互聯(lián)網(wǎng)+模式下ASON帶寬優(yōu)化研究?

余 庚

（1.福州理工學院 福州 350506）（2.福建工程學院國脈信息學院 福州 350014）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)+［1］時代，基于EPON的光寬帶接入［2］技術(shù)無疑是ASON上大數(shù)據(jù)傳輸時延的首選解決方案。但是當EPON覆蓋距離超過100KM就不可避免地面臨因遠近效應導致光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）之間上行數(shù)據(jù)包時延增加和信道帶寬資源利用率下降等QoS［3］問題。因此動態(tài)分配帶寬［4］算法就成為了解決這一問題的關(guān)鍵。該算法普遍采用呼叫言答機制，即ONU根據(jù)OLT為其分配的時隙和窗口大小被動地接受指令來發(fā)送上行數(shù)據(jù)。當某個承載了大數(shù)據(jù)的ONU無法在被授權(quán)的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時，再由OLT決定是否繼續(xù)為其分配授權(quán)。目前采用該機制的算法主要有間插輪詢自適應周期長度（IPACT）和周期輪詢固定周期長度（CPFCT）。

2 IPACT機制

2.1 IPACT動態(tài)分配帶寬過程

IPACT通過兩種控制幀同時接收多個ONU上傳數(shù)據(jù)。為說明該算法動態(tài)分配帶寬過程，借助OPNET仿真平臺搭建一個由1個OLT和3個ONU組成的EPON網(wǎng)絡(luò)模型［5］，如圖1所示。圖示模型中OLT置有一個輪詢表，當啟用輪詢機制時便開始向每一個ONU發(fā)出輪詢同時為其授權(quán)（GATE）幀。ONU根據(jù)OLT對其授權(quán)的窗口將緩沖存儲區(qū)內(nèi)的隊列數(shù)據(jù)發(fā)出并附上報告（Report）幀。此時R幀自動生成隊列數(shù)據(jù)長度信息便于OLT統(tǒng)計緩沖存儲區(qū)被占據(jù)的比例進而為調(diào)整下一個周期的數(shù)據(jù)授權(quán)窗口調(diào)整大小，以此達到動態(tài)調(diào)整帶寬目的。當ONU中的數(shù)據(jù)置空，則OLT向該ONU發(fā)送一個零的窗口，下一個輪詢周期到來時ONU只要發(fā)送一個R幀。為改善上行鏈路使用率，OLT在計算出往返時間（RTT）后再在相鄰兩個ONU的開始時隙和結(jié)束時隙之間插入一個間隔時隙（Tguard），這樣就能夠根據(jù)帶寬利用率的高低實時動態(tài)地接收下一個ONU發(fā)往OLT的數(shù)據(jù)。

圖1 IPACT時隙動態(tài)分配示意圖

為避免在輪詢周期內(nèi)模型中某個攜帶大數(shù)據(jù)的ONU獨享上行鏈路帶寬就需要為每個ONU分配最大傳輸窗口MTW，該窗口的大小根據(jù)最大輪詢周期長度來決定。就IPACT而言，OLT在輪詢周期內(nèi)為該窗口授權(quán)的機制采用限制級服務。該服務在輪詢周期內(nèi)為ONU授權(quán)的帶寬小于MTW，當上行方向上提交的請求超過了MTW則OLT限制其帶寬等于MTW。此時輪詢周期最短。便于比較該機制的實效性，此處引入一個與其相反的固定服務授權(quán)機制。該機制至始至終為ONU授權(quán)MTW，顯然輪詢周期恒定。

2.2 IPACT實驗分析

為了更好地比較仿真數(shù)據(jù)，本次仿真將時間放大一百倍。仿真相關(guān)參數(shù)［6］配置如下：PON鏈路速率1Mbit/s，保護間插時隙5μs，信號在鏈路中的傳播速率2×108m/s，MTW為1500字節(jié)，數(shù)據(jù)幀往返時間105μs、線程數(shù)3個。實驗結(jié)果分別如圖2所示。

圖2 限制授權(quán)（黑）/固定授權(quán)（灰）的延時和帶寬使用對照圖

比較曲線可知，限制授權(quán)機制較固定授權(quán)機制具有更良好的實效性。然而即便如此，限制授權(quán)機制下的IPACT算法在QoS［7］方面依然較低，表現(xiàn)為1）若在不同輪詢周期內(nèi)出現(xiàn)輕重負載時必然導致很明顯的時延差異；2）各類業(yè)務的優(yōu)先權(quán)無法得到保障；3）當ONU輕負載時信道被大量的R幀和G幀占據(jù)。

3 CPFCT機制

3.1 CPFCT動態(tài)分配帶寬過程

該算法采用了多點控制協(xié)議，故OLT中也內(nèi)置了輪詢表來記錄每個ONU緩沖存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)請求和收發(fā)時間長度。但OLT收到上行方向上ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)請求會更新輪詢表，以此類推，后續(xù)所有每一個ONU發(fā)送完數(shù)據(jù)請求后也隨即更新其緩沖存儲區(qū)內(nèi)的輪詢表，然后統(tǒng)一計算ONU請求的總帶寬，再一次性為所有ONU指派Gate幀。此時OLT為每個ONU指派的窗口。設(shè)Gi為ONU被授權(quán)的時隙、Ri/j表示第i/j個ONU發(fā)送的請求信息、B為總帶寬，則ONU指派的窗口為。其時隙分配過程如下圖3所示。

圖3 CPFCT時隙動態(tài)分配示意圖

圖4 基于CPFCT的周期閑置示意圖

該圖示中CPFCT的輪詢周期長度并不會因ONU負載輕重變化而變化，很適合時延敏感型業(yè)務。但是OLT在一個輪詢周期內(nèi)讀取完所有上行方向上ONU的數(shù)據(jù)請求和R幀后要先進行計算和生成授權(quán)信息才能進行統(tǒng)一授權(quán)操作。這個過程需要一定的時間來處理這些時延；此外，OLT將Gate幀統(tǒng)一發(fā)往ONU直到ONU上傳數(shù)據(jù)和R幀（即RTT），這些鄰近周期之間還有一些閑置時隙［8］存在。上述兩個時延無疑已經(jīng)構(gòu)成了一定的周期閑置。如圖4所示。

3.2 CPFCT實驗分析

根據(jù)OLT為每個ONU所指派的窗口，通過OPNET仿真軟件搭建模型并將圖3第i個周期中第一 個 ONU 授 權(quán) 時 隙 記 為 t數(shù)據(jù)請求+tR幀+tG幀+?RTT 。

仿真相關(guān)參數(shù)配置如下：PON鏈路速率1Mbit/s，保護間插時隙5μs，CPCFT周期2000ms，信號在鏈路中的傳播速率2×108m/s，MTW為1500字節(jié)，數(shù)據(jù)幀往返時間 105μs、線程數(shù) 3個。輪詢［9］周期內(nèi)第一個ONU的負載以單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包長度來定義。仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。兩個圖示的仿真結(jié)果顯示在輕負載時的采用CPFCT的平均時延大于IPACT，時延抖動也小，源于CPFCT采用了固定周期。該特點使其很適合用于傳輸時延敏感型業(yè)務。圖5驗證了因存在周期閑置所導致的信道利用率下降現(xiàn)象。

圖5 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）平均時延和帶寬使用對照

圖6 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）的時延抖動對照

4 優(yōu)化機制原理

4.1 優(yōu)化過程

IPACT算法雖然帶寬利用率較高，但時延［10］抖動方面表現(xiàn)較差。相比之下CPFCT算法雖然帶寬利用率一般，但良好的時延使得該算法很適合敏感型［11］業(yè)務。鑒于CPFCT算法在上述原理和仿真中呈現(xiàn)出的周期閑置長度Lins導致了帶寬利用率下降問題，本次給出了改善機制。總體思路是：首先，在輪詢周期中最后一個ONU先發(fā)送R幀再提交該ONU緩沖存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)給OLT。當輪到ONU上傳R幀時，通過預測［4］系數(shù)增加當前窗口的帶寬請求用于彌補等待授權(quán)這個時間段收到的帶寬請求。即在OLT收到上行鏈路請求后根據(jù)預測系數(shù)對相應帶寬請求做適當放大處理。這樣的就可以使得等待時間內(nèi)所產(chǎn)生的請求在本周期內(nèi)獲得G幀，不至于像優(yōu)化前的算法必須等到下一個輪詢周期才能被授權(quán)，進而明顯地縮小了業(yè)務的時延長度。其次，將第一次分配［12］后輕負載ONU的剩余帶寬按照重負載ONU不足帶寬占剩余帶寬的比例來進行帶寬的再次調(diào)度。改進后的算法流程［5］如圖7所示。

圖7 算法優(yōu)化流程

4.2 優(yōu)化機制實驗分析

為了準確地闡述CPFCT優(yōu)化前后的效果，本處仿真相關(guān)參數(shù)配置與優(yōu)化前基本保持相同。優(yōu)化后的CPCFT周期依然為2000ms。經(jīng)由OPNET仿真［13］得到如圖8所示數(shù)據(jù)。其中黑色為優(yōu)化機制、灰色為CPFCT機制、白色為IPACT機制。

圖8 重負載時帶寬利用率與平均時延情況

比較兩圖不難看出優(yōu)化［14］后的CPFCT表現(xiàn)出良好的帶寬利用率和時延性［15］。這是由于使用優(yōu)化后的算法，在一個輪詢周期內(nèi)的最后一個ONU不是先發(fā)送數(shù)據(jù)再發(fā)送R幀，而是將D時隙和R時隙先后順序做了顛倒處理，利用發(fā)送數(shù)據(jù)的時間來補償周期輪詢損失。

5 結(jié)語

本文通過分析IPACT和CPFCT作為ASON常用帶寬調(diào)度算法在應用過程中表現(xiàn)出來的局限性提出了一種優(yōu)化機制。在結(jié)合兩者算法優(yōu)點的基礎(chǔ)上通過彌補周期閑置、倒換請求窗口時序、二度分配等策略來實施該優(yōu)化機制。經(jīng)仿真測試最終驗證了該優(yōu)化機制的可行性。

優(yōu)化后的CPFCT帶寬分配機制適合于互聯(lián)網(wǎng)+模式下承載了大數(shù)據(jù)的融合網(wǎng)絡(luò)，具有廣泛的適應性。