何 睿，葉建芳，石 健，施 思

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

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HQoS在GPON系統(tǒng)中的應(yīng)用與優(yōu)化*

何 睿，葉建芳，石 健，施 思

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

在光進(jìn)銅退的趨勢下，以GPON(Gigabit Passive Optical Network)搭建的光纖接入網(wǎng)應(yīng)用場景不斷增多。用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求以及運(yùn)營商減少建設(shè)成本的需求，使得QoS技術(shù)發(fā)展迅猛。傳統(tǒng)的QoS已經(jīng)不能滿足現(xiàn)網(wǎng)的需求，層次化服務(wù)質(zhì)量HQoS(Hierarchical Quality of Service)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多層次的流量管理，能更好地幫助運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)多用戶、多業(yè)務(wù)的服務(wù)管理。針對現(xiàn)有接入網(wǎng)HQoS模型，提出了區(qū)分組播業(yè)務(wù)進(jìn)行單獨(dú)QoS處理的改進(jìn)意見，并對改進(jìn)模型進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用的模擬測試。測試結(jié)果表明，改進(jìn)模型能夠?qū)Σ煌脩舨捎貌煌恼{(diào)度策略，并可針對組播業(yè)務(wù)做單獨(dú)的QoS處理。

GPON(Gigabit Passive Optical Network)；HQoS(Hierarchical Quality of Service)；組播

0 引言

隨著寬帶業(yè)務(wù)的普及和光進(jìn)銅退的趨勢，以及GPON系統(tǒng)在光纖接入網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展，運(yùn)營商對業(yè)務(wù)的傳輸距離、寬帶、可靠性和低運(yùn)營成本提出越來越高的要求[1-2]。而流量高峰時段，可能出現(xiàn)速率過大，產(chǎn)生丟包，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，針對這種情形，廣泛使用QoS策略以保證重要客戶業(yè)務(wù)，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[3]。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)中通過QoS技術(shù)來區(qū)分不同類型的業(yè)務(wù)，從而提供相應(yīng)的服務(wù)。但隨著用戶規(guī)模的擴(kuò)大，業(yè)務(wù)種類的增多，傳統(tǒng)的QoS在應(yīng)用中遇到了難以解決的問題。

(1)傳統(tǒng)QoS技術(shù)是基于端口帶寬進(jìn)行調(diào)度的，這樣導(dǎo)致流量管理對用戶不敏感，只對服務(wù)等級敏感，適合網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)，但不適合業(yè)務(wù)接入側(cè)[4]；

(2)傳統(tǒng)QoS技術(shù)無法對多個用戶、多種業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和分層調(diào)度。

為解決上述問題，提供更好的QoS能力，迫切需要一種既能控制用戶的流量，又能同時對用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度的QoS技術(shù)。本文引入HQoS層次化服務(wù)質(zhì)量技術(shù)來滿足這一需求。該技術(shù)采用多級調(diào)度的方式，使設(shè)備具有內(nèi)部資源的控制策略，既能夠?yàn)楦呒売脩籼峁┵|(zhì)量保證，又能夠從整體上節(jié)約網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造成本。

1 HQoS的原理

GPON作為新一代的光接入設(shè)備，具有高速率、多業(yè)務(wù)的特點(diǎn)。GPON在組網(wǎng)方式上主要以樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主(包括星型和鏈型)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開通后，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑基本固定，如圖1所示。GPON接入技術(shù)主要應(yīng)用在FTTH、FTTB、FTTC、FTTO、FTTW和FTTM的組網(wǎng)場景中，支持語音、數(shù)據(jù)、視頻、專線接入和基站接入業(yè)務(wù)[5]。

圖1 運(yùn)營商現(xiàn)有寬帶接入方案

圖2給出了GPON系統(tǒng)寬帶接入模型，網(wǎng)絡(luò)由光鏈路終端(Optical Line Terminal，OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)、光分配網(wǎng)絡(luò)(Optical Distribution Network，ODN)組成。GPON在業(yè)務(wù)接入方面提供了足夠大的帶寬，單PON口上行速率可達(dá)1.25 Gb/s、下行速率可達(dá)2.5 Gb/s[6]。OLT上聯(lián)骨干網(wǎng)，下聯(lián)多個光分配網(wǎng)絡(luò)，在整個下行方向，由于是高速骨干網(wǎng)線路的流量轉(zhuǎn)發(fā)到低速PON網(wǎng)絡(luò)線路上，如果不在OLT中進(jìn)行QoS處理，將可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而導(dǎo)致承載業(yè)務(wù)的QoS無法得到保證。

圖2 PON寬帶接入模型

為了達(dá)到多等級、多層次調(diào)度的目的，引入層次化服務(wù)質(zhì)量技術(shù)將調(diào)度策略組裝成分層次的樹狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

樹狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)類型共有3種：根節(jié)點(diǎn)、分支節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)是流量的匯聚點(diǎn)，即PON口；處于最底層的每個葉子節(jié)點(diǎn)都分別與一個調(diào)度隊(duì)列相對應(yīng)，即承載的單個業(yè)務(wù)；處于中間層次的每個分支節(jié)點(diǎn)都分別與一個調(diào)度器相對應(yīng)。調(diào)度器可以對多個分組隊(duì)列或者多個子調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度。每個節(jié)點(diǎn)上還需要配置分類規(guī)則和控制參數(shù)。分類規(guī)則決定了流量的走向；控制參數(shù)決定了對于通過此節(jié)點(diǎn)的流量所作的控制動作[7]。

圖3 多級調(diào)度基本模型

2 GPON OLT中HQoS模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化

圖4給出了常用的基于單板的HQoS實(shí)現(xiàn)模型。

圖4 HQoS實(shí)現(xiàn)模型

該模型針對HQoS用戶進(jìn)行CAR限速，并根據(jù)承諾信息率(Committed Information Rate，CIR)和最高信息速率(Peak Information Rate，PIR)來標(biāo)記顏色，如果使能了基于優(yōu)先級的CAR(配置CAR門限)，還可以保證高優(yōu)先級的報(bào)文優(yōu)先被標(biāo)識為綠色和通過。針對HQoS用戶組做基于顏色的CAR，解決同一種業(yè)務(wù)租借帶寬的占用問題，保證HQoS用戶之間的公平調(diào)度，確保HQoS用戶業(yè)務(wù)的CIR，在帶寬許可的情況下滿足HQoS業(yè)務(wù)PIR的需求。

該HQoS模型對網(wǎng)絡(luò)承載的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)能夠進(jìn)行良好的優(yōu)先級調(diào)度處理，但在目前“三網(wǎng)融合”(電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)向?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)、數(shù)字電視網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn))過程中，該模型沒有對諸如IPTV等組播業(yè)務(wù)的優(yōu)先級處理進(jìn)行相應(yīng)的說明。并且由于組播業(yè)務(wù)要求在每個PON口下僅有惟一的一個單拷貝廣播(Single Copy Broadcast，SCB)數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道，所有組播媒體流數(shù)據(jù)均在同一個邏輯通道中傳輸，所以對組播業(yè)務(wù)的QoS處理在該模型中不適用[8]。對融合了組播業(yè)務(wù)的GPON系統(tǒng)接入網(wǎng)，需設(shè)計(jì)一個優(yōu)化的HQoS模型，圖5給出優(yōu)化后的層次化HQoS模型。

該模型綜合了前文提到的常用HQoS實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)點(diǎn)，并針對IPTV等組播業(yè)務(wù)流，提供了Group組的優(yōu)先調(diào)度策略，優(yōu)先保障PON口下組播流的速率。其次，對于OLT的PON口各用戶ONU而言，該模型提供ONU內(nèi)各業(yè)務(wù)以及ONU間業(yè)務(wù)的分級式層次化調(diào)度策略。該模型有三級優(yōu)先級調(diào)度，ONU內(nèi)單個隊(duì)列節(jié)點(diǎn)提供CIR和PIR的控制參數(shù)，單個ONU節(jié)點(diǎn)提供SP(Strict Priority，嚴(yán)格優(yōu)先級)、WRR(Weighted Round Robin，加權(quán)輪詢)的控制參數(shù)，L0節(jié)點(diǎn)提供對于多個ONU的加權(quán)輪詢的控制參數(shù)，PON口節(jié)點(diǎn)只提供嚴(yán)格優(yōu)先級的控制參數(shù)。該模型具有業(yè)務(wù)級和ONU級，兩級CIR、PIR保證，并有優(yōu)先保障組播業(yè)務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)化的HQoS調(diào)度模型采用業(yè)務(wù)級別、用戶級別再到業(yè)務(wù)級別的混合分層模式，每一級別可以使用不同的特征進(jìn)行流量管理。通過不同級別的隊(duì)列調(diào)度實(shí)現(xiàn)了多層次的流量管理，從而可以更好地幫助運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)多用戶、多業(yè)務(wù)的服務(wù)管理。可使用ACL過濾條件對數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)處理，能夠在入口源頭對接入網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行擁塞避免和優(yōu)先級處理。

圖5 優(yōu)化HQoS模型

3 HQoS的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在OLT中需經(jīng)過流分類、優(yōu)先級處理、流量監(jiān)管、擁塞避免和擁塞管理等QoS策略后，從出口端轉(zhuǎn)發(fā)出去，具體步驟如下：

(1)流分類，對入口進(jìn)來的數(shù)據(jù)流根據(jù)其VLAN、VLAN+Priority、VLAN+Port或者Port+VLAN+Priority區(qū)分HQoS用戶數(shù)據(jù)單播業(yè)務(wù)流，前兩種適用于單橋模型業(yè)務(wù)，后兩種適用于多橋模型業(yè)務(wù)；

(2)根據(jù)數(shù)據(jù)流優(yōu)先級或者其他ACL條件，確定數(shù)據(jù)流的內(nèi)部優(yōu)先級Local Priority。未做ACL流處理時，該數(shù)據(jù)流的內(nèi)部優(yōu)先級等于其802.1Q cos值，也可直接通過特定條件標(biāo)記該數(shù)據(jù)流的內(nèi)部優(yōu)先級；

(3)數(shù)據(jù)流根據(jù)其內(nèi)部優(yōu)先級，按照特定的規(guī)則進(jìn)入相應(yīng)的隊(duì)列(Queue)，每個ONU最多有8個隊(duì)列，默認(rèn)優(yōu)先級為0的進(jìn)隊(duì)列0，……優(yōu)先級為7的進(jìn)隊(duì)列7；

(4)單個ONU節(jié)點(diǎn)調(diào)度器對其隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度，此處可做嚴(yán)格優(yōu)先級或者加權(quán)輪詢的參數(shù)控制；

(5)L0節(jié)點(diǎn)調(diào)度器對該P(yáng)ON口下所有ONU的調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度，僅能使用加權(quán)輪詢的方式，但可以設(shè)置ONU調(diào)度時的權(quán)值，權(quán)值越大，ONU可容許的帶寬越大；

(6)最后在PON出口端優(yōu)先保證組播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

該HQoS模型實(shí)現(xiàn)了對多個ONU業(yè)務(wù)的三級層次化

表1 測試結(jié)果

如表1所示給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，ONU1內(nèi)各業(yè)務(wù)采用嚴(yán)格優(yōu)先級的調(diào)度策略，擁塞時先丟棄優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)，即先丟棄10 M優(yōu)先級為0的業(yè)務(wù)流，再丟棄5 M優(yōu)先級為1的業(yè)務(wù)流，而優(yōu)先級為2的業(yè)務(wù)流不丟包；ONU2各業(yè)務(wù)采用加權(quán)輪詢的調(diào)度策略，擁塞時各優(yōu)先級業(yè)務(wù)按權(quán)值通過，各優(yōu)先級業(yè)務(wù)流收包數(shù)相同(權(quán)值相等時)。

兩個ONU之間單播業(yè)務(wù)采用加權(quán)輪詢的調(diào)度策略，擁塞時各ONU單播業(yè)務(wù)按權(quán)值通過，按式(1)計(jì)算，ONU1、ONU2的單播數(shù)據(jù)流實(shí)際流速均為15M(權(quán)值相同時)。

(1)

PON口單播、組播業(yè)務(wù)采用嚴(yán)格優(yōu)先級的調(diào)度策略，擁塞時優(yōu)先保證組播業(yè)務(wù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出組播業(yè)務(wù)均不丟包。測試結(jié)果分析證明達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有的常用于傳輸網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的HQoS模型，提出了適用于接入網(wǎng)的區(qū)分并保障組播業(yè)務(wù)的HQoS改進(jìn)模型。模擬實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行測試，證明了改進(jìn)模型能夠?qū)Σ煌挠脩舨捎脝为?dú)的調(diào)度策略，并針對組播業(yè)務(wù)做單獨(dú)的保障組播業(yè)務(wù)QoS的處理。

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調(diào)度。第一級是每個ONU隊(duì)列之間的調(diào)度(這一級別的調(diào)度方式是可以更改的，默認(rèn)為SP)，第二級為每個PON口ONU與ONU之間的調(diào)度(這一級別的調(diào)度方式固定為WRR，權(quán)值可以更改，默認(rèn)每個ONU的權(quán)值為1)，第三層為PON口的ONU與組播通道之間的調(diào)度(這一級別的調(diào)度方式不可更改，固定為SP，且組播通道的優(yōu)先級更高)。

4 性能測試及分析

配置PON口為層次化調(diào)度模式，圖6給出了OLT中下行業(yè)務(wù)HQoS配置。

PON口下有兩個ONU，分別有8個隊(duì)列，ONU1的8個隊(duì)列采用SP嚴(yán)格優(yōu)先級的調(diào)度策略(Mode=SP)，ONU2的8個隊(duì)列采用WRR加權(quán)輪詢的調(diào)度策略(Mode=WRR)，每個隊(duì)列的權(quán)值為1(WEIGHT=1)，ONU的下行單播帶寬均為15M；ONU間采用加權(quán)輪詢的調(diào)度策略(Mode=WRR)，兩個ONU的權(quán)值都為1(WT=1)；PON口對單播、組播業(yè)務(wù)采用嚴(yán)格優(yōu)先級的調(diào)度策略(MODE=SP)，組播帶寬限速為10 M，PON出口限速40 M。

圖6 HQoS配置

按圖7搭建測試環(huán)境，本次測試使用兩個ONU，測試儀表端口A接OLT上聯(lián)口，端口B、C分別接ONU1、ONU2的LAN口。使用測試儀表模擬真實(shí)用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互過程，A口向OLT上聯(lián)口發(fā)送下行數(shù)據(jù)流，經(jīng)過OLT的HQoS處理后，數(shù)據(jù)到達(dá)ONU，通過測試儀表對ONU1、ONU2收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表1給出測試結(jié)果。

The application and optimization of HQoS in GPON system

He Rui, Ye Jianfang, Shi Jian, Shi Si

(School of Information Science and Technology,Donghua University, Shanghai 201620, China)

As the optical access is replacing copper access, the application scenarios of fiber access network based on Gigabit Passive Optical Network (GPON) gradually increase. Besides, users’ requirements on the quality of network services and the operators’ needs of reducing construction cost facilitate QoS technology to develop rapidly. Therefore, traditional QoS can no longer meet the requirements of present network, while Hierarchical Quality of Service (HQoS) technology realizes multi-level flow management, so it can better help operators achieve multi-user and multi-business service management. Based on HQoS model of existing access network, this paper put forward the improvement suggestions of classifying multicast services and conducting separate QoS processing. Besides, a simulation test of the actual application of the improved model was also carried out. The test result showed that the improved model is able to adopt different scheduling strategies according to different users and separately conduct QoS processing for multicast services.

GPON(Gigabit Passive Optical Network); HQoS(Hierarchical Quality of Service); multicast

圖7 測試環(huán)境圖

東華大學(xué)非線性科學(xué)研究所交叉課題(20160905-3)

TN929.11

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.023

何睿，葉建芳，石健，等.HQoS在GPON系統(tǒng)中的應(yīng)用與優(yōu)化[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：76-78,81.

2017-01-11)

何睿(1994-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：光纖接入網(wǎng)。

葉建芳(1964-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：無線通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

石健(1994-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：光纖傳輸網(wǎng)。