EPON的性能分析及優(yōu)化

第34卷第7期光電工程Vol.34, No.72007年7月Opto-Electronic EngineeringJuly, 2007文章編號: 1003-501X(2007)07-01 16-05EPON的性能分析及優(yōu)化陳光武，楊菊花，范多旺(蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州730070)摘要:本文研究了以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(EPON)的動(dòng)態(tài)帶寬算法，提出了基于輪詢(xún)~呼叫方式的優(yōu)化DBA算法。本文以合理地利用和分配帶寬,確保系統得到QoS 保證為目標，對上行通道剩余帶寬的利用提出了相應的優(yōu)化方法和調度機制，并進(jìn)行了 性能分析和比較。同時(shí)在研究了人們往往容易忽略的ONU的退出和啟動(dòng)基礎上，進(jìn)一步對EPON運行過(guò)程中ONU的接入和退出時(shí)帶寬的利用進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了解決方案。關(guān)鍵詞: EPON; 動(dòng)態(tài)帶寬分配;調度機制; ONU中圖分類(lèi)號: TN915.6文獻標志碼: AOptimize and analysis for performance of EPONCHEN Guang-wu，YANG Ju-hua，FAN Duo-wang( Key Laboratory Opto-Electronic Technology and Intelligent Control(Lanzhou Jiaotong University),Ministry of Education, Lanzhou 730070, China )Abstract: The dynamic bandwidth arithmetic of the Ethernet Passive Optical Network (EPON) is studied, and theoptimized Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) arithmetic is proposed. The aim of this paper is to get QoS by utilizingand distributing bandwidth. Furthermore, correspondent method and dispatching mechanism for the utilization ofup-stream passage surplus bandwidth are proposed, compared and analyzed. At the same time, based on researching theexit and start-up of the Optical Network Unit (ONU) which is often neglected, the utilization of bandwidth when the ONUaccesses and exits in run process of EPON is optimized, and some solutions are discussed. Through performancesimulation and analyses, the correctness and validity of the optimized arithmetic and dispatching mechanism are proved.Key words: EPON; dynamic bandwidth allocation(DBA); scheduling schemes; ONU (Optical Network Unit)引言基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(Ethernet Passive Optical Network, EPON)作為目前一種被普遍看好的光纖接入技術(shù)，在物理層上繼承了無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢，可提供高達1.25 G的接入速率和長(cháng)達20 km的接入范圍。變長(cháng)的以太幀結構對IP業(yè)務(wù)良好的適應性致使網(wǎng)絡(luò )傳輸負載大幅度降低。加上以太網(wǎng)技術(shù)的高度成熟和終端設備的大量普及，使得EPON的建設，運營(yíng)和維護成本都將大大低于基于異步傳輸模式的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)具有良好的可擴展性。EPON是由IEEE802.3 EFM工作組(Ethermet in the First Mile Study Group)引入的一-種新的接入技術(shù)標準，主要由光線(xiàn)路終端(OLT)、光網(wǎng)絡(luò )單元/光網(wǎng)絡(luò )終端(ONUs)和光分布網(wǎng)絡(luò )(ODN)組成。OLT放置在中心交換局，ONU放置在用戶(hù)端。EPON中傳送IEEE802.3規定的以太數據幀。在下行方向上EPON系統是一個(gè)共享介質(zhì)的廣播網(wǎng)絡(luò )，在上行方向EPON系統是一個(gè)多點(diǎn)到點(diǎn)的結構，多個(gè)ONU共同占用一個(gè)傳輸信道，因此OLT中必須采用一定的MAC協(xié)議控制信道的分^中國煤化二"送數據造成的以太收稿日期: 2006-08- 23,收到修改稿日期: 2007-05-20"TYHCNMHG基金項目:甘肅省自然科學(xué)基金資助項目(3ZS042-B25-024)作者簡(jiǎn)介:陳光武(1976-). 男(漢族)，新疆阿克蘇人，副教授，主要研究方向:光纖通信網(wǎng)絡(luò )、信息及控制。Email: cgwlz@mailzjtu.cn2007年7月陳光武等: EPON的性能分析及優(yōu)化117數據幀的碰撞。通常采用TDM,給每個(gè)ONU分配不同的帶寬時(shí)隙來(lái)實(shí)現。怎樣合理地利用和分配帶寬,確保系統實(shí)時(shí)響應，使各個(gè)用戶(hù)能夠按照各自相應的服務(wù)等級協(xié)議(SLA,Service Level Agreement)得到QoS保證，是EPON關(guān)鍵技術(shù)之一。由于以太網(wǎng)幀長(cháng)度的靈活性,可以通過(guò)MAC控制命令和一些特殊幀(如Pause幀)來(lái)優(yōu)化EPON的傳輸處理,人們基于此問(wèn)題已各抒己見(jiàn),提出了各自的解決方案。本文主要從影響EPON系統性能的DBA算法、剩余帶寬的利用和人們常常忽略的ONUs的退出與接入等幾個(gè)因素進(jìn)行分析，提出了相應的解決辦法，以?xún)?yōu)化系統的性能，提高EPON系統的QoS保證。1改進(jìn)的DBA算法上行方向帶寬時(shí)隙的分配既可以采用固定的時(shí)隙分配也可以采用動(dòng)態(tài)的時(shí)隙分配。固定時(shí)隙分配算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現，但沒(méi)有實(shí)現帶寬的統計復用，因此帶寬的利用率低。同時(shí)其傳輸周期是固定的，可能造成一些優(yōu)先級高的數據包傳輸延時(shí)增大，使得網(wǎng)絡(luò )的QoS下降。在MAC協(xié)議里，主要解決的是上行通道帶寬的分配，也就是帶寬分配算法。好的帶寬分配算法需要OLT公平的分配帶寬，在帶寬分配算法上，人們已經(jīng)作了許多的研究工作。最先提出的是靜態(tài)帶寬分配，也就是給每個(gè)ONU都分配同樣大小的時(shí)隙。這種算法雖然簡(jiǎn)單，但負載較小的ONU不能充分利用帶寬,造成其它ONU時(shí)延增大，系統吞吐量減少。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在文獻[1]中Kramer提出的采用動(dòng)態(tài)輪詢(xún)周期的IPACT算法是- -種主從形式的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，該算法有效地提高了上行信道的利用率,但是由于輪詢(xún)周期的變化和沒(méi)有區分數據的優(yōu)先級，使其不適用對于延時(shí)和抖動(dòng)敏感的服務(wù)。其使用請求/授權的機制，也就是ONU使用請求幀申請帶寬，OLT 按需分配帶寬，使用授權幀對ONU進(jìn)行授權。這個(gè)算法存在兩個(gè)問(wèn)題: I) 當ONUs負載都較小時(shí)，OLT輪詢(xún)周期太短，從而導致頻繁地發(fā)送授權幀占用大量下行帶寬，并且上行帶寬無(wú)法高效的利用起來(lái); 2)不支持不同的優(yōu)先級任務(wù),對延時(shí)敏感的任務(wù)不能提供可保證的帶寬服務(wù)。為此，Kramer 提出在ONU中設定三個(gè)優(yōu)先級，采用優(yōu)先級調度，但是該算法沒(méi)有解決低優(yōu)先級的數據包時(shí)延較大的問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，我們在改進(jìn)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中，采用了輪詢(xún)呼叫-應答方式，也就是OLT采用輪轉的方式對各ONU呼叫，ONU在傳輸的有效數據流中嵌入了其數據隊列中剩余等待的以太數據包發(fā)送請求控制信息，OLT對各個(gè)ONU大小不-的帶寬請求分配發(fā)送窗口時(shí)隙，同時(shí)，我們還做了以下改進(jìn):1)在進(jìn)行帶寬分配設計時(shí)，OLT根據各個(gè)ONUs的任務(wù)重要程度和延時(shí)敏感性，分配不同的任務(wù)優(yōu)先級，而且根據他們的優(yōu)先級的不同，預先分配不等的可用帶寬(也就是最小保證帶寬Tmin), 避免由于優(yōu)先級低的ONU長(cháng)時(shí)間得不到帶寬分配和響應。為了提高帶寬利用率，將優(yōu)先級低的ONU沒(méi)有用完的剩余帶寬進(jìn)行再分配，而且為了考慮到公平性，仍然按照優(yōu)先級高低進(jìn)行，該協(xié)議在工作時(shí)兼顧了帶寬利用率和公平性。2)在改進(jìn)的MAC協(xié)議中采用固定的輪詢(xún)周期,避免由于輪詢(xún)周期的可變,導致-些優(yōu) 先級高的0NUs得不到及時(shí)響應。3)對ONU請求的帶寬時(shí)隙，OLT確定了-一個(gè)最大允許帶寬時(shí)隙Tmax。如果該0NU請求的帶寬時(shí)隙大于最大允許帶寬時(shí)隙Tmax，OLT只給該ONU分配最大允許帶寬時(shí)隙Tmax。4)對優(yōu)先級比較低的ONU,如果長(cháng)時(shí)間得不到響應，OLT則提高它的優(yōu)先級，直到響應后，再將它的優(yōu)先級降低。通過(guò)這樣來(lái)保證在一-定的周期內，每個(gè)ONU都能夠得到響應。2剩余帶寬利用由于ONUs在向OLT申請發(fā)送帶寬時(shí)隙的同時(shí)，也在繼續接收新的數據包，并將它們都緩存在FIFO數據隊列中,等候OLT分配給它的帶寬時(shí)隙發(fā)送數據,在(中國煤化工T發(fā)送的Grate幀這段延時(shí)過(guò)程中，如果又接收到新的數據包，并且該數據包大|YHCNMHC#寬時(shí)隙時(shí)，假設該數據包不能拆分，則剩余帶寬時(shí)隙就不能充分利用，該數據包及其后的數據包只能等候下-一個(gè)帶寬時(shí)隙。未使用的剩余帶寬的期望值E(X)是:118光電工程第34卷第7期E(R)=.E(X)x[1- F,(r)](1)X是代表數據包大小的隨機變量，M是最大的數據包大小(以太網(wǎng)數據包最大為1518字節)。我們發(fā)現了E(R)不依賴(lài)于帶寬時(shí)隙的大小，而是依賴(lài)于數據包大小的分布。一個(gè)ONU可以取得的最大帶寬利用率是:U=(T- E(R))/T(2)T是帶寬時(shí)隙的大小。假如我們?yōu)榱嗽黾訋捓寐识龃髱挄r(shí)隙的大小，卻又會(huì )增大數據包的時(shí)延，為了確定合理的帶寬時(shí)隙的大小，我們通過(guò)文獻[2]提出的的公式來(lái)計算:.2 rBuffer.0Timeslot1 回D2]D1]Timeslot 1 D1 ID2 IDSD6。DID20.8D3t D3.6 tTmeslor2 D D4 J