（通信与信息系统专业论文）基于epon的宽带接入网的qos体系结构与实现机制研究.pdf

摘要 基于e p o n 的宽带接入网的q o s 体系结构与实现机制研究 摘要 与传统的“尽力而为”服务相比，新涌现的口应用( 多媒体应用、组播应 用等) 的流量特点正在发生巨大的变化，它们不仅要求巨大的带宽，而且需要严 格的端到端延迟保证。因此，仅仅依靠增加网络资源并不能完全满足这些新应用 的服务质量要求，还需要新的服务方式，互联网结构本身也需要跟着改变，引入 能够支持q o s 的一些机制。作为端到端q o s 实现的一种重要组成部分，本文重 点研究了宽带接入网的q o s 体系结构及其实现机制。考虑到以太无源光网络 ( e t h e m e tp o n ) 融合以太网技术的简单性、光纤传输的高带宽性以及点到多点 的p o n 传送方式，已经成为下一代宽带接入网的发展方向，本文的研究都是基 于e p o n 这一系统传输平台展开的。全文的主要内容由四部分组成，具体如下： 第一部分介绍了i pq o s 的两种服务模型以及相应的实现机制，针对i n t s e r v 服务适合网络规模小、服务质量要求高的边缘网络的特点，提出了在e p o n 中采 用i n t s e r v 模型实现端到端q o s 的构想，并设计出面向i n t s e r v 的包含管理平面、 控制平面和传输平面的e p o nq o s 整体架构。然后围绕该架构中三个核心模块 ( 资源预留、分组调度和带宽分配) 的功能实现铺开全文内容。首先是e p o n 上 资源预留的实现。虽然e p o n 的协议i e e e8 0 2 3 a h 是在i e e e8 0 2 _ 3 的基础上发 展起来的，但点对多点的主从结构融入了不同于以太网的新特点，为此，本文根 据e p o n 结构的特殊性，对以太网上资源预留的许可控制协议( s b m 协议) 进 行了改进，提出了在e p o n 上支持s b m 的资源预留方案( s o e p 方案) ，其中包 括了诸如管理网段的界定、d s b m 设备的选择、逐跳路径的建立等问题的解决方 案。同时，将面向单个会话的r s v p 状态刷新转变为面向l l i d 的组刷新，并引 入确认和重传机制进一步减小消息丢失率。仿真实验不仅证实了s o e p 方案的可 行性，而且表明了组刷新方式在信令开销和消息丢失率方面的优异性能。 第二部分是面向i n t s e r v e p o n 的分组调度算法的研究。首先介绍了l r 服务 器理论和r p 服务器理论，总结出分组调度算法与端到端延时大小的关系。然后 指出在融合实时和非实时业务的i n t s e r v 网络中，无论采用何种分组调度算法( 帧 上海大学博士学位论文 结构型算法或是排序优先型算法) ，都无法有效保证实时业务的端到端延时。在 深入分析产生这一现象原因的基础上，提出了一种适用于高速分组网络的低复杂 度的分组调度架构( i s s 架构) ，以保障资源预留业务的服务质量。i s s 架构摒弃 了采用统一的调度算法来处理所有业务的传统做法，将整个调度过程分为高优先 级调度和低优先级调度两个过程，其中高优先级调度过程采用排序优先型算法处 理质量保证业务，低优先级调度过程采用帧结构型算法处理可控负载业务和尽力 而为业务。在高优先级调度过程中，提出了一种带约束条件和速率控制因子的排 序优先型算法，通过合理调整速率控制因子的大小，可以避免高优先级业务的带 宽抢占现象，有效控制它们的服务速率；在低优先级调度过程中，提出了一种改 进的帧结构型算法，不仅降低了算法复杂度，减小了硬件实现成本，而且缓解了 输出业务流的突发性。最后从数学分析和计算机仿真两方面证实了i s s 架构的可 行性和实效性。 第三部分是e p o n 动态带宽分配算法的研究。从静态带宽分配算法和最基本 的动态带宽分配算法( i p a c t 算法) 入手，分析了带宽分配过程中所涉及的一些 策略问题，诸如i n t e r o n u 与i n t r a o n u 调度执行者的确立、优先级队列调度方 式的选择以及i n t e r l e a v e dp o l l i n g 轮询方式的确定等对于确保业务服务质量的重 要作用。然后全面分析了现有的动态带宽分配算法在支持业务的q o s 方面存在 的不足，提出了一种支持带宽预分配的快速响应d b a 算法( i d b a 算法) 。该算 法能够对高优先级业务进行流量预测，并根据预测结果为它们预先分配带宽，避 免了它们的“t + 2 ”排队延时。同时，为了提高信道利用率，i d b a 算法还引入 了预测修正机制，一旦出现带宽剩余现象，就从下一周期开始对预测流量作进一 步修正，使其更加逼近真实流量。仿真实验显示该算法优于现有的d b a 算法， 不仅能够满足高优先级业务的延时要求，而且有效控制了低优先级业务延时异常 现象的发生。 第四部分是e p o n 核心m a c 控制芯片的设计。以e p o n 为代表的以太接入 网与传统以太局域网在通信协议上有很大的不同，市场上现有的以太m a c 芯片 不能直接用于e p o n ，因此必须开发e p o n 专用的m a c 控制芯片。考虑到可商 用的e p o n m a c 控制芯片在国内市场仍是一片空白，本文提出了一种e p o n 核 心m a c 控制芯片的设计方案，它采用f p g a 技术实现了e p o n 多点接入的所有 i i 摘要 控制功能，该方案对于我国自主开发m a c 控制专用芯片具有实用参考价值。并 以临港新城综合业务信息网的建立为背景，描述了一根光纤入户，同时承 载数据、电话和电视业务的e p o n 接入平台的整体设计方案，为数字城市现代 信息网的建立提供了参考。 关键词：宽带接入网，以太无源光网络( e p o n ) ，服务质量，综合服务，资源预 留，分组调度，动态带宽分配 上海大学博士学位论文 s t u d y0 1 1e p o nq o sa r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s m f o rb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lb e s t e f f o r ts e r v i c e ，t h ei n c o m i n gi pt r a f f i cs u c ha s m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dm u l t i c a s ta p p l i c a t i o n sa r eu n d e r g o i n gg r e a tc h a n g e s t h e yd e m a n dn o to n l yh u g ea m o u n to ft h eb a n d w i d t hb u ta l s os t r i c te n d - t o - e n dd e l a y g u a r a n t e e s t h e r e f o r e ，p a r t i c u l a rq o sc o n t r o lm e c h a n i s ma sw e l la sn e wi n t e m e t s e r v i c em o d es h o u l db ei n t r o d u c e d t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fq o s a r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mf o rb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k s i n c e 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 ( e p o n ) e m e r g e st ob eap r o m i s i n gc a n d i d a t ef o r t h en e x t g e n e r a t i o nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k s ，a l lt h es t u d yi nt h i st h e s i sw i l lb e b a s e do nt h ee p o nt r a n s m i s s i o np l a t f o r m t h ec o n t e n to ft h et h e s i si so r g a n i z e di n t o f o u rp a r t sa sf o l l o w s t h ef i r s t p a r td i s c u s s e st w o s e r v i c em o d e l sc o n c e r n e dw i t hi pq o sa n dt h e i r r e a l i z a t i o n a sap e r - f l o wo r i e n t e dq o sa r c h i t e c t u r e ，i n t s e r vm o d e li sj u s tf i tf o re d g e n e t w o r k sw i t hs m a l ls c a l e t oa c h i e v ee n d t o - e n dq o s ，a ni n t s e r v o r i e n t e de p o n q o sa r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d ，w h i c hi n c l u d e st h r e ek e yf u n c t i o nm o d u l e s ：r e s o u r c e r e s e r v a t i o n ，p a c k e ts 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 t h o u g he p o n sp r o t o c o l i e e e8 0 2 3 a hi ss t a n d a r d e db ym o d i f y i n ga n de x p a n d i n gi e e e8 0 2 3 ，t h e p o i n t t o m u l t i p o i n ts t r u c t u r ei sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h ep o i n t t o p o i n te t h e m e t b a s e d 0 ns b m ( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e r ) p r o t o c o la n de p o na r c h i t e c t u r e ，a ni m p r o v e d s b mn a m e ds o e p ( s b mo v e re p o n ) i sp r o p o s e dt oi m p l e m e n ti n t s e r vm o d e li n e p o n i tr e d e f i n e st h em a n a g e de p o ns e g n e n t ，o f f e r ss o l u t i o n st ot h ee l e c t i o no ft h e d s b ma n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ep e r - h o pp a t h ，e t c m o r e o v e r , i ts u b s t i t u t e s l l l d b a s e ds o f ts t a t er e f r e s h m e n tf o rt r a d i t i o n a lr s v ps e s s i o n b a s e dr e f r e s h m e n t ， w h i c hi n c r e a s e st h es c a l a b i l i t yo fs t a t er e f r e s h m e n ta sw e l la sr e d u c e sp r o t o c o l o v e r h e a d t od e c r e a s e sm e s s a g el o s sp r o b a b i l i t y , f o u rn e wm e s s a g e sa r ec r e a t e di n s o e pt oa c h i e v ea c k n o w l e d g e m e n ta n dr e t r a n s m i s s i o ns c h e m e f i n a l l y , t h ep e r f e c t i v a b s l r a c t p e r f o r m a n c eo f t h es o e pi ss h o w e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h es e c o n dp a r td e s c r i b e st h ed e s i g no ft h ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mu s e di nt h e i n t s e r ve p o n f i r s t l y , t h et h e o r i e sa b o u tl rs e r v e ra n dr ps e r v e ra r ei n t r o d u c e d a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dt h ee n d t o e n dd e l a yi s a n a l y z e d t h e na ni n t s e r v o r i e n t e ds c h e d u l i n gs t r u c t u r e ( i s s ) i sp r e s e n t e dt om e e t q o sd e m a n d so fr e a l - t i m es e r v i c e se x i s t i n go nt h ei n t s e r vn e t w o r k i td i v i d e st h e w h o l es c h e d u l i n gp r o c e d u r ei n t ot w op h a s e s o n ei st h eh i g h - p r i o r i t yp h a s eu s e dt o s c h e d u l er e a l t i m es e r v i c e s ，t h eo t h e ri st h el o w - p r i o r i t yp h a s ee m p l o y e dt os e r v e b e s t e f f o r ts e r v i c e i nt h eh i g h p r i o r i t yp h a s e ，an e ws o r t e d - p r i o r i t ya l g o r i t h mi s p r e s e n t e d i ta d d sac o n s t r a i n ta n dar a t ec o n t r o lf a c t o ri n t ot h es c h e d u l i n gd i s c i p l i n e t oo v e r c o m eb a n d w i d t hp r e e m p t i o n i nt h e l o w p r i o r i t yp h a s e ，a l li m p r o v e d f l a m e b a s e da l g o r i t h mi sp r o p o s e dt or e d u c et h ea l g o r i t h m i c c o m p l e x i t ya n dt h e b u s t i n e s so ft h eb e s t - e f f o r ts e r v i c e b o t hc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a n a l y s i ss h o wt h a tt h ei s sm e c h a n i s mh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nt e r m so ft h e i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y , f a i r n e s sa n dd e l a yp r o p e r t i e s t h et h i r dp a r ts t u d i e se p o n su p s t r e a md y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nf d b a 、 a l g o r i t h m i n t h ep r o c e d u r eo fb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，s o m es t r a t e g i e ss u c ha s i n t e r - o n ua n di n t r a - o n u s c h e d u l i n g ，p r i o r i t yq u e u e i n gs c h e d u l i n g ，i n t e r l e a v e d p o l l i n gs c h e m es h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t a f t e ra n a l y z i n gt h ed i s a d v a n t a g e so f t h ec u r r e n td b a a l g o r i t h m s ，t h i st h e s i sp r e s e n t san o v e li d b aa l g o r i t h mt h a t s u p p o r t sb a n d w i d t hp r e a l l o c a t i o n t oa v o i dt h e “t + 2 q u e u e i n gd e l a yo fh i g h p r i o r i t ys e r v i c e s ，i d b aa l g o r i t h i nf i r s tf o r e c a s t st h e i rt r a f f i c ，t h e na s s i g n st h ee q u a l a m o u n to ft h eb a n d w i d t ht ot h e mi na d v a n c ea c c o r d i n gt ot h ef o r e c a s tr e s u l t s m e a n w h i l e ，t h er e c t i f i c a t i o ns c h e m ei si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h eb a n d w i d t h u t i l i z a t i o n o n c et h eb a n d w i d t hp r e a l l o c a t e dt oh i 曲p r i o r i t ys e r v i c e si ss u r p l u s ，t h e r e c t i f i c a t i o ns c h e m ew i l ls t a r tt ow o r kf r o mt h en e x tc i r c l e c o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t1 d b aa l g o r i t h mc a l lm e e t st h ed e l a yd e m a n d so fh i g hp r i o r i t y s e r v i c e sa n dc o n t r o lt h ed e l a ya b n o r m i t yo fl o wp r i o r i t ys e r v i c e ss i m u l t a n e o u s l y s i n c et h e r ei ss t i l ln oc o m m e r c i a le p o nm a cc o n t r o lc h i pi s s u e di nt h ed o m e s t i c m a r k e t ，t h el a s tp a r ta d d r e s s e st h ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g no ft h ee p o n m a c v ：! 堕查兰塑主兰焦堡茎 c o n t r o l l e r a saf i r s ts t e pt od e v e l o pa na s i cp r o d u c t ，t h ee n t i r es y s t e mi sd e s i g n e d o i l af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) w i t hf p g at e c h n o l o g i e s ，t h i sd e s i g n r e a l i z e sa l la c c e s sc o n t r o lf u n c t i o n s ，w h i c hp r o v i d e sap r a c t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h ee p o ni n d u s t r y m o r e o v e r ，a nf t t ha r c h i t e c t u r eb a s e do nt h e e p o ns y s t e mi sa l s od e s c r i b e d i ta c h i e v e st h ei n t e g r a t i o no ft h ei n t e r n e t ，t h ep s t n a n dt h ec a t vn e t w o r k ，a n dp r o m o t e st h ec o n s t r u c t i o no ft h em o d e mi n f o r m a t i o n n e t w o r ko ft h ed i g i t a lc i t y k e yw o r d s ：b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，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 ( e p o n ) ， q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) ，i n t s e r v , r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，p a c k e t s c h e d u l i n g ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) v 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l 司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。 签名靼曰期! 翌盟瑾 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：学校有权保留沧文及送交论文 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) 签名导师签名：鼍丝登日期：丝芝z ： ：! 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在互联网发展的初期，其应用主要局限于数据通信领域，相应地，互联网网络架构、传 输协议以及对服务质量( q o s ) 的要求都是按照数据通信的要求来设计的。而数据通信的特 点是对时延和时延抖动的要求比较宽松，对数据传输的可靠性则有严格的要求。因此现有的 互联网没有“服务质量”的概念，只是”尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 地满足客户的需要【1 1 。在这种 服务模型下，允许所有的业务流公平地竞争网络资源，路由器对所有的口包都采用先来先 处理( f c f s ，f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ) 的工作方式，尽最大努力将i p 包送达目的地。这种工 作方式对w w w 、f t p 、e m a i l 等互联网传统业务是非常合适的。 随着互联网的网络规模和用户数量的迅猛发展，业务的种类也与日俱增，特别是随 着多媒体业务的兴起，互联网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音和视频的多媒体 网络转变。各种实时与多媒体业务的引入，对数据的传输提出了低时延、低抖动等要求。但 是，网络用户的不断增加，范围的不断扩大，使带宽等网络资源的增长速度远远落后于用户 业务量的增加速度。互联网在满足各种业务的服务质量要求时越来越显得力不从心。由于不 具备服务质量保障特性，不能预留带宽，不能限定网络时延，目前的互联网无法支持诸如远 程教学、远程医疗、视频点播和网络电视等新应用【2 j 。因此，无论是对i n t e m e t 的营运商还 是i n t e m e t 的研究机构而言，当前最关心、最迫切需要解决的问题就是怎样改进现有网络的 服务质量以及使用怎样的技术来实现端到端q o s ( e n d - t o e n d q o s ) 。 所谓的q o s 就是网络单元( 例如应用程序、主机或路由器) 能够在一定级别上确保业 务流和服务要求得到满足。而端到端q o s t 3 6 1 研究的晟终目标就是有效地为用户提供端到端 的服务质量控制或保证。通常所说的端到端连接一般始于第三层，认为只有网络层协议( 在 基于t c p i p 的i n t e r n e t 核心网中，第三层为协议) 才能够提供端到端q o s 。事实上，一 个数据包的发送过程必须经过发送端和接收端之间的所有网络结构( 包括骨干网、接入网和 用户网) ，以及发送端主机和接收端主机的所有o s i 协议层 7 1 。图1 1 是通信双方为一个会 话所建立起的完整的端到端连接。可以看出，完整的端到端q o s 是由骨干网的i pq o s 、接 入网q o s 和用户网q o s 三部分组成。 上海大学博士学位论文 篮送端 j 疆a 网，? ，i r 接p 入o n 阿j 、 1 0 8 “，? 时、。：，! ， 接收端 应用层 表示层 台话层 传输层 传输层 链路层 物理层 l 一端到端q o s 体系j 图1 - 1 端到端的q o s 体系结构 f i g i - 1 a r c h i t e c t u r eo f e n d t o - e n dq o s 众所周知，口协议在支持有服务质量保证的实时流媒体传输方面有极大的困难，但是 i p 技术仍然被认为是未来骨干网承载该类应用的主流技术和发展趋势，最根本的原因还是 i p 在应用开发和应用提供能力方面的优点。另一方面，近年来，传输网络技术的发展，特 别是密集波分复用( d w d m ) 等技术的发展，使得骨干网络的带宽得到大幅增长，以前制 约r p 的一些困难，例如带宽问题、路由器瓶颈问题都得到了极大的缓解。带宽的增长为服 务质量减轻了压力，而且流量工程技术的引入和i p q o s 服务模型的部署进一步缓解了i p 网 络流量的突发性和不均衡性。一般认为，在骨干网络上，服务质量已不再是主要的问题。 用户网指的是企业内部网络，也包括住宅小区网络。作为网络的终端部分，用户网络的 q o s 需求更多的是资源的服务质量管理，包括带宽管理和服务等级协定( s l a ) 监测等。用 户网络已经可以通过些手段，在承载网络没有或者缺乏服务质量提供能力的情况下，部分 地实现q o s 。目前，所采用的主要方法是通过带宽管理设备。这些设备具有对应用级流量的 识别、分析和策略处理能力，即可以实现内部的带宽管理( 如流量限制、优先级队列) ，也 可以和承载网的服务质量机制配合实现服务质量保证( 如流量标记能力) 。 而传统的接入网【8 。1 ”仍然是采用电缆传输的系统，它与光纤化、数字化和宽带化的骨干 网以及1 0 0m b i t s ，不久还会升级到1 0 0 0 m b i t s 的用户局域网在传输速率上的巨大差距导致 接入网成为全球信息高速公路的瓶颈。现在国际信息科技界和产业界都认为宽带接入网是互 联网泡沫和光泡沫破裂后推动r r 产业复苏的原动力。宽带接入也正在成为世界和中国电信 业新的业务增长点，各运营商都要大力发展宽带接入业务。缘于此，本文重点研究了宽带接 入网的q o s 体系结构及其实现机制，不仅可以给关心接入网技术发展的学者和同仁一个参 考，而且为最终实现端到端q o s 提供一些研究素材。 2 第一章绪论 1 2 宽带接入网技术的发展 陡期以来接入网始终是电信网领域中技术变化最慢、耗资最大、成本最敏感、运行环境 最恶劣的老大难领域。制约接入网发展的主要因素是接入的经济性，这与用户的业务需求、 用户密度、用户的经济承受能力、接入技术等多方面因素相关。针对不同情况出现了多种接 入技术，诸如基于双绞线的x d s l 技术，基于光纤同轴混合网( h f c ) 的c a b l em o d e m 技术、 基于5 类线l a n 的以太网接入技术以及全光接入技术等。 1 2 1 接入网发展现状 电信部门采用的光纤到路边( f t r c ) + 双绞线a d s l ，在原理上下行速率可到8 m b p s 上行速率可到1 5 m b p s 。但由于电话电缆各线对之间串音的限制，实际上一根电缆中只有很 小一部分线对能用于a d s l ，推广普及很不容易。而且容许速率随距离增大而降低，其带宽 不足以实现全业务网。表1 - i 给出了各种宽带业务的带宽要求，显然，a d s l 不能满足大部 分商业应用和消费应用的需求。 表1 - 1 各种宽带业务对带宽的要求 t a b l e1 - 1b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so f v a r i o u sb r o a d b a n da p p l i c a t i o n s 商业应用 带宽( m b p s ) 消费应用 带宽( m b p s ) 家庭办公 00 1 4 6 因特网接入0 5 1 5 因特网接入o 5 15教育o 5 6 可视会议 o 1 2 8 6视频游戏o 1 2 8 6 远程教学 o5 6 购物 0 5 - 1 5 远程医疗 o 5 6 点播电视4 8 本地网主机 0 5 6h d t v 1 6 2 0 计算机电话 0 1 2 8 2 广播电视部门按光纤到节点( f t t f ) 模型建造的光纤同轴混合网( h f c ) 1 1 - 1 2 1 具有 5 - 8 6 0 m h z 的带宽，利用频分复用可以兼容模拟和数字业务( 包括电视、电话和数据) ，经 过对射频载波的调制数字业务由电缆调制解调器( c a n em o d e m ) 或机顶盒( s t b ) 承载， 一个上行、下行通道的传输速率可以分别达到4 10 m b p s 和5 3 6 m b p s ( 按最新的d o c s i s2 0 标准分别采用2 5 6 q a m 和1 0 2 4 q a m 调制) ，但点对多点的h f c 网存在上行频段拥塞和上 行噪声干扰严重的问题，为了克服这些困难，只好把光节点规模逐步缩小，例如从 上海大学博士学位论文 2 0 ，0 0 0 - 2 ，0 0 0 户缩小到5 0 0 3 0 0 户。即使这样，由于上行带宽共享，在确保2 5 d b 载波干扰 比的前提下，每户的平均传输速率最高只能达到1 3 6 5 k b s ，这不足以支撑全业务网。 数据网络公司提倡的光纤到楼( f r t b ) + 5 类线局域网( l a n ) ，在现有的以太网技术 体制和速率下( 例如1 0 0 m b p s 到楼，l o m b p s 到家) ，不能兼容电视业务，又存在信息私密 性问题和住宅布线方面的匪i 难。即使采用1 , 0 0 0m b p s 到楼，l o o m b p s 到家，带宽虽然足以 支撑全业务网，但要保证家庭用户的信息私密性就必须在住宅楼内装设千兆位以太交换机并 采用v l a n 工作模式，网络造价较高。从本质上看，传统以太网是局域网而不是接入网， 它是一个点到点( p e e rt op e e r ) 的对等网络，没有网络管理，本来就是设计给办公室共享环 境的，不满足对面向公众用户的本地接入网的要求。 上述三种接入方式都囡带宽有限、可靠性差、安全性不高而只能是过渡的技术。从本质 上说，唯一能够根本上彻底解决宽带接八瓶颈的技术手段是全光接入网：光纤到楼( f t t b ) 和光纤到家( f 1 t h ) 。 1 2 2 光纤接入技术 光纤接入网可以划分为无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ”3 。1 8 和有源光网络 ( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 两种类型。p o n 是指光配线网( o d n ，o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) 中不含有任何电子器件及电源，o d n 全部由光分路器( s p l i t t e r ) 等无源器件组成。 p o n 网络的突山优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能通过局端交换机和用 户宅内设各完成。它的传输距离比a o n 短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房， 易于维护。 业界多年来一直认为，p o n 是接入网未来的方向。它在解决宽带接入问题上被普遍看 好，无论在设备或网管方面，它的成本相对低廉，提供的频宽足以应付未来各种宽频业务的 需求。p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今已经历经几个发展阶段，电信运营商和设备 制造商开发了多种协议和技术以便使p o n 解决方案能更好地满足接入网市场的需求。利用 p o n 的拓扑结构，采用不同的技术方案可以构造多种类型的光纤接入网，如采用a t m 技术 的a p o n 、采用以太网技术的e p o n 和采用波分复用技术的w d m p o n 等。 1 9 9 8 年欧洲首先推出关于a t m p o n ( 简称a p o n ) 的i t u tg 9 8 3 1 建议，2 0 0 1 年又 扩展为g 9 8 3 3 标准。a p o n 的数据帧是基于a t m 信元，5 字节的信头开销导致编码和传输 效率均不高：另一方面，a p o n 下行( 从o l t 到o n u ) 和上行( 从o n u 到o l t ) 传输速 率分别为6 2 2 m b p s 和1 5 5 m b p s ，这些速率为1 6 3 2 个o n u 所分享，每个o n u 只能得到 4 第一章绪论 5 - 2 0 m b s ，不足以支持宽带综合业务。随后i t u _ t 又提出了能工作于千兆速率的g p o n ”。2 “。 g p o n 需要兼容a t m 和以太网两种技术，数据链路层协议十分复杂，而且速率进一步提升 非常困难，其应用前景不容乐观。 2 0 0 0 年1 1 月美国i e e e 成立了8 0 2 3 e f m ( 以太第一英里) 工作组【2 2 】，致力于基于以太 帧传输的b t l l e m e t _ p o n ( 简称e p o n ) 体系规约的标准化，准备在现有i e e e 8 0 2 3 协议的基 础上，引入一些新的以太网接入技术标准，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太 帧。2 0 0 4 年6 月e p o n 协议标准i e e e 8 0 2 3 “2 ”的正式文本诞生了。 同期又出现了利用w d m 技术构造接入网的w d m - p o n 方案。w d m p o n 的基本原理 是上行采用波分多址接入( w d m a ) 方式，每一个o n u 分别采用不同的波长承载业务，以 避免时分多址接入( t d m a ) 在时域上所遇到的一些难点( 如测距等) 。w d m p o n 技术 要解决的是波长资源预留与高效使用问题、用户的动态带宽分配问题、上下行配合问题、以 太网交换机的支持问题以及最为关注的成本问题等，这些问题目前都还在研究之中。 1 2 3e p o n 技术概述 e p o n 【2 4 - 2 8 秉承了p o n 的拓扑结构，如图1 - 2 所示，它由置于局端的光线路终端( o l t , o p t i c a l l i n e t e r m i n a l ) 、置于用户端的光网络单元( o n u o p t i c a l n e t w o r k u n i t ) 以及两者之 间的l ：n 光纤分配网( o d n ) 组成。n 个o n u 共享一个o l t 和长达1 0 2 0 k i n 的光纤干线， 并利用波分复用器( w d m ) 工作于单纤双向传输方式。从o l t 到o n u 的传输方向称为下 行方向，反之为上行方向。o l t 上行链路与各业务节点相连，o n u 下行链路则与各用户终 端设备连接。 图1 - 2e p o n 系统架构 f i g1 - 2 a r c h i t e c t u r eo f a c c e s sn e t w o r kb a s e do ne t h e m e tp o n 上海大学博士学位论文 目前，局城网中i p 协议都是运行在以太网上( 有资料显示，目前9 0 上的l a n 接口 是基于以太网的) ，以太网协议是目前与口配合最好的协议之一。把p o n 结构与以太技术 相融合的e p o n 具有其它接入技术无法比拟的优势，主要表现在： 大容量：e p o n 系统能够提供达1 2 5 g 的上下行带宽，这一带宽能够适应现在乃至 将来十年内用户对带宽的需求。每个e p o n 接入网可以比其它接入网支持更多的 用户，由统计复用，每个用户可以享受到更大的带宽。这样的带宽也为提高服务质 量( q o s ) 提供了保障。 费用低廉：e p o n 系统不采用昂贵的a t m 设各和s o n e t 设备，大大简化了系统 结构。由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少。标准的以太 网接口容许利用现有的价格低廉的以太网设备。 易于升级：p o n 结构本身就决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备就 可以把网络升级到1 0 g 或者更高的速率。 兼容性：相对于以往的接入方式，以太网技术是迄今为止最成熟的局域网技术。 e p o n 协议只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与后者兼容的。考虑 到以太网的市场优势和价格优势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之一。 可见，在各种宽带接入技术中，e p o n 是最经济的、应用前景最好的接入方式，必将成 为下一代宽带接入网的发展方向。因此，本文对宽带接入网q o s 体系的探讨将以e p o n 作 为系统传输平台。 1 3 链路层的q o s 技术 由于i n t e m e t 是由各种不同的链路技术和物理介质组成的，这就涉及到一个问题：如何 将i p 层的q o s 功能映射为链路的q o s 机制来实现端到端q o s 。例如，某些服务提供商的主 干网是基于a t m 网络的。在这种情况下，就需要将a t m 与i pq o s 互联，使得t pq o s 请 求在a t m 云中得以实现。下面分别以a t m 、帧中继以及以太网等主流的链路层技术为例， 来讨论链路层q o s 与i pq o s 的互联问题。 1 3 1a t m q o s a t m 2 9 - 3 0 是一种大小固定的信元交