帥千鈞，朱維嘉，李鑒增，倪業(yè)鵬

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024；2.中國傳媒大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中心，北京100024)

基于OPNET的TDM/WDM EPON仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帥千鈞1，2，朱維嘉2，李鑒增1，倪業(yè)鵬2

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024；2.中國傳媒大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中心，北京100024)

研究了基于TDM/WDM EPON的下一代寬帶接入網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于OPNET仿真系統(tǒng)的TDM/WDM EPON通用仿真模型結(jié)構(gòu)并介紹了自定義協(xié)議模型的系統(tǒng)搭建方法，最后介紹了自定義的TDM/WDM EPON系統(tǒng)協(xié)議模型及其仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為EPON動(dòng)態(tài)波長帶寬分配(DWBA)算法的深入研究搭建了通用仿真平臺(tái)。

寬帶接入網(wǎng)；WDM EPON；多點(diǎn)控制協(xié)議；動(dòng)態(tài)波長帶寬分配算法(DWBA)；OPNET

1 引言

隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多樣化需求的提高，例如：視頻點(diǎn)播、時(shí)移廣播、高清電視、在線網(wǎng)絡(luò)游戲等，網(wǎng)絡(luò)音視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用的越來越廣泛，因而人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求也將是在不斷提高?，F(xiàn)今的TDM EPON系統(tǒng)支持上下行帶寬1.25Gbps的帶寬容量，但對(duì)于日益受歡迎的音視頻業(yè)務(wù)而言，已越來越無法滿足帶寬的需求。隨著近年來DWDM技術(shù)融合到EPON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，長距離、高帶寬的WDM EPON近年來被認(rèn)為是下一代寬帶接入網(wǎng)理想的方案，系統(tǒng)帶寬可呈高數(shù)量級(jí)的增加，同時(shí)，這種接入網(wǎng)還具有較好的靈活性和可擴(kuò)展性。

WDM EPON系統(tǒng)體系、協(xié)議及算法的研究目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，國外研究機(jī)構(gòu)預(yù)期還需5年左右出臺(tái)WDM EPON的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前雖然已經(jīng)有幾種不同的結(jié)構(gòu)提出來，但是沒有哪一種占有絕對(duì)的優(yōu)勢[1]，在標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布之前，還有許多問題需要解決。本文接下來首先簡單介紹WDM EPON通用仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和MAC層MPCP協(xié)議的擴(kuò)展，其次簡單介紹OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真建模方法，鑒于OPNET模型庫沒有基于EPON的協(xié)議模型，本文將重點(diǎn)介紹用于OPNET中建立基于IEEE 802.3ah擴(kuò)展的WDM EPON仿真系統(tǒng)的 MAC協(xié)議模型。

2 WDM EPON系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著光器件技術(shù)的提高和成本的降低，DWDM技術(shù)應(yīng)用于EPON系統(tǒng)將是必然的趨勢。理想的情況是將DWDM技術(shù)直接應(yīng)用到現(xiàn)有的樹型EPON拓?fù)洚?dāng)中，OLT端可以配備一組波長固定(fixed)的激光收發(fā)器或波長可調(diào)(Tunable)的激光收發(fā)器，多個(gè)波長信道通過波分復(fù)用到一根單獨(dú)的光纖內(nèi)，并通過遠(yuǎn)端的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)實(shí)現(xiàn)光波長信道的路由，ONU端則配備一對(duì)不同波長的收發(fā)器分別用于上、下行傳輸[2]，或者波長可調(diào)的激光收發(fā)器。

但是就現(xiàn)時(shí)而言，上述結(jié)構(gòu)成本仍然太高，目前對(duì)WDM EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究要綜合考慮多方面的因素，例如：①兼容性，如今世界各國已經(jīng)大量部署了1G EPON網(wǎng)絡(luò)，下一代的WDM EPON網(wǎng)絡(luò)將在很長一段時(shí)間內(nèi)與1G EPON共存，WDM EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須能夠后向兼容現(xiàn)有的TDM EPON。②低成本，成本一直以來都是接入網(wǎng)的無論是服務(wù)商還是終端用戶首要考慮的因素，因此任何一種接入網(wǎng)，其基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行維護(hù)的成本對(duì)其生存發(fā)展具有至關(guān)重要的影響。就WDM EPON系統(tǒng)而言，DWDM光器件和激光器在設(shè)備成本中占主要因素，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮多個(gè)ONU共享一個(gè)上行波長信道，并且只保證中心局端OLT設(shè)備的成本而盡可能縮減用戶端ONU設(shè)備的成本，同時(shí)為了降低DWDM設(shè)備成本，考慮上行波長應(yīng)在ONU間可統(tǒng)計(jì)復(fù)用，因此，本文設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)在上行方向，OLT端是一組固定波長的光接收模塊，如圖1所示，在用戶端，某些ONU為固定波長的激光發(fā)射器，例如傳統(tǒng)的TDM ONU，而某些ONU為上行波長可調(diào)的激光器，作為WDM ONU。

圖1 TDM/WDM EPON系統(tǒng)上行波長

2.2 MPCP協(xié)議的擴(kuò)展

IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)于上行帶寬分配的MPCPDU幀是GATE幀和REPORT幀[3]，ONU通過REPORT幀報(bào)告其緩存的數(shù)據(jù)以請(qǐng)求帶寬，OLT受到REPORT幀后啟動(dòng)DBA算法、通過GATE幀授權(quán)給ONU其上行傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)間和傳輸窗口長度。針對(duì)于WDM EPON，上行波長在各ONU之間同樣參與統(tǒng)計(jì)復(fù)用，也就是說，OLT給ONU的授權(quán)還應(yīng)包含上行信道的分配。因此，IEEE 802.3ah定義的多點(diǎn)控制協(xié)議MPCP應(yīng)用于WDM EPON還需要進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展[4]，本文鑒于仿真平臺(tái)的通用性，重新定義了WDM GATE幀和WDM REPORT幀，WDM GATE幀結(jié)構(gòu)如圖2，在每個(gè)授權(quán)起始時(shí)間/長度對(duì)之后增加一個(gè)字節(jié)的wavelength內(nèi)容作為授權(quán)信道信息，告之ONU此次授權(quán)的上行傳輸分配在哪個(gè)上行信道上。同樣對(duì)于ONU的REPORT幀，在報(bào)告完隊(duì)列緩存大小后增加一個(gè)字節(jié)的可支持上行信道信息，告訴OLT本ONU可支持哪幾個(gè)上行信道的上行傳輸。實(shí)際當(dāng)中，包由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，包的調(diào)用通過包格式的名稱進(jìn)行調(diào)用。

圖2 WDM GATE幀結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)鏈路定義

此外，還需要設(shè)計(jì)每個(gè)波長信道的通信鏈路屬性。本文采用單工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的有線鏈路予以模擬EPON光纖鏈路的傳輸特性，也就是要定義每條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率、支持的包格式、鏈路上的傳播時(shí)延(即對(duì)應(yīng)于鏈路長度相關(guān)的RTT參數(shù))等。系統(tǒng)中的每條鏈路都表示1個(gè)光波長信道，其線路數(shù)據(jù)傳輸速率都為1Gb/s，支持的包格式為上節(jié)自定義幾種格式的包，如圖3包格式包含以太網(wǎng)包(Ethernet_Data)，WDM GATE和WDM REPORT等。

3 OPNET網(wǎng)絡(luò)建模

OPNET采用離散事件仿真機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)行為狀態(tài)的模擬，其仿真核心是對(duì)離散事件的調(diào)度器，對(duì)所有進(jìn)程模塊計(jì)劃事件發(fā)生的時(shí)間和事件完成的時(shí)間進(jìn)行列表和維護(hù)，因而，仿真控制權(quán)在進(jìn)程模型和仿真核心之間來回地轉(zhuǎn)換。方法上，OPNET采用的是分層建模機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的層次關(guān)系提供了三個(gè)層次的模型[5]，從底層到上層分別為：進(jìn)程模型(process)、節(jié)點(diǎn)模型(node)和網(wǎng)絡(luò)模型。進(jìn)程以有限狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議，節(jié)點(diǎn)是由協(xié)議模型及外圍接口等模型構(gòu)成，反映了設(shè)備的特性，網(wǎng)絡(luò)模型則表現(xiàn)了具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。OPNET仿真系統(tǒng)自帶有多種模型庫，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都支持，因此，采用系統(tǒng)自帶的模型進(jìn)行系統(tǒng)建模相對(duì)簡單，但對(duì)于OPNET模型庫中不存在的協(xié)議模型，如EPON網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，則需要根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)自行構(gòu)建[6]。自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型采用自下而上的建模方法，首先要根據(jù)協(xié)議定義好進(jìn)程模型，再依次在進(jìn)程模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建節(jié)點(diǎn)模型，建好的節(jié)點(diǎn)模型可在Object Palette中找到，最后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ňW(wǎng)絡(luò)模型。

OPNET Modeler中同樣沒有WDM EPON系統(tǒng)的協(xié)議模塊，要進(jìn)行其帶寬分配算法的仿真必須根據(jù)其擴(kuò)展的MAC協(xié)議自行建立仿真系統(tǒng)，因EPON的上行帶寬分配是其關(guān)鍵技術(shù)問題，本文重點(diǎn)考慮上行多波長及其統(tǒng)計(jì)復(fù)用的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

3.1 OLT模型

OLT節(jié)點(diǎn)模型由主處理模塊和發(fā)送/接收模塊組成，上行多信道通過連接接收模塊和主處理器模塊之間鏈路的通信信道數(shù)進(jìn)行設(shè)置，多個(gè)通信信道彼此之間是獨(dú)立的。主處理模塊是節(jié)點(diǎn)模型的核心模塊，也就是其協(xié)議模塊，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖所表示的進(jìn)程模塊如圖4，按照IEEE802.3ah協(xié)議，OLT主要功能是接收ONU發(fā)送的上行數(shù)據(jù)流，若是REPORT幀，則根據(jù)ONU 的請(qǐng)求按照一定的DWBA進(jìn)行帶寬分配，然后向各ONU發(fā)送授權(quán)GATE幀；若是上行數(shù)據(jù)幀，則進(jìn)行性能統(tǒng)計(jì)，然后銷毀該數(shù)據(jù)幀。OLT處理器的事件處理流程如下：初始化階段完成系統(tǒng)鏈路的連接和系統(tǒng)參數(shù)的初始化，完成系統(tǒng)初始化之后進(jìn)入預(yù)發(fā)現(xiàn)過程，該過程可看成是初始化過程的一部分，這里OLT給每個(gè)ONU分配一個(gè)授權(quán)窗口，由于不知道各ONU的環(huán)路時(shí)延，將都以最大環(huán)路時(shí)延計(jì)算授權(quán)窗口大小。此后則基于包中斷或自中斷進(jìn)行下一事件的調(diào)度。其中上行帶寬分配算法是在收到REPORT幀之后完成，處理完DWBA算法后通過產(chǎn)生自中斷發(fā)送授權(quán)GATE幀。

圖4 OLT處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.2 ONU模型

ONU節(jié)點(diǎn)模型由主處理模型、用戶流量生成模型和發(fā)送/接收模型組成，主處理器模型是其協(xié)議模型，其主要功能是將接收到的用戶數(shù)據(jù)包進(jìn)行隊(duì)列緩存，并根據(jù)OLT給其授權(quán)的帶寬發(fā)送上行數(shù)據(jù)。如圖5是ONU協(xié)議模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，初始化階段完成系統(tǒng)鏈路的連接、ONU地址的分配和狀態(tài)信息的初始化等。為了更詳細(xì)的說明ONU協(xié)議模型的功能，圖6給出了ONU協(xié)議模型基于離散事件仿真的事件處理流程，初始化完成后將進(jìn)入空閑狀態(tài)，由中斷啟動(dòng)下一個(gè)事件的處理。ONU同樣有包中斷或自中斷2種，包中斷區(qū)分來自用戶數(shù)據(jù)的包中斷和來自O(shè)LT下行數(shù)據(jù)的包中斷，在處理OLT的授權(quán)GATE信息時(shí)生成發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送REPORT的自中斷。根據(jù)以太網(wǎng)包不可被拆分的特點(diǎn)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)以1個(gè)數(shù)據(jù)包為單位逐個(gè)發(fā)送，在每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束時(shí)生成結(jié)束發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包的自中斷，再進(jìn)入循環(huán)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，直到授權(quán)的上行傳輸窗口結(jié)束為止。在事件的處理過程中需要統(tǒng)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息以做仿真分析。

圖5 ONU處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖6 ONU協(xié)議模型的事件處理流程

流量生成模型是ONU節(jié)點(diǎn)中用于模擬用戶業(yè)務(wù)流量的模型，該模型對(duì)業(yè)務(wù)模擬的準(zhǔn)確性決定了系統(tǒng)仿真性能的準(zhǔn)確性，是算法仿真、系統(tǒng)性能評(píng)估的關(guān)鍵。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流被證明具有自相似和長相關(guān)特性，通常采用Self-Similar流量模型能夠更精確地模擬。Self-Similar流量通常采用多個(gè)基于帕累托分布的ON/OFF狀態(tài)疊加而成，ON為數(shù)據(jù)流產(chǎn)生狀態(tài)，OFF為無數(shù)據(jù)流產(chǎn)生狀態(tài)，即數(shù)據(jù)流間隔。因此，ONU的流量生成模型如圖7，流量大小和流量到達(dá)間隔均遵守帕累托分布，帕累托分布形狀參數(shù)和均值都作為模型的屬性來設(shè)定，可根據(jù)需要進(jìn)行更改。根據(jù)分布函數(shù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)包生成則產(chǎn)生自中斷，從而將數(shù)據(jù)包發(fā)送給ONU主處理器模塊。

圖7 ONU流量生成模型

3.3 ODN模型

WDM EPON網(wǎng)絡(luò)中的ODN通常采用AWG作為復(fù)用/解復(fù)用器或波長路由器，它與TDM EPON的無源光分路器(POS)主要的不同就在于輸入和輸出對(duì)應(yīng)的端口不同，這需要在頭文件中一一映射。下行方向?yàn)閺V播，從OLT端接收到的下行數(shù)據(jù)向所有連接ONU的下行端口復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)；上行方向有多個(gè)波長信道，每個(gè)波長信道都是多對(duì)一的映射關(guān)系。但ODN處理器最基本的功能仍然是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，主處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖8所示，其處理流程就是根據(jù)數(shù)據(jù)包流中斷進(jìn)行對(duì)應(yīng)端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖8 ODN處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.4 仿真系統(tǒng)拓?fù)?/p>

在完成上述的各協(xié)議模型和鏈路模型之后，則可搭建OLT 、ONU和ODN節(jié)點(diǎn)模型，這里最主要的是如何建立和區(qū)別多個(gè)上行波長信道，本文直接以連接模塊間的多個(gè)包流來表示多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信道，不同的包流通過索引值來區(qū)分，即相當(dāng)于不同的信道對(duì)應(yīng)有不同的信道ID。據(jù)此即可構(gòu)建WDM EPON仿真系統(tǒng)，如圖9是包含32個(gè)ONU、4個(gè)DWDM上行信道的仿真系統(tǒng)。這里一個(gè)關(guān)鍵問題是各ONU節(jié)點(diǎn)的環(huán)路時(shí)延的設(shè)置，一個(gè)方法是在系統(tǒng)模型中設(shè)置各鏈路的delay屬性來與RTT對(duì)應(yīng)，當(dāng)delay≠0時(shí)，通信鏈路將在pipeline中自動(dòng)產(chǎn)生與delay相等的傳播時(shí)延；另一個(gè)方法是將delay設(shè)為0，而將RTT作為ONU節(jié)點(diǎn)的屬性來設(shè)置，由初始化過程提取出來，并在以op_pk_send_delayed()方式發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)增加RTT的傳播時(shí)延。

圖9 WDM EPON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語

本文研究了基于IEEE802.3ah 定義的MPCP協(xié)議擴(kuò)展的WDM EPON 的MAC協(xié)議，并基于OPNET設(shè)計(jì)了WDM EPON設(shè)備協(xié)議模型，并建立了兼容現(xiàn)有EPON的TDM/WDM EPON通用仿真系統(tǒng)，開發(fā)了WDM EPON系統(tǒng)中主要設(shè)備的協(xié)議模型，為其DWBA算法的研究構(gòu)建了仿真平臺(tái)。

[1]Qianjun Shuai，Jianzeng Li，Jinyao Yan，Weijia Zhu.NGA Networks：A Survey of Architectures，Resource Assignments for WDM EPONs[C].in Proc.of 3rd International Conference on Computer Design and Applications (ICCDA 2011)，Xi’an，Shaanxi，China，May.2011.

[2]帥千鈞，李鑒增.EPON寬帶接入網(wǎng)DBA技術(shù)的研究[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，17(1)：23-29.

[3]IEEE Standard 802.3ah[S].

[4]McGarry M，Maier M and Reisslein M.WDM Ethernet Passive Optical Networks[J].IEEE Communications Magazine，2006，44(2)：18-25.

[5]張銘，竇赫蕾，常春藤.OPNET Modeler 與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[6]龔建華，柯賡.基于OPNET Modeler的EPON建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(4).

DesignofSimulationSystemforTDM/WDMEPONsBasedonOPNETModeler

SHUAI Qian-jun1，2，ZHU Wei-jia2，LI Jian-zeng1，NI Ye-peng2

(1.Information Engineering Academy，Communication University of China，Beijing 100024，China; 2.Computer and Network Information Center，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper investigated the solution of system architectures for TDM/WDM EPON based next-generation access networks.And，designed a kind of generic simulation system architecture for TDM/WDM EPON in OPNET Modeler，introduced the methods of building the modelers of user defined protocol.At the end，a TDM/WDM EPON simulation system is built using OPNET which can be the general evaluation platform of the further research on the upstream dynamic wavelength bandwidth assignment algorithms for EPONs.

broadband access networks；WDM EPON；MPCP；DWBA；OPNET Modeler

2012-10-30

帥千鈞(1978-)，女(漢族)，湖北黃岡人，中國傳媒大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中心.E-mail：sqj@cuc.edu.cn

TN915.6

A

1673-4793(2013)01-0021-05

(責(zé)任編輯：王謙)