摘 要： 提出了一種新的EOPN利用動(dòng)態(tài)帶寬分配" title="帶寬分配">帶寬分配算法來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量" title="服務(wù)質(zhì)量">服務(wù)質(zhì)量的MAC協(xié)議。該協(xié)議使得高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的延時(shí)和抖動(dòng)減??；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)新接入的ONU進(jìn)行初始化時(shí)對(duì)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)沒(méi)有影響；同時(shí)，通過(guò)OLT控制中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的接入量保證其帶寬分配的公正性。確保網(wǎng)絡(luò)的QoS。
關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)帶寬分配算法" title="動(dòng)態(tài)帶寬分配算法">動(dòng)態(tài)帶寬分配算法(DBA) 以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON) 服務(wù)質(zhì)量(QoS)
EPON是由IEEE802.3 EFM 工作組( Ethernet in the First Mile Study Group)引入的一種新接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) , 主要由光線(xiàn)路終端(OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元/光網(wǎng)絡(luò)終端(ONU)和光分布網(wǎng)絡(luò)(ODN)組成。OLT放置在中心交換局側(cè)(CO)，ONU放置在用戶(hù)端。EPON中傳送IEEE802.3規(guī)定的以太數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀。
在下行方向上EPON系統(tǒng)是一個(gè)共享介質(zhì)的廣播網(wǎng)絡(luò)。在上行方向EPON系統(tǒng)是一個(gè)多點(diǎn)到點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，多個(gè)ONU共同占用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信道，因此OLT中必須采用一定的MAC協(xié)議控制信道的分配以避免多個(gè)ONU同時(shí)傳送數(shù)據(jù)造成的以太數(shù)據(jù)幀的碰撞，通常采用給每個(gè)ONU分配不同的傳輸窗口(或時(shí)隙" title="時(shí)隙">時(shí)隙)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上行方向時(shí)隙的分配既可以采用固定的時(shí)隙分配又可以采用動(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(xiàn)，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，因此帶寬的利用率低。同時(shí)其傳輸周期是固定的，造成一些高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)增大，使得網(wǎng)絡(luò)的QoS下降。在文獻(xiàn)[2]中提到的輪詢(xún)帶寬分配算法(IPACT)是一種主從形式的動(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(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，使其不適用對(duì)于延時(shí)和抖動(dòng)敏感的服務(wù)。
本文提出了一種基于EPON的服務(wù)質(zhì)量(QoS)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，通過(guò)將數(shù)據(jù)包分為不同的優(yōu)先級(jí)和首先傳送對(duì)于延時(shí)和抖動(dòng)要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)來(lái)提高整個(gè)EPON網(wǎng)絡(luò)的利用率和服務(wù)質(zhì)量(QoS)。本文將服務(wù)分為三個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)。高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)始終位于一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始處，有效地降低了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)，同時(shí)當(dāng)有新的ONU加入初始化時(shí)，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)沒(méi)有被打斷，保證了其低時(shí)延的要求；在OLT端控制優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的接入量，防止了由于帶寬分配不公正造成的丟包現(xiàn)象。最后，文章對(duì)提出的算法進(jìn)行了理論上的分析。
1 服務(wù)優(yōu)先級(jí)的劃分和ONU的隊(duì)列管理
(1)在本文中將所有的數(shù)據(jù)分為三個(gè)優(yōu)先級(jí)。
第一是加速轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)(EF)，這是最高的優(yōu)先級(jí)。它對(duì)延時(shí)和抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求，音頻、視頻等實(shí)時(shí)性要求較高的服務(wù)都屬于這一優(yōu)先級(jí)。
第二是保證轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)(AF)。這一優(yōu)先級(jí)對(duì)于延時(shí)和抖動(dòng)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但是要求保證數(shù)據(jù)最終被送到接收者，對(duì)丟包比較敏感。實(shí)時(shí)可變比特速率的數(shù)據(jù)都屬于該優(yōu)先級(jí)。
第三是盡力而為服務(wù)(BF)，這是最低的優(yōu)先級(jí)。它對(duì)延時(shí)和抖動(dòng)不敏感，同時(shí)不需要保證帶寬，傳送數(shù)據(jù)時(shí)盡網(wǎng)絡(luò)的最大努力去傳送數(shù)據(jù)。突發(fā)性較高的數(shù)據(jù)和未標(biāo)明比特率的數(shù)據(jù)都屬于該優(yōu)先級(jí)。
(2)ONU的隊(duì)列管理
為了保證帶寬分配的公正性提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，在ONU端對(duì)數(shù)據(jù)包按其優(yōu)先級(jí)重新排序。在ONU中，每個(gè)優(yōu)先級(jí)都有自己的緩存區(qū)。用戶(hù)端數(shù)據(jù)到達(dá)，根據(jù)該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，按先入先出的規(guī)則插入到對(duì)應(yīng)緩存區(qū)的尾部。如圖1所示。
在本文中數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的管理按IEEE802.1d定義的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)管理規(guī)定，在高優(yōu)先級(jí)緩存區(qū)溢出的情況下，有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)到達(dá)可以占用低優(yōu)先級(jí)的緩存區(qū)，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)比低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)先得到服務(wù)。
2 MAC協(xié)議設(shè)計(jì)
2.1 動(dòng)態(tài)帶寬分配算法
傳統(tǒng)的帶寬分配算法采用基于時(shí)隙的MAC協(xié)議。在這種方法中，一幀數(shù)據(jù)中分配給每個(gè)ONU的時(shí)隙與ONU的請(qǐng)求成比例。所有優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)都被放到一個(gè)時(shí)隙中。采用這種方法，同一個(gè)ONU在不同的數(shù)據(jù)幀中，其時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)間隨著數(shù)據(jù)的突發(fā)性和數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度而發(fā)生很大的變化，從而造成高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)延時(shí)的抖動(dòng)增加。如圖2(a)所示。
在本文提出的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中，將一幀數(shù)據(jù)分為高、中、低優(yōu)先級(jí)部分。對(duì)于高優(yōu)先級(jí)部分采用如下的方法分配帶寬：
BHi＝Hi＋Ai
BHi 為OLT分配給ONU的高優(yōu)先級(jí)的帶寬；
Hi為ONU請(qǐng)求分配的帶寬；
Ai為等待時(shí)間內(nèi)到達(dá)的高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
由于不能準(zhǔn)確測(cè)定Ai，同時(shí)高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可以看作速率近似恒定的數(shù)據(jù)，所以用上一輪在等待時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度近似估計(jì)Ai。即:
Ai(n)＝Ei(n－1)
Ei(n－1)為上一輪等待時(shí)間內(nèi)到達(dá) 的高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確長(zhǎng)度。
由于高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)近似認(rèn)為是恒定速率的數(shù)據(jù)，因此每一幀中分配給ONU的BHi近似相等?？梢哉J(rèn)為每幀中高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)開(kāi)始的時(shí)間基本固定，不會(huì)發(fā)生大的變化。從而，降低了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的時(shí)延抖動(dòng)。如圖2(b)所示。
對(duì)于中優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，為了保證帶寬分配的公平性，降低中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的丟包率，筆者通過(guò)OLT控制每個(gè)ONU中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的接入量，采用如下的帶寬分配算法：
BMi為分配給中優(yōu)先級(jí)的帶寬；
Mi 為ONU請(qǐng)求帶寬；
Btatol為總的可用帶寬。
給每個(gè)ONU分配中優(yōu)先級(jí)帶寬是請(qǐng)求的帶寬的一定比例，它控制了每個(gè)ONU中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的接入量，從而降低由于個(gè)別ONU數(shù)據(jù)量過(guò)多造成其它ONU丟包率增加的概率，同時(shí)保證了對(duì)每個(gè)ONU帶寬分配的公證性。
對(duì)于低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，在前兩級(jí)數(shù)據(jù)傳送完畢有剩余帶寬的情況下再進(jìn)行分配，其帶寬分配按等比例的分配方法分配。即
BLi為分配給低優(yōu)先級(jí)的帶寬。
對(duì)中、低優(yōu)先級(jí)的帶寬分配，是在搜集到所有ONU的請(qǐng)求信息后才進(jìn)行。因此，在搜集到所有數(shù)據(jù)到第一個(gè)ONU收到OLT發(fā)送的準(zhǔn)許消息，中間存在一段包括帶寬分配計(jì)算時(shí)間和環(huán)路延時(shí)的空白時(shí)間。同時(shí)，由于新的算法中數(shù)據(jù)幀被分成了兩個(gè)獨(dú)立的部分，可以利用高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程，計(jì)算中低優(yōu)先級(jí)的帶寬分配并給第一個(gè)ONU發(fā)送準(zhǔn)許消息。從而，有效地解決了空白時(shí)間的問(wèn)題。如圖3所示。
2.2 近似無(wú)中斷的開(kāi)窗法測(cè)距
為了保證ONU的即插即用，OLT必須每隔一定的時(shí)間，發(fā)送一個(gè)廣播GATE消息，用來(lái)檢測(cè)是否有新的ONU加入。如果有，OLT必須對(duì)該ONU初始化，該過(guò)程主要包括：對(duì)該ONU進(jìn)行測(cè)距，獲得ONU的地址等。一般采用開(kāi)窗法對(duì)ONU初始化。在傳統(tǒng)的帶寬分配算法中，必須停止一切數(shù)據(jù)的傳送，留出特定的時(shí)間進(jìn)行ONU的初始化工作。由此，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳送被切斷，造成延時(shí)加大。
在筆者提出的帶寬分配算法中，數(shù)據(jù)幀分為兩個(gè)部分。開(kāi)窗時(shí)可以只利用中低優(yōu)先級(jí)部分，而高優(yōu)先級(jí)部分持續(xù)傳送數(shù)據(jù)。由于ONU與OLT的距離為2km～20km，其延時(shí)一般在50μs~100μs之間?？偟沫h(huán)路延時(shí)一般不超過(guò)1ms，而本設(shè)計(jì)中一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間一般為2ms，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)量較少，故可以利用中低優(yōu)先級(jí)部分開(kāi)窗完成ONU的初始化，而不必切斷高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸。基本過(guò)程如圖4所示。
3 結(jié)果理論分析
數(shù)據(jù)包的延時(shí)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)包到達(dá)至請(qǐng)求信息發(fā)送的時(shí)間dpoll、ONU請(qǐng)求信息發(fā)送至接收到準(zhǔn)許該數(shù)據(jù)包傳送的時(shí)間dcycle和數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送至該數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)包的等待時(shí)間dqueue?？偟难訒r(shí)是三者之和。如圖5所示。
d=dpoll+dcycle+dqueue
其中 dpoll一般為一幀數(shù)據(jù)時(shí)間的一半，即dpoll=T/2；
dcycle一般為一個(gè)或幾個(gè)循環(huán)，但是在筆者提出的算法中對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)由于準(zhǔn)許的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與請(qǐng)求的相同，所以可以認(rèn)為dcycle為0，這就大大降低了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的延時(shí)。
dqueue一般與該數(shù)據(jù)包前數(shù)據(jù)量有關(guān)，傳統(tǒng)的算法中其最大值可為(WMAX－Q)/R。其中WMAX為最大準(zhǔn)許長(zhǎng)度，Q為該數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，R為數(shù)據(jù)速率。在新的算法中，由于將數(shù)據(jù)幀分為兩部分，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)較少，若該數(shù)據(jù)包為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，則其前數(shù)據(jù)量減少，從而dqueue減小。
同時(shí)通過(guò)前面的分析可知，由于在對(duì)ONU進(jìn)行初始化時(shí)沒(méi)有切斷高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳送，有效地降低了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的延時(shí)；另外由于將數(shù)據(jù)幀分開(kāi)，有效地降低了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的抖動(dòng)性。
對(duì)于中低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，由于其對(duì)延時(shí)不敏感，但為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的QoS,必須保證其帶寬分配的公正性，通過(guò)前面的分析可知，筆者提出的帶寬分配算法很好地保證了這一點(diǎn)。
本文提出了一種新的帶寬分配算法，該方法區(qū)分不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行服務(wù)，很好地降低了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的延時(shí)和延時(shí)的抖動(dòng)性，另外該算法控制中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的接入量，保證了中低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)在每個(gè)ONU間帶寬分配的公正性。但是該算法計(jì)算量很大，要給每個(gè)ONU發(fā)送兩次準(zhǔn)許消息，加重了OLT的計(jì)算和發(fā)送數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)以及ONU讀取信息的負(fù)擔(dān)。該實(shí)現(xiàn)方案有待進(jìn)一步改進(jìn)。
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