EPON技術(shù)中影響ONU報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率因素的研究

張字　高秀敏

摘要：研究ONU報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率的影響因素，有助于為用戶(hù)提供高效優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。文章研究的EPON（Ethernet Pa ssiveOptional Network，以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）是_種基于以太網(wǎng)的PON技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖到戶(hù)的傳輸方式，具有成本低，網(wǎng)速快等特點(diǎn)。EPON的傳輸架構(gòu)是點(diǎn)到多點(diǎn)的形式，由OLT（Optical Line Terminal，光線(xiàn)路終端）與ONU（Optical Network Unit，用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)單元）設(shè)備進(jìn)行不斷交互從而實(shí)現(xiàn)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。分光比和帶寬分配是影響ONU報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率的重要因素。不同的分光比光衰不同，對(duì)報(bào)文報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，帶寬利用率產(chǎn)生影響；好的帶寬分配算法不僅能保證用戶(hù)體驗(yàn)良好，也可以盡可能的提高帶寬利用率。

關(guān)鍵字：以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；光線(xiàn)路終端；用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)單元；光線(xiàn)到戶(hù)；分光比；帶寬分配

1 引言

以太網(wǎng)的快速發(fā)展，加快了人們生活步伐，越來(lái)越多的人對(duì)商品的體驗(yàn)舒適度有了更高的要求。同樣，互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的步伐也使人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)本身提出了更高的要求，低成本、高寬帶已成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。EPON技術(shù)就是在這樣的大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。光纖的傳輸速率遠(yuǎn)比電纜快，高寬帶（1Gbps）是它與生俱來(lái)的特點(diǎn)，所以傳輸速率快的優(yōu)勢(shì)使得EPON可以快速發(fā)展。EPON的傳輸機(jī)制采用上行單播，下行廣播的方式，使用不同的通道。并且上行光波采用1310nm的頻段，下行光波采用1490nm的頻段。另一方面，EPON的無(wú)源特性注定它的低成本，低能耗，它可以在一定條件下（分光比1：32）無(wú)源傳輸20km，無(wú)需供電，從而大大減少能耗，降低成本。

2 EPON的網(wǎng)絡(luò)傳輸

2.1 傳輸過(guò)程

EPON的傳輸機(jī)制具有自己獨(dú)特的方式，采用上行單播，下行廣播的方式。下行是指報(bào)文從OLT設(shè)備向ONU設(shè)備傳輸方向。下行廣播的傳輸過(guò)程如圖1所示，當(dāng)報(bào)文從互聯(lián)網(wǎng)傳向用戶(hù)時(shí)，經(jīng)OLT后被標(biāo)記為有特殊Llid（Logical LinkIdentifier，邏輯鏈路標(biāo)記）的報(bào)文，圖中標(biāo)記1、2、3的報(bào)文代表相對(duì)應(yīng)的Llid的ONU需要接收的報(bào)文。經(jīng)過(guò)分光器后，光信號(hào)的報(bào)文被復(fù)制成多份并傳送到每一個(gè)ONU上。當(dāng)ONU接收到報(bào)文后，檢測(cè)報(bào)文的Llid是否和自己的匹配，如果匹配則接收該報(bào)文，否則丟棄該報(bào)文上行單播指報(bào)文從ONU設(shè)備發(fā)送到OLT設(shè)備上，報(bào)文的具體轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖2所示。用戶(hù)發(fā)出的報(bào)文經(jīng)過(guò)ONU后被添加該ONU的Llid，然后經(jīng)過(guò)分光器，此時(shí)是不需要進(jìn)行報(bào)文復(fù)制的，直接轉(zhuǎn)發(fā)給OLT設(shè)備，再傳入互聯(lián)網(wǎng)。

2.2 ONU注冊(cè)過(guò)程

ONU的注冊(cè)過(guò)程是多點(diǎn)控制協(xié)議（Multi PointControl Protoco，MPCP）的一部分，即MPCP的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。MPCP是EPON的MAC子層協(xié)議，主要實(shí)現(xiàn)OLT與ONU之間的控制機(jī)制，從而控制報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。

MPCP在ONU發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)幀交互情況如圖3所示，第一個(gè)GATE幀由OLT發(fā)出用于發(fā)現(xiàn)ONU設(shè)備，采用廣播方式；REGISTER REQ幀由ONU發(fā)出用于請(qǐng)求注冊(cè)，報(bào)文中包含ONU的MAC地址，當(dāng)OLT收到此報(bào)文后計(jì)算往返時(shí)間，并學(xué)習(xí)ONU的MAC地址；REGESTER幀是由OLT發(fā)出用于注冊(cè)O(shè)NU的報(bào)文，報(bào)文中包含ONU的MAC地址以及分配給ONU的Llid；第二個(gè)GATE幀不同于第一個(gè)，它是給ONU分配報(bào)文上報(bào)的時(shí)隙，包括開(kāi)始的時(shí)間和傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)度；REGESTER_ACK幀是ONU把注冊(cè)結(jié)果上報(bào)給OLT用于確認(rèn)。MPCP還定義了另一種稱(chēng)為REPORT的幀，它的作用是ONU上報(bào)自己的隊(duì)列信息給OLT，OLT根據(jù)ONU上報(bào)的隊(duì)列信息給ONU分配動(dòng)態(tài)帶寬。

3 影響ONU轉(zhuǎn)發(fā)效率的因素

ONU的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率除了受ONU本身硬件設(shè)計(jì)的影響，還受到一些外部因素的干擾。本文簡(jiǎn)要的對(duì)分光比和帶寬分配進(jìn)行分析。

3.1 分光比

分光比通常指進(jìn)入分光器的光路數(shù)目：流出分光器的光路數(shù)目，它是影響ONU轉(zhuǎn)發(fā)效率的一個(gè)因素。分光比可以取1：4，1：8，1：16，1：32等，有些PON設(shè)備最高可以達(dá)到1：128的分光比。分光比與光衰的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

從表中可以得到分光比分母越大光衰越嚴(yán)重，而光纖分光比在1：32時(shí)可以達(dá)到最大無(wú)源傳輸距離20km，分光比1：64的情況只能達(dá)到10km的傳輸距離。分光比在較小的情況下，所有ONU速率之和扔達(dá)不到OLT最大傳輸速率，則造成帶寬利用率很低，帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。另一方面分光比過(guò)大時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中每個(gè)ONU的帶寬分配問(wèn)題將會(huì)是影響ONU報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率的重要因素。最佳分光比在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分布得到。

3.2 帶寬分配

帶寬分配通常指的是ONU的上行帶寬，即OLT分配給ONU，允許ONU上送報(bào)文給OLT的帶寬。它是影響ONU轉(zhuǎn)發(fā)效率的最直接因素，好的分配方法不僅帶寬利用率較高，而且每一個(gè)ONU也能夠分配到合適的帶寬，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)ONU一直在轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，而另一ONU處于阻塞狀態(tài)，導(dǎo)致用戶(hù)的體驗(yàn)值十分低下。

固定帶寬分配是一種最簡(jiǎn)單的分配帶寬的方法。它給每個(gè)在OLT設(shè)備下綁定的ONU分配固定的帶寬，且?guī)捪嗤?。帶寬公式如下?/p>

B_ONU=B/N （1）

B為總的信道帶寬，N為綁定的ONU個(gè)數(shù)，Bonu即為每個(gè)ONU分配的帶寬。這種方法可以保證每個(gè)ONU都會(huì)擁有自己的帶寬，不會(huì)出現(xiàn)報(bào)文不能轉(zhuǎn)發(fā)而阻塞的情況，但是另一方面也會(huì)出現(xiàn)很大的弊端，假如N很大，則每個(gè)ONU分配的帶寬將會(huì)很小，用戶(hù)的體驗(yàn)會(huì)很糟糕，且如果有ONU不工作，那么它將會(huì)占用整體帶寬中的一部分而不被使用，存在浪費(fèi)帶寬的情況。

最大效率帶寬是基于帶寬使用率來(lái)分配帶寬的一種方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是整體的帶寬利用率達(dá)到最大，在ONU個(gè)數(shù)較少時(shí)它具有速度快的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是當(dāng)綁定的ONU個(gè)數(shù)較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)帶寬分配不均，厚此薄彼的情況，甚至可能出現(xiàn)有些ONU因?yàn)椴粫?huì)分配帶寬而阻塞報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中不被廣泛采用。

最理想的帶寬分配是動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA：DynamicBandwidthAllocation）。它采用時(shí)分多址的方式，根據(jù)當(dāng)前ONU反饋的總體情況來(lái)給每個(gè)ONU分配帶寬時(shí)隙，決定每個(gè)ONU合適發(fā)送報(bào)文，發(fā)送報(bào)文的時(shí)間有多長(zhǎng)。在介紹帶寬分配之前先了解一下光纖傳輸距離的測(cè)量方法，它的存在對(duì)動(dòng)態(tài)帶寬分配有重要影響。

光纖傳輸距離的測(cè)量在ONU注冊(cè)過(guò)程中完成，光纖傳輸距離越長(zhǎng)傳輸?shù)臅r(shí)間就相對(duì)越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)發(fā)效率也就相對(duì)變慢。所以，采用較為精確的測(cè)量方法才是提高轉(zhuǎn)發(fā)效率的關(guān)鍵。

測(cè)算光纖傳輸距離的原理如圖4所示。在ONU注冊(cè)過(guò)程中，OLT向ONU發(fā)送含有當(dāng)前時(shí)間t1的報(bào)文，ONU收到報(bào)文后把自己的時(shí)間改成t1，在ONU完成一系列操作后記錄此時(shí)的時(shí)間t2，并把t2放在報(bào)文中一塊返回給OLT。OLT接收到ONU返回的報(bào)文后記錄此時(shí)的OLT的時(shí)刻為t3，這樣在光纖傳輸過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間就是

（t3-t1）-（t2-t1）=（t3-t2） （2）

由此可以計(jì)算光纖的傳輸距離為

L=V*（t3-t2） （3）

其中，L為傳輸距離，V為光纖傳輸速率。

動(dòng)態(tài)帶寬分配的方法采用時(shí)分多址，這就要求對(duì)每個(gè)ONU開(kāi)始發(fā)送報(bào)文的時(shí)刻需要精確計(jì)算，計(jì)算光纖的傳輸距離就是為了提高帶寬利用率，在OLT傳送報(bào)文結(jié)束的時(shí)刻，ONU上行的報(bào)文能夠及時(shí)發(fā)送到OLT，最大限度利用發(fā)送時(shí)隙，提高帶寬利用率。動(dòng)態(tài)帶寬的分配有多種，CBATM（Credit-Base Bandwidth Allocation，信用基礎(chǔ)帶寬分配）即是其中的一種，它的帶寬分配公式為

B_onu=B_base+C （4）

Bonu為ONU的實(shí)時(shí)帶寬，Bbase是給每個(gè)ONU分配的基礎(chǔ)帶寬，這個(gè)值的大小用于保證ONU正常交互的最小帶寬，C可以是常數(shù)，也可以是表達(dá)式，根據(jù)情況的不同做調(diào)整，從而達(dá)到較高的帶寬利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

EPON技術(shù)中怎么提高報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率一直是開(kāi)發(fā)人員不斷研究的內(nèi)容。文章從分光比和帶寬分配的角度分析的影響報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的原因，有效避免用戶(hù)在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)镺NU的帶寬分配問(wèn)題導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)卡死以及帶寬利用率低浪費(fèi)資源的現(xiàn)象。