HQoS在GPON系統(tǒng)中的應用與優(yōu)化*

何 睿，葉建芳，石 健，施 思

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

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HQoS在GPON系統(tǒng)中的應用與優(yōu)化*

何 睿，葉建芳，石 健，施 思

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

在光進銅退的趨勢下，以GPON(Gigabit Passive Optical Network)搭建的光纖接入網(wǎng)應用場景不斷增多。用戶對網(wǎng)絡服務質(zhì)量的要求以及運營商減少建設成本的需求，使得QoS技術發(fā)展迅猛。傳統(tǒng)的QoS已經(jīng)不能滿足現(xiàn)網(wǎng)的需求，層次化服務質(zhì)量HQoS(Hierarchical Quality of Service)技術實現(xiàn)了多層次的流量管理，能更好地幫助運營商實現(xiàn)多用戶、多業(yè)務的服務管理。針對現(xiàn)有接入網(wǎng)HQoS模型，提出了區(qū)分組播業(yè)務進行單獨QoS處理的改進意見，并對改進模型進行了實際應用的模擬測試。測試結果表明，改進模型能夠對不同用戶采用不同的調(diào)度策略，并可針對組播業(yè)務做單獨的QoS處理。

GPON(Gigabit Passive Optical Network)；HQoS(Hierarchical Quality of Service)；組播

0 引言

隨著寬帶業(yè)務的普及和光進銅退的趨勢，以及GPON系統(tǒng)在光纖接入網(wǎng)中的應用與發(fā)展，運營商對業(yè)務的傳輸距離、寬帶、可靠性和低運營成本提出越來越高的要求[1-2]。而流量高峰時段，可能出現(xiàn)速率過大，產(chǎn)生丟包，嚴重影響網(wǎng)絡質(zhì)量，針對這種情形，廣泛使用QoS策略以保證重要客戶業(yè)務，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務[3]。一般情況下，網(wǎng)絡中通過QoS技術來區(qū)分不同類型的業(yè)務，從而提供相應的服務。但隨著用戶規(guī)模的擴大，業(yè)務種類的增多，傳統(tǒng)的QoS在應用中遇到了難以解決的問題。

(1)傳統(tǒng)QoS技術是基于端口帶寬進行調(diào)度的，這樣導致流量管理對用戶不敏感，只對服務等級敏感，適合網(wǎng)絡核心側，但不適合業(yè)務接入側[4]；

(2)傳統(tǒng)QoS技術無法對多個用戶、多種業(yè)務進行統(tǒng)一管理和分層調(diào)度。

為解決上述問題，提供更好的QoS能力，迫切需要一種既能控制用戶的流量，又能同時對用戶業(yè)務的優(yōu)先級進行調(diào)度的QoS技術。本文引入HQoS層次化服務質(zhì)量技術來滿足這一需求。該技術采用多級調(diào)度的方式，使設備具有內(nèi)部資源的控制策略，既能夠為高級用戶提供質(zhì)量保證，又能夠從整體上節(jié)約網(wǎng)絡構造成本。

1 HQoS的原理

GPON作為新一代的光接入設備，具有高速率、多業(yè)務的特點。GPON在組網(wǎng)方式上主要以樹型拓撲結構為主(包括星型和鏈型)，網(wǎng)絡業(yè)務開通后，數(shù)據(jù)的轉發(fā)路徑基本固定，如圖1所示。GPON接入技術主要應用在FTTH、FTTB、FTTC、FTTO、FTTW和FTTM的組網(wǎng)場景中，支持語音、數(shù)據(jù)、視頻、專線接入和基站接入業(yè)務[5]。

圖1 運營商現(xiàn)有寬帶接入方案

圖2給出了GPON系統(tǒng)寬帶接入模型，網(wǎng)絡由光鏈路終端(Optical Line Terminal，OLT)、光網(wǎng)絡單元(Optical Network Unit，ONU)、光分配網(wǎng)絡(Optical Distribution Network，ODN)組成。GPON在業(yè)務接入方面提供了足夠大的帶寬，單PON口上行速率可達1.25 Gb/s、下行速率可達2.5 Gb/s[6]。OLT上聯(lián)骨干網(wǎng)，下聯(lián)多個光分配網(wǎng)絡，在整個下行方向，由于是高速骨干網(wǎng)線路的流量轉發(fā)到低速PON網(wǎng)絡線路上，如果不在OLT中進行QoS處理，將可能出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞，從而導致承載業(yè)務的QoS無法得到保證。

圖2 PON寬帶接入模型

為了達到多等級、多層次調(diào)度的目的，引入層次化服務質(zhì)量技術將調(diào)度策略組裝成分層次的樹狀結構，如圖3所示。

樹狀結構的節(jié)點類型共有3種：根節(jié)點、分支節(jié)點和葉子節(jié)點。根節(jié)點是流量的匯聚點，即PON口；處于最底層的每個葉子節(jié)點都分別與一個調(diào)度隊列相對應，即承載的單個業(yè)務；處于中間層次的每個分支節(jié)點都分別與一個調(diào)度器相對應。調(diào)度器可以對多個分組隊列或者多個子調(diào)度器進行調(diào)度。每個節(jié)點上還需要配置分類規(guī)則和控制參數(shù)。分類規(guī)則決定了流量的走向；控制參數(shù)決定了對于通過此節(jié)點的流量所作的控制動作[7]。

圖3 多級調(diào)度基本模型

2 GPON OLT中HQoS模型設計與優(yōu)化

圖4給出了常用的基于單板的HQoS實現(xiàn)模型。

圖4 HQoS實現(xiàn)模型

該模型針對HQoS用戶進行CAR限速，并根據(jù)承諾信息率(Committed Information Rate，CIR)和最高信息速率(Peak Information Rate，PIR)來標記顏色，如果使能了基于優(yōu)先級的CAR(配置CAR門限)，還可以保證高優(yōu)先級的報文優(yōu)先被標識為綠色和通過。針對HQoS用戶組做基于顏色的CAR，解決同一種業(yè)務租借帶寬的占用問題，保證HQoS用戶之間的公平調(diào)度，確保HQoS用戶業(yè)務的CIR，在帶寬許可的情況下滿足HQoS業(yè)務PIR的需求。

該HQoS模型對網(wǎng)絡承載的以太網(wǎng)業(yè)務能夠進行良好的優(yōu)先級調(diào)度處理，但在目前“三網(wǎng)融合”(電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)向寬帶通信網(wǎng)、數(shù)字電視網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)演進)過程中，該模型沒有對諸如IPTV等組播業(yè)務的優(yōu)先級處理進行相應的說明。并且由于組播業(yè)務要求在每個PON口下僅有惟一的一個單拷貝廣播(Single Copy Broadcast，SCB)數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道，所有組播媒體流數(shù)據(jù)均在同一個邏輯通道中傳輸，所以對組播業(yè)務的QoS處理在該模型中不適用[8]。對融合了組播業(yè)務的GPON系統(tǒng)接入網(wǎng)，需設計一個優(yōu)化的HQoS模型，圖5給出優(yōu)化后的層次化HQoS模型。

該模型綜合了前文提到的常用HQoS實現(xiàn)模型的優(yōu)點，并針對IPTV等組播業(yè)務流，提供了Group組的優(yōu)先調(diào)度策略，優(yōu)先保障PON口下組播流的速率。其次，對于OLT的PON口各用戶ONU而言，該模型提供ONU內(nèi)各業(yè)務以及ONU間業(yè)務的分級式層次化調(diào)度策略。該模型有三級優(yōu)先級調(diào)度，ONU內(nèi)單個隊列節(jié)點提供CIR和PIR的控制參數(shù)，單個ONU節(jié)點提供SP(Strict Priority，嚴格優(yōu)先級)、WRR(Weighted Round Robin，加權輪詢)的控制參數(shù)，L0節(jié)點提供對于多個ONU的加權輪詢的控制參數(shù)，PON口節(jié)點只提供嚴格優(yōu)先級的控制參數(shù)。該模型具有業(yè)務級和ONU級，兩級CIR、PIR保證，并有優(yōu)先保障組播業(yè)務的優(yōu)點。

優(yōu)化的HQoS調(diào)度模型采用業(yè)務級別、用戶級別再到業(yè)務級別的混合分層模式，每一級別可以使用不同的特征進行流量管理。通過不同級別的隊列調(diào)度實現(xiàn)了多層次的流量管理，從而可以更好地幫助運營商實現(xiàn)多用戶、多業(yè)務的服務管理?？墒褂肁CL過濾條件對數(shù)據(jù)流進行預處理，能夠在入口源頭對接入網(wǎng)系統(tǒng)進行擁塞避免和優(yōu)先級處理。

圖5 優(yōu)化HQoS模型

3 HQoS的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)業(yè)務在OLT中需經(jīng)過流分類、優(yōu)先級處理、流量監(jiān)管、擁塞避免和擁塞管理等QoS策略后，從出口端轉發(fā)出去，具體步驟如下：

(1)流分類，對入口進來的數(shù)據(jù)流根據(jù)其VLAN、VLAN+Priority、VLAN+Port或者Port+VLAN+Priority區(qū)分HQoS用戶數(shù)據(jù)單播業(yè)務流，前兩種適用于單橋模型業(yè)務，后兩種適用于多橋模型業(yè)務；

(2)根據(jù)數(shù)據(jù)流優(yōu)先級或者其他ACL條件，確定數(shù)據(jù)流的內(nèi)部優(yōu)先級Local Priority。未做ACL流處理時，該數(shù)據(jù)流的內(nèi)部優(yōu)先級等于其802.1Q cos值，也可直接通過特定條件標記該數(shù)據(jù)流的內(nèi)部優(yōu)先級；

(3)數(shù)據(jù)流根據(jù)其內(nèi)部優(yōu)先級，按照特定的規(guī)則進入相應的隊列(Queue)，每個ONU最多有8個隊列，默認優(yōu)先級為0的進隊列0，……優(yōu)先級為7的進隊列7；

(4)單個ONU節(jié)點調(diào)度器對其隊列進行調(diào)度，此處可做嚴格優(yōu)先級或者加權輪詢的參數(shù)控制；

(5)L0節(jié)點調(diào)度器對該PON口下所有ONU的調(diào)度器進行調(diào)度，僅能使用加權輪詢的方式，但可以設置ONU調(diào)度時的權值，權值越大，ONU可容許的帶寬越大；

(6)最后在PON出口端優(yōu)先保證組播業(yè)務數(shù)據(jù)。

該HQoS模型實現(xiàn)了對多個ONU業(yè)務的三級層次化

表1 測試結果

如表1所示給出的統(tǒng)計結果，ONU1內(nèi)各業(yè)務采用嚴格優(yōu)先級的調(diào)度策略，擁塞時先丟棄優(yōu)先級低的業(yè)務，即先丟棄10 M優(yōu)先級為0的業(yè)務流，再丟棄5 M優(yōu)先級為1的業(yè)務流，而優(yōu)先級為2的業(yè)務流不丟包；ONU2各業(yè)務采用加權輪詢的調(diào)度策略，擁塞時各優(yōu)先級業(yè)務按權值通過，各優(yōu)先級業(yè)務流收包數(shù)相同(權值相等時)。

兩個ONU之間單播業(yè)務采用加權輪詢的調(diào)度策略，擁塞時各ONU單播業(yè)務按權值通過，按式(1)計算，ONU1、ONU2的單播數(shù)據(jù)流實際流速均為15M(權值相同時)。

(1)

PON口單播、組播業(yè)務采用嚴格優(yōu)先級的調(diào)度策略，擁塞時優(yōu)先保證組播業(yè)務，統(tǒng)計結果可以看出組播業(yè)務均不丟包。測試結果分析證明達到了預期目標。

5 結論

本文針對現(xiàn)有的常用于傳輸網(wǎng)數(shù)據(jù)轉發(fā)的HQoS模型，提出了適用于接入網(wǎng)的區(qū)分并保障組播業(yè)務的HQoS改進模型。模擬實際應用場景進行測試，證明了改進模型能夠對不同的用戶采用單獨的調(diào)度策略，并針對組播業(yè)務做單獨的保障組播業(yè)務QoS的處理。

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調(diào)度。第一級是每個ONU隊列之間的調(diào)度(這一級別的調(diào)度方式是可以更改的，默認為SP)，第二級為每個PON口ONU與ONU之間的調(diào)度(這一級別的調(diào)度方式固定為WRR，權值可以更改，默認每個ONU的權值為1)，第三層為PON口的ONU與組播通道之間的調(diào)度(這一級別的調(diào)度方式不可更改，固定為SP，且組播通道的優(yōu)先級更高)。

4 性能測試及分析

配置PON口為層次化調(diào)度模式，圖6給出了OLT中下行業(yè)務HQoS配置。

PON口下有兩個ONU，分別有8個隊列，ONU1的8個隊列采用SP嚴格優(yōu)先級的調(diào)度策略(Mode=SP)，ONU2的8個隊列采用WRR加權輪詢的調(diào)度策略(Mode=WRR)，每個隊列的權值為1(WEIGHT=1)，ONU的下行單播帶寬均為15M；ONU間采用加權輪詢的調(diào)度策略(Mode=WRR)，兩個ONU的權值都為1(WT=1)；PON口對單播、組播業(yè)務采用嚴格優(yōu)先級的調(diào)度策略(MODE=SP)，組播帶寬限速為10 M，PON出口限速40 M。

圖6 HQoS配置

按圖7搭建測試環(huán)境，本次測試使用兩個ONU，測試儀表端口A接OLT上聯(lián)口，端口B、C分別接ONU1、ONU2的LAN口。使用測試儀表模擬真實用戶和網(wǎng)絡服務器之間的數(shù)據(jù)交互過程，A口向OLT上聯(lián)口發(fā)送下行數(shù)據(jù)流，經(jīng)過OLT的HQoS處理后，數(shù)據(jù)到達ONU，通過測試儀表對ONU1、ONU2收到的數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計分析，表1給出測試結果。

The application and optimization of HQoS in GPON system

He Rui, Ye Jianfang, Shi Jian, Shi Si

(School of Information Science and Technology,Donghua University, Shanghai 201620, China)

As the optical access is replacing copper access, the application scenarios of fiber access network based on Gigabit Passive Optical Network (GPON) gradually increase. Besides, users’ requirements on the quality of network services and the operators’ needs of reducing construction cost facilitate QoS technology to develop rapidly. Therefore, traditional QoS can no longer meet the requirements of present network, while Hierarchical Quality of Service (HQoS) technology realizes multi-level flow management, so it can better help operators achieve multi-user and multi-business service management. Based on HQoS model of existing access network, this paper put forward the improvement suggestions of classifying multicast services and conducting separate QoS processing. Besides, a simulation test of the actual application of the improved model was also carried out. The test result showed that the improved model is able to adopt different scheduling strategies according to different users and separately conduct QoS processing for multicast services.

GPON(Gigabit Passive Optical Network); HQoS(Hierarchical Quality of Service); multicast

圖7 測試環(huán)境圖

東華大學非線性科學研究所交叉課題(20160905-3)

TN929.11

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.023

何睿，葉建芳，石健，等.HQoS在GPON系統(tǒng)中的應用與優(yōu)化[J].微型機與應用，2017,36(13)：76-78,81.

2017-01-11)

何睿(1994-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：光纖接入網(wǎng)。

葉建芳(1964-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：無線通信、網(wǎng)絡協(xié)議。

石健(1994-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：光纖傳輸網(wǎng)。