（计算机应用技术专业论文）epon上行动态带宽分配算法研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，通信网络的服务不断增长，传输能力不断的提高，骨干网络和高速局域网络 对带宽的需求不断升级，这就导致接入网成为通信网络的瓶颈。以太网无源光网络 ( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，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，最有希望成为下一代宽带接入网的解决方案。由于e p o n 系统在上行方向是多点 到点的通信方式，所有光网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t s ，0 n u ) 按照分时复用接入的方 式共享上行信道，导致带宽分配成为以太网无源光网络的一个关键问题。为了保证不同业 务的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 和带宽利用率，合理的动态带宽分配机制必不可 少。本论文在分析了各种带宽分配算法的基础上，提出了一种新型的分配算法，理论和计 算都证明了此算法的先进性。 论文首先介绍了接入网技术发展概况，以太网无源光网络的发展历史，以及e p o n 的技 术优点：然后详细介绍了以太网无源光网络的结构和主要特性，深入剖析了e p o n 上行信道 复用技术、上行信道接入技术以及多点控制协议( 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 ) 。 论文重点分析了以往提出的一些经典的带宽分配算法，并指明了各自的优点和不足之处。 基于以上算法存在的问题，提出了一种新的动态分配算法。为了提高e p o n 系统带宽分配的 公平性，论文介绍了o n u 之间的动态分配方案和o n u 内部的动态带宽分配方案，同时提出了 如何利用轻负载的o n u 的剩余带宽分配给重负载o n u 的额外请求带宽，提高了上行带宽的利 用率，分析动态带宽分配算法的公平性。最后对研究内容进行了总结和展望。 关键词：以太网无源光网络；多点控制协议；动态带宽分配；服务质量；优先级 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eg r o w t ho ft h en e t w o r ks e r v i c ea n dt h en e t w o r k st r a n s m i s s i o n a b i l i t y , a n dt h eu p g r a d eo ft h eb a c k b o n ea n dt h eh i g hs p e e dl a n ，t h ea c c e s sn e t w o r kw a s b e c o m i n gt h eb o t t l e n e c to ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b a s e do nt h ec o n v e r g e n c eo fl o w - c o s t e t h e r n e te q u i p m e n ta n dl o w - c o s tf i b e rs t r u c t u r e ，s oe t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( a b b r e p o n ) a p p e a r st ob et h em o s tp r o m i s i n gs o l u t i o nf o rt h en e x t - g e n e r a t i o nb r o a d b a n da c r o s s n e t w o r k e p o ni sam u l t i - p o i n tt op o i n tn e t w o r ka n da l lo p t i c a ln e t w o r ku n i t ( a b b r o m 0 s h a r et h es a m eu p s t r e a mc h a n n e la c c o r d i n gt ot h em a n n e ro ft i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a c c e s s ( a b b r t d m a ) s ob a n d w i d t ha l l o c a t i o ni so n eo ft h ec r i t i c a li s s u e si ne p o ns y s t e m i n o r d e rt og u a r a n t e et h eq o so fd i f f e r e n ts e r v i c e sa n dh i g h - b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，t h er e a s o n a l b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mi sn e c e s s a r y b a s e do nt h ea n a l y s i so fs a v e r a lb 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 m s ，an e w a l g o r i t h mi sp r o p o s e da n di sa d v a n c e d ，w h i c hi sp r o v e db yt h e o r y a n dc a c u l a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa c c e s sn e t w o r k ，t h eh i s t o r yo fe o p n ，a n d t h ea d v a n t a g e so ft e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h ea r c h i t e c t u r e sa n db r e i fm a n n e r so fa ne p o ns y s t e m h a v eb e e ng i v e 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 ( a b b r d b a ) a l g o r i t h mp r e s e n t ss t a t i s t i c a l m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi nt h eu p s t r e a mc h a n n e l ，a c c e s sm e c h a n i s ma n dm u l t i p o i n tc o n t r o l p r o t o c o l ( a b b r m p c p ) ，d e f i n e db yt h ei e e e8 0 2 3 a ht a s k s e v e r a le x i s t i n gd b aa l g o r i t h m ，a n d p r o p o s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i nv i e wo f t h i ss i t u a t i o n , t h i sp a p e rp r o p o s e dan e w d b a a l g o r i t h m i no r d e rt oi m p r o v et h e f a i r n e s so f b a n d w i d t ha l l o c a t i o ni nt h ee p o n ，ad b a a l g o r i t h mp r o p o s e db yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o d so fi n t e r - o n us c h e d u l i n ga n d i n t r a - o n us c h e d u l i n g m e a n w h i l e ，t om e e tt h ed e m a n d e db a n d w i d t ho fh e a v i l y - l o a d e do n u s ， t h ea l g o r i t h mu s e st h ee x c e s s i v eb a n d w i d t ho fl i g h f l y - l o a d e do n u sa n dw h i c hc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n w h a t sm o r e ，t h ep a p e ra n a l y s i s e s t h ef a i r n e s so fd b a a l g o r i t h m f i n a l l y , t h es u m m a r ya n dp r o s p e c ta r eg i v e ni nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：e p o n ；m p c p ；d b a ；q u a l i t yo fs e r v i c e ；p r i o r i t y 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：毖 日期： 盟兰：堡 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名；毖 指导教师签名：笾，冶终 日 期： 兰簟：兰：碰 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 i 1 引言 第一章概述 通信网络由传输网和交换网组成，而传输网又可进一步分为核心网和接入网。近年来， 核心网络技术发展迅速，人们对高速数据、高质量视频通信等宽带业务的需求日益迫切。 w d m 、d w d m 等技术的应用，将核心网的带宽提高到t b p s 的数量级；高速以太网技术使得局 域网的容量达至u l o g b p s 。与之相反，与用户联系最密切的接入网却由于受到技术、设备、 成本等因素影响，发展缓慢，接入速率依旧停留在m b p s ，不能为传输网和交换网提供足够 的数据量，成为制约整个网络性能的“瓶颈 ，这就是通常称作的“第一英里 的问题。 接入的网络化、数字化、宽带化、智能化是解决当前网络矛盾和提高网络利用率的关键问 题。如何解决好接入网的通信问题，成为国际高新技术所关注的焦点1 1 - 2 。 1 2 接入网技术发展概况 接入网( a c c e s sn e t w o r k ) 将商业或住宅用户( s u b s c r i b e r ) 接入服务商( s e 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 ic e ，c o ) ，进而接入城域网( m a n ) 或广域网( w a n ) 。以往它也曾 以“第一英里被提及，这次改名象征着其优先度和重要性。近年来当电信主干网在经历 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，接入网问题成为高速局域网( l a n ) 和主干网之间的瓶颈。 目前，广泛采用的接入网解决方案有数字用户线路( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 和混合光纤同轴( h y b r i df i b e rc o a x ，h f c ) 等。虽然它们相对于5 6 k b p s 的模拟调制解调器 ( a n a l o gm 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i 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。 接入网新一轮浪潮来自被称为f ，i 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，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有成本效益的宽带接入网解决方案。 1 3 无源光网络技术发展概况 当前，以因特网为代表的新技术革命和电信体制改革正在深刻地改变传统的电信概念 和体系结构。随着通信业务的发展及其对通信带宽的需求，接入网技术正向多元化发展， 出现了光纤接入、铜线接入、混合光纤同轴电缆网络、无线接入等各种接入技术，其中 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 光纤接入无疑是最有效的方法，特别是对于宽带业务。而在各种光纤接入技术中，无源光 网络( p o n ) 是一种很有吸引力的纯介质网络，其主要特点是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，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本。 还能比较经济地支持模拟广播电视业务，即具备三重功能。据美国贝尔运营公司报道，采 用无源光网络每年可节约维护费用，是电信维护部门长期期待的技术。首先，可节约维护 费用；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；最后，因 为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要低。特别是随着 光纤向用户端的日益推进，其综合优势越来越明显。p o n 的灵活组网能力和经济适用能力 使其最适合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又 相对集中的小面积密集用户地区。 从p o n 发展至今，p o n 主要有a t m 无源光网络( a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a p o n ) 、 e p o n 和吉比特无源光网络( 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 n ) 三种基本类型。在窄 带p o n 系统概念提出的同时，人们提出了以a t m 技术为基础的宽带p o n 概念，即a p o n ，以使 接入网走向宽带化。在a p o n 的发展过程中，标准化程度很高，分别在1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年i t u - t 正式通过了g 9 8 3 1 、g 9 8 3 2 、g 9 8 3 3 协议，对a p o n 系统线路速率、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。 1 3 1 p o n 的发展历史 p o n 技术始于2 0 世纪8 0 年代初，目前市场上的p o n 产品按照其采用的技术，主要分为基 于a t m 的p o n 宽带p o n ( a p o n b p o n ) ，基于以太网的p o n 和基于千兆网的( e p o n 和g p o n ) 1 3 1 。以 下简介f t t x 与p o n 技术的发展历程。 1 9 8 3 年，b t 实验室首先发明了p o n ，并于1 9 8 7 年在英国进行了p o n 的早期试验。1 9 9 3 年， 德国电信在原东德开始部署p o n 。1 9 9 5 年春，几大网络运营商联合成立了“全业务接入网 络( f u l ls e r v i c e sa c c e s sn e t w o r k ，f s a n ) 组织 。f s a n 组织的目标是制定一个标准，使 得设备制造商及运营商在p o n 的发展中有可遵循的目标。第1 个由该组织制定的标准是1 5 5 m b i t sp o n 系统。这个系统就是a p o n ，它使用a t m 作为其承载协议。1 9 9 9 年，国际电信联盟 ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 批准了a p o n 标准g 9 8 3 x ，2 0 0 1 年a p o n 被 改名为b p o n 。 e p o n 的研究和开发是由a l l o p t i c 和s a l i r a 等后起的光网络设备商发起的。主要原因是 因为a p o n 需要协议转换、带宽有限、结构复杂和造价昂贵等技术局限性。随着快速以太网、 吉比特以太网和1 0 g 比特以太网在局域网和城域网应用的逐步扩大，采用e p o n 技术将更加 经济，兼容性也更好。e p o n 技术可以借鉴以太网成熟的协议标准和已有的a p o n 协议标准， 容易扩展并且面向用户。 随着i p 技术的不断完善，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， 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 使得a t m 技术完全退出了局域网。在这种背景下，两个颇为引人注目的新的p o n 标准产生， 其中一个是由i t u f s a n 负责制定用来替换a p o n 标准的g p o n 标准，另一个是由i e e e 8 0 2 3 a h 工作组负责制定的e p o n 标准。和a p o n 相比，e p o n 具有更宽的带宽、更低的费用和更灵活的 业务功能。 自2 0 0 0 年1 1 月起，i e e e 8 0 2 3 a h i 作小组开始进行e p o n 的标准化工作，其制定e p o n 标 准的基本原则是尽量在i e e e 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 的媒体访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，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，e f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm il e ) 正式发布了e p o n 的相关标准i e e e 8 0 2 3 a h 。 2 0 0 1 年，f s a n 组织也开始起草制订一个超过1 g b i t s 速率的p o n 网络标准g p o n 。该标准不但 提供高速带宽( 上下行速率1 2 4 4 g b i t s 和2 4 8 8 g b i t s ，支持各种接入服务，并且能以原 有数据的格式( 无需再次转换) 和极高的效率同时支持数据及电信话音业务。i t u 电信标准 化组织( i t u t e l e c o m m u n i c a i t o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ，i t u t ) 在2 0 0 3 年正式通过并 颁布了g p o n 标准系列中的三个标准：g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 和g 9 8 4 3 ，2 0 0 4 年4 月i t u t 通过了 g 9 8 4 4 。至此，g p o n 的标准已经完善。 1 3 2e p o n 的技术优点 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 4 1 。从e p o n 的结构上看，其关键是消除 了复杂而昂贵的异步传输模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，a t m ) 和同步数字系列( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，s d h ) 网元，从而极大地简化了传统的多层重叠网络结构， 也消除了伴随多层重叠网络结构的一系列弱点。总结起来，e p o n 相对于现有类似技术的优 势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 基于i p 及以太网技术：未来的网络必定是基于i p 或以太网的，经由e p o n 传输i p 包 是最好的方案。 ( 2 ) 与现有以太网的兼容性：以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。e p o n 只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。考虑到以太网的市场优 势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之一。 ( 3 ) 低成本：e p o n 系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数量。此外，由 于光电子器件的成本不断降低，e p o n 的设备接入成本可以与a d s l 、c a b l em o d e m 相比，特 别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 发 展的基础。同时，e p o n 的基础是以太网，而以太网是当今和未来使用最广泛的网络技术， 其相关器件和设备价格最低。用e p o n 作为接入网，成本低、通用性好、免去了i p 数据传输 的协议和格式转换、效率高、管理简单。 ( 4 ) 低运营维护成本：局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等光无源器件， 无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省运营维护成本。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达至u 2 0 k m 的传输距离，避免了传统传输介质 ( 如双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题。 ( 6 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 的技术上，因此，e p o n 系统支持各种以i p 技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网( 三网) 的融合也成为现实。 ( 7 ) 解决终端用户的带宽瓶颈：e p o n 上下行信道速率为1 g b i t s ，这比目前的接入方式， f l h m o d e m ，i s d n ，a d s l 甚至a t mp o n ( 下行6 2 2 1 5 5 m b p s ，上行共享1 5 5 m b p s ) 都要高得多。e p o n 可以为用户提供高带宽，可以满足宽带上网、视频点播、在线游戏、可视电话、数字高清 晰电视等各种业务的带宽需求，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用 户需求的变化动态分配带宽。 ( 8 ) 接入可靠性：整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免电磁干扰和雷 电影响，保证信号传输质量。 ( 9 ) 便于系统升级和管理，便于引进新业务。 ( 1 0 ) 统一的标准：i e e e 8 0 2 3 a h 工作小组从2 0 0 1 年1 1 月就开始进行e p o n 的标准化工作。 2 0 0 4 年6 月2 7 日，电气与电子工程师协会( i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 已经正式推出了关于e p o n 系统的i e e e 8 0 2 3 a h 协议。 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 很多情况下，铺设光纤比铺设铜缆花费更小。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。 而另一方面，以太网对i p 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 1 p ) 和v l a n 标签( 8 0 2 1 q ) 。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。基于以太网技术是p o n 的合 理选择。 e p o n 标准化工作由i e e e 8 0 2 3 a he f m 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 ) 。 e p o n 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 e 8 0 2 3 以太网协议及其他相关i e e e 8 0 2 协议。这使得它很容易传输i p 包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 来自基于 以太网的l a n 的实际情况下，因此，e p o n 成为下一代接入网的最佳候选方案。 1 3 3e p o n 的应用前景 通信技术的发展已经脱离纯技术驱动的模式，正在走向技术与业务相结合、互动的新 模式，从市场应用和业务需求的角度看，最大和最深刻的变化将是从语音业务向数据业务 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 的战略性转变，数据业务自1 9 9 0 年以来年增长率一直超过1 0 0 ，随着互联网的迅猛发展， 以i p 为代表的数据业务更是以前所未有的速度在增长。话音业务虽然也在增长，但速度要 慢的多，每年只增长8 。大多数分析家认为，全球数据业务量超过了话音业务量，而且其 高速发展的趋势还将继续下去。上网的用户会越来越多，上网的时间也越来越长。市场研 究表明，在网络升级到宽带以后，用户上网的时间可能要比过去多3 0 。今后居家办公的 用户越来越多，他们要求网络性能与局域网一样。随着每个用户带宽的增加，服务种类将 越来越多，新的应用将层出不穷。 i p e t h e r n e t 越来越得到人们的青睐，以太网的传输速率从l o m b i t s 、l o o m b i t s 发展 到1 0 0 0 m b i t s ，现在l o g b i t s 的以太网也已经投入使用。由于密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e xa n dm u l t i p l e x e r ，d w d m ) 等新技术在以太网中的使用使得i p e _ t h e r n e t 逐步走向广域网( w i d ea r e an e t w o r k ，w a n ) 和城域网( m e t r oa r e an e t w o r k s ，m a n ) 市场。另外，随着改进e t h e r n e t 技术对实时业务和其他非数据业务的支持能力的不断提高。 这就使得e p o n 成为众多设备制造商新的追求目标。有了开发千兆以太网和a p o n 的技术基 础，e p o n 与现在广泛普及的以太网有良好的兼容性，以及广大设备生产商、业务提供商和 用户对e p o n 的支持，e p o n 必将会以高的性能价格比为用户提供最后一公里的最佳接入。 由于光部件价格的大幅下降和终端用户带宽需求的增长，e p o n 已经显示出了它的经济 性和技术上的可行性。点到多点的以太网结构提供了一种极低廉的宽带解决方案。千兆以 太网所带来的高带宽意味着运营商可以提供宽带服务的用户数量是空前的。e p o n 支持很多 e f m 的应用，如光纤到户、光纤到楼( f i b e rt ot h eb u il d in g ，f t t b ) 、光纤到路边( f i b e rt o t h ec u r b ，f 1 t c ) ，它必将在接入网中扮演重要的角色 5 - 7 1 。 1 4 本文的研究意义 近年来通信业的迅猛发展导致了网络传输能力的巨大提升。虽然骨干网和高速局域网 随着人们对带宽越来越大的需求而不断升级，但是连接两者之间的接入网却没有得到很好 的发展，以至于成了整个网络的瓶颈。考虑到以太网的普遍性、低成本、高带宽的优点和 光纤网的低成本、大容量的特点，一种基于以太网的无源光网络成为下一代接入网的最佳 候选技术。e p o n 上行传输采用分时复用访问( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 方式， 为避免时隙的浪费和冲突，因此恰当的带宽分配机制必不可少。 i e e e 8 0 2 3 a h 以太网“第一公里 任务小组规划了自己的多点控制协议，以解决上行 传输控制问题。此协议只是规划了一个框架，其中定义了几个注册和上行带宽分配的控制 帧结构，并没有指定任何具体的算法，它的t d m a 方案是开放的，以推动一系列算法的提出 和发展。目前已有多种d b a 算法提高了带宽利用率、时廷等方面的问题，但大多数算法只 考虑了o n u 间的总体带宽分配的公平性。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 5 本文的内容安排 本文分为以下几个部分： 第一章介绍了接入网技术发展概况，p o n 的发展历史，以及e p o n 的技术优点和应用前 景，指出了e p o n 成为下一代接入网的最佳候选方案。 第二章详细介绍了e p o n 系统的结构；分析了e p o n 系统的三个组件o n u 、o l t 、p o s 等的 基本功能，以及e p o n 传输帧结构和层次模型；并重点分析了e p o n 系统的主要特性；最后提 出了e p o n 的关键技术和e p o n 的技术难题。 第三章深入剖析了e p o n 上行信道复用技术、上行信道接入技术以及多点控制协议。重 点描述了m p c p 协议，对m p c p d u 格式、g a t e r e p o r t 机制以及测距和发现处理等过程进行了 详细的分析。 第四章首先分析了以往提出的一些经典的带宽分配算法，并指明了各自的优点和不足 之处。基于以上算法存在的问题，提出了一种新的动态分配算法。重点给出了o n u 之间的 动态分配方案和o n u p 勺部的动态带宽分配方案，提高e p o n 系统带宽分配的公平性。同时介 绍如何利用轻负载的o n u 的剩余带宽分配给重负载o n u 的额外请求带宽，并分析了动态带宽 算法的公平性。 最后是本文的总结与展望，对论文的工作做了一个总结，提出研究的不足、需要加以 改进和未完成的工作，并且对下一步的研究进行了展望。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 1 引言 第二章以太网无源光网络系统结构 资源调度和带宽分配机制是e p o n 系统的技术难点之一。其根本原因是e p o n 的特殊网络 拓扑结构引入了不同子其他网络的资源调度和带宽分配技术的难点。同时，为了将以太网 技术更好地融入e p o n 系统中，i e e e 修改了原有的以太网协议栈，为e p o n 系统定制了一套新 的e p o n 技术协议栈。本章将详细介绍e p o n 系统的网络拓扑结构和协议栈结构，同时也将对 e p o n 系统的整体q o s 架构作简单介绍，为后续章节对资源调度和带宽分配机制的深入研究 做准备。 2 2e p o n 网络的体系结构 2 2 1e p o n 的基本结构 典型的e p o n 系统主要是由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 和无源光分路器( p o s ) 等构成p 1 ，如图2 - i 所示。 光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 位于中心局，是整个e p o n 系统的核心部件， 提供e p o n 系统与数据、视频和语音网络之间的接口。o l t 通过p o s 与各个o n u 相连，在下行 方向，o l t 提供面向p o n 的光纤接口；在上行方向，0 l t 提供了千兆以太网，将来l o g b s 的 以太网技术标准定型后，o l t 也会支持类似的高速接口。o l t 通过支持e 1 接口来实现传统的 t d m 语音的接入，o l t 还可支持a t m ( 异步传输模式) 、帧中继等速率的s d h 、s o n e t ( 同步数字 系列，同步光网络) 接口标准。在e p o n 的统一网管方面，o l t 是主要的控制中心，实现网络 管理的主要功能。 k d d m es k 瞳。 图2 - ie p o n 网络的典型结构 无源光纤分路器( p a s s i v eo p t i c a ls p li t t e r ，p o s ) 是一个l ：n 的无源光分路耦合器， 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 用于连接o l t 和多个o n u ，并进行光功率分配。下行方向，它可以将o l t 发送过来的数据分 发给各个o n u ；上行方向，它可以将各个o n u 发送过来的数据集中后传送给o l t 。由于它是 一个无源器件，不需要电源，可以置于全天候的环境中。一般一个p o s 的分线率为8 、1 6 或 3 2 ，并可以多级连接。 光网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t s ，o n u ) 位于用户端，用于终结光纤链路，提供用 户的数据、视频和语音网络与e p o n 之间的接口。o n u 最初的作用是接收光路信号，并将其 转换成用户所需的格式( 以太网、i p 广播、普通老式电话业务( p l a i no l dt e l e p h o n es y s - t e m ，p o t s ) ) 等。因为o n u 在f t t b 和f t t h 应用中，通常放置在用户节点处，而且成本不与其 它用户共享，因而o n u 的成本成为e p o n 系统能否被采用的关键。一般情况下，o n u 在f t t b 应 用中约占系统成本的7 0 ，在f t t h 应用中约占成本的8 0 。o n u 和o l t 之间可以灵活组建成 树形、坏形、总线形以及混合型网络。 e p o n 的特征是：o n u 除端接和转换光信号外，还提供2 - 3 层交换功能，它允许在o n u 中 内置企业级路由器。e p o n 也适合用第三个波长传输模拟共用天线电视( c o m m o na n t e n n a t e l e v i s i o n ，c a t v ) 信号或者i p 视频。光信号通过p o s 把o l t 一根光纤下行的信号分成多路 给每个o n u ，每个o n u 上行的信号通过p o s 合成在一根光纤中发送给o l t ，因而e p o n 中包括无 源网络设备和有源网络设备。无源网络设备包括单模光缆、p o s 、适配器、连接器和熔接 头等，一般放置于局外，也称之为局外设备。无源网络设备具有简单、稳定可靠、寿命较 长、易于维护和价格低等特点。有源网络设备包括局端机架设备、o n u 和网元管理系统。 局端机架上插装o l t 、网络界面模块以及交换模块，这三种设备也统称为局端机架设备。 e p o n 采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 n m ) ，仅需一根主干光纤和一个 o l t ，传输距离可达2 0 k m 。在o n u 侧通过p o s 分给多个用户，因而可大大降低o l t 和主干光纤 的成本压力。 2 2 2 e p o n 传输帧结构 e p o n 下行帧结构如图2 - 2 所示，它由一个被分割成固定长度帧的连续信息流组成，其 传输速率为1 g b p s ，每帧又携带多个可变长度的数据包( 时隙) 。每帧的开头是同步标识符， 占一个字节，携带时钟信息，用于o n u 与o l t 的同步，每2 m s 发送一次。按照i e e e 8 0 2 3 组成 可变长度的数据包，给各o n u 分配数据包，每个数据包由信头、可变长度净荷和误码检测 域组成。 2 w 2 l n s l 卫i _ 丑i 工_ t 步标识符 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 舢 h p 一。一_ - _ 卜 _ 卫i 丑【工- i 二 图2 _ 2e p o n - f 行帧结构 二 - 图2 - 3 表示e p o n 上行帧结构。各个o n u 发出的上行信息流通过光耦合器合并共用光纤， 以t d m 的方式复合成一个连续的数据流。该数据流以帧的形式组成，帧长同下行帧，每帧 的帧头表示该帧的开始。每帧进一步分割成可变长度的时隙，每个时隙分配一个o n u ，用 于发送o l t 的上行数据9 1 。 | 2 m s - | 图2 - 3e p o n 上行帧结构 o n u 根据m a c 帧中的逻辑链路标识( l l i d ) 确认数据包的归属，对此e f m 小组对原有m a c 帧 结构做了部分修改，将原i e e e 8 0 2 3 帧结构中的前导码( p r e a m b l e ) 和帧定界符( s f d ) 修改为 l l i d 定界符( s l d ) 与l l i d 以及8 位循环冗余校验码( c r c 8 ) ，使e p o n 中o n u 可以通过l l i d 进行 数据包识别n 0 1 。如图2 4 所示。 注：s l d - l l i d 定界符 l l i d ：逻辑链路标识 c r c - 冗余校验码 图2 - 4e 剐定义的e p o n8 0 2 3f r a m e 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 3e p o n 网络的分层模型 i e e e 8 0 2 3 工作组定义了新的物理层1 0 1 。对以太网m a c ( 媒体访问控制) 子层及以上层， 尽量做最小的改动以支持新的应用和媒体。按照2 0 0 3 年1 月发布的i e e e 8 0 2 3 a hd r a f t1 3 的规定，e p o n 的层次模型如图2 5 所示。 0 s l 参考模型 层次 应闱层 表示层 会话层 传送层 网络层 数据链路层 物理层 g m i i = 吉比特媒质无关接口 m d i = 媒质相关接口 o a m = 运行管理维护 o l t = 光线路终端 o n = 光网络单元 l a n 层次 高层 l a n 层次 i 岛层 图2 - 5e p o n 网络的层次模型 p c s = 物理编码子层 p h y = 物理层 p m a = 物理媒质附加子层 p 如= 物理媒质相关子层 e p o n 分层模型是在i e e e 8 0 2 3 定义的以太网分层模型基础上建立的。高层主要完成业 务控制的功能。为了使e p o n 具有q o s 保证的能力，要在o n u 侧使用排队技术，即为不同业务 队列划分优先级，优先级队列的管理和调度是在高层完成的。 m a c 控制层主要完成与点到多点p o n 相关的功能( 如o n u 的发现和测距、下行帧的广播和 上行帧的多址接入等) 。 物理层设备是e p o n 参考模型的一部分，提供以太网设备和媒体之间的接口，但是，它 不仅仅是一个接口，还利用机械、电子和逻辑方式来建立、维护和释放给传输媒体上的物 理连接。e p o n 物理层设备包括以下三层：物理编码子层( p c s ) 、物理媒体接入子层( p m a ) 和 物理媒体相关子层( p m d ) 。 p c s 的接口是千兆比特媒体无关接口( g m i i ) ，g m i i 使上层能以标准方式与任何大量不 同的物理层芯片互连，p c s 提供给g m i i 所需的全部服务，包括将g m i i 字节数据编码成1 0 比 ll叫illl_ 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 特码组( 8 b l o b ) ，用于下面p m a 的通信；为物理层的半双工客户端产生载波监听和冲突检 测的指示符；管理自动协商的过程，当物理层可使用时，通过g m i i 通知管理实体。 p m a 为p c s 提供了一种媒体无关的方法，支持使用串行比特的物理媒体。它通过p m a 服 务接口，在p c s 和p m a 之间映射码组的发送和接收。发送部分将1 0 位并行码组转换为串行位 流，发送到p m d 层；接收部分将来自p m d 层的串行数据，转换为1 0 位并行数据；从接收位流 中分离出用于对接收数据进行符号对齐的符号定位时钟；通过p m d 服务接口，在p m