EPON下行机制流量排程研究

吴金秀， 胡善岳

(1.黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438000;2.中国人民解放军 96623 部队职教中心，江西 上饶 334400)

0 引言

以太无源光网络(EthernetPassiveOptical Networking，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［1］。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，这样的优势大大地简化了网络系统的操作、维护及成本［2］，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，POS)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广域网(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1.25 Gbps对称速率，最大传输距离可达20 km。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1 310、1 490 nm波长，其中1 310 nm波长系负责承载由ONU端往OLT端传送的上传数据资料［3］，而1 490 nm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。

OLT至ONU下行方向，是以点到多点(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。

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［4］。

1 排程机制问题描述

EPON系统中还有动态频宽分配机制，请求带宽(REPORT)和指派带宽(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［5］。近来，许多研究者致力于提升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，确实使得整个EPON系统日趋完美。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，提到了一个时间周期自适应(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空间并且在下一个周期时从ONU直接送给OLT。在优先级排程的机制中，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［6］，OLT必须同时管理下游及上游的交通，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，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排列，在此篇论文中将省略ONU内部优先权排列排程的机制［7］，在真实狀况下，在作下游传输时可能会遭遇到GATE message排程的问题。

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［8］，GATE讯息将插在ONU高优先权排列的最前面，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，当 OLT传送 GATE讯息给 ONU时，ONU会将GATE讯息安插在ONU内高优先权排列的前面，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所示位于高优先权排列的一号封包，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。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高优先权排列的最后面，GATE讯息将会被放置于高优先权排列的最后面等待着被ONU处理。

2 模拟与分析比较

2.1 模拟的模型

提出一套模型来说明在不同的资料封包大小、流量下［9］，对于三种不同GATE讯息排程对整个EPON系统所带来的影响及效能冲击。

现假设GATE讯息会被指派到每个ONU最优先的队列，不考虑中、低优先排列，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讯息将会被插入到ONU的高优先排列中，对于GATE讯息所插入的位置与排程优先顺序共有三种不同的选择:①插入在高优先排列的最前面［10］;②插入在高优先排列的中间;③插入在高优先排列的最后面。

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讯息的排程对于整个EPON系统的效能影响最小且最有效率。

(1)插入高优先排列的最前面。将GATE message插入在ONU高优先排列 的最前面［11］，如图8:t为OLT传送GATE message至ONU的时间，t1为ONU开始处理GATE讯息的时间，根据计算:

图1 第一种GATE讯息排程说明

式中，td为EPON系统在插入GATE讯息前将目前正在ONU传输的封包停止或中断所需要的处理时间，它是根据EPON系统中的网元管理系统(Element Management System，EMS)从发命令到OLT并由 OLT传送给ONU的高优先排列所消耗的时间所计算出来的。由式(1)可以算出T的值为:

(2)插入高优先排列的中间。将GATE message插入在ONU高优先排列 的中间，如图2中，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为GATE讯息插入前第一封包处于高优先级的处理时间。

根据计算:

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PdS/US，tq的大小会因高优先排列里的第一个封包大小会有所改变［12］。

图2 第二种GATE message排程说明

(3)插入高优先排列的最后面。将GATE message插入在ONU高优先排列的最后面，如图3中，t为 OLT传送 GATE message至 ONU的时间，t1为ONU开始处理GATE message的时间，tQis为GATE讯息插入前下一封包处于高优先级的处理时间，根据计算:

假设ONU在处理GATE message前在ONU的高优先排列内还有n个packages等待处理，n个packages的大小是随机分布的［13］，在现实的环境下，高优级先排列内的packages分布会有两种不同的狀况:

①假设大、中、小封包在高优先排列内是平均分布。经过计算

② 假设高优先排列内的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高优先排列内封包的size大小，λ值会直接影响到tQ的大小。

根据式(7)，我们可以推演出若高优先排列内的packages为非平均分配［14］，则tQ的值为:

根据λ的值可以判断ONU高优先排列内封包size的分布狀况，同时λ也会影响到GATE讯息在ONU高优先排列内等待的时间，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同时也代表高优先排列的狀态，其分类如下:

●Light Level:表示高优先排列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［15］，我们假设在此狀态下的 λ 值为0.5。

●Middle Level:表示高优先排列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:表示高优先排列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。

图3 第三种GATE message排程说明

2.2 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讯息的排程做了一个说明［16］，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讯息时，OLT会根据REPORT讯息的资讯产生一个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 10 Mb/s、100 Mbps、1 000 Mb/s和10 Gb/s。在Simulation analysis中，我们省略了10 Mb/s的PHY modulation，因为在实际的运用上，EPON系统不太会使用10 Mb/s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。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讯息所需的时间，在封包size偏小的狀况下，当 EPON的 PHY Rate为100Mb/s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。

如果物理层速率(PHY Rate)为1 000 Mb/s或是10 Gbps，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。提升EPON系统的PHY Rate到1 000 Mb/s，则只需要10 ms就可以把EPON所需要处理的GATE message处理完毕。在封包size平均分配的条件下，EPON所需要处理GATE讯息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讯息之前，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。封包size为平均分配狀态下，PHY Rate为1 000 Mb/s与10 Gbps时处理EPON系统GATE讯息所需的时间与效能比较［17］，效率明显提升许多。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100 Mb/s到1 000 Mb/s以至于到10 Gbps，处理GATE message的时间也从300 ms提升到30 ms以甚至于到3 ms。当EPON系统的PHY Rate为100 Mb/s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。

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。

3 结语

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100 Mb/s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讯息并开始处理，所需要的时间为300 ms，300 ms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讯息的时间可能需要500 ms甚至1 s以上。

再检视在相同假设下但PHY Rate分别为1 000 Mb/s与10 Gbps的EPON系统，它们处理32个ONU GATE讯息所需的时间只需要30 ms与3 ms，如果EPON系统所连结的ONU超过32个，如64或是128个，ONU处理GATE讯息所需要的时间对于EPON系统所造成影响会远比100 Mb/s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1 000 Mb/s以上的条件下，在高PHY Rate的条件下，下游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1 000 Mb/s与10 Gbps之外，还有10 Mb/s与100 Mb/s，低速的PHY Rate对整个EPON的使用率(Utilitization)是非常低的，尤其是10 Mb/s，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 1 000 Mb/s或是 10 Gbps的EPON系统，100 Mb/s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100 Mb/s的EPON网络，还是有其必要去解决排程方面的问题，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。

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