一種基于軟件定義的OFDM—PON控制協議

王旺++鄒垚昭++陶佳鳴++陳健

文章編號：2095-6835（2016）17-0110-02

摘 要：在軟件定義無源光網絡架構的基礎上，設計了一種基于軟件定義的OFDM-PON控制協議ExtendedOpenFlow。該協議通過擴展原有的標準OpenFlow協議，實現了對OFDM-PON網絡上下行鏈路的控制。對協議的丟包率、吞吐量等性能在OMnet++平臺上進行了仿真，仿真結果顯示，提出的協議能較好地保障各業務的服務質量。

關鍵詞：軟件定義；OFDM-PON；OpenFlow；控制協議

中圖分類號：TN915.62 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.110

近年來，網絡技術的快速發展和商業需求的不斷增多使越來越多的企業需要改變網絡結構。光纖通信作為其中的重要技術，對信息技術產業起到了極大的推動作用。隨著網絡規模的迅速擴大，用戶對接入網的帶寬需求也隨之快速增長。無源光網絡（Passive Optical Networks，PON）技術作為下一代接入網技術被提出，并受到廣泛關注，它在提升網絡效率和靈活性，降低網絡成本等方面都有顯著優勢。PON是一種點對多點的樹狀網絡拓撲結構，光線路終端（OLT）通過一個無源光分發器連接數個光網絡單元（ONU）。終端設備傳輸的數字信號在ONU內轉變成光信號，光分發器分發來自OLT的光信號至各個ONU，并傳送從各個ONU發送過來的復合信號到OLT。另外，云技術和移動互聯網的發展使企業網絡積極在動態網絡控制和管理方面尋求解決辦法，因此，軟件定義網絡（Software Defined Networks）在流控制、網絡負載平衡和性能管理等方面的優勢使其得到關注和應用。典型的SDN架構將數據平臺與控制平臺分離，使用OpenFlow協議實現網絡中控制機與轉發設備之間的通信。基于以上描述，本文提出了一種將SDN技術應用到OFDM-PON中作為其控制協議的方案。

1 基于SDN的PON網絡結構

將SDN應用在PON中的方法有很多，一種可行的方案是設計一種新的協議，使PON設備成為可編程的單元，使OLT和ONU的數據處理和轉發性能達到最優。但是設計這樣一種適用于PON的基于SDN的通用協議需要很多標準化的工作和較長的時間，本文提出了另外一種方法，就是基于已經廣泛使

用的SDN控制協議OpenFlow的方案，使其不局限于PON的拓撲結構，可以應用于其他網絡結構或者應用中。

OpenFlow交換機結構包含三個部分：①流表（Flow Table），為交換機進行轉發策略控制的核心數據結構，通過查找流表表項來決策對進入交換機的網絡流量采取合適的行為；②控制器（Controller），為運行遠程控制進程的外部單元，通過OpenFlow協議管理交換機，控制器可以增減以及更新流表中的表項；③安全信道（Secure Channel），為實現控制器和交換機的通信。OpenFlow交換機的邏輯方案如圖1所示。

OpenFlow協議最初設計是為以太網物理層的L2/L3交換使用，所以它并不能直接應用在PON中。以GPON為例，盡管GPON中有以太網幀，但實際上它是在L1層上攜帶有自己專門的幀和GEM（GPON Encapsulation Method）協議，用來封裝上層的協議數據單元到GTC（GPON Transmission Convergence）層，所以需要添加相關的PON功能到現有的OpenFlow協議中，我們將修改之后的協議稱為“ExtendedOpenFlow”。基于EntendOpenFlow的PON框架結構如圖2所示。

2 基于SDN的OFDM-PON控制協議

與其他PON系統類似，OFDM-PON系統也是基于點對多點的網絡拓撲結構創建的。在EPON/GPON 系統中，基于其一維映射的特點，在流量轉發控制時需要考慮的因素較少。OFDM-PON 與其他PON 不同，它有很大的控制自由度，主要表現在：①頻率不同的頻道被當作透明管道，一個管道包含一個或多個正交的子載波，被OLT 安排給某個ONU 或某個業務；②根據業務流量的大小、頻道的寬窄（即一個頻道中用于傳輸數據的子載波數目）可以變化；③根據業務流量的大小，每個子載波上的調制格式可以調節，可自適應決定信號星座圖，甚至在極端條件下完全關閉某個子載波。所有這些調度可以是靜態的，也可以是動態的，即調度方案隨時間變化，形成頻率、幅（度）/相（位）、時間的三維調度。因此，在為OFDM-PON設計控制協議時，需要從子載波調度、調制格式、時間三個維度來考慮。

ExtendedOpenFlow協議主要提供OFDM-PON中的QAM調制、FFT/IFFT、子載波分配、時域分配等控制。每一個流表中都包含多個表項，表項包含匹配域、計數器和指令。ExtendedOpenFlow定義了新的與OFDM-PON相關的操作。在流表的匹配域中，增加兩個字段Send和Recv，分別占三個字節和兩個字節，如圖3所示。Send字段下行傳輸給ONU，通知ONU采用何種調制方式、哪個子載波以及何時傳送上行數據；Recv字段告知ONU下行數據的調制格式以及所用子載波號。

3 性能分析

為了驗證本文提出的控制協議，在OMnet++平臺對該協議進行了仿真，并且對實驗結果進行分析，仿真系統如圖4所示。設定系統的上行帶寬為10 Gbps，系統由一個OLT和3個ONU組成，ONU與OLT之間的距離設定為20 km。Traffic作為產生流量的服務器，共產生三個類型的業務，分別為EF（快速轉發，優先級最高）、AF（確保轉發）、BE（盡力轉發，優先級最低）。仿真中設定有1 024個子載波。

我們設置了大小不同的業務量來模擬網絡中用戶數據業務不同時，網絡的各項性能不同。通過網絡負載變量控制各項業務數據的產生，并且將產生的業務速率對網絡帶寬歸一化，即當網絡負載為1時，對應的業務數據總量為網絡總帶寬。通過仿真，可以得到在不同網絡負載的情況下該協議與服務質量相關的平均丟包率和吞吐量性能。圖5所示為仿真得到的平均丟包率曲線，當網絡負載大于0.8時，AF業務和BE業務丟包率增速放緩，且AF業務丟包率低于BE業務，業務一直保持很低的丟包率，且比較平穩。這是因為在帶寬分配時，引入了帶寬預分配的結果。仿真得到的吞吐量性能曲線如圖6所示，與未使用控制協議的OFDM-PON系統相比，我們提出的協議具有更好的性能。

4 結束語

目前關于SDN和PON的研究越來越多，但基本上都集中在對GPON和EPON的研究上，將SDN應用在OFDM-PON中的研究成果還較少。本文將SDN中OpenFlow協議擴展到OFDM-PON中，并對提出的ExtendedOpenFlow協議性能進行了仿真。作為簡單的控制協議，為各個優先級的業務提供了較好的服務質量保障。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕