面向10G GPON ONT的应用接口设计与实现

【前言】面向10G GPON ONT的应用接口设计与实现由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2　10G GPON技术 2.110G GPON的体系结构 图1是10G GPON的体系结构，仍然延续了GPON的典型拓扑结构，由支持10G速率OLT、ONT和ODN(光分配网络)组成。OLT一般位于中心机房，向上提供广域网接口，向下对PON可提供10Gb／s的光接口。图1中10G GPON OLT由4个2.5Gb／s的信道组...

摘要　文章介绍了10g gpon标准的体系结构，并比较分析其技术优势，然后提出一种在10G GPON系统ont端通过FPGA来进行10G以太网数据收发的方法，并给出基于FPGA实现的硬件连接方法、软件驱动程序和OMCI通道建立的过程，为未来10G GPON ONT的设计提供参考。

关键词　GPON　10G GPON OMCI OMCC

1　引言

当前GPON的2.5G下行、1.25G上行带宽可以满足运营商现阶段语音、数据、视频业务三重播放的要求，而10G GPON(10吉比特无源光网络)技术可提供更高的接入带宽，可应用在更高密度、更高分光比的场景。2010年6月通过的10G GPON主体标准，定义了上行2.5Gb／s、下行10Gb／s的非对称系统，而现阶段国家政策不断助推“三网融合”，也为多业务融合创造了外部大环境，促进了带宽需求的提升以及宽带网络的持续演进和升级。因此，发展下一代GPON接入网技术是必然的趋势。

延续GPON的优势，10G GPON将继续关注运营商的全业务支持和管理要求。本文研究了1OG GPON的技术优势，针对非对称系统，提出一种基于FPGA在ONT端的实现10G GPON的方案，为未来10G GPON ONT(光网络终端)的设计提供参考。

2　10G GPON技术

2.110G GPON的体系结构

图1是10G GPON的体系结构，仍然延续了GPON的典型拓扑结构，由支持10G速率OLT、ONT和ODN(光分配网络)组成。OLT一般位于中心机房，向上提供广域网接口，向下对PON可提供10Gb／s的光接口。图1中10G GPON OLT由4个2.5Gb／s的信道组成，实现了10Gb／s的带宽，同时可以兼顾与GPON的无缝兼容，与GPON共享一个ODN。ONT放在用户侧，为用户提供光接口速率有10Gb／s。

2.210G GPON技术优势

作为下一代GPON技术，10G GPON具有如下主要优势：

(1)10G GPON系统兼容现有的G／EPON系统。10G GPON沿袭了与GPON完全相同的网络拓扑，10G-GPON的ODN系统完全可以利用现有G／EPON已投放的光纤、分路器和接插件等，而仅替换ONT，大大降低了技术升级的成本。同时，在OLT侧增加支持10G的接口板，可最大限度地发挥ODN设备商业价值，具有成本优势。

(2)10G GPON提供了良好的互通性。OMCI协议处于ITU-T TDM PON协议栈的最高层，受具体底层技术变化的影响最小，可继承性最强。从管理项及其配置方式来看，10G GPON与GPON没有区别，从而使得10GGPON天生就具备了承自GPON的成熟互通性。

(3)10G GPON具有超强的带宽能力，是GPON的4倍和EPON的10倍以上，这使得光纤接入系统能更好地满足未来发展需求。

(4)10G GPON可实现1：512的大分光比下20公里的长距传输，在不改变用户带宽的情况下，可通过增大分光比接入更多的用户。这极大地提高了用户的覆盖率，实现了成本最大化，为运营商带来更多的收益。

(5)10G GPON具有QoS保证的全业务运营能力支持的优势。运营商的三网融合除了数据业务，还包含大量的语音和视频业务，对服务质量保证要求比较高。

(6)相比于GPON，10G GPON的TC(传输汇聚层)技术不断改进，在安全性和节能方面都有明显扩充和提高，符合倡导绿色节能技术的未来趋势，并且提升了用户体验。

3　10G GPON ONT应用程序解决方案

3.1总体设计方案

10G GPON ONT作为一种下挂业务终端设备，通过XAUI接口与MDU的背板相连，实现与背板间的通讯带宽达到10G的带宽。设计中采用武汉电信器件有限公司(WTD)生产的XG-PON1光模块，作为10G GPON的网络接口接入ODN网络，通过支持10G速率的FPGA，实现上行2.5G、下行10G的传输带宽。所以，应用软件的总体设计主要包括驱动FPGA和打通OMCI通道的程序设计，使OLT和FPGA之间能够通讯。FPGA的驱动程序为应用层业务模块的实现提供了基础，因此成为应用程序和硬件的通信纽带。而OMCI通道主要是为了与10GGPON OLT实现通讯，使OLT可以通过模型化方式对ONT进行管理和配置。

3.2硬件连接方法

系统选用Altera公司Stratix IV系列的FPGA，提供一系列硬件成熟的万兆MAC内核，内置支持XG MII、XAUI。如图2所示，BCM6818和FPGA之间通过Localbus直接相连，CPU与FPGA通过GMII接口相连，构成OMCI通道。背板和FPGA之间通过XAUI口连接，实现了10G以太网数据的传输。XAUI拥有通过4条串行通道，XAUI接口所支持的数据吞吐量是千兆以太网的10倍。

3.3驱动程序的实现

设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，它为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。在linux系统中，驱动程序完成对字符设备的操作，能够配置设备寄存器。

(1)设备驱动程序的结构及运行流程

如图3所示的用户空间，在通过insmod命令加载设备驱动程序时，设备驱动将通过使用动态模块加载的方式并指向设备初始化函数fpga_drv_init()，在初始化函数中使用register_chrdev_region()进行字符型设备的注册，并可以通过静态方法来申请注册到系统中的设备号。随后调用cdev_init()完成对设备树的初始化，并使用kmalloc()开辟1K的内存空间，作为对寄存器数据读取的缓冲区，最后再调用cdev_add()把FPGA加到系统设备树上面去。

通过rmmod命令对设备驱动进行卸载时，在卸载函数fpga_drv_exit()中，将使用kfree释放由设备所占的缓冲区，随后调用cdev_del()在设备树上删除该设备节点，另外卸载函数fpga_drv_exit()中还将使用unregister_chrdev_region()对字符型设备进行注销。

(2)设备驱动用户应用层接口分析

在注册字符型设备时，设备驱动中初始化了一个struct file_operations文件操作结构体变量，用于连接字符设备驱动程序和用户应用程序，在该结构中定义了一组函数指针。系统就是通过这组函数指针对FPGA进行具体操作的，系统首先通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，找到相关的功能函数，接着把控制权交给该函 数，从而就在上层屏蔽了设备驱动的具体实现细节，提供给用户一个方便快捷的接口。该结构中的fpga_drv_open()，对应于用户应用层的open()接口函数，其通过mknod创建的设备节点对设备文件进行打开操作。而对应用户层close()接口函数的fpga_drv_close()，则负责设备文件的释放操作。file_operations中的fpga_drv_ioctl()则主要是为用户提供一些控制该FPGA的命令，比如中断操作等，fgpa_drv_llseek()主要是为设备提供偏移地址offset。对一块具体设备进行读写操作是编写驱动要达到的目的，file_operations结构体中所指向的读写函数fpga_drv_read()，fpga_drv_write()完成了对FPGA的读出和写入操作。这样驱动程序就作为纽带连接了设备驱动和总线驱动，并完成了两者之间的通信，其运行流程如图3的内核空间所示。

3.4OMCI通道

(1)QMCI介绍

OMCI是ITU-T TDM PON系统中设备和业务的管理和配置协议，是一种带外管理协议(即协议报文承载在有别于普通数据的特定GEM连接中)，经由专门的OMCI通道(OMCC)。OLT通过模型化方式对ONU进行管理和配置。OMCI的管理配置内容包括对ONu设备的版本控制、配置管理、故障管理、性能管理和安全管理。因此，OMCC的设计对10G GPON ONT的实现至关重要。

(2)OMCI通道的设计与实现

OMCC用于管理XGTC之上的业务层。在XGTC层中提供一条基于XGEM的传送通道用于传递管理信息，实现OMCI消息的收发。在基于linux的系统内，采用了socket收发机制来实现这一功能。如图4所示，首先OMCI消息从FPGA通过GMII接口上来，然后通过BCM6818芯片的转发模块CMF，设定源端口和目的端口的规则，所有符合条件的报文将被过滤到CPUBCM6818去处理。从CPU发送回FPGA的OMCI消息也使用同一通道进行传输。封装的OMCI报文如图5所示，填充长度为33个字节，以太类型为0x8887，标识符OUI(Organizationally Unique Identifier)为0x0019A7和子类型为0x0002，其中OMCI净荷长度为48byte。

在设计中，OMCI通道主要完成从FPGA出来的OMCI消息头部的剥离，和对从CPU出来的OMCI消息添加对调了源MAC和目的MAC的头部，从而能够被OMCI管理进程识别，进一步分发处理。该过程完成了对OMCI消息发送和接收的解码和编码(如图4所示)，并最终发送回OLT处理。

4　测试与分析

4.1FPGA驱动测试

为了测试FPGA是否能够被驱动起来，我们设计通过应用层的系统调用读写FPGA里面寄存器的内容。在ONT的命令行中，用kill方式向业务进程来发送信号。如果在业务进程里面能够收到并匹配对应的信号值，则fork出子进程来处理调试工作。在子进程中使用open、read、write等系统调用，对设备文件执行打开、读写、关闭等操作，然后调用应用层的print函数把数值打印出来。同时，查找FPGA寄存器手册找到对应的偏移地址，在CFE(即bootloader)中读取对应的寄存器，对比得到的数值，如相同，则验证了FPGA驱动能够正常读写设备文件。

4.2OMCC测试

对于OMCC的测试，通过TestCenter根据OMCI的格式组报文(见图5)，模拟报文从OLT经过CMF到CPU，然后从CPU发送出来到FPGA，最后发送回OLT的整个过程。在发流口发送的报文，如图6所示，随后也能在发流口抓到从CPU返回的OMCI报文，如图7所示，比较两种报文发现，除了源MAC和目的MAC对换，报文其他格式相同。这个过程证明了OMCC能够实现OMCI报文的收发，为管理面和数据通道的实现做好了铺垫。

5　结束语

作为下一代PON技术，10G GPON既能满足不断出现的高带宽网络多媒体应用业务的需求，又能以较少的成本实现10Gb／s带宽的接入，是对现有PON技术的一种补充，是下一代接入网技术的发展趋势。从现在的GPON到10G GPON是一个平滑演进的过程，以其独特的经济高效方式满足了10Gb／s传输、向后兼容和接入带宽扩展等需求。本文提出的基于FPGA对10G GPON的支持，提出了一种新的上下行非对称10G GPON ONT的实现方案，在大规模流片出来之前，相信可为10G GPON终端设备的研发提供一定的参考价值。