EPON下行機制流量排程研究

吳金秀， 胡善岳

(1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438000;2.中國人民解放軍 96623 部隊職教中心，江西 上饒 334400)

0 引言

以太無源光網(wǎng)絡(luò)(EthernetPassiveOptical Networking，EPON)是嶄新的接入技術(shù)，這個技術(shù)不僅提供了千兆傳輸帶寬，同時價格低且穩(wěn)定，幾乎成了以太網(wǎng)絡(luò)的代名詞，主要的系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)商已經(jīng)在開發(fā)EPON系統(tǒng)并與下一代的寬帶接入技術(shù)相結(jié)合［1］。所以被稱呼為“無源光網(wǎng)絡(luò)”是因為有別于傳統(tǒng)的電信機房局端及客戶端的連接，這其中并沒有一個有源電子設(shè)備裝置介于該接入網(wǎng)絡(luò)之間，這樣的優(yōu)勢大大地簡化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操作、維護及成本［2］，另一個優(yōu)點為相比于一個點對點的光纖網(wǎng)絡(luò)中，其所使用的光纖并不需要很多。

EPON系統(tǒng)由光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)與無源光分路器(Passive Optical Splitter，POS)組成。一般而言，OLT存在于局端電信機房(Central Office，CO)，多為以太網(wǎng)絡(luò)交換機或媒體轉(zhuǎn)換器平臺，ONU則多置于靠近客戶端，如路邊、建筑物或用戶住處，ONU則提供802.3ah廣域網(wǎng)(WAN)接口及802.3ah客戶端接口。在傳輸速率及傳輸距離上，EPON可以支援1.25 Gbps對稱速率，最大傳輸距離可達20 km。1個EPON可以接16、32或64個ONU。至于在光波長的運用上，EPON使用了1 310、1 490 nm波長，其中1 310 nm波長系負責(zé)承載由ONU端往OLT端傳送的上傳數(shù)據(jù)資料［3］，而1 490 nm波長則系負責(zé)承載由 OLT端往ONU端傳送的下行數(shù)據(jù)資料，如圖1所示。

OLT至ONU下行方向，是以點到多點(P2MP)的方式進行傳輸，并交由用戶接收端擷取所需的訊號，此特性促使其容易提供視頻組播傳輸?shù)姆?wù)。在EPON的網(wǎng)管方面，OLT是主要的控制中心，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能。

至于ONU上行傳輸?shù)奶幚矸绞剑瑒t十分復(fù)雜。ONU的上行傳輸是以點對點(P2P)的方式，按照OLT中的控制機制進行，采用分時多工((Time Division Multiplex;TDM)協(xié)定，此協(xié)定對每一個ONU分配專用的傳輸時隙(Time Slot)，可以防止來自不同ONU的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生碰撞［4］。

1 排程機制問題描述

EPON系統(tǒng)中還有動態(tài)頻寬分配機制，請求帶寬(REPORT)和指派帶寬(GATE)訊息是動態(tài)頻寬分配機制中最重要的兩個關(guān)鍵技術(shù)，它們決定整個EPON系統(tǒng)的效能及效率［5］。近來，許多研究者致力于提升EPON系統(tǒng)的傳輸?shù)男屎拖鳒p營運成本，根據(jù)他們的演算法及模擬的結(jié)果，確實使得整個EPON系統(tǒng)日趨完美。此外，有許多的假設(shè)在背后支持著他們的理論。在IPACT的論文中，提到了一個時間周期自適應(yīng)(pulling adaptive cycle time)插入的機制，它假設(shè)新的頻寬要求將會更新到位于暫存區(qū)的空間并且在下一個周期時從ONU直接送給OLT。在優(yōu)先級排程的機制中，它只考慮到資料封包的優(yōu)先順序，并沒有提到GATE訊息的排程機制，在實際的狀況下［6］，OLT必須同時管理下游及上游的交通，無論是在傳輸狀態(tài)或是在計算頻寬分配的狀態(tài)下。這是一個非常詭異的情況，因為所有有關(guān)于動態(tài)頻寬分配機制的假設(shè)都忽略了GATE訊息排程的問題，在EPON網(wǎng)絡(luò)的拓樸中，OLT與所有的ONU互相連接，每一個ONU都擁有他們自己的內(nèi)部優(yōu)先權(quán)排列，在此篇論文中將省略O(shè)NU內(nèi)部優(yōu)先權(quán)排列排程的機制［7］，在真實狀況下，在作下游傳輸時可能會遭遇到GATE message排程的問題。

在理論上，有三種機制可以決定如何在EPON系統(tǒng)中傳布GATE訊息［8］，GATE訊息將插在ONU高優(yōu)先權(quán)排列的最前面，也就是說，當(dāng)ONU收到由OLT所傳來的GATE訊息時，ONU將會立即的處理并且送出REPORT訊息給OLT。第二種GATE訊息排程的機制，當(dāng) OLT傳送 GATE訊息給 ONU時，ONU會將GATE訊息安插在ONU內(nèi)高優(yōu)先權(quán)排列的前面，在此同時，在ONU內(nèi)部可能會有資料封包正在被處理，如同圖6所示位于高優(yōu)先權(quán)排列的一號封包，GATE訊息將會被插入在一號封包及二號封包之間，即一號封包的后面二號封包的前面。GATE訊息在ONU中必須要有最高的優(yōu)先權(quán)。第三種 ONU所進行的 GATE訊息排程機制是將從OLT傳來的GATE訊息放在ONU高優(yōu)先權(quán)排列的最后面，GATE訊息將會被放置于高優(yōu)先權(quán)排列的最后面等待著被ONU處理。

2 模擬與分析比較

2.1 模擬的模型

提出一套模型來說明在不同的資料封包大小、流量下［9］，對于三種不同GATE訊息排程對整個EPON系統(tǒng)所帶來的影響及效能沖擊。

現(xiàn)假設(shè)GATE訊息會被指派到每個ONU最優(yōu)先的隊列，不考慮中、低優(yōu)先排列，假設(shè)在EPON系統(tǒng)有n個ONUs，也就是說OLT將會送n個GATE messages給各個ONU，而每個ONU的GATE訊息將會被插入到ONU的高優(yōu)先排列中，對于GATE訊息所插入的位置與排程優(yōu)先順序共有三種不同的選擇:①插入在高優(yōu)先排列的最前面［10］;②插入在高優(yōu)先排列的中間;③插入在高優(yōu)先排列的最后面。

利用以上所假設(shè)的條件來針對這三種不同的排程來分析，設(shè)法找出何種GATE訊息的排程對于整個EPON系統(tǒng)的效能影響最小且最有效率。

(1)插入高優(yōu)先排列的最前面。將GATE message插入在ONU高優(yōu)先排列 的最前面［11］，如圖8:t為OLT傳送GATE message至ONU的時間，t1為ONU開始處理GATE訊息的時間，根據(jù)計算:

圖1 第一種GATE訊息排程說明

式中，td為EPON系統(tǒng)在插入GATE訊息前將目前正在ONU傳輸?shù)姆獍Ｖ够蛑袛嗨枰奶幚頃r間，它是根據(jù)EPON系統(tǒng)中的網(wǎng)元管理系統(tǒng)(Element Management System，EMS)從發(fā)命令到OLT并由 OLT傳送給ONU的高優(yōu)先排列所消耗的時間所計算出來的。由式(1)可以算出T的值為:

(2)插入高優(yōu)先排列的中間。將GATE message插入在ONU高優(yōu)先排列 的中間，如圖2中，t為OLT傳送GATE message至ONU的時間，t1為ONU開始處理GATE message的時間，tq為GATE訊息插入前第一封包處于高優(yōu)先級的處理時間。

根據(jù)計算:

根據(jù)我們之前的假設(shè)，tq有可能會有三種狀況，分別是PL/US、PM/US以及PdS/US，tq的大小會因高優(yōu)先排列里的第一個封包大小會有所改變［12］。

圖2 第二種GATE message排程說明

(3)插入高優(yōu)先排列的最后面。將GATE message插入在ONU高優(yōu)先排列的最后面，如圖3中，t為 OLT傳送 GATE message至 ONU的時間，t1為ONU開始處理GATE message的時間，tQis為GATE訊息插入前下一封包處于高優(yōu)先級的處理時間，根據(jù)計算:

假設(shè)ONU在處理GATE message前在ONU的高優(yōu)先排列內(nèi)還有n個packages等待處理，n個packages的大小是隨機分布的［13］，在現(xiàn)實的環(huán)境下，高優(yōu)級先排列內(nèi)的packages分布會有兩種不同的狀況:

①假設(shè)大、中、小封包在高優(yōu)先排列內(nèi)是平均分布。經(jīng)過計算

② 假設(shè)高優(yōu)先排列內(nèi)的packages size并不是平均分配，則我們必須多考一個系統(tǒng)參數(shù)λ，λ為ONU高優(yōu)先排列內(nèi)封包的size大小，λ值會直接影響到tQ的大小。

根據(jù)式(7)，我們可以推演出若高優(yōu)先排列內(nèi)的packages為非平均分配［14］，則tQ的值為:

根據(jù)λ的值可以判斷ONU高優(yōu)先排列內(nèi)封包size的分布狀況，同時λ也會影響到GATE訊息在ONU高優(yōu)先排列內(nèi)等待的時間，在整個EPON系統(tǒng)中，我們將λ的值分成三個不同的level，這三種不同的level同時也代表高優(yōu)先排列的狀態(tài)，其分類如下:

●Light Level:表示高優(yōu)先排列內(nèi)等待處理的封包其packet size偏小，也就是說這些等待被處理的封包會比較快被處理，封包在queue等待的時間也比較短［15］，我們假設(shè)在此狀態(tài)下的 λ 值為0.5。

●Middle Level:表示高優(yōu)先排列內(nèi)等待處理的封包其package size驅(qū)近于平均分配，我們假設(shè)在此狀態(tài)下的λ值為1。

●Heavy Level:表示高優(yōu)先排列內(nèi)等待處理的封包其package size偏大，也就是說這些等待被處理的封包需要較長的時間才能被處理完，封包在queue等待的時間也比較長，我們假設(shè)在此狀態(tài)下的λ值為1.5。

圖3 第三種GATE message排程說明

2.2 仿真模型分析

前面所討論的模型是根據(jù)唯有單一ONU存在的EPON系統(tǒng)，并沒有考慮到其他存在于EPON系統(tǒng)的ONU。在現(xiàn)實的環(huán)境中，這種假設(shè)是不存在的，但是為了容易模擬，簡化了整個EPON的系統(tǒng)架構(gòu)。三種不同GATE訊息的排程做了一個說明［16］，同時計算出這三種排程所需要的處理時間及限制?，F(xiàn)在將對三種不同排程做一個分析比較，去探討這三種不同的排程是否會對整個EPON系統(tǒng)造成影響。

當(dāng)OLT收到由ONU傳來的REPORT訊息時，OLT會根據(jù)REPORT訊息的資訊產(chǎn)生一個GATE message并將此GATE message回傳給ONU，在EPON的系統(tǒng)中，存在著一個問題，那就是所謂的Propagation Delay(分頁延遲)，這是OLT與ONU在溝通時所無法避免的一個問題，不過在所提出的simulation模型中，我們不考慮Propagation Delay的問題。不同的scheduling會產(chǎn)生不同的T。

在上一段的討論中，我們分析了單一ONU的模型，在一個標(biāo)準(zhǔn)的EPON系統(tǒng)，ONU的數(shù)目可能為4、8、16、32、64甚至達到64個以上，因此整個在OLT與ONU之間的通訊遠比我們所模擬的要復(fù)雜的多。

根據(jù)IEEE 802.3ah的規(guī)范，定義了四種EPON的PHY modulation，分別是 10 Mb/s、100 Mbps、1 000 Mb/s和10 Gb/s。在Simulation analysis中，我們省略了10 Mb/s的PHY modulation，因為在實際的運用上，EPON系統(tǒng)不太會使用10 Mb/s的速率來傳送，其成本與效率的CP值(Cost vs.Performance)太低，也不符合經(jīng)濟效益。EPON系統(tǒng)在high priority queue內(nèi)封包size偏小的狀態(tài)下，針對不同數(shù)量的ONU(1、4、8、16及32)與ONU Queue內(nèi)package的多寡(10、50及100)來計算并比較傳輸GATE訊息所需的時間，在封包size偏小的狀況下，當(dāng) EPON的 PHY Rate為100Mb/s且ONU的數(shù)量為32個，ONU的Queue內(nèi)還有100個package需要處理時，EPON系統(tǒng)需要100 ms來處理所有ONU的GATE messages。

如果物理層速率(PHY Rate)為1 000 Mb/s或是10 Gbps，則EPON系統(tǒng)處理GATE message的速度會增快許多，整個EPON系統(tǒng)的效率也會因此而提升。提升EPON系統(tǒng)的PHY Rate到1 000 Mb/s，則只需要10 ms就可以把EPON所需要處理的GATE message處理完畢。在封包size平均分配的條件下，EPON所需要處理GATE訊息的時間大約是輕載時的兩倍。由于EPON在一般負載的狀態(tài)時，ONU在處理GATE訊息之前，必須花更長的時間去處理已經(jīng)存在于Buffer內(nèi)排隊準(zhǔn)備處理封包。封包size為平均分配狀態(tài)下，PHY Rate為1 000 Mb/s與10 Gbps時處理EPON系統(tǒng)GATE訊息所需的時間與效能比較［17］，效率明顯提升許多。queue內(nèi)封包size偏大時所計算出來GATE message的處理時間，由于queue內(nèi)的封包size增加，相對的，EPON系統(tǒng)所需要處理的時間也會增加，PHY Rate由100 Mb/s到1 000 Mb/s以至于到10 Gbps，處理GATE message的時間也從300 ms提升到30 ms以甚至于到3 ms。當(dāng)EPON系統(tǒng)的PHY Rate為100 Mb/s時，EPON處理GATE message所需要的時間為最長，無論封包大小的分配與ONU的數(shù)量為何，這些因素皆不會影響所模擬出來的結(jié)果。

由此可見，EPON系統(tǒng)所使用的實體層占有其重要的地位，對整個EPON的系統(tǒng)來說，它支配著整個EPON系統(tǒng)的效能與使用率的高低，以目前市場的發(fā)展現(xiàn)況加上網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)科技多年來的沿革與改良(尤其是以Ethernet為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))，對于實體層部份的研發(fā)已經(jīng)不是一個艱深且難以克服的問題，因此我們可以忽略這個瓶頸，并且用樂觀的角度去看待EPON網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展。

3 結(jié)語

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)ONU內(nèi)queue的封包size偏大，EPON系統(tǒng)共有32個 ONUs，且 PHY Rate在100 Mb/s的狀態(tài)下，EPON系統(tǒng)的ONUs收到了由OLT傳送過來的REQUEST message進而產(chǎn)生GATE訊息并開始處理，所需要的時間為300 ms，300 ms對EPON系統(tǒng)來說算是一個很嚴(yán)重的delay，假設(shè)EPON系統(tǒng)的ONU數(shù)量大于32個，如64或是128個，那么處理GATE訊息的時間可能需要500 ms甚至1 s以上。

再檢視在相同假設(shè)下但PHY Rate分別為1 000 Mb/s與10 Gbps的EPON系統(tǒng)，它們處理32個ONU GATE訊息所需的時間只需要30 ms與3 ms，如果EPON系統(tǒng)所連結(jié)的ONU超過32個，如64或是128個，ONU處理GATE訊息所需要的時間對于EPON系統(tǒng)所造成影響會遠比100 Mb/s來得小，因此，以前研究EPON排程的專家學(xué)者針對EPON下載流量所作的假設(shè)(忽略O(shè)LT對ONU的scheduling)只能成立在EPON的PHY Rate為1 000 Mb/s以上的條件下，在高PHY Rate的條件下，下游的排程是可以不被考慮的，因為它對于整個EPON系統(tǒng)的效能不會造成太大的沖擊與影響。

在IEEE 802.3ah的規(guī)范中，定義了四種不同的PHY Rate，除了1 000 Mb/s與10 Gbps之外，還有10 Mb/s與100 Mb/s，低速的PHY Rate對整個EPON的使用率(Utilitization)是非常低的，尤其是10 Mb/s，但是在某些特殊的環(huán)境下如規(guī)模較小的城鎮(zhèn)或是學(xué)校機關(guān)，它們或許不需要 1 000 Mb/s或是 10 Gbps的EPON系統(tǒng)，100 Mb/s的EPON網(wǎng)絡(luò)對這些小規(guī)模的使用者來說可能已經(jīng)綽綽有余了，當(dāng)然，其中可能牽涉到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與建設(shè)的成本，維護管理等因素。對于100 Mb/s的EPON網(wǎng)絡(luò)，還是有其必要去解決排程方面的問題，若能改善整個EPON排程進而提升EPON的整理效率，不但對電信業(yè)者來說是一大福音，對于終端的使用者也是個好消息，因為就可以花費更少的成本得到更快速、更完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

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