王旺++鄒垚昭++陶佳鳴++陳健

文章編號：2095-6835（2016）17-0110-02

摘 要：在軟件定義無源光網絡架構的基礎上，設計了一種基于軟件定義的OFDM-PON控制協(xié)議ExtendedOpenFlow。該協(xié)議通過擴展原有的標準OpenFlow協(xié)議，實現了對OFDM-PON網絡上下行鏈路的控制。對協(xié)議的丟包率、吞吐量等性能在OMnet++平臺上進行了仿真，仿真結果顯示，提出的協(xié)議能較好地保障各業(yè)務的服務質量。

關鍵詞：軟件定義；OFDM-PON；OpenFlow；控制協(xié)議

中圖分類號：TN915.62 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.110

近年來，網絡技術的快速發(fā)展和商業(yè)需求的不斷增多使越來越多的企業(yè)需要改變網絡結構。光纖通信作為其中的重要技術，對信息技術產業(yè)起到了極大的推動作用。隨著網絡規(guī)模的迅速擴大，用戶對接入網的帶寬需求也隨之快速增長。無源光網絡（Passive Optical Networks，PON）技術作為下一代接入網技術被提出，并受到廣泛關注，它在提升網絡效率和靈活性，降低網絡成本等方面都有顯著優(yōu)勢。PON是一種點對多點的樹狀網絡拓撲結構，光線路終端（OLT）通過一個無源光分發(fā)器連接數個光網絡單元（ONU）。終端設備傳輸的數字信號在ONU內轉變成光信號，光分發(fā)器分發(fā)來自OLT的光信號至各個ONU，并傳送從各個ONU發(fā)送過來的復合信號到OLT。另外，云技術和移動互聯網的發(fā)展使企業(yè)網絡積極在動態(tài)網絡控制和管理方面尋求解決辦法，因此，軟件定義網絡（Software Defined Networks）在流控制、網絡負載平衡和性能管理等方面的優(yōu)勢使其得到關注和應用。典型的SDN架構將數據平臺與控制平臺分離，使用OpenFlow協(xié)議實現網絡中控制機與轉發(fā)設備之間的通信?；谝陨厦枋?，本文提出了一種將SDN技術應用到OFDM-PON中作為其控制協(xié)議的方案。

1 基于SDN的PON網絡結構

將SDN應用在PON中的方法有很多，一種可行的方案是設計一種新的協(xié)議，使PON設備成為可編程的單元，使OLT和ONU的數據處理和轉發(fā)性能達到最優(yōu)。但是設計這樣一種適用于PON的基于SDN的通用協(xié)議需要很多標準化的工作和較長的時間，本文提出了另外一種方法，就是基于已經廣泛使

用的SDN控制協(xié)議OpenFlow的方案，使其不局限于PON的拓撲結構，可以應用于其他網絡結構或者應用中。

OpenFlow交換機結構包含三個部分：①流表（Flow Table），為交換機進行轉發(fā)策略控制的核心數據結構，通過查找流表表項來決策對進入交換機的網絡流量采取合適的行為；②控制器（Controller），為運行遠程控制進程的外部單元，通過OpenFlow協(xié)議管理交換機，控制器可以增減以及更新流表中的表項；③安全信道（Secure Channel），為實現控制器和交換機的通信。OpenFlow交換機的邏輯方案如圖1所示。

OpenFlow協(xié)議最初設計是為以太網物理層的L2/L3交換使用，所以它并不能直接應用在PON中。以GPON為例，盡管GPON中有以太網幀，但實際上它是在L1層上攜帶有自己專門的幀和GEM（GPON Encapsulation Method）協(xié)議，用來封裝上層的協(xié)議數據單元到GTC（GPON Transmission Convergence）層，所以需要添加相關的PON功能到現有的OpenFlow協(xié)議中，我們將修改之后的協(xié)議稱為“ExtendedOpenFlow”?；贓ntendOpenFlow的PON框架結構如圖2所示。

2 基于SDN的OFDM-PON控制協(xié)議

與其他PON系統(tǒng)類似，OFDM-PON系統(tǒng)也是基于點對多點的網絡拓撲結構創(chuàng)建的。在EPON/GPON 系統(tǒng)中，基于其一維映射的特點，在流量轉發(fā)控制時需要考慮的因素較少。OFDM-PON 與其他PON 不同，它有很大的控制自由度，主要表現在：①頻率不同的頻道被當作透明管道，一個管道包含一個或多個正交的子載波，被OLT 安排給某個ONU 或某個業(yè)務；②根據業(yè)務流量的大小、頻道的寬窄（即一個頻道中用于傳輸數據的子載波數目）可以變化；③根據業(yè)務流量的大小，每個子載波上的調制格式可以調節(jié)，可自適應決定信號星座圖，甚至在極端條件下完全關閉某個子載波。所有這些調度可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的，即調度方案隨時間變化，形成頻率、幅（度）/相（位）、時間的三維調度。因此，在為OFDM-PON設計控制協(xié)議時，需要從子載波調度、調制格式、時間三個維度來考慮。

ExtendedOpenFlow協(xié)議主要提供OFDM-PON中的QAM調制、FFT/IFFT、子載波分配、時域分配等控制。每一個流表中都包含多個表項，表項包含匹配域、計數器和指令。ExtendedOpenFlow定義了新的與OFDM-PON相關的操作。在流表的匹配域中，增加兩個字段Send和Recv，分別占三個字節(jié)和兩個字節(jié)，如圖3所示。Send字段下行傳輸給ONU，通知ONU采用何種調制方式、哪個子載波以及何時傳送上行數據；Recv字段告知ONU下行數據的調制格式以及所用子載波號。

3 性能分析

為了驗證本文提出的控制協(xié)議，在OMnet++平臺對該協(xié)議進行了仿真，并且對實驗結果進行分析，仿真系統(tǒng)如圖4所示。設定系統(tǒng)的上行帶寬為10 Gbps，系統(tǒng)由一個OLT和3個ONU組成，ONU與OLT之間的距離設定為20 km。Traffic作為產生流量的服務器，共產生三個類型的業(yè)務，分別為EF（快速轉發(fā)，優(yōu)先級最高）、AF（確保轉發(fā)）、BE（盡力轉發(fā)，優(yōu)先級最低）。仿真中設定有1 024個子載波。

我們設置了大小不同的業(yè)務量來模擬網絡中用戶數據業(yè)務不同時，網絡的各項性能不同。通過網絡負載變量控制各項業(yè)務數據的產生，并且將產生的業(yè)務速率對網絡帶寬歸一化，即當網絡負載為1時，對應的業(yè)務數據總量為網絡總帶寬。通過仿真，可以得到在不同網絡負載的情況下該協(xié)議與服務質量相關的平均丟包率和吞吐量性能。圖5所示為仿真得到的平均丟包率曲線，當網絡負載大于0.8時，AF業(yè)務和BE業(yè)務丟包率增速放緩，且AF業(yè)務丟包率低于BE業(yè)務，業(yè)務一直保持很低的丟包率，且比較平穩(wěn)。這是因為在帶寬分配時，引入了帶寬預分配的結果。仿真得到的吞吐量性能曲線如圖6所示，與未使用控制協(xié)議的OFDM-PON系統(tǒng)相比，我們提出的協(xié)議具有更好的性能。

4 結束語

目前關于SDN和PON的研究越來越多，但基本上都集中在對GPON和EPON的研究上，將SDN應用在OFDM-PON中的研究成果還較少。本文將SDN中OpenFlow協(xié)議擴展到OFDM-PON中，并對提出的ExtendedOpenFlow協(xié)議性能進行了仿真。作為簡單的控制協(xié)議，為各個優(yōu)先級的業(yè)務提供了較好的服務質量保障。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕