
　　
　　EPON測試儀的主要功能有兩個：幫助發(fā)現(xiàn)影響互通的原因和方便EPON網(wǎng)絡(luò)的管理維護。前一個功能主要是指它可以幫助分析ONU的注冊過程是否符合標(biāo)準(zhǔn)、注冊成功后上層OAM消息的交互和業(yè)務(wù)的互通是否存在問題等；后一個功能主要是指它可為網(wǎng)絡(luò)維護人員提供在線ONU的基本信息和鏈路參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以方便運營者對網(wǎng)絡(luò)的管理和故障定位。
　　
　　根據(jù)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：
　　
　?。?）提取ONU注冊過程所涉及的幀。
　　
　?。?）按配置的過濾條件采集非注冊過程MPCP幀和OAM幀。針對EPON的特點，過濾條件可為LLID、幀的前64字節(jié)內(nèi)用戶自定義的6字節(jié)長關(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銷、與控制臺接口的速率限制和實現(xiàn)復(fù)雜度等因素，支持zui多64個LLID過濾條件，和兩組用戶自定義關(guān)鍵字，關(guān)鍵字支持到比特的掩碼配置。
　　
　?。?）對采集到的EPON協(xié)議幀（MPCP/OAM幀）打上本地時鐘標(biāo)簽，并標(biāo)明是來自EPON上行還是下行鏈路。
　　
　　（4）EPON前導(dǎo)碼校驗的差錯率統(tǒng)計，支持統(tǒng)計使能和統(tǒng)計數(shù)據(jù)上報周期的配置。
　　
　?。?）基于zui多256個LLID，對前導(dǎo)碼正確的EPON幀的業(yè)務(wù)流量和幀校驗序列（FCS）校驗結(jié)果進行統(tǒng)計，支持統(tǒng)計使能和統(tǒng)計數(shù)據(jù)上報周期的配置。
　　
　　（6）采集到的EPON協(xié)議幀和統(tǒng)計信息被封裝到以太網(wǎng)幀后通過百兆以太網(wǎng)接口送軟件控制臺分析。
　　
　　（7）硬件平臺的配置內(nèi)容由軟件控制臺通過百兆接口下達(dá)，配置內(nèi)容包括EPON協(xié)議幀的過濾條件、鏈路統(tǒng)計項的使能和上報周期、EPON協(xié)議幀和統(tǒng)計信息被封裝到以太網(wǎng)幀時的源地址/目的地址/類型（DA/SA/type）字段等，硬件平臺應(yīng)支持向軟件控制臺返回配置確認(rèn)幀。
　　
　　3、硬件平臺的設(shè)計實現(xiàn)
　　
　　3.1硬件總體結(jié)構(gòu)
　　
　　EPON測試儀硬件平臺的組成如圖3所示：
　　
　　圖3EPON測試儀硬件平臺框圖
　　
　　光接收模塊采用符合IEEE802.3ah規(guī)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(shù)據(jù)通過10比特接口（TBI）輸出給EPON測試儀核心功能現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來處理。
　　
　　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(shù)統(tǒng)計和用戶配置等，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，它實現(xiàn)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(shù)據(jù)的峰值速率可達(dá)千兆速率，而輸出給控制臺時僅為百兆速率，故使用一個外部靜態(tài)存儲器（SRAM）實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的緩存。
　　
　　3.2核心功能的FPGA設(shè)計
　　
　　3.2.1EPON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TBI接口將EPON上/下行鏈路的數(shù)據(jù)送給核心功能FPGA，F(xiàn)PGA以異步先入先出（FIFO）方式將接收到的數(shù)據(jù)同步到FPGA內(nèi)部的125MHz時鐘，然后進行8B/10B解碼，轉(zhuǎn)換為千兆比特媒質(zhì)無關(guān)接口（GMII）格式的數(shù)據(jù)并恢復(fù)出各幀。
　　
　　圖4上/下行協(xié)議幀采集框圖
　　
　　經(jīng)過EPON前導(dǎo)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，幀分類模塊據(jù)此篩選出MPCP/OAM幀送過濾模塊。
　　
　　過濾模塊包括一個注冊過程提取模塊和一個用戶自定義過濾模塊。注冊過程提取模塊能夠根據(jù)LLID和幀內(nèi)type/opcode字段篩選出所有的注冊過程幀，其余的幀送用戶自定義過濾模塊。用戶自定義過濾模塊支持按LLID過濾，或按用戶自定義幀內(nèi)字段過濾，或按兩種過濾條件的“與/或”組合過濾，具體參數(shù)見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(dǎo)碼）需要先封裝到以太網(wǎng)幀再輸出給軟件控制臺，封裝時應(yīng)盡量反映EPON協(xié)議幀的原始信息，如采集時間、來自EPON上行方向還是下行方向等，這些分別在timestamp域和flag域中標(biāo)識，另外考慮到EPON幀封裝到以太網(wǎng)幀后的長度可能會超過以太網(wǎng)的zui大傳輸單元（MTU），長度大于1490字節(jié)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。封裝格式見圖5。其中在subtype域標(biāo)明以太網(wǎng)幀的凈荷部分為EPON協(xié)議幀。
　　
　　圖5EPON協(xié)議幀的封裝
　　
　　3.2.2EPON鏈路參數(shù)統(tǒng)計
　　
　　我們對反映EPON鏈路性能zui為關(guān)鍵的3類信息：EPON前導(dǎo)碼CRC8校驗的差錯率、各LLID對應(yīng)幀的FCS校驗差錯率和各LLID對應(yīng)的業(yè)務(wù)流量信息，進行了統(tǒng)計上報。
　　
　　基于用戶對幾類統(tǒng)計數(shù)據(jù)的關(guān)注程度不同，底層支持對各類統(tǒng)計的使能和上報周期控制，在上報周期到達(dá)時刻，統(tǒng)計信息將被打包輸出。為了在數(shù)據(jù)輸出時仍能進行統(tǒng)計，我們使用了兩套統(tǒng)計模塊，當(dāng)一套需要輸出統(tǒng)計信息時，則切換到另一套進行參數(shù)統(tǒng)計。
　　
　　在EPON中，OAM消息均以TLV（TypeLengthValue）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EPONOAM幀的封裝方式，統(tǒng)計數(shù)據(jù)將先被封裝到一個TLV中，在TLV頭部的type字段標(biāo)明該TLV承載了哪類統(tǒng)計信息，通過length域標(biāo)明該TLV的長度。在將TLV封裝到以太網(wǎng)幀時，仍使用了subtype字段來標(biāo)識該以太網(wǎng)幀的凈荷部分為統(tǒng)計信息，flag域預(yù)留，封裝格式見圖6。
　　
　　圖6統(tǒng)計信息的封裝格式
　　
　　3.2.3配置解析
　　
　　來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(yīng)模塊。用戶可配內(nèi)容包括EPON協(xié)議幀的過濾條件、各鏈路統(tǒng)計項的使能和上報周期以及數(shù)據(jù)封裝到以太網(wǎng)幀時的DA/SA/type字段等。
　　
　　考慮到與軟件控制臺的通信線路可靠性，當(dāng)配置解析模塊收到一個沒有誤碼的配置消息后，它將產(chǎn)生一個包含該配置消息號和配置生效時間的確認(rèn)幀告知控制臺，格式與統(tǒng)計幀類似。
　　
　　3.2.4輸出控制
　　
　　它將采集到的上下行EPON協(xié)議幀、統(tǒng)計信息幀和配置確認(rèn)幀等幾路數(shù)據(jù)調(diào)度到外部的SRAM，然后控制它們輸出到百兆口，這通過對外部SRAM的讀寫來實現(xiàn)。
　　
　　外部存儲器我們采用的是pipelined類型的零總線變換（ZBT）SRAM，其讀寫操作的切換不需要任何等待周期，因而總線利用率可達(dá)。SRAM的數(shù)據(jù)接口位寬為36bit，而待寫入SRAM的各路數(shù)據(jù)位寬為9bit（8bit數(shù)據(jù)+1bit幀包絡(luò)信息），這樣各路數(shù)據(jù)每4個時鐘分別往SRAM寫一次36bit位寬數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)線速存儲。為此將SRAM劃分為3個獨立的存儲區(qū)，并將讀寫時隙分配如下：第1個時鐘周期可往SRAM的存儲1區(qū)寫EPON上行協(xié)議幀，第2個時鐘周期可往SRAM的存儲2區(qū)寫EPON下行協(xié)議幀，第3個時鐘周期可往SRAM的存儲3區(qū)寫統(tǒng)計信息幀和配置確認(rèn)幀，第4個時鐘周期可從SRAM讀出數(shù)據(jù)，從某一塊存儲區(qū)讀出完整一幀后即切換到讀另一塊存儲區(qū)。
　　
　　3.3測試結(jié)果
　　
　　我們在北京格林威爾科技發(fā)展有限公司的EPON系統(tǒng)上進行了實際測試。所研發(fā)的EPON測試儀能夠提取ONU注冊過程中涉及到的所有幀；當(dāng)收到控制臺配置的過濾條件時，它將向控制臺返回一個確認(rèn)消息，然后按照配置的過濾條件提取特定MPCP/OAM幀；可對幾類鏈路參數(shù)中的某一類或全部進行統(tǒng)計，并可獨立配置各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)的上報周期；所有送往控制臺的數(shù)據(jù)均按設(shè)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(shù)進行了測試，測試結(jié)果表明，各項功能和性能指標(biāo)均與設(shè)計要求相符。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　本文說明了研究開發(fā)EPON測試儀的意義，簡要描述了其功能結(jié)構(gòu)，并著重闡述了其硬件平臺的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)。EPON測試儀可以有效地幫助網(wǎng)絡(luò)運營商進行設(shè)備互通測試、工程驗收和網(wǎng)絡(luò)運維等。