趙曉靜

(常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

GPON系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法的研究

趙曉靜

(常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

對(duì)GPON系統(tǒng)物理媒質(zhì)控制(MAC)層的關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)進(jìn)行研究。提出了一種新的動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)算法——基于QoS的二層動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，并給出該算法的實(shí)現(xiàn)流程圖。性能分析與對(duì)比表明，該算法可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，對(duì)不同用戶和不同等級(jí)的業(yè)務(wù)都具有很好的公平性。

吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò);動(dòng)態(tài)帶寬分配;服務(wù)質(zhì)量;傳輸容器;光線路終端;光網(wǎng)絡(luò)單元

0 引言

隨著用戶對(duì)帶寬要求的不斷提高，接入網(wǎng)技術(shù)的討論變成了熱門(mén)話題。吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON:Gigabit-cable Passive Optical Network)是新一代的寬帶無(wú)源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)，它采用點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用無(wú)源光器件連接局端設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備，能夠提供更高的可用帶寬、較高的接入性能和網(wǎng)絡(luò)效率，能夠支持不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS:Quality of Service)，更能滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的需求，因此倍受關(guān)注。GPON作為新一代接入網(wǎng)技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)在于成本低、擴(kuò)展性能好和易于維護(hù)，它能夠在同一架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻等綜合業(yè)務(wù)的接入，能實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)的透明傳輸。

GPON網(wǎng)絡(luò)主要分成3個(gè)部分:光線路終端(OLT)、無(wú)源分光器(ODN)和光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。一個(gè)OLT可以與多個(gè)ONU相連接，形成多點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的共享網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有無(wú)源光接入網(wǎng)的上行信道都是共享式的。為了使GPON在傳輸不同QoS要求業(yè)務(wù)的優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)出來(lái)，需要對(duì)GPON上行方向的帶寬分配和利用加以研究。由于是多點(diǎn)到一點(diǎn)的傳輸，在傳輸過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生沖突和阻塞，因此GPON在上行方向采用時(shí)分多址(TDMA)接入方式，通過(guò)為每個(gè)ONU分配一個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)隙，ONU接收用戶端數(shù)據(jù)并把該信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)送出去，然后由ODN的光耦合器耦合到一根光纖并傳輸至OLT。

對(duì)于GPON中承載的不同業(yè)務(wù)，其優(yōu)先級(jí)是不同的，不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)緩存區(qū)中，低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)由于占據(jù)隊(duì)首可能會(huì)優(yōu)先成幀，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)卻不能優(yōu)先成幀，影響需要優(yōu)先服務(wù)的數(shù)據(jù)的傳輸效率。另外，如果某種信號(hào)持續(xù)不斷地發(fā)送，也會(huì)造成后到的數(shù)據(jù)阻塞。因此需要設(shè)計(jì)一種算法既保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，同時(shí)也兼顧低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸。

1 DBA的相關(guān)概念

GPON系統(tǒng)中保證不同業(yè)務(wù)高質(zhì)量傳輸?shù)暮诵氖菐挿峙渌惴?，DBA(動(dòng)態(tài)帶寬分配)算法就是光線路終端OLT根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)單元ONU發(fā)送的狀態(tài)報(bào)告及帶寬分配請(qǐng)求，周期性地給每個(gè)ONU分配固定的或動(dòng)態(tài)可變的時(shí)隙，保證ONU能夠合理共享干線光纖的信道容量和資源。DBA是一種在毫秒/微秒的數(shù)量級(jí)下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地改變GPON系統(tǒng)中各ONU的上行使用帶寬的機(jī)制，以適應(yīng)用戶速率的各種變化，帶寬利用率高，從而提高系統(tǒng)的帶寬利用率。

1.1T-CONT

T-CONT(Transmission Container)是傳輸容器，它動(dòng)態(tài)接收OLT下發(fā)的授權(quán)，提供多種連接，用于管理PON系統(tǒng)傳輸匯聚層的上行帶寬分配，DBA系統(tǒng)根據(jù)GPON上行幀所要求的帶寬來(lái)改變T-CONT的帶寬。

一個(gè)ONU上可以使用多個(gè)T-CONT，這些T-CONT之間在理論上沒(méi)有任何關(guān)系，是相互獨(dú)立的。ONU可以同時(shí)使用多個(gè)T-CONT類型組合以滿足本地的業(yè)務(wù)傳輸需求。T-CONT的帶寬類型有4種，優(yōu)先級(jí)從高到低依次是:固定帶寬(FXB:Fixed Bandwidth)、確保帶寬(ASB:Assured Bandwidth)、非確保帶寬(NAB:Non-assured Bandwidth)和盡力而為帶寬(BEB:Best-effort-Bandwidth)。在4種類型中，不論T-CONT有無(wú)分配要求，F(xiàn)XB都必須被保證。當(dāng)T-CONT有分配要求時(shí)，首先保證ASB，如果還有剩余帶寬，則分配給NAB和BEB。

T-CONT是用來(lái)進(jìn)行上行帶寬DBA的基本單位，GPON系統(tǒng)的DBA中定義了5種T-CONT類型，不同的T-CONT具有不同的帶寬分配方式，表1給出了不同種類的T-CONT支持和分配帶寬類型，以及對(duì)時(shí)延的敏感性。

表1 不同種類的帶寬對(duì)應(yīng)不同類型的T-CONT

①固定帶寬。固定帶寬是一種周期性分配完全預(yù)約的帶寬，使用它可以實(shí)現(xiàn)最小的傳輸時(shí)延。該類型所提供的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延很敏感，如語(yǔ)音業(yè)務(wù)，T-CONT 1和T-CONT 5采用這種帶寬分配類型。無(wú)論ONU端是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，OLT都為其分配固定帶寬，即使發(fā)生擁塞，也不再分配額外帶寬。這是一種靜態(tài)的T-CONT，不參加真正意義上的動(dòng)態(tài)帶寬分配。

②確保帶寬。是指如果T-CONT緩沖器想發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)候，ONU可以使用的帶寬，當(dāng)TCONT緩存器沒(méi)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送，該帶寬也可以被其他的T-CONT使用。T-CONT 2和T-CONT 3的一部分以及T-CONT 5采用了該種類型的帶寬分配。用于傳輸可變比特率的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，適用于對(duì)時(shí)延和吞吐量有一定要求的應(yīng)用，確保帶寬能參與動(dòng)態(tài)帶寬分配。

③非確保帶寬。屬于額外帶寬，其優(yōu)先級(jí)高于額外帶寬中的盡力而為帶寬，它可以分配給具有確保帶寬的T-CONT使用。T-CONT 3的一部分以及T-CONT 5采用了該種類型的帶寬分配。非確保帶寬能夠參與動(dòng)態(tài)帶寬分配，這種類型的T-CONT可以用于承載有最小帶寬保證的業(yè)務(wù)，傳輸非實(shí)時(shí)可變比特率業(yè)務(wù)。

④盡力而為帶寬。它只提供“盡力而為”帶寬分配，是指如果沒(méi)有高優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)使用該帶寬時(shí)，T-CONT才可以使用剩余的帶寬。T-CONT 4和T-CONT 5就采用了該種類型的帶寬分配。所以它是不能確保使用的帶寬，只能參與動(dòng)態(tài)帶寬分配。它提供的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延不敏感，在完成固定帶寬、確保帶寬和非確保帶寬的分配后，才為此類T-CONT分配帶寬。

以上4種不同的帶寬中，除了固定帶寬以外，確保帶寬、非確保帶寬和盡力而為帶寬都要參與動(dòng)態(tài)帶寬分配。帶寬分配和QoS保障都以每個(gè)T-CONT為單位授權(quán)控制，不同的業(yè)務(wù)類型不能映射到同一個(gè)T-CONT，必須映射到不同的TCONT。把不同優(yōu)先級(jí)、不同類型的業(yè)務(wù)映射到不同的T-CONT中，通過(guò)以T-CONT為控制單元的帶寬分配，可以區(qū)分業(yè)務(wù)并保證不同業(yè)務(wù)不同的QoS要求。

1.2 GPON中DBA的算法研究

最原始的動(dòng)態(tài)帶寬是IPACT算法，它是針對(duì)ONU的帶寬分配算法，采用交替輪詢和時(shí)分復(fù)用的方式，由OLT對(duì)每個(gè)ONU輪流檢測(cè)，并發(fā)送授權(quán)。ONU在授權(quán)窗口中發(fā)送數(shù)據(jù)和請(qǐng)求信息，說(shuō)明緩沖器中下一次發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，OLT就可根據(jù)ONU的緩沖器占用情況動(dòng)態(tài)地分配帶寬。這種算法減輕了靜態(tài)帶寬分配算法帶寬利用率低和延遲大等缺點(diǎn)。但I(xiàn)PACT把一個(gè)ONU中的數(shù)據(jù)看作是一個(gè)整體，不支持業(yè)務(wù)分類，是典型的不具有QoS保證的DBA算法，同時(shí)具有帶寬分配周期變動(dòng)較大以及無(wú)法防止惡意ONU獨(dú)占帶寬等局限性。

第二種代表性的DBA算法是基于業(yè)務(wù)等級(jí)的DBA算法。文獻(xiàn)[1]中提出了一種用于MAC協(xié)議的DBA算法，它通過(guò)OLT根據(jù)不同的業(yè)務(wù)等級(jí)進(jìn)行帶寬分配，首先將各種業(yè)務(wù)按優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次分為A、B、C、D 4種類型，其次以幀為基本時(shí)間統(tǒng)計(jì)單位，將ONU各隊(duì)列的長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為帶寬需求矩陣R，其元素ri，j表示ONUi中第j個(gè)隊(duì)列的帶寬需求，然后根據(jù)授權(quán)的固定權(quán)重值計(jì)算出所需分配的帶寬數(shù)Mi，j，最后MAC控制器所授權(quán)分配的帶寬就為 ri，j和 Mi，j的最小值。此算法的不足之處是:在算法中沒(méi)有GPON標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中的T-CONT的概念，對(duì)系統(tǒng)的QoS無(wú)法得到良好的保證。

在文獻(xiàn)[3]中給出了第三種基于帶寬優(yōu)先級(jí)的DBA算法，根據(jù)GPON標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)各種不同類型業(yè)務(wù)的帶寬分配采用不同的分配方法，然后根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)，對(duì)各種T-CONT類型分級(jí)輪詢處理。該算法按照GPON的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以T-CONT為基本傳輸單位對(duì)帶寬進(jìn)行分配，沒(méi)有考慮到不同ONU間的具體情況。

針對(duì)上述算法的不足，本文提出了一種基于QoS的二次動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，簡(jiǎn)述如下:ONU先向OLT發(fā)出申請(qǐng)，等待OLT授權(quán)，在得到授權(quán)后，ONU要在OLT規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去(發(fā)送的數(shù)據(jù)中包括請(qǐng)求OLT分配的帶寬時(shí)隙和ONU緩存中存有的數(shù)據(jù)量)，OLT會(huì)根據(jù)即時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況給每個(gè)ONU逐個(gè)分配帶寬，每周期更新一次，并且等待下一個(gè)時(shí)隙的到來(lái)。同時(shí)在OLT為ONU進(jìn)行帶寬分配后，ONU會(huì)對(duì)OLT動(dòng)態(tài)分配的帶寬進(jìn)行二次分配。

2 基于QoS的二次動(dòng)態(tài)帶寬分配算法

基于QoS的二端算法是在OLT端和ONU端分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配。算法分為如下步驟:

首先，將ONU分成不同等級(jí)，根據(jù)用戶的服務(wù)等級(jí)協(xié)定(SLA)分配不同的加權(quán)系數(shù)，對(duì)ONU進(jìn)行帶寬分配，先滿足所有ONU高等級(jí)的帶寬需求，再依一定的分配辦法為其他等級(jí)的業(yè)務(wù)分配帶寬。這時(shí)OLT為每個(gè)ONU分配不同的帶寬，這樣可以保證重要用戶能夠得到更多的帶寬，以滿足其對(duì)帶寬的要求。

其次，在每一個(gè)ONU內(nèi)部，由于用戶可以連接不同的業(yè)務(wù)，先對(duì)優(yōu)先等級(jí)最高的T-CONT 1和T-CONT 5業(yè)務(wù)分配固定帶寬，再依次分配確保帶寬、非確保帶寬和盡力而為帶寬部分。這樣體現(xiàn)了帶寬分配的公平性，同時(shí)又不會(huì)使低優(yōu)先等級(jí)的業(yè)務(wù)得不到帶寬，減小了低優(yōu)先等級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延，提高了帶寬的利用率。

2.1 OLT端的動(dòng)態(tài)帶寬分配

該算法的思想是:先對(duì)系統(tǒng)的總可分配帶寬和總需求帶寬進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)總供給大于總需求時(shí)，依據(jù)需求值來(lái)分配帶寬的方法直接將所需帶寬分配完畢;當(dāng)總供給小于總需求時(shí)，則根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先等級(jí)來(lái)分配帶寬，同時(shí)與該業(yè)務(wù)所需帶寬比較，把業(yè)務(wù)需求較小的剩余帶寬收回，再分配。該算法考慮到全業(yè)務(wù)的QoS保證，能體現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的帶寬優(yōu)先級(jí)。

圖1 OLT 端的動(dòng)態(tài)帶寬分配

對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，無(wú)論是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，都分配計(jì)算出來(lái)的固定帶寬，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)能在第一時(shí)間傳送。對(duì)于優(yōu)先級(jí)較低的業(yè)務(wù)，分配的實(shí)際帶寬為需求帶寬與系統(tǒng)可分配帶寬之間的最小值。由于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的突發(fā)性，在一個(gè)輪詢周期內(nèi)，可能有一部分的ONU需求較小，用不完分配給它的最小帶寬，這可以避免出現(xiàn)某個(gè)空隊(duì)列在占用帶寬資源，而同時(shí)其他隊(duì)列卻可能處于擁塞狀態(tài)。接著將多余帶寬收回，進(jìn)入下一次循環(huán)帶寬分配，避免了帶寬的浪費(fèi)。

L是未獲得足夠帶寬的ONU的個(gè)數(shù)。

2.2 ONU端的動(dòng)態(tài)帶寬分配

在ONU的內(nèi)部對(duì)不同的T-CONT類型的業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬分配。

實(shí)際分配到的帶寬表示規(guī)定為:設(shè)Ri表示它所需要的總帶寬，表示它所需要的固定帶寬部分;表示它所需要的確保帶寬部分;R表示它所需要的非確保帶寬部分;表示它所需要的盡力而為帶寬部分;設(shè)Bi表示它分配得到的總帶寬表示它所獲得的固定帶寬部分;表示它所分配得到的確保帶寬部分;表示它所分配得到的非確保帶寬部分;表示它所獲得分配的盡力而為帶寬部分;這些參數(shù)在初始化時(shí)刻全部置0。該算法的流程圖如圖2所示。

圖2 ONU端的動(dòng)態(tài)帶寬分配

當(dāng)ONU中各個(gè)T-CONT的需求總和Ri小于分配給該 ONU的帶寬 Bi時(shí)，按照各個(gè)T-CONT的請(qǐng)求帶寬分配。否則按照以下方法分配。

第1步 先查看有沒(méi)有優(yōu)先級(jí)最高的TCONT 1和T-CONT 5的業(yè)務(wù)，無(wú)論是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，都分配固定帶寬;

第2步 接著查看有沒(méi)有 T-CONT 2、TCONT 3或T-CONT 5的業(yè)務(wù)，為它們分配一定比例的確保帶寬，計(jì)算剩余帶寬，若剩余帶寬大于0，再分配類型T-CONT 3或T-CONT 5業(yè)務(wù)的非確保帶寬，以保證其QoS。

第3步 查看有無(wú)T-CONT 4或T-CONT 5的盡力而為業(yè)務(wù)，當(dāng)所有這些業(yè)務(wù)的帶寬請(qǐng)求數(shù)小于等于此時(shí)的剩余帶寬時(shí)，分配給其請(qǐng)求值。反之依據(jù)其權(quán)重值進(jìn)行分配。

第4步 若還有剩余帶寬，并且仍然有非確保帶寬或盡力而為帶寬未滿足請(qǐng)求，則折返到前面，對(duì)非確保帶寬和盡力而為帶寬進(jìn)行循環(huán)分配，直到剩余帶寬為0或者所有帶寬請(qǐng)求都被滿足，退出循環(huán)。

3 仿真結(jié)果及性能分析

利用OPNET仿真工具設(shè)計(jì)GPON的仿真平臺(tái)，所考慮的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型有3種:固定業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，分別對(duì)應(yīng)于高、中、低3個(gè)優(yōu)先級(jí)，對(duì)于固定業(yè)務(wù)分配固定帶寬，視頻業(yè)務(wù)分配確保帶寬，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)分配盡力而為帶寬。仿真過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載設(shè)為10% ～90%。圖3給出的仿真結(jié)果為不同負(fù)載下各種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖3 不同負(fù)載下各種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

由圖3中可以看出，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，吞吐量的大小與業(yè)務(wù)量負(fù)載呈線性增長(zhǎng)。系統(tǒng)能夠滿足所有ONU的帶寬需求;對(duì)于中等優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大成正比增長(zhǎng)。當(dāng)負(fù)載增加到70%時(shí)，吞吐量可以達(dá)到最大值250 Mbps，之后稍有下降。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載超過(guò)40%以后，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的吞吐量迅速減少，這是因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，大部分ONU都得不到足夠的帶寬，在ONU內(nèi)部，帶寬先分配給較高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，隨著中等優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)吞吐量的增大，因此低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)得到的帶寬越來(lái)越少，這體現(xiàn)出了該算法的公平性與靈活性。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究提出了一種有效 QoS保證的二端動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，首先在OLT端根據(jù)用戶的等級(jí)對(duì)ONU進(jìn)行帶寬分配，這樣可以保證重要用戶能夠得到更多的帶寬，以滿足其對(duì)帶寬的要求，還把對(duì)帶寬需求低的用戶剩余出來(lái)的帶寬匯總后再公平地分配給帶寬要求高的用戶，避免了帶寬的浪費(fèi)。其次在每一個(gè)ONU內(nèi)部，對(duì)于優(yōu)先等級(jí)最高的業(yè)務(wù)分配固定帶寬，其他優(yōu)先等級(jí)的業(yè)務(wù)按照比例分配帶寬。這種在OLT端和ONU端都進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配的算法，解決了在帶寬不足的時(shí)候，較高優(yōu)先等級(jí)的業(yè)務(wù)可能得不到足夠帶寬的情況，同時(shí)又不會(huì)使低優(yōu)先等級(jí)的業(yè)務(wù)得不到帶寬，減小了低優(yōu)先等級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延，提高了帶寬的利用率。體現(xiàn)了帶寬分配的公平性與靈活性，以盡量滿足各等級(jí)業(yè)務(wù)的QoS要求。

[1]]張濤，李玲.GPON系統(tǒng)中DBA方案設(shè)計(jì)與性能分析[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(1):70-74.

[2]張文慧.GPON中的動(dòng)態(tài)帶寬分配的研究[D].南京:南京郵電大學(xué)，2007.

[3]黃協(xié).一種用于 GPON中的動(dòng)態(tài)帶寬分配[J].接入網(wǎng)技術(shù)，2005(6):58- 59.

[4]王欣，顧畹儀.GPON系統(tǒng)中基于QoS的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法的研究[J].光通信技術(shù)，2006(3):17-19.

Research of Dynamic Bandwidth Allocation Scheme of GPON

ZHAO Xiao-jing

(School of Computer＆ Information Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

This paper proposes a new dynamic bandwidth allocation(DBA)scheme-two level DBA scheme based on QoS，and shows the flowchart of this algorithm，concerning the study of GPON on its key technique in the MAC layer:Dynamic Bandwidth Allocation(DBA).The performance analysis and comparison proves that the new algorithm can improve net throughput，which will realize the fairness for both different ONUs and services.

gigabit-capable passive optical network(GPON);dynamic bandwidth allocation(DBA);Quality of Service(QoS);transmission container(T-CONT);optical line termination(OLT);opticalnetwork unit

TN915.6

A

1671-0436(2011)03/04-0028-06

2011-04-11

趙曉靜(1973— )，女，講師。

責(zé)任編輯:唐海燕