EPON系统中基于业务等级的动态带宽算法研究

摘 要 本文针对EPON系统中上行链路的时分复用机制，提出了一种基于服务等级的动态带宽分配方案，通过自适应地改变权值及服务等级的阈值，以适应网络的状况， 提高带宽利用率。通过这种方案，既保证了上行链路的高效利用，又保证了网络的性能，满足了网络业务的QoS要求。最后，通过实验证明了这种算法的正确性和 可行性。
关键词 EPON；TLBA；DBA；QoS；TDMA；优先级；权值
1 EPON存在的问题
    目前EPON面临 着许多挑战，上行链路利用率低就是其中之一。由于EPON系统采用多点到点的传输方式（如图1所示），在一定程度上降低了上行链路的利用率，如何提高上行 链路利用率就成为EPON成功的关键因素之一。由于目前EPON主流的上行复用方式采用TDMA，因此最简单的方法就是ONU在固定时隙发送数据，但由于 以太网流量的突发性，这种分配方式导致上行带宽利用率很低。动态带宽算法（DBA）的出现，大大提高了上行带宽的利用率。目前所使用的动态带宽分配策略主 要是OLT根据

各ONU的 请求，进行按需分配带宽。在此基础上，研究人员提出了不少DBA算法，一定程度上提高了上行的带宽利用率。然而，很少有DBA算法考虑到业务等级需求，因 此，考虑QoS保证的动态带宽分配就显得尤为重要。本文提出了一种基于业务等级的动态带宽算法，以使EPON系统能提供更好的QoS保证。
2 动态带宽分配的基本算法
    动 态带宽分配基本上都是基于请求－授权的分配方式(如图2所示)，ONU在指定的时隙发送带宽请求，OLT根据此请求动态地给ONU分配带宽。如参考文献 [2]中提到的IPACT算法，具体过程如下：OLT根据每个ONU发送过来的带宽请求帧，分配给该ONU所需的上行带宽，ONU再根据此发送数据。一定 周期后，该ONU将再次发送带宽请求帧，如此循环，各ONU在不同周期内，将分配到不同的带宽。参考文献[4]中提到的请求－授权算法，具体过程如下：在 每个带宽授权的周期内，ONU依次发送带宽请求帧，OLT根据接收到的ONU请求帧统一调度所有ONU的发送带宽，经过一个周期后，ONU再发送带宽请求 帧，如此循环。与参考文献[2]中提到的方法的不同之处在于，它先收集到所有的ONU的请求帧，然后统一分配，而参考文献[2]中是采用“先进先出”，来 一个请求就反馈一个。如上面所述， DBA算法在很大程度上提高了上行带宽的利用率，但是它把所有的业务以相

图2 请求—授权机制
同的方式传输，忽略了不同业务对实时性的要求。针对上述情况，本文提出了一种TLBA（two-layer bandwidth allocation，两层动态带宽分配）算法，以支持TDM、视频等实时性要求高的业务，从而满足不同业务的网络要求。
3 两层动态带宽分配算法
    我 们先把实际的业务类型分为三个等级：高优先级业务、中优先级业务、低优先级业务。相应地把带宽分为三部分：高优先级带宽、中优先级带宽、低优先级带宽。高 优先级带宽主要用于传送对端到端延时和抖动要求较严格的业务，例如用来服务要求具有低抖动的语音和固定比特率的图像业务；中优先级带宽主要用于传送对延时 不敏感但是要求带宽保障的业务，可以用来服务非实时的可变比特率业务；低优先级带宽主要用于传送尽力而为的服务，支持对端到端延迟和抖动不敏感的业务。
    尽管在IPv4中定义了ToS字段，把业务分为了8个等级，但是由于现实中很多应用都不支持，因此，本算法主要基于上面三个业务等级提出的。TLBA算法具体又可分为高优先级带宽为固定带宽和高优先级带宽为动态带宽两种情况。
3.1 高优先级带宽为固定带宽
    这 部分带宽事先已由网管指定分配，用来传输高优先级业务，所以所用的带宽是固定的。即无论是否有高优先级业务帧发送，都周期性地分配这部分带宽。这时DBA 算法实际上只需要对中、低优先级带宽进行分配。但是当没有高优先级业务或者当高优先级业务发生拥塞时，这部分的固定带宽就不适合网络状况，从而导致了 EPON的性能下降。因此这种方案不太适合业务变化大的网络。
3.2 高优先级带宽为动态带宽
    在这种分配方案中，高优先级带宽不 再固定，三种等级的业务都是根据请求的带宽帧动态分配带宽，具体过程如下：在一定的时间内（通常为毫秒级），ONU发送带宽请求和数据帧，OLT对所接收 到的带宽请求做处理，然后发送带宽授权帧，然后，ONU根据OLT发送过来的带宽授权帧，再次发送带宽请求和数据帧。如此循环。在每个周期开始，所有的 ONU先发送带宽请求帧，每个ONU的带宽请求帧包含三种业务等级的带宽请求。OLT接收到所有的ONU带宽请求帧后，把他们按高、中、低分别放到一个映 射表中，至此，OLT可以得到总的带宽需求、各种业务等级的总需求及每个ONU的各种等级需求（如图3所示）。OLT先将总带宽分配给三种业务等级，分配 完毕后，再对同一等级中的所有ONU请求带宽进行分配，这时可以按着各ONU的请求大小按比例来分配。其中所有的控制消息是通过MPCP来完成的。
    下面的算法说明了如何合理分配各种业务等级的需求。在这里先提出一个权（weight）的概念，所谓权就是所分配的带宽在总的可分配带宽中的比例。如上所述，设高、中、低的权分别为：W_h、W_m、W_l，则W_h＋W_m、W_l＝1。根据权值，OLT还定义了各种等级的阈值BWi。初始分配时，每个等级分得的带宽都不能大于此等级的阈值。设每个周期的总带宽为BW_i，则所有等级的阈值总和∑BW_i＝BW。

    OLT根据事先给定的权值，计算出各种等级的阈值，再根据各等级的阈值先分配带宽给高优先级，然后是中优先级，最后是低优先级。分配算法如下：
    设总的高优先级请求带宽为Qh，总的中优先级请求带宽为Qm，总的低优先级请求带宽为Ql，算法分为以下两种情况：
    ·当Qh+Qm+Ql≤BW时，OLT会把剩余的带宽（总带宽减去请求带宽总和的余值）按各等级的权值再分配，因此实际各等级所分配的带宽为请求的带宽加上由各等级的权值所分配的带宽之和。
    · 当Qh+Qm+Ql>BW时，这种情况比上面情况相对复杂。OLT分配的规则如下：各等级请求分得的带宽为min(Qi,BWi)，当分配完毕后， 如果还有剩余带宽，这时又有两种情况（因为本条件是Qh+Qm+Ql>BW，即需要的业务带宽大于网络能提供的实际物理带宽，所以不可能存在三种等 级业务都有剩余带宽）：（a）如果存在两种等级业务都有剩余带宽，那么将这些剩余带宽都分配给Qi>BWi的业务等级；（b）如果只有一种业务等级 有剩余带宽，那么将此剩余带宽按各等级的权值分配给其余两个请求带宽没有满足（Qi>BWi）的等级业务，分配完毕后，再检查这两个等级业务是否有 带宽剩余（其中至少有一个业务等级带宽请求肯定没有满足），如果其中一种业务等级有剩余带宽，则将此剩余带宽分配给他们中的另外一种业务等级，如果没有， 则带宽分配完毕，等待下一周期的请求带宽分配。
    在这里，各业务等级的权值是事先给定的，那么在实际中，如果要修改这些权值可以通过网管来 完成。但是，这样分配的权值却不一定满足流量的实际状况。例如，当在一段时间内，网络上的绝大部分流量都是高优先级业务时，上面的权值就明显不太适合要 求，这时应该提高高优先级的权值。为了把高优先级业务的延迟降到最低，动态地提高高优先级的权值，相应地降低中、低优先级的业务，而不需要通过网管来完 成，这就需要用到下面的自适应权算法。
3.3 自适应权算法
    这种算法主要针对有突发高优先级流量的情况，动态改变高、中、低优先 级的权值，从而保证高优先级业务的需求（对应于上面提到的第二种情况），经过上面的算法后，得到高、中、低优先级分配到的实际带宽为Rh、Rm、Rl，在 这里先定义一下分配率：所谓分配率就是实际分配所得的带宽与请求带宽的比值，设为Ci，则Ci×Qi＝Ri。一般来说，我们要尽量保证实时性等高优先级业 务的需求，同时兼顾中、低等级业务的需求。对于高优先级业务，至少要保证它的分配率不小于其它两种业务的分配率或者至少要保证（这里的1/3是一个参考值，根据实际情况，也可以取别的参考值）。当TLBA算法得到的的值没有满足上面要求时，则需要改变业务等级的权值。以提高高优先级等级的权值，相应的降低低优先级等级的权值。这时可以通过式（1）、（2）、（3）求出各种业务等级的权值：

    在满足了高优先级业务带宽的条件下，为了保证中优先级业务和低优先级业务的带宽分配比例，采用了式（2），这样可以保证中、低优先级业务所得的带宽比例不变。式（3）保证了总的可用带宽不变。
    这样分配所得的业务等级带宽，能最大程度满足最高优先级业务的请求，同时尽量减少其它业务等级的延迟，满足了网络的QoS保证。
4 实验过程及结果分析
    在实验中，按照上面的分析，我们把业务分为了高、中、低三个等级。并设置有16个ONU和一个OLT，OLT与ONU之间的传输速率为1 Gbit/s，ONU与用户之间的速度为100 Mbit/s，每一个ONU到OLT的距离都是固定并且相等的。
    同 时我们选定高、中、低优先级权值分别为1/2、1/3、1/6，从而得到不同优先级业务延时（如图4所示）。可以看到当负荷较小时，不同优先级的网络延时 基本上相差不大，但是当负荷继续增大时，低优先级的时延比高优先级的时延明显增大。从实验的结果来看，上面的分析结果跟实验分析的一样，满足了不同业务的 动态带宽分配，保证了高优先级业务的需求。

图4 采用TLBA算法实验结果
5 总结
    动 态带宽分配是EPON系统的关键技术之一，对提高EPON的上行利用率及以太网帧丢失率等性能有着很重要的意义。从业务的多样性发展来看，基于业务等级的 DBA算法对EPON的成功显得尤为关键，本文提出的基于权值的业务等级动态带宽分配，可以使各个用户能够按照各自相应的服务等级协议得到QoS保证，对 EPON业务的开展具有非常大的价值。
参考文献
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2 Kramer G. Interleaved polling with adaptive cycle time(IPACT): a dynamic bandwidth distribution scheme in an optical access network. Photonic Net Commun, 2002,4(1):89~107
3 Kramer G，Pesavento G. Ethernet passive optical network(EPON):building a next-generation optical access network . IEEE Communications Magazine, 2002(2)
4 李江涛，陈雪等. EPON MAC控制层实现动态带宽分配策略的研究. 电信科学，2002(7)
* 国家自然科学基金重点资助项目（No.60132040）