EPON的性能分析及优化

第34卷第7期光电工程Vol.34, No.72007年7月Opto-Electronic EngineeringJuly, 2007文章编号: 1003-501X(2007)07-01 16-05EPON的性能分析及优化陈光武，杨菊花，范多旺(兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃兰州730070)摘要:本文研究了以太无源光网络(EPON)的动态带宽算法，提出了基于轮询~呼叫方式的优化DBA算法。本文以合理地利用和分配带宽,确保系统得到QoS 保证为目标，对上行通道剩余带宽的利用提出了相应的优化方法和调度机制，并进行了 性能分析和比较。同时在研究了人们往往容易忽略的ONU的退出和启动基础上，进一步对EPON运行过程中ONU的接入和退出时带宽的利用进行了优化，并提出了解决方案。关键词: EPON; 动态带宽分配;调度机制; ONU中图分类号: TN915.6文献标志码: 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)引言基于以太网的无源光网络(Ethernet Passive Optical Network, EPON)作为目前一种被普遍看好的光纤接入技术，在物理层上继承了无源光网络的优势，可提供高达1.25 G的接入速率和长达20 km的接入范围。变长的以太帧结构对IP业务良好的适应性致使网络传输负载大幅度降低。加上以太网技术的高度成熟和终端设备的大量普及，使得EPON的建设，运营和维护成本都将大大低于基于异步传输模式的无源光网络，同时具有良好的可扩展性。EPON是由IEEE802.3 EFM工作组(Ethermet in the First Mile Study Group)引入的一-种新的接入技术标准，主要由光线路终端(OLT)、光网络单元/光网络终端(ONUs)和光分布网络(ODN)组成。OLT放置在中心交换局，ONU放置在用户端。EPON中传送IEEE802.3规定的以太数据帧。在下行方向上EPON系统是一个共享介质的广播网络，在上行方向EPON系统是一个多点到点的结构，多个ONU共同占用一个传输信道，因此OLT中必须采用一定的MAC协议控制信道的分^中国煤化二"送数据造成的以太收稿日期: 2006-08- 23,收到修改稿日期: 2007-05-20"TYHCNMHG基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS042-B25-024)作者简介:陈光武(1976-). 男(汉族)，新疆阿克苏人，副教授，主要研究方向:光纤通信网络、信息及控制。Email: cgwlz@mailzjtu.cn2007年7月陈光武等: EPON的性能分析及优化117数据帧的碰撞。通常采用TDM,给每个ONU分配不同的带宽时隙来实现。怎样合理地利用和分配带宽,确保系统实时响应，使各个用户能够按照各自相应的服务等级协议(SLA,Service Level Agreement)得到QoS保证，是EPON关键技术之一。由于以太网帧长度的灵活性,可以通过MAC控制命令和一些特殊帧(如Pause帧)来优化EPON的传输处理,人们基于此问题已各抒己见,提出了各自的解决方案。本文主要从影响EPON系统性能的DBA算法、剩余带宽的利用和人们常常忽略的ONUs的退出与接入等几个因素进行分析，提出了相应的解决办法，以优化系统的性能，提高EPON系统的QoS保证。1改进的DBA算法上行方向带宽时隙的分配既可以采用固定的时隙分配也可以采用动态的时隙分配。固定时隙分配算法简单、容易实现，但没有实现带宽的统计复用，因此带宽的利用率低。同时其传输周期是固定的，可能造成一些优先级高的数据包传输延时增大，使得网络的QoS下降。在MAC协议里，主要解决的是上行通道带宽的分配，也就是带宽分配算法。好的带宽分配算法需要OLT公平的分配带宽，在带宽分配算法上，人们已经作了许多的研究工作。最先提出的是静态带宽分配，也就是给每个ONU都分配同样大小的时隙。这种算法虽然简单，但负载较小的ONU不能充分利用带宽,造成其它ONU时延增大，系统吞吐量减少。为了解决这个问题，在文献[1]中Kramer提出的采用动态轮询周期的IPACT算法是- -种主从形式的动态带宽分配算法，该算法有效地提高了上行信道的利用率,但是由于轮询周期的变化和没有区分数据的优先级，使其不适用对于延时和抖动敏感的服务。其使用请求/授权的机制，也就是ONU使用请求帧申请带宽，OLT 按需分配带宽，使用授权帧对ONU进行授权。这个算法存在两个问题: I) 当ONUs负载都较小时，OLT轮询周期太短，从而导致频繁地发送授权帧占用大量下行带宽，并且上行带宽无法高效的利用起来; 2)不支持不同的优先级任务,对延时敏感的任务不能提供可保证的带宽服务。为此，Kramer 提出在ONU中设定三个优先级，采用优先级调度，但是该算法没有解决低优先级的数据包时延较大的问题。为了解决以上问题，我们在改进的动态带宽分配算法中，采用了轮询呼叫-应答方式，也就是OLT采用轮转的方式对各ONU呼叫，ONU在传输的有效数据流中嵌入了其数据队列中剩余等待的以太数据包发送请求控制信息，OLT对各个ONU大小不-的带宽请求分配发送窗口时隙，同时，我们还做了以下改进:1)在进行带宽分配设计时，OLT根据各个ONUs的任务重要程度和延时敏感性，分配不同的任务优先级，而且根据他们的优先级的不同，预先分配不等的可用带宽(也就是最小保证带宽Tmin), 避免由于优先级低的ONU长时间得不到带宽分配和响应。为了提高带宽利用率，将优先级低的ONU没有用完的剩余带宽进行再分配，而且为了考虑到公平性，仍然按照优先级高低进行，该协议在工作时兼顾了带宽利用率和公平性。2)在改进的MAC协议中采用固定的轮询周期,避免由于轮询周期的可变,导致-些优 先级高的0NUs得不到及时响应。3)对ONU请求的带宽时隙，OLT确定了-一个最大允许带宽时隙Tmax。如果该0NU请求的带宽时隙大于最大允许带宽时隙Tmax，OLT只给该ONU分配最大允许带宽时隙Tmax。4)对优先级比较低的ONU,如果长时间得不到响应，OLT则提高它的优先级，直到响应后，再将它的优先级降低。通过这样来保证在一-定的周期内，每个ONU都能够得到响应。2剩余带宽利用由于ONUs在向OLT申请发送带宽时隙的同时，也在继续接收新的数据包，并将它们都缓存在FIFO数据队列中,等候OLT分配给它的带宽时隙发送数据,在(中国煤化工T发送的Grate帧这段延时过程中，如果又接收到新的数据包，并且该数据包大|YHCNMHC#宽时隙时，假设该数据包不能拆分，则剩余带宽时隙就不能充分利用，该数据包及其后的数据包只能等候下-一个带宽时隙。未使用的剩余带宽的期望值E(X)是:118光电工程第34卷第7期E(R)=.E(X)x[1- F,(r)](1)X是代表数据包大小的随机变量，M是最大的数据包大小(以太网数据包最大为1518字节)。我们发现了E(R)不依赖于带宽时隙的大小，而是依赖于数据包大小的分布。一个ONU可以取得的最大带宽利用率是:U=(T- E(R))/T(2)T是带宽时隙的大小。假如我们为了增加带宽利用率而增大带宽时隙的大小，却又会增大数据包的时延，为了确定合理的带宽时隙的大小，我们通过文献[2]提出的的公式来计算:.2 rBuffer.0Timeslot1 回D2]D1]Timeslot 1 D1 ID2 IDSD6。DID20.8D3t D3.6 tTmeslor2 D D4 J