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EPON中一种基于优先级的多业务的动态带宽分配算法
Minh Thanh Ngo和Anmie Gravey
INSTITUT TELECOM，布列塔尼电信，计算机科学系，
Technopole Brest Iroise CS 83818,29238法国布雷斯特
Universite Europeenne de Bretagne，France {mt.ngoannie.gravey-atelecom-bretagne.eu
摘要：满足带宽需求的最高成本解决方案之一是无源光网络（PON）。该技术旨在提供简单，可扩展的解决方案，能够为终端用户提供多业务接入。PONshave标准已被批准，但QoS配置和带宽分配都与PON相关。特别是，许多流程都关注于PON的管理和管理。上游流量管理依赖动态带宽配置（DBA）机制，根据用户的需求为最终用户分配传输机会。理想的DBA应同时支持承诺带宽（CB）和尽力服务（BE）服务，可以很好地控制通常的QoS特性（延迟，抖动和丢失），同时利用可用带宽，效率很高。本文提出了基于仿真分析，显示基于优先级的简单DBA如何满足这些要求，并超越比较熟悉的DBA方案的建议。摘要环境。
关键词：Ethe rmnet PON（EPON），光接入，服务质量（QoS），动态带宽分配（DBA）。
1背景介绍
近年来，随着WDM等技术发展，人们观察到骨干带宽的重要增长。在局域网（LAN）中也观察到了类似的增长，该局域网现在经常支持1Gbps甚至10Gbps接口。
另一方面，接入链路仍然是一个瓶颈。这个链路应该由低成本，简单和可扩展的接入技术提供，它必须支持语音，数据和视频等综合业务。接入网络依靠光纤到光纤到Node / Home / Premises / Cur（FTTx）网络对现有基于铜缆（xDSL）和有线调制解调器（CATV）的现有接入技术提供了非常有希望的改进，用于全业务宽带接入网络。宽带无源光网络（PON）是交付FTTx网络最多的技术之一。树，戒指。总线对于PON来说是几种拓扑结构，树形拓扑结构是最常见的结构。
PON包括位于中心局（或电缆头端）的光线路终端（OLT）以及为用户提供宽带语音，数据和视频服务的多个远程光网络单元（ONU）。在PON中，OLT广播下行流量，ONU过滤发送给它们的帧。在上游方向，时分复用（TDM）用于避免冲突。每个ONU使用由OLT分配的时隙发送帧。因此，OLT作为传输上游流量的中央仲裁者。
已经提出了许多允许动态分配传输机会的机制[1]，[2]。这些机制假设流量是基于IP的，并且可能是具有各种QoS要求的多业务。动态分配传输机会的基本概念依赖于三个特征：信号机制允许ONU描述其需求和信息。在OLT处实施的动态带宽分配（DBA）方法根据经协商的SLA和由ONU传输的动态信息计算向每个ONU提供的传输机会; 指定每个ONU如何使用分配的ONU内部调度补助。
IEEE 802.3ah [3]标准为EPON系统的MAC层指定了多点控制协议（MPCP）。该协议定义了一组用于控制OLT与ONU之间的数据交换的消息：使用RE-PORT消息，ONU请求使用GATE消息由OLT授予的传输机会。 MPCP是常用的，并且解决了point1。 MPCP允许传输多个流量类别的请求和分配。
另一方面，目前还没有关于第2点和第3点的协议。尽管目前一些早期的提案如IPACT [4]被认为是其他提案的基准，但在宽带业务的EPONs上行方向支持多业务的许多问题仍然存在打开。
本文重点介绍EPON中向上行流量传送的QoS以及分配过程的效率。我们的初步研究成果是设计一个简单的基于优先级的上行流量管理策略[13]。本文将对本策略进行进一步分析，并与其他已发布的建议进行比较。使用网络模拟器（ns2）通过仿真进行分析。为了更好地理解comp，模拟确实是强制性的文章的其余部分组织如下。第2节提供相关文献的概述，并提供进一步讨论的背景知识第3节介绍了多服务DBA应该如何理想地表现。我们在动态分配策略方面的贡献在第4节中简要介绍。第5节指定了模拟的网络体系结构。第6节阐述了EPON向上行流量传输性能的分析，第7节总结了本文。
2 EPON中资源管理的最新技术
本节首先讨论DBAscheme中使用的轮询过程的设计：我们将会看到，它对上行流量的流量管理策略的性能有重大影响。然后，我们将对EPON的DBA设计的一些值得关注的研究工作进行概述。
2.1轮询机制的讨论
DBA方案通常定义一个所谓的轮询周期。轮询周期被定义为。在指定给相同ONU的两个连续发送窗口之间经过的时间。的。轮询周期可以有固定的或可变的长度。显然，轮询周期是系统的重要参数;它对...的影响。可以支持的QoS（延迟和抖动都会随着更长的轮询周期而增加）。
用于询问ONU的传输请求并为其分配传输机会的轮询过程可以是。以不同的方式设计。所有PON架构都是如此，但对EPONs有很大影响，因为这种技术不需要固定的周期时间; thecycle。时间可以是。可变的，并且直接取决于轮询过程的特征。
图1、轮询机制
通过轮询和停止轮询，ONU被轮询并允许一个接一个地传送一个完整的。往返时间（RTT）。尽管由于物理层要求，维持保护时间（两个不同ONU在两个传输周期之间上游信道空闲的时间）是确实的强制性保护时间，但这样的保护时间仅持续几微秒，而典型的RTT在100和200微秒之间。轮询和停止轮询显然会浪费上游带宽，特别是当OLT服务于大量的ONU时。这反过来降低了上行信道利用率并因此增加了分组延迟。更有效的方法是允许OLT在ONU被允许开始传输之前充分预测和发送GATE消息给ONU，使得ONU可以在前一个ONU完成传输之后立即开始，并且在传输周期之间具有最小的保护时间。 。
一个着名的策略[4]是交织轮询消息：一旦ONU完成数据的发送，它就发送一个REPORT，OLT直接用GATE消息回复下一个发送周期，如图1a所示。这就完成了上述要求，除非在非常病态的情况下，当单个ONU激活时。
然而，交织轮询依赖于仅基于ONU请求的OLT分配传输机会。因此，OLT无法考虑所有ONU的请求，从而根据全球需求作出更明智的决策。 Fig1.b说明了一种克服这种被称为循环轮询的退步的有效方法。在循环轮询策略中，在收到来自所有ONU的REPORT消息之前，OLT不会开始下一个轮询周期。这允许OLT在每个轮询周期结束时根据所有ONU的请求分配传输机会。图1b表明，如果REPORT消息是在其传输周期结束时由ONU发送的，那么上游信道可能仍然受到利用率不足的影响（即每个周期时间大致为1个RTT）。在[6]中提出了一个更有效的循环轮询方法，其中ONU发送REPOacute;RT来解决这个问题
在传输期间开始的消息。在某些病理情况下（即，如果最后一个被轮询的ONU没有上行流量传输，而系统拥塞）。计划可能仍然没有充分利用资源。但是，如本文其余部分所示，图1c所示的循环轮询策略具有许多主要优点，并且经常使用。
2.2动态带宽分配
考虑到纯静态TDM分配策略的缺点，已经提出了允许在上行方向上动态分配传输机会的各种机制。
第一个针对TDM-PON的动态带宽分配称为IPACT，称为交织自适应循环时间间隔（Interleaved Polling with Interactive Cycle Time，IPACT）[4] .IPACT为EPON分配动态时隙。为IPACT提出的最常见的日程安排是有限服务（LS）。对于LS，OLT授予所需的传输时隙，但不超过给定的时隙预定的最大值。限制轮询周期的持续时间。已经证明，这个门槛对于单个业务类别的分组延迟和吞吐量方面提供了良好的性能。
理想的DBA分配方案要求OLT不仅公平有效地分配上行信道，还要支持某种类型的QoS模型。已经提出多种具有QoS功能的DBA机制，它们的作者选择的QoS模型有所不同。
在文献[7]中，作者提出了一种DBA方案（DBA-Assi），根据最小保证传输窗口大小，将ONU节点分成两组，负载不足和负载过重。在该方案中，从欠载组保存的带宽按比例重新分配给过载的ONU。该方案在高负载的ONU之间公平分配过多的带宽。但是，OLT仍然支持单个流量类别。
在文献[8]中，提出了一种带宽保证轮询协议，该协议允许根据每个ONU和服务等级协议（SLA）共享上行带宽。运营商。这个协议能够。为基于SLA的高级ONU提供放弃保证，同时为其他ONU提供尽力而为的服务。然而。在这种模式下，ONU不能为不同的业务流申请不同的QoS服务。
在[9]中。作者提出了IPACT-LS-QoS DBA，其中每个ONU主要为其缓冲区中的每个服务类别提供单独的队列，但仅处理对OLT的全局请求。 OLT向每个ONU发出全球授权，这意味着OLT不会准确地确定ONU必须传输的特定队列中有多少个字节。相反，每个ONU使用严格的priorityscheduling来确定队列的处理顺序。但是，[9]中提出的机制都没有为SLA指定的流量提供带宽保证。
[10]和[11]中的作者提出了每类子框架方法来定位带宽。这种方法包括将高优先级和低优先级数据包的传输分成两个子周期。通过在单独的固定子周期中保护高优先级业务，其延迟抖动性能得到了改善。然而，由于每个ONU在每个轮询周期期间传输多次，所以每类子帧方案消耗上游带宽，因此由于保护时间tg增加了开销。
[6]中的作者也提出了一种使用支持DiffServ的循环轮询方案的DBA。无论在队列中等待的数据包的数量如何，加急转发（EF）流量都被分配了保证的带宽量。 AssuredForwarding（AF）流量根据其在总需求中的比例分配带宽。然而，这个数据库管理员排除了AF流量利用非活动EF源的优势。此外[6]并没有将EF和AF类别与典型的交通类别联系起来。
正如我们在上面简要回顾的那样，假设此类中提供的流量具有静态需求，现有DBA或者仅提供BE支持，或者依赖于对EFtraffic类的需求的确定性评估。但是，这不是事实一般来说：即使是EF交通也可能爆发，尤其是在接入网络中，因为各种需求尚未汇总。似乎有必要设计多业务DBA，它可以计入ONU全球需求集合，并支持突发性的需求，即使对于QoS敏感的流量。第4节介绍了一个简单的基于优先级的DBA试图满足这些要求。
3多服务DBA的理想行为
如上所述，要求接入网络适应各种类型的业务，特别是多业务接入是EPON希望提供的一项有意义的特性。在本节中，我们首先确定一组最小的可用于区分网络的传输类服务，然后我们为EPON中的多业务DBA方案确定不同的设计目标
3.1服务级别
为了有效地支持多样化的应用需求，以太网联网中的美国实施方案是将数据包分类为有限数量的传输类别。标准[12]区分了8类传输类别，但我们选择仅考虑有限如Tab.1所示，3个类的子集。
表1、流量类型
基本上，我们假设有2个承诺带宽（CB）类别和一个单一尽力而为（BE）类别。CB和BE流量之间的主要区别是CB流量的特点是在SLA中指定的流量配置文件，并期望QoS要求为只要提供的流量符合协商的流量配置文件即可满足要求。另一方面，没有BE流量配置文件，BE流量不能请求QoS承诺。
3.2 DBA设计目标
我们已经确定了在EPONS中设计DBA方案的以下设计目标：
- 类敏感性：DBA S：hemes应该对QoS敏感。
效率：数据库管理员S：hemes应限制头顶部分。如2.1节所述，DBA的冲突选择直接影响上游渠道的使用。
流量一致性问题：DI 3A（为了执行SLA中描述的流量配置文件，hemes应考虑流量一致性问题。
数据库管理员是EPON上行流量管理的主要模块，但它也必须与其他功能（如维度和/或校验控制）进行交互。但这不在本文的讨论范围之内。
4简单的多服务DBA
考虑到上一节描述的DBA设计目标，我们提出了一个DBA策略[13]，我们称之为DBA-TCM（流量一致性机制），它具有以下特征：
它允许可变长度轮询周期，同时强制执行上限最大轮询周期长度Tmar。
一个是在ONU间的优先等级，即DBA算法服务每个班级先后尝试满足一个班级的所有需求，然后再将传输机会分配给较低班级。
它是以ONU内部的优先级为基础的，即每个ONU恰好应用在前一个请求不能在当前周期内服务之后到达的分配的每级授予和帧。
它通过检查上游承诺带宽（CB）流量的协调来强制我们遵守其协商的SLA：OLT在计算要发送到ONU的许可数量时过滤要求并且接收虚拟私有数据。
DBA-TCM不像IPACT那样交织REPORT和GATE消息。实际上，正如在第2.1节末尾所述，在给定周期内接收到的所有REPORT消息都由OLT同时处理，以便计算分配的资源给每个ONU下一个周期。
以前的文章[13]详细介绍了确切的算法，并且演示了DBA-TCM在处理流量一致性问题时的效率（即强制执行SLA并向承诺源提供承诺带宽）。然而，以前的文章并未评估DBA相对于QoS问题。这是本文的目标。
DBA和广告任务控制
DBA不保护系统免于拥塞，它只在ONU之间共享可用的重新来源。另一篇论文解决了这个问题[14]，并显示了适当的连接准入控制（CAC）策略如何确保全球上游业务由PON确实可以通过它来支持。在下面的章节中，我们假设全球提供的承诺带宽流量（To和TI）体积足够小，可以被PON正确支持。
DBA和共享
“共享”指的是可以在用户之间共享资源的系统的行为
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