荊 倩,沈三民

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引 言

很多互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商(Internet Service Provider，ISP)已經(jīng)開始部署千兆無源光網(wǎng)絡(luò)(Gigabit Passive Optical Network, GPON)系統(tǒng)，以應(yīng)對客戶迅速增長的帶寬需求[1]。GPON支持高數(shù)據(jù)速率，其中下行為2.5 Gbit/s，上行為1.25 Gbit/s。其最多可以將64個光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit, ONU)連接到1個分路器上。但對于一些新服務(wù)，如分辨率不斷增長(4k或8k)的視頻廣播互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視(Internet Protocol Television, IPTV)來說，GPON的帶寬依然無法滿足要求[2]。這就需要開發(fā)出支持更高傳輸速率的技術(shù)。

為此，研究人員做了很多相關(guān)研究。目前，下一代10 Gbit/s無源光網(wǎng)絡(luò) (next Generation 10 Gbit/s Passive Optical Network, XG-PON)的最終規(guī)范已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化為ITU-T G.987系列，其規(guī)定了一些通用要求[3]，例如：XG-PON的參考配置，光分配網(wǎng)絡(luò)(Optical Distribution Network, ODN)架構(gòu)(包含或不包含與以往標(biāo)準(zhǔn)GPON方案的共存)，工作波長和遷移場景等[4]。文獻(xiàn)[5]為了支持語音、視頻等多業(yè)務(wù)，保證不同的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)和有效克服輕載懲罰問題，提出了一種支持多業(yè)務(wù)的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network, EPON)動態(tài)帶寬分配(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)算法；文獻(xiàn)[6]提出了GIANT算法的修改版本，即X-GIANT算法，并嘗試改進(jìn)XG-PON網(wǎng)絡(luò)中QoS參數(shù)；文獻(xiàn)[7]針對PON接入技術(shù)和現(xiàn)有各種帶寬分配算法存在的不足，基于數(shù)據(jù)服務(wù)優(yōu)先級劃分和ONU隊(duì)列管理機(jī)制，提出了一種DBA算法；文獻(xiàn)[8]提出了用于XG-PON的一種DBA方案，即數(shù)據(jù)挖掘預(yù)測，該方案處理了ODN范圍為40 km時不同ONU距離下的使用情況；文獻(xiàn)[9]為了合理分配EPON上行信道帶寬，提出了一種能夠區(qū)分服務(wù)等級的固定周期輪詢DBA算法，該算法將ONU的業(yè)務(wù)分為3個等級，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)等級動態(tài)分配上行帶寬，有效保證整個EPON的QoS以及帶寬分配的公平性；文獻(xiàn)[10]提出了帶“公平性”的DBA算法，對所有ONU應(yīng)用最大最小公平DBA算法。雖然DBA算法可以改變最小帶寬分配，但其依然會為受保護(hù)的傳輸容器(T-CONT)分配所保留?？偟膩碚f，文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用于EPON的DBA不能直接用于XG-PON中，因?yàn)槠浞?wù)延遲非常大。

本文的主要研究目標(biāo)是降低XG-PON中“三合一”服務(wù)的延遲。文中提出了用于XG-PON的改進(jìn)的GIANT DBA算法，比較了當(dāng)前未修改的GIANT算法與本文所提的改進(jìn)GIANT算法的結(jié)果，并詳細(xì)解釋了本文為降低“三合一”服務(wù)延遲所作出的改進(jìn)。

1 提出的DBA算法

DBA算法的主要目的是公平分配PON中的每個ONU在上行方向上的帶寬，下行方向則廣播所有ONU，并由指定的ONU(與幀中的參數(shù)完全相同)接收。另一方面，上行方向由光線路終端(Optical Line Terminal,OLT)通過時隙控制。換言之，時分復(fù)用將帶寬分為時隙，并按需求將帶寬分配至ONU。

OLT使用每個傳輸幀的帶寬映射(Band Width mapping, BWmap)部分指定分配標(biāo)識(Allocation Identification, Alloc-ID)、啟動時間、授權(quán)大小、動態(tài)帶寬報告和其他字段。通過Alloc-ID識別ONU，啟動時間是指ONU在上行方向啟動數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，授權(quán)大小表示在上行方向上特定Alloc-ID的總數(shù)據(jù)量，并報告下一個上行幀中的需求(即數(shù)據(jù)大小)。具體的Alloc-ID及其提供的負(fù)載可以表示為

式中：B(t)為時間t內(nèi)的緩沖區(qū)占用；D為某一固定時長；A(t,t+D)為在時間間隔(t,t+D)過程中新進(jìn)入緩沖區(qū)的流。

1.1 緩沖區(qū)報告

OLT必須保證在負(fù)載較重的情況下對ONU公平地分配動態(tài)帶寬[12]。若存在兩個ONU，且第1個ONU的負(fù)載較重，而第2個ONU沒有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則OLT必須確保分配至ONU1的時隙大于ONU2。ONU周期性地向OLT單元報告其緩沖區(qū)占用情況，可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)報告：(1)狀態(tài)報告；(2)流量報告。狀態(tài)報告需要ONU和OLT協(xié)作，因?yàn)槊總€ONU都發(fā)送其自身緩沖區(qū)占用的相關(guān)信息，該信息包含在下一代傳輸匯聚幀的動態(tài)帶寬報告字段中，OLT則根據(jù)緩沖區(qū)占用的相關(guān)信息來劃分時隙。流量報告則通過ONU數(shù)據(jù)流的處理授予帶寬。

1.2 輪詢法

輪詢法是網(wǎng)絡(luò)模擬器(Network Simulator, NS)-3的DBA算法的簡單實(shí)現(xiàn)，特別是在XG-PON包中使用的算法。該算法的原理為：一定量的任務(wù)，每個任務(wù)依次運(yùn)行，但前提是其持有循環(huán)令牌。在XG-PON包的實(shí)現(xiàn)中，是指每個周期內(nèi)每個T-CONT的位元組字段數(shù)量。每個ONU隊(duì)列處理的最小時間可表示為

式中：T為每個ONU/T-CONT的處理時間(ONU能夠發(fā)送數(shù)據(jù))；C為一個周期的時長；N為ONU的總數(shù)量。該方法的缺陷在于：T的數(shù)值較小時會增加OLT的處理時間。

1.3 改進(jìn)的GIANT算法

GIANT算法必須先定義其所使用的T-CONT。T-CONT是一組流，其僅在上行方向有意義，而Alloc-ID僅存在于每個PON的命名空間中，T-CONT的外部標(biāo)識符是分等級的[13]。通常，T-CONT可以分為以下4類：

(1) T-CONT1：具有最高優(yōu)先級的固定帶寬(如語音服務(wù))，指所有的ISP向網(wǎng)絡(luò)中的客戶確保最低帶寬；

(2) T-CONT2：具有第2高優(yōu)先級的保證帶寬(如IPTV服務(wù))；

(3) T-CONT3：具有較高優(yōu)先級的非保證帶寬；

(4) T-CONT4：文件傳送協(xié)議(File Transfer Protocol, FTP)或簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等，具有最低優(yōu)先級的盡力服務(wù)帶寬。

本文GIANT DBA算法在第一次迭代中通過T-CONT的優(yōu)先級劃分帶寬，將T-CONT1的帶寬分配給每個Alloc-ID。一般互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，所有客戶保證帶寬的T-CONT1為64 kbit/s，保證帶寬不能超過RA(RA為保證帶寬閾值)，并向其分配非保證帶寬RNA，直到T-CONT的可用帶寬耗盡為止。GIANT的最大和最小服務(wù)間隔表示為SImax和SImin，這些標(biāo)識符代表著帶寬要求。此外，標(biāo)識符ABmin和ABsur分別為最小分配字節(jié)和剩余分配字節(jié)。

GIANT算法動態(tài)地為T-CONT1和T-CONT2確定AB和SImax的數(shù)值，并詢問T-CONT4和T-CONT3。每當(dāng)SI定時器過期時，為對應(yīng)的T-CONT重新分配AB。

值得一提的是，媒體接入控制器在分配過程的每個周期內(nèi)制定決策。ONU可以添加多個Alloc-ID，如果添加一個新Alloc-ID，那么控制器將檢測可用資源，并驗(yàn)證總分配帶寬是否超過總鏈路容量。保證服務(wù)速率等于ABmin/SImax，其中剩余容量等于ABsur/SImin。保證容量和剩余容量之和為T-CONT3的允許總帶寬。

剩余帶寬的分配必須首先檢查T-CONT處理的對象是T-CONT3還是T-CONT4，以及SImin定時器是否大于1。若定時器大于1，則將其按1遞減。此外，當(dāng)確定指針啟動的T-CONT3幀字節(jié)數(shù)等于0時，則添加后續(xù)序列中Alloc-ID減1的T-CONT3。也即：若啟動指針為N，新數(shù)值為N+i(i為迭代次數(shù))，在下一次迭代中，將檢查下一個請求是否大于0和SImin是否等于0，然后分配剩余帶寬。

傳統(tǒng)方案在每個輪詢周期對T-CONT1、T-CONT2、T-CONT3和T-CONT4依次進(jìn)行分配，先對T-CONT1靜態(tài)分配固定帶寬，然后分配T-CONT2和T-CONT3的確保帶寬，最后分配T-CONT4的盡力而為帶寬。根據(jù)優(yōu)先級順序進(jìn)行2次分配。與傳統(tǒng)方案相比，本文方法根據(jù)處理對象和定時器對帶寬進(jìn)行動態(tài)分配，總體時間復(fù)雜度與傳統(tǒng)方案相差不大，但對象分配的帶寬有差異，從而導(dǎo)致服務(wù)的延遲有所不同。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1所示為本文所提GIANT DBA算法仿真模型的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括OLT、ONU、客戶端和服務(wù)器。由于NS-3無法考慮到物理層參數(shù)，包括光纖長度、分光比、OLT和ONU之間的不同距離等，所以服務(wù)器必須納入其中。這些服務(wù)器包括視頻點(diǎn)播(Video on Demand, VoD)服務(wù)器、超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol, HTTP)服務(wù)器以及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電話(Voice over Internet Protocol, VoIP)服務(wù)器。該組服務(wù)器通過1 Gbit/s的線路與OLT互連，延遲時間為2 ms。ONU包括一臺個人計(jì)算機(jī)，其表示服務(wù)消耗，采用了相同的線路參數(shù)。VoD服務(wù)的數(shù)據(jù)速率為10 Mbit/s，停止時間設(shè)為0，表示在整個模擬過程中該服務(wù)始終保持開啟運(yùn)行。將VoIP設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率64 kbit/s。由HTTP服務(wù)器生成HTTP流量，數(shù)據(jù)速率為1 Mbit/s。

圖1 本文所提GIANT DBA算法仿真模型的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文準(zhǔn)備了兩個模擬場景：第1個場景使用輪詢DBA，沒有給出緩沖區(qū)分配的動態(tài)報告。第2個場景使用了本文所提GIANT DBA算法。為了比較兩種算法，本文對每個場景進(jìn)行了兩種不同的模擬：(1)64個ONU(XG-PON單個OLT端口的理想化模型)；(2)過載接口，其中200個ONU連接到該接口。

2.2.1 場景1

在第1個場景中，使用輪詢DBA算法，另一種方法是未修改的GIANT DBA算法。兩個算法均應(yīng)用到T-CONT代表的所有服務(wù)中，模型包括3個服務(wù)，以觀察流量延遲。64個ONU的延遲僅為6～7 ms，因?yàn)镺LT單元能夠?yàn)槊總€ONU授予足夠的帶寬，如圖2所示。由圖可知，丟包率為0，總帶寬等于服務(wù)所需帶寬之和。VoIP的延遲幾乎保持不變，不會在通話期間造成任何干擾或回聲；通過ONU或機(jī)頂盒中的緩沖服務(wù)，降低VoD的抖動；網(wǎng)頁瀏覽HTTP代表著具有較高優(yōu)先級的T-CONT2。

圖2 不使用DBA算法時的傳輸延遲

需要注意的是，NS-3不能通過在QoS Tag庫中標(biāo)記數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包分配到現(xiàn)實(shí)的T-CONT中，其使用標(biāo)簽對每個數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)記，但在本文仿真中使用了通過節(jié)點(diǎn)的IP地址對數(shù)據(jù)包進(jìn)行模擬標(biāo)記，修改后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GIANT DBA算法修改后的拓?fù)?/p>

使用所提GIANT DBA算法對64個ONU的場景再次進(jìn)行模擬。圖4所示為使用本文所提GIANT DBA算法時的傳輸延遲。仿真結(jié)果與預(yù)期相符，GIANT DBA算法的結(jié)果較好，每個ONU的延遲更低。將GIANT DBA算法應(yīng)用到OLT單元，VoD服務(wù)的延遲得到了明顯改善。

圖4 使用GIANT DBA算法時的傳輸延遲

本文在使用和不使用DBA算法的模擬中，對數(shù)據(jù)包丟失數(shù)量進(jìn)行了比較，如圖5所示，由圖可知，兩者之間存在明顯差異。在不使用DBA輪詢的模擬中，每個ONU的丟包數(shù)量大約為4 000個。但當(dāng)使用未修改的GIANT DBA算法時，由于VoD的數(shù)據(jù)是單獨(dú)處理的且采用隨機(jī)序列，一些ONU的丟包數(shù)為300個。

圖5 使用和不使用DBA算法時的丟包數(shù)量對比

NS-3利用回調(diào)函數(shù)提供一些數(shù)據(jù)包獲得的細(xì)節(jié)，如處理數(shù)據(jù)包數(shù)量或丟包數(shù)量。在配置回調(diào)函數(shù)后，其可以調(diào)用指定函數(shù)以提供結(jié)果。在該函數(shù)中，可以創(chuàng)建運(yùn)行時間的計(jì)算或記錄。例如，NS-3模擬工具可以在數(shù)據(jù)包因?yàn)槎褩Ｒ绯龆粊G棄時隨時調(diào)用該函數(shù)。一方面，回調(diào)函數(shù)僅適用于點(diǎn)對點(diǎn)(Point to Point, P2P)鏈路，但NS-3的XG-PON包中沒有包含回調(diào)的實(shí)施，因此，其無法得到更多關(guān)于數(shù)據(jù)包丟失的數(shù)據(jù)；另一方面，由于所有數(shù)據(jù)都存儲在一個集合中，可以得到每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收時間。

2.2.2 場景2

在第2個場景中，使用本文所提的改進(jìn)GIANT DBA算法，并將其與未修改的GIANT DBA進(jìn)行比較。使用的拓?fù)湎嗤?個OLT、64個ONU(每個ONU包含3種服務(wù)：數(shù)據(jù)、視頻和語音)。改進(jìn)算法首先檢查T-CONT的緩沖區(qū)占用，并根據(jù)T-CONT的類型分配適當(dāng)?shù)膸挕Ｈ绻ＷC帶寬的緩沖區(qū)占用超過1，則存在3種情況：(1) 若緩沖區(qū)占用<4，則分配數(shù)值=4；(2) OLT檢查BWmap(包含BWmap分配使用歷史的數(shù)據(jù)庫)，以得到過去是否對該ONU進(jìn)行過分配；(3) 檢查分配帶寬是否等于分配字節(jié)。

通常，只有在該類型的T-CONT的定時器過期(即等于0)時才測試這些條件，這表明定時器未過期，也表示T-CONT沒有緊急數(shù)據(jù)，且在下一輪減少1。

在仿真中，所有的服務(wù)是一起測試的，為了更好地說明問題，每個服務(wù)如圖6～ 8所示。由圖6可知，與使用未修改GIANT DBA算法相比，本文所提方法將HTTP服務(wù)的延遲分別降低了0.8和0.3 ms；由圖7可知，在VoD服務(wù)中，未修改GIANT DBA算法的平均延遲為6.4 ms，而本文所提的改進(jìn)方法則將ODN上每個ONU的延遲降低了0.35 ms；由圖8可知，對于VoIP服務(wù)，本文所提的方法降低了約0.2 ms的延遲，這些充分說明了本文改進(jìn)方法的有效性。

圖6 HTTP服務(wù)的傳輸延遲對比

圖7 VoD服務(wù)的傳輸延遲對比

圖8 VoIP服務(wù)的傳輸延遲對比

3 結(jié)束語

本文提出了XG-PON GIANT DBA算法，并提出了縮減服務(wù)延遲的改進(jìn)方案。除使用具有最高優(yōu)先級T-CONT1的VoIP服務(wù)外，每個服務(wù)的延遲均得到了降低，這是因?yàn)門-CONT1不使用DBA，其在初始化階段即被授予保證帶寬，是具有最高優(yōu)先級的固定帶寬，屬于靜態(tài)分配，T-CONT1的VoIP服務(wù)延遲幾乎保持不變。本文所提改進(jìn)GIANT DBA算法將HTTP服務(wù)和VoD服務(wù)的延遲分別降低了0.30和0.35 ms，實(shí)現(xiàn)了較好的網(wǎng)絡(luò)性能。