一种改进的光网络动态上行带宽分配算法研究

荆 倩,沈三民

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

0 引 言

很多互联网服务供应商(Internet Service Provider，ISP)已经开始部署千兆无源光网络(Gigabit Passive Optical Network, GPON)系统，以应对客户迅速增长的带宽需求[1]。GPON支持高数据速率，其中下行为2.5 Gbit/s，上行为1.25 Gbit/s。其最多可以将64个光网络单元(Optical Network Unit, ONU)连接到1个分路器上。但对于一些新服务，如分辨率不断增长(4k或8k)的视频广播互联网协议电视(Internet Protocol Television, IPTV)来说，GPON的带宽依然无法满足要求[2]。这就需要开发出支持更高传输速率的技术。

为此，研究人员做了很多相关研究。目前，下一代10 Gbit/s无源光网络 (next Generation 10 Gbit/s Passive Optical Network, XG-PON)的最终规范已经被标准化为ITU-T G.987系列，其规定了一些通用要求[3]，例如：XG-PON的参考配置，光分配网络(Optical Distribution Network, ODN)架构(包含或不包含与以往标准GPON方案的共存)，工作波长和迁移场景等[4]。文献[5]为了支持语音、视频等多业务，保证不同的服务质量(Quality of Service, QoS)和有效克服轻载惩罚问题，提出了一种支持多业务的以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network, EPON)动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)算法；文献[6]提出了GIANT算法的修改版本，即X-GIANT算法，并尝试改进XG-PON网络中QoS参数；文献[7]针对PON接入技术和现有各种带宽分配算法存在的不足，基于数据服务优先级划分和ONU队列管理机制，提出了一种DBA算法；文献[8]提出了用于XG-PON的一种DBA方案，即数据挖掘预测，该方案处理了ODN范围为40 km时不同ONU距离下的使用情况；文献[9]为了合理分配EPON上行信道带宽，提出了一种能够区分服务等级的固定周期轮询DBA算法，该算法将ONU的业务分为3个等级，根据不同的业务等级动态分配上行带宽，有效保证整个EPON的QoS以及带宽分配的公平性；文献[10]提出了带“公平性”的DBA算法，对所有ONU应用最大最小公平DBA算法。虽然DBA算法可以改变最小带宽分配，但其依然会为受保护的传输容器(T-CONT)分配所保留。总的来说，文献[11]的实验结果表明，用于EPON的DBA不能直接用于XG-PON中，因为其服务延迟非常大。

本文的主要研究目标是降低XG-PON中“三合一”服务的延迟。文中提出了用于XG-PON的改进的GIANT DBA算法，比较了当前未修改的GIANT算法与本文所提的改进GIANT算法的结果，并详细解释了本文为降低“三合一”服务延迟所作出的改进。

1 提出的DBA算法

DBA算法的主要目的是公平分配PON中的每个ONU在上行方向上的带宽，下行方向则广播所有ONU，并由指定的ONU(与帧中的参数完全相同)接收。另一方面，上行方向由光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)通过时隙控制。换言之，时分复用将带宽分为时隙，并按需求将带宽分配至ONU。

OLT使用每个传输帧的带宽映射(Band Width mapping, BWmap)部分指定分配标识(Allocation Identification, Alloc-ID)、启动时间、授权大小、动态带宽报告和其他字段。通过Alloc-ID识别ONU，启动时间是指ONU在上行方向启动数据传输的时间，授权大小表示在上行方向上特定Alloc-ID的总数据量，并报告下一个上行帧中的需求(即数据大小)。具体的Alloc-ID及其提供的负载可以表示为

式中：B(t)为时间t内的缓冲区占用；D为某一固定时长；A(t,t+D)为在时间间隔(t,t+D)过程中新进入缓冲区的流。

1.1 缓冲区报告

OLT必须保证在负载较重的情况下对ONU公平地分配动态带宽[12]。若存在两个ONU，且第1个ONU的负载较重，而第2个ONU没有需要传输的数据，则OLT必须确保分配至ONU1的时隙大于ONU2。ONU周期性地向OLT单元报告其缓冲区占用情况，可以通过两种方式实现报告：(1)状态报告；(2)流量报告。状态报告需要ONU和OLT协作，因为每个ONU都发送其自身缓冲区占用的相关信息，该信息包含在下一代传输汇聚帧的动态带宽报告字段中，OLT则根据缓冲区占用的相关信息来划分时隙。流量报告则通过ONU数据流的处理授予带宽。

1.2 轮询法

轮询法是网络模拟器(Network Simulator, NS)-3的DBA算法的简单实现，特别是在XG-PON包中使用的算法。该算法的原理为：一定量的任务，每个任务依次运行，但前提是其持有循环令牌。在XG-PON包的实现中，是指每个周期内每个T-CONT的位元组字段数量。每个ONU队列处理的最小时间可表示为

式中：T为每个ONU/T-CONT的处理时间(ONU能够发送数据)；C为一个周期的时长；N为ONU的总数量。该方法的缺陷在于：T的数值较小时会增加OLT的处理时间。

1.3 改进的GIANT算法

GIANT算法必须先定义其所使用的T-CONT。T-CONT是一组流，其仅在上行方向有意义，而Alloc-ID仅存在于每个PON的命名空间中，T-CONT的外部标识符是分等级的[13]。通常，T-CONT可以分为以下4类：

(1) T-CONT1：具有最高优先级的固定带宽(如语音服务)，指所有的ISP向网络中的客户确保最低带宽；

(2) T-CONT2：具有第2高优先级的保证带宽(如IPTV服务)；

(3) T-CONT3：具有较高优先级的非保证带宽；

(4) T-CONT4：文件传送协议(File Transfer Protocol, FTP)或简单网络管理协议等，具有最低优先级的尽力服务带宽。

本文GIANT DBA算法在第一次迭代中通过T-CONT的优先级划分带宽，将T-CONT1的带宽分配给每个Alloc-ID。一般互联网络中，所有客户保证带宽的T-CONT1为64 kbit/s，保证带宽不能超过RA(RA为保证带宽阈值)，并向其分配非保证带宽RNA，直到T-CONT的可用带宽耗尽为止。GIANT的最大和最小服务间隔表示为SImax和SImin，这些标识符代表着带宽要求。此外，标识符ABmin和ABsur分别为最小分配字节和剩余分配字节。

GIANT算法动态地为T-CONT1和T-CONT2确定AB和SImax的数值，并询问T-CONT4和T-CONT3。每当SI定时器过期时，为对应的T-CONT重新分配AB。

值得一提的是，媒体接入控制器在分配过程的每个周期内制定决策。ONU可以添加多个Alloc-ID，如果添加一个新Alloc-ID，那么控制器将检测可用资源，并验证总分配带宽是否超过总链路容量。保证服务速率等于ABmin/SImax，其中剩余容量等于ABsur/SImin。保证容量和剩余容量之和为T-CONT3的允许总带宽。

剩余带宽的分配必须首先检查T-CONT处理的对象是T-CONT3还是T-CONT4，以及SImin定时器是否大于1。若定时器大于1，则将其按1递减。此外，当确定指针启动的T-CONT3帧字节数等于0时，则添加后续序列中Alloc-ID减1的T-CONT3。也即：若启动指针为N，新数值为N+i(i为迭代次数)，在下一次迭代中，将检查下一个请求是否大于0和SImin是否等于0，然后分配剩余带宽。

传统方案在每个轮询周期对T-CONT1、T-CONT2、T-CONT3和T-CONT4依次进行分配，先对T-CONT1静态分配固定带宽，然后分配T-CONT2和T-CONT3的确保带宽，最后分配T-CONT4的尽力而为带宽。根据优先级顺序进行2次分配。与传统方案相比，本文方法根据处理对象和定时器对带宽进行动态分配，总体时间复杂度与传统方案相差不大，但对象分配的带宽有差异，从而导致服务的延迟有所不同。

2 实验与分析

2.1 实验设置

图1所示为本文所提GIANT DBA算法仿真模型的基本拓扑结构，包括OLT、ONU、客户端和服务器。由于NS-3无法考虑到物理层参数，包括光纤长度、分光比、OLT和ONU之间的不同距离等，所以服务器必须纳入其中。这些服务器包括视频点播(Video on Demand, VoD)服务器、超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol, HTTP)服务器以及互联网协议电话(Voice over Internet Protocol, VoIP)服务器。该组服务器通过1 Gbit/s的线路与OLT互连，延迟时间为2 ms。ONU包括一台个人计算机，其表示服务消耗，采用了相同的线路参数。VoD服务的数据速率为10 Mbit/s，停止时间设为0，表示在整个模拟过程中该服务始终保持开启运行。将VoIP设为标准数据速率64 kbit/s。由HTTP服务器生成HTTP流量，数据速率为1 Mbit/s。

图1 本文所提GIANT DBA算法仿真模型的基本拓扑结构

2.2 实验结果分析

本文准备了两个模拟场景：第1个场景使用轮询DBA，没有给出缓冲区分配的动态报告。第2个场景使用了本文所提GIANT DBA算法。为了比较两种算法，本文对每个场景进行了两种不同的模拟：(1)64个ONU(XG-PON单个OLT端口的理想化模型)；(2)过载接口，其中200个ONU连接到该接口。

2.2.1 场景1

在第1个场景中，使用轮询DBA算法，另一种方法是未修改的GIANT DBA算法。两个算法均应用到T-CONT代表的所有服务中，模型包括3个服务，以观察流量延迟。64个ONU的延迟仅为6～7 ms，因为OLT单元能够为每个ONU授予足够的带宽，如图2所示。由图可知，丢包率为0，总带宽等于服务所需带宽之和。VoIP的延迟几乎保持不变，不会在通话期间造成任何干扰或回声；通过ONU或机顶盒中的缓冲服务，降低VoD的抖动；网页浏览HTTP代表着具有较高优先级的T-CONT2。

图2 不使用DBA算法时的传输延迟

需要注意的是，NS-3不能通过在QoS Tag库中标记数据包，将数据包分配到现实的T-CONT中，其使用标签对每个数据包进行标记，但在本文仿真中使用了通过节点的IP地址对数据包进行模拟标记，修改后的拓扑结构如图3所示。

图3 GIANT DBA算法修改后的拓扑

使用所提GIANT DBA算法对64个ONU的场景再次进行模拟。图4所示为使用本文所提GIANT DBA算法时的传输延迟。仿真结果与预期相符，GIANT DBA算法的结果较好，每个ONU的延迟更低。将GIANT DBA算法应用到OLT单元，VoD服务的延迟得到了明显改善。

图4 使用GIANT DBA算法时的传输延迟

本文在使用和不使用DBA算法的模拟中，对数据包丢失数量进行了比较，如图5所示，由图可知，两者之间存在明显差异。在不使用DBA轮询的模拟中，每个ONU的丢包数量大约为4 000个。但当使用未修改的GIANT DBA算法时，由于VoD的数据是单独处理的且采用随机序列，一些ONU的丢包数为300个。

图5 使用和不使用DBA算法时的丢包数量对比

NS-3利用回调函数提供一些数据包获得的细节，如处理数据包数量或丢包数量。在配置回调函数后，其可以调用指定函数以提供结果。在该函数中，可以创建运行时间的计算或记录。例如，NS-3模拟工具可以在数据包因为堆栈溢出而被丢弃时随时调用该函数。一方面，回调函数仅适用于点对点(Point to Point, P2P)链路，但NS-3的XG-PON包中没有包含回调的实施，因此，其无法得到更多关于数据包丢失的数据；另一方面，由于所有数据都存储在一个集合中，可以得到每个数据包的发送和接收时间。

2.2.2 场景2

在第2个场景中，使用本文所提的改进GIANT DBA算法，并将其与未修改的GIANT DBA进行比较。使用的拓扑相同，包括1个OLT、64个ONU(每个ONU包含3种服务：数据、视频和语音)。改进算法首先检查T-CONT的缓冲区占用，并根据T-CONT的类型分配适当的带宽。如果保证带宽的缓冲区占用超过1，则存在3种情况：(1) 若缓冲区占用<4，则分配数值=4；(2) OLT检查BWmap(包含BWmap分配使用历史的数据库)，以得到过去是否对该ONU进行过分配；(3) 检查分配带宽是否等于分配字节。

通常，只有在该类型的T-CONT的定时器过期(即等于0)时才测试这些条件，这表明定时器未过期，也表示T-CONT没有紧急数据，且在下一轮减少1。

在仿真中，所有的服务是一起测试的，为了更好地说明问题，每个服务如图6～ 8所示。由图6可知，与使用未修改GIANT DBA算法相比，本文所提方法将HTTP服务的延迟分别降低了0.8和0.3 ms；由图7可知，在VoD服务中，未修改GIANT DBA算法的平均延迟为6.4 ms，而本文所提的改进方法则将ODN上每个ONU的延迟降低了0.35 ms；由图8可知，对于VoIP服务，本文所提的方法降低了约0.2 ms的延迟，这些充分说明了本文改进方法的有效性。

图6 HTTP服务的传输延迟对比

图7 VoD服务的传输延迟对比

图8 VoIP服务的传输延迟对比

3 结束语

本文提出了XG-PON GIANT DBA算法，并提出了缩减服务延迟的改进方案。除使用具有最高优先级T-CONT1的VoIP服务外，每个服务的延迟均得到了降低，这是因为T-CONT1不使用DBA，其在初始化阶段即被授予保证带宽，是具有最高优先级的固定带宽，属于静态分配，T-CONT1的VoIP服务延迟几乎保持不变。本文所提改进GIANT DBA算法将HTTP服务和VoD服务的延迟分别降低了0.30和0.35 ms，实现了较好的网络性能。