余 庚

（1.福州理工學(xué)院 福州 350506）（2.福建工程學(xué)院國(guó)脈信息學(xué)院 福州 350014）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)+［1］時(shí)代，基于EPON的光寬帶接入［2］技術(shù)無(wú)疑是ASON上大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的首選解決方案。但是當(dāng)EPON覆蓋距離超過(guò)100KM就不可避免地面臨因遠(yuǎn)近效應(yīng)導(dǎo)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(shí)延增加和信道帶寬資源利用率下降等QoS［3］問(wèn)題。因此動(dòng)態(tài)分配帶寬［4］算法就成為了解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。該算法普遍采用呼叫言答機(jī)制，即ONU根據(jù)OLT為其分配的時(shí)隙和窗口大小被動(dòng)地接受指令來(lái)發(fā)送上行數(shù)據(jù)。當(dāng)某個(gè)承載了大數(shù)據(jù)的ONU無(wú)法在被授權(quán)的時(shí)隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，再由OLT決定是否繼續(xù)為其分配授權(quán)。目前采用該機(jī)制的算法主要有間插輪詢自適應(yīng)周期長(zhǎng)度（IPACT）和周期輪詢固定周期長(zhǎng)度（CPFCT）。

2 IPACT機(jī)制

2.1 IPACT動(dòng)態(tài)分配帶寬過(guò)程

IPACT通過(guò)兩種控制幀同時(shí)接收多個(gè)ONU上傳數(shù)據(jù)。為說(shuō)明該算法動(dòng)態(tài)分配帶寬過(guò)程，借助OPNET仿真平臺(tái)搭建一個(gè)由1個(gè)OLT和3個(gè)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(gè)輪詢表，當(dāng)啟用輪詢機(jī)制時(shí)便開(kāi)始向每一個(gè)ONU發(fā)出輪詢同時(shí)為其授權(quán)（GATE）幀。ONU根據(jù)OLT對(duì)其授權(quán)的窗口將緩沖存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的隊(duì)列數(shù)據(jù)發(fā)出并附上報(bào)告（Report）幀。此時(shí)R幀自動(dòng)生成隊(duì)列數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息便于OLT統(tǒng)計(jì)緩沖存儲(chǔ)區(qū)被占據(jù)的比例進(jìn)而為調(diào)整下一個(gè)周期的數(shù)據(jù)授權(quán)窗口調(diào)整大小，以此達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬目的。當(dāng)ONU中的數(shù)據(jù)置空，則OLT向該ONU發(fā)送一個(gè)零的窗口，下一個(gè)輪詢周期到來(lái)時(shí)ONU只要發(fā)送一個(gè)R幀。為改善上行鏈路使用率，OLT在計(jì)算出往返時(shí)間（RTT）后再在相鄰兩個(gè)ONU的開(kāi)始時(shí)隙和結(jié)束時(shí)隙之間插入一個(gè)間隔時(shí)隙（Tguard），這樣就能夠根據(jù)帶寬利用率的高低實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地接收下一個(gè)ONU發(fā)往OLT的數(shù)據(jù)。

圖1 IPACT時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配示意圖

為避免在輪詢周期內(nèi)模型中某個(gè)攜帶大數(shù)據(jù)的ONU獨(dú)享上行鏈路帶寬就需要為每個(gè)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(zhǎng)度來(lái)決定。就IPACT而言，OLT在輪詢周期內(nèi)為該窗口授權(quán)的機(jī)制采用限制級(jí)服務(wù)。該服務(wù)在輪詢周期內(nèi)為ONU授權(quán)的帶寬小于MTW，當(dāng)上行方向上提交的請(qǐng)求超過(guò)了MTW則OLT限制其帶寬等于MTW。此時(shí)輪詢周期最短。便于比較該機(jī)制的實(shí)效性，此處引入一個(gè)與其相反的固定服務(wù)授權(quán)機(jī)制。該機(jī)制至始至終為ONU授權(quán)MTW，顯然輪詢周期恒定。

2.2 IPACT實(shí)驗(yàn)分析

為了更好地比較仿真數(shù)據(jù)，本次仿真將時(shí)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(hù)間插時(shí)隙5μs，信號(hào)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(shí)間105μs、線程數(shù)3個(gè)。實(shí)驗(yàn)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(shí)和帶寬使用對(duì)照?qǐng)D

比較曲線可知，限制授權(quán)機(jī)制較固定授權(quán)機(jī)制具有更良好的實(shí)效性。然而即便如此，限制授權(quán)機(jī)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(fù)載時(shí)必然導(dǎo)致很明顯的時(shí)延差異；2）各類業(yè)務(wù)的優(yōu)先權(quán)無(wú)法得到保障；3）當(dāng)ONU輕負(fù)載時(shí)信道被大量的R幀和G幀占據(jù)。

3 CPFCT機(jī)制

3.1 CPFCT動(dòng)態(tài)分配帶寬過(guò)程

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

圖3 CPFCT時(shí)隙動(dòng)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(zhǎng)度并不會(huì)因ONU負(fù)載輕重變化而變化，很適合時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)。但是OLT在一個(gè)輪詢周期內(nèi)讀取完所有上行方向上ONU的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和R幀后要先進(jìn)行計(jì)算和生成授權(quán)信息才能進(jìn)行統(tǒng)一授權(quán)操作。這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間來(lái)處理這些時(shí)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(shí)隙［8］存在。上述兩個(gè)時(shí)延無(wú)疑已經(jīng)構(gòu)成了一定的周期閑置。如圖4所示。

3.2 CPFCT實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)OLT為每個(gè)ONU所指派的窗口，通過(guò)OPNET仿真軟件搭建模型并將圖3第i個(gè)周期中第一 個(gè) ONU 授 權(quán) 時(shí) 隙 記 為 t數(shù)據(jù)請(qǐng)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(hù)間插時(shí)隙5μs，CPCFT周期2000ms，信號(hào)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(shí)間 105μs、線程數(shù) 3個(gè)。輪詢［9］周期內(nèi)第一個(gè)ONU的負(fù)載以單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度來(lái)定義。仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。兩個(gè)圖示的仿真結(jié)果顯示在輕負(fù)載時(shí)的采用CPFCT的平均時(shí)延大于IPACT，時(shí)延抖動(dòng)也小，源于CPFCT采用了固定周期。該特點(diǎn)使其很適合用于傳輸時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)。圖5驗(yàn)證了因存在周期閑置所導(dǎo)致的信道利用率下降現(xiàn)象。

圖5 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）平均時(shí)延和帶寬使用對(duì)照

圖6 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）的時(shí)延抖動(dòng)對(duì)照

4 優(yōu)化機(jī)制原理

4.1 優(yōu)化過(guò)程

IPACT算法雖然帶寬利用率較高，但時(shí)延［10］抖動(dòng)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(shí)延使得該算法很適合敏感型［11］業(yè)務(wù)。鑒于CPFCT算法在上述原理和仿真中呈現(xiàn)出的周期閑置長(zhǎng)度Lins導(dǎo)致了帶寬利用率下降問(wèn)題，本次給出了改善機(jī)制?？傮w思路是：首先，在輪詢周期中最后一個(gè)ONU先發(fā)送R幀再提交該ONU緩沖存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)給OLT。當(dāng)輪到ONU上傳R幀時(shí)，通過(guò)預(yù)測(cè)［4］系數(shù)增加當(dāng)前窗口的帶寬請(qǐng)求用于彌補(bǔ)等待授權(quán)這個(gè)時(shí)間段收到的帶寬請(qǐng)求。即在OLT收到上行鏈路請(qǐng)求后根據(jù)預(yù)測(cè)系數(shù)對(duì)相應(yīng)帶寬請(qǐng)求做適當(dāng)放大處理。這樣的就可以使得等待時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的請(qǐng)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(gè)輪詢周期才能被授權(quán)，進(jìn)而明顯地縮小了業(yè)務(wù)的時(shí)延長(zhǎng)度。其次，將第一次分配［12］后輕負(fù)載ONU的剩余帶寬按照重負(fù)載ONU不足帶寬占剩余帶寬的比例來(lái)進(jìn)行帶寬的再次調(diào)度。改進(jìn)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(jī)制實(shí)驗(yàn)分析

為了準(zhǔn)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(jī)制、灰色為CPFCT機(jī)制、白色為IPACT機(jī)制。

圖8 重負(fù)載時(shí)帶寬利用率與平均時(shí)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(shí)延性［15］。這是由于使用優(yōu)化后的算法，在一個(gè)輪詢周期內(nèi)的最后一個(gè)ONU不是先發(fā)送數(shù)據(jù)再發(fā)送R幀，而是將D時(shí)隙和R時(shí)隙先后順序做了顛倒處理，利用發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間來(lái)補(bǔ)償周期輪詢損失。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析IPACT和CPFCT作為ASON常用帶寬調(diào)度算法在應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的局限性提出了一種優(yōu)化機(jī)制。在結(jié)合兩者算法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過(guò)彌補(bǔ)周期閑置、倒換請(qǐng)求窗口時(shí)序、二度分配等策略來(lái)實(shí)施該優(yōu)化機(jī)制。經(jīng)仿真測(cè)試最終驗(yàn)證了該優(yōu)化機(jī)制的可行性。

優(yōu)化后的CPFCT帶寬分配機(jī)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(yīng)性。