EPON動(dòng)態(tài)帶寬分配算法的研究

1、2010年第3期福建電腦EPON 動(dòng)態(tài)帶寬分配算法的研究潘海江,李莉莉(浙江海洋學(xué)院浙江舟山316000【摘要】:本文簡(jiǎn)要介紹了以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON技術(shù)的基本原理,并主要針對(duì)EPON 的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法問(wèn)題(DBA 進(jìn)行深入研究和分析?！娟P(guān)鍵詞】:EPON;DBA;輪詢0、引言 隨著光纖通信成為現(xiàn)代通信的主流技術(shù),在向著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程中,EPON 結(jié)合以太網(wǎng)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù),具有協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低、帶寬高、易于兼容等優(yōu)點(diǎn),成為解決"最后一公里問(wèn)題"1的最佳解決方案之一。但與APON 相比,EPON 存在一個(gè)天然的缺陷,即不能很好的支持QoS (Quality of

2、service,不能很好的滿足三網(wǎng)合一的需求。要成為寬帶接入的主流技術(shù)并大舉進(jìn)入市場(chǎng),必須既能穩(wěn)定地支持傳統(tǒng)的電話業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),又能高效地保證新興實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)如網(wǎng)絡(luò)電視,視頻點(diǎn)播(VOD,video on demand等的質(zhì)量,因此進(jìn)一步對(duì)EPON 的帶寬分配算法的研究有著非常重要的意義。1、EPON 的基本原理 EPON 是采用PON 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入的網(wǎng)絡(luò),由三個(gè)部分組成:光線路終端(OLT 、光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN和光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU/ONT23。如圖1所示,OLT 處于局端,可以是一個(gè)交換機(jī)或路由器,也可以是一個(gè)提供面向無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)接口的多業(yè)務(wù)平臺(tái),向上介入上一層網(wǎng)絡(luò),向下為ONU

3、 或用戶提供帶寬分配、網(wǎng)絡(luò)安全和管理等功能。ODN 是一個(gè)光分路器,分光能力在1:16到1:128之間。ONU 處于用戶一側(cè),根據(jù)采用的配置方案(如FTTH 、FTTB 等不同,具體的位置也不同,全光網(wǎng)絡(luò)中ONU 可置于用戶家中,ONU 可通過(guò)層疊為多個(gè)終端用戶提供共享高帶寬的服務(wù)。 圖1EPON 的基本結(jié)構(gòu)EPON 網(wǎng)絡(luò)中,采用可變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包,最高可達(dá)1518字節(jié),上行方向采用1310nm 波長(zhǎng),下行方向采用1550nm ,波長(zhǎng)傳輸速率為1.25Gbit/s 。如圖2(a所示,由OLT 到ONU 下行采用廣播的方式,通過(guò)ODN 將數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有的ONU ,由于每個(gè)ONU 在注冊(cè)時(shí)都被分配了

4、唯一的ID ,通過(guò)讀取數(shù)據(jù)包中的ID ,只有與本ONU 的ID 符合的才會(huì)被接收,其他的數(shù)據(jù)包將被丟棄。如圖2(b所示,上行采用TDMA 技術(shù),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到點(diǎn)的接入,幀與幀之間需要一個(gè)時(shí)間空隙,即保護(hù)時(shí)間,OLT 可以在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)接收器進(jìn)行調(diào)整電平的增益,保護(hù)帶寬最大為2us 。因?yàn)槎嗦沸盘?hào)要共享一根光纖,有可能會(huì)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。EPON 利用多點(diǎn)控制協(xié)議(MPCP 進(jìn)行OLT 和ONU 之間的通信,由OLT 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況,統(tǒng)一為ONU 分配帶寬(使用時(shí)隙,基于網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格同步的情況下,既可以避免碰撞(非初始注冊(cè)過(guò)程現(xiàn)象,又可以利用一定的帶寬分配算法,實(shí)現(xiàn)高效的帶寬利用率。一個(gè)完善的DBA 方案應(yīng)包

5、括輪詢機(jī)制和帶寬分配算法兩部分,下面從這兩個(gè)方面入手來(lái)對(duì)EPON 系統(tǒng)的帶寬、包時(shí)延、丟包率、Qos 等性能參數(shù)進(jìn)行研究。圖2EPON 信號(hào)流的發(fā)送過(guò)程2、輪詢機(jī)制EPON 的MPCP 提供的REPROT 和DATE 幀為OLT 和ONU 之間的信息互動(dòng)提供了支持,這種Request-Grant 問(wèn)答機(jī)制,為帶寬分配提供了實(shí)現(xiàn)手段。輪詢的順序也有多種選擇,可以按根據(jù)注冊(cè)先后順序確定的固定順序輪詢、按負(fù)載的輕重重的在前輕的在后或者反過(guò)來(lái)等等,結(jié)合各自算法的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選擇。典型的輪詢是基于周期的,在一個(gè)周期內(nèi),OLT 對(duì)ONU 逐個(gè)詢問(wèn)需求情況,并根據(jù)請(qǐng)求授權(quán)帶寬。因此從輪詢周期的角度又可以分為:

6、固定周期輪詢、可變周期輪詢(自適應(yīng)周期輪詢和周期一定受限的輪詢4。輪詢周期固定,一定固定時(shí)間內(nèi)的下行授權(quán)幀數(shù)就固定,不會(huì)隨著上行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大下行授權(quán)控制的插銷。但是當(dāng)系統(tǒng)帶寬滿足了所有ONU 的請(qǐng)求后還有殘余時(shí),卻因?yàn)橹芷诘墓潭ㄐ远鵁o(wú)法順延至下一輪繼續(xù)使用,降低了帶寬利用率。典型的可變周期輪詢是IPACT 算法,它根據(jù)ONU 上報(bào)的隊(duì)列長(zhǎng)度進(jìn)行帶寬授權(quán),從而在一周輪詢下來(lái)得到的輪詢周期是不固定的。這種輪詢周期的帶寬利用率比較高,上行信道利用率可以逼近于1,但它的不足在于:輕負(fù)載時(shí),輪詢周期很小,授權(quán)幀的發(fā)送頻率極高,會(huì)消耗相當(dāng)一部分的下行信道帶寬;一部分業(yè)務(wù)量大的用戶總能得到足夠的帶寬,從而

7、使周期變長(zhǎng),使得業(yè)務(wù)量少的用戶的時(shí)延加大,違反了公平性的原則。周期可變的輪詢機(jī)制,為周期設(shè)定了一個(gè)范圍,一定程度上解決以上的問(wèn)題。同時(shí),此時(shí)的輪詢周期的大小可以一定程度上反映網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況。目前,考慮到公平性問(wèn)題,防止個(gè)別高負(fù)載的用戶壟斷著信道,OLT 會(huì)以一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制對(duì)每一個(gè)ONU 的開(kāi)窗大小進(jìn)行限制,稱為最大帶寬限制問(wèn)題,在重負(fù)載的情況下,它就可以決定最大的輪詢周期,但是如果開(kāi)窗過(guò)大,就會(huì)導(dǎo)致所有的幀的延時(shí)更長(zhǎng),如果太小,就會(huì)把帶寬浪費(fèi)在保基金項(xiàng)目:無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(epon的帶寬分配算法(21185010406272010年第3期福建電腦!(上接第25頁(yè) 圖3電容-輸出頻率關(guān)系3.測(cè)試實(shí)驗(yàn)

8、數(shù)據(jù)處理測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要全部在單片機(jī)AT89C52所構(gòu)成下位機(jī)中處理,涉及到輸入數(shù)據(jù)的硬件接口、輸入測(cè)量參數(shù)和變量較多,硬件電路和編寫(xiě)匯編程序就顯得十分復(fù)雜5,因此在下位機(jī)僅通過(guò)P1口、P2.1、P2.2、P2.3端口驅(qū)動(dòng)1602LCM 液晶顯示模塊,顯示頻率f 和電容器C 值,簡(jiǎn)化了儀器開(kāi)發(fā)硬件電路和下位機(jī)處理軟件,同時(shí),所顯示的頻率f 和電容器C 值也通過(guò)USB 接口芯片6CH372送到個(gè)人計(jì)算機(jī)(上位機(jī),利用可視化高級(jí)編程語(yǔ)言7Delphi 7.0在Windows 2000環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊和各種參數(shù)的在上位機(jī)輸入、處理、誤差分析計(jì)算等過(guò)程,強(qiáng)化了儀器的功能.4.結(jié)語(yǔ)本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)技術(shù)

9、測(cè)量了液體電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù),使用USB 接口技術(shù)簡(jiǎn)化了下位機(jī)的硬件復(fù)雜性和數(shù)據(jù)處理過(guò)程,實(shí)驗(yàn)表明該測(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度、方便可靠,是一種智能化實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng).參考文獻(xiàn):1凌邦國(guó)、朱兆青、楊誠(chéng)成編著.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M,蘇州:蘇州大學(xué)出版社,2003.92丁鎮(zhèn)生編著.傳感及其遙控遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用M,北京,電子工業(yè)出版社,2003.14郝鴻安,555集成電路實(shí)用電路集M,上海,上?？茖W(xué)普及出版社,1989.35Atmel Corporation ,8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash AT89C52,2002.27胡爭(zhēng)輝編著.Delphi 7跨平臺(tái)控件開(kāi)

10、發(fā)與應(yīng)用M,北京,中國(guó)鐵道出版社,2003.11護(hù)帶寬上。目前對(duì)于輪詢周期的下限還討論不多。除了上面介紹的輪詢機(jī)制以外,帶寬分配機(jī)制將對(duì)DiffServ 5的處理反映在了輪詢機(jī)制上。OLT 對(duì)同一優(yōu)先級(jí)的用戶進(jìn)行集中授權(quán),這樣做的好處就是保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬,提高服務(wù)質(zhì)量。為了算法的需要,則是將數(shù)據(jù)與控制幀分離,此時(shí)ONU 上報(bào)的隊(duì)列長(zhǎng)度更加接近上傳時(shí)刻的隊(duì)列長(zhǎng)度值,可以減小時(shí)延,同樣它也需要增加保帶寬?？傊?輪詢機(jī)制是時(shí)隙分配機(jī)制的一個(gè)組成部分,根據(jù)不同的算法和追求目標(biāo)的不同,可以適當(dāng)選擇自己的輪詢分配機(jī)制,同時(shí)也可以通過(guò)輪詢機(jī)制來(lái)彌補(bǔ)算法中的不足。3、帶寬分配算法帶寬的分配主要分為靜態(tài)

11、和動(dòng)態(tài)兩種:靜態(tài)帶寬分配(SBA ,又叫固定時(shí)隙分配按照各ONU 預(yù)定的帶寬進(jìn)行初始配置,運(yùn)行期間不管實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)狀況如何該值不變。SBA 簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用,帶寬的利用率低。動(dòng)態(tài)帶寬分配(.DBA是指OLT 根據(jù)即時(shí)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)情況對(duì)每一個(gè)ONU 逐個(gè)分配帶寬,一個(gè)周期更新一次,很明顯,DBA 的帶寬利用率比SBA 要高,上行帶寬畢竟是有限的,為了讓所有的終端用戶都能盡可能的滿意,DBA 更能滿足要求。下面就來(lái)分析幾個(gè)主要的DBA 算法。:3.1帶寬受限分配算法(LBALBA 通過(guò)REPORT/GATE 來(lái)跟蹤業(yè)務(wù)量,每個(gè)ONU 的可分配的最大帶寬根據(jù)用戶等級(jí)、業(yè)務(wù)類別等

12、來(lái)確定。如果請(qǐng)求的帶寬長(zhǎng)度小于這個(gè)值時(shí),就分配給它請(qǐng)求的帶寬,否則就按這個(gè)值來(lái)授權(quán)。LBA 通過(guò)報(bào)告隊(duì)列長(zhǎng)度的方式來(lái)跟蹤業(yè)負(fù)載,由于業(yè)務(wù)流量是動(dòng)態(tài)的,所以它的分配時(shí)隙大小也是變化的,因?yàn)槊總€(gè)輪詢分配的時(shí)隙也是不同的,所以最終導(dǎo)致它的輪詢周期也是變化的。LBA 的保守性表現(xiàn)在通過(guò)對(duì)每個(gè)ONU 的授權(quán)的限制來(lái)抑制了帶寬的惡性競(jìng)爭(zhēng),不會(huì)出現(xiàn)業(yè)務(wù)量大的用戶獨(dú)霸著帶寬,業(yè)務(wù)量小的用戶得不到帶寬的現(xiàn)象。LBA 也是目前使用最廣泛,性能最好的DBA 算法之一,它的帶寬利用率比較高。3.2基于信用的帶寬分配算法(CBA在REPORT/GATE 機(jī)制下,每個(gè)ONU 發(fā)送完REPORT 幀后都經(jīng)歷了一段等待時(shí)間后

13、才能繼續(xù)發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。ONU 在t1時(shí)刻上報(bào)隊(duì)列長(zhǎng)度,在t3時(shí)刻開(kāi)始上傳數(shù)據(jù),在t1到t3這段等待時(shí)間內(nèi),仍然有可能有新數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)內(nèi)。如果在t1時(shí)刻上報(bào)隊(duì)列長(zhǎng)度時(shí),對(duì)下面等待時(shí)間內(nèi)可能新到的業(yè)務(wù)量進(jìn)行估算,那么新到的數(shù)據(jù)幀就不需要多等一個(gè)周期再發(fā)送。CBA 就是把這部分等待周期內(nèi)可能新進(jìn)入的數(shù)據(jù)幀也考慮進(jìn)去,在原來(lái)上報(bào)的隊(duì)列長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上再加上了一個(gè)信用C ,這里C 可以是常數(shù),也可以是線性表達(dá)式。線性信用是基于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的可預(yù)測(cè)性,因?yàn)橐话汩L(zhǎng)突發(fā)業(yè)務(wù)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間,前一周期的信息對(duì)后一周期的等待周期的新增業(yè)務(wù)量具有價(jià)值,可以進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)。這種帶估算的帶寬分配方法的好處在于可以減小

14、部分幀時(shí)延,但是估算要根據(jù)不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì),而且也不是任何估算都是有益的,因?yàn)橐蕴珟遣欢ㄩL(zhǎng)的,如果估算分配的帶寬不足以滿足實(shí)際的幀通過(guò),很可能帶來(lái)新的帶寬浪費(fèi)。3.3彈性帶寬分配算法(EBAEBA 是在LBA 的基礎(chǔ)上的一個(gè)變通。LBA 中每一個(gè)ONU 都有一個(gè)最大開(kāi)窗,每個(gè)ONU 的授權(quán)都不可以超過(guò)這個(gè)值,E -BA 中取一個(gè)最大總授權(quán)帶寬值,所有輕負(fù)載ONU 使用完后殘余的那部分帶寬,在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行再此分配。很明顯這種分配方式往往是收集完所有的ONU 的信息之配處理的,它必須與相應(yīng)的輪詢機(jī)制結(jié)合使用,同時(shí)這種算法容易實(shí)現(xiàn)公平性分配,是使用比較廣泛的算法。4、結(jié)論EPON 作為眾多寬帶接入的最佳方案之一,有著協(xié)議簡(jiǎn)單成熟、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、建設(shè)維護(hù)成本低廉的巨大優(yōu)勢(shì),要更好的滿足用戶的Qos ,對(duì)EPON 的帶寬分配算法進(jìn)行研究有著非常重要的意義。本文從EPON 的工作原理入手,深入討論了各種帶寬分配算法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),不同的算法必須采用相應(yīng)的輪詢機(jī)制,對(duì)性能參數(shù)的制約也各有不同,因此必須進(jìn)一步根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)用戶的需求來(lái)設(shè)計(jì)制定帶寬分配方案。參考文獻(xiàn):1Kramer G ,Pesavento G.Ethernet Passive Optical Network (EP