EPON动态带宽分配算法的研究

1、2010年第3期福建电脑EPON 动态带宽分配算法的研究潘海江,李莉莉(浙江海洋学院浙江舟山316000【摘要】:本文简要介绍了以太网无源光网络(EPON技术的基本原理,并主要针对EPON 的动态带宽分配算法问题(DBA 进行深入研究和分析。【关键词】:EPON;DBA;轮询0、引言 随着光纤通信成为现代通信的主流技术,在向着全光网络的发展过程中,EPON 结合以太网和无源光网络技术,具有协议简单、成本低、带宽高、易于兼容等优点,成为解决"最后一公里问题"1的最佳解决方案之一。但与APON 相比,EPON 存在一个天然的缺陷,即不能很好的支持QoS (Quality of

2、service,不能很好的满足三网合一的需求。要成为宽带接入的主流技术并大举进入市场,必须既能稳定地支持传统的电话业务、数据业务,又能高效地保证新兴实时性业务如网络电视,视频点播(VOD,video on demand等的质量,因此进一步对EPON 的带宽分配算法的研究有着非常重要的意义。1、EPON 的基本原理 EPON 是采用PON 的拓扑结构实现以太网接入的网络,由三个部分组成:光线路终端(OLT 、光分配网络(ODN和光网络单元(ONU/ONT23。如图1所示,OLT 处于局端,可以是一个交换机或路由器,也可以是一个提供面向无源光纤网络接口的多业务平台,向上介入上一层网络,向下为ONU

3、 或用户提供带宽分配、网络安全和管理等功能。ODN 是一个光分路器,分光能力在1:16到1:128之间。ONU 处于用户一侧,根据采用的配置方案(如FTTH 、FTTB 等不同,具体的位置也不同,全光网络中ONU 可置于用户家中,ONU 可通过层叠为多个终端用户提供共享高带宽的服务。 图1EPON 的基本结构EPON 网络中,采用可变长的数据包,最高可达1518字节,上行方向采用1310nm 波长,下行方向采用1550nm ,波长传输速率为1.25Gbit/s 。如图2(a所示,由OLT 到ONU 下行采用广播的方式,通过ODN 将数据包发送给所有的ONU ,由于每个ONU 在注册时都被分配了

4、唯一的ID ,通过读取数据包中的ID ,只有与本ONU 的ID 符合的才会被接收,其他的数据包将被丢弃。如图2(b所示,上行采用TDMA 技术,实现多点到点的接入,帧与帧之间需要一个时间空隙,即保护时间,OLT 可以在这段时间内对接收器进行调整电平的增益,保护带宽最大为2us 。因为多路信号要共享一根光纤,有可能会出现碰撞现象。EPON 利用多点控制协议(MPCP 进行OLT 和ONU 之间的通信,由OLT 根据网络情况,统一为ONU 分配带宽(使用时隙,基于网络严格同步的情况下,既可以避免碰撞(非初始注册过程现象,又可以利用一定的带宽分配算法,实现高效的带宽利用率。一个完善的DBA 方案应包

5、括轮询机制和带宽分配算法两部分,下面从这两个方面入手来对EPON 系统的带宽、包时延、丢包率、Qos 等性能参数进行研究。图2EPON 信号流的发送过程2、轮询机制EPON 的MPCP 提供的REPROT 和DATE 帧为OLT 和ONU 之间的信息互动提供了支持,这种Request-Grant 问答机制,为带宽分配提供了实现手段。轮询的顺序也有多种选择,可以按根据注册先后顺序确定的固定顺序轮询、按负载的轻重重的在前轻的在后或者反过来等等,结合各自算法的特点来进行选择。典型的轮询是基于周期的,在一个周期内,OLT 对ONU 逐个询问需求情况,并根据请求授权带宽。因此从轮询周期的角度又可以分为:

6、固定周期轮询、可变周期轮询(自适应周期轮询和周期一定受限的轮询4。轮询周期固定,一定固定时间内的下行授权帧数就固定,不会随着上行网络负载的增大下行授权控制的插销。但是当系统带宽满足了所有ONU 的请求后还有残余时,却因为周期的固定性而无法顺延至下一轮继续使用,降低了带宽利用率。典型的可变周期轮询是IPACT 算法,它根据ONU 上报的队列长度进行带宽授权,从而在一周轮询下来得到的轮询周期是不固定的。这种轮询周期的带宽利用率比较高,上行信道利用率可以逼近于1,但它的不足在于:轻负载时,轮询周期很小,授权帧的发送频率极高,会消耗相当一部分的下行信道带宽;一部分业务量大的用户总能得到足够的带宽,从而

7、使周期变长,使得业务量少的用户的时延加大,违反了公平性的原则。周期可变的轮询机制,为周期设定了一个范围,一定程度上解决以上的问题。同时,此时的轮询周期的大小可以一定程度上反映网络负载的情况。目前,考虑到公平性问题,防止个别高负载的用户垄断着信道,OLT 会以一定的标准来限制对每一个ONU 的开窗大小进行限制,称为最大带宽限制问题,在重负载的情况下,它就可以决定最大的轮询周期,但是如果开窗过大,就会导致所有的帧的延时更长,如果太小,就会把带宽浪费在保基金项目:无源光网络(epon的带宽分配算法(21185010406272010年第3期福建电脑!(上接第25页 图3电容-输出频率关系3.测试实验

8、数据处理测试实验数据要全部在单片机AT89C52所构成下位机中处理,涉及到输入数据的硬件接口、输入测量参数和变量较多,硬件电路和编写汇编程序就显得十分复杂5,因此在下位机仅通过P1口、P2.1、P2.2、P2.3端口驱动1602LCM 液晶显示模块,显示频率f 和电容器C 值,简化了仪器开发硬件电路和下位机处理软件,同时,所显示的频率f 和电容器C 值也通过USB 接口芯片6CH372送到个人计算机(上位机,利用可视化高级编程语言7Delphi 7.0在Windows 2000环境下实现了数据通讯和各种参数的在上位机输入、处理、误差分析计算等过程,强化了仪器的功能.4.结语本设计利用单片机技术

9、测量了液体电介质相对介电常数,使用USB 接口技术简化了下位机的硬件复杂性和数据处理过程,实验表明该测试系统具有较高的测量精度、方便可靠,是一种智能化实验测试系统.参考文献:1凌邦国、朱兆青、杨诚成编著.大学物理实验M,苏州:苏州大学出版社,2003.92丁镇生编著.传感及其遥控遥测技术应用M,北京,电子工业出版社,2003.14郝鸿安,555集成电路实用电路集M,上海,上海科学普及出版社,1989.35Atmel Corporation ,8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash AT89C52,2002.27胡争辉编著.Delphi 7跨平台控件开

10、发与应用M,北京,中国铁道出版社,2003.11护带宽上。目前对于轮询周期的下限还讨论不多。除了上面介绍的轮询机制以外,带宽分配机制将对DiffServ 5的处理反映在了轮询机制上。OLT 对同一优先级的用户进行集中授权,这样做的好处就是保证了高优先级业务的带宽,提高服务质量。为了算法的需要,则是将数据与控制帧分离,此时ONU 上报的队列长度更加接近上传时刻的队列长度值,可以减小时延,同样它也需要增加保带宽。总之,轮询机制是时隙分配机制的一个组成部分,根据不同的算法和追求目标的不同,可以适当选择自己的轮询分配机制,同时也可以通过轮询机制来弥补算法中的不足。3、带宽分配算法带宽的分配主要分为静态

11、和动态两种:静态带宽分配(SBA ,又叫固定时隙分配按照各ONU 预定的带宽进行初始配置,运行期间不管实际的网络状况如何该值不变。SBA 简单,容易实现,但是没有实现带宽的统计复用,带宽的利用率低。动态带宽分配(.DBA是指OLT 根据即时的网络业务情况对每一个ONU 逐个分配带宽,一个周期更新一次,很明显,DBA 的带宽利用率比SBA 要高,上行带宽毕竟是有限的,为了让所有的终端用户都能尽可能的满意,DBA 更能满足要求。下面就来分析几个主要的DBA 算法。:3.1带宽受限分配算法(LBALBA 通过REPORT/GATE 来跟踪业务量,每个ONU 的可分配的最大带宽根据用户等级、业务类别等

12、来确定。如果请求的带宽长度小于这个值时,就分配给它请求的带宽,否则就按这个值来授权。LBA 通过报告队列长度的方式来跟踪业负载,由于业务流量是动态的,所以它的分配时隙大小也是变化的,因为每个轮询分配的时隙也是不同的,所以最终导致它的轮询周期也是变化的。LBA 的保守性表现在通过对每个ONU 的授权的限制来抑制了带宽的恶性竞争,不会出现业务量大的用户独霸着带宽,业务量小的用户得不到带宽的现象。LBA 也是目前使用最广泛,性能最好的DBA 算法之一,它的带宽利用率比较高。3.2基于信用的带宽分配算法(CBA在REPORT/GATE 机制下,每个ONU 发送完REPORT 帧后都经历了一段等待时间后

13、才能继续发送缓冲区内的数据。ONU 在t1时刻上报队列长度,在t3时刻开始上传数据,在t1到t3这段等待时间内,仍然有可能有新数据进入缓冲区内。如果在t1时刻上报队列长度时,对下面等待时间内可能新到的业务量进行估算,那么新到的数据帧就不需要多等一个周期再发送。CBA 就是把这部分等待周期内可能新进入的数据帧也考虑进去,在原来上报的队列长度的基础上再加上了一个信用C ,这里C 可以是常数,也可以是线性表达式。线性信用是基于网络业务的可预测性,因为一般长突发业务会持续一段时间,前一周期的信息对后一周期的等待周期的新增业务量具有价值,可以进行一定程度的预测。这种带估算的带宽分配方法的好处在于可以减小

14、部分帧时延,但是估算要根据不同业务的特点来设计,而且也不是任何估算都是有益的,因为以太帧是不定长的,如果估算分配的带宽不足以满足实际的帧通过,很可能带来新的带宽浪费。3.3弹性带宽分配算法(EBAEBA 是在LBA 的基础上的一个变通。LBA 中每一个ONU 都有一个最大开窗,每个ONU 的授权都不可以超过这个值,E -BA 中取一个最大总授权带宽值,所有轻负载ONU 使用完后残余的那部分带宽,在一个周期内进行再此分配。很明显这种分配方式往往是收集完所有的ONU 的信息之配处理的,它必须与相应的轮询机制结合使用,同时这种算法容易实现公平性分配,是使用比较广泛的算法。4、结论EPON 作为众多宽带接入的最佳方案之一,有着协议简单成熟、标准化程度高、建设维护成本低廉的巨大优势,要更好的满足用户的Qos ,对EPON 的带宽分配算法进行研究有着非常重要的意义。本文从EPON 的工作原理入手,深入讨论了各种带宽分配算法的优势和劣势,不同的算法必须采用相应的轮询机制,对性能参数的制约也各有不同,因此必须进一步根据具体的网络用户的需求来设计制定带宽分配方案。参考文献:1Kramer G ,Pesavento G.Ethernet Passive Optical Network (EP