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摘要 摘要 光接入网近年来正逐渐成为接入网领域的主流技术以太网无源光网络( e p o n ) 实现 了低成本以太网设备和低成本光纤设施的结合，成为下一代宽带接入网最有希望的解决方 案。e p o n 结构的一个重要特性是在多用户问共享传输介质，动态带宽分配( d b a ) 机制提 供了上行信道的统计复用，以达到高效和公平的带宽分配，这是本文研究的核心内容。 我们从e p o n 的系统结构入手，重点分析了e p o n 的控制机制多点控制协议 ( m p c p ) 。接着提出一种以轮询机制和周期时间为索引的d b a 算法的分类方法，以该分类 方法为框架详细研究了现有的d b a 算法，并通过仿真对多种算法进行了时延、时延抖动、 吞吐率、丢包率等性能比较在此基础上我们做了如下工作： 针对间插轮询自适应周期长度( i p a c t ) 算法在不规则流量下带宽利用率下降的问题， 提出一种改进的滑动周期( s l i c t ) 算法，仿真实验证明了该算法在提高了带宽利用率的同 时保证了系统的公平收敛性。 分析了周期轮询机制下周期间空闲损失的产生和由此导致的性能下降，提出两种基于 不同机制的改进周期轮询固定周期长度( c p f c t ) 算法，仿真结果显示两种算法均实现了带 宽利用率的显著提升和时延的降低。 提出周期轮询自适应周期长度( c p a c t ) 和间插轮询准固定周期长度( i p s f c t ) 算法， 通过仿真初步验证了它们的可行性和实用价值 阐述了d b a 中的预测机制，提出了一种对低优先级和中优先级数据流量进行预测的算 法，并且给出了预测高优先级数据流量的思路，从而形成了一套较为完备的预测方案。 最后总结了本文涉及的所有d b a 算法，列表比较了各种算法最显著的特点，并概述了 d b a 算法未来的发展方向。 关键词：以太网无源光网络( e p o n ) 动态带宽分配( d b a ) 多点控制协议( m p c p ) 间插轮询周期轮询预测 a b s t r a c t o p t i c a la c c e s sn e t w o r k sa r eb e c o m i n gt h ed o m i n a t i v et e c h n o l o g yi na c c e s sn e t w o r ks p a c ei n c o m i n gy e a r s 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 s ( e p o n s ) ，w h i c hr e p r e s e n tt h ec o n v e r g e n c eo f l o w - c o s te t h e m e te q u l p m e ma n dl o w - o o s tf i b e ri n f r a s t r u c t u r e ，a p p e a rt ob et h em o s tp r o m i s i n g s o l u t i o nf o rt h en c x t - g e n e r a t i n nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k a ni m p o r t a n tf e a t u r eo fe p o n a h i t e c t u r ei st os h a r et h et r a n s m i s s i o nm e d i ab e t w e e nm u l t i p l es u b s c r i b e r s 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 ( d b a ) s c h e m e sp r o v i d es t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n gi nt h eu p s t r e a mc h a n n e la l l o w i n g b a n d w i d t ht ob ee f f e c t i v e l ya n df a i r l ya l l o c a t e d i t st h em a j o rt o p i co f t h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , w ef i r s tp r o v i d ea l li n t r o d u c t i o nt oe p o na r c h i t e c t u r e , f o l l o w e db y 趾a n a l y s i s o ft h em u h i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) w et h e ns u g g e s taf i a m e w o r kf o rc l a s s i f y i n gd b a a l g o r i t h m sb a s e do nt h e i rp o l l i n gs c h e m ea n dc y c l et i m e ，a n dp r o v i d ei tc o m p r e h e n s i v es u r v e yo f d b aa l g o r i t h m sp r o p o s e dt od a t e s i m u l a t i o n s 啪c a r r i e do u tt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo f t h e a b o v ea l g o r i t h m s c o n v e n t i o n a li n t e r l e a v e dp o n i n gw i t ha d a p t i v ec y c l et i m eo p a c oa l g o r i t h mi ss h o w nt o s u f f e rf r o mp o o rb 缸d 埘d t l lu t i l i z a t i o nt r a d e rn o n - u n i f o r m 扛a 茄cc o n d i t i o n s a ni m p r o v e ds l i d i n g c y c l et i m e - b a s e d ( s l i c t ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt o s o l v et h ep r o b l e m s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h a tt h e p r o p o s e ds c h e m e c a np r o v i d eb o t hh i g hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dg u a r a n t e e d f a l r a e s s - c o n v e r g o n c e w ea n a l y z et h ei n t e r - c y c l ei d l ep e n a l t yu n d e rc y c l i cp o l l i n gs c h e m ew h i c hl e a d st o p e r f o r m a n c el o s s t w oo p t i m i z i n gc y c l i cp o l l i n gw i t hf i x e dc y c l et o n e ( c p f c t ) a l g o r i t h m s b a s e d0 1 1d i f f e r e mm e c h a n i s m sa r ep r o p o s e dt oe l i m i n a t ei t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h m sg i v ea 1 1i m p r o v e m e n t i na s p c g g s so f t h r o u g h p u ta n dd e l a y w ea l s op m p o s e dt w on e wd b as c h e m e s ，r e f e r r e dt oa sc y c l i cp o l l i n gw i t ha d a p t i v ec y c l e t i m e ( c p a c t ) a n di n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t hs e m i - f i x e dc y c l et h n e ( i p s f c t ) t h e i re f f e c t i v e n e s s a n dp o s s i b i l i t yt oi m p l e m e n ta l ev a l i d a t e db yb r i e f s i m u l a t i o n s a f t e rs u m m a r i z i n gt h ep r e d i c t i o nm e c h a n i s m sf o rd b a , w ep r o p o s e da na l g o r i t h mt o e s t i m a t et h et m 塌cw i t hm e d i u m - p r i o r i t ya n dl o w - p r i o r i t y , t h eh i g h - p r i o r i t yt r a f e ci sa l s o c o n s i d e r e d , s oa st op r e s e n taw h o l ep r e d i c t i o ns y s t e m w ec o n c l u d eo u rs t u d yw i t has i d eb ys i d ec o m p a r i s o no ft h er e f e r r e ds c h e m e s ，b a s e do n t h e i rm o s tp r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n do u t l i n et h ef u t u r ed e v e l o p m e n t so f d b as c h e m e s k e yw o r d s ：e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c e ln e t w o r k ( e p o n ) , d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n b a ) 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 ) , i n t e r l e a v e dp o l l i n g , c y c l i cp o l l i n g , p r e d i c t i o n 缩略词表 a f a n 嫒 b e c b r c o s c p a c t c p f c t d b a d s l e b a e f e g e p o n f r f r l b f 盯c f m i f r r x h f c 肌， 口a c t i p s f ( 玎 l a n l r m a c m a n w d m 毋2 p k 妒c p o a m o a n o d n o l t 缩略词表 a s s u r e df o r w a r d i n g 保证转发 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e异步传输模式 b e s te f f o r t 尽力而为 c o n s t a n t - b i t - r a t e 恒定比特率 c l a s s - o f - s e r v i c e 业务分类 c y c l i cp o l l i n gw i t h a d a p t i v ec y c l et o n e 周期轮询自适应周期长度算法 c y c l i cp o t t i n gw i t hf i x e dc y c l et i m e 周期轮询固定周期长度算法 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 d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 数字用户线 e x c e s s i v eb a n d w i d t h a l l o c a t i o n 超量带宽分配 e x p e d i t e df o r w a r d i n g加速转发 e a r l yg a t e提前授权机制 e g n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 以太网无源光网络 f i r s t r e p o r t 每个时隙先发送r e p o r t 消息 f i b e r - t o - t h e - b u i l d i n g光纤到楼 f i b e r - t o - t h e - c u r b 光纤到路边 f i b e r - t o - t h e - h o m e 光纤到户 f i b e r - t o - t h e - x 光纤接入 h y b r i df i b e rc o a x 混合光纤同轴 h e a v yl o a dt r a n s m i tl a s t重负载后传输机制 i n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t h a d a p t i v ec y c l et l m e 间插轮询自适应周期长度算法 i n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t hs e m i - f i x e dc y c l et h n e 间插轮询准固定周期长度算法 l o c a l a r e an e t w o r k s 局域网 l a t e rr e p o r t 每个时隙后发送r e p o r t 消息 m e d i u ma c , c c s sc o n t r o l 介质访问控制 m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k s 城域网 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分复用 m u l t i p o i n t - t o p o i n t 多点到点 m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l多点控制协议 o p e r a t i o n sa d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e操作管理和维护 o p 6 c a ia c r o s sn e t w o r k光接入网 o p t i c a ld i s u i b u f i o nn e t w o r k光分配网络 o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n 光线路终端 v e p o n 系统中动态带宽分配机制下的算法研究 o n u p 2 ，呼 p o n q o s r t r s l a s l 【c t t d m v b r w a n 。 o p t i c a ln e t w o r ku n i t p o i n t - t o - m u l t i p o i n t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k q u a l i t y - o f - s e r v i c e r o u n d - u i pt i m e s e r v i c el e v e la g r e e m e n t s l i d m gc y c l et i m e t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g v a r i a b l e b i t - r a t e w i d e a r o a n e t w o r k s v l 光网络单元 点到多点 无源光网络 服务质量 往返时间 服务等级协定 滑动周期算法 时分复用 速率可变 广域网 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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也遵守此规定。 第一章绪论 第一章绪论 i i e p o n - 一接入网的演进 接入网( a c c 鹪n e t w o r k ) 被称为“第一英里”，它将商业或住宅用户( s u b s c r i b e r ) 接入 服务商( s c r v i c ：ep r o v i d e r ) 的中心局( c e n t r a lo f f i c e ，c o ) ，进而接入城域网( m a n ) 或广域 网( w a n ) 【3 l 。以往它也曾以“最后一英里”被提及，这次改名象征着其优先度和重要性。 当近年来电信主干网在经历着飞速发展的同时，接入网技术却并没有发生太大的变化。网络 流量的空前增长更凸显了接入网容量的滞后，“第一英里”问题成为高速局域网( l a n ) 和 主干网之问的瓶颈【2 l 。 目前的广泛采用的接入网解决方案有数字用户线( d i 酌m s u b s c m 盯l i n e ，d s l ) 和混合 光纤同轴( h y b r i df i b e r c o a x , h f c ) 等虽然它们相对于5 6k b p s 的模拟调制解调器( a n a l o g m o d e m ) 无疑是一个进步，但仍然无法为新兴的网络服务提供足够的带宽( 例如p 电话、 视频点播、交互游戏或双向视频会议) 此外由于距离限制，并非所有的终端用户都能被上 述技术所覆盖。新的接入网技术的需求日渐急迫，它需要提供更高的带宽，有能力在同一个 网络上提供语音、数据和视频服务，还必须具有低成本、实现简单、可升级等特点冈 接入网的新一轮浪潮来自被称为f t t x ( f i b e r - t o - t h e - x ) 的光接入网( o p t i c a la c c e s s n e t w o r k , o a n ) ，与以往的网络结构不同，这一新技术进展使用光纤贯通整个接入网。光接 入网能够支持吉比特每秒的传输速率，足以为用户提供各种宽带服务，并且其成本相当于 d s l 和h f c 网络，从而成为最有希望和最具成本效益的宽带接入网解决方案1 2 l 。 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 ) i l j 是指在从源端到目的端的光通路上没有任 何有源设备，完全采用无源器件进行连接和交换使用p o n 作为接入网技术有众多优势： p o n 允许中心局到用户的远距离传输。在d s l 中中心局到用户的最大距离只有约 5 5k m ，而p o n 本地回路可以在超过2 0k m 的距离上工作。 p o n 最小化本地交换局和本地回路的光纤铺设。 p o n 通过更深入的光纤铺设提供更高的带宽，光纤到楼( f i b e r - t o - t h e b u i l d i n g , f t t b ) 、光纤到户( f i b e r - t o - t h e - h o m e ，f t l h ) 方案是光纤直接到达用户的终极目标， 光纤到路边( f i b e r - t o 一吐”- c u 也f 1 1 ) 也许是目前晟经济的方案。 作为一个点到多点的网络，p o n 允许下行视频广播。 p o n 不需要在中继站安装多路复用器( m u l t i p l e x e r ) 和多路分配器( d e m u l t i p l e x e r ) ， 从而也不需要维护它们和为它们供电p o n 使用无源器件代替有源设备，它们可 以在铺设时被埋入地下 p o n 可以很容易的升级到更高的速率或额外的波长。 这些明显的优势使人们无法拒绝在接入网采用p o n 技术的吸引力。成本分析表明，在 e p o n 系统中动态带宽分配机制下的算法研究 很多情况下，铺设光纤比铺设铜缆花费更小。另一方面，由于接入网所汇集的流量来自相对 少数的用户( 与m a n 或w a n 相比) ，它对成本相当敏感，因此，p o n 设计不应要求额外 的提前预留，但必须允许将来的布局扩张。 f u l ls e r v i c e a c c e s s n e t w o r k ( f s a n ) 协议定义了一种使用异步传输模式( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e , 删) 作为二层协议的p o n ，然而a t m 存在一些缺点：由于变长口包被分 割为定长信元( c e l l ) ，a r m 需要较高的信元开销；此外，一个信元损坏或被丢弃就需要重 新传输整个p 包，即使该m 包的其他信元都已正确到达，从而导致带宽和处理资源的浪费； 最后。也许是最重要的，a t m 设备相当昂贵。所有这些使得依靠a t m 传输的f s a n 前景看 起来相当严峻p j 。 而另一方面，以太网( e t h e m e t ) 对口数据进行了优化，新采用的q o s 技术使其有能 力支持语音、数据和视频业务，这些技术包括全双工支持、优先级( 8 0 2 i p ) ”j 和v l a n 标 签( 8 0 2 i q ) 州。此外，以太网是一种价格低廉的技术，能够使用很多低成本的设备。基于 以太网技术似乎才是p o n 的合理选择田。 e p o n ( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a in e t w o r k ) 是用以太网帧封装数据，用标准以太网速率进 行传输的p o n ，后向兼容i e e e8 0 2 3 以太网协议及其他相关i e e e8 0 2 协议。这使得它很容 易传输口包并与现有的以太网协同工作。e p o n 实现了低成本以太网设备和低成本光纤设 施的结合，在目前数据流量的9 0 来自并到达基于以太网的l a n 的实际情况下，e p o n 成 为下一代接入网的最佳候选方案 3 1 。 e p o n 标准化工作由i e e e8 0 2 3 a he f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ) 任务组负责实施， 实现将以太网引入本地用户回路( 包括住宅和商业接入网) 任务组着眼于制定物理层和数 据链路层的参数和操作以确保协同工作，这包括物理层的详细规格，以及可能需要的对8 0 2 3 m a c 层最低限度的修改。标准化工作还包括制定点到多点( p 2 m p ) 协议框架，使用m a c 控制消息协调p 2 m p 上行传输，这一协议就是后来的多点控制协议( m p c p ) 。 1 2 点到多点p o n 的系统结构 p o n 是一个p 2 m p 的光网络，由光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n , o l t ) 和光网络 单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t , o n u ) 连接而成( 图1 1 ) 。o l t 位于中心局端，将光接入网与骨 干网相连；o n u 或位于用户终端( f t t h 和f m 方案) ，或位于路边( f t t c 方案) 吲。 在从o n u 到o l t 的光分配网络( 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 d n ) 上没有任何有源设备。 完全采用无源器件进行连接和交换，如无源光连接器( c o m b i n e r ) ，分路器( s p l i t t e r ) 和耦合 器( c o u p l e r ) 1 1 1 在p o n 中上行信道和下行信道使用同一根光纤。波分复用( w d m ) 被用来提供全双 工的通信，上行使用1 3 1 0m 波长，下行使用1 5 5 0 帆波长【4 j 。p o n 的传输在o l t 和o n u 之间完成，在下行方向( o l t 至o n u ) 是一个点到多点( p o i n t - t o m u l t i p o i n t , p 2 m p ) 的网 络，而在上行方向是一个多点到点( m u l t i p o i n t - t o - p o i n t , m p 2 p ) 的网络1 2 1 ，时分复用( t d m ) 2 第一章绪论 被用来避免发生碰撞，每个o n u 在被分配的专用时隙( t i m es l o t s ) 内向o l t 发送数据。 图1 1 基于p o n 的光接入网系统结构 f 追i 1p o n - b a s e ao a ns y s t e ma r c h i t e c t u m 1 3 动态带宽分配e p o n 的关键技术 为了阐明e p o n 中动态带宽分配( d y m l i n i cb 锄捌d t ha l l o c a t i o n , d b a ) 的重要性，我 们注意到，接入网每个连接的数据流量具有相当高的突发性( b u r s t y ) ，这与m a n 或w a n 有很大的区别。在m a n 或w a n 中由于汇集了大量的数据流量，带宽需求相对平稳。而在 接入网中，每个连接仅代表一个或一组( 少量) 用户，相当于少量的o n o f f 数据源，具有 高突发性的流量条件。由于这种突发性，带宽需求将随时间大动态的改变，因此对e p o n 中每个连接进行静态带宽分配效率非常低下，而动态带宽分配得益于统计复用( s t a t i s t i c a l m u l t i p l e x i n g ) 能够适应实时带宽需求，效率要高得多。因此，动态带宽分配是e p o n 设计 的关键特点例 有关d b a 算法的章节内容将在3 2 节中以我们提出的分类方式为框架作总体介绍，此 处不再赘述。 1 4 本文的内容和结构 本文研究的核心内容是d b a 算法。我们对现有算法进行了深入研究，分析了其性能和 不足之处，在此基础上提出了若干种新算法和改进算法，并通过仿真比较了相应算法的性能， 第三章至第六章集中了本文的主要工作。 本文的章节安排如下： 第一章( 本章) 介绍了本文的研究背景和研究意义。 第二章我们将从e p o n 系统结构和相关协议入手。首先介绍e p o n 的上下行传输机制 3 e p o n 系统中动态带宽分配机制下的算法研究 并描述本文的e p o n 模型，接着介绍支持c o s 的机制，最后我们将重点分析e p o n 的控制 机制- - m p c p 实现上行带宽分配和避免碰撞的控制消息和操作流程。 第三章首先概述了d b a 算法的两个模块，接着提出一种以轮询机制和周期时间为索引 的d b a 算法的分类方法，以该分类方法为框架详细分析了现有d b a 算法的实现机制和性 能优缺点。并通过仿真对多种算法进行了时延、时延抖动、吞吐率、丢包率等性能比较 第四章针对间插轮询自适应周期长度( i p a c t ) 算法在不规则流量下带宽利用率下降的 问题，引入滑动周期时间约束的概念，提出一种改进的滑动周期( s l i c t ) 算法，此外还给 出了利用该算法进行的s l a 设计示例，最后通过在多种流量条件下的仿真实验证明了改进 算法的性能提升。 第五章分析了周期轮询机制下周期间空闲损失的产生和由此导致的性能下降，论述了 现有的解决方案及其缺点，提出两种分别基于提前授权( e g ) 机制和重负载后传输( h l t l ) 机制的改进周期轮询固定周期长度( c p f c t ) 算法。仿真比较了改进算法与原算法在带宽利 用率、时延等方面的性能。 第六章我们提出了周期轮询自适应周期长度( c p a c t ) 和问插轮询准固定周期长度 ( i p s f c t ) 算法。通过仿真初步验证了它们的可行性和实用价值。阐述了d b a 中的预测机 制，提出了一种对低优先级和中优先级数据流量进行预测的算法，并且给出了预测高优先级 数据流量的思路，从而形成了一套较为完备的预测方案。 第七章总结了本文涉及的所有d b a 算法，列表比较了各种算法最显著的特点。概述了 d b a 算法未来的发展方向 4 第二章以太网无源光弼络( 口o n ) 第二章以太网无源光网络( e p o n ) 本章我们将从e p o n 系统结构和相关协议入手首先介绍e p o n 的上下行传输机制， 接着描述了本文分析和仿真所使用的e p o n 模型。支持c o s 是e p o n 的重要特性，我们介 绍了i e e e8 0 2 3 d 协议的c o s 机制。最后我们将重点分析多点控制协议( m p c p ) 实现上行 带宽分配和避免碰撞的控制消息和操作流程。 2 1 e p o n 上下行传输机制 e p o n 是传输以太网帧的p o n 。在下行方向( o l t 至0 1 q u ) ，以太网帧由o l t 通过1 的分光器发送给每个o n u 由于广播是以太网的天性，在下行方向它能够与e p o n 完美结 合：数据帧由o l t 广播，由o n u 按目的m a c 地址提取( 图2 1 ( a ) ) 在上行方向( o n u 至o l t ) ，来自不同o n u 的以太网帧如果同时传输会发生碰撞，因此，o n u 必须共享主干 光纤的信道容量和资源【2 】。 文献【l l 讨论了多种复用机制及它们对于光接入网的适用性。波分复用( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , w d m ) 虽然从理论角度看是一个简单的方案，但从成本考虑却不可行 这是由于o l t 需要一个可调的接收器或一个接收器阵列来接收多种波长的数据，而每个 o n u 必须安装一个特定波长的收发器，使o n u 种类变多，而采用可调收发器价格又过于 昂贵。时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt d m ) 允许使用单一的波长，o l t 只需要一个 收发器，并且只有一种类型的o n u 。由此带来很高的经济性，被认为是光接入网共享信道 的首选方案i j j 。 图2 1 ( b ) 显示了e p o n 的上行t d m 数据流：所有o n u 同步到一个全局时间，每个o n u 被分配一个传输窗口，称为时隙( t i m es l o t ) ，每个时隙能容纳若干以太网帧。o n u 必须缓 冲来自用户的数据帧直到属于它的时隙到来，然后它将以全速突发( b u r s t ) 传输所有被缓冲 ( a ) 下行流量 5 e p o n 系统中动态带宽分配机制下的算法研究 ( b ) 上行流量 图2 1e p l 0 n 的上行和下行传输 f i g 2 1u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m 臼a n s m i s s i i ne p o n 的数据帧。可以采用的时踩分配机制有静态分配( f i x e d t d m ) 和动态分配( 统计复用机制) ， 此外还有c o s 、q o s 和s l a 等其他分配机制【2 l 。 2 2e p o n 模型描述及以太网帧格式 在本文中，我们考虑由一个o l t 和个o n u 组成的e p o n ( 图2 2 ) 。在接入一侧， 流量由单一用户或由一个l a n 的网关到达o n u ，即流量可能由多个用户的汇集而成。e p o n 的传输速率和用户接入的传输速率不尽相同，在我们的模型中假设用户至o n u 的传输速率 为厶，o n u 至o l t 的传输速率为厶，上行方向和下行方向的速率相同必须指出，如果 厶x 厶，则不存在带宽分配的问题，因为系统的吞吐率大于所有o n u 的峰值负载之 和【”i 。在我们的例子中通常取1 6 。上r ，和，的默认值分别是1 0 0m b p s 和1 0 0 0m b p s 。 图2 2 基于p o n 的接入网 f i g 2 2a c c e s sn e t w o r kb a s e do np o n 6 第二章以太网无源光网络( e p o n ) o n u 与o l t 的距离决定了传播时延( p r o p a g a t i o nd e l a y ) ，最大距离为2 0k m 在单光 纤双向传输的树型拓扑结构中，每个o n u 的上行传播时延和下行传播时延相等l “，它们的 和构成了往返时间( r o u n d - t r i p t i m e r 1 丌) 。 o l t 和o n u 之间使用以太网帧传输数据，每个以太网帧前有8b y t e s 的帧前导 ( p r e a m b l e ) 。两个以太网帧之间有1 2b y t e s 的帧间距( i n t e r - p a c k e tg a p 口g ) 。两个o n u 的传输窗口( t r a n s m i s s i o nw i n d o w , t w ) 之间需要一段保护时间l d ，用于完成打开光束( t x o n ) 和关闭光束( t x o f f ) 。接收器复原和其他光学相关的时间开销( r x r e c ) ，如图2 3 】嘲。 团- l * e a m b l e圈。i p g 图2 3 传输窗口和帧格式 f i g 2 3t r a n s m i s s i o nw i n d o wa n df r s m ef o r m a t 2 3 服务分类( c o s ) 考虑1 1 2 】 由于不受铜缆户外设施的限制。e p o n 每秒可以传输成百上千兆的数据，这相对于传 统的线缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 和d s l 技术是一个巨大的进步。于是，人们期望e p o n 能成为一个真正的多业务汇集的网络，它可以支持语音通信、标准电视( s t v ) 和高清电视 ( d t v ) 、视频会议( 互动视频) 、实时和准实时的处理，当然还有数据传输。为了支持这 些应用，e p o n 必须为它们中的每一种提供合适的性能。 任何一个基于包( p a c k e t - b a s e d ) 的网络( 特别是e p o n ) 的性能特性可以很方便的通 过一些参数来量度，如带宽( b a n d w i d t h ) 、时( p a c k e t - d e l a y , l a t e n c y ) 、时延抖动( p a c k e t - d e l a y v a r i a t i o n , j i t t e r ) 和丢包率( p a c k e t - l o s sr a t i o ) 等。q o s 对于l 舯f l o w 的性能参数规定了一定 的边界，然而不是所有的网络都可以维护p e r - f l o w 状态，有些甚至不能区分不同的连接因 此为了支持多样化的业务需求，网络将这些业务分成有限的种类并为每一类提供不同的服 务，这样的网络被称为支持业务分类( c l a s so f s e r v i c e 。c o s ) 的网络。 e p o n 中的c o s 机制包括o n u 内调度( i n t r a - o n us c h e d u l i n g ) 和o n u 问调度( i n t e r - o n u s c h e d u l i a g ) 两个部分。作为i e e e8 0 2 标准家族的一员，e p o n 必须兼容i e e e8 0 2 1 d 定义 的桥路协议，包括其中的c o s 机制。下一节将详细介绍i e e e8 0 2 i d 。 7 e p o n 系统中动态带宽分配机制下的算法研究 2 3 1 g e e8 0 2 i d t s l 的c o s 机制 为了支持c o s ，以太网必须能够将业务分成不同的类别并为每一类提供不同的服务。 这一特性通过引入两种新的标准扩展来实现：8 0 2 i q 【6 1 和8 0 2 i p 5 j ( 后并入8 0 2 i d ) 。8 0 2 1 q 定义了一个扩展帧格式，允许以太网帧在它的帧头携带一个优先级字段。业务被分为以下7 类： 网络控制( n e t w o r kc o n t r 0 1 ) ，必须保证到达，用来维护和支持网络的基础部分。 话音业务( v o i c e ) ，时延必须小于1 0m s ，同时对时延抖动也有要求。 视频业务( v i d e o ) ，时延必须小于1 0 0m s 。 控制负载( c o n t r o l l e dl o a d ) 。重要的商业应用的预留带宽。 最大尽力而为服务( e x c e l l e n te f f o r t ) ，信息服务组织为重要客户提供的尽力而为服 务。 尽力而为服务( b e s te f f o r t ) ，普通的l a n 业务 后台传输( b a c k g r o t m d ) ，不能影响其它用户或应用的块传输和其他行为。 8 0 2 1 p 则定义了优先级字段，并规定了业务分类到优先级队列的映射。当一个数据包 到达时，依据其优先级字段包含的分类信息被分别放入不同的优先级队列中。如果某些网桥 或交换机的队列低于7 个，某些业务类别可以被合并起来，图2 4 归纳了8 0 2 1 p 推荐的归类 方案。 h a l - 斫 t r a f f i ct y p e sq u e u ea s s i g n m e n t s t t 絮麓 d 伽翟甓警喜篆h 蛔d 2 絮：= ：黯v c i c l如口盘吵答卷喜篆b 吐，喇 3 黜俐”伽盘p裂警怒b a c k g m m u l 黜y e i c e 4 1 d 4 m 口艺掣一5 葛卷昙鑫 b a d c 胛d c o n m d i l e d 卷怒 e x k g , m m ds 訾船v i c ! 哳蛔 l e a d c e n u o l h 越e x c d i m b e s t 篙潞v e i m d ”b u c k g m u n d l 口a d研铀ne 目矾 i ：n i i - de x c d k n 8 日 7 n 。e 。t 酬w o r k l v 岫哺d w日_ 胛酬 i o a de r te f f m t 图2 4 业务分类到优先级队列的映射c 8 0 2 1 p ) f i g 2 4m a p p i n go f t r a f f i cc l a s s e si n t op r i o r i t yq u e u e s ( 8 0 2 1 p ) 通常将业务分为三个优先级类别【1 4 1 ，这种分类方式可以很容易的将d i f f s e r v 定义的 加速转发( e x p e d i t e d f o r w a r d i n g , e f ) 、保证转发( a s s u 糟d f o r w a r d i n g , a f ) 、和尽力而为( b e s t e f f o r t ，b e ) 三个类别映射到8 0 2 i d 中i ”i ，我们不妨借用一下这三个名字： e f 业务：高优先级，通常是恒定比特率( c o n s t a n t - b i t - r a t e ，c b r ) 或其他时延敏 8 第二章以太冈无源光网络( e p o n ) 感( d e l a ys e n s i t i v e ) 的应用，必须保证有上限的端到端时延和低时延抖动 a f 业务：中优先级，主要用于那些对时延并不敏感，但仍需要带宽保证的应用， 这类业务通常速率可变( v a r i a b l e b i t * r a t e v b r ) b e 业务，低优先级，只需要尽力而为的传输，对时延和时延抖动没有任何要求， 通常用于非实时( n o nr e a l - t i m e ) 的数据传输，典型如e - m a i l 服务。 8 0 2 1 d 的条目7