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 资料下行的已存在的问题作一个澄清,并且评估能否忽略之前专家学者对于EPON 资料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(EthernetPassiveOpticalNetworking,EPON)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 Office,CO),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。 1个EPON可以接16、32或64个ONU。至于在光波长的运用上,EPON使用了1310nm、1490nm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)。
图1:基本EPON网络架构
Figure 1: Basic EPON network architecture
OLT至ONU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。
图2:EPON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。
图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念还有动态频宽分配机制,REPORT和GATE 讯息是动态频宽分配机制中最重要的两个关键技术,它们决定整个EPON 系统的效能及效率。近来,许多的研究者致力于提升EPON 系统的传输的效率和削减营运成本,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 的论文中,它提到了一个pulling adaptive cycle time 插入的机制,它假设新的频宽要求将会更新到位于暂存区的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,它只考虑到资料封包的优先顺序,并没有提到GATE 讯息的排程机制,在实际的狀况下, OLT 必须同时管理downstream 及upstream 的traffic 无论是在传输狀态或是在计算频宽分配的狀态下。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都忽略了GATE讯息排程的问题,如图4.所示,在EPON 网络的拓朴中,OLT与所有的ONU 互相连接,每一个ONU 都拥有他们自己的内部优先权伫列(internalpriority queues),在此篇论文中将省略ONU 内部优先权伫列排程的机制,在真实的狀况下,在作downstream传输时可能会遭遇到GATE message排程的问题。
注:H:high priority queue 高优先级队列
M:middle priority queue 中等优先级队列
L:low priority queue 低优先级队列
ONU
。
。
。
。
图4:GATE 讯息
Figure4: Illustration of REPORT and GATE messages transmission
在理论上,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 高优先权伫列的最前面,也就是说,当ONU 收到由OLT 所传来的GATE 讯息时, ONU 将会立即的处理并且送出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 内高优先权伫列的前面,在此同时,在ONU 内部可能会有资料封包正在被处理,如同图6所示位于高优先权伫列的一号封包(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 |
图5: 第一个方案的GATE讯息调度
Figure5:First scheme of GATE message scheduling
H |
3 |
2 |
G |
1 |
图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 所进行的 GATE 讯息排程机制是将从OLT 传来的GATE 讯息放在ONU 高优先权伫列的最后面,如图7 所示,GATE 讯息将会被放置于高优先权伫列的最后面等待着被ONU 处理。
H |
G |
3 |
2 |
1 |
图7: 第三个方案的GATE讯息调度
Figure7:Third scheme of GATE message scheduling
三、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不同的资料封包大小、流量下,对于三种不同GATE message 排程对整个EPON 系统所带来的影响及效能冲击。为了简化整个模拟的架构及方便计算处理,在提出模拟的模型之前,有几点假设必须先提出来:
• 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,不考虑middle priority queue 和low priority queue , 假设在EPON系统有n 个ONUs,也就是说OLT 将会送n 个GATE messages给各个ONU,而每个ONU 的GATE message 将会被插入到ONU 的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不同的选择:
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。
利用以上所假设的条件来针对这三种不同的排程来分析,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率。
1.插入High Priority queue的最前面
• 将GATE message插入在ONU High Priority queue 的最前面,如图8:t为OLT传送GATE message至ONU的时间,t1为ONU 开始处理GATE message的时间,根据计算:
t = PG / DS ;
T = td + ( t1 – t );(1)
td为EPON 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理时间,它是根据EPON 系统中的EMS (Element Management System) 从发命令到OLT 并由OLT传送给ONU 的high priority queue 所消耗的时间所计算出来的。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 )
图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
• 将GATE message插入在ONU High Priority queue 的中间,如图9: t为OLT传送GATE message至ONU的时间, t1为ONU 开始处理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 = PG / DS ;
T = tq + ( t1– t ); (3)
T = tq + (t1 - PG / DS ) (4)
根据我们之前的假设,tq有可能会有三种狀况,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 )
图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
• 将GATE message插入在ONU High Priority queue 的最后面,如图10:t为OLT传送GATE message至ONU的时间, t1为ONU 开始处理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 = tQ + (t1 – t);(5)........
T = tQ + (t1–PG / DS ) (6)
假设ONU在处理GATE message前在ONU 的high priority queue内还有n 个packages等待处理,n 个packages的大小是随机分布的,在现实的环境下,high priority... queue内的packages分布会有两种不同的狀况:
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 并不是平均分配,则我们必须多考一个系统參數λ ,λ 为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),我们可以推演出若high priority queue内的packages 为非平均分配,则tQ 的值为:
tQ =[ 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 的分布狀况,同时λ 也会影响到GATE message 在ONU high priority queue内等待的时间,在整个EPON 系统中,我们将λ 的值分成三个不同的level,这三种不同的level 同时也代表high priority queue的狀态,其分类如下:
• Light Level:表示high priority queue 内等待处理的封包其packet size偏小,也就是说这些等待被处理的封包会比较快被处理,封包在queue等待的时间也比较短,我们假设在此狀态下的λ 值为0.5。
• Middle Level:表示high priority queue内等待处理的封包其package size驱近于平均分配,我们假设在此狀态下的λ 值为1。
• Heavy Level:表示high priority queue 内等待处理的封包其package size偏大,也就是说这些等待被处理的封包需要较长的时间才能被处理完,封包在queue等待的时间也比较长,我们假设在此狀态下的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 )
图10:第三种GATE message排程说明
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,这种假设是不存在的,但是为了容易模拟,简化了整个EPON 的系统架构。三种不同GATE message 的排程做了一个说明,同时计算出这
三种排程所需要的处理时间及限制。现在将对三种不同排程做一个分析比较,去探讨这三种不同的排程是否会对整个EPON系统造成影响。
当OLT收到由ONU传来的REPORT message时 ,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OLT与ONU 在沟通时所无法避免的一个问题,不过在所提出的simulation 模型中,我们不考虑Propagation Delay 的问题。不同的scheduling 会产生不同的T。
在上一段的讨论中,我们分析了单一ONU 的模型,在一个标准的EPON 系统,ONU 的數目可能为4、8、16、32、64 甚至达到64 个以上,因此整个在OLT 与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,定义了四种EPON的PHY modulation, 分别是10Mbps 、100Mbps、1000Mbps 和10Gbps。在Simulation analysis 中,我们省略了10Mbps的PHY modulation,因为在实际的运用上,EPON 系统不太会使用10Mbps的速率来传送,其成本与效率的CP 值(Cost vs. Performance) 太低,也不符合经济效益。 图11显示EPON 系统在high priority queue 内封包size 偏小的狀态下,针对不同数量的ONU(1、4、8、16 及32) 与ONU Queue 内package 的多寡(10、50 及100) 来计算并比较传输GATE message 所需的时间,图11显示了在封包size偏小的狀况下,当EPON的PHY Rate 为100Mbps 且ONU 的数量为32 个,ONU 的Queue 内还有100个package需要处理时,EPON 系统需要100 ms 来处理所有ONU 的GATE messages。
图11 : EPON在100Mbps且封包size 偏小狀态下的效能比较
Figure 11: EPON at 100Mbps and packet size small state performance comparison
如果PHY Rate 为1000Mbps或是10Gbps,则EPON 系统处理GATE message的速度会增快许多,整个EPON 系统的效率也会因此而提升。如图12所示,比照图11的测试条件,提升EPON系统的PHY Rate 到1000Mbps,则只需要10 ms 就可以把EPON所需要处理的GATE message处理完毕。
图13为PHY Rate 10Gbps时的效能分析,与图11与图12比较起来效率明显提升很多。
图14显示EPON在封包size 为平均分布时的狀态下处理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 所需要处理GATE message 的时间大约是轻载时的两倍。由于 EPON 在一般负载的狀态时,ONU在处理GATE message 之前,必须花更长的时间去处理已经存在于Buffer 内排队准备处理封包,如前图10所示。
图12: EPON 在1000Mbps 且封包size偏小狀态下的效能比较
Figure 12: EPON at 1000Mbps and packet size small state performance compare
图13: EPON 在10Gbps 且封包size偏小狀态下的效能比较
Figure 13: EPON performance 10Gbps packet size is small state comparison
图15与图16为封包size为平均分配狀态下, PHY Rate为1000Mbps与10Gbps时处理EPON系统GATE message 所需的时间与效能比较,与图14比较,效率明显提升许多。
图14 EPON在100Mbps且封包size 为平均分配狀态下的效能比较
Figure 14 EPON 100Mbps and packet size for comparison of performance under the average allocation status
图17、图18与图19为queue 内封包size 偏大时所计算出来GATE message的处理时间,由于queue 内的封包size 增加,相对的,EPON 系统所需要处理的时间也会增加,PHY Rate 由100Mbps 到1000Mbps 以至于到10Gbps,处理GATE message的时间也从300ms提升到30ms 以甚至于到3ms。
图20、图21与图22为三种不同PHY Rate 分别在三种不同封包大小分配的狀态下的效能比较,从图中可以很明显的看出当EPON 系统的PHY Rate 为100Mbps时,EPON处理GATE message所需要的时间为最长,无论封包大小的分配与ONU 的数量为何,这些因素皆不会影响所模拟出来的结果。
图15 : EPON在1000Mbps且封包size 为平均分配狀态下的效能比较
Figure 15: EPON at 1000Mbps and packet size performance comparison under the average allocation status
图16 EPON在10Gbps且封包size 为平均分配狀态下的效能比较
Figure 16 :EPON at 10Gbps and packet size performance comparison under the average allocation status
图17: EPON 在100Mbps 且封包size为偏大狀态下的效能比较
Figure 17: EPON at 100Mbps and packet size large state performance comparison
图18: EPON 在1000Mbps 且封包size为偏大狀态下的效能比较
Figure 18: EPON 1000Mbps and packet size for large performance comparison under the state
图19: EPON 在10Gbps 且封包size为偏大狀态下的效能比较
Figure 19: EPON at 10Gbps and packet size large performance comparison status
图20:在封包size偏小的状态下三种不同PHY Rate 的效能比较
Figure 20: the state of the packet size is too small, three different PHY Rate performance comparison
图21:在封包size 为平均分配的状态下三种不同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
图22: 在封包size 偏大的状态下三种不同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 系统的效能与使用率的高低,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良(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不是一个艰深且难以克服的问题,因此我们可以忽略这个瓶颈,并且用乐观的角度去看待EPON 网络未来的发展。
四、结论与未来工作的探讨
根据模拟结果,当ONU 内queue 的封包size 偏大,EPON 系统共有32个ONUs,且PHY Rate 在100Mbps 的狀态下,EPON 系统的ONUs 收到了由OLT 传送过来的REQUEST message 进而产生GATE message 并开始处理,所需要的时间为300ms,300ms 对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,那么处理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1000Mbps与10Gbps的EPON系统,它们处理32 个ONU GATE message 所需的时间只需要30ms与3ms,如果EPON 系统所连结的ONU 超过32 个,如64 或是128 个,ONU 处理GATE message 所需要的时间对于EPON系统所造成影响会远比100Mbps 来得小,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(忽略OLT对ONU的scheduling) 只能成立在EPON 的PHY Rate 为1000Mbps 以上的条件下,在高PHY Rate 的条件下,downstream的排程是可以不被考虑的,因为它对于整个EPON 系统的效能不会造成太大的冲击与影响。
在IEEE 802.3ah的规范中,定义了四种不同的PHY Rate, 除了1000Mbps与10Gbps之外,还有10Mbps与100Mbps,低速的PHY Rate 对整个EPON的使用率(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,它们或许不需要1000Mbps或是10Gbps的EPON系统,100Mbps的EPON 网络对这些小规模的使用者来说可能已经绰绰有余了,当然,其中可能牵涉到网络设备与建设的成本,维护管理等因素。 对于100Mbps 的EPON 网络,还是有其必要去解决排程方面的问题,无论是在upstream direction 或是downsteram direction,在未来,若能改善整个EPON 排程进而提升EPON 的整理效率,不但对电信业者来说是一大福音,对于终端的使用者也是个好消息,因为就可以花费更少的成本得到更快速、更完整的网络服务。
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]林健富,在EPON架构下针对资料下行流量排程探讨,大同大學,2011-6