陶靜，沈文，陳磊，鄧輝（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 江蘇 南京210003）

基于雙PON口的光網(wǎng)絡(luò)單元業(yè)務(wù)隔離設(shè)計

陶靜，沈文，陳磊，鄧輝
（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 江蘇 南京210003）

在電力系統(tǒng)接入網(wǎng)中，同一網(wǎng)絡(luò)中承載多種業(yè)務(wù)時存在多種業(yè)務(wù)之間的隔離問題。文中探討并提出了PON技術(shù)架構(gòu)中光網(wǎng)絡(luò)單元的幾種業(yè)務(wù)隔離方案，在綜合分析優(yōu)劣勢及應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上，采用基于空分和交換存儲資源隔離的技術(shù)設(shè)計出基于雙PON口的業(yè)務(wù)隔離方案，滿足了電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載高可靠性、可擴(kuò)展性的要求。

光網(wǎng)絡(luò)單元；隔離技術(shù)；業(yè)務(wù)隔離；雙PON口

電力系統(tǒng)接入網(wǎng)的多業(yè)務(wù)承載在業(yè)務(wù)需求和實現(xiàn)技術(shù)方面與公網(wǎng)有很大不同，這是因為：1）電力系統(tǒng)的特殊性使得其在通信安全性、可靠性方面提出了工業(yè)級要求；2）電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)終端可能同時存在多種接入方式，即業(yè)務(wù)可能會在多種通信方式之間進(jìn)行智能選擇或者進(jìn)行多種通信方式的協(xié)調(diào)通信。3）電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型很多，不但包括企業(yè)和生產(chǎn)信息化業(yè)務(wù)，還包括對實時性、可靠性要求嚴(yán)格的控制業(yè)務(wù)。鑒于這些特點(diǎn)需要專門針對電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀研究接入網(wǎng)多業(yè)務(wù)承載技術(shù)。

隨著分組化光纖傳輸接入技術(shù)的進(jìn)步和成熟，今后智能電網(wǎng)和控制業(yè)務(wù)的發(fā)展方向是逐步過渡到采用分組化光纖多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一承載，其它通信方式作為光纖方式的有效補(bǔ)充。而分組光纖接入技術(shù)發(fā)展的主流方向是無源光網(wǎng)絡(luò) （Passive Optical Network，PON）技術(shù)。

在PON技術(shù)架構(gòu)下進(jìn)行多業(yè)務(wù)承載時，如何在承載多業(yè)務(wù)時進(jìn)行隔離傳輸以滿足電力系統(tǒng)接入網(wǎng)的高可靠、高實時的要求成了重要問題。

1 光網(wǎng)絡(luò)單元的業(yè)務(wù)隔離要求

1.1 光網(wǎng)絡(luò)單元簡介

PON是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖傳輸和接入技術(shù)，連接用戶和核心網(wǎng)采用了單纖雙向的方式。PON由3部分組成：光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）以及光分配網(wǎng)絡(luò) （Optical Distribution Network，ODN）。其中OLT和ONU分別部署在局端和終端，ODN則是兩者間的傳輸通道，如圖1所示。

其中ONU作為用戶側(cè)設(shè)備，下行時需要接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)，當(dāng)OLT發(fā)出測距及功率控制命令時，需做出響應(yīng)和相應(yīng)的調(diào)整；上行時接入用戶，緩存用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并在OLT分配的時隙內(nèi)向上行方向發(fā)送。從上圖可以看出與接入網(wǎng)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接相連的是ONU，同時ONU也是PON系統(tǒng)中使用數(shù)量最多的設(shè)備。

圖1PON的組成

1.2 承載業(yè)務(wù)及隔離要求

電力系統(tǒng)接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)類型很多，不但包括企業(yè)和生產(chǎn)信息化業(yè)務(wù)，還包括對實時性、可靠性要求嚴(yán)格的控制業(yè)務(wù)。具體包含：調(diào)度自動化系統(tǒng)、調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)（反事故演習(xí)）、電能量計量系統(tǒng)、廣域相量測量系統(tǒng)、水調(diào)自動化系統(tǒng)、保護(hù)及故障錄波信息管理系統(tǒng)、電力市場運(yùn)營系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、通信網(wǎng)管系統(tǒng)、通信專業(yè)及運(yùn)行管理信息化系統(tǒng)業(yè)務(wù)等。根據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》，各安全區(qū)、大區(qū)間需遵循不同的安全隔離標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，對同一安全大區(qū)業(yè)務(wù)需進(jìn)行邏輯隔離，不同安全大區(qū)業(yè)務(wù)需實現(xiàn)物理隔離。

2 業(yè)務(wù)隔離技術(shù)研究

2.1 安全隔離技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全隔離主要分為兩類：物理隔離和邏輯隔離。

物理隔離從物理上將網(wǎng)絡(luò)完全隔離開來，也就是采用兩套網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)，或者使用不同硬件存儲。采用這種隔離技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)之間無法通過網(wǎng)絡(luò)、電磁輻射等進(jìn)行連接。物理隔離的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，但容易存在信息孤島，初期投入成本高，維護(hù)費(fèi)用低。

邏輯隔離區(qū)別于物理隔離之處在于網(wǎng)絡(luò)之間仍存在物理連接，但通過安全協(xié)議或者邏輯隔離器來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的隔離。采用這種隔離技術(shù)時需要根據(jù)實際情況定制通信協(xié)議。邏輯隔離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低、易修改、易升級維護(hù)，缺點(diǎn)是可靠性比物理隔離低，技術(shù)風(fēng)險大。

這兩種技術(shù)是設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行隔離設(shè)計的核心思想，各種設(shè)計方案都由其衍生而來?？梢栽诓煌瑘鼍跋蚂`活運(yùn)用。

2.2 ONU的業(yè)務(wù)隔離設(shè)計方案

文中通過研究PON技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)、ONU使用場景及隔離技術(shù)，提出了以下幾種隔離方案：空分方案、時分方案、交換與存儲資源隔離方案。下面簡單介紹下這幾種隔離方案：

空分方案也就是完全物理隔離，不同業(yè)務(wù)使用獨(dú)立的ONU，連接到獨(dú)立的PON系統(tǒng)中。在這種方案下ONU無需做額外的設(shè)計。在實施時，可能需要在客戶端安裝一個以上ONU以連接不同業(yè)務(wù)。這種隔離方案技術(shù)簡單且成熟，能達(dá)到最佳的隔離程度，但實施成本較高，后期維護(hù)和升級的成本也高。

時分方案：使用一個ONU連接到同一PON系統(tǒng)，將傳輸通道通過協(xié)議劃分為不同的時隙，不同業(yè)務(wù)在不同的時隙接入到ONU中，這樣可以避免發(fā)生碰撞。這種方案實施成本比空分方案低，但業(yè)務(wù)隔離度一般，且技術(shù)有一定的復(fù)雜度。

交換與存儲資源隔離方案：這種方案與空分方案類似，但只需要使用一個ONU，不同業(yè)務(wù)共享端口和PON口，只是將最關(guān)鍵的交換和存儲單元實現(xiàn)物理隔離，使用同一管理和維護(hù)機(jī)制。這種方案在保證了一定的隔離度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了實施成本，但技術(shù)復(fù)雜度增大了。

這幾種方案各有優(yōu)劣勢，對比分析如表1所示。

表1 業(yè)務(wù)隔離方案對比

經(jīng)過綜合分析，最后我們同時結(jié)合了空分方案、交換和存儲資源隔離方案，設(shè)計出基于雙PON口的光網(wǎng)絡(luò)單元業(yè)務(wù)隔離方案。在該方案中，不同業(yè)務(wù)除了使用不同交換和存儲資源外，還使用了不同的端口和PON口。

3 基于雙PON口的業(yè)務(wù)隔離設(shè)計實現(xiàn)

上文中描述了設(shè)計方案，本章將介紹在ONU中具體如何實現(xiàn)該隔離方案。如圖2所示：ONIU采用了兩個分別與不同業(yè)務(wù)相連接的端口、兩個PON芯片、兩個光模塊、兩個交換芯片和一個CPU。

圖2 基于雙PON口的業(yè)務(wù)隔離設(shè)計

在這種方案中不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)端口劃分分別與對應(yīng)端口的以太網(wǎng)口RJ45或串口RS232連接，端口中的串口RS232與收發(fā)芯片相連，由其完成串口信號和以太網(wǎng)幀信號的相互轉(zhuǎn)換。

交換芯片通過FE口與對應(yīng)的端口的GMII口相連。上行方向，交換芯片接收業(yè)務(wù)端口傳輸?shù)谋忍亓?，首先對比特流進(jìn)行4B/5B糾錯，接著控制器將數(shù)據(jù)流依次傳送到MAC發(fā)送器，按照隊列插入前導(dǎo)碼，在需要時打上用戶標(biāo)簽。交換芯片將GE口設(shè)置為PHY模式，與對應(yīng)的PON芯片進(jìn)行MAC-MAC對接，并將數(shù)據(jù)傳送給PON芯片。下行方向，交換芯片首先緩存PON芯片傳輸過來的MAC幀格式的數(shù)據(jù)流，處理器對業(yè)務(wù)進(jìn)行分類分類后完成目的MAC的查找、學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)。

PON芯片與光模塊和交換芯片相連，完成MAC幀數(shù)據(jù)和比特流的轉(zhuǎn)換。上行方向，PON芯片的UNI接收交換芯片發(fā)送的MAC數(shù)據(jù)幀，由分包器進(jìn)行分包，然后根據(jù)C-Tag優(yōu)先級進(jìn)行數(shù)據(jù)幀速率限制。在需要時還必須添加VLAN-Tag、加上LLID后轉(zhuǎn)成比特流傳輸給對應(yīng)光模塊。下行方向，PON芯片接收光模塊傳輸?shù)谋忍亓?，并將其變換成MAC幀數(shù)據(jù)，PON芯片對經(jīng)過LLID過濾后的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解密、分包、限速、需要時VLAN外層Tag處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給交換芯片。

光模塊通過光纖接入到ODN中，最終與OLT相連。上行方向，光模塊將從PON芯片接收到的比特流轉(zhuǎn)換為光信號，在指定時隙內(nèi)傳輸?shù)焦饫w中。下行方向，光模塊持續(xù)接收OLT下發(fā)的光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給PON芯片。

CPU與交換芯片的管理端口進(jìn)行MDC/MDCIO通信，CPU讀取交換芯片寄存器信息后，執(zhí)行OAM消息的實時狀態(tài)監(jiān)控和處理，CPU還對交換芯片進(jìn)行配置和控制。

4 結(jié)束語

文中提出的基于雙PON口的光網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)計，采用雙端口和雙PON口連接業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和ODN，根據(jù)不同等級的業(yè)務(wù)隔離要求以及應(yīng)用場景實際情況，可接入統(tǒng)一或者不同ODN以支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌邆潇`活性。該方案在ONU內(nèi)部采用獨(dú)立的交換、存儲模塊，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的物理隔離。與此同時，不同業(yè)務(wù)使用同一CPU進(jìn)行管理和配置，提升了系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)約了設(shè)備成本。該設(shè)計方案滿足了電力系統(tǒng)高可靠性要求，且其靈活性使其運(yùn)用在更多場合，最終節(jié)省了系統(tǒng)成本。

[1]汪強(qiáng)，徐小蘭，張劍.一種新的智能變電站通信業(yè)務(wù)安全隔離技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制. 2015（17）:139-144.

[2]付建輝.基于物理隔離的內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)信息交換研究[J].蘭臺世界，2013（S5）:43-44.

[3]崔桐，張江濤，郭培勝，等.一種基于協(xié)議重構(gòu)的內(nèi)外網(wǎng)邏輯隔離方法[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2014，9（3）：319-324.

[4]江華，孫圓圓.電力無線專網(wǎng)多業(yè)務(wù)隔離技術(shù)研究[J].寧夏電力，2015（3）:51-56.

[5]楊正進(jìn)，劉宏立，何昭暉.基于EPON的新型電力ONU的設(shè)計與應(yīng)用[J].光通信技術(shù)，2013，37（4）：26-29.

[6]曹錚，黃俊，譚欽紅.基于TK3713芯片的EPON ONU硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].數(shù)字通信，2011（1）:25-27.

[7]李根棟.電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中業(yè)務(wù)隔離的實現(xiàn)[J].云南電力技術(shù)，2013，41（6）:33-35.

[8]張雅青，許遠(yuǎn)忠.10 Gbit/s EPON ONU光模塊的設(shè)計[J].光通信研究，2011，2011（3）:44-47.

[9]梁曉紅.電力EPON通信網(wǎng)安全設(shè)計[J].云南電力技術(shù)，2014，42（1）:91-94.

[10]許夢平，譚欽紅，唐媛媛，等.EPON系統(tǒng)中ONU應(yīng)用場景的探討[J].光通信技術(shù)，2012，36（5）:4-6.

[11]佴煒.多業(yè)務(wù)匯聚的集中光源WDM-PON系統(tǒng)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[12]薛金，余江，?？。?智能配電網(wǎng)的通信隔離方案研究[J].云南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（4）: 480-484.

[13]Morrisville.Cortina systems CS8016 optical network unit datasheet[R].U.S:Cortina Systems，Inc.，2011.

[14]CHEN Kai.Research on the high reliable integrated power utilization information real-time collection system[C]//China International Confe-rence on Electricity Distribution（CICED），2010:1-16.

[15]Oishi M，Horiuchi Y，Nishimura K.B-10-81 Rogue ONU Isolation System with Multi-Point Control Protocol Messages[C]//Proceedings of the Society Conference of IEICE.The Institute of Electronics，Information and Communication Engineers，2011.

The services isolation design of ONU based on double-PON-port

TAO Jing，SHEN Wen，CHEN Lei，DENG Hui
（Global Energy Interconnection Research Institute，Nanjing 210003，China）

The services isolation problem should be noticed when carrying multiple services in the power system access network.This paper discusses and presents some services isolation schemes of optical network unit in PON technology architecture.On the basis of comprehensive analysis of the advantages and disadvantages and application scenarios，the scheme combines space division and exchange and storage resource isolation is chosen.The services isolation design based on Double-PON-Port meets the requirements of high reliability and scalability of the power system operation.

optical network unit；isolation technology；services isolation；double-PON-port

TN929

A

1674－6236（2017）07-0075-03

2016-07-12稿件編號：201607092

國家電網(wǎng)公司科技項目（SGRIXTKJ[2015]476號）

陶 靜（1987—），女，湖北荊州人，高級工程師。研究方向：電力系統(tǒng)通信技術(shù)。