鮑興川 彭 林
(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司信息通信研究所 江蘇 南京 210003)
SDN作為當(dāng)前熱門的新型創(chuàng)新技術(shù)架構(gòu),具備用戶可編程的優(yōu)勢,同時(shí)在功能上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)面及控制面的分離,保證網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。
傳統(tǒng)的配電通信網(wǎng)由于其通信結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)龐雜、分布地域分散等原因,難以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率以較好地進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一部署,滿足配電網(wǎng)多業(yè)務(wù)、多監(jiān)測點(diǎn)、大數(shù)據(jù)量的通信需求[1]。目前配電網(wǎng)通信技術(shù)主要有如下幾種:無線公網(wǎng)專線通信、配電線載波主從專網(wǎng)通信技術(shù)、光纖專網(wǎng)通信。無線公網(wǎng)專線通信技術(shù)的傳輸時(shí)延大、傳輸速率低、傳輸可靠性低,不適合進(jìn)行高速可靠傳輸。配電線載波主從專網(wǎng)通信技術(shù)傳輸速率難以提高,抗干擾能力差,不適合對其加以改進(jìn)優(yōu)化。光纖專網(wǎng)通信技術(shù)中,傳統(tǒng)無源光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)PON(Passive Optical Network)技術(shù)主要有基于異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transmission Mode)傳輸協(xié)議的無源光網(wǎng)絡(luò)APON(ATM Passive Optical Network)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON(Ethernet Passive Optical Network)、千兆比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)GPON(Gigabit-Capable Passive Optical Network)三種,其中:APON技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜成本高,伴隨著ATM技術(shù)的退化被淘汰;GPON技術(shù)雖然具備著超高帶寬下的高速傳輸,又能滿足各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,但其成本過高,實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜,目前普及率較低[2];EPON技術(shù)本著綜合成本低、施工快捷、設(shè)備安全等優(yōu)點(diǎn),在配電通信網(wǎng)中已得到廣泛應(yīng)用[3]。隨著智能用電等業(yè)務(wù)的逐步推廣,數(shù)據(jù)流量迅猛增長,傳統(tǒng)的EPON技術(shù)已經(jīng)無法滿足傳輸速度的大幅提升和服務(wù)質(zhì)量、安全性的提高?;旌闲蚑DM/WDM-EPON系統(tǒng)不僅能夠提高速度,同時(shí)成本低且能保證更好的服務(wù)質(zhì)量和安全性[4]。
動態(tài)帶寬分配算法最初由Kramer等[2]在2001年提出。Mukherjee等[6]提出二級調(diào)度恒定比特率CBR(Constant-Bit-Rate)算法。該算法在原先自適應(yīng)周期交叉輪詢IPACT(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time)算法的基礎(chǔ)之上增加了內(nèi)部優(yōu)先級調(diào)度,根據(jù)優(yōu)先級數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)分配到不同的隊(duì)列中進(jìn)行緩存。然后在光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)之間根據(jù)IPACT算法來進(jìn)行調(diào)度。該算法雖然可以為較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供帶寬保證,但因其公平性算法的不足,因此不能保證延時(shí)業(yè)務(wù)和對帶寬不敏感的業(yè)務(wù)公平地進(jìn)行帶寬分配。隨后,由MCGARRY等提出Online算法,該算法采用下一個(gè)可支持信道NASC(Next Available Supported Channel)策略并通過光線路終端OLT(Optical Line Terminal)進(jìn)行波長調(diào)度,可以根據(jù)需求為ONU優(yōu)先分配空余波長。但僅僅只考慮波長分配,而沒有在時(shí)間分配上進(jìn)行深入研究。雖然在某種程度上可以提高傳輸速度,但是由于上行帶寬空閑較多,因此利用率較低[7]。
文獻(xiàn)[8-11]對動態(tài)帶寬分配算法有深入研究,但在當(dāng)前的配電通信網(wǎng)環(huán)境下,算法執(zhí)行技術(shù)架構(gòu)很少應(yīng)用到SDN技術(shù)架構(gòu)[12]。而現(xiàn)如今的配電網(wǎng),越來越多的節(jié)點(diǎn)的共享接入,感知信息的快速靈活可靠傳輸,配電網(wǎng)更多業(yè)務(wù)的通信需求難以被保證。因此,考慮將算法技術(shù)架構(gòu)與SDN技術(shù)架構(gòu)相結(jié)合,以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源與能量資源的負(fù)載均衡。
本文的目標(biāo)是在SDN架構(gòu)下,研究配電網(wǎng)環(huán)境中基于SDN的自適應(yīng)混合動態(tài)帶寬分配算法;研究一種通過自適應(yīng)感知睡眠機(jī)制來實(shí)現(xiàn)節(jié)能,以提升網(wǎng)絡(luò)帶寬和吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率與節(jié)能率、實(shí)現(xiàn)在配電網(wǎng)環(huán)境下使得更多的節(jié)點(diǎn)可以共享單個(gè)高容量的光纖接入,支撐多監(jiān)測點(diǎn)、大數(shù)據(jù)量的配電網(wǎng)感知信息的高帶寬無線傳輸。
鑒于傳統(tǒng)的混合型TDM/WDM-EPON動態(tài)帶寬分配算法所表現(xiàn)出的不足,本文提出的算法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 算法系統(tǒng)架構(gòu)圖
在應(yīng)用層中,OLT其位于EPON系統(tǒng)架構(gòu)的局端,被放置在變電站的中央計(jì)算機(jī)機(jī)房中,而ONU則放置在遠(yuǎn)離饋線終端裝置FTU(Feeder Terminal Unit)或配電變壓器監(jiān)測終端TTU(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit)的某些終端上,通過廣播下發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)從OLT傳輸至向下掛載的ONU,而ONU采用時(shí)分復(fù)用的方式將數(shù)據(jù)上傳至OLT,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙工雙向的通信。每個(gè)ONU配有可調(diào)激光器,OLT是可以連接至ONU并能接收數(shù)據(jù)的固定收發(fā)器,其可以根據(jù)Report消息首先分配可用波長,然后分配給各種ONU。因此,該架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)OLT利用動態(tài)波長和動態(tài)時(shí)隙進(jìn)行分配。
控制層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的核心,主要通過模塊完成以下任務(wù):(1) 由SDN控制器控制各模塊獨(dú)立運(yùn)行,并將各模塊形成的數(shù)據(jù)收集計(jì)算并下發(fā)至數(shù)據(jù)存儲設(shè)備進(jìn)行存儲;(2) 從吞吐量模塊、拓?fù)淠K中獲取吞吐量大小、拓?fù)涞刃畔⑿纬扇至餍畔?,并提供給SDN控制器模塊計(jì)算;(3) 根據(jù)SDN控制器模塊計(jì)算得出的全局最佳帶寬分配策略上傳至應(yīng)用層模型中,同時(shí)生成流量表下發(fā)至各個(gè)交換節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn);(4) SDN控制器模塊根據(jù)資源利用情況計(jì)算并通過調(diào)節(jié)節(jié)能模塊實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用層資源分配的優(yōu)化。其中節(jié)能模塊被設(shè)計(jì)成兩種模式,分為單輪詢模式和多輪詢模式。本文將ONU分解為四個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)際測量,四個(gè)模塊的能耗比例分別為以太網(wǎng)模塊占8.7%,交換模塊占15.4%,CPU占36.3%,光模塊占39.6%。當(dāng)ONU在單輪詢模式的時(shí)候,交換設(shè)備和光設(shè)備模塊被部分關(guān)閉,但是以太網(wǎng)模塊和CPU模塊可以繼續(xù)接收客戶端數(shù)據(jù)。在多輪詢模式中,SDN控制器模塊可以根據(jù)ONU的業(yè)務(wù)決定ONU休眠輪詢周期,通常情況下ONU的睡眠時(shí)間設(shè)為輪詢周期時(shí)間的整數(shù)倍數(shù)。同時(shí)在多輪詢模式下,SDN控制器模塊只打開以太網(wǎng)模塊,CPU模塊選擇部分設(shè)備緩存用戶數(shù)據(jù),在睡眠周期結(jié)束之前,ONU只打開光模塊和交換模塊。因此,該架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能,提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率與節(jié)能率。
在轉(zhuǎn)發(fā)層中,各設(shè)備之間相互獨(dú)立,通過無線設(shè)備、路由設(shè)備接收信息,由防火墻設(shè)備過濾有害信息。最終,轉(zhuǎn)發(fā)層設(shè)備具體運(yùn)行如下:首先由SDN控制器將控制層收錄的信息寫入數(shù)據(jù)存儲設(shè)備;然后通過路由設(shè)備從數(shù)據(jù)存儲中讀出進(jìn)行評估;最后交給SDN控制器模塊制定全局最佳帶寬分配策略。
本文在SDN環(huán)境中實(shí)現(xiàn)算法,通過SDN控制器獲取網(wǎng)絡(luò)中所有ONU節(jié)點(diǎn)和OLT節(jié)點(diǎn)以及鏈路的狀態(tài)信息。當(dāng)所有Report信息被接收,根據(jù)資源分配選擇進(jìn)行休眠模式或工作模式,對于高負(fù)載和低負(fù)載ONU時(shí),算法采取不同的調(diào)整策略。具體算法流程圖如圖2所示。
圖2 總體算法流程圖
其中,HighLoadONU算法偽代碼如下:
Initial the Report Table;
Reset the total Bandwidth;
Seti=0;
if
the ith Report from HighLoadONU
if
all Bandwidth has been allocated
in the current cycle
then
Update Report Table;
Reset excess bandwidth;
else
end if;
else if
the ith Report is the last one
then
Allocate the bandwidth according to the proportion of
bandwidth to all HighLoadONUs which have not provided services;
else
end if;
return Report Table;
其中,LightLoadONU算法偽代碼如下:
Initial the Report Table;
Reset the total Bandwidth;
Seti=0;
if
the ith Report from LightLoadONU
if
all Bandwidth has been allocated in the current cycle
Update Report Table;
Reset excess bandwidth;
else
Search for the minimum requests from HighLoadONU;
if
find one bandwidth request
if
bandwidth request can be allocated by excess bandwidth in current cycle
Allocated the bandwidth;
else if
the ith Report is the last one
Allocate the bandwidth according to the proportion of
bandwidth to all HighLoadONUs which have not provided services;
else
end if;
end if;
return Report Table;
改進(jìn)算法的目標(biāo)是提升網(wǎng)絡(luò)帶寬和吞吐量,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率與節(jié)能率。改進(jìn)算法部分計(jì)算步驟如下:首先,每個(gè)ONU的最小保證帶寬的大小取決于基于各自服務(wù)級別協(xié)議SLA(Service Level Agreement)分配的權(quán)重,即滿足:
(1)
因此OLT可以為ONU分配的最小保證帶寬可以計(jì)算為:
(2)
式中:K為波長的總數(shù)目。
假設(shè)每個(gè)ONU沒有進(jìn)行SLA分類,且滿足對于任意的ONU都有:
(3)
那么最小保證帶寬則為:
(4)
式中:對于輕載的ONU可以立即在特定的信道上進(jìn)行調(diào)度,而不用等待其余的ONU發(fā)送Report消息。提前分配可以有效地提高延遲性能。但是,由于OLT將不得不跟蹤從每個(gè)ONU接收到的每條Report消息,所以這種方案可能會增加動態(tài)波長和帶寬分配DWBA(Dynamic Wavelength and Bandwidth Allocation)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。因此,OLT必須存儲每個(gè)ONU不同狀態(tài)下的冗余信息以保證分配適當(dāng)?shù)膫鬏敶翱?。小?fù)載下,第i個(gè)ONU帶寬分配的大小由最小保證帶寬和剩余帶寬組成,即:
(5)
式中:剩余帶寬為:
(6)
式中:Wre為所有ONU的帶寬請求,Wex為總剩余帶寬。
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
本文使用OPNET 14.5實(shí)驗(yàn)平臺模擬運(yùn)行環(huán)境,硬件環(huán)境為聯(lián)想System x3850(6241H4C),CPU為8x3.1 GHz,內(nèi)存4×32 GB DDR3 1 600 MHz,硬盤為6×1.2 TB硬盤+2×400 GB固態(tài)硬盤,系統(tǒng)為Windows 10。本文實(shí)驗(yàn)仿真利用OPNET Modeler軟件進(jìn)行建模,OPNET Modeler采用三層建模機(jī)制,分別在應(yīng)用層、控制層、轉(zhuǎn)發(fā)層由下而上地進(jìn)行建模。其中,應(yīng)用層作為最高層次,由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信鏈路組成,由該層模型直接可以建立起仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);控制層由協(xié)議模塊和這些模塊之間的各種連接組成,包括吞吐量檢測、流量表分配、節(jié)能模塊等,在該層可以建立起仿真網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)模塊模型,其中每個(gè)協(xié)議模塊對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程模型;轉(zhuǎn)發(fā)層作為底層,由各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接組成,而這些設(shè)備可以采用外接的方式接入仿真環(huán)境。
基于SDN的自適應(yīng)混合型TDM/WDM-EPON系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模型主要分為ONU節(jié)點(diǎn)和OLT節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M64個(gè)ONU,模擬每條線路速率為1 Gbit/s,每個(gè)周期為2 ms,保護(hù)時(shí)間為1 μs,光纖中的傳播延遲大小設(shè)置為5 μs/km。在實(shí)驗(yàn)中,流量服從帕累托分布,以50∶30∶20的比例分為三種不同的服務(wù)等級(高優(yōu)先級業(yè)務(wù)隊(duì)列EF、中優(yōu)先級業(yè)務(wù)隊(duì)列AF和低優(yōu)先級業(yè)務(wù)隊(duì)列BE)來生成流量。為保證最終的生成數(shù)據(jù)源更接近實(shí)際終端用戶數(shù)據(jù)量需求,本文設(shè)置數(shù)據(jù)包大小均勻分布在32字節(jié)到2 048字節(jié)之間,其中EF業(yè)務(wù)采用泊松分布模型且數(shù)據(jù)包固定大小為64字節(jié),上行傳輸速率不變,AF業(yè)務(wù)和BE業(yè)務(wù)相似,具備長相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.8。
在本節(jié)中,為驗(yàn)證所提出的基于SDN的動態(tài)帶寬分配的算法性能,從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的端到端時(shí)延、業(yè)務(wù)的平均隊(duì)列深度以及平均節(jié)能百分比方面與傳統(tǒng)的動態(tài)帶寬分配算法進(jìn)行仿真分析。以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果所涉及的參量值都是在經(jīng)過多次仿真所得的結(jié)果。在ONU距離OLT最遠(yuǎn)的分組中,不同ONU網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的時(shí)延如圖3所示。
圖3 傳統(tǒng)EPON、TDM/WDM-EPON及改進(jìn)節(jié)能SDN TDM/WDM-EPON延遲比較
圖3顯示傳統(tǒng)EPON、混合型TDM/WDM-EPON與本文提出的基于SDN TDM/WDM-EPON三種EPON在較低的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下具有的相似性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真顯示,隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加,延遲分別比IPACT減少了32%和53%。實(shí)驗(yàn)仿真可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況調(diào)整不同業(yè)務(wù)隊(duì)列的初始值,從而調(diào)整每個(gè)ONU傳輸時(shí)隙的大小。
圖4顯示了三種服務(wù)等級與單一模式下的延遲比較,可以看出,由于優(yōu)先級分配和請求帶寬的影響,高優(yōu)先級EF的流量具有最小的延遲。
圖4 三種服務(wù)等級以及單一模式延遲比較
圖5顯示了兩種算法在一個(gè)周期內(nèi)ONU的平均隊(duì)列深度的對比。從圖中可以看出,自適應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON在低到中等負(fù)載的周期內(nèi)將ONU的平均隊(duì)列深度降低了數(shù)千字節(jié)。
圖5 TDM/WDM-EPON與改進(jìn)后平均隊(duì)列深度比較
圖6顯示了自適應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON與傳統(tǒng)TDM/WDM-EPON在平均數(shù)據(jù)包延遲方面的性能對比?;谧赃m應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON節(jié)能算法在中低負(fù)載時(shí)減少了延遲,在低負(fù)載(0.10~0.40)下,算法性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)TDM/WDM-EPON下的算法,其可以在數(shù)百微秒內(nèi)消除平均數(shù)據(jù)包延遲。
圖6 TDM/WDM-EPON與改進(jìn)后平均數(shù)據(jù)包延遲比較
圖7顯示了基于自適應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON節(jié)能算法和基于傳統(tǒng)TDM/WDM-EPON算法中輕負(fù)載ONU的平均隊(duì)列深度。與傳統(tǒng)TDM/WDM-EPON相比,自適應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON中每個(gè)ONU在一個(gè)周期內(nèi)將平均隊(duì)列深度減少3 400~6 400字節(jié)。
圖7 TDM/WDM-EPON與改進(jìn)后輕負(fù)載ONU平均隊(duì)列深度比較
圖8顯示與傳統(tǒng)TDM/WDM-EPON相比,自適應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON減少了高負(fù)載ONU的平均隊(duì)列深度。本文所提出的算法的平均隊(duì)列深度與傳統(tǒng)的TDM/WDM-EPON相比起來,平均隊(duì)列深度最小減少6 400字節(jié),而最大減少34 000字節(jié)。
圖8 TDM/WDM-EPON與改進(jìn)后高負(fù)載ONU平均隊(duì)列深度比較
在圖9中的小負(fù)載情況下,不同的ONU節(jié)能約為93.2%。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加,節(jié)能衰減地很快。當(dāng)負(fù)載大于等于0.9時(shí),不再節(jié)能。
圖9 不同ONU負(fù)載率的平均節(jié)能百分比
圖10顯示了在單位周期中,不同負(fù)載下的ONU所消耗的帶寬的比較。相比于傳統(tǒng)的TDM/WDM-EPON,本文所提出的自適應(yīng)SDN TDM/WDM-EPON減少了帶寬的消耗,提高了帶寬利用率。本文提出的算法中均采用嚴(yán)格的優(yōu)先級調(diào)度作為本文的ONU內(nèi)調(diào)度機(jī)制。同時(shí),本文還對ONU帶寬的浪費(fèi)進(jìn)行評估。在負(fù)載率為0.5時(shí)運(yùn)行了模擬,并通過高負(fù)載的ONU測量每個(gè)周期中浪費(fèi)的平均帶寬,如圖11所示。
圖10 單位周期內(nèi)不同負(fù)載ONU消耗平均帶寬比較
圖11 負(fù)載為0.5的ONU平均帶寬浪費(fèi)比較
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,可以在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的情況下降低平均分組延遲。在ONU為輕負(fù)載時(shí),每個(gè)ONU平均隊(duì)列深度在一個(gè)周期內(nèi)可以最多減少6 400字節(jié);在ONU為高負(fù)載時(shí),每個(gè)ONU平均隊(duì)列深度在一個(gè)周期內(nèi)最多可以減少34 000字節(jié)。在負(fù)載率為0.5的情況下,改進(jìn)的算法在對帶寬利用率有著顯而易見提升,在高負(fù)載ONU下浪費(fèi)的帶寬較傳統(tǒng)算法可以減少416字節(jié),在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率很低時(shí),節(jié)能百分比最終可達(dá)到93.2%,實(shí)現(xiàn)提升網(wǎng)絡(luò)帶寬和吞吐量,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率與節(jié)能率。
配電通信網(wǎng)一直是電力系統(tǒng)中一個(gè)比較具有挑戰(zhàn)性的課題,而研究配電無線通信系統(tǒng)對于解決此類問題有著重要的作用。因此,采用新的自適應(yīng)SDN混合TDM/WDM-EPON動態(tài)帶寬分配節(jié)能改進(jìn)算法提高了靈活性,降低了資源浪費(fèi)。隨著研究的不斷深入,還有許多工作值得后續(xù)關(guān)注和跟進(jìn)。
(1) 模型評估標(biāo)準(zhǔn)與算法復(fù)雜度 本文算法通過SDN控制器來根據(jù)實(shí)際帶寬分配情況尋找最佳帶寬分配策略,但是并沒有考慮到交換機(jī)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)速率以及傳輸時(shí)延。因此,在評估標(biāo)準(zhǔn)不斷增加的情況下,算法復(fù)雜度也應(yīng)當(dāng)考慮到SDN控制器模塊帶來的復(fù)雜度,同時(shí)算法的準(zhǔn)確度分析也需要進(jìn)一步跟進(jìn)。
(2) 數(shù)據(jù)復(fù)雜分析 SDN控制器的數(shù)據(jù)雖然可以預(yù)測,但本文對模型分析也僅局限于應(yīng)用層下的基礎(chǔ)模型,沒有考慮加入SDN模型后的實(shí)際數(shù)據(jù)變化。因此,在轉(zhuǎn)發(fā)層中的設(shè)備不斷優(yōu)化改進(jìn)的同時(shí),對設(shè)備的數(shù)據(jù)分析也必須考慮其中。