EPON技術中影響ONU報文轉發(fā)效率因素的研究

張字　高秀敏

摘要：研究ONU報文轉發(fā)效率的影響因素，有助于為用戶提供高效優(yōu)質的網(wǎng)絡服務。文章研究的EPON（Ethernet Pa ssiveOptional Network，以太無源光網(wǎng)絡）是_種基于以太網(wǎng)的PON技術，實現(xiàn)了光纖到戶的傳輸方式，具有成本低，網(wǎng)速快等特點。EPON的傳輸架構是點到多點的形式，由OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）與ONU（Optical Network Unit，用戶網(wǎng)絡單元）設備進行不斷交互從而實現(xiàn)報文的轉發(fā)。分光比和帶寬分配是影響ONU報文轉發(fā)效率的重要因素。不同的分光比光衰不同，對報文報文轉發(fā)，帶寬利用率產(chǎn)生影響；好的帶寬分配算法不僅能保證用戶體驗良好，也可以盡可能的提高帶寬利用率。

關鍵字：以太無源光網(wǎng)絡；光線路終端；用戶網(wǎng)絡單元；光線到戶；分光比；帶寬分配

1 引言

以太網(wǎng)的快速發(fā)展，加快了人們生活步伐，越來越多的人對商品的體驗舒適度有了更高的要求。同樣，互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的步伐也使人們對互聯(lián)網(wǎng)本身提出了更高的要求，低成本、高寬帶已成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。EPON技術就是在這樣的大環(huán)境下應運而生。光纖的傳輸速率遠比電纜快，高寬帶（1Gbps）是它與生俱來的特點，所以傳輸速率快的優(yōu)勢使得EPON可以快速發(fā)展。EPON的傳輸機制采用上行單播，下行廣播的方式，使用不同的通道。并且上行光波采用1310nm的頻段，下行光波采用1490nm的頻段。另一方面，EPON的無源特性注定它的低成本，低能耗，它可以在一定條件下（分光比1：32）無源傳輸20km，無需供電，從而大大減少能耗，降低成本。

2 EPON的網(wǎng)絡傳輸

2.1 傳輸過程

EPON的傳輸機制具有自己獨特的方式，采用上行單播，下行廣播的方式。下行是指報文從OLT設備向ONU設備傳輸方向。下行廣播的傳輸過程如圖1所示，當報文從互聯(lián)網(wǎng)傳向用戶時，經(jīng)OLT后被標記為有特殊Llid（Logical LinkIdentifier，邏輯鏈路標記）的報文，圖中標記1、2、3的報文代表相對應的Llid的ONU需要接收的報文。經(jīng)過分光器后，光信號的報文被復制成多份并傳送到每一個ONU上。當ONU接收到報文后，檢測報文的Llid是否和自己的匹配，如果匹配則接收該報文，否則丟棄該報文上行單播指報文從ONU設備發(fā)送到OLT設備上，報文的具體轉發(fā)流程如圖2所示。用戶發(fā)出的報文經(jīng)過ONU后被添加該ONU的Llid，然后經(jīng)過分光器，此時是不需要進行報文復制的，直接轉發(fā)給OLT設備，再傳入互聯(lián)網(wǎng)。

2.2 ONU注冊過程

ONU的注冊過程是多點控制協(xié)議（Multi PointControl Protoco，MPCP）的一部分，即MPCP的發(fā)現(xiàn)過程。MPCP是EPON的MAC子層協(xié)議，主要實現(xiàn)OLT與ONU之間的控制機制，從而控制報文的轉發(fā)。

MPCP在ONU發(fā)現(xiàn)過程中的數(shù)據(jù)幀交互情況如圖3所示，第一個GATE幀由OLT發(fā)出用于發(fā)現(xiàn)ONU設備，采用廣播方式；REGISTER REQ幀由ONU發(fā)出用于請求注冊，報文中包含ONU的MAC地址，當OLT收到此報文后計算往返時間，并學習ONU的MAC地址；REGESTER幀是由OLT發(fā)出用于注冊ONU的報文，報文中包含ONU的MAC地址以及分配給ONU的Llid；第二個GATE幀不同于第一個，它是給ONU分配報文上報的時隙，包括開始的時間和傳輸?shù)臅r間長度；REGESTER_ACK幀是ONU把注冊結果上報給OLT用于確認。MPCP還定義了另一種稱為REPORT的幀，它的作用是ONU上報自己的隊列信息給OLT，OLT根據(jù)ONU上報的隊列信息給ONU分配動態(tài)帶寬。

3 影響ONU轉發(fā)效率的因素

ONU的報文轉發(fā)效率除了受ONU本身硬件設計的影響，還受到一些外部因素的干擾。本文簡要的對分光比和帶寬分配進行分析。

3.1 分光比

分光比通常指進入分光器的光路數(shù)目：流出分光器的光路數(shù)目，它是影響ONU轉發(fā)效率的一個因素。分光比可以取1：4，1：8，1：16，1：32等，有些PON設備最高可以達到1：128的分光比。分光比與光衰的對應關系如表1所示。

從表中可以得到分光比分母越大光衰越嚴重，而光纖分光比在1：32時可以達到最大無源傳輸距離20km，分光比1：64的情況只能達到10km的傳輸距離。分光比在較小的情況下，所有ONU速率之和扔達不到OLT最大傳輸速率，則造成帶寬利用率很低，帶寬浪費嚴重的現(xiàn)象。另一方面分光比過大時在實際應用中每個ONU的帶寬分配問題將會是影響ONU報文轉發(fā)效率的重要因素。最佳分光比在實際應用中根據(jù)網(wǎng)絡分布得到。

3.2 帶寬分配

帶寬分配通常指的是ONU的上行帶寬，即OLT分配給ONU，允許ONU上送報文給OLT的帶寬。它是影響ONU轉發(fā)效率的最直接因素，好的分配方法不僅帶寬利用率較高，而且每一個ONU也能夠分配到合適的帶寬，不會出現(xiàn)某個ONU一直在轉發(fā)報文，而另一ONU處于阻塞狀態(tài)，導致用戶的體驗值十分低下。

固定帶寬分配是一種最簡單的分配帶寬的方法。它給每個在OLT設備下綁定的ONU分配固定的帶寬，且?guī)捪嗤?。帶寬公式如下?/p>

B_ONU=B/N （1）

B為總的信道帶寬，N為綁定的ONU個數(shù)，Bonu即為每個ONU分配的帶寬。這種方法可以保證每個ONU都會擁有自己的帶寬，不會出現(xiàn)報文不能轉發(fā)而阻塞的情況，但是另一方面也會出現(xiàn)很大的弊端，假如N很大，則每個ONU分配的帶寬將會很小，用戶的體驗會很糟糕，且如果有ONU不工作，那么它將會占用整體帶寬中的一部分而不被使用，存在浪費帶寬的情況。

最大效率帶寬是基于帶寬使用率來分配帶寬的一種方法。這種方法的優(yōu)點是整體的帶寬利用率達到最大，在ONU個數(shù)較少時它具有速度快的優(yōu)勢。缺點是當綁定的ONU個數(shù)較多時會出現(xiàn)帶寬分配不均，厚此薄彼的情況，甚至可能出現(xiàn)有些ONU因為不會分配帶寬而阻塞報文轉發(fā)。因此，在實際應用中不被廣泛采用。

最理想的帶寬分配是動態(tài)帶寬分配（DBA：DynamicBandwidthAllocation）。它采用時分多址的方式，根據(jù)當前ONU反饋的總體情況來給每個ONU分配帶寬時隙，決定每個ONU合適發(fā)送報文，發(fā)送報文的時間有多長。在介紹帶寬分配之前先了解一下光纖傳輸距離的測量方法，它的存在對動態(tài)帶寬分配有重要影響。

光纖傳輸距離的測量在ONU注冊過程中完成，光纖傳輸距離越長傳輸?shù)臅r間就相對越長，轉發(fā)效率也就相對變慢。所以，采用較為精確的測量方法才是提高轉發(fā)效率的關鍵。

測算光纖傳輸距離的原理如圖4所示。在ONU注冊過程中，OLT向ONU發(fā)送含有當前時間t1的報文，ONU收到報文后把自己的時間改成t1，在ONU完成一系列操作后記錄此時的時間t2，并把t2放在報文中一塊返回給OLT。OLT接收到ONU返回的報文后記錄此時的OLT的時刻為t3，這樣在光纖傳輸過程中所花費的時間就是

（t3-t1）-（t2-t1）=（t3-t2） （2）

由此可以計算光纖的傳輸距離為

L=V*（t3-t2） （3）

其中，L為傳輸距離，V為光纖傳輸速率。

動態(tài)帶寬分配的方法采用時分多址，這就要求對每個ONU開始發(fā)送報文的時刻需要精確計算，計算光纖的傳輸距離就是為了提高帶寬利用率，在OLT傳送報文結束的時刻，ONU上行的報文能夠及時發(fā)送到OLT，最大限度利用發(fā)送時隙，提高帶寬利用率。動態(tài)帶寬的分配有多種，CBATM（Credit-Base Bandwidth Allocation，信用基礎帶寬分配）即是其中的一種，它的帶寬分配公式為

B_onu=B_base+C （4）

Bonu為ONU的實時帶寬，Bbase是給每個ONU分配的基礎帶寬，這個值的大小用于保證ONU正常交互的最小帶寬，C可以是常數(shù)，也可以是表達式，根據(jù)情況的不同做調整，從而達到較高的帶寬利用率。

4 結語

EPON技術中怎么提高報文轉發(fā)效率一直是開發(fā)人員不斷研究的內(nèi)容。文章從分光比和帶寬分配的角度分析的影響報文轉發(fā)的原因，有效避免用戶在實際應用中因為ONU的帶寬分配問題導致網(wǎng)絡卡死以及帶寬利用率低浪費資源的現(xiàn)象。