10G/40G PON 動(dòng)態(tài)可編程帶寬分配方案（本期優(yōu)秀論文）

陳 冬，殷愛菡，王嘉偉，趙海霞，張青苗，展愛云

（華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌330013）

10G/40G PON 動(dòng)態(tài)可編程帶寬分配方案（本期優(yōu)秀論文）

陳 冬，殷愛菡，王嘉偉，趙海霞，張青苗，展愛云

（華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌330013）

提出10G/40G PO N系統(tǒng)的一種動(dòng)態(tài)可編程帶寬分配方案，內(nèi)置了多種經(jīng)典的動(dòng)態(tài)帶寬分配（D BA）算法，運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)用戶的需求加入自定義的D BA新算法，并且可根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)情況自動(dòng)加載最適合的D BA算法。重新定義了操作、管理和維護(hù)（O A M）數(shù)據(jù)單元幀，經(jīng)過改進(jìn)的O A M發(fā)現(xiàn)過程增強(qiáng)了O A M的能力通告功能。

PO N；動(dòng)態(tài)更新；可編程；D BA

0 引言

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法大多是基于輪詢的方式，包括經(jīng)典的輪詢算法IPACT算法[1]以及一些新的算法[2～4]，但是輪詢機(jī)制存在授權(quán)窗口浪費(fèi)、時(shí)隙浪費(fèi)以及閑置隊(duì)列浪費(fèi)等問題[5，6]。而且，目前的PON設(shè)備中只采用一種帶寬分配算法機(jī)制來執(zhí)行調(diào)度，無法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及用戶情況調(diào)整帶寬分配方案。如果要改變帶寬分配的調(diào)度機(jī)制，必須更換OLT/ ONU產(chǎn)品的硬件芯片，靈活性不高。同時(shí)，各PON生產(chǎn)廠家的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法的策略機(jī)制不同，使PON系統(tǒng)互聯(lián)互通存在困難[7]。另外，若以至少1:32的比例來布置PON，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用要求而言也具有挑戰(zhàn)性。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)可編程帶寬分配方案非常重要。

1 動(dòng)態(tài)可編程框架

動(dòng)態(tài)可編程框架如圖1所示，包含OLT和若干ONU單元。OLT中輪詢模塊以及可編程算法調(diào)度控制模塊決定合適的DBA算法，ONU間消除機(jī)制模塊用于消除各ONU的剩余隊(duì)列授權(quán)，此外OLT還包含了交換轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)分類和隊(duì)列管理等基本模塊。ONU中除了含有接收、交換轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)分類、隊(duì)列管理和算法調(diào)度控制等基本模塊，還加入ONU內(nèi)消除機(jī)制模塊，用來減少ONU的閑置隊(duì)列和授權(quán)浪費(fèi)。系統(tǒng)具體工作步驟如下：

①本地設(shè)備上電，核心模塊從存儲(chǔ)設(shè)備或者外圍設(shè)備加載帶寬分配算法至可編程模塊之中，對(duì)各個(gè)部分的參數(shù)以及用戶的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行初始化處理。

②當(dāng)本地的PON與其它的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，本地PON中局端OLT對(duì)接收包的指定字節(jié)類型進(jìn)行檢測(cè)，并判斷待通信網(wǎng)絡(luò)是否與本地PON是否兼容。

③若待通信網(wǎng)絡(luò)與本地PON兼容，則繼續(xù)保持當(dāng)前模塊中的帶寬分配算法。

圖1 自適應(yīng)可編程框架圖

④若不兼容，那么就通知核心模塊，核心模塊此時(shí)會(huì)檢測(cè)存儲(chǔ)設(shè)備和外圍設(shè)備中是否存在有適合當(dāng)前待通信網(wǎng)絡(luò)的分配算法；如果有適合的算法，則將該分配算法加載至模塊之中；否則，通過串口加載適合的分配算法。

⑤當(dāng)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中一些ONU重新劃分類別時(shí)，ONU的核心模塊會(huì)向局端OLT發(fā)送請(qǐng)求。

⑥局端OLT的核心模塊在接收到ONU的請(qǐng)求之后，會(huì)將相關(guān)類別的算法發(fā)送給ONU，ONU接收到算法之后將它加載至相應(yīng)的模塊以及存儲(chǔ)設(shè)備中。

⑦若ONU中的某些用戶想放棄或者是升級(jí)級(jí)別，ONU的核心模塊會(huì)對(duì)用戶的帶寬分配邏輯進(jìn)行重新調(diào)整。

OLT的算法調(diào)度控制過程如圖2所示，核心控制模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況或者用戶需求從內(nèi)存或外圍設(shè)備中調(diào)用合適的預(yù)置帶寬分配算法，計(jì)算對(duì)各個(gè)ONU的授權(quán)帶寬，并將授權(quán)信息寫入Gate幀中，與其它控制幀如Register幀等進(jìn)行匯聚。同時(shí)下行數(shù)據(jù)與邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID）相結(jié)合得到數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀和控制幀通過多路復(fù)用器進(jìn)行復(fù)用，并經(jīng)過檢測(cè)、編碼和加密的數(shù)據(jù)，廣播發(fā)送給所有ONU。OLT接收ONU發(fā)送來的數(shù)據(jù)經(jīng)過檢測(cè)、譯碼和解密，對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理。處理后得到的正確信息中含有每個(gè)ONU的邏輯鏈路標(biāo)識(shí)LLID，OLT根據(jù)LLID對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別，并利用數(shù)據(jù)/控制幀分類模塊對(duì)信息進(jìn)行分類，如果是數(shù)據(jù)幀則直接接收；如果是帶寬請(qǐng)求控制幀，先利用算法識(shí)別模塊對(duì)其采用的帶寬分配算法進(jìn)行識(shí)別，再將其送入核心控制模塊，并利用適宜的帶寬分配算法進(jìn)行授權(quán)計(jì)算。

圖2 OLT算法調(diào)度控制工作原理

ONU算法調(diào)度控制原理與OLT類似，各種模塊與OLT保持一致，只是ONU發(fā)送數(shù)據(jù)為上行，接收的數(shù)據(jù)為下行，與OLT正好相反。ONU中的核心控制模塊不進(jìn)行授權(quán)計(jì)算，只是用于識(shí)別OLT發(fā)來的控制幀，以獲得OLT所采用的帶寬分配算法信息。ONU的算法識(shí)別模塊是根據(jù)操作碼 OPCODE（Operation Code）來識(shí)別OLT中采用的DBA算法。

2 ONU剩余隊(duì)列長(zhǎng)度消除

由于業(yè)務(wù)類中數(shù)據(jù)包是隨機(jī)的，所有ONU隊(duì)列中的剩余發(fā)送長(zhǎng)度可能無法滿足所有數(shù)據(jù)包的需求，從而造成剩余隊(duì)列發(fā)送長(zhǎng)度浪費(fèi)。消除剩余隊(duì)列發(fā)送長(zhǎng)度有兩種，即ONU內(nèi)消除和ONU間消除。

①ONU內(nèi)消除。設(shè)第i個(gè)ONU內(nèi)所有剩余發(fā)送長(zhǎng)度之和為UPRi，它可能大于某一隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，因此可在該ONU內(nèi)進(jìn)行分配消除。算法首先計(jì)算UPRi，然后檢查待發(fā)送數(shù)據(jù)包所在隊(duì)列是否有足夠的授權(quán)來發(fā)送該數(shù)據(jù)包，如果有，則直接發(fā)送；如果沒有，則比較UPRi和該數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。如果UPRi大于該數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，則可發(fā)送該數(shù)據(jù)包，并將UPRi減少相應(yīng)長(zhǎng)度，并持續(xù)該過程；如果UPRi小于該數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，則不能發(fā)送，UPRi將被浪費(fèi)。

②ONU間消除。當(dāng)ONU內(nèi)部不能消除UPRi時(shí)，則所有ONU的UPRi就需要在ONU間消除。如果相鄰的兩個(gè)ONU滿足：

這說明交接棒可實(shí)現(xiàn)，前一個(gè)ONU的可以傳遞給下一個(gè)ONU來消除。但這種方法實(shí)現(xiàn)的幾率很低。因此本文對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先在OLT段建立一個(gè)查詢表，為每一個(gè)ONU定義一個(gè)qi(m)值，并定義一個(gè)全局指針qi(m)，則：

然后按照qi(m)值對(duì)ONU從大到小進(jìn)行排序。此時(shí)，當(dāng)表中兩個(gè)相鄰ONU中的一個(gè)RTTi很小或者(m)+ tguard+treport很大時(shí)，這兩個(gè)ONU滿足交換條件。

OLT從排序后的查詢表中取出第一個(gè)ONU作為交棒者，計(jì)算它的UPRi，對(duì)此ONU授權(quán)使它的發(fā)送窗口起始時(shí)間提前UPRi，然后取出第二個(gè)ONU作為接棒者，判斷是否滿足交接棒條件，如果不滿足則按照正常機(jī)制對(duì)第二個(gè)ONU進(jìn)行授權(quán)，UPRi被浪費(fèi)掉；如果滿足，則等第一個(gè)ONU的接力棒到達(dá)后再對(duì)第二個(gè)ONU授權(quán)，同時(shí)把它作為交棒者，重復(fù)上述過程直到周期結(jié)束。具體流程如圖3所示。其中，(m)指向數(shù)據(jù)包，(m)指向所有隊(duì)列中最早到達(dá)的數(shù)據(jù)包，(m)指向所有ONU中有最早開始時(shí)間數(shù)據(jù)包的隊(duì)列，(m)指向(m)所指向隊(duì)列的剩余授權(quán)窗口值。

圖3 ONU消除未用的流程圖

3 改進(jìn)的OAM發(fā)現(xiàn)過程

為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)度模塊對(duì)不同廠商發(fā)布的OAM的支持，本文對(duì)現(xiàn)有的OAM發(fā)現(xiàn)過程進(jìn)行了改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的OAM發(fā)現(xiàn)，并對(duì)幀格式進(jìn)行了修改定義，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展OAM能力通告功能（Extended OAM Capability Notification）。當(dāng)擴(kuò)展的OAM發(fā)現(xiàn)過程完成后，OLT就可對(duì)ONU進(jìn)行帶寬分配和管理，圖4為狀態(tài)信息OAMPDU的幀結(jié)構(gòu)。

圖4 狀態(tài)信息OAMPDU結(jié)構(gòu)

ExtSupport字節(jié)用于表示是否支持該OUI設(shè)備商的OAM擴(kuò)展功能，若ExtSupport為0x01，表示支持該擴(kuò)展；若ExtSupport為0x00，表示該設(shè)備商不支持?jǐn)U展功能。當(dāng)OAMPDU確定支持?jǐn)U展信息后，則進(jìn)行與該OAM擴(kuò)展相關(guān)的進(jìn)一步的握手過程。

用于擴(kuò)展OAM發(fā)現(xiàn)的Data數(shù)據(jù)域包含一個(gè)ExtSupport字節(jié)和一個(gè)字節(jié)的Version版本號(hào)，其余為支持OUI-Version的列表。OUI-Version列表用于提供擴(kuò)展的OAM通告功能，通告該設(shè)備支持由該OUI組織發(fā)布的OAM擴(kuò)展及其版本，對(duì)OUI-Version的排序沒有要求。

擴(kuò)展的OAM發(fā)現(xiàn)過程如圖5所示。在完成標(biāo)準(zhǔn)OAM發(fā)現(xiàn)過程后，OLT發(fā)起擴(kuò)展的OAM發(fā)現(xiàn)流程，步驟如下：

①OLT首先發(fā)送OAM Ext_INFO擴(kuò)展信息給ONU，告知擴(kuò)展的狀態(tài)信息OAMPDU（包括OAM擴(kuò)展后的OUI、版本Ver.及支持的OUI-version列表）。

②ONU根據(jù)收到的信息，返回一個(gè)OAM Ext_INFO，將OUI設(shè)置為OLT的OUI，Ver.=0x00，并且將ONU所支持的OUI-Version列表上報(bào)給OLT。如果ONU支持該OUI，則ExtSupport=0x01；如果不支持，則ExtSupport=0x00。

③OLT根據(jù)ONU上報(bào)的信息，如果ExtSupport= 0x01，且ONU支持OLT當(dāng)前的OUI版本，則寫入到OAMPDU幀中，發(fā)給ONU。

④ONU收到OLT選擇的OUI和版本的消息，返回確認(rèn)信息，完成了擴(kuò)展OAM的發(fā)現(xiàn)過程。如果ExtSupport=0x01，但是ONU不支持OLT當(dāng)前的OUI版本，或者ExtSupport=0x00，則OLT發(fā)出告警，上報(bào)網(wǎng)管。

圖5 擴(kuò)展的OAM發(fā)現(xiàn)過程

4 方案分析

OLT對(duì)ONU的輪詢周期越短，ONU浪費(fèi)的授權(quán)窗口值越多，以及OLT輪詢周期越小，未使用的帶寬越多，回收增加的帶寬值越大。本文提出的方案改善了因優(yōu)先級(jí)隊(duì)列閑置導(dǎo)致的帶寬浪費(fèi)問題。

我們將動(dòng)態(tài)可編程方案與現(xiàn)有的IPACT動(dòng)態(tài)帶寬算法進(jìn)行比較，隨機(jī)選擇一個(gè)ONU的參數(shù)做對(duì)比分析，每小時(shí)采樣一次，輪詢周期為5ms，可計(jì)算出提出的方案比現(xiàn)有的IPACT算法消除浪費(fèi)的帶寬平均多出2Mb/s。除此之外，將靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、改進(jìn)的雙時(shí)序DBA算法[8]與動(dòng)態(tài)可編程帶寬分配方案進(jìn)行帶寬利用率（吞吐量）和平均時(shí)延的比較，四種算法在負(fù)載90%以下時(shí)吞吐量幾乎相等，但當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增加時(shí)，靜態(tài)算法在高負(fù)載到90%時(shí)，帶寬利用率不會(huì)增加，說明已達(dá)到極限；而動(dòng)態(tài)算法、雙時(shí)序算法和動(dòng)態(tài)可編程方案的帶寬利用率有所增加且逐漸遞增，并且動(dòng)態(tài)可編程方案的最終帶寬利用率也高于其它算法方案。

對(duì)于平均時(shí)延，四種帶寬分配算法在低負(fù)載時(shí)，都保持較低的平均時(shí)延，時(shí)延性能基本相同，但當(dāng)處于高負(fù)載狀態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)可編程方案的時(shí)延性能在重負(fù)載時(shí)最低，且時(shí)延增加速度最小，這說明可編程機(jī)制在較高吞吐量的情況下，仍能保持較低的時(shí)延。

5 結(jié)束語

本文提出了一種自適應(yīng)可編程帶寬分配的設(shè)計(jì)，并對(duì)OAM發(fā)現(xiàn)過程進(jìn)行改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，通過在OLT和ONU端加入帶寬分配算法的控制模塊，可以在設(shè)備內(nèi)預(yù)置多種經(jīng)典帶寬分配算法，同時(shí)運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)需求添加自己的帶寬分配算法，提高了帶寬分配的靈活性；通過對(duì)OAM發(fā)現(xiàn)過程的改進(jìn)以及對(duì)OAM協(xié)議數(shù)據(jù)單元幀進(jìn)行了重新定義設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)度模塊對(duì)不同廠商發(fā)布的OAM的支持，增強(qiáng)了OAM能力通告功能。

[1]KRAMER G,MUKHERJEE B,PESAVENTO G.IPACT a dynamic protocol for an Ethernet PON(EPON)[J].Communications Magazine,IEEE, 2002,40(2):74-80.

[2]解朝晟，孫強(qiáng).EPON中的一種新型動(dòng)態(tài)帶寬分配算法[J].光通信技術(shù)，2011，35(2)：1-3.

[3]朱婉瑩，何榮希，楊帥.EPON中節(jié)能動(dòng)態(tài)帶寬分配算法[J].光通信技術(shù)，2014，38(11)：35-38.

[4]LIEM A T,HWANG I S,NIKOUKAR A A,et al.Genetic expression programming-based DBA for enhancing peer-assisted music-on-demand service in EPON[J].Optical Fiber Technology,2015,22:28-35.

[5]QIUY.A novel DBA algorithm with QoS supportfor EPON networks [C]//IEEE International Conference on Broadband Network&Multimedia Technology,18 Oct.2009,Beijing:IEEE,2009:414-417.

[6]WANG Y,LIU Y.Design of DBA Algorithm in EPON Uplike[C]// 2009 Fifth International Conference on Information Assurance and Security,18 Aug.2009,Xi'An:IEEE Computer Society,2009:751-753.

[7]CHIEN AUN,CHAN,ATTYGALLE M.,NIRMALATHAS A.Local Traffic Redirection Based Dynamic Bandwidth Assignment Scheme for EPON with Active Forwarding Remote Repeater Node[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,Mar，2011,.3(3):245-253.

[8]殷愛菡，張培洲，焦曰里，等.改進(jìn)的自適應(yīng)雙時(shí)序算法的研究與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程,2009，35(24):130-132.

Dynamic programmable bandwidth allocation scheme of 10G/40G PON

CHEN Dong,YIN Ai-han,WANG Jia-wei,ZHAO Hai-xia,ZHANG Qing-miao,ZHAN Ai-yun
(School of Information Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

An dynamic programmable bandwidth allocation scheme of 10G/40G PON is brought out,includes several classical DBA algorithms.Meanwhile,operators can add other custom new DBA algorithms according to users'needs.In order to interconnect different network devices,OAM protocol data unit is redesigned. The modified OAM discovery process enhances the information capability of OAM.

PON,dynamic upgrade,programmable,DBA

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0001-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.001

2015-12-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61262079）資助；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目（20123BBG70219）資助；江西省2014年大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(1040402)資助。

陳冬（1990-），男，碩士生，主要從事光通信與光接入網(wǎng)研究。