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上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 摘要 近年来，信息社会对通信网络服务的需求不断增长，电信网、电视网和计算 机网的发展趋势必然是“三网融合”。随着i p l v 、v o i p 等新兴网络业务的出现， 以往的宽带接入方案已无法提供足够的带宽和q o s 保证。当前，基于光纤的f 1 1 h 被普遍认为是解决宽带接入网的最佳方案。而e p o n 技术，结合以太网和p o n 技术，凭借其低成本高性能，成为实现f t t h 最理想的方式之一。 由于e p o n 系统在下行方向是点到多点的通信方式，o l t 以广播的方式向 所有o n u 传输语音、视频和数据业务；在上行方向是多点到点的通信方式，所 有的o n u 按照t d m a 的方式共享上行信道，因此如何保证各个业务的q o s 要 求，特别是实时业务的q o s 要求；如何在网络拥塞的情况下，合理充分的分配网 络带宽，是本文的研究重点。本文首先深入分析了以往一些经典的资源调度和带 宽分配算法，指出了各个算法的优点以及存在的不足。资源调度和带宽分配算法 的研究经历着一个逐步成熟的过程，一些资源调度和带宽分配机制已经被应用到 硬件上。因而本文详细介绍了基于t e e k n o v u s 测试板的资源调度和带宽分配机制 的实现，从一个更全面的角度介绍了资源调度和带宽分配算法的处理、实现流程。 在对这些资源调度和带宽分配机制的研究基础上，本文总结出影响资源调度 和带宽分配算法性能的7 个重要因素。但是如何在一个资源调度和带宽分配机制 中全面、合理地兼顾这7 个要素是一个难点。在此基础上，本文提出了一种新型 的基于分层、带宽预测机制相结合的资源调度和带宽分配算法。该算法能保证各 个业务的q o s 要求，在支持业务类的扩展性上有一定的优越性；同时结合带宽预 测以及预测修正机制，改善了网络拥塞情况下，实时业务的时延和抖动性能。最 后在o p n e t 建立的e p o n 系统的仿真平台上，通过与静态带宽分配、i p a c t 算 法、d d b a 等算法进行仿真比对，验证了该算法的良好性能。 关键词： e p o n ，o p n e t i e e e8 0 2 3 a h ，d b a 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n df o rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks e r v i c e si su n c e a s i n g l y i n c r e a s i n g t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y f o rt h et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , t h e t e l e v i s i o nn e t w o r ka n dt h ec o m p u t e rn e t w o r ki n e v i t a b l yi s ”t h r e en e t sf u s i o n s ”a l o n g w i t hi p t v , v o i pa n do t h e re m e r g i n gn e t w o r ks e r v i c e s a p p c a r a n c o , t h et r a d i t i o n a l b a n d w i d t ha c c e s sm e t h o d sa l eu n a b l et op r o v i d et h ee n o u g hb a n d w i d t ha n dt h eq o s g u a r a n t e e s p r e s e n t l y , f 兀hw h i c hw a sb a s e do no p t i c a lf i b e rw a sg e n e r a l l yt h o u g h t t 0b et h eb e s ts o l u t i o nf o rt h i sp r o b l e m a n dt h ee p o nt e c h n o l o g yu n i f i e st h ee t h e r n e t a n dt h ep o n t e c h n o l o g y , r e l i e so ni t sl o w c o s th i g hp 幽仰锄c c ，a n db e c o m e so n eo f t h em o s ti d e a lw a y st or e a l i z ef m i t h ee p o ns y s t e mu s e st h ew a y o f p o i n t t om u l t i - p o i n ti ni t sd o w s t r e a ma n do l t b r o a d c a s t sv o i c e 。v i d e oa n dd a t as 硎c e st oa l lo n u s i nt h eu p s t r e a m ，e p o nb s e s t h ew a yo fm u l t i - p o i n tt op o i n ta n da l lo n u ss h a r et h eu p s t r e a mc h a n n e li nt h ew a y o ft d m a s o , h o wt og u a r a n t e ee a c hs e r v i c e sq o sr e q u e s t ，s p e c i a l l yr e a l t i m e s e r v i c e sq o sr e q u e s ta n dh o wt or e a s o n a b l yf u l l ya l l o c a t en e t w o r kb a n d w i d t hw h e n t h en e t w o r ki si nc o n g e s t i o ni st h i sp a p e r sr e s e a r c hk e y t h i sp a p e rt h o r o u g h l y a n a l y z e ss e v e r a lc l a s s i c a lr e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m s , t h e np o i n t so u te a c ha l g o r i t h m sm e r i ta sw e l la st h ee x i s t e n c ei n s u f f i c i e n c y t h e r e s e a r c hf o rr e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m si se x p e r i e n c i n g ag r a d u a l l ym a t u r ep r o c e s sa n ds o m er e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m sa l ea l r e a d ya p p l i e do nt h eh a r d w a r e t h u st h ep a p e ri n t r o d u c e s t h e r e a l i z a t i o nf o rt h er e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hi s b a s e do nt e c k n o v u s st e s t i n gb o a r di nd e t a i l s oa st oi n t r o d u c er l s o u r c e 3s c h e d u l i n g a n db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m sp r o c e s s i n ga n dt h er e a l i z a t i o nf l o wf r o mam o r e c o m p r e h e n s i v ea n g l e u n d e rt h er e s e a r c hf o rt h e s er e s o u r o x ss c h e d u l i n ga n db a n d w i d t ha l l o e a t i o n 玎 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 a l g o r i t h m s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e s s e v e nf a c t o r sw h i c hg r e a t l yi m p a c t st h e p e r f o r m a n c eo f r e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db 觚d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m b u th o w t o c o m p r e h e n s i v e l y , r e a s o n a b l yg i v ea t t e n t i o nt ot h e s es e v 朗i m p o r t a n tf a c t o r si no n e r e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db 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 sad i f f i c u l t y i nt h i s f o u n d a t i o n , t h i sp a p e rp r o p o s e so n en e wr e s o u r c e ss c h e d u l i n ga n db 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 , w h i c hb a s e d0 1 1h i e r a r c h ya n db a n d w i d t hf o r e c a s tm e c h a n i s m t h i sa l g o r i t h mc a ng u a r a n t e ee a c hs e r v i c e sq o sr e q u e s ta n dh a v ec c n a i ns u p e r i o r i t y i ns u p p o r t i n gs e r v i c ec l a s se x t e n s i o n s i m u l t a n e o u s l y , t h eu s eo fb a n d w i d t hf o r e c a s t a n df o r e c a s tm o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mi m p r o v e st h er e a l t i m es e r v i c e sd e l a ya n dj i t t c r p e r f o r m a n c eu n d e rh e a v yn e t w o r kc o n g e s t i o n f i n a l l y , i n t h ee p o ns y s t o m s i m u l a t i o np l a t f o r me s t a b l i s h e db yo p n e t m o d e l c r , t h ep a p e rc o m p a r e st h en e w a l g o r i t h mw i t hs t a t i cb a n d w i t ha l l o c a t i o n , p a c ta l g o r i t h ma n dd d b aa l g o r i t h ma n d c o n f i r m e si t sg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ： e p o n ，0 p n e t ，i e e e8 0 2 3 a h ，d b a i l l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：迪日期：毕口 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：斗导师签名：之兰扛日期：芈 i i 上海丈学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 1 1 研究现状与背景 第1 章绪论 随着信息技术的高速发展，各种高带宽需求的业务和应用不断涌现。例如远 程医疗、远程教育以及网络游戏这些业务所需的最大带宽都在6 m h z 左右，视频 点播( v o d ) 所需的带宽在3 6 m h z ；高清晰电视( h d t v ) 所需带宽是1 9 2 m b p s ，即使用h 2 6 4 技术压缩也需要5 m b p s 6 m b p s ；以i p t v 为代表的网络视频 业务对于带宽的需求则远远超过传统的w e b 浏览、e - - m a i l 等业务。面对这些 几兆、几十兆的带宽需求，基于双绞线的x d s l 技术( h d s l 、a d s l 、v d s l ) 、 基于h f c 的c a b l em o d e m 技术等传统的宽带接入技术已经无法满足人们对长距 离、高带宽、多业务、低费用的需求。因此，下一代的宽带接入网络必须提供更 高的带宽容量，而在接入网采用具有超大带宽容量的光纤作为传输媒质，即光纤 到户( f t t h ) 无疑是最理想的解决方案。随着光纤以及光器件价格的不断降 低，实现f 1 1 h 不在是梦想。而基于以太网技术的无源光网络( e p o n ，e t h e m e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 被认为是实现f 1 1 h 的最佳解决方案之一。 1 1 1f t t h 概述 现今，f 刑是国际公认的终极接入网解决方案，具有对称高带宽、高稳定 性、高可靠性、抗干扰、环保无污染的优势，代表了当今和未来接入网建设的发 展方向，被专家们誉为是一种一劳永逸的网络接入方式。迄今为止f r r h 是能够 同时完成语音、数据和视频三种业务的最好运营方案，从商业和经济的角度最为 经济可行。 f 耵h 技术在亚洲、美洲以及欧洲迅速发展。在亚太地区，特别是韩国和日 本，发展最为迅猛。韩国经过三年的大发展，宽带用户总数突破1 0 0 0 万，宽带 普及率达到世界第一，占家庭用户的7 0 ，互联网用户的9 0 ，市场规模达到 4 0 亿美元。日本政府也通过各种措施( 包括e , j a p a n 、u 1 a p a n 等一系列国家项目) 大力推动宽带技术的发展，目前宽带用户总数已经超过2 0 0 0 万，其中光纤到户 上海大学硕士学位论文 基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 ( f t t h ) 截至2 0 0 5 年1 2 月已经达到4 6 3 7 万户。美国的宽带接入以电缆电视 和a d s l 为主，近来光纤到驻地( f t t p ) 已引起不少地方政府的兴趣，成为近 期f r r p 发展的主要驱动力，到2 0 0 6 年1 月止，全美光纤覆盖的家庭数已经超 过3 6 0 万户，而且仍沿以每月1 8 万户的速度在增长。而在我国，已经有哈尔滨、 徐州、镇江、武汉，深圳等诸多f t l h 试验局相继开通，其中武汉f 1 1 h 工程的 开通拉开了国内唧建设的序幕，f t m 的建设热潮开始逐渐形成，国内各大 运营商都开始计划进行f 刑的试点工程建设，很快将会进行设备选型和小规模 的网络建设。f 1 1 h 在未来几年内将逐步走过技术论证、测试使用、选型、大规 模使用几个阶段，并最终大规模发展，成为宽带接入技术中的重要组成部分。 据d i t t b e m c r 公司分析，全球f 1 1 h 市场到2 0 1 3 年光纤接入技术的全球投资 将从2 0 0 4 年的3 7 亿美元增加到2 2 8 亿美元。亚太地区将成为全球最大的f t l h 市场，占全球总市场的5 2 8 ( 即1 2 0 亿美元) 。中国将占到亚太地区市场的将近 一半“6 ) 。在未来几年，中国将会成为兀t h 的主要投资者。在中国，p o n 的 部署已经开始。中国网通己采用s a l i r a 公司的e p o n 设备在北京、长沙开始提供 业务。长城宽带网络服务有限公司与日本富士通公司签署了e p o n 技术合作协 议，将在北京、广州、上海等大城市中推广应用，并逐步覆盖全国范围。中国将 会进入一个f t 的接入网新时代。 1 1 ，2f t t h 解决方案 硎主要有两种实现技术：点到点光接入技术和p o n 技术。 f 1 1 h 网络中的点到点光接入技术是将电信号转换成光信号进行长距离的传 输，从中心局到每个用户均使用一根光纤，上下行速率都可以达到1 0 0 m b i t s 甚 至1 0 0 0 m b i t s 。点到点光接入技术具有产品成熟、结构技术简单、安全性较好 的特点。但这种技术最大的缺点是需要铺设大量光纤和光收发器，在大规模应用 情况下网络铺设困难，设备成本也很难再下降甚至会上升，因此被认为是实现 f 唧的过渡技术，比较适合网络发展初期用户数较少的阶段。早期的点到点光 接入技术主要是m c ( 媒体转换器) 。 而p o n 技术已经成为业界公认的实现f t r h 的首选方案。p o n 系统由局端 2 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 设备o l t ( 光线路终端) 、用户端设备o n u o n t ( 光网络单元光网络终端) 和 o d n ( 光分配网) 组成。所谓“无源”，是指o d n 全部由无源光分路器和光纤等无 源光器件组成，不包括任何有源器件。p o n 技术采用了点到多点拓扑结构，下 行和上行分别通过t d m 和t d m a 方式传输数据。 1 1 3p o n 技术 p o n 技术可细分为几种，不同的数据链路层技术和物理层p o n 技术结合形 成了不同的p o n 技术，例如a t m + p o n 形成了a p o n ( 或b p o n ) ，e t h e m e t + p o n 形成了e p o n ，a t m g e m + p o n 则形成了g p o n ，这是各种p o n 技术 之间的最大区别。p o n 技术的优势包括无源光器件不易受雷电损坏和辐射干扰、 网络结构灵活易于扩展、共享馈线段光纤可节约铺设成本、业务透明性好、具有 多业务支持能力以及易于管理维护等。 正e e f 蛋o nn 飞埘o p o n 下行线貉速率( m b i t s ) 1 2 5 0 1 2 4 4 1 6 或2 4 8 8 3 2 一。一一 -一 上行线路速率( 埘 ；岫) 1 2 5 0 1 5 5 5 2 或6 2 2 0 8 或1 2 4 41 6 或：2 4 嚣3 2 缝路编玛釉，l 曲；n r z ( + 鳓r 抓由i i 嗨) 最小分路比( 在传统虻聚屡) j 一6 4 曩丈分路比( 在传统汇聚层) n t a 1 2 8 t c 屡支持的最丈逻辑传送距离1 0 或2 0；6 0 ( k m ) 数据链路层协议 e t h e r n e t 。蓦于g e m 和，或a t m 承载的e t h e m e t t d m 支拧能力基于分组承载的原始的t d m 和惰基于a t m 承戴的 t d m t d m 和i 或分组承戡的t d m p 0 n 支持的最大韭务城( 个)取决于每个o n t 4 0 9 6 支持的l l i d 披| 上行带宽( m b “穑)7 6 0 - - 8 6 0 1 4 6 0 ( 以驴数据传输为蛭务) ( 1 2 4 4 g b i t i 取向对称系统) 运行维护管理e 睡o a m! p l o a m + o m c i ( s n m p 可选) 下行数据漉加密“无定义“ 硅s ( 计数器模式厂 图1 1e p o n 与g p o n 技术参数比较 目前，p o n 的代表技术为e p o n 和g p o n 技术。如图1 1 所示为两者的技 术参数比较。这两种技术各有优势，又各有不足，各有适宜的应用环境与场合。 从平台来看，e p o n 基于以太网，而g p o n 则是基于1 2 5 邮固定帧，所以 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 e p o n 更适合于单纯数据的环境，特别是对以太网和m 业务的支持；而g p o n 对t d m 业务的支持更为方便。但现在的技术发展，使得这两种p o n 技术都可 以对全业务进行支持。例如，e p o n 通过电路仿真，就可以提供2 m b i t s 接口以 及支持传统的p o t s 电话；g p o n 通过g f p 映射，对各种数据业务也可以适应。 从带宽能力来看，e p o n 只能提供1 2 5 g b i t s 的带宽，g p o n 带宽可以高达 2 5 g b i t s 。由于e p o n 一般用到1 ：3 2 的分路比，而g p o n 用到1 ：6 4 ，所以对每 个用户来说，得到的带宽相差无几。即使在同样分路比的情况下，由于e p o n 所 基于的分组码流的统计特性以及更加灵活的动态宽带分配，使得用户实际使用的 带宽往往高于得到的平均带宽，在大部分应用中，e p o n 用户基本接近g p o n 用 户的带宽。 从产品成熟性来说，e p o n 推出较早，芯片供应厂家也多，技术成熟，选择 余地大，而且在日本已获百万以上用户的应用，功能、性能、可靠性等都得到了 验证，价格也已经降到很低的程度；g p o n 推出较晚，所支持的芯片厂家屈指可 数，所以在产品成熟度上尚待接受大规模应用的考验，产品价格也比e p o n 高出 许多，下一步如果能大量应用，其成熟性会得到提高，价格亦有望下降。 这两种p o n 技术的主要成本都是光接口，因而其硬件成本理应相差不多。 但是由于实现技术上的差别，目前e p o n 的难度最小，成本也最低。 1 2 研究内容和意义 e p o n 技术作为f 1 t h 最理想的实现方式之一，结合了以太网技术和p o n 技术。但是和传统的端到端的以太网不一样，e p o n 具有点到多点的拓扑结构。 在下行方向，o l t 将以太帧广播发送给所有的o n u ；上行方向，每个o n u 按 照t d m a 的方式共享上行带宽。e p o n 系统的这种特殊结构势必造成o n u 之间 的上行接入竞争问题。同时，e p o n 系统作为一个综合业务接入平台，必须支持 多种业务的接入。对于不同的业务，其业务的q 1 0 s 也不同。那么e p o n 系统如 何来满足不同业务的q o s 呢? 除了e p o n 系统的硬件要满足i e e e 8 0 2 3 a h 协议的 规定以外，还需要一种高效的资源调度和带宽分配机制。但在i e e e8 0 2 3 a h 协议 4 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 中，只提出了m p c p 协议。该协议作为资源调度和带宽分配算法的辅助，只规 定了g a t e 和r e p o r t 两个消息，并未规定如何使用。可见，e p o n 系统的下 行调度机制和上行带宽分配算法是开放的，协议不作明确规定，可由制造商自行 设计。从而，e p o n 系统的q o s 性能很大程度上取决于资源调度和带宽分配算 法的优劣。本文在分析了e p o n 系统的网络拓扑结构、协议栈结构以及q o s 架 构的基础上，深入地剖析了一些经典的资源调度和带宽分配算法，总结了以往算 法的优点和缺点。同时，有些资源调度和带宽分配算法已经被应用到硬件中，本 文对基于t e c k n o v u s 公司测试板上的资源调度和带宽分配算法的实现进行了详细 的介绍。在对这些资源调度和带宽分配算法的研究基础上，本文归纳出了7 个影 响资源调度和带宽分配算法性能的重要因素，提出了一种基于分层、带有带宽预 测机制的强扩展性的带宽分配机制。本文对资源调度和带宽分配算法做了深入的 研究，旨在e p o n 系统中，充分合理的分配网络带宽，提高带宽利用率，从而保 证e p o n 系统的q o s 性能，特别是实时业务的q o s 。同时，为资源调度和带宽 分配算法的具体实现打下基础。 1 3 主要工作和创新点 本文来源于上海市重点学科建设项目( 项目编号：t 0 1 0 2 ) 和上海市科委技 术发展基金资助项目( 项目编号：0 4 d z l 2 0 4 5 ) 。本人负责的工作是e p o n 系统资 源调度和带宽分配算法的研究。主要的研究工作和创新点如下： 1 、为理解资源调度和带宽分配算法在e p o n 系统中的重要性，分析了e p o n 系统的物理结构、协议栈结构以及q o s 架构；重点分析了m p c p 协议和该协议 的g a t e r e p o r t 消息机制，总结出三种资源调度和带宽分配算法中常用的 g a t e r e p o r t 消息机制以及各自的优缺点； 2 、深入剖析了几种经典的资源调度和带宽分配算法，指明了这些算法各自 的优点和存在的不足；同时对基于t k n o v u s 测试板的资源调度和带宽分配算法 的实现进行了详细的说明。在此基础上归纳出7 个在资源调度和带宽分配算法中 必须要考虑的重要因素； 3 、学习网络仿真软件o p n e t ，为资源调度和带宽分配算法搭建e p o n 系统 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 的仿真模型。 4 、深入研究e p o n 系统的资源调度和带宽分配算法，并考虑网络拥塞情况， 提出了一种具有扩展性强，结合带宽预估计的e h - - d b a 算法。利用o p n e t 建 立的e p o n 仿真模型，将该算法和静态带宽分配算法、i p a c t 算法、d d b a 算 法进行仿真比对，验证了该机制在保证实时业务q o s 方面的良好性能。 1 4 本文的内容安排 本文分为以下几个部分： 第一章概述了本文的研究背景，包括f t t h 技术的现状、f r m 解决方案和 p o n 技术，指出了本文的研究目的和意义。 第二章介绍了e p o n 系统的网络拓扑结构、协议栈结构以及e p o n 的q o s 架构。 第三章深入剖析了以往提出的一些带宽分配算法，并指明了各自的优点和不 足之处；介绍了基于t o a k n o v u s 测试板的资源调度和带宽分配算法的实现。 第四章研究了e p o n 系统的资源调度和带宽分配算法，归纳出7 个资源调度 和带宽分配算法要考虑的重要因素，提出了一种具有扩展性强，结合带宽预估计 的e h - - d b a 算法，并通过o p n e t 建模验证该算法的性能。 最后是本文的总结与展望，对论文的工作做了一个总结，提出研究的不足和 需要加以改进的地方，并且对下一步的研究进行了展望。 6 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 第2 章e p o n 体系结构 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。由于i e e e 8 0 2 3 a l l 协议并未对资源调度和带宽分配机制做限定，因而e p o n 系统的q o s 性能在很 大的程度上取决于资源调度和带宽分配机制的性能。了解了资源调度和带宽分配 机制对e p o n 系统的意义之后，对其的研究要从e p o n 系统特殊的体系结构开 始。究其根本原因，是e p o n 的特殊网络拓扑结构引入了其不同于其他网络的资 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 系统度身定制了一套新的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。 1e p o n 系统网络拓扑结构 典型的e p o n 系统由光线路终端( o l t ) 、无源光分路器耦合器( p o s ，p a s s i v e o p t i c a ls p l i t t e r ) 和光网络单元( o n u ) 组成，常采用树形拓扑结构，如图2 1 所示。 2 1 10 1 t 设备 o l t 放置在中心局端c o ( c e n t r a lo f f i e e ) ，可以是一个l 2 交换机或者l 3 路由器。主要实现如下功能：向o n u 以广播方式发送以太网数据；发起并控制 测距过程，同时记录测距信息；发起并控制对o n u 的功率控制；为o n u 分配 带宽，即控制o n u 发送数据的起始时间和发送窗口大小。在e p o n 的统一网管 方面，o l t 是主要的控制中心。可以通过在o l t 上定义用户带宽参数来控制用 户业务质量、通过编写访问控制列表来实现网络安全控制、通过读取m m 库获 取系统状态以及用户状态信息等，还能提供有效的用户隔离。 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 巾心嗣c o 2 1 20 n u 设备 图2 1e p o n 结构 掰p 榴 o n u 为用户端设备，主要采用i e e e 8 0 2 3 a h 协议。它的位置根据接入系统 的不同而不同。在光纤到路边( 兀1 c ) 系统中，o n u 分别位于路边；在光纤到 户( f t l l ) 系统中，o n u 则位于终端用户。o n u 的主要功能为：选择接收o l t 发送的广播数据；响应o l t 发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整；对 用户的以太网数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗口中向上行方向发送。 2 1 3p 设备 p o s 是一个l ：n 的无源光分路，耦合器，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。 2 。，4e p 删工作原理 e p o n 使用波分复用( w d m ) 技术，同时处理双向信号传输，上、下行信 号分别用不同的波长，但在同根光纤中传送，如图2 1 所示。o l t 传送下行数 据到多个o n u ，完全不同于从多个o n u 上行传送数据到o l t 。下行传输时， 上海大学硕士学位论文 基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 o l t 将i p 包以可变长度的以太帧以广播的方式发送，通过l ：n 的无源分光器 传输给所有在p o n 上的o n u 。当数据到达o n u 时，o n u 只接收与自己逻辑链 路标识号l l i d i ( l o g i c a 】l i n ki d e n t i f i e r ) 相匹配的数据帧及广播帧，两丢弃其它 o n u 的数据帧。上行传输时，采用t d m a 技术将每个o n u 的上行信息组成一 路信息流传送到o l t 。所有的o n u 根据o l t 的仲裁机制工作，即o l t 给每 个o n u 分配一定的时隙。所有的o n u 只能在授权的时隙内发送数据包，在其 它时间处于等待和接收状态，从而有效地避免来自不同o n u 的数据包之间的冲 突，达到共享带宽的目的。 2 2e p o n 协议栈结构圮， 为了支持e p o n 的特殊传输机制，e p o n 的8 0 2 3 a h 协议栈在以太网协议 栈8 0 2 3 的基础上增加了多点m a c 控制( m u l t ip o i n tm a cc o n t r 0 1 ) 、点到点仿 真( e m u l a t i o nl a y e r ) 和运行管理维护( o a m ，o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n d m a i n t e n a n c e ) 三个子层，如图2 2 所示。下面将详细介绍i e e e 8 0 2 3 a h 协议栈中 的各个子层的功能。 霪一霁鼹爱 m a cc o n t r o l m 妣一p o i n tm a c m a c l 。 c o n t r o l m a c r s ： e m u l a t i o n l 拶嚣。； l g m i i l r s p c s o m i il p l 妊a i p c s ip m a p m d lp m d 图2 2e p o n 协议栈结构 9 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的赍源调度和带宽分配研究 2 2 10 h i l l 层 o a m ( 咖t i o n a d m i n i s t r a t i o nm a i n t e n a n c e ) 是指运行、维护和管理，是用于 在r r u t 骨干网如s d h 以及接入网的维护和管理。在已往接入网的设计如c a b l e m o d e m 中，对o a m 的关注程度较少。o s i 规定的o a m 需要实现五大管理功能 区域：故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管理。在e p o n 系统中， o a m 的主要内容是性能管理和故障管理。性能管理主要包括对o l t 、o n u 工作 状况的监控，光纤线路状况的监控以及用户的流量统计。故障管理主要包括在系 统或线路出现状况后，如何报告、检测和排除故障的措施。因此现在已经达成的 关于o a m 要实现的主要功能有三个：远端环回( r e m o t et d o p b a c k ) 、链路监测 ( l i n km o n i t o r i n g ) 、远端故障指示( r e m o t ef a i l u r ei n d i c a t i o n ) ，以及其他辅助功能： 用户管理( s u b s e r i b e rm a n a g e m e n t ) 、站管理( s t a t i o nm a n a g e m e n t ) 、链路管j 里( l i n k m a n a g e m e n t ) 、控制通信通道( c o n t r o lc o m m u n i c a t i o nc h a p e l ) 和远程连接的目标 应用( o b j e c t i v ea p p l i e dt or e m o t el i n k ) 。 2 2 ，2m u l t i - p o i n ti l a oc o n t r o l 层 m u l t i - p o i n tm a cc o n t r o l 层( 多点媒体接入控制) 取代了原来以太网m a c 控 制( m a cc o n t r 0 1 ) 层，该层负责o n u 的注册、测距和上行调度，执行的是e p o n 的m a c 层核心协议多点控制协议( m p c p , m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。 m p c p 协议与资源调度和带宽分配算法研究有着密切的关系，本文将在后续章节 中对该协议进行详细的描述。 2 2 3i l a 0 层 m a c 层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ：媒体接入) 的基本功能是组帧。该层除沿用 了原8 0 2 1 3 数据帧和p a u s e 控制帧外，还增加了6 种控制帧。注册过程使用 g a t e ( d i s c o v e r y 类型) 、r e g i s t e rr e q 、r e g i s t e r 和r e g i s t e r _ a c k 四种 控制帧；动态带宽分配过程使用g a t e ( n o r m a l 类型) 和r e p o r t 两种控制帧。 m a c 层的o a m 使用o a m 一种控制帧。 1 0 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 2 2 4e 舢l a t i o nl s y e r 层 e m u l a t i o nl a y e r 层( 仿真层) 实现与8 0 2 1 d 协议及8 0 2 1 q 虚拟局域网 ( v l a n ) 协议的兼容。其中，点到点仿真子层实现e p o n 协议与以太网8 0 2 1 d 网桥协议的兼容，使e p o n 具备点到点通信的功能：共享仿真予层则用于实现对 8 0 2 1 q 多播的支持。 由于o l t 到o n u 的下行比特流广播到各个o n u ，所以当o n u 经过o l t 的桥接发帧给相邻的其他o n u 时，该o n u 本身在物理层也会接收到自己发出 的帧。为了避免将该帧转交给自己，仿真层引入了l l i d ，以便于o n u 隔离这 些帧。另外，如果允许每个o n u 带多个l l i d ( 一个l l i d 可以对应一个服务类 型，也可对应一个用户) ，此时某o n u 的不同l l i d 对应不同的服务优先级；如 果一个l l i d 对应一个用户，还便于网管对各个用户进行计费和流控等。 2 2 5r s 层 r s 层( r e c o n d l i a t i o ns u b l a y e r ) 为调和子层，它的基本功能是：对于o n u ， 在帧发送前添加自己的逻辑链路标识号l l i d ( 该l l i d 号由o lt 在注册过程中 分配给o n u ) ；在接收到帧后过滤掉不属于自己的l l i d 所对应的帧。对于o l t ， 在帧发送前添加目的o n u 的l li d ，在帧接收后滤除非法的l l i d 号1 2 0 1 。 2 2 08 8 1i 接口 g m i i 接) ( g i g b i tm e d i u mi n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ，即千兆位介质无关接口， 为数据传输时提供8 位的介质独立接口。 2 2 7p 璐层 p c s 层( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ) 为物理编码子层，它的基本功能如下： o n u 到o l t 发送时，进行8 8 1 0 b 编码、在激光器开启后加物理层的训练比 特、用s p d ( 开始字符) 替换8 0 2 3 m a c 帧的预同步头( p r e a m b l e ) 的首字节、 在帧尾加e p d ( 帧结束) 字符，帧问加逗号字符( 用于代码组对齐) 。 上海大学硕士学位论文基于e p o n 的资源调度和带宽分配研究 o l t 到o n u 发送时，进行8 8 1 0 b 编码、用s p d ( 开始字符) 替换8 0 2 3 m a c 帧的预同步头( p r e a m b l e ) 的首字节，在帧尾加e p d ( 帧结束) 字符，帧问加逗 号字符( 用于代码组对齐) 。 o n u 接收o l t 发送的帧，进行8 8 1 0 b 译码、检测s p d 并去掉之前的训练 比特或逗号字符，检测到e p d 字符后将帧送给g m i i ，进行l o 位代码组合法检 验。 当o n u 向o l t 发送比特流时，之所以要在激光器开启后加训练比特，是由 于各o n u 的发送时钟不相关，o l t 在切换o n u 时p m d 层的同步判决时钟提取 电路需要重新提取同步时钟，另外，激光器也有一段开启时间，在这段时间内不 能发送有效数据，代之以训练比特。 2 2 8p 卧层 p m a 层( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 为物理介质附加子层，其在接收时 实现串，并变换、1 0 位代码组对齐，在发送时实现并串变换。p m a 接收来自p c s 的经8 8 1 0 b 编码后的1 0 位代码组( 发送波特