基于SLA的动态分组算法研究

殷爱菡，陈 冬，张思瑶，郑玉虹，林 瑶（华东交通大学信息工程学院，江西　南昌330013）



基于SLA的动态分组算法研究

殷爱菡，陈 冬，张思瑶，郑玉虹，林 瑶
（华东交通大学信息工程学院，江西南昌330013）

摘要：提出一种基于SLA的动态分组算法，有效解决系统带宽利用率低下、时延难以保证等问题。算法根据当前网络情况改变轮询周期并且实现下一周期业务的提前授权，较好的优化了带宽时隙浪费问题。通过OPNET对算法进行仿真以及与其它带宽分配方案的比较分析表明该算法具有良好的带宽利用率以及较低的系统时延特性。

关键词：10 G/40 G EPON；带宽分配；分组；SLA

随着接入网的迅速发展，无源光网络(passive optical network, PON)因其能够满足各种业务需求的特性成为接入网的首选，而10 G/40 G EPON被视为下一代理想宽带接入网之一，受到越来越多的研究学者关注[1]。其中，如何合理分配、有效利用带宽作为10 G/40 G EPON的研究热点之一，吸引了众多科研工作者[2]。根据大众目前的多业务网络需求，接入网必须满足语音及视频业务的实时性，同时要求更低的时延和抖动[3]。因此，为了针对不同接入网用户的多业务需求，对于动态带宽分配算法(dynamic bandwidth allocation, DBA)的研究是有必要的。EPON的动态带宽分配算法大多是基于轮询的方式,经典的轮询算法有IPACT算法[4]，BGP算法[5]等。然而这些带宽分配算法基本存在轻负载恶化、公平性差、带宽利用率低下以及难以保证时延等问题。近年来，又有一些新的带宽分配算法被提出来用以优化系统[6-7]，所以针对当前动态带宽分配算法存在的问题，提出一种基于SLA的10 G/40 G EPON动态分组带宽分配方案。

1 业务分组模型

根据以太网差分服务(differentiated services, DiffServ)模型[8]，用户的带宽业务被分为3个不同的等级：EF(expedited forwarding)业务、AF(assured forwarding)业务、BE(best effort)业务，它们的优先级依次降低。EF业务对应的是固定比特速率的数据流的话音业务，需保证更低的时延和抖动；AF业务对应的是可变比特速率的数据流的视频业务，需保证一定带宽；BE业务对应的是对时延和抖动没有要求的数据传输业务，需提供尽力而为的服务。

图1 业务分组模型Fig.1 Model of traffic group

首先，为了保证业务带宽分配的公平性，如图1所示，规定每个ONU的最大开窗时隙为Bimax，最小开窗时隙为0。将这三种不同等级的业务分为两组：组1为EF业务，组2包括AF业务和BE业务，其中Report部分包含ONU组2长度以及剩余组1数据的信息。根据DiffServ协议，组1的优先级高于组2，因此优先发送组1数据，规定组1的最大时隙为Bg1max。

2 带宽分配方案设计

假设10GEPON系统中包含有N个ONU，每一个ONU的传输速率为定值Ru，且每个上行单元间的保护时隙为Bp，由此不难得出OLT的最大授权带宽BOLTmax为

因此，所有ONU的业务组2允许的最大时隙Bg2max为

其中：Wi是为每一个ONU的分配因子，该分配因子与ONU的业务服务等级SLA相关，当所有ONU的SLA相等时，它们的分配因子Wi也相等，故有

在OLT结束对ONU组1的授权之后，OLT继续对ONU组2进行授权，当ONU组2数据请求带宽小于组2数据所允许的最大时隙Bg2max时，其授权时隙Gi为

当ONU组2数据请求带宽大于组2数据所允许的最大时隙Bg2max时，其授权时隙为

其中：Ri代表各ONU的组2数据所请求的时隙带宽。

在一个完整的上行传输过程中，每个轮询周期内，ONU的数据按照业务等级分组发送，其发送的窗口大小对优先级最高的EF业务的实时性没有产生影响。

如图2所示，Te代表OLT接收前一周期数据的结束时间，Ts代表OLT接收下一周期数据的开始间间。当ONU完成数据业务的分组之后，发送包含待发送的组1和组2数据的大小以及组1到达时间的Report消息。为了减少空闲时间、有效的利用带宽，OLT在接收到组2开始的Report信息之后，若ONU仍然有剩余组1数据待发送，则向ONU发送Gate帧，而ONU在接收该Gate信息之后在Tx发送下一周期的组1数据。其中下一周期发送时间，Tx计算公式为

图2 数据传输示意图Fig.2 Diagram of data transmission

其中RTT为环路延时。

3 仿真与分析

3.1 仿真模型

使用OPNET网络软件对其进行建模仿真，并与静态和其他动态DBA进行分析比较。OPNET是一款功能丰富强大的网络仿真工具，能够对网络系统结构、协议模型、性能参数、QoS服务质量进行设计、建模、分析和管理，充分的满足了大型复杂网络的仿真需求。为了有效模拟真实情况，建立一个包含16个ONU的模型。ONU到OLT的距离设置为5～20 km，上行与下行速率均是10 Gbit·s-1，轮询周期设为2 ms。其中OLT的中心模块server节点进程结构如下图所示。其工作流程为：在Init状态下接收数据帧或控制帧，当接收到帧后，进入Start状态，由于接收到的帧类型不同其进入的进程也不同；如果接收到的是数据帧，则表示ARRIVAL被激活，业务数据被发送到Rcv_pkt进程，完毕后返回Idle并且等待下一帧；如果若接收到的是控制帧，则表示REQUEST被激活，控制帧进入Request，完毕后返回Idle并且等待下一帧。其中等待处理的所有数据帧及控制帧都缓存在Idle队列中。

ONU中心模块buffer的进程结构如下图所示，与OLT相类似，一部分是处理数据帧，另一部分是处理控制帧，它们分别由ARRIVAL和GRANT负责激活。在Init状态下开始接收数据帧或控制帧，由帧类型的不同进入不同的进程。Buffer将用户发送的数据帧排队处理，而Grant则是响应从OLT发送的控制帧，完毕后，数据帧和控制帧都要返回到Idle。

图3 OLT server进程结构Fig.3 Process structure of OLT server

图4 ONU buffer进程结构示意图Fig.4 Process structure of ONU buffer

3.2 仿真结果分析

通过对系统进行建模之后，将方案添加在模型中进行仿真并且与静态带宽分配算法和动态带宽分配算法在ONU平均时延和队列长度以及网络平均吞吐量方面进行了比较分析。图5是系统平均吞吐量结果的比较示意图。从图中可以看出，系统的吞吐量随着负载的增加而迅速增大，3种方案在负载为0.9的时候吞吐量增长速度放缓，其中静态带宽分配基本没有增长，而本方案的算法和IPACT动态带宽分配算法仍有增长的趋势，两者基本保持一致性，但是提出的方案能够拥有更高的吞吐量也说明在系统重负载的情况之下，带宽利用率有明显提高。

图5 平均吞吐量结果比较Fig.5 Comparison of average throughput

图6 时延特性比较Fig.6 Comparison of time delay

图6是系统平均时延的结果比较示意图。从图中可以看出，三者都有随着负载增加而时延增长的趋势，其中静态带宽分配算法的表现最差，在平均负载为0.4时的时延就开始急剧增加；而其他动态带宽分配算法和本方案的时延均在负载达到0.9时才急剧增加，并且本方案提出的分配算法较其他动态带宽分配算法平均时延较低，表现优于IPACT动态带宽分配算法。通过仿真对比，基于SLA的动态带宽分配方案具有以下特点：

1）能够根据网络环境动态改变轮询周期，有效的进行带宽的分配，避免了无谓的带宽浪费；

2）方案不仅能够保证高优先级业务的带宽需求及QoS，还充分考虑了中、低优先级业务的公平性问题。将剩余带宽按照中、低优先级业务的优先级对其进行分配，有效地保障中、低优先等级用户的权利；

3）对于下一周期业务的提前授权也减少了带宽的浪费，能够在当前周期结束之后以最短的时间开始下一周期的业务授权传输，将剩余带宽再次进行有效的利用，避免了更多的贷款浪费。

4 结束语

提出的基于SLA的动态分组算法不仅在10 G/40 G EPON系统的轻负载恶化、公平性差的问题上表现良好，还通过动态调整不同业务的带宽授权来进行带宽优化，另外对于下一周期业务的提前授权也起到了提高带宽利用率的作用，有效的保证了系统传输的质量以及性能，使得系统能够满足用户多业务的网络需求。经过对算法的仿真结果分析，证明算法在网络吞吐量和实时时延方面具有一定的优势。本算法能够更好地满足用户实时业务需求，有效提高网络资源的利用率。

参考文献：

[1]殷爱菡，王胜凯.基于改进的AES算法的EPON安全方案研究[J].华东交通大学学报，2013，30（4）：35-39.

[2] ANAKA M，TAKEMOTO M，TAKAHASHI A，et al. Dynamic bandwidth allocation algorithm with fairness in 1G/10G coexistence EPON system[J]. IEICE Transactions on Communications，2009，92（3）：819-827.

[3] SHAMI A，BAI XIAOFENG，ASSI C M，et al. Jitter performance in Ethernet passive optical networks[J]. Journal of Lightwave Technology，2005，23（4）：1745.

[4] KRAMER G，MUKHERJEE B，PESAVENTO G. IPACT a dynamic protocol for an Ethernet PON(EPON)[J]. IEEE Communications Magazine，2002，40（2）：74-80.

[5] MA M，ZHU Y，CHENG T H. A bandwidth guaranteed polling MAC protocol for Ethernet passive optical networks[C]//INFOCOM 2003，Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications，IEEE Societies，2003：22-31.

[6]朱婉莹，何荣希，杨帅. EPON中节能动态带宽分配算法[J].光通信技术，2014，38（011）：35-38.

[7]解朝晟，孙强. EPON中的一种新型动态带宽分配算法[J].光通信技术，2011，35（2）：1-3.

[8]江文静，蔡祥宝. DiffServ队列调度算法研究[J].计算机技术与发展ISTIC，2015，25（4）：85－88.

（责任编辑 姜红贵）

Research on Dynamic Grouping Algorithm Based on SLA

Yin Aihan, Chen Dong, Zhang Siyao, Zheng Yuhong, Lin Yao
（School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China）

Abstract：This study proposes a dynamic grouping algorithm based on SLA, which can effectively solve the problems of low bandwidth utilization rate and difficulty in guaranteeing delay. The proposed algorithm could make dynamic change according to actual condition and realize the authorization in advance of the next cycle, thus optimizing the bandwidth time slot. By simulating the algorithm with OPNET, comparing with other schemes, it proves that the algorithm has the better bandwidth utilization and characteristics of lower system time delay.

Key words：10 G/40 G EPON; bandwidth allocation; grouping; SLA

中图分类号：TN919

文献标志码：A

文章编号：1005-0523（2016）03-0106-04

收稿日期：2015－11－30

基金项目：国家自然科学基金项目(61262079)；2014年江西省大学生创新项目(20141040402)

作者简介：殷爱菡（1963—），女，教授，博士，研究方向为光通信技术。