PON網(wǎng)絡(luò)中DBA算法對(duì)高帶寬業(yè)務(wù)傳輸速度影響的技術(shù)分析

呂衛(wèi)東

中國(guó)電信股份有限公司江蘇分公司

0 背景

目前寬帶業(yè)務(wù)交付通過測(cè)速來(lái)實(shí)現(xiàn)確認(rèn)是否滿足客戶承諾速率要求。業(yè)務(wù)測(cè)速是一個(gè)端到端的處理過程，涉及到端到端整個(gè)業(yè)務(wù)流程的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括了業(yè)務(wù)測(cè)速服務(wù)器和用戶終端的硬件性能、傳輸線路的帶寬和時(shí)延、TCP的算法（包括發(fā)送緩沖區(qū)大小）、用戶端的算法（包括滑動(dòng)窗口大?。?。高帶寬業(yè)務(wù)測(cè)速對(duì)各環(huán)節(jié)的要求更為嚴(yán)格，特別是DBA算法設(shè)置合適與否，對(duì)傳輸線路的帶寬和時(shí)延存在較大的影響，為解決上述問題，滿足大規(guī)模提速需求，需深入研究DBA算法優(yōu)化方案，提升光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)能力，提升用戶感知。

1 測(cè)速原理及深度分析

1.1 TCP基本原理

TCP協(xié)議是建立在IP協(xié)議基礎(chǔ)上，面向連接的，有傳輸保證的協(xié)議。當(dāng)進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，Server側(cè)向Client側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)，Client側(cè)需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行確認(rèn)。因此，當(dāng)OLT用戶側(cè)用戶進(jìn)行下載時(shí)，需要同時(shí)向上行發(fā)送確認(rèn)幀。當(dāng)OLT用戶側(cè)用戶進(jìn)行上傳時(shí)，服務(wù)器會(huì)同時(shí)向下行發(fā)送確認(rèn)幀。

在TCP交互過程中，操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)TCP連接分配相應(yīng)的發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，TCP接收窗口和發(fā)送窗口的最大值即為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的大小。當(dāng)TCP傳輸過程中出現(xiàn)丟包時(shí)，TCP連接會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口大小，導(dǎo)致TCP傳輸速率降低。

另外，傳輸時(shí)延也會(huì)影響TCP傳輸速率，根據(jù)計(jì)算公式：TCP傳輸速率 = TCP窗口/RTT。這里RTT代表Round Trip Time，即TCP傳輸時(shí)報(bào)文往返所需的時(shí)間。當(dāng)RTT增大時(shí)，TCP傳輸速率將降低。

1.2 PON傳輸模型分析

OLT的業(yè)務(wù)配置中，上行的帶寬主要由DBA決定。針對(duì)DBA的分配機(jī)制對(duì)測(cè)速影響分析如下：

（1）PON DBA帶寬分配簡(jiǎn)述

PON上行為時(shí)分復(fù)用，當(dāng)ONU上行需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，會(huì)向OLT上報(bào)帶寬請(qǐng)求DBRu，OLT接收到帶寬請(qǐng)求后會(huì)根據(jù)ONU的帶寬類型進(jìn)行調(diào)度計(jì)算，并在帶寬分配周期將帶寬分配給ONU，此時(shí)ONU才會(huì)將自己緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到OLT。ONU的緩沖區(qū)為FIFO隊(duì)列，上行存在隊(duì)列調(diào)度。

（2）PON DBA帶寬分配原理

協(xié)議規(guī)定的帶寬類型有4種，優(yōu)先級(jí)從高到底：Fixed（固定帶寬）、Assured（保證帶寬）、Non-Assured（不保證帶寬）、Best-Effort（盡力而為帶寬）。

OLT定義的帶寬類型：

Type1：固定帶寬。完全預(yù)留給特定ONU或者ONU的特定業(yè)務(wù)，即使在ONU沒有上行業(yè)務(wù)流的情況下，這部分帶寬也不能為其他ONU使用。

Type2：保證帶寬。保證在ONU需要使用帶寬時(shí)可獲得的帶寬。當(dāng)ONU的實(shí)際業(yè)務(wù)流量未達(dá)到保證帶寬時(shí)，設(shè)備的DBA機(jī)制應(yīng)能夠?qū)⑵涫Ｓ鄮挿峙浣o其他ONU的業(yè)務(wù)。

Type3：保證帶寬+最大帶寬。Type3類型為帶寬組合類型，在保證用戶有一定帶寬的同時(shí)，還允許用戶有一定帶寬的搶占，但總和是不會(huì)超過用戶配置的最大帶寬。

Type4：最大帶寬。最大帶寬是在ONU使用帶寬時(shí)可獲得的帶寬上限值，最大程度地滿足ONU使用的帶寬資源。

Type5：固定帶寬+保證帶寬+最大帶寬。既給用戶預(yù)留其他用戶不能搶占的固定帶寬資源，又確保在需要使用帶寬時(shí)可獲得的保證帶寬，同時(shí)允許用戶有一定帶寬的搶占，但總和是不會(huì)超過用戶配置的最大帶寬。

圖1 OLT定義的帶寬類型和協(xié)議規(guī)定的帶寬類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

如圖1所示，Type3配置Assured大小和Max，Non-Assured不顯示配置，可由Non-Assured = Max–Assured計(jì)算得到；Type4配置Max，Best Effort即Max配置的大小。

由協(xié)議規(guī)定的優(yōu)先級(jí)可看出Type3的優(yōu)先級(jí)大于Type4，即在擁塞的情況下，配置為Type3的用戶至少可以獲得Assured帶寬。

（3）PON DBA帶寬分配過程

如圖2所示，PON DBA分配過程可以理解為：總帶寬分四輪按帶寬類型的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配。

圖2 PON DBA帶寬分配過程

1.3 上下行TCP傳輸分析

為了測(cè)試驗(yàn)證TCP傳輸速率與RTT的關(guān)系，以及PON DBA算法各種類型的差異，搭建測(cè)試環(huán)境如圖3所示，并利用WiresharK軟件進(jìn)行抓包分析。

圖3 測(cè)試拓?fù)鋱D

（1）TCP傳輸速率與RTT有關(guān)。根據(jù)TCP傳輸速率 =TCP窗口/RTT，當(dāng)RTT增大時(shí)，TCP窗口固定的情況下，TCP傳輸速率會(huì)降低。

如圖4所示，測(cè)試FTP下載速率為175KB/s，RTT分析在34ms到42ms之間波動(dòng)。

圖4 （1-2） 測(cè)試FTP下載速率為175KB/s時(shí)RTT變化情況

如圖5所示，當(dāng)RTT增大時(shí)，F(xiàn)TP的下載速率也隨之降低。如下RTT超過550ms，速率僅為14KB/s。

圖5 （1-2） 測(cè)試RTT增大時(shí)FTP下載速率變化情況

（2）當(dāng)同時(shí)進(jìn)行上傳時(shí)，根據(jù)TCP傳輸速率與TCP窗口和RTT的關(guān)系計(jì)算：

下載速率=下載TCP窗口/RTT上傳

上傳速率=上傳TCP窗口/RTT下載

由于傳輸上傳和下載傳輸路徑相同，這里假設(shè)RTT上傳= RTT下載，則下載速率=上傳速率×下載TCP窗口/上傳TCP窗口。如果上傳速率為1M，當(dāng)下載TCP窗口＞ 3倍上傳TCP窗口時(shí)，下載帶寬可以保持在3M左右波動(dòng)。

使用PC-A作為Client在OLT用戶側(cè)，PC-B作為Server在OLT網(wǎng)絡(luò)側(cè)，用戶側(cè)PC-A同時(shí)進(jìn)行下載和上傳，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，上傳速率達(dá)到最大限速值1M，此時(shí)RTT達(dá)到35ms左右，下載帶寬仍能保持在3M左右波動(dòng)。

圖6 （1-2） PC-A為Client在OLT用戶側(cè)、PC-B為Server在OLT網(wǎng)絡(luò)側(cè)測(cè)試情況

將上述測(cè)試的Client和Server互換，使用PC-B在OLT用戶側(cè)，PC-A在OLT網(wǎng)絡(luò)側(cè)。此時(shí)PC-B同時(shí)進(jìn)行下載和上傳。由于此時(shí)上傳TCP窗口和下載TCP窗口的比例關(guān)系發(fā)生變化。上傳TCP窗口變大，而使得TCP吞吐量增大，ONU的隊(duì)列深度也將變得更深，導(dǎo)致RTT會(huì)增大，同時(shí)由于下載TCP窗口變小，導(dǎo)致下載速率降低。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，RTT為450ms左右，用戶側(cè)下載速率僅為15KB/s。

圖7 （1-2） PC-B為Client在OLT用戶側(cè)、PC-A為Server在OLT網(wǎng)絡(luò)側(cè)測(cè)試情況

因此，在不改變OLT和ONU上任何配置的情況下，僅Client和Server的緩沖能力發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不同。

（3）當(dāng)DBA逐漸調(diào)大，由于ONU將報(bào)文發(fā)送給OLT的速率增大，報(bào)文在ONU緩存里緩存的時(shí)間減小，緩存深度降低，因此RTT也會(huì)隨之減小。當(dāng)RTT減小到一定值時(shí)（即下載TCP窗口/下行限速），下行速率又可以達(dá)到最大值。如圖8所示，將DBA提升至3M，則RTT平均值減少到5ms以下，下行速率也提升至3M左右，且上行DBA越大，RTT越小，下載速率越高。

圖8 DBA提升至3M時(shí)RTT變化情況

根據(jù)上述分析，TCP傳輸速率與TCP窗口和RTT都有關(guān)系。 從實(shí)際應(yīng)用角度，增大DBA可以減少ONU緩存造成的影響，降低TCP傳輸RTT，因此在實(shí)際配置中可以根據(jù)用戶的情況適當(dāng)放大。

另外，不同的DBA帶寬類型，其實(shí)際效果也有差異。對(duì)于Type3的Assure帶寬，為保證帶寬，其帶寬分配優(yōu)先級(jí)高于Max帶寬。即當(dāng)ONU上報(bào)帶寬請(qǐng)求時(shí)，Assure的帶寬是可以保證能夠分配到的。對(duì)于Type4的Max帶寬，為最大帶寬，這部分帶寬類型是不保證的，即ONU上報(bào)帶寬請(qǐng)求時(shí)，OLT會(huì)根據(jù)剩余帶寬的情況以及PON口下各ONU的帶寬請(qǐng)求進(jìn)行調(diào)度，不能保證一定能分配到。因此，當(dāng)ONU配置的帶寬類型為Max時(shí)，需要根據(jù)PON口下的剩余帶寬以及PON口下實(shí)時(shí)的帶寬請(qǐng)求進(jìn)行計(jì)算，最終決定ONU能否分配到的帶寬。因此，當(dāng)PON口下存在多個(gè)ONU或ONU上存在多個(gè)TCONU，且均存在上行帶寬請(qǐng)求時(shí)，Max帶寬分配是無(wú)法保證的；導(dǎo)致RTT增加且不穩(wěn)定，導(dǎo)致下載速率存在波動(dòng)。

2 現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證

2.1 非擁塞情況下

非擁塞情況下，每個(gè)用戶使用相同帶寬配置，Type3和Type4測(cè)試對(duì)比結(jié)果，如表1所示：

表1 非擁塞情況下Type3和Type4測(cè)試對(duì)比結(jié)果

2.2 擁塞情況下

擁塞情況下，每個(gè)用戶使用相同帶寬配置，Type3和Type4對(duì)比測(cè)試結(jié)果，如表2所示：

表2 擁塞情況下Type3和Type4測(cè)試對(duì)比結(jié)果

擁塞情況下，每個(gè)用戶使用不相同帶寬配置，type3和type4對(duì)比測(cè)試結(jié)果，如表3所示：

表3 擁塞情況下配置不同帶寬Type3和Type4測(cè)試對(duì)比結(jié)果

從測(cè)試可以看出：

針對(duì)PON口下配置為Type3 或 Type4 的帶寬類型進(jìn)行測(cè)速對(duì)比來(lái)看：

（1）用戶的帶寬配置相同時(shí)，Type3和Type4的測(cè)速結(jié)果基本無(wú)差異，帶寬平均分配；

（2）用戶的帶寬配置不相同時(shí)，Type3優(yōu)先保證Assure的帶寬，Type4平均分配。

3 結(jié)論

測(cè)速和應(yīng)用層協(xié)議、緩沖區(qū)大小設(shè)置以及實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)都有關(guān)系，需要結(jié)合這些因素做綜合考慮：

（1）上行DBA越大，引入RTT越小，下行速率越大；

（2）同PON口Type3和Type4混合場(chǎng)景時(shí), 擁塞情況下，Assure帶寬配置比Max帶寬配置引入RTT小，Type3好于Type4；

（3）非擁塞情況下，Type3和Type4差異不大。

按照上述結(jié)論對(duì)現(xiàn)網(wǎng)DBA算法規(guī)模優(yōu)化后，效果顯著，新裝高帶寬客戶均能滿足業(yè)務(wù)速率要求，大大提升了客戶感知。