余辰东

（中兴通讯股份有限公司上海研发中心, 上海 201203）

无源光网络上联组网设计及业务保护应用

余辰东

（中兴通讯股份有限公司上海研发中心, 上海 201203）

本文对无源光网络组网结构及其承载业务流量特征进行了调查，针对OLT上联口不同业务分别选择不同的业务冗余保护方式进行了研究。报告了当前较为常见的冗余保护技术以及组网应用，对基于不同业务的常用保护应用和组网设计进行了探讨总结，并讨论了特殊冗余保护技术的应用。组网设计只有和具体业务相结合，才能有效的实现业务质量提升和保障网络稳定。

无源光网络; 光线路终端; 组网设计; 链路聚合; 业务冗余保护

无源光网络（PON）是点到多点结构的单纤双向光接入网，典型拓扑为星（树）型结构。局端OLT设备（光线路终端）处于中心位置，通过上联SNI接口（业务网络接口）完成本网元业务转发。由于采用光纤接入，OLT上联转发处理的业务流量相对于传统接入设备有质的飞跃，因此通过OLT上联聚合或冗余配置实现其承载业务的扩容与保护就显得十分重要。

OLT与上层设备间业务转发使用以太网技术，因此基于以太网标准的聚合或保护技术均适用于PON设备，且在相应网络设计和保护应用中需要特别考虑PON网络承载业务特点。

1 PON网络上联组网及保护类型

PON OLT应直接上联城域网SR/BRAS设备（交换路由器/宽带远程接入服务器）。当上层设备端口不足时，可通过以太网级联或汇聚方式上联至SR/BRAS设备。

1.1 上联接口类型选择

OLT与SR/BRAS连接通过GE（吉比特以太网）/FE（百兆以太网）接口实现：GE接口一般采用光口，用于以太网/IP类业务上联，FE接口可选择光口或电口，一般用于VoIP（基于IP的语音）业务上联。光口对接应使用单模光纤，且保持两端光模块型号，参数一致。

对接光模块收、发光功率应在光模块指标范围内，确保业务正常转发。

对接光模块工作波长保持一致：长距光模块波长1 550 nm，短距光模块波长1 310 nm。

1.2 上联接口组网选择

PON OLT设备应根据实际流量选择上联接口组网方式。当业务流量较小时，可采用单上联方式，按VLAN（虚拟局域网）区分并转发业务到不同的上层设备中。当业务流量较大时应配置多端口并区分业务。多上联口组网应注意双上联与“8”字环应用，如图1所示。

单OLT相同业务上联到同一台设备时，应采用链路聚合或保护方式。由于多上联口承载相同业务，若VLAN配置相同将导致网络成环，组网时需加以避免。

多OLT相同业务终结于同一台设备时（“8”字环），必须禁用或修改对接端口的PVID（缺省VLAN），确保相关端口PVID不同，且不为1。

图1 双上联和8字环组网

上述组网将在OLT承载相同业务的多个上联口，以及上层设备对应端口之间形成环路，导致广播风暴影响业务安全：网络中的Untag（无VLAN标签）报文进入OLT端口时，修改报文VLAN标签为PVID值。若多端口PVID值相同，该报文会向相同PVID值的端口进行转发；离开端口时，将VLAN标签剥离并向对端设备转发。若对端设备两端口PVID也相同，会存在相同问题，即在OLT与上联设备之间形成环路。

1.3 上联保护类型选择

考虑业务特性与用户感知，不同业务的上联组网应采用相应的冗余保护方式：通过链路聚合实现带宽扩容，适用于业务流量较大，但优先级较低的以太网/IP类业务；通过链路保护提升业务安全，适用于业务流量较为固定，却对业务质量敏感的语音类业务。

2 业务聚合方式

业务扩容主要通过链路聚合在数据链路层实现，将聚合组内多条物理链路等效为一条逻辑链路，其优点为如下。

（1）总带宽较单链路呈线性增加，带宽增加约（n-1）倍，n为聚合路数。

（2）可靠性有一定提高，聚合组中部分链路异常时，业务流量重新分流到剩余正常链路中。

2.1 链路聚合类型

链路聚合有两种方式，静态聚合和动态LACP（链路聚合控制协议）：静态聚合将多个物理端口直接加入聚合组形成一个逻辑端口，并根据本地端口状态转发业务。静态聚合配置简单且没有协议交互，但不利于观察链路状态。动态LACP通过协议交互选择汇聚端口，多个物理端口动态加入聚合组形成一个逻辑端口，加入或退出聚合组时双方状态保持一致。但对接设备可能由于LACP协议处理机制不同，导致聚合异常。

2.2 链路聚合应用

静态聚合端口应为自适应模式：由硬件发送C帧协商端口状态，若Rx（接收）中断无法接收对端C帧，双方无法交互将导致端口从聚合组中删除。若端口为强制模式：Tx（发送）端口以一定频率发送Idle（空闲）帧，若Rx端口收到同频率Idle帧则完成建链。若一侧Rx故障，而Tx仍在发送，对端误认本侧端口有效从而导致单通。

动态LACP模式下端口应为强制模式：若对接端口一定时间内收不到协议分组，通过超时机制从组中删除端口，业务切换到组内其他接口；若端口为自适应模式，链路异常时端口状态频繁变化，相应聚合组状态也会频繁变化。

3 业务保护方式

业务保护是在OLT和SR/BRAS之间实现链路（组）的冗余备份，两条链路（组）互为保护，并监视对方状态。链路异常时，业务按一定策略整体切换到备用链路（组）以保证业务稳定。PON OLT设备一般采用UAPS或VRRP两种业务保护方式。

3.1 上联口自动保护倒换（UAPS）

3.1.1 UAPS功能

UAPS在多上联口（组）之间实现业务保护。通过配置一对或者多对上联接口，提供M×（N＋N）备份，即上联口可分为M组，每组包含多对主备（N＋N）上联口。主用上联口转发数据，备用上联口不转发数据（闭塞状态）。UAPS监测上联端口或链路状态决策是否切换，若主用端口中断则自动切换到备用端口上，从而保持业务稳定。

3.1.2 UAPS工程应用

按正态近似求出lgLD50的CI为（lgEC50±1.96×slgEC50），取其反对数，即为LD50的95%CI。

UAPS保护由OLT监控上联链路状态并进行相应动作。为避免异常倒换，UAPS分为恢复式（原链路恢复后自动切回）和非恢复式倒换（保持当前状态）。恢复式倒换通过保护时间防止端口不稳定引起的频繁倒换，保护时间段内不允许再次倒换。

UAPS组可启用链路Ping监测功能，防止链路不稳定引起的倒换。监测功能按一定周期，多次监测异常才触发倒换，Ping周期长度和监测次数共同决定监测周期。由于倒换链路稳定需要一定时间，建议监测周期长度大于链路稳定时间。启用链路Ping监测后不能单纯根据端口物理状态确定是否回切：由于主用端口被关闭，Ping功能无法监测其链路状态，无法实现恢复模式。

现网中部分设备根据是否发光判断端口状态，若备用端口发光，可能导致上层设备判断和处理异常。因此建议备用端口保持物理静默（关闭物理发光）。

3.2 虚拟路由器冗余协议（VRRP）

3.2.1 VRRP功能

VRRP协议在局域网中由多个路由器共同实现一个虚拟路由器：在VRRP路由器组中，按优先级选举主控路由器。VRRP主要解决静态网关单点失效问题。优先级配置可依据链路速度、路由器性能以及其它管理策略设定。

VRRP路由器对外表现为唯一的虚拟MAC（媒体访问控制）地址，路由器对ARP（地址解析协议）请求用该MAC地址做应答。VRRP采用VRRP通告作为控制报文，以IP多播数据分组进行封装，并只在同一局域网内发布，为减少带宽消耗只有主控路由器周期发送VRRP通告。VRRP组中备份路由器连续3个通告间隔内收不到或收到优先级为0的通告则启动新一轮VRRP选举，即提供了动态故障转移机制。

3.2.2 VRRP工程应用

VRRP协议部署于上层网络设备中并发布路由，OLT设备根据上层设备状态完成主备链路切换。VRRP协议提高了静态网关路由的可用性且无需在OLT设备上进行相关配置。某些组网中，VRRP通告报文通过OLT主备上联口传递，因此需要保证OLT上联口正常，防止信号弱化等原因导致VRRP报文丢失，从而出现异常切换。

工程中应防止VRRP路由器频繁切换。若网络中多业务VLAN使用相同VRRP组，可能导致不同VLAN对应不同主路由器，即一个VRRP网络中存在多个主路由器。若其中一台VRRP路由器不使用虚拟MAC做为源地址，将导致OLT设备出现MAC地址学习和转发异常。

4 PON业务类型及上联组网冗余保护应用

PON网络承载业务主要包括：动态上网，专线用户，VoIP，IPTV（数字电视）。动态上网业务采用PPPoE（以太网承载点对点协议）方式；专线用户、VoIP以及IPTV业务采用IPoE（以太网承载IP协议）方式。不同业务的流量特征在组网以及冗余保护设计时需加以考虑。

宽带上网业务主要采用PPPoE协议封装，此类业务流量较大，用户对带宽感知敏感，但业务优先级较低，应在保证用户感知的同时提供一定保护。因此链路聚合是较为适用的技术，以实现高带宽下适度的链路传输弹性与冗余。

IPoE协议主要封装专线上网、VoIP及IPTV业务。此类业务中VoIP业务带宽占用很少，IPTV采用多播技术节省带宽且节目数量有限，通过合理设计可满足用户带宽需求，而其服务等级与稳定性要求较高，因此可采用带宽提升不明显，但系统安全性较高的链路保护方式。

4.1 IPoE业务保护应用

IPoE业务的网络设计和应用，主要考虑业务安全性，PON OLT上联口采用主备链路保护方式，业务所经过的上层设备也采用链路保护方式，即通过端到端的全保护方式实现业务安全性要求。典型组网中OLT通过SW（以太网交换机）终结于SR，网络拓扑如图2所示。

图2 IPoE业务保护组网应用

这种组网应用中：SR配置VRRP协议，通过VRRP优先级设置，确定主备用SR。SR间的VRRP通告报文通过SW传递。主备用SR的VRRP端口终结于2层网络，同时发布OLT的网段路由。OLT对应SW的两个上联口配置UAPS组，两端口（组）之间为主备关系。

IPoE业务保护组网应用方案也可简化为OLT直连SR，即取消了图2中SW一层。业务保护方案变更为：SR配置VRRP协议，通过VRRP优先级设置，确定主备用SR，主备SR之间传递心跳消息。主备用SR的VRRP端口终结在2层网络，并发布网段路由。OLT对应2个SR的上联口配置UAPS组，两端口（组）之间为主备关系。

4.2 PPPoE业务保护应用

PPPoE业务，在满足业务带宽前提下提供一定的业务安全性：网络设计中OLT通过链路聚合方式实现带宽提升以及一定的安全冗余，上层网络通过链路（组）保护方式提升带宽及安全性。典型网络如图3所示，OLT通过SW接入BRAS设备。

这种组网应用中，OLT和SW之间多端口采用链路聚合方式；SW与两台BRAS连接的端口配置UAPS保护，两个BRAS之间互为主备关系，并根据一定策略进行切换。

图3 PPPoE业务保护组网方案

PPPoE业务保护组网方案可简化为上层只有一台BRAS（即取消图3中的BRAS2）。OLT和SW之间采用链路聚合方式，SW和BRAS之间也采用链路聚合，即全程链路聚合方式。

4.3 混合业务保护应用

如上所述，不同业务采用不同的保护方式。工程应用中应根据实际业务及流量特性进行调整和优化：若资源充足，链路保护方式的主备链路（组）可采用多条链路聚合方式，在保证安全性的同时提升了业务带宽。

实际应用中PPPoE与IPoE业务往往共存于同一PON网络中，对OLT而言，若IPoE与PPPoE业务通过相同链路（组）上行，则通过VLAN区分业务，并由上层SW实现对不同业务的转发及保护；若IPoE与PPPoE业务分别在不同物理链路（组）上行，则在不同链路（组）上分别实现PPPoE链路聚合以及IPoE链路保护。IPoE+PPPoE业务保护组网如图4所示。这种组网中SR/BRAS配对双归接入CR（核心路由器）；SW1、2配对双归接入SR，用于接入专线/VoIP/ IPTV等IPoE业务，通过UAPS或VRRP实现全路由保护；SW3单归方式接入BRAS，用于接入PPPoE等动态用户，多条物理链路进行链路聚合，实现负荷分担以及一定程度的冗余保护。

4.4 其他保护应用方案

上述几种主流方案外，PON OLT设备还可采用其他的保护方案，主要包括STP保护以及EAPS（以太网自动保护交换）技术，分别介绍如下。

图4 IPoE+PPPoE业务保护组网方案

STP（生成树协议）实现OLT上联口保护，OLT多端口上联到不同的汇聚交换机，STP协议将其中1个端口闭塞以防止形成环路。当主用链路故障时，STP重新收敛并启用备用链路。由于STP协议机制局限，其保护倒换较慢，一般在1 s左右（而链路聚合、UAPS协议倒换时间在50 ms左右），所以工程实践中较少采用。

EAPS技术可实现OLT上联口的环网保护，创建由以太网端口（OLT上联口）构成的保护环。每台OLT的两个端口分别与另两台OLT端口相连接，依此类推构成1个环网。主节点将OLT 1个端口设成阻塞模式，另一端口设成转发模式，并沿环发送业务。故障时主节点解开阻塞模式的端口，并刷新所有节点的转发数据表。这种保护方式可以在50～100 ms内完成倒换。但环形保护与接入网的星（树）型网络结构不相符；且OLT在处理自身流量的同时，还要转发其他OLT的流量，将加重处理负荷，工程应用必须考虑上述特点。

5 结束语

综上所述PON组网设计与业务保护主要在无源光网络的中心节点（OLT）上进行部署，同时依靠对接的上层网络各设备同步实施，即业务性能与安全性必须通过全流程的端到端设计与部署，无法依靠网络中单个节点来实现。同时各种不同保护技术适用于不同的场景设定，对资源占用情况也不尽相同，因此在网络设计和实际部署中需要结合PON设备性能、资源以及承载业务特征综合考虑，才能有效利用网络资源并最大程度的提升业务质量与性能。

Network design and service protection applications of PON uplink interface

YU Chen-dong
(ZTE Corporation, Shanghai 201203, China)

This paper investigate the PON network structure and service traff c characteristic and research the different redundancy protection method to different services of the OLT uplink interface. The common protection technology and network applications have been reported. The normal PON networking protection application and design have been discussed based on different services, including the special redundancy protection applications. With the combination of network and service, we can improve the service quality and ensure the network’s stability.

PON; OLT; network design; link aggregation; service protection

TN913.7

A

1008-5599（2014）05-0020-05

2014-02-24