10G/40G PON 动态可编程带宽分配方案（本期优秀论文）

陈 冬，殷爱菡，王嘉伟，赵海霞，张青苗，展爱云

（华东交通大学 信息工程学院，南昌330013）

10G/40G PON 动态可编程带宽分配方案（本期优秀论文）

陈 冬，殷爱菡，王嘉伟，赵海霞，张青苗，展爱云

（华东交通大学 信息工程学院，南昌330013）

提出10G/40G PO N系统的一种动态可编程带宽分配方案，内置了多种经典的动态带宽分配（D BA）算法，运营商可以根据用户的需求加入自定义的D BA新算法，并且可根据实时网络情况自动加载最适合的D BA算法。重新定义了操作、管理和维护（O A M）数据单元帧，经过改进的O A M发现过程增强了O A M的能力通告功能。

PO N；动态更新；可编程；D BA

0 引言

无源光网络（PON）的动态带宽分配算法大多是基于轮询的方式，包括经典的轮询算法IPACT算法[1]以及一些新的算法[2～4]，但是轮询机制存在授权窗口浪费、时隙浪费以及闲置队列浪费等问题[5，6]。而且，目前的PON设备中只采用一种带宽分配算法机制来执行调度，无法根据网络环境及用户情况调整带宽分配方案。如果要改变带宽分配的调度机制，必须更换OLT/ ONU产品的硬件芯片，灵活性不高。同时，各PON生产厂家的动态带宽分配算法的策略机制不同，使PON系统互联互通存在困难[7]。另外，若以至少1:32的比例来布置PON，对于整个网络的带宽利用要求而言也具有挑战性。针对这些问题，设计一种动态可编程带宽分配方案非常重要。

1 动态可编程框架

动态可编程框架如图1所示，包含OLT和若干ONU单元。OLT中轮询模块以及可编程算法调度控制模块决定合适的DBA算法，ONU间消除机制模块用于消除各ONU的剩余队列授权，此外OLT还包含了交换转发、业务分类和队列管理等基本模块。ONU中除了含有接收、交换转发、业务分类、队列管理和算法调度控制等基本模块，还加入ONU内消除机制模块，用来减少ONU的闲置队列和授权浪费。系统具体工作步骤如下：

①本地设备上电，核心模块从存储设备或者外围设备加载带宽分配算法至可编程模块之中，对各个部分的参数以及用户的运行状态参数进行初始化处理。

②当本地的PON与其它的网络通信时，本地PON中局端OLT对接收包的指定字节类型进行检测，并判断待通信网络是否与本地PON是否兼容。

③若待通信网络与本地PON兼容，则继续保持当前模块中的带宽分配算法。

图1 自适应可编程框架图

④若不兼容，那么就通知核心模块，核心模块此时会检测存储设备和外围设备中是否存在有适合当前待通信网络的分配算法；如果有适合的算法，则将该分配算法加载至模块之中；否则，通过串口加载适合的分配算法。

⑤当需要对网络中一些ONU重新划分类别时，ONU的核心模块会向局端OLT发送请求。

⑥局端OLT的核心模块在接收到ONU的请求之后，会将相关类别的算法发送给ONU，ONU接收到算法之后将它加载至相应的模块以及存储设备中。

⑦若ONU中的某些用户想放弃或者是升级级别，ONU的核心模块会对用户的带宽分配逻辑进行重新调整。

OLT的算法调度控制过程如图2所示，核心控制模块根据网络情况或者用户需求从内存或外围设备中调用合适的预置带宽分配算法，计算对各个ONU的授权带宽，并将授权信息写入Gate帧中，与其它控制帧如Register帧等进行汇聚。同时下行数据与逻辑链路标识（LLID）相结合得到数据帧，数据帧和控制帧通过多路复用器进行复用，并经过检测、编码和加密的数据，广播发送给所有ONU。OLT接收ONU发送来的数据经过检测、译码和解密，对信息进行预处理。处理后得到的正确信息中含有每个ONU的逻辑链路标识LLID，OLT根据LLID对信息进行识别，并利用数据/控制帧分类模块对信息进行分类，如果是数据帧则直接接收；如果是带宽请求控制帧，先利用算法识别模块对其采用的带宽分配算法进行识别，再将其送入核心控制模块，并利用适宜的带宽分配算法进行授权计算。

图2 OLT算法调度控制工作原理

ONU算法调度控制原理与OLT类似，各种模块与OLT保持一致，只是ONU发送数据为上行，接收的数据为下行，与OLT正好相反。ONU中的核心控制模块不进行授权计算，只是用于识别OLT发来的控制帧，以获得OLT所采用的带宽分配算法信息。ONU的算法识别模块是根据操作码 OPCODE（Operation Code）来识别OLT中采用的DBA算法。

2 ONU剩余队列长度消除

由于业务类中数据包是随机的，所有ONU队列中的剩余发送长度可能无法满足所有数据包的需求，从而造成剩余队列发送长度浪费。消除剩余队列发送长度有两种，即ONU内消除和ONU间消除。

①ONU内消除。设第i个ONU内所有剩余发送长度之和为UPRi，它可能大于某一队列中的数据包长度，因此可在该ONU内进行分配消除。算法首先计算UPRi，然后检查待发送数据包所在队列是否有足够的授权来发送该数据包，如果有，则直接发送；如果没有，则比较UPRi和该数据包的长度。如果UPRi大于该数据包长度，则可发送该数据包，并将UPRi减少相应长度，并持续该过程；如果UPRi小于该数据包的长度，则不能发送，UPRi将被浪费。

②ONU间消除。当ONU内部不能消除UPRi时，则所有ONU的UPRi就需要在ONU间消除。如果相邻的两个ONU满足：

这说明交接棒可实现，前一个ONU的可以传递给下一个ONU来消除。但这种方法实现的几率很低。因此本文对该方法进行了改进。首先在OLT段建立一个查询表，为每一个ONU定义一个qi(m)值，并定义一个全局指针qi(m)，则：

然后按照qi(m)值对ONU从大到小进行排序。此时，当表中两个相邻ONU中的一个RTTi很小或者(m)+ tguard+treport很大时，这两个ONU满足交换条件。

OLT从排序后的查询表中取出第一个ONU作为交棒者，计算它的UPRi，对此ONU授权使它的发送窗口起始时间提前UPRi，然后取出第二个ONU作为接棒者，判断是否满足交接棒条件，如果不满足则按照正常机制对第二个ONU进行授权，UPRi被浪费掉；如果满足，则等第一个ONU的接力棒到达后再对第二个ONU授权，同时把它作为交棒者，重复上述过程直到周期结束。具体流程如图3所示。其中，(m)指向数据包，(m)指向所有队列中最早到达的数据包，(m)指向所有ONU中有最早开始时间数据包的队列，(m)指向(m)所指向队列的剩余授权窗口值。

图3 ONU消除未用的流程图

3 改进的OAM发现过程

为了实现自适应调度模块对不同厂商发布的OAM的支持，本文对现有的OAM发现过程进行了改进，以实现扩展的OAM发现，并对帧格式进行了修改定义，实现扩展OAM能力通告功能（Extended OAM Capability Notification）。当扩展的OAM发现过程完成后，OLT就可对ONU进行带宽分配和管理，图4为状态信息OAMPDU的帧结构。

图4 状态信息OAMPDU结构

ExtSupport字节用于表示是否支持该OUI设备商的OAM扩展功能，若ExtSupport为0x01，表示支持该扩展；若ExtSupport为0x00，表示该设备商不支持扩展功能。当OAMPDU确定支持扩展信息后，则进行与该OAM扩展相关的进一步的握手过程。

用于扩展OAM发现的Data数据域包含一个ExtSupport字节和一个字节的Version版本号，其余为支持OUI-Version的列表。OUI-Version列表用于提供扩展的OAM通告功能，通告该设备支持由该OUI组织发布的OAM扩展及其版本，对OUI-Version的排序没有要求。

扩展的OAM发现过程如图5所示。在完成标准OAM发现过程后，OLT发起扩展的OAM发现流程，步骤如下：

①OLT首先发送OAM Ext_INFO扩展信息给ONU，告知扩展的状态信息OAMPDU（包括OAM扩展后的OUI、版本Ver.及支持的OUI-version列表）。

②ONU根据收到的信息，返回一个OAM Ext_INFO，将OUI设置为OLT的OUI，Ver.=0x00，并且将ONU所支持的OUI-Version列表上报给OLT。如果ONU支持该OUI，则ExtSupport=0x01；如果不支持，则ExtSupport=0x00。

③OLT根据ONU上报的信息，如果ExtSupport= 0x01，且ONU支持OLT当前的OUI版本，则写入到OAMPDU帧中，发给ONU。

④ONU收到OLT选择的OUI和版本的消息，返回确认信息，完成了扩展OAM的发现过程。如果ExtSupport=0x01，但是ONU不支持OLT当前的OUI版本，或者ExtSupport=0x00，则OLT发出告警，上报网管。

图5 扩展的OAM发现过程

4 方案分析

OLT对ONU的轮询周期越短，ONU浪费的授权窗口值越多，以及OLT轮询周期越小，未使用的带宽越多，回收增加的带宽值越大。本文提出的方案改善了因优先级队列闲置导致的带宽浪费问题。

我们将动态可编程方案与现有的IPACT动态带宽算法进行比较，随机选择一个ONU的参数做对比分析，每小时采样一次，轮询周期为5ms，可计算出提出的方案比现有的IPACT算法消除浪费的带宽平均多出2Mb/s。除此之外，将静态、动态、改进的双时序DBA算法[8]与动态可编程带宽分配方案进行带宽利用率（吞吐量）和平均时延的比较，四种算法在负载90%以下时吞吐量几乎相等，但当负载继续增加时，静态算法在高负载到90%时，带宽利用率不会增加，说明已达到极限；而动态算法、双时序算法和动态可编程方案的带宽利用率有所增加且逐渐递增，并且动态可编程方案的最终带宽利用率也高于其它算法方案。

对于平均时延，四种带宽分配算法在低负载时，都保持较低的平均时延，时延性能基本相同，但当处于高负载状态时，动态可编程方案的时延性能在重负载时最低，且时延增加速度最小，这说明可编程机制在较高吞吐量的情况下，仍能保持较低的时延。

5 结束语

本文提出了一种自适应可编程带宽分配的设计，并对OAM发现过程进行改进来实现该设计，通过在OLT和ONU端加入带宽分配算法的控制模块，可以在设备内预置多种经典带宽分配算法，同时运营商可根据需求添加自己的带宽分配算法，提高了带宽分配的灵活性；通过对OAM发现过程的改进以及对OAM协议数据单元帧进行了重新定义设计，实现自适应调度模块对不同厂商发布的OAM的支持，增强了OAM能力通告功能。

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

[2]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.

[3]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(11)：35-38.

[4]LIEM A T,HWANG I S,NIKOUKAR A A,et al.Genetic expression programming-based DBA for enhancing peer-assisted music-on-demand service in EPON[J].Optical Fiber Technology,2015,22:28-35.

[5]QIUY.A novel DBA algorithm with QoS supportfor EPON networks [C]//IEEE International Conference on Broadband Network&Multimedia Technology,18 Oct.2009,Beijing:IEEE,2009:414-417.

[6]WANG Y,LIU Y.Design of DBA Algorithm in EPON Uplike[C]// 2009 Fifth International Conference on Information Assurance and Security,18 Aug.2009,Xi'An:IEEE Computer Society,2009:751-753.

[7]CHIEN AUN,CHAN,ATTYGALLE M.,NIRMALATHAS A.Local Traffic Redirection Based Dynamic Bandwidth Assignment Scheme for EPON with Active Forwarding Remote Repeater Node[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,Mar，2011,.3(3):245-253.

[8]殷爱菡，张培洲，焦曰里，等.改进的自适应双时序算法的研究与仿真[J].计算机工程,2009，35(24):130-132.

Dynamic programmable bandwidth allocation scheme of 10G/40G PON

CHEN Dong,YIN Ai-han,WANG Jia-wei,ZHAO Hai-xia,ZHANG Qing-miao,ZHAN Ai-yun
(School of Information Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

An dynamic programmable bandwidth allocation scheme of 10G/40G PON is brought out,includes several classical DBA algorithms.Meanwhile,operators can add other custom new DBA algorithms according to users'needs.In order to interconnect different network devices,OAM protocol data unit is redesigned. The modified OAM discovery process enhances the information capability of OAM.

PON,dynamic upgrade,programmable,DBA

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0001-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.001

2015-12-13。

国家自然科学基金（61262079）资助；江西省科技计划项目（20123BBG70219）资助；江西省2014年大学生创新项目(1040402)资助。

陈冬（1990-），男，硕士生，主要从事光通信与光接入网研究。