EPON中一種基于QoS的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

引言：　　

EPON是由IEEE802.3 EFM工作組（Ethernet in the First Mile Study Group）引入的一種新接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要由光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元/光網(wǎng)絡(luò)終端（ONU）和光分布網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成。OLT放置在中心交換局側(cè)（CO），ONU放置在用戶端。EPON中傳送IEEE802.3規(guī)定的以太數(shù)據(jù)幀。

　　在下行方向上EPON系統(tǒng)是一個(gè)共享介質(zhì)的廣播網(wǎng)絡(luò)。在上行方面EPON系統(tǒng)是一個(gè)多點(diǎn)到點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，多個(gè)ONU共同占用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信道，因此OLT中必須采用一定的MAC協(xié)議控制信道的分配以避免多個(gè)ONU同時(shí)傳送數(shù)據(jù)造成的以太數(shù)據(jù)幀的碰撞，通常采用給每個(gè)ONU分配不同的傳輸窗口（或時(shí)隙）來實(shí)現(xiàn)。

　　上行方向時(shí)隙的分配既可以采用固定的時(shí)隙分配又可以采用動(dòng)態(tài)的時(shí)隙分配。固定時(shí)隙酚算法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但沒有實(shí)現(xiàn)帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，因此帶寬的利用率低。同時(shí)其傳輸周期是固定的，造成一些高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)增大，使得網(wǎng)絡(luò)的QoS下降。在文獻(xiàn)[2]中提到的輪詢帶寬分配算法（IPACT）是一種方從形式的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，該算法有效地提高了上行信道的利用率，但是由于輪詢周期的變化和沒有區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的優(yōu)先級，使其不適用于對延時(shí)和抖動(dòng)敏感的服務(wù)。

　　本文提出了一種基于EPON的服務(wù)質(zhì)量（QoS）的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，通過將數(shù)據(jù)包分為不同的優(yōu)先級和首先傳送對于延時(shí)和抖動(dòng)要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)來提高整個(gè)EPON網(wǎng)絡(luò)的利用率和服務(wù)質(zhì)量（QoS）。本文將服務(wù)分為三個(gè)不同的優(yōu)先級。高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)始終位于一幀數(shù)據(jù)的開始處，有效地降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)，同時(shí)當(dāng)有新的ONU加入初始化時(shí)，高優(yōu)先數(shù)據(jù)沒有被打斷，保證了其低時(shí)延的要求；在OLT端控制優(yōu)先級數(shù)據(jù)的接入量，防止了由于帶寬分配不公正造成的丟包現(xiàn)象。最后，文章對提出的算法進(jìn)行了理論上的分析。

　　1 服務(wù)優(yōu)先級的劃分和ONU的隊(duì)列管理

　?。?）在本文中將所有的數(shù)據(jù)分為三個(gè)優(yōu)先級。

　　第一是加速轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)（EF），這是最高的優(yōu)先級。它對延時(shí)和抖動(dòng)都有嚴(yán)格的要求，音頻、視頻等實(shí)時(shí)性要求較高的服務(wù)都屬于這一優(yōu)先級。

　　第二是保證轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)（AF）。這一優(yōu)先級對于延時(shí)和抖動(dòng)沒有嚴(yán)格的要求，但是要求保證數(shù)據(jù)最終被送到接收者，對丟包比較敏感。實(shí)時(shí)可變比特速率的數(shù)據(jù)都屬于該優(yōu)先級。

　　第三是盡力而為服務(wù)（BF），這是最低的優(yōu)先級。它對延時(shí)和抖動(dòng)不敏感，同時(shí)不需要保證帶寬，傳送數(shù)據(jù)時(shí)盡網(wǎng)絡(luò)的最大努力去傳送數(shù)據(jù)。突發(fā)性較高的數(shù)據(jù)和未標(biāo)明比特率的數(shù)據(jù)都屬于該優(yōu)先級。

　?。?）ONU的隊(duì)列管理

　　為了保證帶寬分配的公正性提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，在ONU端對數(shù)據(jù)包按其優(yōu)先級重新排序。在ONU中，每個(gè)優(yōu)先級都有自己的緩存區(qū)。用戶端數(shù)據(jù)到達(dá)，根據(jù)該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，按先入先出的規(guī)則插入到對應(yīng)緩存區(qū)的屬部。如圖1所示。

　　在本文中數(shù)據(jù)優(yōu)先級的管理按IEEE802.1d定義的優(yōu)先級排隊(duì)管理規(guī)定，在高優(yōu)先級緩存區(qū)溢出的情況下，有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)到達(dá)可以占用低優(yōu)先級的緩存區(qū)，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)比低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)先得到服務(wù)。

　　2 MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

　　2.1 動(dòng)態(tài)帶寬分配算法

　　傳統(tǒng)的帶寬分配算法采用基于時(shí)隙的MAC協(xié)議。在這種方法中，一幀數(shù)據(jù)中分配給每個(gè)ONU的時(shí)隙與ONU的請求成比例。所有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)都被放到一個(gè)時(shí)隙中。采用這種方法，同一個(gè)ONU在不同的數(shù)據(jù)幀中，其時(shí)隙的開始時(shí)間隨著數(shù)據(jù)的突發(fā)性和數(shù)據(jù)包的長度而發(fā)生很大的變化，從而造成高優(yōu)先級數(shù)據(jù)延時(shí)的抖動(dòng)增加。如圖2(a)所示。

　　在本文提出的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中，將一幀數(shù)據(jù)分為高、中、低優(yōu)先級部分。對于高優(yōu)先級部分采用如下的方法分配帶寬：

BHi=Hi+Ai

BHi為OLT分配給ONU的高優(yōu)級的帶寬；

Hi為ONU請求分配的帶寬；

Ai為等待時(shí)間內(nèi)到達(dá)的高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)長度。

　　由于不能準(zhǔn)備測定Ai，同時(shí)高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可以看作速率近似恒定的數(shù)據(jù)，所以用上一輪在等待時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)長度近似估計(jì)Ai。即：

Ai(n)=Ei(n-1)

Ei(n-1)為上一輪等待時(shí)間內(nèi)到達(dá)的高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確長度。

　　由于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)近似認(rèn)為是恒定速率的數(shù)據(jù)，因此每一幀中分配給ONU的BHi近似相等?？梢哉J(rèn)為每幀中高優(yōu)先級數(shù)據(jù)開始的時(shí)間基本固定，不會發(fā)生大的變化。從而，降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的時(shí)延抖動(dòng)。如圖2（b）所示。

　　對于中優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，為了保證帶寬分配的公平性，降低中優(yōu)先級數(shù)據(jù)的丟包率，筆者通過OLT控制每個(gè)ONU中優(yōu)先級數(shù)據(jù)的接入量，采用如下的帶寬分配算法：

如果i=N∑i=0 Mi

BMi為分配給中優(yōu)先級的帶寬；

Mi為ONU請求帶寬；

Btatol為總的可用帶寬。

　　給每個(gè)ONU分配中優(yōu)先級帶寬是請求的帶寬的一定比例，它控制了每個(gè)ONU中優(yōu)先級數(shù)據(jù)的接入量，從而降低由于個(gè)別ONU數(shù)據(jù)量過多造成其它ONU丟包率增加的概率，同時(shí)保證了對每個(gè)ONU帶寬分配的公證性。

　　對于低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，在前兩級數(shù)據(jù)傳送完畢有剩余帶寬的情況下再進(jìn)行分配，其帶寬分配接等比例的分配方法分配。即

　　BLi為分配給低優(yōu)先級的帶寬。

　　對中、低優(yōu)先級的帶寬分配，是在搜集到所有ONU的請求信息后才進(jìn)行。因此，在搜索到所有數(shù)據(jù)到第一個(gè)ONU收到OLT發(fā)送的準(zhǔn)許消息，中間存在一段包括帶寬分配計(jì)算時(shí)間和環(huán)路延時(shí)的空白時(shí)間。同時(shí)，對于新的算法中數(shù)據(jù)幀被分成了兩個(gè)獨(dú)立的部分，可以利用高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳送過程，計(jì)算中低優(yōu)先級的帶寬分配并給第一個(gè)ONU發(fā)送準(zhǔn)許消息。從而，有效地解決了空白時(shí)間的問題。如圖3所示。

　　2.2 近似無中斷的開窗法測距

　　為了保證ONU的即插即用，OLT必須每隔一定的時(shí)間，發(fā)送一個(gè)廣播GATE消息，用來檢測是否有新的ONU加入。如果有，OLT必須對該ONU初始化，該過程主要包括：對該ONU進(jìn)行測距，獲得ONU的地址等。一般采用開窗法對ONU初始化。在傳統(tǒng)的帶寬分配算法中，必須停止一切數(shù)據(jù)的傳送，留出特定的時(shí)間進(jìn)行ONU的初始化工作。由此，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳送被切斷，造成延時(shí)加大。

　　在筆者提出的帶寬分配算法中，數(shù)據(jù)幀分為兩個(gè)部分。開窗時(shí)可以只利用中低優(yōu)先級部分，而高優(yōu)先級部分分持續(xù)傳送數(shù)據(jù)。由于ONU與OLT的距離為2km～20km，其延時(shí)一般在50μs～100μs之間?？偟沫h(huán)球延時(shí)一般不超過1ms，而本設(shè)計(jì)中一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間一般為2ms，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)量較少，故可以利胳低優(yōu)先級部分開窗完成ONU的初始化，而不必切斷高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸。

　　3 結(jié)果理論分析

　　數(shù)據(jù)包的延時(shí)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)包到達(dá)至請求信息發(fā)送的時(shí)間dpoII、ONU請求信息發(fā)送至接收到準(zhǔn)許該數(shù)據(jù)包傳送的時(shí)間dcycle和數(shù)據(jù)開始發(fā)送至該數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)包的等待時(shí)間dqueue?？偟难訒r(shí)是三者之和。如圖5所示。

　　其中dpoII一般為一幀數(shù)據(jù)時(shí)間的一半，即dpoII=T/2;

　　dcycle一般為一個(gè)或幾個(gè)循環(huán)，但是在筆者提出的算法中對于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)由于準(zhǔn)許的數(shù)據(jù)長度與請求的相同，所以可以認(rèn)為dcycle為0，這就大大降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的延時(shí)。

　　Dqueue一般與該數(shù)據(jù)包前數(shù)據(jù)量有關(guān)，傳統(tǒng)的算法中其最大值可為（WMAX-Q）/R。其中WMAX為最大準(zhǔn)許長度，Q為該數(shù)據(jù)包的長度，R為數(shù)據(jù)速率。在新的算法中，由于將數(shù)據(jù)幀分為兩部分，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)較少，若該數(shù)據(jù)包為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，則其前數(shù)據(jù)量減少，從而dqueue減小。

　　同時(shí)通過前面的分析可知，由于在對ONU進(jìn)行初始化時(shí)沒有切斷高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳送，有效地降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的延時(shí)；另外由于將數(shù)據(jù)幀分開，有效地降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的抖動(dòng)性。

　　對于中低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，由于其對延時(shí)不敏感，但為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的QoS，必須保證其帶寬分配的公正性，通過前面的分析可知，筆者提出的帶寬分配算法很好地保證了這一點(diǎn)。

　　本文提出了一種新的帶寬分配算法，該方法區(qū)分不同的優(yōu)先級進(jìn)行服務(wù)，很好地降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的延時(shí)和延時(shí)的抖動(dòng)性，另外該算法控制中優(yōu)先級數(shù)據(jù)的接入量，保證了中低優(yōu)先級數(shù)據(jù)在每個(gè)ONU間帶寬分配的公正性。但是該算法計(jì)算量很大，要給每個(gè)ONU發(fā)送兩次準(zhǔn)許消息，加重了OLT的計(jì)算和發(fā)送數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)以及ONU讀取信息的負(fù)擔(dān)。該實(shí)現(xiàn)方案有待進(jìn)一步改進(jìn)。