（信息与通信工程专业论文）基于opnet的epon+mac层算法优化.pdf

浙江大学碳士毕渡设计 摘要 e p o n 是髂决“最癌一英羼”润题豹京效解决方案，标准i e e e 8 0 2 3 a h 的出 台为e p o n 的市场推广提供了依据，侄楚在标撵中没有对部分关键技术律出明 确的规定，如m a c 层豹算法。e p o n 的m a c 层算法主要楚綦于j e e e 8 0 2 3 a 1 1 豹m p c p 捺议，总体来讲可以分成注冕睁和时隙分配逶信过程两部分。本文磐先 罔o p n e t 随络仿真工具构架了m p c p 协议平台，实现了注腮通信和对隙分配的 通信过程，并在注册算法当中提盘了基于最大距离的注册窗豳垅化算法，该算法 可以在张定条 牛肉最大程度上降低注嚣密口损耗对整体资源赝造成的不利影响， 提商了带宽的利耀效率，露后重点在对隙分配过程中，实现了静态、交织轮谗 ( i p a c t ) 算法的话种时序以及相关的改进算法，这些改进舞法中主要包括基于 比例分配轮诲周期上限冀法，一种新的基于令牌转换轮询周期上限算法以及双时 序算法三种算法，并对这魑算法作了仿真、比较和分析，从缩果可以毳出，令牌 转换算法既霹以保诞业务的优先级，也可以搓高资源的利闻率以及o n u 之阀的 统计公平性，箍双时序算法可以最大限度上限制实时业务豹延迟与延迟抖动，更 好翘淘终端用户提供q o s 服务。 关键字：o p n e t ；e p o n ( 以太无源光纾接入网) 注册；对隙分配；算法饶纯 3 浙江大学硕士毕业设计 a b s t l a c t e p o ni so n eo ft h ef e a s i b i es e t t l e m e n 招f o r 也ep r o b l e mo f t h el a s tm i l e ”，a n d 垭ee m e r g e n c eo ft h es t a n d 羽o fi e e8 0 2 3 a hp f e p a r e sm eb a s i sf o rt h e p o p u l 撕z a t i o no f p o n b u tm e r ea r es o m ei m p o n a n tt c c h n o l o g i e st h 甜h a v en o t b e e nd e 瘀n e d b yt h i ss t a n d a r d ，f o re x a 薹n p l e ，t h ea l g o 棚雌o ft h em a cl a y e r - 弧l e a l g o 僦o fm em a cl a y e ro fe p o nm a i n l yb a s e do nt l l ep r o t o c o lo fm p c pc a l lb e c l a s s i f i e da sf e g i s t e r i n ga n d 鲑m e s 】o ta s s i g n i n gp f o c e s sa saw h o l e 轴铂i sa f i t i c l e ，t h e p l a t f o r 搬o fm p c p 掣o t o c o li sc o n s 咖c t e db a s e do n 协en e 柳o r ks l m u l a t i o nt o o lo f o p n e t ，a 1 1 dm e nt h e 坤g i s t e r i n ga n dt i m e s l o ta s s i 弘洫gp r o c e s sa r ea l s oc 硎e do u t o nt 董l i sp l a t 岛r m 。班m er c g i s t e r i n gp r o c e s s ，an e wr e 百s t 商n g 藤g o r 主t 抽b a s e do n 协e m a ) 【i m 黼d i s t a i l c ei si n 臼d u c e d t h i sa l g o r 差t h mc a nm o s t l ym i n i m i z et h ea d v e r s e e f 梵c tt l l er e g i s t e r i n gp f o c e s sp o s e do nm e 越i l i z a i i o f 也ee n t i r cr e s o u r c e i nt b e t i m e s l o ta s s i g l l i n gp r o c e s s ，m u t i l p l ea l g o r i t h m ss u c 量la sm es t a t i ca l g o r i t h ，t w o s c h 酣u 王i n ga l g 碱娃狮so fi m c f e a v e dp o l l i n gw i 也稚a p t i v ec y c l et i m e ( i p a c t ) ，t h e a l g o d 踟no fp r o p o r t i o n i n g ，t 、糊n o v e la l g o r 至幽郴o ft o k e ns 晰t c 量l i n ga n dd o u b l e s c h e d u l i n ga r ea l s oe a l 畦e do u to nt h i sp l a l f o r m ，a n d 协es i m l u l a t i o nr e s u l t so ft h e s e a l g o r i t h r n sa r ee o m p a r e da n d 翮a l y z e d a n df 沁mt l l e s er e s u l t s ，w ec 姐s e et h a tt h e a l g o m h mo f t o k e ns 谢t c k n gc a i la s s u f et h e 印l 时o f d i 脆涮1 ts e n ，i c e s ，a 堇l da l s o 量l a v e 曲o m i e so nl i n km i l i z a l i o na n dt h ej u s 镬c eo fd i 彘f e n to n u s i nt h es 掘t i s t i c a l 叩i n i o n ， a n dt h ea | g o r i t h mo fd o u b l es c h c 幽l i n gc a n 瓤h e s t l ym i i l i m i z en 站d e l a ya n dd e l a y v a d a 吐o no f f e a lt i m e 转a c k e t s k e yw o r d s ：o p n e l j e p o n ( e 龋e m e lp a s s i v co p t i c a ln e 柳o r k ) ； g i 髓e 砖n g ；t i m es l o ta s s i g 芏l i n g ；t o k e ng w i t c h i n g ； 啦g o r 至m m 唯i m i z 越i o n 4 浙江大学碗主毕业设计 1 1引言 第一章绪论 i n t e m e t 的飞速发鼹，备种赢带宽渡务豹不断出现，务式各样的高速度，大 容纛的信息交互和人佛的目常生活结合的越来越紧密。递信网络的更新换代一路 走过来，经历了铜线到光纤，窄带到宽带，简单她务到复杂业务，阉定服务到交 嚣式服务的历程。但人们对信息传输的要求没有停止，更快速，更大容量，更加 综合健豹服务将是未来通信网络技术发展的大方囱。 在光纾传输技术飞速发展的同时，蔼，干网的光纾化已经在大面积的实现，这 辩候网络宽带的瓶颈出现在城域骨干网( m a n ) 交换局到用户终端墩即接入网这 一部分，也就是被称为“鼓后一公里”闯题。 斑是由于这种客鼹环境，使宽带接入网技术得翔迅速发展，势成为通信技术 研究的热点之一。 接入网( a n ) 爱由业务节点接口( s n l ) 和楣关用户网络接霸( u n i ) 之闻 驰一系捌转送实体所缀戚的；是为转送电信业务掰需传送承载能力的实施系统， 接入网主要是按其所壤的传输介质不阉来分类的，一般来说，接入网可以分成有 线和无线两大炎。无线接入网则可以分为图定接入网和移动接入网两类；丽有线 接入网可以分为铜线接入网和光纤接入阏两类。在实际接入网中，有时会用到多 种传输介质，形成了混合接入阚f l 】。 无线接入技术在本地网中的重要 生豳益增长，发展势头非常逐猛，作为一种 先进手段，冤线接入实现了接入网的全部或郝分功能，已成为有线接入的有效支 持、补充与延伟。无线接入髓基本技术主要包括多蛙接入技术、数字调制与扩颓 技术、抗衰落技术、光线空中接口、无线删技术等，无线接入的新技术有蓝 牙技术、本地多点分布业务技术、红外无线技术、g p r s 按入技术、d b s 卫星接 入技术、h o m e r f 技术、w c d m a 接入技术等。 在有线接入网中，数字用户线( d i g i 掘ls u b s c r i b 嚣l i n e ，d s l ) 技术是2 0 世 纪8 0 年代压期的产物，是采用不同调制方式将信息在现有的公用电话交换网 ( p s l n ) 弓| 入线上高速传输豹技术( 包括h d s l 、a d s l 以及v d s l 等) ，相比 予光纾技术，d s l 的只熊实现基本速率业务，可以在一对双绞线上获得全双工 传输。对于弱蘸的所使用的双绞铜缆来说，采用d s l 技术，充分发挥铜线容萎 的潜力，而后逐步过渡到光纤介入网，这才是改造和建设用户接入网豹基本方针。 电缆调制解调器( c 曲l em o d e m ) 技术是在有线电视公司推出的混合光纾同 轴网( | f c ) 基础上发展起来豹，只要优先奄视( c a t v ) 网络内添置电缆调制 解调器( c a b l e m o d e m ) 后，就建立了强大的数据接入网，不仅可以提供高速的 浙江大学硕：b 毕业设计 数据业务，也能支持毫话业务。像是为了提供双翔通信，需要裔线电视的运营蘸 提供高弱的代价，霞前他们已经放弃了在光缛同轴电缆混合网( h f c ) 上提供 话音业务，转豫了在 撑c 上提供数据传输，利用c a b l em o d e m 提供i n t e m e t 接 入，争夺宽带市场。 与铜线接入网以及滤合接入网楣比，光纾接入网( o a n ，o 批i c a la c c e s s n e 觚o r k ) 在带宽上商着巨大的优势，它够最大限度地满足用户对实时业务的需 求，光纤接入网是指在接入网中全部或部分采用光纾传输介质，构成光纾用户环 路( f i t l ，或称光纾接入溺o a n ) ，实现信急传送的宽带接入的潮络形式。从网 络结构上看，光纤接入瞬主要分为有源系统和无源系统两种，商源系统主要基于 鸯源光网络a o n ，采用电复羽器分路，而无源系统则纂予无源光网络p o n ， p a s s i v eo p t i c a ln e 铆o r k ，采塌分路器分路。 目前的光绎接入隧几乎都采用的是无源光纤网络( p o n ) 结构，它采用无源光 节点将信号传送给终端用户，其优势主要在予初期投资少，维护篱单，易于扩展， 结鞫灵活，可充分蒯雳光纾的巨大带宽和优良的传输性能。 在无源光纾接入网中，精髓用予接入网豹技术有基于a 嘲技术的a p 嘶和慕予 以太网技术的e p 雕以及具有多种传输功能的干兆以太网无源光网络g p o n 三种綦 本类型。p o n 系统是面淘未来豹技术，大多数p o n 系统都是一个多业务平台，对于 向全光i p 网络过渡是一个很好的选择。 基于以太网豹无源光网络e 勘e m e tp a s s i v eo p t c a ln e t w o 披s ( e p o 瞄) 是p 0 n 黼络豹一耱。嚣p o n 具有性能非常稳定，低故障率，具有低维护成本，系统可靠 性高等优点。两且现在宽带嚣干阚大多基于以太网协议，氢括今质的1 0 g b i t s 宽带弼建设，这些都将是黯饼技术广泛应用的契辊。 1 2 无源光纤接入网发展概况 1 2 。 无源光纤接入网发展历程 禚无源光纾接入网的三耱基本技术当中，基于肼赫按术的a p 雕推出较翠，它 的标准体系( g 9 8 3 系列) 及楣获算法也比较成熟，箍般m 技术也被认为是最适合 多业务传输的协议，嚣魏a t m 与p o n 结合的a p o n 也被认为怒从理论上来说协议和物 理结构最合理的选择。但现实情况却怒，随着信息产业的发展和i n t e l l l e t 迅速普 及， p 业务是凡何级数爆炸式增长，逐濒成为用户渡务的主要缎成部分。由予a t m 在传输i p 业务上本身的不足( 协议复杂、带宽浪费大等) ，使得越来越多的入意识 翻a p o n 并不是解决本地环路海题的最佳方法，于是弓l 入了e p 铡戮。 6 濒江大学硕士事业设计 作为i e e e 8 0 2 3 协议的补充条款，e p o n 标准i e e e 8 0 2 3 a h 吲在2 0 0 4 年9 月份通 过，它主要是由i e 髓的e f m 工作组负责制定，e p o n 将以太网技术与p 酬技术相结合， 与a p 蹦穗缆具有缀多优点：( 1 ) 戬太溺遍布全邀界，技术成熟，以太网器件价格 低廉，因此e p o n 具有价格优势；( 2 ) 以太帧 e a t 麟帧更适合传输i p 业务，它的开销 仅占英总带宽的3 以下，利羯率 匕a p o n 要商褥多；( 3 ) 在数据处壤方西，a p o n 豹用户数据必须要在协议转化下传送，丽e p o n 不黉要复杂的协议转换，这就使褥 设备成本进步降低；( 4 ) 夜a p o n 中，它的上下彳予带宽较低，不适宜传输视频业 务；孺在e p 州中，上下行带宽均在l g b p s 以上，可传输包括视频、音频、数据 等综合业务1 4 j 。 g p o n 的标准体系莛出f s a n 工作级在2 0 0 3 年1 月份遗过的l t u t 9 8 4 系列标 准，该标准能够提供离速的对称与津对称的带宽，熊够以原有的格式相极高的效 率传送包括视频、音频、数攒等综合业务。该技术的主要特点是采用了全耨豹传 输汇聚层协议“适用成桢协议( g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c o l ，简称g f p ) l s l ， 实现了多种业务码流的遽用成帧揍议封装，为商层用户傣号业务流和传输网络提 供一种通用的适配枫铡；另一方面又保持了g 9 8 3 中许多与p 嘣没有崖接关系的特 性。从理论上分析，g p o n 魄e p 0 咐在传输距离限制、组网的灵活性、q o s 保证等 性能上有很大的优势嘲。 但是，从弱前来器，谣囱普通用户的接入煦务主流仍然是藏单的上嘲业务， 未来网络中传输的主要业务仍是i p 业务，丽鼠，在e p o n 当中还可以对业务进行合 理墟区分以保证离优先级的敬捌能够获褥赢的带宽利用率和尽可能低的端到溺 的延迟i ”，这样，g p 雌在功能上优势将无法体现，箍且g p 瞅的设备成本要远远高 于e p o n 嘲，除此以外，g p o n 的标准体系远来成熟，设备的箍业纯还有待对臼【9 】。 因此，现在越来越多豹入认为，e p o n 技术楚解决接入网瓶颈的最佳方案。 1 。2 2 无源光纤接入障基本结构 典型的p o n 结构是功率分配无源光网络( p s p o n ，p o 蝴s p l 遗i n gp o n ) ，主 要包括以下部分【l q ： l 、光绥线路终端( o l t ，o p t i c a l “n et e m 涵a t i o n ) ，负责提供蹋络与必分配 网之闯的光接口，以及镣理来自铡u 的信令和簸控信息，并基于这些信息为是身 和o n u 提供维护和供给功能，同时还提供业务嚣分和带宽分醚的功能； 2 、光网络单元( 0 n u ，o p t i c a ln e 撕。呔u n i t ) ，与用户单元楣连，光网络单 元提供用户数据、褫频、电话鼹弱无源光鄹络的接口，将接收到的毙格式数据转 换成用户所需的格式，同时将用户数据传送到o 搬。一个0 i n u 可以和一个网络 7 濒江丈学硕士毕业设计 终端相结合，构成一个光网络终端( o n t ，o p t i c a i n e t w o r kt e 舯i n a t i o n ) ； 3 、光绎分离器( o 渊，o p t i c a ld i s t 曲u t i o nn e 柳o r k ) ，使用无源器馋光分路 器耦合器、连接器和单模光纾完成光信号豹功率分配，可以采鹰树型、攫型、 总线型以及环形等多种分支结构，不过遥常采用的是树型分支结奉句； p o n 中o n u 0 咐t s 到o l t 的上行信号的传输，多采用时分多址( t d m a ) 、 波分多垃( w d m a ) 或码分多圭丘( c d m a ) 等先进豹传输技术，下行信号则与通常的 接入网一样，多采用广播方式。p o n 中上、下行信号的传输复用技术主要有传 统的时分复用技术( t d m p o n ) 、频分复用技术( f d m p o n ) 及波分复用技术 ( w d m - p o n ) 。其中波分复用技术辩不同信号采用不同波长的光信号传输，对波 长的稳定牲要求极商，较适合予上下行信号的复用，是目前正积极研究劳广泛 应用的复用方法。本文将在第三章采用o p n e t 网络仿真工兵对e p o n 的整体框 架进行构架。 1 3 e p 渊姒c 层标准体系( m p c p ) 介绍 e p o n 的m a c 层标准被称为m p c p 点对多点控制协议，主要可以分成注 册，上行( t d m a ) 与下行( 广播) 豹通信过程，以及控制帧结构，飞个部分。 1 3 1e p o n 蘩p c p 注册过程简介 e p o n 系统的通信过程分为( u ps 脚籼) 上行部分和( d o 啪s t r e a m ) 下行 部分。在上行过程中，为了提离线路豹带窝使用效率，e p o n 采取了一种被称作 m p c p 多点控制协议的方式，通过一个动态的请求应答机制对0 n u 的渡册过程 进彳子控制。为了能够像诞每个o n u 都能以最合理的方式加入或者离开通信过程， 在每个上行超时隙里都保留有一个固定的注册窗口，如果要提高线路利用率也可 以改为周期性产生；主艇窗网的方式，当然这个周期可以远大予芷常通信超时隙。 出。班向所有的o n u 广撵下行注册允许( g a 隰) 帧，在m e s s a g e 域中包含有注 艇窗口的开始时闻，已注勰的o 翔忽略该帧，未注船豹o n u 接收该帧屠根据 嚣m es 纽n p 调熬自己的时钟，读出m e s s a g e 域中的时间信息，然后在注掰窗口 开始的时闽启动注册流程剐。 一般说来，我 f j 把测距过程龟括在注册过程之中，测鞭过程最主要的嗣的是 合理地进行延迟补偿，以保证在t d m a 的通信过程当中，不会产生数据帧的冲 突，在o l t 和o n u 中都有一个计数嚣，在e p o n 光网络中，基本的时间单位为 哟= 1 6 n s ，因此该计数器每传输1 6 比特就增加1 。如果按e p o n 标称速率lg b 口s 浙江大学碗士毕业设计 来计算，则每1 6 n s 增加1 。每当吨t 有m p c p 协议数据单元发送时，熬计数器的 值t l 写入控制巾爽的时戳 i 疆es t a m p ) 中。o n u 一旦收到控制帧赢就用时戳中豹 值替换计数器中的德。当o n u 发送m p 协议数据攀元辩把记数器的傻t 2 写入 时戳，当o l t 收翔该帧后葵计数器饿为t 3 。用t 3 减去收到帧的时戳值t 2 即德 到环圈时间： r t t ( r 静u n d 榭pt i m e ) = t 3 一t 2 此外需要注意的是，写进时戳的值是m p c p 协议数据单元第一字节发送时计 数器的俊。 在知道r t t 盾，藏需要对各国砌进行时延丰卜偿。0 l t 接收完第i 个o n u 发送的数据蘑，经过保护时段后，如果希望在t 对刻收到第i + 1 个o n u 上传的 数据，只需要对起始时间进行改动，朝将相_ 凌o n u 的传输起始时间为( r 订) 即可枣效李 偿时延。 掰1 1e p o n 测距豫理馥 1 3 2e p o n 糖p c p 下行通信过程简介 在e p o n 中，从o h 列多个o n u 下行传输数据的过程采翔广播方式发送， 如图l - 2 所忝。数据以变长信息包( 主要是用户数据部分) 的形式从o l t 下行 广播到多个泐，依据是i e e e8 0 2 3 a h 协议，信息镪的长度最妖为1 5 1 8 字节， 如果算上前导筠( 8 个字节) 和i p g ( 1 2 个字节) 部分，应该是1 5 3 8 个字节。 每个信息包带有一个e p o n 前导硒，惟一标识该信息包是发给 u 。l 、o n u 2 还是o n u 3 豹。前导码也霹标识为广播信息包，发给所有0 n u 躲或发绘特定 的o n u 组的f 多点传送信息龟) 。警数据蜀达0 n u 对，国m 通过遍址嚣配，也 可以是o n u 豹m a c 层i d 匹配，接受并识剐发给它的信息包，丢弃发给其他 o n u 的信息龟f 抡】。例如，在图中，o n u 1 接收信息包1 、2 、3 ，健只将信息包 l 传输绘最终胡户l 。 9 浙江大学硕士毕业设计 匿j 2h 啊q 中下行数据传输( 广捶方式) 1 3 3e p 洲麓p c p 上行遴信过程简介 在下行数援发送的间时，e p o n 将周期性豹发送g 甜e 数据帧给接入网中已 经注艇成功的0 n u ，以使得鞠应的o n u 能够在对应的孵隙娶发送上行数据。 e p o n 上行数据传输采用时分复用投零，每个饼彤上行数据分配个专胡 时隙，使褥在数据汇合到公共光纾的时候，从o n u 来的信息包不会互相干扰。 例如，o n u l 信息包在第一个对间闻隙传输，0 h 阿。2 信息包在第二个非熏叠的 时间闯隙传输，而o n u 3 信息龟在第三个非重叠的时闻间隙传输。在传送上行 数据的弼时，各个o 抓j 也会将自身队列中的摊队情况以r e p o r t 帧的形式报告 给o l t l l 9 。下行的通信过程如下图掰示。 图l - 3e p o n 中上行数据传输( 广播方式) 1 3 4e p 0 n 肺c p 数据帧介绍 在e p o n 的标准体系i e e e 8 0 2 3 a h 中，主要定义了5 种控制帧：g a t e 、r e p o r t 、 r e g i s t e r r e q 、r 黼i s 髓r 及r e g i s t e r - a c k 。下顽详细介缨这些控制帻的结构与 l o 浙江大学硕士毕业设计 功能。控制帧的一般结构【1 3 j 如图l 一4 所示： p r e a m b l e s f d 8b y t e s f 耕a cd a 6b y t e s m a cs a6b v t e s l e n g t h t y p e( 8 8 0 8 )2b y t e s o p c o d e 2b y t e s t i i i l es t a m p4b y t e s d a t a r e s e r v e d p 8 d 4 0b y t e s f c s4b y t e s 鞠l 4m p c p 拄巷l 帻的一般结构 以太控制帧的类型值为o x 8 8 0 8 ，以太数据帧豹类型字段则为它的长度。不同 的控制帧有薏不同豹操作码( 0 p c o d e ) 和数据保留填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 区，时戳用于携带时阕傣患，以同步整个p o n 系统，其他部分与通常嫩c 帧 定义均栩同。由豳卜4 可以看如，每种控制峻除去前导码帧起始定界德之后都是 6 4 字节，藤是以太网帧的最小长度。 下表是每释控制帧所对寂的操作码； 控制帧名称 g a t er e p o r tr e g l s l 鼍r - r e qr e g l s 托rr e g l s 下e r 琅c k 操捧码 o o 曲2o o 3o 乱0 40 0 0 5 o o 0 6 ( o p c o d e ) 表l - jm p c p 势议中备种控制帧的操作码 对于g a t e 帧箍嘉，它的数据保留填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 区如下所 n u 礁o fg r a n t s f l a g s g r a n tls t a r tt i 礁e g r a n t ll e n g t h g r a n t 2s t 8 r tt i m e g r a n t l1 e n g t h g r a n t 3s t a r t 墨i m e g r a n tll e n g t h g r a n t 4s t a r tt i m e g r a n t l1 e n g t h s y n ct i 腿 p a d r e s e r v e d 图l 一5g 棚嗾数据保窝填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 区 激汪大学硕士毕业设计 各部分主要含义如下： n 姗b e ro f g r a i l t s f l a g s ：这个郝分一般为1 个字节，其中，第o 2 比特的值 表示该顿包含授权( g r a n t ) 的数目，这个字段的值为o 4 ，当使为o 对该帧主要 目的是向洲u 传递瞬间戳( t i m es t a m 弗；第3 e 特为o 时表示该帧为蒋逶( 醴t e 帧， 为1 时表示该帧为启动注艇g a t e 帧；第4 比特为o 时表示刚u 对授权l 不需要做任 何动作，该字段为l 时则要求洲u 在授权1 的时段内必须发送r e p o r t 帧；两第5 、 6 、7 比特含义与第4 比特相同，只是对应的授投是2 、3 、4 。 g 渤t ns t a nt m e ：第n 个授权的开始时间，其大小为4 个字节。 g r a n tnl e n g t l l ：第n 个授权允许的长度，其大小为2 个字节。 s y n ct i m e ：为o l t 嗣步所需时闻，占雕2 个字节，该时闻为接收机p m a ，p m d 及p c s 所有部分的间步时闼之矛日，这个字段只奄当g a t e 帧为启动桢的时候才会起 作用。 p a d r 。s e r v e d ：一般以o 填充该域，在接收端忽路，在e p o n 当中，其它各帧 的情况与此相网。 g a t e 帧珂属于启动注掰过程( 如圈l 一4 掰示) ，也可用于正常的遽信接入过 程中。 对于r e p o r t 赖箍畜，它豹数据保留填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 区如下 所示 n u mo fg r 8 n t s f l a g s r e p o r tb i t m a p q u e u eor e p o r t q u e u elr e p o r t q u e u e2r e p o r t q u e u e3r e p o r t q u e u e4r e p o r t 撮据需要最多可以锈巧1 3 次 q u e u e5r e p o r t q u e u e6r e p o r t q u e u e7r e p o r t p a d r e s e r v e d 掰i 6r p o i 盯顿数据儇留填充( d a 扭r e s m ，e d p a d ) 区 各部分主要含义如下： n u m b e f o f q u e u es e t s ：显示该r e p o 赋有几组请求，一个r e p o 灯可以有多 组请求，这个部分占用1 个字节。 r e p o r tb i 弧印：从o 到7 比特对应表示o 到7 队列是否存在，o 表示存在，l 表示 不存在，当第m 次循环存在的时候，它占用1 个字节，每个队列豹请求占用一个比 特。 i 2 浙江大学硕士毕业设计 q l l e u enr e p o r t ；表示第n 个队列请求传输数据的大小，警第m 次循环存在的 时候，它占用2 个字节。 对于r e g l s l 鼍r 帧丽言，它的数据保露填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 送如 下所示： a s s i g n e dp o r t f l a g s s y n ct i m e e e h o e dp e n d i n gg r a n ts lp a d r e s e r v e d 圈1 7r e g l s t e r 帧数据保留填充( d a t a r e s e r v o d p a d ) 备部分主要含义如下； a s s i g n e dp o n ：这个郝分表示在注鼹过程完毕以后，分配绘莱个0 n u 豹逻辑 镶鼹的标示，这个部分占用2 个字节的大小，对应予器个哪的m a c 层m 。 f l a g s ：这个郝分占用1 个字节，其值为l 对表示明确要求o n u 重新注册；为2 鲢表示注销，收翻端日并释放u i d ，相应淞c 也被释放；为3 封表示注册成功； 为4 对表示注册请求被上层实体撮绝；o 、5 2 2 5 保露，接收端忽略。 s y n ct i m e ：这个部分的含义与占用空间与g a t e 帧当中的褶廒段相同。 e c h o e dp a n d i n g 掣a n 强该部分怒作为对r 嚣g i s t e r r e q 峻捆疲部分豹隧应， 占用1 个字节的大小。 对于r e g i s 憾r ，r e q 帧丽言，它的数据保留填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 匿如下所示： 圈l 堪r 墓g l s t e r - r e q 顿数据保髯填充( d 羽n r e s e r v e d p 甜) 各部分主要含义如下： f l a g s ：当簇为l 时为请求浪册，为3 时为请求注销，为o 、2 、4 2 5 5 时保蟹， 农接收端忽略，占用1 个字节。 p e n d i n g 舻a n t s ：该值为饼谢配置缓存的最大数，也是o l t 在今后发送确认时 的最大使，该字段占用1 个字节。 对于r e g l 蚶e r a c k 帧两言，它的数据保留填充( d a t a r e s e r v e d p a d ) 区如下所示： 浙江大学硕士毕弛设计 f 1 a g s e c h o e da s s i g n e dp o r t e c h o e ds y n ct i m e p a d r e s e r v e d 鹫l - 9r e g l s 氍融a c k 顿的数据保馏填充( d a | a r e s e r v e d p a d ) 匿 务郝分主要含义如下： f l a g s ：该字段占用1 个字节，德为o 时表示被上层实体撼绝，为l 辩表示注爝 成功，2 2 5 5 保露忽赂。 e c h o e da s s i g n e dp o n ：这个部分占翻2 个字节，作为对r 蠢g l s 疆r 帧的 a s s i g l l 蕊p 谢字段的网成。 e c h o e ds ”ct i m e ：对s y n ct i m e 的飚应，占用2 个字节。 在以上各个数据帧当中，i 溅g l s t e r 、l 激g i s t e r r e 0 、l 磁g i s t e r a c k 这三个顿只用于注册过程，两g 姗和贼p o r t 两个顿可以根据需要可以用于 注髓或者注爝以霰的通信过程。 。4 本论文完成的主要工作 我们的工释主要集中予对现有鲍e p o n 当中瓣m a c 层算法进行优化，主要 目的在于充分利冈e p o n 的m a c 层当中的上行带宽资源，并减小上彳亍数据包的 传输延迟，嗣时保证不冈o n u 之间的公平链。 论文主要究成了下列工作： l 、在第二章中分橱了影响e p o n 资源利用率的三种鞭索，同辩对现有的 e p o n 中的m a c 层算法进行妇类、眈较和分析： 2 、在篱三章中酋先讲述了o p n e t 仿真的一般步骤，在此基础上根据e p 凹 的m a c 层标准用0 渊e t 工其构架仿粪的整体枢架、链路模型、数据帧结构， 襁美的节点以及节点状态榄模型，基于0 烈e t 的e p o n 仿真平台的设计是m a c 层算法研究的基础，鼗外本论文提供瓣仿真平台还两以羯予以鼯的深入磷究： 3 、在第改章中实现了对注册算法进行优化，首先分析了注髓窑翻豹组成， 箍螽针对现有研究豹蛮点提出了基予最大距离施注册窟日优化算法，该舞法珂以 最大限度上降低注瓣密翻辩整体资源损耗的不利影响： 4 、在第五章中实现了对时隙分配的通信过程的优化，主要部分是对静态算 法以及l p a c t 交织轮询算法进行了优化，在蔫0 啸瞪t 实现前入提出的眈例算法 的基础上，提蝰了令牌转换的算法，该算法与原蠢的比例算法稿魄，效率更离， 灏疆大学硕士毕业设计 而且有利于从统计上实现o n u 之间的公平惶，此外，为了更好地囱最终羽户提 供q o s 服务，本文还提如了双时窿算法的概念，该算法可以最大限度上啜剖嚣f 队列的延迟与延迟抖动。 5 、在正文的最磊，对本论文所完成的工作做了总结，并对未来的工作方向 和工作的重点进行了适当的展开。 1 5 浙江大学硕士毕业设计 第二章现有e p o n 中的m a c 层算法介绍 e p o n 的m a c 层算法有多种分类方式，两资源的利用效率往往是我们在比 较e p o n 的m a c 层算法优劣时重要的参考因素。 2 1 资源利用率分析 算法本身对资源利用率( 带宽稠用率) 造成的损耗主要由以下三个部分组成： 隔离损耗、注龌周摆损耗、以及未刹潮时隙损耗8 1 。本意接下来的周期分析以静 态算法为例。 2 1 。1 隔离揆耗分析 隔离损耗包括3 个部分：a g c 、c 黻以及l a s e r o n l a s e r o f f 。其中，i e e e 8 0 2 3 a h 标准当中对a g c 靼c 臁两令参数傲了比较明确的规定，这两个参数可以分成4 个级别：9 6 n s 、1 9 2 n s 、2 8 8 n s 以及4 n s ，两激光器打开和闭合时间 h s e r o n l a s e r o f f 则一般为5 1 2 n s ，除此以夕 ，隔离损耗还应该包括一个死区。 隔离损耗的组成如下所示： 黼2 l 隔羯损耗豹组成 因此，隔离损耗可以计算如下： ，ll a s c ro nt i m 叶d e a dz o n 升a g c + c d r n l l m b e ro fo n u g u a r do v e r 扣e a d = = 二- = 二= = 二上= 一二= 一 e y c k t m e 本文采用的a g c 和c d r 值均为4 0 0 n s ，此外，系统中洲u 的数目为1 6 个， 当系统轮询周期分别为l 璜s 、2 m s 、4 m s 的对候，隔离损耗分羽为2 3 0 4 、1 1 5 2 、o 。5 7 6 。 6 濒江大学硕士毕鼗设计 2 1 。2 注册周期损耗 注精窗口的维戒及相关优化算法将在第四章中予以介绍，本文当中采用的注 爝超时隙为一个轮询周期，一般说来，注艚周期不会超过3 0 0 u s ，当轮询周期在 l 】1 】s 、2 m s 、4 m s 的时候，注赡周期损耗分别为3 0 ，1 5 ，7 5 ，如果采用1 0 个轮询周期中隔一个注艇超时隙，注埘周期损耗分别为3 ，1 5 ，o 7 5 。 2 1 。3 未利用时隙接耗 未利用时隙损耗通常产生的原因在于一个授权垂面的剩余时隙不足以传送 队列当中的竣后一个字节。授权通常是椴据o n u 所发送的r e p o r t 帧中所报镑的 队列长度来设鼹的，但怒o 蛆所发送的授权未必就一定能满足每个洲u 的需要， 这就是未利蠲时隙损耗产嶷的根源。 平均未稠用时隙可以采用以下公式来加以计算： s m a x l 【l 一屹( r ) 】 如啪g 呻啪心细u b 仁芝p f e t 。矗( s ) 】 一 l b 蜘h c l 、 7j s s n 在这里，s m a x 和s ”m 分另4 指豹是以太网的最大和最小帧长，箍f e t h 。( ) 和是孙。e t ( ) 函数分别摆的是以太网累积帧长分布函数和以太网帧长分布搴函 数。 运用以上公式，再参照e p o n 数据流中以太帧的长度分布函数可以算出平均 来利用时隙一般在5 9 5 b y t e s 左右。 当然，这里所说豹都是理想状态下带宽资源的损耗，由于算法的不问，来利 用时隙豹值往往会很大。尤其是在动态的时隙分配算法中，束利用时隙豹大小往 往会对带宽利用效率以及总体的队列延迟产生比较大豹影晌。 2 2嚣p o nm a c 层算法分类 2 。2 ，1 按照o l t 与o n u 的各自功熊来分 一般说来，o l t 在上行带宽分配算法中起了主母作用，因为在现存的e p o n 7 濒江大学硕士毕业设计 网络构絮中只有o 瓣端能够获得关于网络流量比较全厩的数据，算法虢不同主要 在于o n u 的作用，在文献1 4 中介绍了等级式豹带宽分配方案，在o l t 确定完了 各个o n u 的带宽以籍，各个o n u 再在其晦郝对8 个等级( 按照8 0 2 1 q 标准) 的 队列进行分档，商优先缀的驮列能够褥到确定的带宽，两低优先级的队列只能得 到剩余的带宽。比较两言，集中式的算法把所有的带宽分配的功能集中到了o l t 上，洲u 只是负责对客户端的上行数援和o l t 的下行数据进行存储转发。等级式 分配算法的经典状态机如下所示： 豳2 2 等级式分配算法的状态机 等级式算法和集中式算法各有优缺点，集中式算法有两个优点：l 、o n u 成 为了一个非常简单的单元，这个单元锖l 造方便丽且非常便宜；2 、当o n u 从o 【t 中独立出来以质，就可以有更大的灵活性，在o l t 中可以进行各种各样的算法 瓶不需要在客户端进行任何修改。在o l t 端功能稠瓣的条件下，在o n u 端采用 等级式算法可以进一步地在o n u 各个队列之间实现带宽的再分配，在必要的情 况下还可以最大的可能实现公平性与服务优宠级豹区分f ”j 。 文献1 6 巾提出了释被称为分布式的算法，在这种算法中，渊u 负责带宽分 配豹全部功熊，系统采用的算法是一个完全分布式豹无冲突豹d b a 算法，在这 个算法当中，o l t 没有分配时隙的职熊。为了实现这么一个分布式的控制平台， 在不对e p o n 拓卦结构作任何限制豹条件下，必须要在o n u 之阔加入纛接的链 路。在这个方案中， 彤相互之间交换镪含它们队歹情况和传输需求的信号及 控制信息。这样各个o n u 就可以间时两独立地运行相弱地d b a 算法，并且输 逝类似的带宽分配结果。一旦算法运行起来，各个o n u 就会连续丽有序魄传输 它们的数据，相互之阆不会产生冲突，丽o l t 就没有了集中处理请求和分配授 权的功熊。 但是与以上两穗算法 e 较起来，分布式算法0 n u 所花费的成本太大，不秘 浙江大学硬士毕业设计 予e p o n 系统方案的推广，箍且在l e e e 8 0 2 3 疆标准体系的框架下，性能提离菲 常有限，露且系统豹公平性，保密性都将成为非常棘手的问题，这耱算法的基本 结构露如下所示： 翻2 _ 3 带宽分配功能集中予o n u 的算法框图 2 。2 。2 按照时廖分类 一般来说，时陈分配算法按照时序霹以分为静态、半静态以及动态算法 1 。 在静态算法当中，o l l 在每个阁期璧蘸给每个o n u 分配相间大小的时瓣段， 其原理如下图所示： 霁飘j 习慧骥襻匹霉 厂一 蓊i i 广一1 n 甄期j 一 y 图2 4 静态带宽分配算法 在上图中，从各个羯期中，每个o 赋j 所得到的时阔段与宅们所请求的辩闻 段其实没有赢接联系，n 个m 嘲在每个周期郝只能得到b n ( b 为总带宽) 的 带宽。照然，除j # 在极端情况下，静态带宽分配算法上行带宽利用率缀低，蕊盥 对予商优先级的服务来讲，往往不能得到宠怒的时隙餍予发送数据。 半静态算法在静态算法基鬣 | 上部分程度上弓| 入了动态算法的概念，在半静态 算法中，如果o n u 没有数据要发送，那么o 己t 就会绘它分配一个较小的时褥段， 这个时闻段只包括激光器打开和闭合的时间、同步时阀以及一个r c p o r t 帧的发送 时弼，而后，0 王曩就会在有数据发邀请求的o n u 之翔进行静态算法匏分积。半 1 9 浙江大学硕士毕业设计 静态算法原理如下圈浙示： 图2 - 5 半静态带宽分i a 算法 在上瘸中，在第一个周期爨，洲u o 没有数据需要发送，o l t 只会给它分配一 个最小豹时间段，而把剩余豹时间段在o n u l 和o n u 2 之闯按照静态算法进行分配。 在周期2 塑蘸，则是o n u l 没有数据发送，o l 彳会辩它们进行撩同的处理并根据 处理的缩果安排它们的上行发送露刻和上霉亍发送时隙。 半静态算法在多数情况下带宽利用率要比静态算法要离，它利用了r e p 叫 帧第2 1 个( 从目的凇c