一種基于軟件定義的OFDM—PON控制協(xié)議

王旺++鄒垚昭++陶佳鳴++陳健

文章編號：2095-6835（2016）17-0110-02

摘 要：在軟件定義無源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于軟件定義的OFDM-PON控制協(xié)議ExtendedOpenFlow。該協(xié)議通過擴(kuò)展原有的標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對OFDM-PON網(wǎng)絡(luò)上下行鏈路的控制。對協(xié)議的丟包率、吞吐量等性能在OMnet++平臺上進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示，提出的協(xié)議能較好地保障各業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：軟件定義；OFDM-PON；OpenFlow；控制協(xié)議

中圖分類號：TN915.62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.110

近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和商業(yè)需求的不斷增多使越來越多的企業(yè)需要改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。光纖通信作為其中的重要技術(shù)，對信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)起到了極大的推動作用。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，用戶對接入網(wǎng)的帶寬需求也隨之快速增長。無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Networks，PON）技術(shù)作為下一代接入網(wǎng)技術(shù)被提出，并受到廣泛關(guān)注，它在提升網(wǎng)絡(luò)效率和靈活性，降低網(wǎng)絡(luò)成本等方面都有顯著優(yōu)勢。PON是一種點(diǎn)對多點(diǎn)的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光線路終端（OLT）通過一個(gè)無源光分發(fā)器連接數(shù)個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）。終端設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)字信號在ONU內(nèi)轉(zhuǎn)變成光信號，光分發(fā)器分發(fā)來自O(shè)LT的光信號至各個(gè)ONU，并傳送從各個(gè)ONU發(fā)送過來的復(fù)合信號到OLT。另外，云技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使企業(yè)網(wǎng)絡(luò)積極在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)控制和管理方面尋求解決辦法，因此，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networks）在流控制、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡和性能管理等方面的優(yōu)勢使其得到關(guān)注和應(yīng)用。典型的SDN架構(gòu)將數(shù)據(jù)平臺與控制平臺分離，使用OpenFlow協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中控制機(jī)與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間的通信?；谝陨厦枋?，本文提出了一種將SDN技術(shù)應(yīng)用到OFDM-PON中作為其控制協(xié)議的方案。

1 基于SDN的PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

將SDN應(yīng)用在PON中的方法有很多，一種可行的方案是設(shè)計(jì)一種新的協(xié)議，使PON設(shè)備成為可編程的單元，使OLT和ONU的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能達(dá)到最優(yōu)。但是設(shè)計(jì)這樣一種適用于PON的基于SDN的通用協(xié)議需要很多標(biāo)準(zhǔn)化的工作和較長的時(shí)間，本文提出了另外一種方法，就是基于已經(jīng)廣泛使

用的SDN控制協(xié)議OpenFlow的方案，使其不局限于PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用中。

OpenFlow交換機(jī)結(jié)構(gòu)包含三個(gè)部分：①流表（Flow Table），為交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)策略控制的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過查找流表表項(xiàng)來決策對進(jìn)入交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)流量采取合適的行為；②控制器（Controller），為運(yùn)行遠(yuǎn)程控制進(jìn)程的外部單元，通過OpenFlow協(xié)議管理交換機(jī)，控制器可以增減以及更新流表中的表項(xiàng)；③安全信道（Secure Channel），為實(shí)現(xiàn)控制器和交換機(jī)的通信。OpenFlow交換機(jī)的邏輯方案如圖1所示。

OpenFlow協(xié)議最初設(shè)計(jì)是為以太網(wǎng)物理層的L2/L3交換使用，所以它并不能直接應(yīng)用在PON中。以GPON為例，盡管GPON中有以太網(wǎng)幀，但實(shí)際上它是在L1層上攜帶有自己專門的幀和GEM（GPON Encapsulation Method）協(xié)議，用來封裝上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到GTC（GPON Transmission Convergence）層，所以需要添加相關(guān)的PON功能到現(xiàn)有的OpenFlow協(xié)議中，我們將修改之后的協(xié)議稱為“ExtendedOpenFlow”?；贓ntendOpenFlow的PON框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 基于SDN的OFDM-PON控制協(xié)議

與其他PON系統(tǒng)類似，OFDM-PON系統(tǒng)也是基于點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建的。在EPON/GPON 系統(tǒng)中，基于其一維映射的特點(diǎn)，在流量轉(zhuǎn)發(fā)控制時(shí)需要考慮的因素較少。OFDM-PON 與其他PON 不同，它有很大的控制自由度，主要表現(xiàn)在：①頻率不同的頻道被當(dāng)作透明管道，一個(gè)管道包含一個(gè)或多個(gè)正交的子載波，被OLT 安排給某個(gè)ONU 或某個(gè)業(yè)務(wù)；②根據(jù)業(yè)務(wù)流量的大小、頻道的寬窄（即一個(gè)頻道中用于傳輸數(shù)據(jù)的子載波數(shù)目）可以變化；③根據(jù)業(yè)務(wù)流量的大小，每個(gè)子載波上的調(diào)制格式可以調(diào)節(jié)，可自適應(yīng)決定信號星座圖，甚至在極端條件下完全關(guān)閉某個(gè)子載波。所有這些調(diào)度可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的，即調(diào)度方案隨時(shí)間變化，形成頻率、幅（度）/相（位）、時(shí)間的三維調(diào)度。因此，在為OFDM-PON設(shè)計(jì)控制協(xié)議時(shí)，需要從子載波調(diào)度、調(diào)制格式、時(shí)間三個(gè)維度來考慮。

ExtendedOpenFlow協(xié)議主要提供OFDM-PON中的QAM調(diào)制、FFT/IFFT、子載波分配、時(shí)域分配等控制。每一個(gè)流表中都包含多個(gè)表項(xiàng)，表項(xiàng)包含匹配域、計(jì)數(shù)器和指令。ExtendedOpenFlow定義了新的與OFDM-PON相關(guān)的操作。在流表的匹配域中，增加兩個(gè)字段Send和Recv，分別占三個(gè)字節(jié)和兩個(gè)字節(jié)，如圖3所示。Send字段下行傳輸給ONU，通知ONU采用何種調(diào)制方式、哪個(gè)子載波以及何時(shí)傳送上行數(shù)據(jù)；Recv字段告知ONU下行數(shù)據(jù)的調(diào)制格式以及所用子載波號。

3 性能分析

為了驗(yàn)證本文提出的控制協(xié)議，在OMnet++平臺對該協(xié)議進(jìn)行了仿真，并且對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，仿真系統(tǒng)如圖4所示。設(shè)定系統(tǒng)的上行帶寬為10 Gbps，系統(tǒng)由一個(gè)OLT和3個(gè)ONU組成，ONU與OLT之間的距離設(shè)定為20 km。Traffic作為產(chǎn)生流量的服務(wù)器，共產(chǎn)生三個(gè)類型的業(yè)務(wù)，分別為EF（快速轉(zhuǎn)發(fā)，優(yōu)先級最高）、AF（確保轉(zhuǎn)發(fā)）、BE（盡力轉(zhuǎn)發(fā)，優(yōu)先級最低）。仿真中設(shè)定有1 024個(gè)子載波。

我們設(shè)置了大小不同的業(yè)務(wù)量來模擬網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能不同。通過網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變量控制各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，并且將產(chǎn)生的業(yè)務(wù)速率對網(wǎng)絡(luò)帶寬歸一化，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為1時(shí)，對應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)總量為網(wǎng)絡(luò)總帶寬。通過仿真，可以得到在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下該協(xié)議與服務(wù)質(zhì)量相關(guān)的平均丟包率和吞吐量性能。圖5所示為仿真得到的平均丟包率曲線，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于0.8時(shí)，AF業(yè)務(wù)和BE業(yè)務(wù)丟包率增速放緩，且AF業(yè)務(wù)丟包率低于BE業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)一直保持很低的丟包率，且比較平穩(wěn)。這是因?yàn)樵趲挿峙鋾r(shí)，引入了帶寬預(yù)分配的結(jié)果。仿真得到的吞吐量性能曲線如圖6所示，與未使用控制協(xié)議的OFDM-PON系統(tǒng)相比，我們提出的協(xié)議具有更好的性能。

4 結(jié)束語

目前關(guān)于SDN和PON的研究越來越多，但基本上都集中在對GPON和EPON的研究上，將SDN應(yīng)用在OFDM-PON中的研究成果還較少。本文將SDN中OpenFlow協(xié)議擴(kuò)展到OFDM-PON中，并對提出的ExtendedOpenFlow協(xié)議性能進(jìn)行了仿真。作為簡單的控制協(xié)議，為各個(gè)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)提供了較好的服務(wù)質(zhì)量保障。

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〔編輯：王霞〕