殷愛菡，陳 冬，張思瑤，鄭玉虹，林 瑤（華東交通大學信息工程學院，江西　南昌330013）

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基于SLA的動態(tài)分組算法研究

殷愛菡，陳 冬，張思瑤，鄭玉虹，林 瑤
（華東交通大學信息工程學院，江西南昌330013）

摘要：提出一種基于SLA的動態(tài)分組算法，有效解決系統(tǒng)帶寬利用率低下、時延難以保證等問題。算法根據(jù)當前網(wǎng)絡情況改變輪詢周期并且實現(xiàn)下一周期業(yè)務的提前授權(quán)，較好的優(yōu)化了帶寬時隙浪費問題。通過OPNET對算法進行仿真以及與其它帶寬分配方案的比較分析表明該算法具有良好的帶寬利用率以及較低的系統(tǒng)時延特性。

關鍵詞：10 G/40 G EPON；帶寬分配；分組；SLA

隨著接入網(wǎng)的迅速發(fā)展，無源光網(wǎng)絡(passive optical network, PON)因其能夠滿足各種業(yè)務需求的特性成為接入網(wǎng)的首選，而10 G/40 G EPON被視為下一代理想寬帶接入網(wǎng)之一，受到越來越多的研究學者關注[1]。其中，如何合理分配、有效利用帶寬作為10 G/40 G EPON的研究熱點之一，吸引了眾多科研工作者[2]。根據(jù)大眾目前的多業(yè)務網(wǎng)絡需求，接入網(wǎng)必須滿足語音及視頻業(yè)務的實時性，同時要求更低的時延和抖動[3]。因此，為了針對不同接入網(wǎng)用戶的多業(yè)務需求，對于動態(tài)帶寬分配算法(dynamic bandwidth allocation, DBA)的研究是有必要的。EPON的動態(tài)帶寬分配算法大多是基于輪詢的方式,經(jīng)典的輪詢算法有IPACT算法[4]，BGP算法[5]等。然而這些帶寬分配算法基本存在輕負載惡化、公平性差、帶寬利用率低下以及難以保證時延等問題。近年來，又有一些新的帶寬分配算法被提出來用以優(yōu)化系統(tǒng)[6-7]，所以針對當前動態(tài)帶寬分配算法存在的問題，提出一種基于SLA的10 G/40 G EPON動態(tài)分組帶寬分配方案。

1 業(yè)務分組模型

根據(jù)以太網(wǎng)差分服務(differentiated services, DiffServ)模型[8]，用戶的帶寬業(yè)務被分為3個不同的等級：EF(expedited forwarding)業(yè)務、AF(assured forwarding)業(yè)務、BE(best effort)業(yè)務，它們的優(yōu)先級依次降低。EF業(yè)務對應的是固定比特速率的數(shù)據(jù)流的話音業(yè)務，需保證更低的時延和抖動；AF業(yè)務對應的是可變比特速率的數(shù)據(jù)流的視頻業(yè)務，需保證一定帶寬；BE業(yè)務對應的是對時延和抖動沒有要求的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，需提供盡力而為的服務。

圖1 業(yè)務分組模型Fig.1 Model of traffic group

首先，為了保證業(yè)務帶寬分配的公平性，如圖1所示，規(guī)定每個ONU的最大開窗時隙為Bimax，最小開窗時隙為0。將這三種不同等級的業(yè)務分為兩組：組1為EF業(yè)務，組2包括AF業(yè)務和BE業(yè)務，其中Report部分包含ONU組2長度以及剩余組1數(shù)據(jù)的信息。根據(jù)DiffServ協(xié)議，組1的優(yōu)先級高于組2，因此優(yōu)先發(fā)送組1數(shù)據(jù)，規(guī)定組1的最大時隙為Bg1max。

2 帶寬分配方案設計

假設10GEPON系統(tǒng)中包含有N個ONU，每一個ONU的傳輸速率為定值Ru，且每個上行單元間的保護時隙為Bp，由此不難得出OLT的最大授權(quán)帶寬BOLTmax為

因此，所有ONU的業(yè)務組2允許的最大時隙Bg2max為

其中：Wi是為每一個ONU的分配因子，該分配因子與ONU的業(yè)務服務等級SLA相關，當所有ONU的SLA相等時，它們的分配因子Wi也相等，故有

在OLT結(jié)束對ONU組1的授權(quán)之后，OLT繼續(xù)對ONU組2進行授權(quán)，當ONU組2數(shù)據(jù)請求帶寬小于組2數(shù)據(jù)所允許的最大時隙Bg2max時，其授權(quán)時隙Gi為

當ONU組2數(shù)據(jù)請求帶寬大于組2數(shù)據(jù)所允許的最大時隙Bg2max時，其授權(quán)時隙為

其中：Ri代表各ONU的組2數(shù)據(jù)所請求的時隙帶寬。

在一個完整的上行傳輸過程中，每個輪詢周期內(nèi)，ONU的數(shù)據(jù)按照業(yè)務等級分組發(fā)送，其發(fā)送的窗口大小對優(yōu)先級最高的EF業(yè)務的實時性沒有產(chǎn)生影響。

如圖2所示，Te代表OLT接收前一周期數(shù)據(jù)的結(jié)束時間，Ts代表OLT接收下一周期數(shù)據(jù)的開始間間。當ONU完成數(shù)據(jù)業(yè)務的分組之后，發(fā)送包含待發(fā)送的組1和組2數(shù)據(jù)的大小以及組1到達時間的Report消息。為了減少空閑時間、有效的利用帶寬，OLT在接收到組2開始的Report信息之后，若ONU仍然有剩余組1數(shù)據(jù)待發(fā)送，則向ONU發(fā)送Gate幀，而ONU在接收該Gate信息之后在Tx發(fā)送下一周期的組1數(shù)據(jù)。其中下一周期發(fā)送時間，Tx計算公式為

圖2 數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.2 Diagram of data transmission

其中RTT為環(huán)路延時。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型

使用OPNET網(wǎng)絡軟件對其進行建模仿真，并與靜態(tài)和其他動態(tài)DBA進行分析比較。OPNET是一款功能豐富強大的網(wǎng)絡仿真工具，能夠?qū)W(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)議模型、性能參數(shù)、QoS服務質(zhì)量進行設計、建模、分析和管理，充分的滿足了大型復雜網(wǎng)絡的仿真需求。為了有效模擬真實情況，建立一個包含16個ONU的模型。ONU到OLT的距離設置為5～20 km，上行與下行速率均是10 Gbit·s-1，輪詢周期設為2 ms。其中OLT的中心模塊server節(jié)點進程結(jié)構(gòu)如下圖所示。其工作流程為：在Init狀態(tài)下接收數(shù)據(jù)幀或控制幀，當接收到幀后，進入Start狀態(tài)，由于接收到的幀類型不同其進入的進程也不同；如果接收到的是數(shù)據(jù)幀，則表示ARRIVAL被激活，業(yè)務數(shù)據(jù)被發(fā)送到Rcv_pkt進程，完畢后返回Idle并且等待下一幀；如果若接收到的是控制幀，則表示REQUEST被激活，控制幀進入Request，完畢后返回Idle并且等待下一幀。其中等待處理的所有數(shù)據(jù)幀及控制幀都緩存在Idle隊列中。

ONU中心模塊buffer的進程結(jié)構(gòu)如下圖所示，與OLT相類似，一部分是處理數(shù)據(jù)幀，另一部分是處理控制幀，它們分別由ARRIVAL和GRANT負責激活。在Init狀態(tài)下開始接收數(shù)據(jù)幀或控制幀，由幀類型的不同進入不同的進程。Buffer將用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)幀排隊處理，而Grant則是響應從OLT發(fā)送的控制幀，完畢后，數(shù)據(jù)幀和控制幀都要返回到Idle。

圖3 OLT server進程結(jié)構(gòu)Fig.3 Process structure of OLT server

圖4 ONU buffer進程結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Process structure of ONU buffer

3.2 仿真結(jié)果分析

通過對系統(tǒng)進行建模之后，將方案添加在模型中進行仿真并且與靜態(tài)帶寬分配算法和動態(tài)帶寬分配算法在ONU平均時延和隊列長度以及網(wǎng)絡平均吞吐量方面進行了比較分析。圖5是系統(tǒng)平均吞吐量結(jié)果的比較示意圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)的吞吐量隨著負載的增加而迅速增大，3種方案在負載為0.9的時候吞吐量增長速度放緩，其中靜態(tài)帶寬分配基本沒有增長，而本方案的算法和IPACT動態(tài)帶寬分配算法仍有增長的趨勢，兩者基本保持一致性，但是提出的方案能夠擁有更高的吞吐量也說明在系統(tǒng)重負載的情況之下，帶寬利用率有明顯提高。

圖5 平均吞吐量結(jié)果比較Fig.5 Comparison of average throughput

圖6 時延特性比較Fig.6 Comparison of time delay

圖6是系統(tǒng)平均時延的結(jié)果比較示意圖。從圖中可以看出，三者都有隨著負載增加而時延增長的趨勢，其中靜態(tài)帶寬分配算法的表現(xiàn)最差，在平均負載為0.4時的時延就開始急劇增加；而其他動態(tài)帶寬分配算法和本方案的時延均在負載達到0.9時才急劇增加，并且本方案提出的分配算法較其他動態(tài)帶寬分配算法平均時延較低，表現(xiàn)優(yōu)于IPACT動態(tài)帶寬分配算法。通過仿真對比，基于SLA的動態(tài)帶寬分配方案具有以下特點：

1）能夠根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境動態(tài)改變輪詢周期，有效的進行帶寬的分配，避免了無謂的帶寬浪費；

2）方案不僅能夠保證高優(yōu)先級業(yè)務的帶寬需求及QoS，還充分考慮了中、低優(yōu)先級業(yè)務的公平性問題。將剩余帶寬按照中、低優(yōu)先級業(yè)務的優(yōu)先級對其進行分配，有效地保障中、低優(yōu)先等級用戶的權(quán)利；

3）對于下一周期業(yè)務的提前授權(quán)也減少了帶寬的浪費，能夠在當前周期結(jié)束之后以最短的時間開始下一周期的業(yè)務授權(quán)傳輸，將剩余帶寬再次進行有效的利用，避免了更多的貸款浪費。

4 結(jié)束語

提出的基于SLA的動態(tài)分組算法不僅在10 G/40 G EPON系統(tǒng)的輕負載惡化、公平性差的問題上表現(xiàn)良好，還通過動態(tài)調(diào)整不同業(yè)務的帶寬授權(quán)來進行帶寬優(yōu)化，另外對于下一周期業(yè)務的提前授權(quán)也起到了提高帶寬利用率的作用，有效的保證了系統(tǒng)傳輸?shù)馁|(zhì)量以及性能，使得系統(tǒng)能夠滿足用戶多業(yè)務的網(wǎng)絡需求。經(jīng)過對算法的仿真結(jié)果分析，證明算法在網(wǎng)絡吞吐量和實時時延方面具有一定的優(yōu)勢。本算法能夠更好地滿足用戶實時業(yè)務需求，有效提高網(wǎng)絡資源的利用率。

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（責任編輯 姜紅貴）

Research on Dynamic Grouping Algorithm Based on SLA

Yin Aihan, Chen Dong, Zhang Siyao, Zheng Yuhong, Lin Yao
（School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China）

Abstract：This study proposes a dynamic grouping algorithm based on SLA, which can effectively solve the problems of low bandwidth utilization rate and difficulty in guaranteeing delay. The proposed algorithm could make dynamic change according to actual condition and realize the authorization in advance of the next cycle, thus optimizing the bandwidth time slot. By simulating the algorithm with OPNET, comparing with other schemes, it proves that the algorithm has the better bandwidth utilization and characteristics of lower system time delay.

Key words：10 G/40 G EPON; bandwidth allocation; grouping; SLA

中圖分類號：TN919

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）03-0106-04

收稿日期：2015－11－30

基金項目：國家自然科學基金項目(61262079)；2014年江西省大學生創(chuàng)新項目(20141040402)

作者簡介：殷愛菡（1963—），女，教授，博士，研究方向為光通信技術(shù)。