吳金秀， 胡善岳

(1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438000;2.中國(guó)人民解放軍 96623 部隊(duì)職教中心，江西 上饒 334400)

0 引言

以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EthernetPassiveOptical Networking，EPON)是嶄新的接入技術(shù)，這個(gè)技術(shù)不僅提供了千兆傳輸帶寬，同時(shí)價(jià)格低且穩(wěn)定，幾乎成了以太網(wǎng)絡(luò)的代名詞，主要的系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)商已經(jīng)在開(kāi)發(fā)EPON系統(tǒng)并與下一代的寬帶接入技術(shù)相結(jié)合［1］。所以被稱呼為“無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)”是因?yàn)橛袆e于傳統(tǒng)的電信機(jī)房局端及客戶端的連接，這其中并沒(méi)有一個(gè)有源電子設(shè)備裝置介于該接入網(wǎng)絡(luò)之間，這樣的優(yōu)勢(shì)大大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操作、維護(hù)及成本［2］，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為相比于一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖網(wǎng)絡(luò)中，其所使用的光纖并不需要很多。

EPON系統(tǒng)由光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)與無(wú)源光分路器(Passive Optical Splitter，POS)組成。一般而言，OLT存在于局端電信機(jī)房(Central Office，CO)，多為以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或媒體轉(zhuǎn)換器平臺(tái)，ONU則多置于靠近客戶端，如路邊、建筑物或用戶住處，ONU則提供802.3ah廣域網(wǎng)(WAN)接口及802.3ah客戶端接口。在傳輸速率及傳輸距離上，EPON可以支援1.25 Gbps對(duì)稱速率，最大傳輸距離可達(dá)20 km。1個(gè)EPON可以接16、32或64個(gè)ONU。至于在光波長(zhǎng)的運(yùn)用上，EPON使用了1 310、1 490 nm波長(zhǎng)，其中1 310 nm波長(zhǎng)系負(fù)責(zé)承載由ONU端往OLT端傳送的上傳數(shù)據(jù)資料［3］，而1 490 nm波長(zhǎng)則系負(fù)責(zé)承載由 OLT端往ONU端傳送的下行數(shù)據(jù)資料，如圖1所示。

OLT至ONU下行方向，是以點(diǎn)到多點(diǎn)(P2MP)的方式進(jìn)行傳輸，并交由用戶接收端擷取所需的訊號(hào)，此特性促使其容易提供視頻組播傳輸?shù)姆?wù)。在EPON的網(wǎng)管方面，OLT是主要的控制中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能。

至于ONU上行傳輸?shù)奶幚矸绞剑瑒t十分復(fù)雜。ONU的上行傳輸是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)的方式，按照OLT中的控制機(jī)制進(jìn)行，采用分時(shí)多工((Time Division Multiplex;TDM)協(xié)定，此協(xié)定對(duì)每一個(gè)ONU分配專用的傳輸時(shí)隙(Time Slot)，可以防止來(lái)自不同ONU的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生碰撞［4］。

1 排程機(jī)制問(wèn)題描述

EPON系統(tǒng)中還有動(dòng)態(tài)頻寬分配機(jī)制，請(qǐng)求帶寬(REPORT)和指派帶寬(GATE)訊息是動(dòng)態(tài)頻寬分配機(jī)制中最重要的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它們決定整個(gè)EPON系統(tǒng)的效能及效率［5］。近來(lái)，許多研究者致力于提升EPON系統(tǒng)的傳輸?shù)男屎拖鳒p營(yíng)運(yùn)成本，根據(jù)他們的演算法及模擬的結(jié)果，確實(shí)使得整個(gè)EPON系統(tǒng)日趨完美。此外，有許多的假設(shè)在背后支持著他們的理論。在IPACT的論文中，提到了一個(gè)時(shí)間周期自適應(yīng)(pulling adaptive cycle time)插入的機(jī)制，它假設(shè)新的頻寬要求將會(huì)更新到位于暫存區(qū)的空間并且在下一個(gè)周期時(shí)從ONU直接送給OLT。在優(yōu)先級(jí)排程的機(jī)制中，它只考慮到資料封包的優(yōu)先順序，并沒(méi)有提到GATE訊息的排程機(jī)制，在實(shí)際的狀況下［6］，OLT必須同時(shí)管理下游及上游的交通，無(wú)論是在傳輸狀態(tài)或是在計(jì)算頻寬分配的狀態(tài)下。這是一個(gè)非常詭異的情況，因?yàn)樗杏嘘P(guān)于動(dòng)態(tài)頻寬分配機(jī)制的假設(shè)都忽略了GATE訊息排程的問(wèn)題，在EPON網(wǎng)絡(luò)的拓樸中，OLT與所有的ONU互相連接，每一個(gè)ONU都擁有他們自己的內(nèi)部?jī)?yōu)先權(quán)排列，在此篇論文中將省略O(shè)NU內(nèi)部?jī)?yōu)先權(quán)排列排程的機(jī)制［7］，在真實(shí)狀況下，在作下游傳輸時(shí)可能會(huì)遭遇到GATE message排程的問(wèn)題。

在理論上，有三種機(jī)制可以決定如何在EPON系統(tǒng)中傳布GATE訊息［8］，GATE訊息將插在ONU高優(yōu)先權(quán)排列的最前面，也就是說(shuō)，當(dāng)ONU收到由OLT所傳來(lái)的GATE訊息時(shí)，ONU將會(huì)立即的處理并且送出REPORT訊息給OLT。第二種GATE訊息排程的機(jī)制，當(dāng) OLT傳送 GATE訊息給 ONU時(shí)，ONU會(huì)將GATE訊息安插在ONU內(nèi)高優(yōu)先權(quán)排列的前面，在此同時(shí)，在ONU內(nèi)部可能會(huì)有資料封包正在被處理，如同圖6所示位于高優(yōu)先權(quán)排列的一號(hào)封包，GATE訊息將會(huì)被插入在一號(hào)封包及二號(hào)封包之間，即一號(hào)封包的后面二號(hào)封包的前面。GATE訊息在ONU中必須要有最高的優(yōu)先權(quán)。第三種 ONU所進(jìn)行的 GATE訊息排程機(jī)制是將從OLT傳來(lái)的GATE訊息放在ONU高優(yōu)先權(quán)排列的最后面，GATE訊息將會(huì)被放置于高優(yōu)先權(quán)排列的最后面等待著被ONU處理。

2 模擬與分析比較

2.1 模擬的模型

提出一套模型來(lái)說(shuō)明在不同的資料封包大小、流量下［9］，對(duì)于三種不同GATE訊息排程對(duì)整個(gè)EPON系統(tǒng)所帶來(lái)的影響及效能沖擊。

現(xiàn)假設(shè)GATE訊息會(huì)被指派到每個(gè)ONU最優(yōu)先的隊(duì)列，不考慮中、低優(yōu)先排列，假設(shè)在EPON系統(tǒng)有n個(gè)ONUs，也就是說(shuō)OLT將會(huì)送n個(gè)GATE messages給各個(gè)ONU，而每個(gè)ONU的GATE訊息將會(huì)被插入到ONU的高優(yōu)先排列中，對(duì)于GATE訊息所插入的位置與排程優(yōu)先順序共有三種不同的選擇:①插入在高優(yōu)先排列的最前面［10］;②插入在高優(yōu)先排列的中間;③插入在高優(yōu)先排列的最后面。

利用以上所假設(shè)的條件來(lái)針對(duì)這三種不同的排程來(lái)分析，設(shè)法找出何種GATE訊息的排程對(duì)于整個(gè)EPON系統(tǒng)的效能影響最小且最有效率。

(1)插入高優(yōu)先排列的最前面。將GATE message插入在ONU高優(yōu)先排列 的最前面［11］，如圖8:t為OLT傳送GATE message至ONU的時(shí)間，t1為ONU開(kāi)始處理GATE訊息的時(shí)間，根據(jù)計(jì)算:

圖1 第一種GATE訊息排程說(shuō)明

式中，td為EPON系統(tǒng)在插入GATE訊息前將目前正在ONU傳輸?shù)姆獍Ｖ够蛑袛嗨枰奶幚頃r(shí)間，它是根據(jù)EPON系統(tǒng)中的網(wǎng)元管理系統(tǒng)(Element Management System，EMS)從發(fā)命令到OLT并由 OLT傳送給ONU的高優(yōu)先排列所消耗的時(shí)間所計(jì)算出來(lái)的。由式(1)可以算出T的值為:

(2)插入高優(yōu)先排列的中間。將GATE message插入在ONU高優(yōu)先排列 的中間，如圖2中，t為OLT傳送GATE message至ONU的時(shí)間，t1為ONU開(kāi)始處理GATE message的時(shí)間，tq為GATE訊息插入前第一封包處于高優(yōu)先級(jí)的處理時(shí)間。

根據(jù)計(jì)算:

根據(jù)我們之前的假設(shè)，tq有可能會(huì)有三種狀況，分別是PL/US、PM/US以及PdS/US，tq的大小會(huì)因高優(yōu)先排列里的第一個(gè)封包大小會(huì)有所改變［12］。

圖2 第二種GATE message排程說(shuō)明

(3)插入高優(yōu)先排列的最后面。將GATE message插入在ONU高優(yōu)先排列的最后面，如圖3中，t為 OLT傳送 GATE message至 ONU的時(shí)間，t1為ONU開(kāi)始處理GATE message的時(shí)間，tQis為GATE訊息插入前下一封包處于高優(yōu)先級(jí)的處理時(shí)間，根據(jù)計(jì)算:

假設(shè)ONU在處理GATE message前在ONU的高優(yōu)先排列內(nèi)還有n個(gè)packages等待處理，n個(gè)packages的大小是隨機(jī)分布的［13］，在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境下，高優(yōu)級(jí)先排列內(nèi)的packages分布會(huì)有兩種不同的狀況:

①假設(shè)大、中、小封包在高優(yōu)先排列內(nèi)是平均分布。經(jīng)過(guò)計(jì)算

② 假設(shè)高優(yōu)先排列內(nèi)的packages size并不是平均分配，則我們必須多考一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)λ，λ為ONU高優(yōu)先排列內(nèi)封包的size大小，λ值會(huì)直接影響到tQ的大小。

根據(jù)式(7)，我們可以推演出若高優(yōu)先排列內(nèi)的packages為非平均分配［14］，則tQ的值為:

根據(jù)λ的值可以判斷ONU高優(yōu)先排列內(nèi)封包size的分布狀況，同時(shí)λ也會(huì)影響到GATE訊息在ONU高優(yōu)先排列內(nèi)等待的時(shí)間，在整個(gè)EPON系統(tǒng)中，我們將λ的值分成三個(gè)不同的level，這三種不同的level同時(shí)也代表高優(yōu)先排列的狀態(tài)，其分類如下:

●Light Level:表示高優(yōu)先排列內(nèi)等待處理的封包其packet size偏小，也就是說(shuō)這些等待被處理的封包會(huì)比較快被處理，封包在queue等待的時(shí)間也比較短［15］，我們假設(shè)在此狀態(tài)下的 λ 值為0.5。

●Middle Level:表示高優(yōu)先排列內(nèi)等待處理的封包其package size驅(qū)近于平均分配，我們假設(shè)在此狀態(tài)下的λ值為1。

●Heavy Level:表示高優(yōu)先排列內(nèi)等待處理的封包其package size偏大，也就是說(shuō)這些等待被處理的封包需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能被處理完，封包在queue等待的時(shí)間也比較長(zhǎng)，我們假設(shè)在此狀態(tài)下的λ值為1.5。

圖3 第三種GATE message排程說(shuō)明

2.2 仿真模型分析

前面所討論的模型是根據(jù)唯有單一ONU存在的EPON系統(tǒng)，并沒(méi)有考慮到其他存在于EPON系統(tǒng)的ONU。在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，這種假設(shè)是不存在的，但是為了容易模擬，簡(jiǎn)化了整個(gè)EPON的系統(tǒng)架構(gòu)。三種不同GATE訊息的排程做了一個(gè)說(shuō)明［16］，同時(shí)計(jì)算出這三種排程所需要的處理時(shí)間及限制?，F(xiàn)在將對(duì)三種不同排程做一個(gè)分析比較，去探討這三種不同的排程是否會(huì)對(duì)整個(gè)EPON系統(tǒng)造成影響。

當(dāng)OLT收到由ONU傳來(lái)的REPORT訊息時(shí)，OLT會(huì)根據(jù)REPORT訊息的資訊產(chǎn)生一個(gè)GATE message并將此GATE message回傳給ONU，在EPON的系統(tǒng)中，存在著一個(gè)問(wèn)題，那就是所謂的Propagation Delay(分頁(yè)延遲)，這是OLT與ONU在溝通時(shí)所無(wú)法避免的一個(gè)問(wèn)題，不過(guò)在所提出的simulation模型中，我們不考慮Propagation Delay的問(wèn)題。不同的scheduling會(huì)產(chǎn)生不同的T。

在上一段的討論中，我們分析了單一ONU的模型，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的EPON系統(tǒng)，ONU的數(shù)目可能為4、8、16、32、64甚至達(dá)到64個(gè)以上，因此整個(gè)在OLT與ONU之間的通訊遠(yuǎn)比我們所模擬的要復(fù)雜的多。

根據(jù)IEEE 802.3ah的規(guī)范，定義了四種EPON的PHY modulation，分別是 10 Mb/s、100 Mbps、1 000 Mb/s和10 Gb/s。在Simulation analysis中，我們省略了10 Mb/s的PHY modulation，因?yàn)樵趯?shí)際的運(yùn)用上，EPON系統(tǒng)不太會(huì)使用10 Mb/s的速率來(lái)傳送，其成本與效率的CP值(Cost vs.Performance)太低，也不符合經(jīng)濟(jì)效益。EPON系統(tǒng)在high priority queue內(nèi)封包size偏小的狀態(tài)下，針對(duì)不同數(shù)量的ONU(1、4、8、16及32)與ONU Queue內(nèi)package的多寡(10、50及100)來(lái)計(jì)算并比較傳輸GATE訊息所需的時(shí)間，在封包size偏小的狀況下，當(dāng) EPON的 PHY Rate為100Mb/s且ONU的數(shù)量為32個(gè)，ONU的Queue內(nèi)還有100個(gè)package需要處理時(shí)，EPON系統(tǒng)需要100 ms來(lái)處理所有ONU的GATE messages。

如果物理層速率(PHY Rate)為1 000 Mb/s或是10 Gbps，則EPON系統(tǒng)處理GATE message的速度會(huì)增快許多，整個(gè)EPON系統(tǒng)的效率也會(huì)因此而提升。提升EPON系統(tǒng)的PHY Rate到1 000 Mb/s，則只需要10 ms就可以把EPON所需要處理的GATE message處理完畢。在封包size平均分配的條件下，EPON所需要處理GATE訊息的時(shí)間大約是輕載時(shí)的兩倍。由于EPON在一般負(fù)載的狀態(tài)時(shí)，ONU在處理GATE訊息之前，必須花更長(zhǎng)的時(shí)間去處理已經(jīng)存在于Buffer內(nèi)排隊(duì)準(zhǔn)備處理封包。封包size為平均分配狀態(tài)下，PHY Rate為1 000 Mb/s與10 Gbps時(shí)處理EPON系統(tǒng)GATE訊息所需的時(shí)間與效能比較［17］，效率明顯提升許多。queue內(nèi)封包size偏大時(shí)所計(jì)算出來(lái)GATE message的處理時(shí)間，由于queue內(nèi)的封包size增加，相對(duì)的，EPON系統(tǒng)所需要處理的時(shí)間也會(huì)增加，PHY Rate由100 Mb/s到1 000 Mb/s以至于到10 Gbps，處理GATE message的時(shí)間也從300 ms提升到30 ms以甚至于到3 ms。當(dāng)EPON系統(tǒng)的PHY Rate為100 Mb/s時(shí)，EPON處理GATE message所需要的時(shí)間為最長(zhǎng)，無(wú)論封包大小的分配與ONU的數(shù)量為何，這些因素皆不會(huì)影響所模擬出來(lái)的結(jié)果。

由此可見(jiàn)，EPON系統(tǒng)所使用的實(shí)體層占有其重要的地位，對(duì)整個(gè)EPON的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它支配著整個(gè)EPON系統(tǒng)的效能與使用率的高低，以目前市場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)況加上網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)科技多年來(lái)的沿革與改良(尤其是以Ethernet為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))，對(duì)于實(shí)體層部份的研發(fā)已經(jīng)不是一個(gè)艱深且難以克服的問(wèn)題，因此我們可以忽略這個(gè)瓶頸，并且用樂(lè)觀的角度去看待EPON網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)ONU內(nèi)queue的封包size偏大，EPON系統(tǒng)共有32個(gè) ONUs，且 PHY Rate在100 Mb/s的狀態(tài)下，EPON系統(tǒng)的ONUs收到了由OLT傳送過(guò)來(lái)的REQUEST message進(jìn)而產(chǎn)生GATE訊息并開(kāi)始處理，所需要的時(shí)間為300 ms，300 ms對(duì)EPON系統(tǒng)來(lái)說(shuō)算是一個(gè)很嚴(yán)重的delay，假設(shè)EPON系統(tǒng)的ONU數(shù)量大于32個(gè)，如64或是128個(gè)，那么處理GATE訊息的時(shí)間可能需要500 ms甚至1 s以上。

再檢視在相同假設(shè)下但PHY Rate分別為1 000 Mb/s與10 Gbps的EPON系統(tǒng)，它們處理32個(gè)ONU GATE訊息所需的時(shí)間只需要30 ms與3 ms，如果EPON系統(tǒng)所連結(jié)的ONU超過(guò)32個(gè)，如64或是128個(gè)，ONU處理GATE訊息所需要的時(shí)間對(duì)于EPON系統(tǒng)所造成影響會(huì)遠(yuǎn)比100 Mb/s來(lái)得小，因此，以前研究EPON排程的專家學(xué)者針對(duì)EPON下載流量所作的假設(shè)(忽略O(shè)LT對(duì)ONU的scheduling)只能成立在EPON的PHY Rate為1 000 Mb/s以上的條件下，在高PHY Rate的條件下，下游的排程是可以不被考慮的，因?yàn)樗鼘?duì)于整個(gè)EPON系統(tǒng)的效能不會(huì)造成太大的沖擊與影響。

在IEEE 802.3ah的規(guī)范中，定義了四種不同的PHY Rate，除了1 000 Mb/s與10 Gbps之外，還有10 Mb/s與100 Mb/s，低速的PHY Rate對(duì)整個(gè)EPON的使用率(Utilitization)是非常低的，尤其是10 Mb/s，但是在某些特殊的環(huán)境下如規(guī)模較小的城鎮(zhèn)或是學(xué)校機(jī)關(guān)，它們或許不需要 1 000 Mb/s或是 10 Gbps的EPON系統(tǒng)，100 Mb/s的EPON網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些小規(guī)模的使用者來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)綽綽有余了，當(dāng)然，其中可能牽涉到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與建設(shè)的成本，維護(hù)管理等因素。對(duì)于100 Mb/s的EPON網(wǎng)絡(luò)，還是有其必要去解決排程方面的問(wèn)題，若能改善整個(gè)EPON排程進(jìn)而提升EPON的整理效率，不但對(duì)電信業(yè)者來(lái)說(shuō)是一大福音，對(duì)于終端的使用者也是個(gè)好消息，因?yàn)榫涂梢曰ㄙM(fèi)更少的成本得到更快速、更完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

［1］ITU-T recommendation G.983.1.“Broadband Optical Access Systems based on Passive Optical Networks(PON)”，Janurary 2011(9):56-58.

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