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e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真摘要 摘要 以太无源光网( e p o n ) 被认为是下一代接入技术的最佳之选。e p o n 综合 了p o n 接入技术和以太网技术，具有多方面的优势，诸如巨大的带宽与低廉的 价格、升级和维护简便，非常适于承载i p 业务等。关系到e p o n 性能的关键技 术之一是上行信道的统计复用方法，被称为动态带宽分配( d b a ) 算法。i e e e 制定了e p o n 的标准8 0 2 3 a h ，引入“多点控制协议 对e p o n 上行通信进行 管理和控制。多点控制协议( m p c p ) 指明了上行信道主从式时分复用的机制， 是d b a 的基础。国内外研究者提出了许多d b a 算法，但大多不支持用户服务 等级协约( s l a ) ，因而不适用于现阶段我国的e p o n 应用。本文对几种典型的 d b a 算法作了较深入的分析，指出了它们的优点和缺陷。 在继承国内外研究成果的基础上，本文总结了d b a 算法的性能目标，针 对这些目标，开创性地提出了算法设计准则以及可采取的措施。通过对影响信 道利用率的各种因素的分析，本文提出分组交织以消除d b a 延时、授权基于 以太帧边界以消除授权时隙末的空闲、采用恰当的轮询周期长度等三项措施， 使信道利用率达到理论最大值。本文对e p o n 环境的公平性作了定义，认为存 在o n u 之间、业务优先级之间和用户之间三个方面的公平性。鉴于我国目前 很可能多个用户合用一个光网络单元( o n u ) 的国情，保证用户间的公平性具 有十分重要的意义。我们主张采用两层结构的d b a 机制、为各优先级业务分 别授权，创新性地提出按用户s l a 带宽比例授权，支持q o s 的同时实现用户 之间和优先级业务之间的公平。遵循这些设计准则，本文设计了一种新算法 s o a b r ，并对其性能作了理论分析。通过同三种典型算法，i p a c t 算法、c h a d i a s s i 算法和h p f c t 算法，进行对比分析，论证了s o a b r 算法的优良性能 信道利用率最高，支持用户s l a ，实现了用户间公平，并能保证各种业务的服 务质量。 采用当今主流的网络仿真软件o p n e t ，作者建立了e p o n 系统模型，仿 真了s o a b r 算法、两种做过小改动的s o a b r 算法一一去除交织机制的 s o a b r 算法、采用严格优先级调度机制的s o a b r 算法，还仿真了作为对比的 三种典型算法。文中给出了详细的仿真参数、仿真结果及分析。对三种不同 s o a b r 算法的仿真实验证明了本文总结的d b a 算法设计准则的正确性。与其 他算法仿真结果的对比证实了理论分析的结论s o a b r 算法性能最佳，支 持用户s l a 。 关键词：以太无源光网：动态带宽分配；公平；服务质量：服务等级协约 中图分类号：t n 9 1 5 复旦大学硕士学位论文 e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真 摘要 a b s t r a c t e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) h a sb e e ne m e r g i n ga st h e b e s tc a n d i d a t ef o rn e x t - g e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k i tc o m b i n e st h e p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a n de t h e r n e tt e c h n o l o g i e s ，s oi tb r i n g sf o r t h m a n yb e n e f i c i a lf e a t u r e s ，s u c ha sl a r g ee n o u g hb a n d w i d t h ，l o wc o s to f h a r d w a r e ，m a i n t e n a n c ea n du p g r a d i n g ，u n i q u ec o n v e n i e n c et oc a r r yi p p a c k e t s o n eo fe p o n sk e yt e c h n o l o g i e sd e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c e o fe p o ni ss t a t i s t i c a l l ym u l t i p l ea c c e s so ft h eu p l i n k w h i c hi sc a l l e d d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) a l g o r i t h m i e e ep u b l i s h e d s t a n d a r df o re p o n ，t h ei e e e8 0 2 3 a ha n di n t r o d u c e dt h e “m u l t i - p o i n t c o n t r o lp r o t o c o l t os p e c i f yt h em e d i aa c c e s sc o n t r o la n dm a n a g e m e n ti n e p o n u p s t r e a mt r a n s m i s s i o n t h em u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o ld e f i n e sa m a s t e r s l a v e r yt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs c h e m e ，w h i c hi st h eb a s i so f d b a u n t i ln o w ，w o r l d w i d er e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e d m a n yg o o d d b a a l g o r i t h m s h o w e v e r ，m o s to ft h e s ea l g o r i t h m sd on o te n s u r e s e r v i c el e v e la g r e e m e n to fi n d i v i d u a lu s e ra n dh e n c et h e ya r en o tf i tf o r e p o n d e p l o y m e n ti nc h i n a s e v e r a ld b aa l g o r i t h m sw i t hd i f f e r e n t t y p i c a l i t ya r ea n a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e ra n dt h e i ra d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g sa r ee x p l a i n e d b a s e do nt h ew o r l d w i d er e s e a r c hw o r k ，t h ep e r f o r m a n c eo b j e c t i v e s o fg o o dd b a a l g o r i t h ma r ec o n c l u d e d a i m i n ga tt h e s eo b je c t i v e s ，f o r t h ef i r s tt i m ei nt h i sf i e l d ，d e s i g np r i n c i p l e so fd b a a l g o r i t h ma n d c o r r e s p o n d i n gm e t h o d s t oi m p l e m e n tt h e s ep r i n c i p l e sa r ep r o p o s e di n t h i sp a p e r r e s u l t i n gf r o ma n a l y s i so fa l lf a c t o r sd e t e r m i n i n gl i n k u t i l i z a t i o n ，t h r e em e t h o d sa r es u g g e s t e dt ob o o s tu p l i n ku t i l i z a t i o n t h e y a r ei n t e r l e a v e dt r a n s m i s s i o nt oa v o i di d l es t a g eo fu p l i n kd u r i n gt h ed b a r u n n i n g ，g r a n t i n gb a s e do nt h r e s h o l d r e p o r t i n gt or e m o v eu n u s e ds l o t r e m a i n d e ra n dk e e p i n gt h ec y c l el e n g t ha p p r o p r i a t e f a i r n e s si ne p o n c a nb ed e f i n e da st h r e et y p e s ：i n t e r - o n uf a i r n e s s ，i n t e r - c l a s sf a i r n e s si n d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sa n di n t e r u s e rf a i r n e s s w i t ht h ep o s s i b i l i t yo f s e v e r a ls u b s c r i b e r ss h a r i n go n eo n u ，t oe n s u r es l a c o m p l i a n c ef o r e a c hi n d i v i d u a lu s e ri so fs i g n i f i c a n c ei nc h i n a i no r d e rt os u p p o r t q u a l i t yo fs e r v i c e ( o o s ) ，d i f f s e r vm o d e ls h o u l db ea d o p t e d w i t hg a t e d 复巨大学硕上学位论文2 e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真 摘要 p r i o r i t ys c h e d u l i n ga n dp r o p e r l ys e l e c t e dc y c l el e n g t h ，l a t e n c y r e q u i r e m e n to fa l lc l a s s e so ft r a f f i cc a nb es a t i s f i e d af e a s i b l ew a yt o g u a r a n t e eb o t hi n t e r u s e rf a i r n e s sa n di n t e r - c l a s sf a i r n e s si s h i e r a r c h i c a l l yt oa l l o c a t eb a n d w i d t ht oe a c hc l a s so fe a c hi n d i v i d u a l s u b s c r i b e ri np r o p o r t i o nt os u b s c r i b e r sa g r e e m e n tb a n d w i d t h c o m p l y i n gw i t ha f o r e m e n t i o n e dd e s i g np r i n c i p l e sa n dm e t h o d s ，a n o v e la l g o r i t h m ，n a m e ds o a b r ，i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r s o a b r s o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei si l l u s t r a t e db yc o m p a r i s o nw i t hi p a c t , c h a d i a s s i sa l g o r i t h ma n dh p f c ti nt h e o r y a l s o s i m u l a t i o nm o d e lo fe p o n i sc r e a t e dw i t hn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r eo p n e tm o d e l e r i nt h e s a m es i m u l a t i o ns c e n a r i o ，s o a b ra n dt w os l i g h t l ym o d i f i e ds o a b r ， o n ee x c l u d e si n t e r l e a v e dt r a n s m i s s i o na n dt h eo t h e ra d o p t sf u l lp r i o r i t y s c h e d u l i n g ，a r es i m u l a t e d t h i se x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ep r o p o s e d d e s i g np r i n c i p l e so fd b aa l g o r i t h ma r ee f f e c t i v e i na n o t h e rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，s o a b r ，i p i a c t , c h a d ia s s i sa l g o r i t h ma n dh p f c t a r e p e r f o r m e di nt h es a m es c e n a r i or e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a ts o a b rh a sa d v a n t a g e si ne f f i c i e n c ya n di n t e r - u s e rf a i r n e s s w h i c h c o n f i r m st h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n k e y w o r d s ： e t h e r n e t p a s s i v eo p t i cn e t w o r k ( e p o n ) ；d y n a m i c b a n d w i d t h a l l o c a t i o n ( d b a ) ；f a i m e s s ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ； s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ( s 叫； c l c ：t n 9 1 5 复黾大学硕上学位论文3 e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真第一章引言 1 引言 1 1以太无源光网及其动态带宽分配 近二十年来，骨干网经历了长足的发展。与此同时，接入网却鲜有进展， 成为局域网与骨干网之间的瓶颈。i n t e r n e t 业务的巨大增长越发加剧了接入网落 后的局面。目前普遍使用的d s l 和c a b l em o d e m 技术远远不能为日益增长的新 型网络服务，如口电话、视频点播、高交互的视频会议等，提供足够的带宽。 市场急需一种高效经济的宽带接入技术。原先的“最后一英里 问题被提升到 “第一英里”的重要地位。第一英里以太网联盟e f m a 于2 0 0 0 年底提出了基 于以太技术的无源光网络( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) 的概念。 i e e e 在2 0 0 0 年月成立了第一英里以太网( e f m ) 工作组，致力于开发e p o n 的标准。2 0 0 4 年，i e e e 的e p o n 标准8 0 2 3 a h 正式颁布。由于e p o n 具有的 诸多优势，这种新兴的接入技术迅速受到普遍关注，被看作最具发展前景的下 一代接入网。 在e p o n 的几个关键技术中，上行链路的时分复用方法，又称为动态带宽 分配( d b a ) 算法，是研究热点之一。i e e e 关于e p o n 的标准8 0 2 3 a h 将这一 问题对制造商开放。国内外众多的研究者先后提出了不少有价值的研究成果。 我们分析了大量的研究成果，发现现有的算法不能保证用户之间的公平性，或 者信道利用率未达到最佳。鉴于我国部署e p o n 的最初阶段多个用户合用一个 光网络单元的情形可能大量存在，保证用户之间的公平性，或者说支持用户服 务等级协约具有相当重要的意义。开发符合用户服务等级协约的动态带宽分配 算法，在接入网段支持为各类用户提供不同的服务质量，就是我们的研究目标。 1 2作者的研究工作 e p o n 的动态带宽分配( d b a ) 算法关系到e p o n 性能的优劣。它是当前 的一个研究热点。i e e e 制定了e p o n 的标准，指明了上行信道主从式时分复 用的机制，是d b a 设计的基础【。国内外研究者提出了许多d b a 算法，但大 多不支持用户服务等级协约( s l a ) ，因而不适用于现阶段我国的e p o n 应用； 唯一一种支持用户s l a 的算法效率很不理想。 我们对现有的典型d b a 算法作了较深入的研究，继承众多研究者的成果， 归纳了d b a 算法的性能目标。针对这些目标，我们提出了d b a 算法设计准则 以及实施这些准则的具体措施。这些措施，虽然并不都是我们首创，大多数是 复旦大学硕士学位论文4 e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真 第一章引言 从文献、算法中提炼而得，但至今没有其他研究者做这样的总结工作，也没有 哪种算法同时采取这些措施，没有文献明确探讨d b a 算法设计方法的问题。 因此可以说，这是我们的创新点之一。 我们发现，现有算法的信道利用率没有达到理论分析所指示的最大值，但 如果同时采取我们归纳的三项措施，可以实现信道利用率最大化。本文分析了 e p o n 环境下的公平性，认为存在三个方面的公平性。鉴于近期内我国很可能 多个用户合用一个光网络单元( o n u ) 的国情i 粥l ，保证用户间的公平性具有十 分重要的意义，我们创新性地提出按用户s l a 带宽比例授权，支持q o s 的同 时实现用户之间和优先级业务之间的公平。 遵循我们总结的设计准则和措施，我们设计了一种新d b a 算法一面向 用户基于帧边界授权算法s o a b r ，从理论上分析了它的性能，论证了它具有 信道利用率最高、实现了用户间公平，并能保证各种业务的服务质量等特点。 借助于当今主流的网络仿真软件o p n e t ，我们仿真了s o a b r 算法、两种做过 小改动的s o a b r 算法去除交织机制的s o a b r 算法、采用严格优先级调 度机制的s o a b r 算法，还仿真了作为对比的三种典型算法，i p a c t 算法、c h a d i a s s i 算法和h p f c t 算法。仿真实验证明了我们总结的d b a 算法设计准则的正 确性，证实了理论分析的结论s o a b r 算法性能理想，且支持用户s l a 。 1 3论文组织结构 本文内容安排如下： 第二章简要介绍e p o n 接入技术，包括其优势、系统结构和关键技术，核 心是d b a 的意义和研究现状。 第三章阐述符合i e e e 标准的d b a 原理和d b a 算法研究现状。在介绍d b a 设计的基础，即i e e e8 0 2 3 a h 定义的m p c p 协议之后，论述d b a 的工作原理 和方法，选择几种具有典型意义的d b a 算法作了详细分析，指出它们的优点 和缺陷。 第四章论述我们的研究成果。首先总结了d b a 算法的性能目标，然后逐 一分析如何实现这些目标，提出了设计d b a 算法一些具体方法，最后介绍我 们的s o a b r 算法，论证其优越性。 第五章叙述仿真实验，用实验结果证明s o a b r 算法的优良性能。文中较 详细地说明了仿真模型、仿真参数，对仿真结果进行了分析、解释。 最后一章是对我们的工作的总结和展望。 复q 大学硕上学位论文 5 e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真第二二章e p o n 接入技术 2e p o n 接入技术 本章介绍以太无源光网的产生背景和发展现状，揭示动态带宽分配的意义。 由于世界范围内各种计算机网络的普及以及信息产业的迅猛发展，电信网 正逐渐向着宽带化、多媒体化的信息网转变。在这种趋势下，骨干网己逐渐完 成光纤化的改造，而且随着d w d m 技术和其他复用技术的应用，核心网的带 宽以达到1 0 t b i t s 以上。同时，随着以太网技术的飞速发展，用户网络，如局 域网( l a n ) 和用户驻地网的带宽也在最近十年内迅速地由1 0 m b i t s 和 1 0 0 m b i t s 升级到1 g b i t s 。但是作为通信最后一公里的接入网，与核心网和用 户网的发展趋势很不相称，不仅始终处于落后地位，而且带宽差距越来越大， 已经成为了高容量l a n 或家庭网络和核心网之间的瓶颈。 目前普遍使用的d s l 和c a b l em o d e m 技术远远不能为日益增长的新型网 络业务，如i p 电话、互动游戏、视频点播、高度交互的视频会议等，提供足够 的带宽。市场急需一种高效、经济、基于i p 的宽带接入技术。原先的“最后一 英里”问题被提升到“第一英里 的重要地位。以太网第一英里联盟e f m a 于 2 0 0 0 年底提出了基于以太网的无源光网络( e p o n ) 的概念。i e e e 在2 0 0 0 年 月成立了以太网第一英里( e f m ) 工作组，致力于开发e p o n 的标准。2 0 0 4 年，i e e e 的e p o n 标准8 0 2 3 a h 正式颁布。由于e p o n 具有的诸多优势，这种 新兴的接入技术很快受到普遍关注。 2 1p o n 的系统结构和优势 多年来，无源光网络一直被认为是光接入网中颇具应用前景的技术，它打 破了传统的点到点通信方法，在解决宽带接入问题上是一种经济的、面向未来 的多业务接入技术。 所谓无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 是指从源端到目的端的 路径中不需有源设备的点到多点光纤网，仅使用无源光元件，比如光纤、光耦 合分路器。p o n 一般由光线路终端( o l t ) 、光分配网络( o d n ) 以及若干个 光网络单元( o n u ) 组成，如图2 1 所示。o l t 位于中心局内，将光接入网连 接到一个i p 、a t m 或s o n e t 骨干网。o n u 可以位于路边( f 丌c 方式) ，或 终端用户所在地( f 1 - r h 和f 1 广r b 方式) 。o d n 是一个全部由无源器件和光纤 组成的光网络，它使用光分路器将光信号分配到多个支路，分支可多达3 2 甚至 6 4 1 4 s l 。 复口| 人学硕士学位论文 6 e p o n 动态带宽分配算法设汁及仿真第二章e p o n 接入技术 同 k 。一 树型 环型 总线型 图2 1p o n 系统拓扑 p o n 接入网具有以下优点。 中心机房与用户建筑之间允许距离长达2 0 公里。而现在的d s l 最长 距离仅5 5 公里。 p o n 需要布设的光纤最少。 相比其他接入网，p o n 能提供最大的带宽。 由于采用无源设备和器件，不需繁复的维护工作，设备和器件甚至可 以埋设在地下。 p o n 便于升级到更高的数据率或增加波段。 由于其巨大的带宽，光纤到户是接入网的最终目标，即一次建设，永 久受用。 基于p o n 的接入可以采用不同的链路技术，比如s o n e t 同步光纤网技 术，a t m 技术，或以太网技术。但是考虑到接入网的性价比敏感性，s o n e t 技术过于昂贵，对于数据业务尤其不经济。a t m 技术可以实施各种的q o s 策 略，但传输i p 包时需要分割和重组，开销大，复杂性和费用都较高。以太技术 普遍而廉价，特别适于传输l p 包，虽然需要为实时业务采取特别的q o s 措施， 相对而言仍然是最经济、最简便的。 2 2e p o n 的系统结构和优势 采用以太网链路技术的p o n 就成为了e p o n ( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ) 。e p o n 具有树状的点到多点拓扑结构( 图2 2 ) ，主干一端的数据终 端设备为o l t ，树枝端点的数据终端设备为光网络单元o n u 。通常，o l t 驻 扎在服务提供商的机房中，而o n u 位于用户侧。在下行方向，即从o l t 到o n u 复旦大学硕一l - 学位论文 7 呈! 里翌垫奎堂堕坌墼兰鎏堡生垒堕壅翌三至皇! 旦型苎仝垫查 的传输，o l t 发送的信号通过一个i ：n 光分路器或相串联的分路器到达每个 o n u 。分路比n 可取4 6 4 。上行方向，即从o n u 到o l t 的传输，o n u 发送 的信号只能到达o l t ，不会到达其他o n u 。 援心同；接入闷 帮 瓣 o n l j l i l y 鹱邈魏 国雷 洲囱一 屠图雷 _ i搋羧辍务 u n l 图2 2e p o n 系统不意图 p o n 被认为是接入网的理想方案而受到关注已多年。到上世纪9 0 年代， 在i n t e r n e t 发展引发的带宽需求激增之前，a t m 技术方兴未艾之际，人们普遍 认为a t m 技术是最适合传输宽带综合业务的协议，因此，将a t m 技术与p o n 相结合的a t mp o n ( a p o n ) 应运而生。n u t 发布了有关a p o n 的标准g 9 8 3 系列，定义了在第二层采用a t m 技术的p o n 接入网，即全业务接入网( f u l l s e r v i c e a c c e s sn e t w o r k ，f s a n ) 。似乎a p o n 作为下一代接入网已成定局。但 是，i n t e r n e t 和i p 业务意外地飞速发展起来，以太网技术摆脱了过去无法适应 高速宽带业务和适用区域范围受限的缺点，传输速率从1 0 m b i t s 、1 0 0 m b i t s 发 展到千兆甚至1 0 g 等高速以太网。随着高速的光以太网的出现，以太网技术的 应用也逐步由l 州扩展到了w a n 和m a n 。以太网技术的发展超越了a t m 技 术的发展，成为普遍接受的标准。由于a t m 技术本身的复杂性，以及在承载 i p 业务时需要进行的复杂的拆分和组装过程，并引起大量的开销，使得a p o n 对i p 业务的支持受到较大的限制，从而a p o n 的应用前景越来越黯淡【6 j 。 因为占局域网比重9 5 以上的以太网不断地蓬勃发展，e p o n 日渐明晰地 成为宽带接入网的不二之选1 6 j 。 以太网专为承载i p 业务而开发，切合通信i p 化的发展趋势，数据保 持以太封装形式不变地在e p o n 中传输，简便而高效。 高速以太网技术与带宽足够大的光纤相结合，以及以太网便于升级的 优点，使得e p o n 能够成为最终的接入网，而非过渡性的。 复目人学硕士学位论文 一鲫 ；、。 、 一 呈! 旦翌垫查塑壅坌墼丝鎏堡兰丝堕墨釜三兰坚旦坚苎仝垫查 p 8 0 2 1 p 、p 8 0 2 1 q 、s b m 等q o s 技术使得以太网有能力支持语音、视 频和数据的高质量传输，符合e p o n 提供具有一定服务质量保证的全 业务接入的目标。 此外，很重要的一点，以太产品的普及性和低廉的价格，以及与用户 原有的各种设备良好的互通性，有利于e p o n 的实施和推广。 e p o n 综合了p o n 和以太网技术的优势，顺理成章地成了宽带接入的最佳 方案。 2 3e p o n 的关键技术 i e e e 8 0 2 3 标准定义了两种以太网配制方案，一种是c s m c d 共享媒质 方式，另一种是通过交换机的p 2 p 连接。e p o n 相当于两种方式的结合( 图2 3 ) 。 上行与下行通信采用不同的波长( 分别为1 3 1 0 r i m 和1 4 9 0 n m ) 。下行通信由o l t 广播到所有o n u ，类似共享媒质网。上行通信由于光合路器的单向性，只能由 o n u 到达o l t ，近似于p 2 p 网，但如果两个以上的o n u 同时发送，就可能发 生冲突。所有o n u 使用相同的波长发信，按t d m 方式共享从合路器到o l t 的树干段链路。虽然从技术上讲也可以采用w d m 方式，但那样技术复杂，成 本高昂，维护困难。而基于竞争的媒质访问方式，由于e p o n 的传播延时较大， 不仅效率低下，而且无法保证语音等业务的延时需求，也不适用于e p o n 。t d m 方式是性价比最优的上行链路复用方法1 6 j 。 区e 歪碡 髓曩豳窈目霸 。一 。“黜目； $ i 烈2 曩目整日 日瑟目盛日_ 曩 s o ls l o is i d 123 嚣b 目 皇i o 【 2 匿臣 歪_ t 圄 s l o t 3 图2 3 e p o n 的数据传输 所有o n u 通过统一的时间参考同步，被指派各自的时隙。用户数据先由 o n u 缓存起来，当该o n u 的时隙到来时，以突发模式( b u r s tm o d e ) 、上行全 速发送。各o n u 的数据之间保持一定的时间间隔，称为保护时隙或保护带， 以免光器件的开关时间以及其他光路有关的延时发生变化而引起冲突。图2 4 示意了t d m 时隙组成。时隙的分配可以是静态的，即固定时隙位置和长度的 t d m a 。由于网络流量的突发性，采用固定时隙的t d m a 方式将使链路的利用 复口j 人学硕十学位论文 9 曼! 旦坚垫查堂壅坌墼簦鲨堡! 丝堕壅。墨三兰坚竺竺堡仝垫查 率低下，且无法保证服务质量。更好的办法是动态的、根据各o n u 的队列长 度自动分配时隙的方式，即动态带宽分配( d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，d b a ) 。 d b a 不仅使上行通信更高效，而且也是达到e p o n 为各种业务提供一定服务质 量这一目标的关键技术。完整的d b a 过程有赖于自动发现和注册、动态测距、 同步定时等关键技术，这些需要借助多点m a c 控制机制【1 1 。 t 1 r 、 d a t af r a m e s lt 。r ， d a t ak a _ m e s t 。 l 科 。l 转 m州 ( f f o n ui - 。1 0 n ui + 1 1 rg 州醢嘲 缓e i j i 删酸； 蜘嘲 跨0 |缓阮删藓蠢f r a r n c ：够i l l f m m 。1f r a m e 2 | i d l e 团p r e a m b l e隧。i p g 图2 4e p o n 的t d m 时隙和帧格式 i e e e 制定的e p o n 的标准定义了一种多点m a c 控制机制，专用于实现 e p o n 独特的上行通信方式，称为多点控制协议( m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ， m p c p ) 。m p c p 定义了新的m a c 控制消息，用以协调上行通信，提供最优的 以太帧传输方式。m p c p 协议实现的功能包括带宽请求和分配、参数协商、通 过定时同步避免冲突、动态测距、o n u 自动发现和注册。 同步定时的目的是将分布的o n u 事件同步到o l t 的中心主导计数器。 t d m 上行通信需要精确同步，除了要保证o n u 与o l t 时钟同步之外，还存在 一个延时补偿问题。由于各个o n u 与o l t 的物理距离不同，从0 k m 到2 0 k m 均有可能，这种距离差将导致环路延时( r o u n dt r i pt i m e ，r t r ) 在0 - 2 0 0 u s 之 间变化。由于环路延时的不同，来自不同的o n u 的信号可能同时到达o l t ， 或在时间上部分重叠。另外，由于环境温度的变化和器件老化等原因，光纤的 传输延时以及收发器引入的延时会随机变化。这种变化，连同时钟漂移等，如 果不加以及时纠正，积累起来，最终将会引起冲突。动态测距( r a n g i n g ) 利用 m a c 控制消息携带的时戳，定期监测各个o n u 的环路延时。通过定时同步和 延时补偿，将所有o n u 都调整到与o l t 具有相同的逻辑距离，即修正后等效 于具有相同的环路延时，再实行t d m 时隙分配，时隙间还留有足够的隔离间 隙，以确保环路延时的随机变化不致引起相邻o n u 数据的冲突。 为了具有鲁棒性，e p o n 支持o n u 即插即用。所谓即插即用，要求新的 o n u 加入到网内或原先离线的o n u 重新开机时，能够在不干扰原先在线的 o n u 工作的情况下进入工作状态：另一方面，o n u 离线后系统就不再为其分 复q 大学硕一卜学位论文1 0 星兰里型垫查堂堕坌墼簦鲨堡笪墨堕壅笙三童墅：型叁全垫查 配带宽和进行管理。这一功能是通过自动发现和注册实现的。在o n u 注册之 后，o l t 才对其进行认证、协商参数、分配l l i d 和发送时隙、进行测距等。 突发模式的接收和发送、自动功率控制等也是e p o n 的关键技术。另外， e p o n 要真正成为合格的下一代接入网，还有待补充安全和认证机制、电路级 连接仿真技术等1 6 】。 2 4d b a 的意义及研究现状 e p o n 的上行通信采用t d m 方式是最经济、简便的方案，因为不需多种波 长，o l t 设备只需一对收发器，也不必采用可调波长的o n u 或同时存在使用不同 波长的o n u ，维护简便。但是传统的固定时隙t d m a 方式存在一个缺陷无法 实行统计复用，而这对于业务多样的接入网而言就意味着低效率。因为网络业务 的突发性可能形成这样的情况：由于时隙的大小固定，即使在负载很轻的时候， 也不能满足o n u 瞬时的带宽需求，致使数据包延时增大。与此同时，有些o n u 却没有用足自己的时隙，因为此时队列很短，虽然它们的负载可能很重。这种情 况导致上行带宽的浪费。需要一种动态分配机制，当o n u 待发送的数据较少时 缩短分给它的时隙，余下的时隙让给发送队列较长的o n u 用。这就是动态带宽 分配( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m e s d b a ) 1 6 j 。 鉴于e p o n 的树型拓扑结构、下行通信的广播特性和上行通信的p 2 p 特性， 最适宜的d b a 机制应该是以o l t 为中心的主从方式，即由o l t 裁决信道的使用。 其他方法要求敷设更多的光纤，要求o n u 之间通信，不是增加复杂性和成本， 就是延时太大且不公平。以o l t 为中心的主从式d b a 机制便于o l t 掌握系统的全 局情况，或切换到某种特定的带宽分配方式，o n u 设备可以简单低廉，系统的 鲁棒性也强。 以o l t 为中心的d b a 机制面临的挑战在于o l t 不知道o n u 的队列长度，即 瞬时的带宽需求。网络流量的突发性使得预测队列长度的途径行不通，因为达不 到比较合理的精度，带宽浪费仍然会比较严重。一个自然的思路是由o n u 报告 自己的需求。i e e e8 0 2 3 a h 标准定义了两种新的m a c 控制消息r e p o i 盯和g a t e ， 用于o n u 和o l t 之间传输带宽请求和授权信息。 在i e e e 标准发布之前，“以太网第英里”工作组成员g l e nk r a m e r 于2 0 0 2 年提出了第一个d b a 算法i p a c t ( i n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t ha d a p t i v ec y c l et i m e ) 1 7 1 。 随着i e e e8 0 2 3 a h 的发布，更多的研究者参与至t j e p o n 的研究中来，纷纷提出了 新的算法，d b a 机制的研究逐步深入。不少研究者针对i p a c t 的缺陷或不足提出 了改进方法。d b a 算法的性能要求，或者说研究者的设计目标，经历了从简单地 实现上行链路的统计复用，到考虑支持各种业务的服务质量，到实现较高的信道 复口大学硕士学位论文 里! 旦竺垫查堂堕坌墼兰鎏堡生墨堕塞 一 蔓三童里! 塑堡竺整查 利用率的同时保证用户的服务等级协约的历程。 研究者们各自以不同的性能目标为重点，从不同的角度对d b a 的研究做出 了贡献。纵观现有的众多d b a 算法，有的设法改进i p a c t 、避免i p a c t 的缺陷， 有的着眼于提高信道利用率，有的侧重于降低延时、充分支持多业务的服务质量 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) ，还有的致力于改善公平性【8 以引。但很少有d b a 算法能 兼顾信道利用率、o o s 和公平性三方面。在信道利用率方面，现有算法都没有达 到理论最大值。为支持o o s ，除b g p 算法【别外，其他算法一律采用d i f f s e r v 模型保 障多业务的服务质量【9 h 1 4 j 。较早的d b a 算法没有考虑支持o o s ，仅针对o n u 分配 带宽，不能保证不同业务等级之间以及同一等级业务之间的公平性，而且在重负 荷情况下，有些高优先级业务也得不到保障。后来的绝大多数d b a 算法为每个 o n u 的不同级业务分别授权，这样不仅能够达到各种等级业务类之间及同一等 级业务类之间的公平，而且可以保证各级业务的q o s 。但是这类算法不能保证用 户之间的公平性。 此外，现有算法中仅有h p f c t i 9 】算法支持用户服务等级协约( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) ，大多数算法都以支持o n u 之间的公平性为目标。如b g p 和 d c r e d i 加j 、文献1 1 1 算法等，用不同方式对o n u 作了优先级区分，希望为o n u 提供一定的带宽保证的同时实现o n u 间的公平性。我们认为，o n u 的公平性如 果与用户的公平性没有关联，它的意义就不大。能保证用户间的公平性的d b a 算法才是真正公平的算法。h p f c t 算法虽然支持用户等级划分，但是我们发现它 的信道利用率很低，另外还存在重大缺陷，实际上用户等级区分不显著。也有其 他研究者声称设计了支持用户s l a 的d b a 算法，但文献中的算法描述比较含糊， 且仿真条件为一个o n u 仅服务一个用户【1 5 1 6 1 ，实际上退化为支持o n u 的s l a 的 算法，不是真正地支持用户s l a 。 2 5本章小结 本章介绍了e p o n 的产生背景、先进性和关键技术、d b a 研究现状。e p o n 的拓扑结构决定了其上行通信最好采用t d m 方式，而动态的时隙分配方法，即 d b a 算法，是决定e p o n 性能的关键技术，其他关键技术很多是为了配合d b a 算 法而必需的。现有的d b a 算法提供了基本的带宽分配功能，也在提高效率、提供 q o s 和公平性方面开创了一些方法，但性能没有达到最佳，尤其是不能实现用户 间的公平。 复日人学硕士学位论文 e p o n 动态带宽分配算法设计及仿真第三章m p c p 协议与动态带宽分配 3m p c p 协议与动态带宽分配 本章重点分析几种典型的e p o n 系统动态带宽分配算法，以揭示d b a 算 法的原则和方法，呈现其他研究者的成果与不足。m p c p 协议规定了e p o n 系 统上行链路时分复用机制，是d b a 算法设计的基础。因此本章首先介绍m p c p 协议。 i e e e 于2 0 0 1 年9 月成立了e t h e r n