互联网+模式下ASON带宽优化研究∗

余 庚

（1.福州理工学院 福州 350506）（2.福建工程学院国脉信息学院 福州 350014）

1 引言

互联网+［1］时代，基于EPON的光宽带接入［2］技术无疑是ASON上大数据传输时延的首选解决方案。但是当EPON覆盖距离超过100KM就不可避免地面临因远近效应导致光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间上行数据包时延增加和信道带宽资源利用率下降等QoS［3］问题。因此动态分配带宽［4］算法就成为了解决这一问题的关键。该算法普遍采用呼叫言答机制，即ONU根据OLT为其分配的时隙和窗口大小被动地接受指令来发送上行数据。当某个承载了大数据的ONU无法在被授权的时隙内将数据发送完毕时，再由OLT决定是否继续为其分配授权。目前采用该机制的算法主要有间插轮询自适应周期长度（IPACT）和周期轮询固定周期长度（CPFCT）。

2 IPACT机制

2.1 IPACT动态分配带宽过程

IPACT通过两种控制帧同时接收多个ONU上传数据。为说明该算法动态分配带宽过程，借助OPNET仿真平台搭建一个由1个OLT和3个ONU组成的EPON网络模型［5］，如图1所示。图示模型中OLT置有一个轮询表，当启用轮询机制时便开始向每一个ONU发出轮询同时为其授权（GATE）帧。ONU根据OLT对其授权的窗口将缓冲存储区内的队列数据发出并附上报告（Report）帧。此时R帧自动生成队列数据长度信息便于OLT统计缓冲存储区被占据的比例进而为调整下一个周期的数据授权窗口调整大小，以此达到动态调整带宽目的。当ONU中的数据置空，则OLT向该ONU发送一个零的窗口，下一个轮询周期到来时ONU只要发送一个R帧。为改善上行链路使用率，OLT在计算出往返时间（RTT）后再在相邻两个ONU的开始时隙和结束时隙之间插入一个间隔时隙（Tguard），这样就能够根据带宽利用率的高低实时动态地接收下一个ONU发往OLT的数据。

图1 IPACT时隙动态分配示意图

为避免在轮询周期内模型中某个携带大数据的ONU独享上行链路带宽就需要为每个ONU分配最大传输窗口MTW，该窗口的大小根据最大轮询周期长度来决定。就IPACT而言，OLT在轮询周期内为该窗口授权的机制采用限制级服务。该服务在轮询周期内为ONU授权的带宽小于MTW，当上行方向上提交的请求超过了MTW则OLT限制其带宽等于MTW。此时轮询周期最短。便于比较该机制的实效性，此处引入一个与其相反的固定服务授权机制。该机制至始至终为ONU授权MTW，显然轮询周期恒定。

2.2 IPACT实验分析

为了更好地比较仿真数据，本次仿真将时间放大一百倍。仿真相关参数［6］配置如下：PON链路速率1Mbit/s，保护间插时隙5μs，信号在链路中的传播速率2×108m/s，MTW为1500字节，数据帧往返时间105μs、线程数3个。实验结果分别如图2所示。

图2 限制授权（黑）/固定授权（灰）的延时和带宽使用对照图

比较曲线可知，限制授权机制较固定授权机制具有更良好的实效性。然而即便如此，限制授权机制下的IPACT算法在QoS［7］方面依然较低，表现为1）若在不同轮询周期内出现轻重负载时必然导致很明显的时延差异；2）各类业务的优先权无法得到保障；3）当ONU轻负载时信道被大量的R帧和G帧占据。

3 CPFCT机制

3.1 CPFCT动态分配带宽过程

该算法采用了多点控制协议，故OLT中也内置了轮询表来记录每个ONU缓冲存储区内的数据请求和收发时间长度。但OLT收到上行方向上ONU发送的数据请求会更新轮询表，以此类推，后续所有每一个ONU发送完数据请求后也随即更新其缓冲存储区内的轮询表，然后统一计算ONU请求的总带宽，再一次性为所有ONU指派Gate帧。此时OLT为每个ONU指派的窗口。设Gi为ONU被授权的时隙、Ri/j表示第i/j个ONU发送的请求信息、B为总带宽，则ONU指派的窗口为。其时隙分配过程如下图3所示。

图3 CPFCT时隙动态分配示意图

图4 基于CPFCT的周期闲置示意图

该图示中CPFCT的轮询周期长度并不会因ONU负载轻重变化而变化，很适合时延敏感型业务。但是OLT在一个轮询周期内读取完所有上行方向上ONU的数据请求和R帧后要先进行计算和生成授权信息才能进行统一授权操作。这个过程需要一定的时间来处理这些时延；此外，OLT将Gate帧统一发往ONU直到ONU上传数据和R帧（即RTT），这些邻近周期之间还有一些闲置时隙［8］存在。上述两个时延无疑已经构成了一定的周期闲置。如图4所示。

3.2 CPFCT实验分析

根据OLT为每个ONU所指派的窗口，通过OPNET仿真软件搭建模型并将图3第i个周期中第一 个 ONU 授 权 时 隙 记 为 t数据请求+tR帧+tG帧+⋅RTT 。

仿真相关参数配置如下：PON链路速率1Mbit/s，保护间插时隙5μs，CPCFT周期2000ms，信号在链路中的传播速率2×108m/s，MTW为1500字节，数据帧往返时间 105μs、线程数 3个。轮询［9］周期内第一个ONU的负载以单位时间内的数据包长度来定义。仿真结果分别如图5、图6所示。两个图示的仿真结果显示在轻负载时的采用CPFCT的平均时延大于IPACT，时延抖动也小，源于CPFCT采用了固定周期。该特点使其很适合用于传输时延敏感型业务。图5验证了因存在周期闲置所导致的信道利用率下降现象。

图5 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）平均时延和带宽使用对照

图6 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）的时延抖动对照

4 优化机制原理

4.1 优化过程

IPACT算法虽然带宽利用率较高，但时延［10］抖动方面表现较差。相比之下CPFCT算法虽然带宽利用率一般，但良好的时延使得该算法很适合敏感型［11］业务。鉴于CPFCT算法在上述原理和仿真中呈现出的周期闲置长度Lins导致了带宽利用率下降问题，本次给出了改善机制。总体思路是：首先，在轮询周期中最后一个ONU先发送R帧再提交该ONU缓冲存储区内的数据给OLT。当轮到ONU上传R帧时，通过预测［4］系数增加当前窗口的带宽请求用于弥补等待授权这个时间段收到的带宽请求。即在OLT收到上行链路请求后根据预测系数对相应带宽请求做适当放大处理。这样的就可以使得等待时间内所产生的请求在本周期内获得G帧，不至于像优化前的算法必须等到下一个轮询周期才能被授权，进而明显地缩小了业务的时延长度。其次，将第一次分配［12］后轻负载ONU的剩余带宽按照重负载ONU不足带宽占剩余带宽的比例来进行带宽的再次调度。改进后的算法流程［5］如图7所示。

图7 算法优化流程

4.2 优化机制实验分析

为了准确地阐述CPFCT优化前后的效果，本处仿真相关参数配置与优化前基本保持相同。优化后的CPCFT周期依然为2000ms。经由OPNET仿真［13］得到如图8所示数据。其中黑色为优化机制、灰色为CPFCT机制、白色为IPACT机制。

图8 重负载时带宽利用率与平均时延情况

比较两图不难看出优化［14］后的CPFCT表现出良好的带宽利用率和时延性［15］。这是由于使用优化后的算法，在一个轮询周期内的最后一个ONU不是先发送数据再发送R帧，而是将D时隙和R时隙先后顺序做了颠倒处理，利用发送数据的时间来补偿周期轮询损失。

5 结语

本文通过分析IPACT和CPFCT作为ASON常用带宽调度算法在应用过程中表现出来的局限性提出了一种优化机制。在结合两者算法优点的基础上通过弥补周期闲置、倒换请求窗口时序、二度分配等策略来实施该优化机制。经仿真测试最终验证了该优化机制的可行性。

优化后的CPFCT带宽分配机制适合于互联网+模式下承载了大数据的融合网络，具有广泛的适应性。