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        PON網(wǎng)絡中DBA算法對高帶寬業(yè)務傳輸速度影響的技術分析

        2018-10-17 03:02:04呂衛(wèi)東
        江蘇通信 2018年3期
        關鍵詞:傳輸速率分配速率

        呂衛(wèi)東

        中國電信股份有限公司江蘇分公司

        0 背景

        目前寬帶業(yè)務交付通過測速來實現(xiàn)確認是否滿足客戶承諾速率要求。業(yè)務測速是一個端到端的處理過程,涉及到端到端整個業(yè)務流程的每個環(huán)節(jié),包括了業(yè)務測速服務器和用戶終端的硬件性能、傳輸線路的帶寬和時延、TCP的算法(包括發(fā)送緩沖區(qū)大?。?、用戶端的算法(包括滑動窗口大?。8邘挊I(yè)務測速對各環(huán)節(jié)的要求更為嚴格,特別是DBA算法設置合適與否,對傳輸線路的帶寬和時延存在較大的影響,為解決上述問題,滿足大規(guī)模提速需求,需深入研究DBA算法優(yōu)化方案,提升光網(wǎng)絡運營能力,提升用戶感知。

        1 測速原理及深度分析

        1.1 TCP基本原理

        TCP協(xié)議是建立在IP協(xié)議基礎上,面向連接的,有傳輸保證的協(xié)議。當進行TCP數(shù)據(jù)傳輸時,Server側向Client側發(fā)送數(shù)據(jù),Client側需要對接收到的數(shù)據(jù)幀進行確認。因此,當OLT用戶側用戶進行下載時,需要同時向上行發(fā)送確認幀。當OLT用戶側用戶進行上傳時,服務器會同時向下行發(fā)送確認幀。

        在TCP交互過程中,操作系統(tǒng)會為每個TCP連接分配相應的發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū),TCP接收窗口和發(fā)送窗口的最大值即為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的大小。當TCP傳輸過程中出現(xiàn)丟包時,TCP連接會自動調節(jié)窗口大小,導致TCP傳輸速率降低。

        另外,傳輸時延也會影響TCP傳輸速率,根據(jù)計算公式:TCP傳輸速率 = TCP窗口/RTT。這里RTT代表Round Trip Time,即TCP傳輸時報文往返所需的時間。當RTT增大時,TCP傳輸速率將降低。

        1.2 PON傳輸模型分析

        OLT的業(yè)務配置中,上行的帶寬主要由DBA決定。針對DBA的分配機制對測速影響分析如下:

        (1)PON DBA帶寬分配簡述

        PON上行為時分復用,當ONU上行需要進行數(shù)據(jù)發(fā)送時,會向OLT上報帶寬請求DBRu,OLT接收到帶寬請求后會根據(jù)ONU的帶寬類型進行調度計算,并在帶寬分配周期將帶寬分配給ONU,此時ONU才會將自己緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到OLT。ONU的緩沖區(qū)為FIFO隊列,上行存在隊列調度。

        (2)PON DBA帶寬分配原理

        協(xié)議規(guī)定的帶寬類型有4種,優(yōu)先級從高到底:Fixed(固定帶寬)、Assured(保證帶寬)、Non-Assured(不保證帶寬)、Best-Effort(盡力而為帶寬)。

        OLT定義的帶寬類型:

        Type1:固定帶寬。完全預留給特定ONU或者ONU的特定業(yè)務,即使在ONU沒有上行業(yè)務流的情況下,這部分帶寬也不能為其他ONU使用。

        Type2:保證帶寬。保證在ONU需要使用帶寬時可獲得的帶寬。當ONU的實際業(yè)務流量未達到保證帶寬時,設備的DBA機制應能夠將其剩余帶寬分配給其他ONU的業(yè)務。

        Type3:保證帶寬+最大帶寬。Type3類型為帶寬組合類型,在保證用戶有一定帶寬的同時,還允許用戶有一定帶寬的搶占,但總和是不會超過用戶配置的最大帶寬。

        Type4:最大帶寬。最大帶寬是在ONU使用帶寬時可獲得的帶寬上限值,最大程度地滿足ONU使用的帶寬資源。

        Type5:固定帶寬+保證帶寬+最大帶寬。既給用戶預留其他用戶不能搶占的固定帶寬資源,又確保在需要使用帶寬時可獲得的保證帶寬,同時允許用戶有一定帶寬的搶占,但總和是不會超過用戶配置的最大帶寬。

        圖1 OLT定義的帶寬類型和協(xié)議規(guī)定的帶寬類型的對應關系

        如圖1所示,Type3配置Assured大小和Max,Non-Assured不顯示配置,可由Non-Assured = Max–Assured計算得到;Type4配置Max,Best Effort即Max配置的大小。

        由協(xié)議規(guī)定的優(yōu)先級可看出Type3的優(yōu)先級大于Type4,即在擁塞的情況下,配置為Type3的用戶至少可以獲得Assured帶寬。

        (3)PON DBA帶寬分配過程

        如圖2所示,PON DBA分配過程可以理解為:總帶寬分四輪按帶寬類型的優(yōu)先級進行分配。

        圖2 PON DBA帶寬分配過程

        1.3 上下行TCP傳輸分析

        為了測試驗證TCP傳輸速率與RTT的關系,以及PON DBA算法各種類型的差異,搭建測試環(huán)境如圖3所示,并利用WiresharK軟件進行抓包分析。

        圖3 測試拓撲圖

        (1)TCP傳輸速率與RTT有關。根據(jù)TCP傳輸速率 =TCP窗口/RTT,當RTT增大時,TCP窗口固定的情況下,TCP傳輸速率會降低。

        如圖4所示,測試FTP下載速率為175KB/s,RTT分析在34ms到42ms之間波動。

        圖4 (1-2) 測試FTP下載速率為175KB/s時RTT變化情況

        如圖5所示,當RTT增大時,F(xiàn)TP的下載速率也隨之降低。如下RTT超過550ms,速率僅為14KB/s。

        圖5 (1-2) 測試RTT增大時FTP下載速率變化情況

        (2)當同時進行上傳時,根據(jù)TCP傳輸速率與TCP窗口和RTT的關系計算:

        下載速率=下載TCP窗口/RTT上傳

        上傳速率=上傳TCP窗口/RTT下載

        由于傳輸上傳和下載傳輸路徑相同,這里假設RTT上傳= RTT下載,則下載速率=上傳速率×下載TCP窗口/上傳TCP窗口。如果上傳速率為1M,當下載TCP窗口> 3倍上傳TCP窗口時,下載帶寬可以保持在3M左右波動。

        使用PC-A作為Client在OLT用戶側,PC-B作為Server在OLT網(wǎng)絡側,用戶側PC-A同時進行下載和上傳,測試結果如圖6所示,上傳速率達到最大限速值1M,此時RTT達到35ms左右,下載帶寬仍能保持在3M左右波動。

        圖6 (1-2) PC-A為Client在OLT用戶側、PC-B為Server在OLT網(wǎng)絡側測試情況

        將上述測試的Client和Server互換,使用PC-B在OLT用戶側,PC-A在OLT網(wǎng)絡側。此時PC-B同時進行下載和上傳。由于此時上傳TCP窗口和下載TCP窗口的比例關系發(fā)生變化。上傳TCP窗口變大,而使得TCP吞吐量增大,ONU的隊列深度也將變得更深,導致RTT會增大,同時由于下載TCP窗口變小,導致下載速率降低。測試結果如圖7所示,RTT為450ms左右,用戶側下載速率僅為15KB/s。

        圖7 (1-2) PC-B為Client在OLT用戶側、PC-A為Server在OLT網(wǎng)絡側測試情況

        因此,在不改變OLT和ONU上任何配置的情況下,僅Client和Server的緩沖能力發(fā)生變化,也會導致測試結果不同。

        (3)當DBA逐漸調大,由于ONU將報文發(fā)送給OLT的速率增大,報文在ONU緩存里緩存的時間減小,緩存深度降低,因此RTT也會隨之減小。當RTT減小到一定值時(即下載TCP窗口/下行限速),下行速率又可以達到最大值。如圖8所示,將DBA提升至3M,則RTT平均值減少到5ms以下,下行速率也提升至3M左右,且上行DBA越大,RTT越小,下載速率越高。

        圖8 DBA提升至3M時RTT變化情況

        根據(jù)上述分析,TCP傳輸速率與TCP窗口和RTT都有關系。 從實際應用角度,增大DBA可以減少ONU緩存造成的影響,降低TCP傳輸RTT,因此在實際配置中可以根據(jù)用戶的情況適當放大。

        另外,不同的DBA帶寬類型,其實際效果也有差異。對于Type3的Assure帶寬,為保證帶寬,其帶寬分配優(yōu)先級高于Max帶寬。即當ONU上報帶寬請求時,Assure的帶寬是可以保證能夠分配到的。對于Type4的Max帶寬,為最大帶寬,這部分帶寬類型是不保證的,即ONU上報帶寬請求時,OLT會根據(jù)剩余帶寬的情況以及PON口下各ONU的帶寬請求進行調度,不能保證一定能分配到。因此,當ONU配置的帶寬類型為Max時,需要根據(jù)PON口下的剩余帶寬以及PON口下實時的帶寬請求進行計算,最終決定ONU能否分配到的帶寬。因此,當PON口下存在多個ONU或ONU上存在多個TCONU,且均存在上行帶寬請求時,Max帶寬分配是無法保證的;導致RTT增加且不穩(wěn)定,導致下載速率存在波動。

        2 現(xiàn)網(wǎng)測試驗證

        2.1 非擁塞情況下

        非擁塞情況下,每個用戶使用相同帶寬配置,Type3和Type4測試對比結果,如表1所示:

        表1 非擁塞情況下Type3和Type4測試對比結果

        2.2 擁塞情況下

        擁塞情況下,每個用戶使用相同帶寬配置,Type3和Type4對比測試結果,如表2所示:

        表2 擁塞情況下Type3和Type4測試對比結果

        擁塞情況下,每個用戶使用不相同帶寬配置,type3和type4對比測試結果,如表3所示:

        表3 擁塞情況下配置不同帶寬Type3和Type4測試對比結果

        從測試可以看出:

        針對PON口下配置為Type3 或 Type4 的帶寬類型進行測速對比來看:

        (1)用戶的帶寬配置相同時,Type3和Type4的測速結果基本無差異,帶寬平均分配;

        (2)用戶的帶寬配置不相同時,Type3優(yōu)先保證Assure的帶寬,Type4平均分配。

        3 結論

        測速和應用層協(xié)議、緩沖區(qū)大小設置以及實際網(wǎng)絡狀態(tài)都有關系,需要結合這些因素做綜合考慮:

        (1)上行DBA越大,引入RTT越小,下行速率越大;

        (2)同PON口Type3和Type4混合場景時, 擁塞情況下,Assure帶寬配置比Max帶寬配置引入RTT小,Type3好于Type4;

        (3)非擁塞情況下,Type3和Type4差異不大。

        按照上述結論對現(xiàn)網(wǎng)DBA算法規(guī)模優(yōu)化后,效果顯著,新裝高帶寬客戶均能滿足業(yè)務速率要求,大大提升了客戶感知。

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