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基础医学
EPON下行机制流量排程研究
添加时间: 2014-7-7 17:57:19 来源: 作者: 点击数:1974

 

吴金秀

(黄冈职业技术学院 湖北 黄冈 438000

【摘 要】介绍了乙太网无源光网络(EPON)技术的原理。对于一些EPON 下行的已存在的问题作一个澄清,并且评估能否忽之前专家学者对于EPON​​ 下行传输时所作的一些假设。再检视目前现有EPON 频宽分配机制并提出相关的分析与解决方案.

【关键词】乙太网无源光网络;下行;排程

EPON downstream the mechanisms traffic schedule
Wujinxiu

(Huanggang Polytechnic College      Hubei Huanggang  438002)


Abstract
Paper introduces the principle of Ethernet Passive Optical Network (EPON) technology. For some the existing EPON data downlink problem for a clarification, slightly before the experts and scholars for EPON-owned data downlink transmission made ​​some assumptions, and to assess the possibility of suddenly. View the current the existing EPON bandwidth allocation mechanism and analysis solutions.
Key words
Ethernet passive optical network; downstream

 

一、EPON技术简介

     以太无源光网络(EthernetPassiveOpticalNetworkingEPON)是崭新的接入技术,这个技术不仅提供了千兆传输带宽,同时价格低且稳定,几乎成了以太网络的代名词,主要的系统服务供应商已经在开发EPON系统并与下一代的宽带接入技术相结合。

EPON是由IEEE 802.3ah标准制定,它采用在一根光纤上,使用便宜的分光器,把信号从单一光纤分散至独立的用户实现点对多点双向通信,将乙太传输协定引进接取网络,完成一个从端点到端点,单一传输技术的宽频网络环境,而免于处理各种不同协定间的转换,提升网络的整体效能。之所以被称呼为无源光网络是因为有别于传统的电信机房局端及客户端的连接,这其中并没有一个有源电子设备装置介于该接入网络之间,这样的优势大大的简化了网络系统的操作、维护及成本,另一个优点为相比于一个点对点的光纤网络中,其所使用的光纤并不需要很多。

EPON系统由光线路终端(Optical Line Terminal OLT)、光网络单元(Optical Network Unit ONU) 与无源光分路器(Passive Optical Splitter)组成。一般而言,OLT存在于局端电信机房(Central OfficeCO),多为以太网络交换机或媒体转换器平台,ONU则多置于靠近客户端,如路边、建筑物或用户住处,ONU则提供802.3ah WAN接口及802.3ah客户端接口。在传输速率及传输距离上,EPON可以支援1.25Gbps对称速率,最大传输距离可达20公里。 1EPON可以接163264ONU。至于在光波长的运用上,EPON使用了1310nm1490nm波长,其中1310nm 波长系负责承载由ONU端往OLT端传送的上传数据资料,而1490nm波长则系负责承载由OLT端往ONU端传送的下行数据资料(如图1所示)



 


1:基本EPON网络架构

Figure 1: Basic EPON network architecture

OLTONU下行方向,是以点到多点Pont-to-Multipoint (P2MP) 的方式进行传输,并交由用户接收端撷取所需的讯号,此特性促使其容易提供视频组播传输的服务。在EPON的网管方面,OLT是主要的控制中心,实现网络管理的主要功能,图2描述了EPON下游(downstream)机制。


2EPON下游机制

Figure 2: EPON downstream mechanisms

    至于ONU上行传输的处理方式,则十分复杂。ONU的上行传输是以点对点(P2P)的方式,按照OLT中的控制机制进行,采用分时多工((Time Division Multiplex; TDM) 协定,此协定对每一个ONU分配专用的传输时隙(Time Slot),可以防止来自不同ONU的数据传输产生碰撞,图3描述了EPON上行的机制。

3:EPON上行机制

Figure3: EPON upstream mechanisms

二、排程机制问题描述

EPON 系统中频宽分配的基本观还有动态频宽分配机制,REPORTGATE 讯息是动态频宽分配机制中最重要的个关键技术,它们决定整个EPON 系统的效能及效。近,许多的研究者致于提升EPON 系统的传输的效和削减营运成本,根据他们的演算法及模拟的结果,确实带来了许多的贡献并且使得整个EPON 系统日趋完整与完美。此外,有许多的假设在背后支持着他们的理论。在IPACT 文中,它提到一个pulling adaptive cycle time 插入的机制,它假设新的频宽要求将会新到位于暂存区的poll table并且在下一个cycle时从ONU 直接送给OLT。在priority queuing 排程的机制中,它只考虑到资封包的优先顺序,并没有提到GATE 讯息的排程机制,在实际的况下, OLT 必须同时管downstream upstream traffic 是在传输态或是在计算频宽分配的态下。这是一个非常诡异的情况,因为所有有关于动态频宽分配机制的假设略了GATE讯息排程的问题,如图4.所示,在EPON 网络的朴中,OLT与所有的ONU 互相接,每一个ONU 拥有他们自己的内部优先权伫(internalpriority queues),在此篇文中将省略ONU 内部优先权伫排程的机制,在真实的况下,在作downstream传输时可能会遭遇到GATE message排程的问题。

注:Hhigh priority queue    高优先级队列

   Mmiddle  priority queue  中等优先级队列

   Llow priority queue        低优先级队列

ONU


H

3

2

1

M

3

2

GATE Scheduling

OLT

1

L

3

2

1

         

          

4GATE 讯息

         Figure4: Illustration of REPORT and GATE messages transmission


      
理论上,有三种机制可以决定如何在EPON 系统中传布GATE 讯息,如图5所示,GATE 讯息将插在ONU 高优先权伫的最前面,也就是,当ONU 收到由OLT 所传GATE 讯息时, ONU 将会即的处并且送出REPORT 讯息给OLT。第二种GATE 讯息排程的机制如图6所示,当OLT传送GATE讯息给ONU时,ONU 会将GATE 讯息安插在ONU 内高优先权伫的前面,在此同时,在ONU 内部可能会有资封包正在被处,如同图6所示位于高优先权伫的一号封包(number1 packet)GATE讯息将会被插入在一号封包及二号封包之间,即一号封包的后面二号封包的前面。


H

3

2

1

G

M

3

2

OLT

1

L

3

2

1

         

5: 第一个方案的GATE讯息调度

Figure5:First scheme of GATE message scheduling


H

3

2

G

1

M

3

2

OLT

1

L

3

2

1

6   第一个方案的GATE讯息调度

Figure6:Second scheme of GATE message scheduling

GATE 讯息在ONU 中必须要有最高的优先权。第三种 ONU 所进 GATE 讯息排程机制是将从OLT GATE 讯息放在ONU 高优先权伫的最后面,如图7 所示,GATE 讯息将会被放置于高优先权伫的最后面等待着被ONU


H

G

3

2

1

M

3

2

OLT

1

L

3

2

1

         

7:   第三个方案的GATE讯息调度

Figure7:Third scheme of GATE message scheduling

模拟与分析比较

(一)模拟的模型 (Simulation Model)

 提出一套模型来说明在同的资封包大小、流量下,对于三种GATE message 排程对整个EPON 系统所带的影响及效能冲击。为简化整个模拟的架构及方计算处,在提出模拟的模型之前,有几点假设必须先提出
假设只有一个ONU 存在于EPON的系统中

  GATE message size: PG

  REPORT message size: PR

  Long length package size: PL

  Middle length package size: PM

  Short length package size: PS

  The speed of Upstream direction: US

  The speed of Downstream direction: DS

•现假设GATE message 会被指派到每个ONU 最优先的queue考虑middle  priority queue low priority queue ,   假设在EPON系统有n ONUs,也就是OLT 将会送n GATE messages给各个ONU,而每个ONU GATE message 将会被插入到ONU high priority queue 中,对于GATE message所插入的位置与排程优先顺序共有三种同的选择:
 
一是插入在High Priority queue的最前面,二是插入在High Priority queue的中间,三是插入在High Priority queue的最后面。

用以上所假设的条件针对这三种同的排程分析,设法找出何种GATE message 的排程对于整个EPON 系统的效能影响最小且最有效
 1.
插入High Priority queue的最前面

GATE message插入在ONU High Priority queue 的最前面,如图8tOLT传送GATE messageONU的时间,t1ONU 开始处GATE message的时间,根据计算:
t = P
G / DS
T = t
d + ( t1 t )(1)
    t
dEPON 系统在插入GATE message 前将目前正在ONU high priority queue传输的封包停止或中断所需要的处时间,它是根据EPON 系统中的EMS (Element Management System) 从发命OLT 并由OLT传送给ONU high priority queue 所消耗的时间所计算出的。由算式(1)可以算出T 的值为:

T = td + (t1 - PG / DS)    (2)


                 Transmission time of GATE from OLT to ONU: t

                      

H

3

2

G

1

GATE departure time:  T = td + ( t1 – t )


8:第一种GATE message 排程说明

Figure 8: The first GATE message scheduling instructions

 2.插入High Priority queue的中间

GATE message插入在ONU High Priority queue 的中间,如图9  tOLT传送GATE messageONU的时间, t1ONU 开始处GATE message的时间,tq is the process time of first package located in high priority before GATE message insert.,根据计算:
 
t = P
G / DS
 
T = t
q + ( t1 t ) (3)
  
T = t
q + (t1 - PG / DS ) (4)
 
 
     
根据我们之前的假设,tq有可能会有三种况,分别是PL / US PM / US以及PS / US tq的大小会因high priority queue里的第一个封包大小会有所改变。


                 Transmission time of GATE from OLT to ONU: t

                      

H

3

G

2

1

GATE departure time:  T = td + ( t1 – t )


9:第二种GATE message排程说明
 Figure 9: The second GATE message scheduling instructions

3.插入High Priority queue的最后面

  GATE message插入在ONU High Priority queue 的最后面,如图10tOLT传送GATE messageONU的时间, t1ONU 开始处GATE message的时间, tQ is the process time of forward packages located in high priority before GATE message insert.根据计算:

t = PG / DS
 
T = t
Q + (t1 t)(5)........


T = t
Q + (t1PG / DS ) (6)
 
         
假设ONU在处GATE message前在ONU high priority queue内还有n packages等待处n packages的大小是随机分布的,在现实的环境下,high priority... queue内的packages分布会有同的况:
1.)
假设大、中、小封包在high priority queue 内是平均分布:

   经过计算,tQ的值为

n*(PL+PM+PS)  (7)

3*US

2). 假设high priority queue 内的packages size 是平均分配,则我们必须多考一个系统參數λ λ ONU high priority queue 内封包的size 大小,λ 值会直接影响到tQ 的大小。

   根据公式(7),我们可以推演出high priority queue内的packages 为非平均分配,则tQ 的值为:


t
Q =[ n*(PL+PM+PS) / 3* US]*λ (8)

   根据λ 的值可以判断ONU high priority queue内封包size 的分布况,同时λ 也会影响到GATE message ONU high priority queue内等待的时间,在整个EPON 系统中,我们将λ 的值分成三个同的level,这三种同的level 同时也代表high priority queue态,其分如下:
Light Level:表示high priority queue 内等待处的封包其packet size偏小,也就是这些等待被处的封包会比较快被处,封包在queue等待的时间也比较短,我们假设在此态下的λ 值为0.5
Middle Level:表示high priority queue内等待处的封包其package size驱近于平均分配,我们假设在此态下的λ 值为1
Heavy Level:表示high priority queue 内等待处的封包其package size偏大,也就是这些等待被处的封包需要较长的时间才能被处完,封包在queue等待的时间也比较长,我们假设在此态下的λ 值为1.5
  


                 Transmission time of GATE from OLT to ONU: t

                      

H

G

3

2

1

GATE departure time:  T = td + ( t1 – t )


10:第三种GATE message排程

Figure 10: The third GATE message scheduling instructions

(二)仿真模型分析

 前面所讨论的模型是根据唯有单一ONU 存在的EPON 系统,并没有考虑到其他存在于EPON​​ 系统的ONU。在现实的环境中,这种假设是存在的,但是为模拟,简化整个EPON 的系统架构。三种GATE message 的排程做一个明,同时计算出这
三种排程所需要的处时间及限制。现在将对三种同排程做一个分析比较,去探讨这三种同的排程是否会对整个EPON系统造成影响。
   
OLT收到由ONUREPORT message OLT会根据REPORT message的资讯产生一个GATE message并将此GATE message回传给ONU,在EPON 的系统中,存在着一个问题,那就是所谓的Propagation Delay(分页延迟),这是OLTONU 在沟通时所无法避免的一个问题,过在所提出的simulation 模型中,我们考虑Propagation Delay 的问题。同的scheduling 会产生同的T

在上一段的讨中,我们分析单一ONU 的模型,在一个标准的EPON 系统,ONU 目可能为48163264 甚至达到64 个以上,因此整个在O​​LT ONU之间的通讯远比我们所模拟的要复杂的多。
      
根据IEEE 802.3ah的规范,定义四种EPONPHY modulation 分别是10Mbps 100Mbps1000Mbps 10Gbps。在Simulation analysis 中,我们省略了10MbpsPHY modulation,因为在实际的运用上,EPON 系统太会使用10Mbps的速率来传送,其成本与效CP (Cost vs. Performance) 太低,也符合经济效  11显示EPON 系统在high priority queue 内封包size 偏小的态下,针对数量ONU(14816 32) ONU Queue package 的多寡(1050 100) 计算并比较传输GATE message 所需的时间,图11显示在封包size偏小的况下,当EPONPHY Rate 100Mbps ONU 数量32 个,ONU Queue 内还有100package需要处时,EPON 系统需要100 ms 所有ONU GATE messages


 
 
11 EPON100Mbps且封包size 偏小态下的效能比较

Figure 11: EPON at 100Mbps and packet size small state performance comparison


      
如果PHY Rate 1000Mbps或是10Gbps,则EPON 系统处GATE message的速会增快许多,整个EPON 系统的效也会因此而提升。如图12所示,比照图11的测试条件,提升EPON系统的PHY Rate 1000Mbps,则只需要10 ms 就可以把EPON所需要处GATE message完毕。
     
13PHY Rate 10Gbps时的效能分析,与图11与图12比较起明显提升很多。
14显示EPON在封包size 为平均分布时的态下处GATE message 所需要的时间,与图11的结果相比较,在封包size 平均分配的条件下,EPON 所需要处GATE message 的时间大约是轻载时的倍。由于 EPON 在一般负载的态时,ONU在处GATE message 之前,必须花长的时间去处已经存在于Buffer 内排队准备处封包,如前图10所示。

12:  EPON 1000Mbps 且封包size偏小态下的效能比较

Figure 12: EPON at 1000Mbps and packet size small state performance compare


13:  EPON 10Gbps 且封包size偏小态下的效能比较

Figure 13: EPON performance 10Gbps packet size is small state comparison


      
15与图16为封包size为平均分配态下, PHY Rate1000Mbps10Gbps时处EPON系统GATE message 所需的时间与效能比较,与图14比较,效明显提升许多。

14  EPON100Mbps且封包size 为平均分配态下的效能比较
 Figure 14 EPON 100Mbps and packet size for comparison of performance under the average allocation status

17、图18与图19queue 内封包size 偏大时所计算出GATE message的处时间,由于queue 内的封包size 增加,相对的,EPON 系统所需要处的时间也会增加,PHY Rate 100Mbps 1000Mbps 以至于到10Gbps,处GATE message的时间也从300ms提升到30ms 以甚至于到3ms

20、图21与图22为三种PHY Rate 分别在三种同封包大小分配的态下的效能比较,从图中可以很明显的看出当EPON 系统的PHY Rate 100Mbps时,EPONGATE message所需要的时间为最长,无封包大小的分配与ONU 数量为何,这些因素皆会影响所模拟出的结果。

15 : EPON1000Mbps且封包size 为平均分配态下的效能比较

Figure 15: EPON at 1000Mbps and packet size performance comparison under the average allocation status

16  EPON10Gbps且封包size 为平均分配态下的效能比较

Figure 16 :EPON at 10Gbps and packet size performance comparison under the average allocation status

17:  EPON 100Mbps 且封包size为偏大态下的效能比较

Figure 17: EPON at 100Mbps and packet size large state performance comparison

18:  EPON 1000Mbps 且封包size为偏大态下的效能比较

Figure 18: EPON 1000Mbps and packet size for large performance comparison under the state

19: EPON 10Gbps 且封包size为偏大态下的效能比较

Figure 19: EPON at  10Gbps and packet size large performance comparison status

20:在封包size偏小的状态下三种PHY Rate 的效能比较

Figure 20: the state of the packet size is too small, three different PHY Rate performance comparison

21:在封包size 为平均分配的状态下三种PHY Rate 的效能比较

Figure 21: The average packet size distribution state three different compared with the performance of the PHY Rate

22:  在封包size 偏大的状态下三种PHY Rate 的效能比较

Figure 22: the state of the packet size is too large, three different PHY Rate performance comparison

由此可见,EPON 系统所使用的实体层占有其重要的地位,对整个EPON 的系统来说,它支配着整个EPON 系统的效能与使用的高低,以目前市场的发展现况加上网际网络科技多年来的沿革与改(尤其是以Ethernet 为基础的网络架构),对于实体层部份的研发已经是一个艰深且难以克服的问题,因此我们可以忽这个瓶颈,并且用观的角去看待EPON 网络未的发展。

四、结与未工作的探讨
   
根据模拟结果,当ONU queue 的封包size 偏大,EPON 系统共有32ONUs,且PHY Rate 100Mbps 态下,EPON 系统的ONUs 收到OLT 传送过REQUEST message 进而产生GATE message 并开始处,所需要的时间为300ms300ms EPON 系统来说算是一个很严重的delay,假设EPON 系统的ONU数量大于32 个,如64 或是128 个,那么处GATE message 的时间可能需要500ms甚至1 秒以上。
      
再检视在相同假设下但PHY Rate分别为1000Mbps10GbpsEPON系统,它们处32 ONU GATE message 所需的时间只需要30ms3ms,如果EPON 系统所结的ONU 超过32 个,如64 或是128 个,ONU GATE message 所需要的时间对于EPON​​系统所造成影响会远比100Mbps 得小,因此,以前研究EPON 排程的专家学者针对EPON下载流量所作的假设(OLTONUscheduling) 只能成EPON PHY Rate 1000Mbps 以上的条件下,在高PHY Rate 的条件下,downstream的排程是可以被考虑的,因为它对于整个EPON 系统的效能会造成太大的冲击与影响。
     
IEEE 802.3ah的规范中,定义四种同的PHY Rate 1000Mbps10Gbps之外,还有10Mbps100Mbps,低速的PHY Rate 对整个EPON的使用(Utilitization) 是非常低的,尤其是10Mbps,但是在某些特殊的环境下如规模较小的城镇或是学校机关,它们或许需要1000Mbps或是10GbpsEPON系统,100MbpsEPON 网络对这些小规模的使用者来说可能已经绰绰有余,当然,其中可能牵涉到网络设备与建设的成本,维护管等因素。  对于100Mbps EPON 网络,还是有其必要去解决排程方面的问题,无是在upstream direction 或是downsteram direction,在未能改善整个EPON 排程进而提升EPON 的整但对电信业者来说是一大音,对于终端的使用者也是个好消息,因为就可以花费少的成本得到快速、完整的网络服务。

参考文献:

[1] ITU-T recommendation G.983.1. “Broadband Optical Access Systems based on Passive

Optical Networks (PON)”, Janurary 2011-9.

[2] ITU-T recommendation G.984.1. “Gigabit-capable Passive Optical Networks”, March

2009.

[3]彭一峰.PON被动式光纤网路简介,2012-3

[4]健富,EPON架构下针对资下行流量排程探讨,大同大學,2011-6

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