通过上行带宽的动态分配优化PON性能

　　最近，光网络行业，特别是在无源光网络(PON)方面有了很大的复兴。PON能够消除光纤电信基础设施的巨大带宽与其用户的局域网(LAN)日益增长的带宽需求间的访问瓶颈。

　　PON的商业优势在于它们不需要在野外安装昂贵而又相对脆弱的硬件设备——用可以将同一数据流分配到多个地点的简单分光器代替有源光纤交换器。对下载大量的数据流而言，这是一个简单的解决方案；但它也提出一个问题，即如何以最佳的方式上传单独终端用户的数据流，而不会在网络主干中引起冲突。

　　我们采用的解决方案是将上行流量划分成不同的时间间隔，并为每个终端用户分配单独的时间空档来进行数据传输。但是，有多种方式可分配那些时间空档，而且，在PON配置中，找出最佳的带宽分配技巧也是一个重要的问题。

　　本文简单讨论了上述问题，并描述动态带宽分配(DBA)的最新发展动向。

　　PON与用来优化都市间应用以及长距离应用的点对点光纤技术不同，它们主要用于访问网络。它们比其它访问解决方案更简单、更高效、更低廉，所以PON可以向将光纤扩展到最后一英里的服务提供商提供一种成本低廉的连接方式。因此，PON作为下一代高速低成本访问网络结构的可选访问技术，正受到人们的广泛认可。

　　PON的典型设施是从服务提供商中心办公室(CO)发出的一种树状拓扑结构，在那里，来自中心办公室光线路终端(OLT)设备的一条单独光纤主干被无源分光器分离，并由客户家中的许多光网络单元(ONU)所共享

　　在由OLT至一个ONU的下行方向，PON则成为一个将每个以太网信息包同时传送给所有用户家庭的一种传播媒介。而每个单独的ONU则仅提取定址信息包给OLT，并忽略其他信息包。因此，下行带宽共享相对简单，它根据服务等级协议(SLA)与其他策略，由一个在OLT执行的出口调度策略来指示。

　　但在上行方向，在某个时间，只能有一个ONU向OLT进行传输，以防止来自不同用户的信息包相互冲突。为达到这一目的，IEEE 802.3ah标准采用了一个基于复式分时的媒体访问控制协议，并将其命名为多点到单点控制协议(MPCP)。它允许OLT在ONU间作出仲裁，要求上行传输并分配唯一的时间空档，以便每个ONU仅在指定的时间空档内传输上行信息包。

　　所有当前的PON标准应用这个复式分时(TDM)方法来进行上行传输，而不是应用明显更为简单的波分复用(WDM)技巧；WDM为每个ONU分配不同的光波长，并让它们同时进行上行传输且不会造成冲突。这是因为，在一个相对的波长范围内，要让每个ONU拥有不同的光模块条件下，会大大增加制造与销售的复杂性。它还要求保证每户家庭一贯使用正确波长的ONU——这增加了管理负担——总之，这一方法还没有确定的标准。虽然WDM方法具有双向提供全部带宽的优势，实际上用户并不需要这么大的上行带宽，因为一般最大的流量出现在下行互联网方向——如IPTV与网络下载——而上传请求则相对简单。因此人们选择了分时技术。

　　IEEE MPCP应用两个特别信息来控制时间空档分配——GATE与REPORT。REPORT消息由ONU向OLT发送，被ONU用来报告它的即时上行带宽需求——REPORT消息还包括队列信息，可帮助OLT分配适当的带宽。相对应地，GATE消息由OLT向ONU发送，它通过指定起始与终止时间向ONU分配一个时间空档，在这段时间内，ONU能够向OLT上传经过排序的用户流量。

　　当然，所有时间量度都十分微小——在IEEE 802.3ah标准中，MPCP计时以16毫微秒的单位来计量。在如此迅速的运作速度下，分时过程甚至能够支持极为重要的流量，如IP电话，而不会引起可见的质量变化。

　　MPCP为OLT仲裁上传带宽提供了一种控制机制，但它无法指定任何特定的分配策略。所以可以自由选择最佳的分配策略。所谓的“动态带宽分配”(DBA)算法考虑到数据流量的爆发性本质，并适应瞬时的ONU带宽需求，并为上传流量流安排最佳的公平性、延时、变异程度与其他所需的特性。

　　DBA设计标准

　　设计或选择适当的DBA需要根据几种标准进行仔细的评估。首先，整个有效带宽会施加限制。其次，用户与提供商间的服务等级协议(SLA)也会带来制约——它可能会指定最小（和最大）带宽等级并给某些类型的流量以优先权。另外还有“公平性”需求——在SLA所指定的范围内提供其所认为的“优良服务”，以进行资源传播，并让所有用户满意。而且它还必须平衡地传送带宽——不能进行碎片式传送，否则接收者的缓冲器就无法接受数据流，并会引起分组延时（也称作“延时变异程度”）的过度变异。

　　带宽分配可以是“连续工作型”或“断续工作型”。连续工作型方案只要至少有一个ONU在进行数据传输，就可保证带宽不被浪费。该方案在其他所有ONU的带宽需求得到满足的条件下，它们允许某个ONU获得特定需要的最大带宽。断续工作型方案则不允许任何ONU超过标准，例如，即使还存在有额外的带宽，ONU也不能超过SLA指定的最大带宽。因此在断续工作型中，一些PON中可能有时没有数据传输，而另外一些ONU则急需带宽。尽管断续工作方案存在这样明显的缺点，但它仍有助于减少核心网络中的潜在堵塞，并可以减轻变异程度。

　　除了公平地共享带宽以外，DBA还必须提高效率——以便获得较高的上传连接利用率，使传输许可不至浪费。帧描绘说明了上行带宽被浪费的一个实例——由于以太帧大小的易变性以及帧分段的不可靠性，一个ONU可能不会完全使用所分配的传输许可。

　　DBA也不能引起过多的延时。一个携带排序信息包的ONU应尽可能迅速、定期地获得传输许可。在进行实时语音与视频传输时，将延时减到最小极为重要。无论如何，信息包传输延时过长，就需要进行额外的缓冲，以避免信息包丢失。

　　信息包延时变异被称作延时变异程度范围。在传输视频与语音应用时，为减少在目标区所需的缓冲区，保证平衡、不间断的重放过程，将延时变异最小化极为重要。

　　在PON上传送REPORT与GRANT信息所需的时间确实给上传信息包带来额外的延时与变异。因为直到一轮REPORT与GRANT信息被交换后，DBA才会进行传输。因此，理想的DBA方案应足够简单快捷，能够尽可能迅速地处理REPORT信息并送出GRANT信息，从而满足低延迟的实时需求。

　　现有的带宽分配方案

　　人们提出了许多带宽分配方案，其主要可分为三种类型：

　　“基于静态SLA”带宽分配方案是最简单的分配方案，它们应用固定的传输许可计划——以服务等级协议为基础——并重复不断地向每个ONU提供类似于TDM的服务。在每个周期中，DBA轮流为每个ONU分配一个固定的传输许可，忽略REPORT信息中ONU需求之类的动态因素。虽然这种计划能够将延时与变异程度减到最小，但它们最适用于持续稳定的比特率流量。在爆发式及动态流量模式中，静态方案会造成带宽利用率过低与分配不公。

　　“基于需求”的方案考虑到ONU（并非任何一个针对SLA的ONU）的带宽需求。通常，OLT轮流取出ONU，根据接收到的REPORT消息中的队列长度，按需给ONU发布传输许可。这些方案可达到较高的带宽利用率，但无法像基于SLA方案一样为ONU提供公平性传输或者平均化的服务。此外，由于发布传输许可的周期长度在不断变化，它们也不能提供低延时与变异程度范围。

　　更为复杂的方案旨在这两种方法间寻求平衡。这些“基于需求与SLA”的带宽分配方案同时考虑SLA与个体需求。在每个周期中，它们通过组合自注册ONU处接收到的最新REPORT信息和为这些ONU配置的SLA参数，并应用一个适当的公平性模型来建立传输许可计划。

　　对于在ONU内处理调度的方案还可做进一步的区分。单独的ONU通常根据所支持服务的类别在多个队列中排列流量，且多数分配方案把这项工作让ONU自己完成。但是有一些DBA方案则进一步检验包含在MPCP REPORT消息中的队列长度，以决定一个单独ONU支持的每个QoS的个体带宽需求——就像是说：“这一个几乎就得到了带宽分配，但我要把优先权交给当前的VoIP呼叫。”如有必要，在任何周期中，DBA可为每个ONU分配多个传输许可，每个优先队列分配一个，而不用ONU在当地安排自己的优先队列。虽然这些方案能够实现精确的QoS服务区分，但它们十分复杂，基于标准的协议也不能完全支持这些方案，因此它们不适于广泛采用。

　　MIB-DBA解决方案

　　ImmenStar公司，系统级芯片无源光技术创造者，他们在研制MuLan 与Turandot芯片组时特别注重网络优化。这一工作包括为公平高效的上传带宽管理开发他们自己的MIB-DBA（最大-最小公平算法，相对限制DBA）算法。MIB-DBA算法是新型DBA结构一部分，并应用在他们当前的系统级芯片解决方案中。

　　作为硬件开发商，ImmenStar团队能够利用硬件DBA解决方案的速度优势，而不会受到纯硬件解决方案不变性的制约，他们已将它与一个软件方法组合起来，以充分利用软硬件优势。

　　为使DBA模块以较高的速度运行，由软件DBA模块中执行的完整算法中的一个简化变体被充分运用。这种“软硬件双重性”允许硬件模块支持0.4毫秒这样短的周期时间，提供极短的延时与极小的变异范围。同时，软件DBA模块展现了优秀的可配置性及特性，允许将来对DBA算法做出改变和/或修改，而不要求对相应的硬件进行改变或修改。这两个模块应用一个专用的、硬件驱动的DBA加速模块，再结合其他功能，作为这两个模块和一个MPCP模块间的接口，以保证MPCP GATE与REPORT消息的快速传输。

　　两个模块都要DBA加速模块进行交互，并反过来与MPCP模块进行通信。硬件DBA模块应用高度优化的ASIC设计，而软件DBA模块则由OLT的内置微处理器控制。

　　这两个DBA模块接受以下四种输入：

　　1) ONU SLA配置信息，包括已认可的参数，如峰值信息速率(PIR)、约定信息速率(CIR)、最大爆发规模，最大延时与最小变异程度。
　　2) 由系统供应商为个体OLT设定的参数——如周期长度、许可调度模式、连续工作模式与发现/注册窗口大小。
　　3) ONU注册信息，包括在给定时间注册的有源ONU数量，及共享上行带宽的需要。
　　4) 报告表格(Report Table)——由DBA硬件加速器维护，并包含从它们的REPORT消息中获知的每个ONU队列长度，以此作为其带宽需求的指标。注意，在每个周期中，即使不允许进一步发送流量，系统也为每个ONU批准一个最小的上行时间空档来发送REPORT消息——这样就不会丢失ONU。

　　应用这四个输入，DBA模块执行它的DBA算法，为下一个周期中的ONU生成传输许可计划。这一计划包含下一个周期中每个ONU许可的起始时间与长度，这些被写入到许可表格(Grant Table)中。然后，DBA加速模块应用此许可表格来生成适当的GATE消息，再通过MPCP模块将它们送交给各个ONU。

　　DBA周期长度各不相同，硬件模块的周期长度可短至0.4毫秒，而软件模块可为1毫秒，最长可达10毫秒，这充分显示了系统的适应性。尽管周期长度较短一般会使减小延时与变异程度，但它增加了处理MPCP消息与激光开关次数的时间，因而可能会降低上行通道的利用率。因此，设置一个相对宽泛的且可修改的周期长度范围，MIB-DBA可以为上传提供充分的适应性和贴合性。

　　MIB-DBA算法

　　此算法应用计算机网络领域内的知名概念——“最大最小公平性”概念。最大最小公平性是在有着各自资源需求的多个相互竞争的实体间分配资源的一种策略。此策略试图为当前接受最少资源的实体提供更多资源，并保证没有实体获得超过其需求的资源——同时，剩下的任何资源则在所有需求尚未满足的实体间平均共享。

　　这种典型的公平性策略并未考虑指定最小保证带宽与最大可分配带宽的SLA，因此，MIB-DBA算法给每个ONU一个“权重”来扩充此策略。在应用一个权重最大最小公平性策略时，带宽以增加需求的顺序、按权重进行标准化来分配。例如，如果一个特定的ONU的权重为N，而系统中所有ONU的总权重为M，那么此ONU收到的资源为总资源分配的N/M。

　　此算法的详细说明不在本文的讨论范围之内，因此我们只简单地列举算法的主要决策过程，并为希望了解更多细节的读者提供完整的算法流程图

　　I在每个周期中，第一个问题(A)是这样：“我们有足够的带宽为当前在线的ONU提供在SLA中承诺的所有最小带宽吗？”如果确实如此(B)，你要确保每个ONU得到这个最小带宽，然后你看到两个数据：首先，每个ONU的需求超出最小带宽多少；第二，在每个ONU收到其SLA最小带宽后，还剩下多少有效带宽。

　　应用这些数据我们进入第一个叠合过程。在每个叠合过程中，我们(C)认为所有的ONU仍有未满足的需求，并且我们定义一个“公平共享”方案，在ONU间按权重比例分配剩余的有效带宽——所以权重最大的得到的带宽最多（生活就是这样）。满足这一分配的ONU(D)将它作为下一个周期的“动态许可”——因为它们没有另外的“需求”——此后，它们即退出计算。然后我们再重复叠合过程，但愿接下来未满足需求的ONU会更少一些。

　　将这样一个叠合过程应用到在线操作中的问题是：从理论上说，可能会发生许多次叠合过程，因此在下一个GATE消息出现之前，可能会出现严重的延时。但实际上，该算法十分倾向于一个最终理想的答案，那么“简单行事”并限制叠合的次数就是可行的。让人高兴的是，MIB-DBA算法确实能够迅速达成一致，即使有64个ONU互相竞争时，你也只有进行5次叠合就能得到相当公平的答案。这一限制已通过模拟与分析进行过大量的测试，结果表明最佳公平性只有非常细微的变异，同时运行速度更快，执行过程更为简单。特别地，它还支持小至1毫秒的DBA周期，以极低的延时与变异程度进行服务传送。

　　因此，每个叠合在(E)处结束，在提出另一个叠合请求前，它检查是否已完成了足够的叠合次数。当叠合过程终止时，要对剩余的带宽向那些仍在发出请求的ONU作最后的公平分配。而且，还可对总数目N进行调整，以满足操作员的需要，这种灵活性用于平衡速度与供应的绝对公平性。

　　实际上，MIB-DBA算法具有足够的灵活性，能够根据操作员的选择，适应连续工作与断续工作两种操作模式。如上所述，分配给一个ONU的带宽并不仅限于它的最大SLA值——只要存在有效带宽，且没有与之竞争的ONU，则一个ONU就能获得所请求的所有带宽。但在断续工作模式下，此算法能够根据SLA中引用的值来限制带宽。如前所述，为减少缓冲区的大小与堵塞，并降低变异范围，有时执行断续工作模式更为可取——但这要以较低的带宽利用率为代价。

　　适应性与控制的另一个方面是权重的分配。ONU的权重或者由网络操作员按OLT指定的明确权重值来手工分配，或者可由DBA算法根据其他ONU SLA参数——如最小SLA值比例或平均SLA值——或最近的ONU流量记录来自动分配。

　　结论

　　对上传带宽的公平高效分配意味着在公平性、效率、延时、变异程度及系统复杂性之间找到适当的平衡。软件执行方式允许对应用网络进行现场升级，并为服务提供商提供极大的适应性；而硬件执行方式则允许系统以非常高的速度运行。

　　ImmenStar的MIB-DBA解决方案应用著名的最大最小公平性方法，以达到可能的最佳公平性结果，归功于硬件与软件执行方式的最佳组合，实现了灵活高效的执行效果。特别地，他们的MIB-DBA算法限制了每个周期的公平性叠合次数，大大减少执行过程中的复杂程度，并实现了较快的操作速度，使OLT设备能够轻松执行软件，且不致对性能造成重大影响。

　　这个例子说明，ImmenStar在2004年5月开发的“系统级芯片”解决方案为二年后MuLan™ EPON交换芯片组的发布打下了良好的基础——同时也表明ImmenStar团队进一步研制EPON与GPON的承诺。

----《通讯世界》