(成都師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與信息中心,四川 成都 611130)
智慧校園體系構(gòu)架中包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層等層次結(jié)構(gòu)[1].業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的基本共識(shí)是其中的網(wǎng)絡(luò)層必須以高速網(wǎng)絡(luò)為支撐,能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的高速接入、及時(shí)可靠的傳輸各種數(shù)據(jù)[2].這要求其應(yīng)具備完善的數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)與恢復(fù)機(jī)制,同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足學(xué)校一些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需求,比如應(yīng)支持虛擬專(zhuān)用網(wǎng)的能力等.
無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)“可以靈活地以樹(shù)形、環(huán)形或混合型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng),具有帶寬高、傳輸距離遠(yuǎn)、與以太網(wǎng)有很好的兼容性,支持平滑演進(jìn)等特點(diǎn),能快速部署千兆業(yè)務(wù).光配線(xiàn)網(wǎng)沒(méi)有有源器件,建網(wǎng)及運(yùn)維成本低,能簡(jiǎn)化校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程”[3],是能滿(mǎn)足智慧校園網(wǎng)絡(luò)層需求且適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一種技術(shù).PON 的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常采用時(shí)分復(fù)用(TDM)機(jī)制,為了改善可靠性,其中包括自動(dòng)保護(hù)倒換(APS)的光層保護(hù)方案是用于處理光纖和ONU 的故障的.ITU-T G.984.1 建議了TDM-PON 可能的保護(hù)方案①中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“接入網(wǎng)技術(shù)要求—吉比特的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)第1 部分:總體要求”.,主要是加倍光纖和ONU/OLT 設(shè)備.由于要求很多的冗余器件和連到每個(gè)ONU 的備份光纖,這些方案都不是成本最佳的.主流的PON 保護(hù)方案具有集中性,依賴(lài)OLT 檢測(cè)及恢復(fù)配線(xiàn)光纖斷或ONU 設(shè)備故障.在OLT 這種集中處理是漫長(zhǎng)、復(fù)雜的過(guò)程,且每個(gè)ONU 需要作很多改變.
為了支持虛擬專(zhuān)網(wǎng)能力,有人提出了基于環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)[4-6].由此帶來(lái)的問(wèn)題是對(duì)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)和鏈路故障的影響巨大,故設(shè)計(jì)一個(gè)可自愈、基于環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)是非常重要的.該結(jié)構(gòu)主要針對(duì)現(xiàn)在基于樹(shù)狀PON 的某些限制,包括支持專(zhuān)網(wǎng)能力和提供一個(gè)全分布、成本有效的APS 方案,此方案能保護(hù)節(jié)點(diǎn)(ONU)和配線(xiàn)/主干饋線(xiàn)光纖的故障,且能恢復(fù)所有的網(wǎng)絡(luò)流量,包括上行、下行和LAN數(shù)據(jù).此外,APS 方案也能保護(hù)包括配線(xiàn)/主干饋線(xiàn)光纖斷和節(jié)點(diǎn)故障的同時(shí)發(fā)生雙重故障的組合.簡(jiǎn)單自愈環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)的主要特色是在ONU 間支持一個(gè)全分布式的控制平面,一方面用于控制ONU 間的通信,另一方面利用控制平面可實(shí)現(xiàn)一個(gè)全分布式的故障檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制.
圖1 描述了簡(jiǎn)單自愈環(huán)的TDM-PON 結(jié)構(gòu),其中實(shí)線(xiàn)表示正常狀態(tài)的結(jié)構(gòu),而虛線(xiàn)表示冗余的保護(hù)器件.保護(hù)結(jié)構(gòu)除如下描述之外與正常狀態(tài)的結(jié)構(gòu)完全相同:(1)一個(gè)冗余的短配線(xiàn)光纖環(huán)和一個(gè)主干光纖;(2)OLT 處一個(gè)冗余的收發(fā)器對(duì);(3)一個(gè)連到每個(gè)ONU 的APS 模塊.
圖1 簡(jiǎn)單自愈環(huán)的TDM-PON 結(jié)構(gòu)
僅看圖1 中的實(shí)線(xiàn),一個(gè)OLT 經(jīng)10~20 km 主干饋線(xiàn)光纖連到N 個(gè)ONU,一個(gè)3 口光環(huán)形器和一個(gè)短的配線(xiàn)光纖環(huán).為了覆蓋與傳統(tǒng)基于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)覆蓋相同的本地接入域,在干線(xiàn)端點(diǎn)的小環(huán)假設(shè)具有1~2 km 直徑.一組ONU 通過(guò)閉環(huán)內(nèi)的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路來(lái)連接,且鏈路是單向的:下行和上行信號(hào)(組合信號(hào))僅在一個(gè)方向傳輸.
圖2 表示了一個(gè)詳細(xì)的ONU 結(jié)構(gòu).每個(gè)ONU 用一個(gè)n:(1-n)的1×2 無(wú)源星形耦合器來(lái)連到環(huán)(A 點(diǎn)輸入信號(hào)),發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)2×1 CWDM 組合器輸出口進(jìn)環(huán)(E 點(diǎn)輸出信號(hào)).注意的是在每個(gè)ONU,除維持傳統(tǒng)的收發(fā)器外(一個(gè)λup 上行發(fā)送器和一個(gè)λd 下行接收器),這種方式還需要一個(gè)調(diào)諧到λup 額外的接收器.有關(guān)正常狀態(tài)的工作細(xì)節(jié),參考文獻(xiàn)[4].
圖2 ONU 的結(jié)構(gòu)
APS 模塊是自愈機(jī)制的基本構(gòu)建塊,它執(zhí)行故障檢測(cè)和自動(dòng)倒換處理,APS 模塊連到工作和保護(hù)的輸入(I 點(diǎn))及工作和保護(hù)的輸出(O點(diǎn))光纖,如圖2 所示.每個(gè)APS 模塊安裝一個(gè)商用低成本4×4 雙向光交換(OS),它能從任一個(gè)輸入口交換到任一個(gè)輸出口.它也包括兩個(gè)檢測(cè)電路,每個(gè)電路由一個(gè)1×2 CWDM 濾波器,兩個(gè)PIN 檢測(cè)器和一個(gè)配置OS 的控制電路組成.第一個(gè)檢測(cè)電路用于檢測(cè)經(jīng)分接很少部分(約1%)輸入組合信號(hào)的輸入上行和下行信號(hào),第二個(gè)檢測(cè)電路用于檢測(cè)經(jīng)分接很少部分(約1%)輸出組合信號(hào)的輸出上行和下行信號(hào).從圖1 可以看到,在正常工作模式中,組合信號(hào)(下行和上行信號(hào))分別經(jīng)口2-5,8-3 在輸入和輸出工作光纖(working fibers)上傳送.
通常我們將故障情況分為三類(lèi),即主干鏈路故障、一般配線(xiàn)鏈路故障和一般節(jié)點(diǎn)(ONU)故障.在這里,一般配線(xiàn)鏈路定義為連接兩個(gè)相鄰ONU 的配線(xiàn)光纖段.所有連接相鄰ONU 鏈路除如下兩種情況外是一般配線(xiàn)鏈路,它們需要不同的檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制:(1)連接第一個(gè)ONU(ONU1)和環(huán)行器的配線(xiàn)光纖段,這個(gè)鏈路稱(chēng)為第一鏈路;(2)連接最后一個(gè)ONU(ONUN)和環(huán)行器的配線(xiàn)光纖段,這個(gè)鏈路稱(chēng)為最后鏈路.在這里,一般節(jié)點(diǎn)定義為環(huán)上的任一節(jié)點(diǎn).所有沿環(huán)分布的節(jié)點(diǎn)除最后一個(gè)ONU 外都是一般節(jié)點(diǎn),它們僅需要不同的發(fā)現(xiàn)機(jī)制.主干連接處的全部鏈路和節(jié)點(diǎn)包括主干、第一和最后鏈路、第一個(gè)和最后一個(gè)ONU.
在一般鏈路的故障情況中,受影響節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)控制電路(ONU 的檢測(cè)和管理故障)配置OS,以至于輸入信號(hào)經(jīng)受影響ONU 的OS 口1-5,從輸入工作光纖倒換至保護(hù)光纖.在一般節(jié)點(diǎn)故障情況中,輸入信號(hào)完全旁路故障節(jié)點(diǎn)并傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn).這通過(guò)經(jīng)口2-6-7-4,將輸入信號(hào)直接交換到故障節(jié)點(diǎn)的輸出保護(hù)光纖來(lái)實(shí)現(xiàn).
我們以EPON 為例來(lái)說(shuō)明.所提的分布式方案利用一個(gè)TDMA 仲裁方式和OLT 執(zhí)行仲裁處理.假設(shè)是一個(gè)基于周期的上行鏈路,周期的大小或者固定,或者限制在某些下和上邊界間的可變長(zhǎng)度,以適應(yīng)動(dòng)態(tài)上行流量的狀態(tài).在一給定周期的期間,每個(gè)ONU 發(fā)送它的控制(REPORT)消息(在它的分配時(shí)隙中),沿環(huán)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn),在沿環(huán)一周后,最后由源ONU 將其去除.由于REPORT 消息在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理和再發(fā)送,ONU 彼此能直接通信它們的狀態(tài),交換信令和控制消息信息.
在正常工作狀態(tài)下,REPORT 消息典型地包含根據(jù)當(dāng)前ONU 的緩存占用率,要求下一個(gè)時(shí)隙的尺寸.在節(jié)點(diǎn)或者鏈路故障的事件中,REPORT 消息典型地包含到OLT 和涉及恢復(fù)處理的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)特定的指令.
由于上行信號(hào)總是出現(xiàn)在環(huán)和主干上(周期的控制消息總是傳輸,與是否存在LAN/WAN數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)),一般的故障檢測(cè)情況(一般配線(xiàn)鏈路和節(jié)點(diǎn)故障)將主要僅檢測(cè)上行信號(hào)的有無(wú).于是,全部ONU 連續(xù)地監(jiān)視輸入和輸出光纖中上行信號(hào)的狀態(tài).如果給定一個(gè)ONUN的第一個(gè)控制電路檢測(cè)出在輸入工作光纖上無(wú)上行信號(hào),一個(gè)一般配線(xiàn)鏈路假設(shè)是互連ONUN-1和ONUN的故障.另一方面,如果給定一個(gè)ONUN的第一個(gè)控制電路檢測(cè)出在輸入工作光纖上有上行信號(hào),而第二個(gè)控制電路檢測(cè)出在它的輸出工作光纖上無(wú)相同的信號(hào)(經(jīng)處理后,由ONUN再生和再發(fā)送),一個(gè)節(jié)點(diǎn)(ONUN)故障確定.所以一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障由同一節(jié)點(diǎn)經(jīng)連到該節(jié)點(diǎn)的APS 模塊上安裝的兩個(gè)控制電路檢出.然而,管理故障委托給下一個(gè)環(huán)上節(jié)點(diǎn)(ONUN+1).除最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要不同的機(jī)制外,環(huán)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制是相同的.另一方面,連接OLT,ONU1和ONUN的三種特殊鏈路(干線(xiàn)光纖鏈路、第一和最后配線(xiàn)光纖鏈路)需要各自不同的故障檢測(cè)機(jī)制.如表1 所示,第一個(gè)ONU檢測(cè)和管理全部三類(lèi)故障情況,每一類(lèi)需要監(jiān)視下行和上行信號(hào).于是,僅ONU1需要監(jiān)視下行和上行信號(hào).
表1 ONU1 故障檢測(cè)
恢復(fù)處理經(jīng)三個(gè)共同運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的參與來(lái)實(shí)現(xiàn),包括受影響節(jié)點(diǎn)(ONUN),OLT 和或者ONUN-1(一個(gè)鏈路故障情況)或者ONUN+1(一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障情況).
成功完成一給定的一般鏈路恢復(fù)處理包含如下步驟:
(1)一旦受影響節(jié)點(diǎn)(例如ONUN)檢測(cè)一給定的光纖斷,為避免假的故障檢測(cè),它等待一預(yù)定的暫停時(shí)間;
(2)然后,ONUN同時(shí)執(zhí)行如下三個(gè)功能:i)停止上行(LAN/MAN)流量的傳輸;ii)倒換到輸入保護(hù)光纖;iii)用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò)(floods network),它包括到ONUN-1(倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護(hù)光纖)和OLT(停止下行傳輸)兩者特定的指令;
(3)ONUN保持用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò),等待它的故障幀經(jīng)ONUN-1的輸出保護(hù)光纖返回到它;
(4)環(huán)上的每個(gè)ONU 接收故障消息后,停止所有上行流量傳輸,類(lèi)似OLT 停止下行流量傳輸;
(5)一旦ONUN接收到返回它的故障幀(假設(shè)ONUN-1己經(jīng)倒換到輸出保護(hù)光纖),它開(kāi)始用第二個(gè)請(qǐng)求下行同步幀的消息泛洪OLT;
(6)一旦OLT 接收到從ONUN來(lái)的同步請(qǐng)求,它重新開(kāi)始下行傳輸;
(7)一旦ONUN接收到OLT 來(lái)的同步幀,它通過(guò)發(fā)送它的正常REPPORT 控制消息到其它所有的ONU 來(lái)開(kāi)始一個(gè)新的周期,到此恢復(fù)處理己經(jīng)完成;然后,所有的ONU 順序地發(fā)送它們的REPORT,一旦所有的REPORT 交換后,開(kāi)始新周期的DBA 計(jì)算,能計(jì)算新的授權(quán)及重新開(kāi)始正常工作.
一給定的一般節(jié)點(diǎn)故障的恢復(fù)處理包含如下步驟:
(1)一旦連到一給定節(jié)點(diǎn)(例如ONUN)的APS 模塊檢測(cè)出它的故障,然后它配置OS 到旁路模式,直接地將輸入信號(hào)經(jīng)口2-6-7-4 交換到輸出保護(hù)光纖.由于故障,ONUN不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)到它相鄰的節(jié)點(diǎn)(ONUN+1)或廣播故障指示告警消息.
(2)當(dāng)ONUN的APS 模塊開(kāi)始交換處理時(shí),ONUN+1在它的輸入工作光纖上,將檢測(cè)不到上行信號(hào),并錯(cuò)誤確定為它和ONUN間的配線(xiàn)光纖斷.
(3)然后,ONUN+1開(kāi)始一般鏈路的恢復(fù)處理(上面3.1 列出的7 個(gè)步驟).
(4)再后,ONUN+1開(kāi)始同時(shí)執(zhí)行如下三個(gè)功能:i)停止上行流量的傳輸;ii)倒換到輸入保護(hù)光纖;iii)用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò)(floods network),它包括到ONUN-1(倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護(hù)光纖)和OLT(停止下行傳輸)兩者特定的指令.
(5)ONUN+1保持用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò),等待它的故障幀經(jīng)ONUN的輸出保護(hù)光纖返回到它.
(6)ONUN不能接收或處理ONUN+1的請(qǐng)求消息.然而,ONUN的控制電路己再配置OS 成旁路模式(交換到輸出保護(hù)光纖),即ONUN的APS 模塊間接地實(shí)現(xiàn)消息.
(7)一旦ONUN+1倒換到輸入保護(hù)光纖,ONUN倒換到輸出保護(hù)光纖(即ONUN被旁路),ONUN+1接收到返回它的故障消息(假設(shè)現(xiàn)在ONUN+1的故障已恢復(fù)).
(8)ONUN+1繼續(xù)3.1 列出的步驟5-6-7.現(xiàn)在確認(rèn)ONUN故障恢復(fù)(旁路).換句話(huà)說(shuō),當(dāng)ONUN故障時(shí),ONUN+1從事恢復(fù)處理的管理.
值得注意的是OLT 在一般鏈路和節(jié)點(diǎn)故障的檢測(cè)和恢復(fù)處理中所承擔(dān)的角色只限于:(a)接收和處理故障指示請(qǐng)求幀,以停止下行傳輸;(b)再開(kāi)始同步幀.
三個(gè)特殊鏈路(主干光纖鏈路、第一和最后配線(xiàn)光纖鏈路)中每一個(gè)的恢復(fù)機(jī)制幾乎是相同的,在每種情況需要連接的三個(gè)節(jié)點(diǎn)(OLT,ONU1,ONUN)共同參與,所有涉及的每一方必須倒換到保護(hù)光纖.要注意的是除OLT 現(xiàn)在的角色已擴(kuò)展到包含除倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Wo(hù)光纖外,一個(gè)一般鏈路故障恢復(fù)的七個(gè)步驟也應(yīng)用于每種情況.這意味著現(xiàn)在由ONU1泛洪的故障指示告警消息必須包括一個(gè)到OLT 附加的指令,倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Wo(hù)光纖.
然而,在第一鏈路故障情況中,ONU1僅能與OLT 通信,但是在其它兩種情況(主干和最后鏈路故障)中,完全不能與OLT 通信.于是,在后兩種情況,必須有另一種機(jī)制指令OLT 停止下行傳輸和倒換它的傳輸?shù)奖Wo(hù)光纖.要注意的是第一鏈路斷不會(huì)停止到OLT 的上行信號(hào)流,但是在后兩種情況的鏈路斷會(huì)停止到OLT 的上行信號(hào)流.總之,有三種特殊故障情況會(huì)停止到OLT 的上行信號(hào)流,也就是最后鏈路故障,主干故障和最后一個(gè)ONU 故障.在所有這些情況中,OLT 能獨(dú)立地檢測(cè)無(wú)上行信號(hào),自動(dòng)停止下行傳輸和倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Wo(hù)光纖.于是,OLT 必須依賴(lài)ONU1的請(qǐng)求倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Wo(hù)光纖的特殊情況僅是第一鏈路故障.
第一鏈路故障:
(1)ONU1APS 模塊的控制電路檢測(cè)出無(wú)下行和上行信號(hào),于是識(shí)別為第一鏈路故障(見(jiàn)表1);
(2)然后,ONU1同時(shí)執(zhí)行如下三個(gè)功能:i)停止上行流量的傳輸;ii)倒換到輸入保護(hù)光纖;iii)用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò),它包括到ONUN(倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護(hù)光纖)和OLT(停止下行傳輸和倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Wo(hù)光纖)特定的指令.
(3)一旦所有涉及的每一方(OLT,ONU1,ONUN)倒換到保護(hù)光纖,與OLT 的上行和下行信號(hào)通道恢復(fù).對(duì)其它兩個(gè)特殊鏈路(主干和最后鏈路)故障的每個(gè)恢復(fù)處理,除步驟(2)iii)ONU1單獨(dú)發(fā)送請(qǐng)求到ONUN外,與第一鏈路故障相同.目前還缺少到OLT 擴(kuò)展指令的實(shí)現(xiàn),應(yīng)是由OLT 自動(dòng)地完成.
最后一個(gè)ONU(ONUN)故障:
這個(gè)節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)處理等同一個(gè)特殊鏈路故障.這是因?yàn)?,如一個(gè)一般節(jié)點(diǎn)故障情況,ONUN故障由ONU1參與恢復(fù)處理的管理.當(dāng)ONUN故障時(shí),ONU1檢測(cè)出無(wú)上行信號(hào)及有下行信號(hào),于是設(shè)定故障是一個(gè)最后鏈路故障(見(jiàn)表1).然后,ONU1用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò),它包括僅到ONUN的特殊指令(倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護(hù)光纖).OLT 檢測(cè)出無(wú)上行信號(hào),自動(dòng)停止下行傳輸并倒換它的傳輸?shù)奖Wo(hù)光纖.雖然由于本身的故障,ONUN不能接收和處理這個(gè)消息,然而如上述,ONUN的APS 模塊間接地實(shí)現(xiàn)該消息.這是因?yàn)楫?dāng)ONUN的APS 模塊檢測(cè)出它的故障,再配置OS 至它的旁路模式,將輸入信號(hào)直接交換到輸出保護(hù)光纖.
針對(duì)當(dāng)前基于樹(shù)狀的PON 結(jié)構(gòu)的某些限制和不足,如受限的光功率預(yù)算,支持專(zhuān)用虛擬網(wǎng)能力、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力不足等,借鑒已大量在MAN/WAN 應(yīng)用的SDH、OTN 等光環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì),提出了改善傳統(tǒng)PON 性能的創(chuàng)新思路——基于環(huán)的TDM-PON.然而,由于是環(huán)結(jié)構(gòu),環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)和鏈路故障的影響是巨大的,設(shè)計(jì)一個(gè)可自愈的基于環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)是非常重要的,也是實(shí)際為智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所用的關(guān)鍵.
為此,設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單自愈環(huán)的TDM-PON結(jié)構(gòu),其主要思路是在環(huán)中ONU 之間構(gòu)建一個(gè)全分布式的控制結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)既用于控制ONU之間的通信,也用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)全分布式的故障檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制.在該方案中,ONU 交換信令和控制信息,包括節(jié)點(diǎn)和配線(xiàn)/主干饋線(xiàn)光纖的狀態(tài),它們的隊(duì)列狀態(tài)和傳輸要求.提出的APS 方案能保護(hù)節(jié)點(diǎn)(ONU)和配線(xiàn)/主干饋線(xiàn)光纖的故障,能恢復(fù)所有的網(wǎng)絡(luò)流量,包括上行、下行和LAN 數(shù)據(jù).恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于當(dāng)前的集中式PON 的恢復(fù)時(shí)間,為當(dāng)前PON 不理想的保護(hù)方案提供了新的解決思路,將有可能成為智慧校園網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)路線(xiàn)的候選方案.