（通信与信息系统专业论文）gpon系统dba算法的优化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 当前，随着骨干网、企业网和家庭网络的迅速发展，互联网流量的巨大增加， 使得接入网容量的缺乏显得更加突出。“最后一公里 依然是大容量骨干网与局 域网间的瓶颈所在。g p o n 是基于i t u tg 9 8 4 x 标准的最新一代宽带无源光综 合接入技术，支持多速率，具有高效率、高带宽、全业务q o s 保证、生存性强 等优势，同时还能充分顾及到运营商的意见。g p o n 目前已经有了良好的技术基 础，并且已经能够满足批量商用的需求，从技术上已经实现了从当前g p o n 技 术向未来1 0 g e p o n 和1 0 g g p o n 技术的平滑演进，选择g p o n 技术作为光接入 建设主流技术的时机已经成熟，因此业界普遍认为它是“最后一公里 的最佳解 决方案。由此可以看出，研究g p o n 的关键技术，从长远来说具有非常重要的 意义。 本文从g p o n 技术的发展历史与现状开始展开工作，对g p o n 系统的帧结 构、协议和关键技术做了详细讲解，并深入探讨了关键技术中的动态带宽分配算 法，主要包括g p o n 的传输容器、d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ：动态带宽分 配) 协议和工作模式以及动态带宽分配的工作原理。论文的核心是动态带宽分配 算法的研究与优化，通过对g p o n 系统目前现有的几种典型动态带宽分配算法 的对比研究，提出了一种基于t - c o n t 业务等级的分级轮询的改进算法。改进算 法通过与四类t - c o n t 对应，将业务等级从高到低划分为四级，从t - c o n t i 到 t - c o n t 4 的业务，其等级越来越低，然后按照从高到低的等级，根据业务的带 宽需求及权重依次动态分配带宽。文中详细描述了该算法的思想以及每一步的动 态带宽分配情况，并且按照带宽的分配步骤给出了对应的算法逻辑原理框图。最 后利用o p n e t 仿真软件，以l ：6 4 的分光比构建g p o n 系统的系统模型、o l t 和o n u 的节点模型以及各主处理模块的进程模型，本模型改进之处在于取消了 o d n 节点，并且在o n u 主处理模块的进程模型中增加了延时补偿状态机，这样 可以使得g p o n 系统的时延性能更接近现实情况。最后在这个搭建的仿真平台 中进行四组仿真实验，仿真结果表明，本文提出的改进算法的时延和时延抖动性 能符合i t u t 的标准且优于改进前算法，而且很好的满足了g p o n 系统的全业 务q o s 保证。 关键词：g p o n ，传输容器，动态带宽分配算法，o p n e t 建模仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fb a c k b o n en e t w o r k 、e n t e r p r i s en e t w o r k a n dh o m en e t w o r k p r e s e n t l y , t h eh u g ei n c r e a s ei ni n t e r a c tt r a f f i c ，w h i c hm a k e st h es h o r t a g eo fa c c e s s n e t w o r kb e c o m em o 他p r o m i n e n t ”l a s tk i l o m e t e r i ss t i l lt h eb o t t l e n e c ko f h i g l l - c a p a c i t yb a c k b o n en e t w o r k a n dt h el a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) g i g a b i t c a p a b l e p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ki st h el a t e s tg e n e r a t i o no fb r o a d b a n dp a s s i v eo p t i c a la c c e s s t e c h n o l o g y , b a s e do ni t u - tr e c o m m e n d a t i o ng 9 8 4 x ，a n ds u p p o r tm u l t i - r a t e g p o n h a st h ea d v a n t a g e so fh i 曲e f f i c i e n c y , f u l l - s e r v i c e ，q o sg u a r a n t e ea n ds t r o n g s u r v i v a b i l i t y , a l s oc a l lf u l l yt a k et h ev i e w so ft h eo p e r a t o r si n t oa c c o u n t n o w , g p o n h a sb e e nh a v eag o o dt e c h n i c a lb a s ea n da b l et om e e tt h ed e m a n do fq u a n t i t i e so f c o m m e r c i a l ，g p o nh a sb e e na c h i e v e ds m o o t he v o l u t i o nf r o mt h ec u r r e n tg p o n t e c h n o l o g yt ot h ef u l l l r e10 g e p o na n d10 g g p o nt e c h n i c a l l y , t h et i m e i s r i p et o c h o o s eg p o nt e c h n o l o g ya st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yo ft h eo p t i c a la c c e s s c o n s t r u c t i o n ，s o ，w eg e n e r a l l yc o n s i d e rt l l a tg p o ni st h eb e s ts o l u t i o nf o r ”l a s t k i l o m e t e r i tc a nb es e e nt h a t ，r e s e a r c h i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e so fg p o nh a sv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h el o n g e rt e r m 硒ep a p e rb e g i n sf r o mt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fg p o n ， e x p l a i n si t ss t r u c t u r e ，p r o t o c o l s ，a n dk e yt e c h n o l o g i e si nd e t a i l ，d e e pi n v e s t i g a t et h e d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c hi n c l u d e s t r a n s p o r tc o n t a i n e r s ，d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) p r o t o c o l sa n do p e r a t i n g m o d e s ，a sw e l la st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n n ec o r co f t h i sp a p e ri sr e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o no fd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m ，b y d o i n gac o m p a r a t i v es t u d yo fs e v e r a le x i s t i n gt y p i c a ld b aa l g o r i t h m ，t h ep a p e rp u t s f o r w a r da ni m p r o v e dg r a d e dp o l la l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt c o n t t h ei m p r o v e d a l g o r i t h md i v i d e sb u s i n e s sl e v e li n t of o u rl e v e l sf r o mh i g ht ol o wc o r r e s p o n d i n gt o t h ef o u rt y p e so ft - c o n t , ，f r o mt - c o n t lt o c o n t 4b u s i n e s s ，t h e i rg r a d e sa r e g e t t i n gl o w e ra n dl o w e r , t h e nf o l l o wf r o mh i g ht ol o wl e v e l ，e x e c u t ed y n a m i c a l l o c a t i o no fb a n d w i d t hi np r o p e ro d e ra c c o r d i n gt ot h eb a n d w i d t hn e e d so fb u s i n e s s a n dt h er i g h tw e i g h t t h ea r t i c l ea l s od e s c r i b e st h ei d e ao ft h ea l g o r i t h ma n dt h e d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nf o re a c hs t e p ，a n dd r e wt h el o g i cb l o c kd i a g r a mi n a c c o r d a n c ew i t ht h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o np r o c e d u r e l a s t l y , b u i dag p o ns y s t e m 武汉理工大学硕士学位论文 m o d e l ，n o d em o d e l so fo l ta n do n u ，p r o c e s sm o d e l so ft h em a i np r o c e s s i n gm o d u l e w i t ho p n e t , t h i sm o d e la b o l i s h e dt h en o d eo ft h eo d n ，a n da d da d e l a y c o m p e n s a t i o ns t a t et ot h ep r o c e s sm o d e lo ft h eo n u ，s ot h ed e l a yp e r f o r m a n c eo f s u c he x p e r i m e n ti sc l o s e rt or e a l i t y t h e nc o n d u c ts i m u l m i o ne x p e r i m e n t si nt h i s s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mi nt h i s p a p e ri s i n l i n ew i t ht h ei t u - tr e c o m m e n d a t i o n ，a l s os u p e r i o rt ot h eo r i g i n a l a l g o r i t h ma n dm e e tt h ef u l l s e r v i c eq o sg u a r a n t e eo fg p o ns y s t e mw e l l k e y w o r d s t g i g a b i t - c a p a b l ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，t o c o n t , d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ，o p n e tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景、目的和意义 现代通信网主要是由传输网、交换网、接入网三大部分组成，而传输网和交 换网的飞速发展也相应的促使了接入网的快速发展。接入网直接面向用户，并且 负责将各种业务透明地传输到用户。当前，随着骨干网、企业网和家庭网络的迅 速发展，互联网流量的巨大增加，使得接入网容量的缺乏显得更加突出。“最后 一公里 1 1 1 依然是大容量骨干网与局域网间的瓶颈所在。 p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ：无源光纤网络) 是一种纯介质网络，由设置 在端局的o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ：光线路终端) 、邻近用户的o n t o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ：光网络单元) 和o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ：光分 配网络) 组成1 2 1 ，其o d n 不含任何有源器件，如图1 1 所示。 网络侧接口 叫卫匠卜 s n l 口丽。 - - - - - _ _ _ _ _ - 一 i d 、 ； n 曼匠l i f p o n ：p o n 接口 口 图1 1p o n 系统参考结构 p o n 有体积小、造价低、设备简单且组网灵活、易扩容、易维护等众多优 点，未来的接入网解决方案也必然是采用p o n 无源光网络技术l3 1 。 p o n 系统的发展经历了基于a t m 的a p o n 技术，到基于e t h e m e t 的e p o n 技术，最后到目前的g p o n 技术几个阶段，每一次新的p o n 标准的提出和相关 技术的完善，都极大地促进了接入网技术的快速发展。 ( 1 ) a p o n ( a t mp o n _ a t m 无源光网络) a p o n 的国际标准为i t u tg 9 8 3 ，以a t m 协议( 一种基于信元的传输协议) 为载体，结合多址和接入控制技术、突发信号的收发技术、快速比特同步及安全 保密技术，技术成熟1 4 i 。近年来，随着研究的发展，逐步增加了动态带宽分配、 扩展的波长分配、保护、o n t 控制管理接口等机制。a p o n 的速率包括下行 l 武汉理工大学硕士学位论文 6 2 2 m b i t s 、上行1 5 5m b i t s 非对称和上下行1 5 5m b i t s 对称两种。 a p o n 建立的是一个点到多点的系统，其典型网络拓扑结构为星型，除此之 外，系统还支持树型、总线型等结构。a p o n 系统多样化的拓扑结构也提高了设 备扩容和升级的灵活性。但由于a p o n 的核心技术是a t m ，相对复杂、速率有 限、i p 业务映射效率低下，未来不会有大的发展。 ( 2 ) e p o n ( e t h e r n e tp o n - 以太网无源光网络) e p o n 是指基于以太网技术的无源光网络，由i e e e 组织进行标准化，它和 a p o n 最主要的区别在帧结构上( 包括帧结构格式、帧周期长度以及打包方式) ， 主要技术差别在于e p o n 根据i e e e8 0 2 3 协议，以可变长度的分组进行数据传 输，最长1 5 1 8 字节【5 i ；而a p o n 则是按照a t m 协议，以固定长度5 3 字节的 a t m 信元传输数据。 e p o n 采用与吉比特以太网相同的帧格式和8 b 1 0 b 线路编码，可提供上行 与下行对称的l g b i t s 以太网速率，典型的光分路比是l ：3 2 。 e p o n 在链路层使用以太网协议，在物理层使用的是p o n 技术，并利用p o n 的拓扑结构来实现以太网的接入。e p o n 综合了以太网技术和p o n 技术的优点， 如：成本低，带宽高，扩展性强，服务重组快速灵活，能兼容现有以太网，管理 方便等。 e p o n 媒质是共享媒质和点到点网络的结合。下行方向表现出共享媒质的连 接性，上行方向的特性就如同点到点的网络。 ( 3 ) g p o n ( g i g a b i tc a p a b l ep o n - 吉比特无源光网络) g p o n 是基于i t u tg 9 8 4 x 标准的最新一代宽带无源光综合接入技术。与 e p o n 直接采用以太网帧不同，g p o n 采用g e m ( 用于g p o n 系统、面向连接 且帧长可变的封装方法) 这种特殊的封装方法1 6 1 。g p o n 的上行速率为 1 2 4 4 1 6 g b i t s ，下行速率有2 4 8 8 3 2 g b i t s 和1 2 4 4 1 6 g b i f f s 两种，目前的设备通常 都是实现非对称速率。物理层传输距离为2 0 k m ，可支持1 ：6 4 的分路比，使用定 长的帧结构，上下行均为1 2 5 9 s 故下行帧长为3 8 8 8 0 字节或1 9 4 4 0 字节上行 帧长为1 9 4 4 0 字节。 几种p o n 技术的对比结果如表1 1 所示。 表1 1 三种p o n 技术的比较 项目 a p o ne p o ng p o n i e e e 标准 i t u tg 9 8 3 i t u tg 9 8 4 8 0 2 3 a h 上行传输速率( m b s ) 1 5 5 6 2 21 2 5 0l5 5 6 2 2 12 5 0 2 5 0 0 2 武汉理工大学硕士学位论文 续表 项目a p o ne p o ng p o n 下行传输速率( m b s )15 5 6 2 2 12 5 0 1 2 5 012 5 0 2 5 0 0 上行口j 用带苋 ( i p 业务) ( m b s ) 5 0 0 ( 上行6 2 2 )7 6 0 8 6 01 1 0 0 ( 上行1 2 4 4 ) 带宽有效性8 0 7 0 9 2 帧结构协议a t m 协议以太网标准a t m g e m 协议 编码类型n r z8 b 1 0 bn r z 逻辑传输距离( 1 锄)1 0 2 0l o 2 0 6 0 常用分路比1 ：1 61 ：1 6 ，l ：3 2l ：3 2 ，l ：6 4 ，1 ：1 2 8 网络保护有无有 实现f t l x 选择性可用较优最优 t d m 支持方式a t m e t h e m e ta t m 或p a c k e t 总的来说，a p o n 技术标准复杂且成本高，要在a t m 层上适配和提供业务比 较复杂，并且传输以太网与i p 数据业务时效率低；而e p o n 的两大致命缺陷就是 带宽利用率低，并且难以支持以太网以外的实时业务；相比之下，g p o n 技术的 优势显得尤为突出，比如它支持多速率，有高效率、全业务0 0 s 保证、生存性强 等 l 8 1 优势，且能充分兼顾运营商的意见，因此被普遍认为是下一代宽带接入网 的最佳解决方案。由此可以看出，研究g p o n 技术特别是其关键技术从 长远来说，具有非常重要的意义。 1 2 国内外g p o n 的研究现状 近年来，人们对通信业务的要求日益提高，为了满足用户这种不断提高的需 求，无源光网络( p o n ) 技术已经成为电信运营商宽带接入的首选技术方案。其 中g p o n 技术更是以其宽接入带宽、强综合业务能力、良好网络稳定性等优势 逐渐成为了p o n 行业的主流p o n 标准。 我国工信部电信研究院从2 0 0 7 年起开启了制定g p o n 技术规范的道路，组 织过多次互通性测试并且取得了令人满意的成果，从这些互通测试的内容来看， 已部分超越了e p o n 的互通测试，互通性也已部分超越了e p o n 。工信部电信研 究院主导形成了g p o n 设备技术规范和g p o n 设备测试规范等标准规范文档， 并且一直致力于推动g p o n 产业的迅猛发展，正因为如此，加快了g p o n 技术 的商用进程。 为了对目前g p o n 系统的产业和技术成熟度有深入的了解，以便正确的评 估当前g p o n 系统的性能、功能和互通性等情况，工信部电信传输研究所于2 0 0 9 年3 月2 日到4 月1 1 日再次举行了业内规模最大的g p o n 设备评估测试和o l t 、 3 武汉理工大学硕士学位论文 o n u 的新一轮互通性测试，结果表明，g p o n 设备的功能完善且性能符合预期 要求，主流厂家的o l t 和o n u 之间的互通没有问题。 “e p o n 先行，o p o n 跟进 是我国主要的i s p 运营商对于p o n 技术最先 推行的总体策略。随着相关标准的制定，国内各大厂商皆纷纷展开了对g p o n 的研究工作，例如烽火通信、格林威尔等都投入了大量的精力在g p o n 商用方 案的研究上并取得了可喜的成果。其中阿尔卡特和烽火已经推出了g p o n 的商 用解决方案。上海阿尔卡特公司于去年推出了一种千兆无源光网络( 即g p o n ) 光 纤到户解决方案，给端到端的融合架构增加了一个“最后一公里 的选择，并且 该方案能够支持速率为2 5 g b s 的话音、数据与视频服务1 9 1 。 目前一些亚洲与欧美国家的大型运营商也已经开始了对g p o n 产品的试验， 其中影响力最大的莫过于n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n ec o r p o r a t i o n ：日 本电信电话株式会社) 和s b c 通讯公司。n t t 根据从2 0 0 5 到2 0 0 7 年对固网宽带 用户使用的宽带接入方式的统计判定，光纤代替a d s l 入户的趋势已经十分清 晰。于是，n t t 把大力普及性价比更高的g p o n 技术作为自己努力的方向。与 n t t 类似，美国的s b c 通讯公司计划在2 0 0 7 年前为l8 0 0 万用户提供i p t v 服 务，为了匹配i p t v 业务的高带宽需求，g p o n 也成为s b c 公司的不二选择。 从产业链发展的角度来说，国内的电信运营商与国际研究机构都认定， g p o n 在2 0 1 3 年的市场规模会是e p o n 的3 倍。从国际分析机构o v u m 的数 据可以看出，2 0 0 8 年g p o n 的全球投资额已经超过了e p o n ，并将在2 0 1 2 年达 到4 倍于e p o n 的额度。 g p o n 目前已经有良好的技术基础，并且已经能够满足批量生产的需求，从 技术上已经实现了从当前g p o n 技术向未来l o g e p o n 和1 0 g g p o n 技术的平滑 演进，选择g p o n 技术作为光接入建设主流技术的时机已经成熟。据权威机构 预测，基于g p o n f t t h 应用的o n u 端口数在2 0 0 7 年进入爆发性增长，达到 2 0 0 万线左右，在2 0 0 8 年再增长一倍达到4 0 0 万线的规模。 1 3 论文结构安排 本文从g p o n 的发展历史与现状开始展开工作，对g p o n 系统的结构、协 议和关键技术做了详细讲解，并深入探讨了关键技术中的动态带宽分配算法，主 要包括g p o n 的传输容器、d b a 协议和工作模式以及动态带宽分配的工作原理。 论文的核心是动态带宽分配算法的研究与优化，通过对g p o n 系统目前现有的 几种典型动态带宽分配算法的对比研究，提出了一种基于t c o n t 业务等级的分 级轮询的改进算法。针对本文提出的适用于g p o n 系统上行链路的d b a 算法， 用网络仿真工具o p n e t 建立g p o n 系统的仿真模型来对该算法的性能进行检 4 武汉理工大学硕士学位论文 验，结果表明，本文提出的改进算法的时延和时延抖动性能符合i t u t 的标准 且优于改进前算法，很好的满足了g p o n 系统的全业务q o s 保证。具体来说， 本文的结构安排如下： 第一章，概述本文的研究背景、目的和意义，从整体上介绍本文的研究内容。 通过对几种p o n 技术的对比分析归纳出g p o n 技术的几点优势，并详细介绍了 国内外g p o n 技术的研究与发展现状。 第二章，对g p o n 技术进行较为详细的研究与分析，包括g p o n 系统的参 考结构和数据传输方式，媒质接入控制、测距和延时补偿以及动态带宽分配等关 键技术，g p o n 系统协议的层次结构、复用和封装结构以及上下行帧结构，最后 还利用o p n e t 软件对g p o n 系统的上下行帧结构进行了仿真设置。 第三章，主要研究g p o n 系统动态带宽分配算法的相关技术，包括传输容 器t - c o n t 和动态带宽分配协议，之后充分研究了现有的几种g p o n 系统d b a 算法，在此基础之上，提出了一种改进的基于t o c o n t 业务等级的分级轮询d b a 算法，并且对改进算法的参数等设置做了相关规定，最后详细介绍了改进算法的 执行步骤。 第四章，在第三章详细的算法思想与执行步骤的前提下，给出了改进算法的 带宽分配流程图，并利用o p n e t 仿真软件对改进后的算法进行建模与仿真。模 型的构建包括网络层、节点层和进程层三层，其中进程层对业务源、o l t o n u 和s i n k 的建模是建模的核心。最后通过设置的四个仿真场景对改进算法进行实 验，结果表明，改进算法的时延和时延抖动性能优于原算法，且符合i t u t 标 准。 第五章，总结本文的主要工作内容和创新点，并对本次论文写作与实验过程 中的不足和后续工作进行展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g p o n 系统的研究与分析 2 1g p o n 系统的结构 2 1 1g p o n 系统的结构 g p o n 是目前为止最为先进的光接入网技术，其设备结构类似于其他已有的 p o n ，都是由o l t 、o d n 和o n u 组成。根据g p o n 的标准协议 1 0 - 1 3 1 ，g p o n 系统的参考结构如图2 1 所示。 司霹嘲 5 r 0 d n 节 卜叫o w i ： + 划删删1 4 9 0 n m 光_ 墓 图2 1g p o n 系统的参考结构 o l t 通常设置在中心机房，用于连接光纤干线的终端设备，位于业务节点接 口和p o n 接口之间，具有以下功能：在下行方向，o l t 以广播的方式向所有的 o n u 发送数据，发起测距并控制测距的过程，同时记录测距信息；在上行方向， 为o n u 分配带宽，即控制各个o n u 的t - c o n t 传输业务的起始时间和传输窗 口的大小。 o d n 光分配网络提供o n u 到o l t 的光连接传输。o d n 负责将光能分配给 每个o n u ，这些o n u 共享同一根光纤的容量。在g p o n 中使用的无源光器件 主要是光合分路器。o n u 位于u n i ( 用户网络接口) 和p o n 接口之间，提供与 o d n 相连接的光接口，实现用户侧的光接口。o n u 主要有以下几个功能：下行 方向，选择性地接收o l t 发送来的广播数据帧；响应o l t 发出的测距和功率控 制命令，并做出相应地调整；上行方向，对用户发送的数据帧进行缓存，然后在 o l t 授权的发送窗口中发送。 2 1 2g p o n 系统的数据传输 g p o n 系统的上下行数据传输路径1 1 4 i 如图2 2 所示。 6 十星黼旦 i 一 删。_=uu一 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2g p o n 的上行和下行数据传输 o l t 到o n u 的方向即为下行方向：o l t 将要发往o n u 的数据封装成帧， 然后数据包经过无源光分路器o d n 广播到每一个o n u ，目的o n u 再根据m a c 地址或者数据帧中的l l i d 有选择的提取。这种行为特征类似于共享媒质网络。 以太网的广播特性与e p o n 结构相匹配。 o n u 到o l t 的方向即为上行方向：无源光合路器具有方向特性，因此，各 o n u 发送的数据包只能到达o l t ，不能到达其他o n u 。这种行为特征类似于点 到点网络。g p o n 中所有的o n u 皆属同一冲突域来自各0 n u 的数据包同 时传输可能产生冲突。故g p o n 需采用调度算法以避免数据冲突。g p o n 系统 的上行是通过t d m a ( 时分复用) 的方式来传输数据的，上行链路被分成不同的时 隙，然后根据下行帧的b wm 印字段来给每个o n u 分配上行时隙，各个o n u 都在特定的时隙内传输数据。 2 2g p o n 系统关键技术的研究 2 2 1g p o n 媒质接入控制 g p o n 系统的上行方向采用的是t d m a 接入方式，各个o n u 共享o d n 媒 质。为了确保正常工作时，数据不会发生重叠或者冲突，也就是说，在上行方向， 任何时间最多都只能有一个o n u 访问共享媒质，因此必须对上行的业务流进行 媒质接入控制，即m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) i s l 。为了能够很好地实现媒质 接入控制，g p o n 首先要对所有的o n u 进行注册，这样就使得每个工作的o n u 都能被o l t 认知。m a c 机制的具体实现过程如下：从前面g p o n 的帧结构的学 习中可知，下行帧中b wm a p ( b a n d w i d t hm a p ) 字段是用来进行上行带宽的分 配的，故o l t 通过这个字段来传递指针( 以字节为单位) 信息以指示上行数据 流中各个o n u 开始和结束传输数据的时间，这样，便可以保证任何一个时刻都 只有一个o n u 占用了共享媒质。 7 武汉理工大学硕士学位论文 可以看出，g p o n 需要m a c 协议来控制用户接入，以使得o n u 能公平高 效的占用共享媒质传输数据，从m a c 机制实现过程知道，只有上行方向需要 m a c 机制进行接入控制。 从媒质接入控制的实现方法可以看出，m a c 的主机在o l t 处，而从机是 o n u 。当前有两种主要的m a c 协议：动态带宽分配和静态带宽分配，详情参考 2 3 2 小节。m a c 协议包括三个机制：o l t 处的m a c 算法，通过接收o n u 的 业务信息来确定在下个时隙的上行各个o n u 的传输优先级；o n u 到o l t 的业 务信息；o l t 到o n u 的授权许可。其中优先级取决于业务的服务质量即q o s 级别。一般来说，实时业务的优先级高于非实时业务的优先级。 2 2 2g p o n 测距和延时补偿 由于各个o n u 到o l t 的距离不等，加之环境温度变化、光器件的老化等等 因素，都会使得o n u 经过长度不同的光纤传输以后产生不同的时延。如果这种 情况不加以控制的话，在上行方向o n u 传输数据到o l t 的过程中就可能发生重 叠或者碰撞，这时就会产生高的比特误码率，情节严重时会使数据丢失而导致媒 质接入控制的失败。 为防止上述情况的发生，g p o n 按照g 9 8 3 的规定引入了初始开窗测距法来 测量各个o n u 的数据到达o l t 的逻辑距离0 6 1 。按照g p o n 标准族的要求，其 最长测距长度是2 0 k i n 。g p o n 测距法的基本原理如下：首先预先设定o n u 的 均衡环路时延值，记为乙，当有某一个o n u 需要测距的时候，o l t 便发送指 令，使所有正在运行的o n u 在一个特定的时间段( 即测距窗口) 暂停发送数据， 同时o l t 还命令o n u 向上( o n u 向o l t 发送数据的方向) 发送一个特殊的时 隙信号，这个特殊的时隙信号被称之为o n u 的响应信号。我们把o l t 发出指令 到接收到o n u 的响应信号的这段延时叫做该o n l y 的环路延时值，记为瓦。 然后，o l t 给这个特定的o n u 插入一个均衡时延乃，使得插入乃后o n u 的总 环路延时与乙相等，将此过程扩张到其他的o n u ，便可使每个o n u 到o l t 的环路延时都相等且等于乙，这就类似于所有的o n u 到o l t 的逻辑距离相等 了一样t z 0 = 乃却( 1 ) + 乃( 1 ) = t r o o p ( 2 ) + t a ( 2 ) = k ( 3 ) + 乃( 3 ) = = o ) + 乃o ) “ g p o n 系统的测距和补偿利用的是t c 帧中p l o a m 信息的传递和处理。而 通过测距，o l t 可以给每一个o n u 分配一个均衡时延乃值，再通过t c 下行帧 中的p l o a m 信息把这个值传递给o n u 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 g p o n 的测距方法可以分为静态测距和动态测距两大类。静态测距一般用在 系统初次安装或者有新的o n u 接入，这个时候需要进行开窗测距。动态测距顾 名思义，针对的是各个运行中的o n u ，随着时间和环境因素的变化会发生时延 漂移，o l t 实时微调o n u 的均衡时延瓦值，这种情况下是无需进行开窗测距的。 2 2 3 动态带宽分配 由上一小节可知，m a c 协议包括静态带宽分配和动态带宽分配。 静态带宽分配又称之为固定带宽分配，因为这种方式中每个o n u 占用的带 宽是固定的。o l t 根据每个o n u 的s l a 周期性的给每个o n u 分配固定长度的 授权【1 7 i 。这种方式上行带宽利用率较低。 d b a 方式根据各o n u 的s l a ( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ：服务等级协议) 和上行流量情况为其动态分配上行带宽。当某个o n u 的流量较小时，o l t 分配 给该o n u 较小的授权，节约下来的带宽可以给其他o n u 利用；当某个o n u 的 流量增加时，o l t 分配给该o n u 更大的授权但不能超过s l a 规定的最大带宽。 d b a 就是根据系统的实时流量动态地调整用户的上行接入带宽而不中断链 接来提高p o n 系统上行带宽的使用效率。其作用和意义在于以下两个方面：其 一，相较于静态带宽分配，d b a 实现了上行带宽的实时调整，能最大限度的提 高上行带宽的利用率，从而使得运营商可以在不增加带宽的前提下可以接入更多 的用户。其二，d b a 能保证传输业务的q o s 及公平性，尤其是对突发性强的业 务，d b a 的优势更为明显。 动态带宽分配方式根据o n u 突发业务量的需求，动态调整它们的上行接入 带宽，因此可以提高g p o n 上行带宽的使用效率1 1 引。首先，因为能够更有效地 使用带宽，所以p o n 可以在不增加带宽的前提下接入更多的用户；其次，用户 还可以要求分配固定带宽之外的额外带宽以享受更好的服务。动态带宽的分配方 法通常有两种：一种是空闲信元调整，另一种是缓冲器使用情况报告。对于空闲 信元调整方式，o l t 实时监测每个o n u 的带宽使用情况，如果某一个o n u 使 用的带宽超过了预先分配的值，若此时还有富余的带宽，o l t 便会给该o n u 分 配额外带宽，这种方式的优点是o n u 不需要向o l t 报告其带宽需求信息，缺点 是o l t 的回应总是落后于o n u 对带宽的需求，不能实时的授权o n u 的带宽改 变1 1 9 i 。对于缓冲器使用情况报告法，首先o n u 会利用微时隙向o l t 报告缓冲 器被使用的情况，然后o l t 再根据该报告重新分配各o n u 下次可以使用的带宽。 传输容器和g p o n 的层次结构如图2 3 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 传输容器和g p o n 系统的层次结构 可以看出，d b a 性能允许一个o n u 里使用几种不同类型的t - c o n t ，每个 t - c o n t 携带a t m 虚通道连接( v p c ) 和虚信道连接( v c c ) ，单个t - c o n t 还 可以携带不同类型业务的a t m 流量，并且把他们的缓冲器使用情况报告给与此 相连接的o l t 。一个o n u 里的t - c o n t 可以相互独立的工作。 要使g p o n 系统具有动态带宽分配的功能，可以分两步来实现。第一步， 直接把具有动态带宽分配能力的o l t ( 这样的o l t 称之为d b a o l t ) 装到以前 不具有动态带宽分配能力的系统内。因为在不具有d b a 能力的系统中，o n u 是 不向o l t 报告其缓冲器使用情况的，称之为n s r 0 n u ( 非带宽需求报告o n u ) ， 这种情况下o l t 便是使用空闲信元调整法来实现动态带宽分配。第二步，给系 统安装具有带宽需求报告能力的o n u ( s r o n u ) ，这种情况下，o l t 可以根据 o n u 报告的缓冲器使用情况来给各o n u 分配带宽。除此之外，动态带宽分配还 可以使用n s r 和s r 相结合的方式。若一个o n u 中有多个t _ c o n t ，则d b a 可以提供更多的业务1 2 0 l 。 2 3g p o n 系统的协议分析 2 3 1g p o n 协议的层次结构 g p o n 协议主要包括三层，由控制管理( c m ) 平面和用户( u ) 平面组成。 其中c m 平面用于管理用户数据流以完成o a m 功能；u 平面用于完成用户数 据流的传输。u 平面包括p m d ( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ：物理媒质相关) 层、 t c ( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ：传输汇聚) 层、o m c i ( o n um a n a g e m e n ta n d c o n t r o li n t e r f a c e ：o n u 管理控制接口) 层。g p o n 分层模型如图2 - 4 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 t c 层 控制管理( c m ) 平面 用户( u ) 平面 高层 罗嘲穗露孵 遂誓懋筮魃 物理媒质相关层( p m d ) 上层协议 t c 层 p m d 层 p o n 媒质 图2 4g p o n 系统的分层模型 p m d 层管理信号的传输，如上下行速率、工作波长、双工方式及线路编码 等1 2 。o m c i 对o n u 进行远程控制和管理。 t c 层是g p o n 的核心，包括帧结构、d b a 、o n u 激活、o a m 功能和安全 性等方面的要求。t c 层又分为成帧子层和适配子层：t c 成帧子层用于完成t c 帧的封装、测距、传输和带宽分配等。t c 适配子层提供p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ： 协议数据单元) 与高层实体的接口。a t m 或g e m 在各自的适配子层完成s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ：服务数据单元) 和p d u 的转换1 2 2 叫l 。 o m c i 子层【2 5 l 高于a t m 和g e m 适配子层，用于识别v p i v c i 和p o r t i d ， 提供对o n u 进行远程控制和管理手段，并完成o m c i 通道的数据跟高层实体之 间的交换。 2 3 2g p o n 复用和封装结构 不同于e p o n 直接采用以太网帧结构，g p o n 的标准规定了g e m 这种特有 的封装方法。具体来说，g e m 来自于g f p ( g e n e r i cf r a m i n gp r