（通信与信息系统专业论文）gpon动态带宽分配算法的研究.pdf

摘要 摘要 i t u t 推出的g 9 8 4 x 系列标准对规范g p o n 的实现产生了重要影响，但是标 准仅对g p o n 的基本结构和协议进行了详细的规定。如果需要将g p o n 投入实际 的商业运营，g p o n 还有很多关键技术需要研究。由于能够高质量、高效率的传 输不同q o s 要求业务这一特点是g p o n 较其它无源光接入网技术最大的优点，所 以研究出一套即简单实用又能够满足业务q o s 要求的高效上行动态带宽分配和利 用算法将是g p o n 成功的关键。 本文基于对r r u t 标准的详细分析，结合对g p o n 特有的带宽优先级和 t - c o n t 复用方式的理解，借鉴了一些基本的公平性分配机制，经过反复论证和试 验，提出一套g p o n 上行带宽分配和利用算法。该套算法由两大部分组成：一是 o l t 端针对t - c o n t 的带宽分配算法，其功能是依据各个t - c o n t 的拥塞报告， 结合网络整体负载状态，完成四种类型带宽在不同类型、不同拥塞状态的t - c o n t 之间的分配；是o n u 端针对t - c o n t 的填充算法。后者又根据t - c o n t 复用业 务的数目和业务延时特性要求分为三种情况：单个业务复用到单个t - c o n t 中、 多个相同延时特性要求的业务复用到单个t - c o n t 中和多个不同延时特性要求的 业务复用到单个t - c o n t 中。 在完成对算法行为的介绍以后，本文在o p n e t 环境下对这套算法作用下的 g p o n 上行信道进行了建模仿真，并主要从业务的帧延时特性和实际得到的带宽 两方面考察该套算法对业务q o s 的保证。仿真结果清晰的表明，这套算法即能够 支持i t u t 标准中规定的各种t - c o n t 的传输特性，也能够在多个业务复用到同 一个t - c o n t 的情况下保证各个业务之间的公平性和q o s 要求。从仿真结果看， 这套算法达到了设计初衷，能够通过t - c o n t 同时传输不同q o s 要求的业务。最 后，本文还对该算法在仿真过程中出现的一些现象进行了深入分析，发掘其内在 的原因，得出了几个定性的推论，并且在此基础上指出了下一步的研究方向。 关键词：千兆无源光网络，动态带宽分配，服务质量，传输容器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg 9 8 4 xs t a n d a r d se s t a b l i s h e db yi t u - th a v ei m p o r t a n ti m p a c to nt h e r e a l i z a t i o no fg p o n ，b u tt h es t a n d a r d sj u s ts p e c i f yt h eb a s i ca r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o l s t a c ko fg p o n t h e r ea r es e v e r a lk e yt e c h n i q u e sw h i c hn e e df u r t h e rs t u d yb e f o r e g p o ni su s e df o rc o m m e r c i a lp u r p o s e b e c a u s et h em o s tv a l u a b l ea d v a n t a g eo fg p o n i st h a ti tc a nt r a n s m i ts e r v i c e sw h i c h r e q u i r ed i f f e r e n tq o sg u a r a n t e e sa tt h es a m et i m e ， t h ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na n du t i l i z a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a nb ee a s i l yr e a l i z e d a n dp r o v i d ed i f f e r e n tq o s s u p p o r tw i l lb et h ek e yt os u c c e s so fg p o n t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ei n t e n s i v ea n a l y s i so fi t u ts t a n d a r d sa n dt h e np r o v i d e s as u i to fa l g o r i t h m sw h i c hf o c u s e so nt h ep r o b l e mo fu p s t r e a mb a n d w i d t ha l l o c a t i o na n d u t i l i z a t i o na n ds u p p o r tt h eb a n d w i d t hp r i o r i t ym e c h a n i s mw h i c hs p e c i f i e db yt h ei t u t s t a n d a r d s ，t o o t h i ss u i to fa l g o r i t h mc o n s t i t u t e st w op a r t s ：o n ei st h eb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h ma g a i n s tt - c o n t - w h i c hi se x e c u t e di no l t , t h eo t h e ri st h e b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na l g o r i t h ma g a i n s tt - c o n zw h i c hi se x e c u t e di no n u t h el a t t e r w i l lb ed i v i d e di n t ot h r e ec a s e s ：s i n g l es e r v i c ei n t os i n g l et c o n zm u l t i p l es e r v i c e s w i t ht h es a m ed e l a yr e q u i r e m e n ti n t o s i n g l et - c o n t - a n dm u l t i p l es e r v i c e s w i t h d i f f e r e n td e l a yr e q u i r e m e n t si n t os i n g l et - c o n t a f t e rt h ee x p l a n a t i o no ft h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r eo ft h ea l g o r i t h m ，t h i sa r t i c l e m o d e l e dt h eg p o nu p s t r e a mc h a n n e lo p e r a t e db yi t t h ef u l la n da c c u r a t es i m u l a t i o n u n d e ro p n e tp r o v e st h a tt h ea l g o r i t h mc a nw e l ls u p p o r ta l lk i n d so ft c o n tw h i c h s p e c i f i e db yi t u ts t a n d a r d s ，a n d c a ng u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n ta n dt h e e q u i t a b l e n e s sb e t w e e nm u l t i p l es e r v i c e sw h i c ha r em u l t i p l e x e di n t ot h es a m et - c o n t a tt h es a m et i m e i ns h o r t ，t h es u i to fa l g o r i t h mc o m p l e t e l ys a t i s f i e st h e o r i g i n a l i n t e n t i o n ，t h a ti s ，t ot r a n s m i ts e r v i c e sw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n tt h r o u 曲t _ c o n t a tt h es a m et i m e a tt h el a s t ，t h i sa r t i c l eg i v e sf u r t h e r e x p l a n a t i o na g a i n s ts o m e p h e n o m e n ai nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n ds t a t e st h ew o r ko r i e n t a t i o nj nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：g p o n ，d b a ，q o s ，t _ c o n t i i 主要符号表 a 1 l o c i d a t m b i p b l e n b p o n b w b w m a p c b r c r c d b a d b r u d s d s l f r r b f r t c f i t h g e m g p o n g t c i e 汀f m a c o d n 0 i t o m c c o m c l 0 n u p c b d 主要符号表 a i l o c a t i o ni d e n t i f i e r a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b i ti n t e r l e a v e dp a r i t y b w m a pl e n g t h b r o a d b a n dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k b a n d w i d t h b a n d w i d t hm a p c o n s t a n tb i tr a t e c y c l er e d u d e n c yc h e c k d y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n t d y n a m i cb a n d w i d t hr e p o r tu p s t r e a m d o w n s t r e a m d i 百t a ls u b s c r i b e rl i n e f i b r et ot h eb u i l d i n g f i b r et ot h ec u r b f i b r et ot h eh o m e g - p o n e n c a p s u l a t i o nm e t h o d g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k g p o nt r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e t h ei n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e m e d i aa c c e s sc o n t r o l o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n o n um a n a g e m e n ta n dc o n t r o lc h a n n e l o n um a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e r f a c e o p t i c a ln e t w o r k u n i t p h y s i c a lc o n t r o lb l o c kd o w n s t r e a m 分配单元标识符 异步转移模式 比特间隔奇偶校验 b w m a p 字段长度 宽带无源光网络 带宽 带宽映射字段 恒定比特率 循环冗余校验 动态带宽分配 上行动态带宽报告 下行方向 数字用户线路 光纤到建筑 光纤到路边 光纤到户 g p o n 封装方式 千兆无源光网络 g p o n 传输汇聚 互联网工程任务组 介质访问控制 光分配网络 光线路终端 o n u 管理控制信道 o n u 管理控制接口 光网络单元 下行物理控制块 主要符号表 p c r p d u p l e n d p u p l o a m p l o u p l s u p o n p o r t i d p t i q o s t _ c o n t u s v b r v c i v p i p e a kc e l lr a t e p r o t o c o ld a t au n i t p a y l o a d l e n g t hd o w n s t r e a m p a y l o a dl e n g t hi n d i c a t o r p h y s i c a ll a y e ro a m p h y s i c a ll a y e ro v e r h e a du p s t r e a m p o w e r l e v e l l i n gs e q u e n c eu p s t r e a m p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k p o r ti d e n t i f i e r p a y l o a dt y p ei n d i c a t o r q u a l i t yo fs e r v i c e t r a n s m i s s i o nc o n t a i n e r u p s t r e a m v j r i a b l eb i tr a t e v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f i e r v i r t u a 】p a t hi d e n t i f i e r v 峰值信元速率 协议数据单元 下行荷载长度 荷载长度指示 物理层操作、管理和维护 上行物理层开销 上行功率分级序列 无源光网络 端口标识符 荷载类型指示 服务质量 传输容器 上行方向 可变比特率 虚拟信道标识符 虚拟链路标识符 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：坠望日期：伽年r 月以日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 孔力 导师签名：要幽 日期：伽琵年厂月1 6 日 第一章引言 第一章引言 干兆无源光网g p o n 是i t u t 提出的下一代接入网，目前已成文的有 ( 3 9 8 4 1 【l 】、g 9 8 4 2 【2 】、g 9 8 4 3 【3 1 和g 9 8 4 4 【4 】四个标准，分别对总体特性、物理层规 范、传输汇聚层规范和g p o n 专用的管理控制接口方面做出了较为详细的规定。 本章将首先概念性的介绍g p o n 相对于其它无源光接入技术的优点，而后分析其 协议栈结构，指出上行信道动态带宽算法对g p o n 的重要意义。在本章的最后， 介绍了全文的主要结构。 1 1 三种无源光入网 随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用，逻辑的发展趋势将 是继续向接入网的配线段和引入线部分延伸。现在被业界普遍看好的是无源光网 络技术( p o n ) ，它具有以下特点：1 、避免了有源设备的电磁干扰和雷电影响， 减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本；2 、 其次，p o n 的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号；3 、由于 其光发送机和光纤由用户共享，因而线路成本较其他点到点通信方式低，特别是 随着光纤向用户日益推进，其综合优势越来越明显。所以，p o n 较之其它接入技 术有着带宽更高，性能价格比更高，维护成本更低等的优点，现在被公认为最有 希望成为下一代宽带接入技术。 p o n 主要由o l t 、o d n 和o n u 三部分组成。o l t 位于接入网的局端，为 光接入网提供网络侧和本地交换机之间的接口，并通过o d n 与o n u 通信。o l t 分离交换与非交换业务，管理来自o n u 的信令和监控业务，为o n u 和o l t 本 身提供管理维护功能。o d n 为o l t 和o n u 提供一个或多个光通道。o n u 为 光接入网提供用户端接口，终结来自o d n 的信息，完成网络侧光接口和用户侧 接口之间的光电和电光转换、信号处理、复用和维护管理功能。按o n u 安放的 位置不同，光接入网分为三种不同的应用类型：n t h 、f t t b 、f t t c 。p o n 技术 是一种点对多点的光纤传输和接入技术，一般下行采用广播方式，上行采用时分 多址方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构，在光分支点不需要 节点设备，只需要安装一个简单的无源光分路器，光信号在传输过程中不再经过 放大和再生，网络的分路由光分路器来实现，p o n 结构如图1 - 1 所示： 电子科技大学硕士学位论文 m 强侧援口 崩尸侧援r n 图1 - 1p o n 结构示意图 目前，已正式发布的p o n 标准有三个，它们分别是由i e e e8 0 2 3 a h 工作组制 定的e t h e r n e tp o n ( e p o n ) 标准，由i t u - t 制定的g i g a b i tp o n ( g p o n ) 标准和同为 u t 制定的b r o a d b a n dp o n ( b p o n ) 。 标准化最早、标准化程度最高的是i t u t 通过g 9 8 3 1 、g 9 8 3 2 、g 9 8 3 3 协 议制定的b p o n ，这几个协议和后继推出的补充协议对b p o n 系统标称线路速 率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质要求、汇聚层要求、测距方法、传输 性能、管理和控制接口规范、波长分配标准等均作了规定。但由于大多数运营商 已经将i p 技术作为数据网络的主要承载技术，使得a t m 技术基本退出了局域 网。在这种背景下，i t u t 正式通过并颁布了g p o n 系列标准g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 、 g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 ，至此g p o n 的标准已经完善。e p o n 的标准化工作主要由 i e e e 的8 0 2 3 a h 工作组来完成，其制定e p o n 标准的基本原则是尽量在8 0 2 3 体系结构内进行e p o n 的标准化工作，工作重点放在e p o n 的m a c 协议上， 最小程度地扩充以太网m a c 协议。2 0 0 4 年6 月，8 0 2 3 a h 工作组正式发布了 e p o n 的相关标准8 0 2 3 a h 。 三种光接入网的主要技术参数可以参见下表 5 ： 表1 - 1e p o ng p o n a p o n 主要参数列表 b p o ng p o ne p o n 下行线路速率( m b s ) 1 5 5 6 2 2 1 2 4 41 2 4 4 2 4 8 8 1 2 5 0 上行线路速率f m b s ) 1 5 5 ，6 2 21 5 5 6 2 2 1 2 4 4 2 4 8 81 2 5 0 线路编码 n r zn r z8 b 1 0 b 分路比 3 2 6 4 1 2 83 2 6 4 最大传输距离f k m ) 2 0 6 0 2 0 数据链路层协议 a t ma t m e t h e r n e te t h e m e t t d mo v e r a t m 或 t d m 支持能力t d mo v e r a t mt d mo v e re t h e r n e t t d mo v e rp a c k e t 由o n u 的l l i d 端到端最大业务流数目 2 5 64 0 9 6 数目决定 下行数据加密搅动或a e s 加密a e s 加密未定义 第一章引言 进一步的将g p o n 标准与b p o n 和e p o n 的标准相比较，可以发现g p o n 具 有如下优秀的特性： 1 、更高的可用带宽。按照标准规定，g p o n 的上行速率和下行速率最高可达 2 4 4 8 g b i t s ，能提供足够大的带宽以满足未来网络应用日益增长的对高带宽的需 求。除开物理层开销、g e m 帧的封装开销、p l o a m 协议开销和额外的封装开销 ( 当有帧需要进行分段重组时按照g p o n 协议必须引入的额外封装开销) 以外， 实际得到的能够用于传输业务的带宽仍然比e p o n 的极限理论带宽1 g b i t s 高。而 且e p o n 由于本身的m a c 层协议特点，实际用于传输业务的带宽仅为8 0 0 m b i t s 左右。而b p o n 的上下行带宽的理论峰值从表1 - 1 中可以看出远远低于g p o n 。 2 、可支持对称和不对称的多种线路速率。支持的各种速率组合情况如表1 2 【i 】 所示： 表1 - 2 各种速率组合情况 上行速率下行速率 1 2 4 4 g b s1 2 4 4 g b s 对称情况 2 4 8 8 g i ) s2 4 8 8 g b s 1 5 5 5 2 m b s2 4 8 8 g b s 1 5 5 5 2 m b s1 2 4 4 g b s 上下行速率不对称情况 6 2 2 0 8 m b s 2 4 8 8 g t i s 6 2 2 0 8 m b s1 2 4 4 g b s l 2 4 4 g b s2 4 8 8 g b s 由表1 2 可见，g p o n 灵活配置上下行速率。g p o n 技术支持的速率配置有 1 2 g b i t s 下行，1 5 5 m 、6 2 2 m 、1 2 g b i t s 上行；2 4 g b i t s 下行，1 5 5 m 、6 2 2 m 、1 2 g 、 2 4 g b i t s 上行共7 种方式。对于肼i ，f t r c 应用，可采用非对称配置：对于f i t b 应用，可采用对称配置。由于高速光突发发射、突发接收器件价格昂贵，且随速 率上升显著增加，因此这种灵活的配置可使运营商有效控制光接入网的建设成本。 3 、网络覆盖范围，o n e 间差分距离最远可达2 0 k m ，逻辑距离覆盖可达6 0 k m 。 g p o n 的这一特性可以满足绝大多数情况下的接入需求。 4 、简单高效兼容的t c 层成帧方式，对i p 业务承载能力相当强。g p o n 的t c 层传输协议有两种可供选择一一g e m 或者a t m 。其中a t m 模式下g p o nt c 层 的p d u ( 协议数据单元) 就是a t m 信元；i t u t 在g p o n 的标准中引入a t m 模式 主要是出于对早期a t m 设备的兼容，这样就可以使用a t m 信元不用经过转换而 直接在g p o n 上传输，省去了原始数据的封装和解封步骤。而g e m 模式是g p o n 最大的特点，它允许在必要情况下对原始数据帧直接进行分段重组，并在m a c 层 上采用可变长封装的方式进行打包传输，其间引入的带宽开销远远小于a t m 模式。 电子科技大学硕士学位论文 具体的说，g e m 帧中的荷载长度范围为0 4 0 9 5 字节，解决了b p o n 中a t m 过高 的信元税带来的承载i p 业务效率低的弊病；而以太网m a c 帧中的荷载长度范围仅 为4 6 1 5 0 0 字节，因此g p o n 对于i p 业务的承载能力是相当强的。 5 、能够支持不同q o s 要求的业务。在这一点上，g p o n 和b p o n 由于都采用 了对带宽进行分类管理的策略，能够传输各种o o s 要求的业务。而e p o n 由于本 身源于以太网技术，这就先天决定了e p o n 对o o s 的支持相对较弱。尽管后来有 种种补充协议希望弥补e p o n 在这方面的不足，单就q o s 支持方面，e p o n 可提 供的选择远不如g p o n 的丰富是不争的事实。同时，还应该认识到，在e t h e r n e t 上 承载t d m 业务的技术并不成熟，为了能够承载t d m 业务和话音业务必须设计 新的m a c 机制并增加新的软硬件，这必然会带来e p o n 成本的上升，降低其对 g p o n 的竞争力。而g p o n 由于其设计的t c 子层结构和a t m 封装方式，并 采用了1 2 5 us 的帧长及定时机制，能够比较容易的支持t d m 业务和话音业务， 例如e 1 厂r i ，都能以它们的原有格式传输，这极大地减少了传输语音业务的时延及 抖动。 6 、强大的o a m 能力和健壮性。g p o n 从满足消费者需求和便于电信运营商 运行维护管理的角度，通过三种方式来进行维护，管理和控制：嵌入式o a m i ”、 p l o a m l 3 1 和o m c i 【4 j 。它们分别承担不同的o a m 任务，从不同的层次对整个g p o n 网络进行管理。g p o n 还提供了多种保护结构，并且能够通过故障检测来触发自 动倒换和由管理事件来激活强制倒换，这为g p o n 网络提供了必要的健壮性保证。 从技术指标上看，g p o n 无疑是目前最先进的光接入网技术。从商业角度，运 营商也倾向于采用能够提供更加丰富业务支持、带宽更大的g p o n ，但是设备商 出于对技术成本的考虑希望采用e p o n ，以复用以前的以太网研究成果。所以目前 制约g p o n 发展的主要因素是成本问题，一旦成本问题解决，g p o n 的种种优点 势必将使其得到大规模的推广。因此，加强g p o n 的技术优势，同时尽力降低g p o n 的成本，是g p o n 得以普及的关键。 1 2 g p o n 总体介绍 1 2 1 g p o n 结构简述 g p o n 的结构同所有的无源光网络接入系统相同，主要由o l t 、o n u 和o d n 三部分组成，可参见图1 - 1 。光线路终端o l t 置于局端，一般放在中心机房，为 接入网提供网络侧与核心网的接口，提供接入骨干网的服务，通过o d n 与各个光 第一章引言 网络单元o n u 相连；作为无源光网络系统的核心功能器件，o l t 具有集中进行带 宽分配、实时监控、运行维护管理无源光网络系统的功能。光分配网络o d n 由无 源光分路器和光纤构成，在o l t 和o n u 间提供一个或者多个光通道。远端接入 设备o n u 主要用于提供于用户端设备的接口，起到汇聚用户端多业务数据流的作 用。g p o n 下行采用广播的方式向所有的o n u 发送数据；而各个o n u 采用t d m a 的方式共享上行信道，而负责上行方向上的介质访问控制则是o l t 的任务。 1 2 2 g p o nt c 层协议栈 图l 一2 给出了( 3 9 8 4 3 建议的g p o ng t c 层的协议分层模型。 1 _ 2 2_ g t c 子层 t c 适配 lo m c i 适配器i 子层 jl li la t m l 、c 适配器lig e m t c 适配器l ll g t c 成帧子层 l g p o n 物理介质相关子层 o m c ho n u 管理控制接口( o n um a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e r f a c e ) g e m ：g p o n 封装模式( g p o ne n c a p s u l a t i o nm e t h o d ) g t c ：g p o n 传输汇聚( g - p o nt r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) p l o a m ：物理层操作、管理及维护( p h y s i c a ll a y e ro a m ) 图1 2 g p o n t c 层协议栈 其中，p l o a m 用于物理层的o a m ，g 9 8 4 3 定义了1 9 种下行p l o a m 信息， 9 种上行p l o a m 信息，可实现o n u 的注册及i d 分配、测距、p o r ti d 分配，v p w c l 分配、数据加密、状态检测、误码率监视等功能。o m c i 提供了另一种o a m 服务， 用于实现高层的管理。o m c i 信息可封装在a t m 信元或g e m 帧中进行传输，取 决于t c 层提供的接口类型。t c 层分为两个子层：t c 适配子层( t ca d a p t a t i o n s u b l a y e r ) 和g p o n 传输汇聚层成帧子层f g t cf r a m i n gs u b 1 a y e r ) 。发送端t c 适配 子层根据上层业务流f ，包括用户数据流和管理信息流) 的不同类型或者特点，可以有 5 电子科技大学硕士学位论文 选择的将它们分别通过a t m 适配器或g e m 适配器适配到a t m 信元流或g e m 帧 流中去，再分别通过接口将业务送入g t c 成帧子层，封装成g t c 帧，并通过物 理层器件发送出去；接收端则执行相反的过程以完成业务的接收。 1 2 3 g p o n 控制管理平面协议栈 从另一个角度看，g p o n 由c i v l 平面( 控制管理平面) 和u 平面( 用户平面) 1 3 ) 组成。 其中，c m 平面管理用户的传输流量、安全性和o a m 特性。c m 平面包括 嵌入式o a m 、p l o a m 和o m c i 。它们各自的信息通过相应的专用通道进行传送。 c m 平面示意图如图1 - 3 所示。 lp l ca m l l 竺竺竺i i 。m c i 。n i 勰l t c 适配子层 i 匡訇 l匹配i 几汀有网几藩诺嗣 l 适配器 li 适配器 i 1 l g t c 成帧子层 圄圈回 主+ 匿坐! i le ! ! 挲! ! li e ! 掣i ! ! i | = ：= = j t中t 基于帧中位置的复用 一带宽允许 一密钥交换 一动态带宽分配 图1 - 3 c m 平面示意图 嵌入式o a m 通道提供那一个低延时的路径用于传输紧急控制信息以完成带宽 允许，密钥交换和d b a 决策这些任务。 p l o a m 通道是一个格式化的信息系统。所有不能通过嵌入式o a m 通道承载 的p m d 和g t c 管理信息都是由这个通道来完成。 第一章引言 o m c i 用于实现在g t c 层之上的服务定义( s e r v i c ed e f i n i n g ) 3 】层的管理。 g t c 为o m c i 消息的传输提供了a t m 和g e m 两个可选择的传输接口。g t c 提 供配置这两个接口的方法，包括指定传输协议流标志( v e i v c i 或p o r t i d ) ，以及 o m c i 信息格式和传输机制。 o m c i ，嵌入式o a m ，p l o a m 都是完成g p o n 的管理功能的，不同的是三 者管理的范围不同。简言之，o m c i 用于实现g t c 层之上的服务定义层的管理， 例如初始化时比特率商定，工作状态中o n u 与o l t 的业务信息交换等等；嵌入 式o a m 只是完成d b a ，密钥交换，带宽允许的功能；p l o a m 则完成所有不是 由前两者负责的物理介质相关和g t c 管理功能。 1 2 4 g p o n 用户平面协议栈 u 平面示意图见图1 - 4 。 a t m 业务g e m 业务 豳豳托勰碣 厅汀丽丽层 几面丽冠鄹 l适配器i 适配器 l 00 g t c , 成帧子层 i a i i o c - i d i a l l ( e - i d i i 匹配 i 匹配 i i 圆圆囤! | | 巴驾! l ! ! l i 巳璺! ! ! ! ! !l l ：= = l t t t 基于帧中位置的复用 图1 4 u 平面示意图 u 平面负责传输用户业务。用户业务可以选择a t m 或g e m 模式进行传输。u 平面传输的业务是通过业务传输采用的模式( a t m 或g e m 模式) 以及业务的传 电子科技大学硕士学位论文 输标识符( p o a i d 或v p w c i ) 来标识的。业务传输采用的模式被它的传输标识 符隐式说明，如a t m 使用v p i v c i 来标识，g e m 使用p o r t i d 来标识。在g t c 上行信道中，使用t - c o n t 3 j 以汇聚各种上行业务，一个t - c o n t 由唯一的a l l o c i d 进行标识，其概念和分类在后续章节有详细说明，但是必须注意，每个t _ c o n t 只能承载采用同一种传输模式的业务，即要么是g e m 模式，要么是a t m 模式。 从用户平面协议栈可知，上层业务流在g t c 适配子层被v p i v c i ( a t m 业务1 或p o ni d ( g e m 业务) 标识。在接收业务的过程中，接收者首先在g t c 帧中找到相 应的数据段，经过a l l o c i d 匹配后，取出a t m 信元( a t m 业务) 或者g e m 帧( g e m 业务) ，然后送至g t c 适配子层；g t c 适配子层根据v p w c i 值( a t m 业务、或p o r t i d 值( g e m 业务) 滤除掉不是发至本地的业务数据，只有与本地v p f v c i 值或p o r t i d 值匹配的业务数据才送至上层客户。在发送业务的过程中，a t m 业务或g e m 业务经由不同的路径从上至下封装，先在适配层里将业务用v p i 或p o r ti d 进行标 识，然后经过a l l o c i d 对业务集合进行标识后，再封装到g t c 中的适当位置，最 后传送出去。 1 2 5 g p o n 动态带宽分配设计 目前，如何在g 9 8 4 x 标准的框架下实现高效低成本的g p o n 系统目前还处于 研究阶段。g p o n 还有很多关键技术需要进一步研究，例如上行带宽的分配和利 用，测距过程的实现，a e s 加密的硬件实现，g p o n 保护功能的实现等等。 从以上协议栈分析可以看出，本文研究的动态带宽分配和利用是g p o n 嵌入 式o a m 功能的一种，是c m 平面的重要部分，同时也是影响到u 平面功能实现 的重要因素；g p o n 上行方向的动态带宽分配和利用算法直接作用于多个o n u 上 行方向的介质访问控制，其性能高低直接关系到整个上行信道的效率。同时，由 于g 9 8 4 x 标准簇对端到端业务的q o s 支持作出了明确的规定，要求各个o n u 必 须在共享在上行信道的同时提供对各种o o s 业务完善的支持，所以保证业务的q o s 是g p o n 上行方向上的动态带宽分配和利用算法设计的关键和难点，是否能够保 证通过g p o n 上行信道传输的业务的q o s 要求将直接关系到g p o n 动态带宽分配 算法的成败，进而关系到g p o n 系统的成败。 由于g p o n 标准规定上行方向上带宽分配和利用的基本单元是t _ c o n t ，而 t - c o n t 按照标准要求可以复用多个业务。如何在保证q o s 的前提下将这些业务 有效的复用到t - c o n t 中是o n u 设计面临的挑战，而研究o n u 端的业务到 t - c o n t 的复用过程是充分发挥g p o n 传输汇聚层能力的必要前提，也是在g p o n 第一章引言 标准范围内保证业务q o s 和整个上行信道高带宽利用率的前提。 考虑到g p o n 采用了新的传输汇聚层协议，引入了新的特点和概念，并且需 要对i p 业务、t d m 业务同时提供强有力的支持，以往b p o n 或e p o n 中o l t 支 持不同q o s 的动态带宽分配算法在一定程度上失去了参考价值；目前g p o n 的研 究对o l t 端针对t - c o n t 的带宽分配几乎没有提出成熟的实用算法，而涉及到 g p o n t - c o n t 内部多业务之间公平性和q o s 的o n u 端队列调度算法就目前为止 还没有公开发表过，将二者结合到一起加以考察业务q o s 性能的研究成果更是没 有消息，于是就需要一种针对g p o n 特点的动态带宽分配算法来满足这些新需求。 1 3 本文的主要结构 本文首先从g p o n 上行带宽的类型入手，结合g p o n 标准自身的特性，参考 以往动态带宽分配算法的框架，根据g p o n 标准的具体要求，提出一套即满足业 务o o s 要求、又兼顾业务之间公平性的高效的g p o n 上行方向的动态带宽分配和 利用算法。这套算法分为两大部分：o l t 端针对t - c o n t 的带宽分配算法以及o n u 端t - c o n t 的填充算法。o n u 端的填充算法又根据复用到t - c o n t 中的业务数目 和q o s 要求的不同分成了三种情况加以讨论。所有的算法都给出了设计思路和关 键的流程，同时使用伪码对这套算法进行了详细描述。 文章的后半部分，使用了o p n e t 对整个g p o n 上行系统进行了建模和仿真， 并对仿真结果加以对比分析。仿真结果清晰的表明，这套算法达到了设计目标一一 不仅能够在不同的t - c o n t 复用情况下同时保证不同q o s 要求的业务顺利传输， 而且同时具备较好的传输能力和业务公平性。在仿真分析的末尾，本文还对该算 法在仿真过程中体现出来的一些现象进行了深入的分析，发掘其内在的原因，并 且在此基础上得出了几个推论，并在此基础上指出了下一步的研究方向。 电子科技大学硕士学位论文 第二章g p o nt c 层协议研究 为了更好的理解g p o n t c 层协议栈并且在此基础上提取出对g p o n 上行方向 上动态带宽分配和利用算法设计有用的资料，所以有必要加强对g p o n t c 层协议 的研究和分析。本章将从g t c 层的各个关键概念入手，由表及里、由浅入深的对 整个g p o n 上行方向上的业务汇聚流程进行介绍。本章的内容是后续各章研究的 基础。 2 1 g p o nt c 层的关键概念 2 1 1 四种类型的带宽 g p o n 标准沿用了b p o n 中对q o s 支持的规定。i t u t 在b p o n 标准g 9 8 3 4 和g p o n 标准g 9 8 4 3 1 6 q b 明确的提出了四种优先级别的带宽。它们分别是f i x e d 、 a s s u r e d 、n o n a s s u r e d 和b e s t e f f o r t 四种类型的带宽，用中文也可以被称为固定类 型、确保类型、非确保类型和尽力而为类型的带宽。同时，作为g p o n 上行系统 中带宽分配基本单元的t - c o n t 则按照其使用的带宽类型组合一共分为五种类型。 所以，清晰的认识到各种带宽资源的特性对理解t - c o n t 的适用范围有重要意义。 四种带宽的特性如表2 1 【6 所示。 表2 - 1 四种带宽的特征 延时敏感赋值类型优先级别 f i x e d 是提供最高 a s s u r e d否 提供次之 n o n a s s u r e d否动态分配再次 b e s t e f f o r t 否动态分配最低 其中，“延时敏感”是指该种类型带宽能否承载延时要求严格的业务。可以从 i t u t 的标准看出，仅仅f i x e d 类型的带宽被允许传输延时要求严格的数据，比如 e 1 t 1 业务等等，其它类型的带宽都不能满足这一要求。 “赋值类型”是指该种类型带宽的大小数值被指定的方式。“提供”是指这种 类型带宽的大小数值( 对f i x e d 类型的带宽) 或者带宽上限值