基于EPON承載IPTV業(yè)務(wù)的加權(quán)調(diào)度算法研究

殷愛菡，郭建偉

(華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330013)

隨著FTTH技術(shù)的成熟，IPTV服務(wù)逐漸受到人們的重視，但由于IPTV會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要較寬的接入帶寬，所以組播技術(shù)結(jié)合光接入網(wǎng)成為一種可行的解決方案［1］。EPON能夠提供較寬的帶寬并且支持組播協(xié)議，采用EPON承載IPTV業(yè)務(wù)是一種合理的解決方案，得到了廣泛關(guān)注［2-3］。

現(xiàn)有的EPON系統(tǒng)，OLT端通常采用RR算法進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度。該算法依次輪流調(diào)度各緩存隊(duì)列，能夠保障服務(wù)的公平性，但當(dāng)各個隊(duì)列的優(yōu)先等級不同時，高優(yōu)先級的隊(duì)列往往得不到合適的帶寬，產(chǎn)生阻塞丟包的情況［4］。如果一個組播數(shù)據(jù)包在OLT端丟失，所有的用戶都將收不到該數(shù)據(jù)包，丟失的數(shù)據(jù)包會在用戶端累積從而影響IPTV節(jié)目的質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)了一種基于EPON承載IPTV業(yè)務(wù)的加權(quán)輪詢調(diào)度算法(WRR)，將不同節(jié)目的組播數(shù)據(jù)包分配到不同的緩存隊(duì)列，再按照一定算法賦予相應(yīng)的權(quán)重，以滿足相應(yīng)等級的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。該算法在OLT端可以合理地分配帶寬，有效地減少組播數(shù)據(jù)包丟失，降低隊(duì)列時延，為用戶提供更好的IPTV服務(wù)。

1 設(shè)計(jì)方案

由于EPON承載IPTV業(yè)務(wù)組播數(shù)據(jù)包丟失數(shù)受節(jié)目訂制用戶數(shù)的影響，所以為了減少丟包，訂制用戶較多的節(jié)目組播數(shù)據(jù)流應(yīng)該分配到較寬的帶寬［5］。在OLT端，WRR算法首先將組播數(shù)據(jù)包依等級調(diào)度到不同的隊(duì)列，然后按照一定的算法給每個隊(duì)列分配相應(yīng)的權(quán)重，最后在一個輪詢周期內(nèi)按權(quán)重的大小分別發(fā)送數(shù)據(jù)包。該算法主要包括隊(duì)列調(diào)度和權(quán)重分配兩部分。

1.1 隊(duì)列調(diào)度

圖1給出了采用WRR算法的EPON體系結(jié)構(gòu)，包括一個OLT(光線路終端)、一個POS(無源分光器)和若干ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)。

OLT是WRR算法的核心，由一個分類模塊、幾個緩存隊(duì)列和一個調(diào)度模塊組成。分類模塊的作用是根據(jù)式(1)重新分配來自上游的IPTV組播數(shù)據(jù)流，將其分成3個等級

每個緩存隊(duì)列對應(yīng)一個等級:高等級隊(duì)列(Q0)，中等級隊(duì)列(Q1)和低等級隊(duì)列(Q2);調(diào)度模塊按照相關(guān)權(quán)重為每個緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包分配帶寬，其中權(quán)重的分配機(jī)制將在下文介紹。

圖1 EPON結(jié)構(gòu)下WRR算法框圖

表1給出了IPTV服務(wù)的組播信息，每個節(jié)目都包括1個IPTV ID(Si)、1個組播ID(Mi)、訂制用戶數(shù)(ni)和緩存隊(duì)列(qi)。其中，Si是一個IPTV服務(wù)的ID，Mi是一個廣播ID，ni是相關(guān)節(jié)目訂制用戶數(shù)，qi是相應(yīng)緩存隊(duì)列。

表1 OLT端IPTV服務(wù)組播信息

分類模塊依照相應(yīng)用戶訂制數(shù)，將上游IPTV組播數(shù)據(jù)包分配到不同的隊(duì)列qi，qi由兩個門限值N1和N2決定，N1和N2可以根據(jù)組播數(shù)據(jù)流量和隊(duì)列長度設(shè)定。假設(shè)N1大于N2，如果N1變大，則進(jìn)入Q0隊(duì)列的組播數(shù)據(jù)流就會減少，而進(jìn)入Q1的組播數(shù)據(jù)流會增加，詳見式(1)。

1.2 權(quán)重分配

權(quán)重由訂制用戶數(shù)決定，并且會隨訂制用戶數(shù)增多而變大。提高權(quán)重能增大相關(guān)數(shù)據(jù)流的傳輸帶寬，增加隊(duì)列空余緩存空間，從而降低丟包率。為了減少受歡迎電視節(jié)目數(shù)據(jù)包的丟失，此類節(jié)目數(shù)據(jù)包被分配了一個相對較大的權(quán)重以確保其占有較寬的帶寬［6］。

權(quán)重Wi表示調(diào)度模塊分配給緩存隊(duì)列的帶寬，其定義如下

式中:ni，j表示第i個隊(duì)列中第j個組播節(jié)目的訂制用戶數(shù);ki表示第i個隊(duì)列中組播節(jié)目數(shù)據(jù)流的個數(shù);W0，W1，W2分別是隊(duì)列Q0，Q1，Q2的權(quán)重，由式(1)得到其關(guān)系為

圖2給出了OLT端WRR算法的流程圖。其中，一個確定的權(quán)重值wi即某時刻第i個隊(duì)列的傳輸帶寬，設(shè)wi=1表示緩存隊(duì)列數(shù)據(jù)包發(fā)送的門限帶寬。當(dāng)wi小于1，表示沒有足夠的帶寬傳輸隊(duì)列Qi中的數(shù)據(jù)包。

圖2 OLT端WRR算法流程圖

調(diào)度模塊根據(jù)wi將組播數(shù)據(jù)包分成3個等級，分別對應(yīng)3個緩存隊(duì)列。系統(tǒng)初始化時，調(diào)度模塊檢查隊(duì)列Qi判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)包:

1)如果Qi中有數(shù)據(jù)，且對應(yīng)的wi的值大于或等于1，則Qi發(fā)送一個組播數(shù)據(jù)包，同時wi減1;

2)如果Qi中有數(shù)據(jù)，但對應(yīng)的wi小于1，則檢測下一隊(duì)列;

3)如果Qi中沒有數(shù)據(jù)，則調(diào)度模塊執(zhí)行wi+Wi。

從式(3)可得，訂制用戶較多的節(jié)目組播數(shù)據(jù)包比較少地占有更寬的帶寬，對應(yīng)的隊(duì)列空余出相對較大的緩存空間，從而減少了IPTV組播數(shù)據(jù)包的丟失，降低了平均隊(duì)列時延。

2 仿真結(jié)果及分析

本文運(yùn)用OPNET仿真工具，對WRR算法效果進(jìn)行評估。在OPNET中建立EPON仿真環(huán)境，對比WRR算法和RR算法在組播數(shù)據(jù)包丟失數(shù)和平均隊(duì)列時延兩個方面的表現(xiàn)(見圖3)。仿真環(huán)境參量如下:

1)一個OLT連接16個ONU，每個ONU連接一個用戶;

2)各隊(duì)列背景流量不相同，Q0的流量是Q2的兩倍;

3)3個緩存隊(duì)列中均有一個組播數(shù)據(jù)流，節(jié)目訂制數(shù)按Q0，Q1，Q2順序依次為9，4，1，即W0=3，W1=2，W2=1;

4)鏈路的流量負(fù)荷為1 Gbit/s;

5)IPTV數(shù)據(jù)流是10 Mbit/s的高清節(jié)目［7］;

6)每個隊(duì)列最大長度為1 Mbit;

7)數(shù)據(jù)包的間隔到達(dá)時間呈指數(shù)分布;

8)數(shù)據(jù)包在隊(duì)列中均采用先進(jìn)先出的機(jī)制;

9)每個數(shù)據(jù)包的長度為10 528 bit;

10)仿真時間為10μs。

圖3 OPNET仿真節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D

圖4 給出了EPON承載IPTV業(yè)務(wù)ONU端總的組播數(shù)據(jù)包丟失數(shù)與流量負(fù)荷的關(guān)系曲線圖。WRR算法同RR算法相比，丟包率降低了86.7%。如圖所示，曲線可以分為兩個階段，當(dāng)流入負(fù)荷在0.1～0.3 Gbit/s時，WRR算法和RR算法相比，效果相近，沒有明顯的優(yōu)勢，這是因?yàn)榱魅胴?fù)荷較小時，緩存隊(duì)列中排隊(duì)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包較少，兩種調(diào)度算法均能夠較好地調(diào)度各個隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包，沒有造成一定的延時和丟包。當(dāng)流入負(fù)荷大于0.3 Gbit/s時，曲線進(jìn)入第二階段，由于Q0的流量是Q2的兩倍，又因?yàn)楣?jié)目訂制人數(shù)不同，分配的權(quán)值也就不同，進(jìn)而分配的帶寬也就不同，這樣訂制用戶較多的節(jié)目的數(shù)據(jù)包享有較寬的傳輸帶寬，緩解了阻塞情況。相比沒有分配權(quán)重的RR算法，有效地降低了丟包數(shù)。

圖4 不同流入負(fù)荷下組播數(shù)據(jù)包丟失數(shù)

圖5 給出了OLT端組播數(shù)據(jù)平均隊(duì)列時延與流入負(fù)荷的關(guān)系曲線圖。WRR算法與RR算法相比，平均隊(duì)列時延降低了23.4%。如圖所示，曲線可以分為3個階段，當(dāng)流入負(fù)荷在0.1～0.4 Gbit/s時，WRR算法和RR算法仿真效果相當(dāng)，沒有較大差別，這是因?yàn)樵诹髁控?fù)荷比較小的情況下，兩種調(diào)度算法都可以較快地調(diào)度隊(duì)列中緩存的數(shù)據(jù)包，沒有造成一定的延時;在流入負(fù)荷在0.4～0.8 Gbit/s時，WRR算法相比RR算法仿真效果有一定優(yōu)勢;在流入負(fù)荷在0.8 Gbit/s以上時，相比RR算法，WRR算法的優(yōu)勢比較明顯，這是因?yàn)榱髁控?fù)荷變大，緩存隊(duì)列中滯留的數(shù)據(jù)包開始增多，而WRR算法下，Q0隊(duì)列有較寬發(fā)送帶寬，能夠在一個輪詢周期發(fā)送更多的組播數(shù)據(jù)包，有效地緩解了由于Q0隊(duì)列流量較大所造成的數(shù)據(jù)包滯留，從而降低了緩存隊(duì)列的平均隊(duì)列時延。

圖5 不同流入負(fù)荷下OLT端平均隊(duì)列時延

從圖4和圖5可以看出，相比RR算法，WRR算法減少了組播數(shù)據(jù)包的丟失，降低了組播數(shù)據(jù)平均隊(duì)列時延，能夠更加安全、快速地給用戶傳輸組播數(shù)據(jù)包，提高了IPTV服務(wù)的質(zhì)量，具備一定的優(yōu)勢。

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種減少IPTV丟包的加權(quán)輪詢調(diào)度算法，根據(jù)IPTV組播節(jié)目訂制數(shù)，將組播數(shù)據(jù)包按權(quán)重分配到不同等級的緩存隊(duì)列，重新組合調(diào)度IPTV組播數(shù)據(jù)包，給用戶較喜歡的IPTV節(jié)目組播數(shù)據(jù)包分配較寬的帶寬，減少了組播數(shù)據(jù)包的丟失，降低了平均隊(duì)列時延。仿真結(jié)果顯示W(wǎng)RR算法比RR算法，丟包率降低了86.7%，平均隊(duì)列時延減少了23.4%。

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