（通信与信息系统专业论文）epon下行调度机制和上行带宽分配算法的研究.pdf

海人学坝睢# 位论文e p o n 下行调度机制和l 。彳亍带宽分酣算珐的研究 摘要 近年来，信息社会对通信网络服务的需求不断增长，电信网、电视网和计算 机劂的发展趋势必然是“三刚合一”。而当前广泛使用的宽带接入方案如x d s l 、 h f c 和c a b l em o d e m 等无法为i p t v 、v o i p 等新兴网络业务提供足够的带宽和 q o s 保证，所以基于光纤的f t t h 被普遍认为是解决宽带接入网的最佳方案。目 前，f t t h 的解决方案主要包括a p o n 、e p o n 和g p o n 接入技术，本文从它们 的特点、技术参数和发展前景等方面进行比较，指出e p o n 是下一代宽带接入 网的最佳解决方案之一。 由于e p o n 系统在下行方向是点到多点的通信方式，o l t 以广播的方式向 所有o n u 传输语音、视频和数据业务，因此如何保证实时业务的q o s 非常重要， 这也是本文的研究重点之一。本文首先深入分析了w f q 算法的调度策略，指出 它在网络拥塞的情况下无法保证实时业务的q o s 。其次分析了基于滑动窗的加权 公平算法的调度策略，当选择的窗口大小适中时，该算法能够满足实时业务的时 延要求，但是如何选择合适的窗1 ：3 大小是一个难点。在此基础上，本文提出了一 种基于优先级的共享带宽的加权公平排队( p w f q ) 算法，它根据业务流的延时 性能对带宽的敏感程度划分业务的的优先级，在链路带宽不足的条件下，能够有 效保证高优先级业务的q o s 要求，并通过仿真验证了p w f q 算法的良好性能。 最后对w f q 算法和p w f q 算法的综合指标作了比较。 由于e p o n 系统在上行方向是多点到点的通信方式，所有o n u 按照t d m a 的方式共享上行信道，能否兼顾o n u 之间的公平性和多种业务的q o s 要求对系 统的性能影响很大。所以本文的另外一个研究重点就是上行带宽分配算法。本文 将上行带宽分配机制分为0 n u 外部调度和o n u 内部调度两部分。在深入分析 静态带宽分配算法、最大传输窗算法、基于o n u 负荷的动态带宽分配算法和带 宽保证轮询算法的基础上，本文提出了一种新型的带宽分配算法，它能够更好得 满足实时业务的q o s 。最后通过0 p n e t 建立e p o n 系统的仿真平台，比较了语 音、视频和普通数据业务在这几种带宽分配算法中的时延特性，验证了本文提出 的新型带宽分配算法的可行性。 关键词： 以太无源光网络，调度机制，带宽分配算法，服务质量，优先级 海大学领 。学位论文e p o n 下行调度s j t i h 和i 。行带宽分配算法的研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n do fi n f o r m a t i o n a ls o c i e t yf o ri n t e m e ts e r v i c e s1 s d r a m a t i c a l l yi n c r e a s i n ga n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft e l e c o mn e t w o r k ，t vn e t w o r k a n dc o m p u t e rn e t w o r ki sa ni n t e g r a t e dn e t w o r k h o w e v e r , c u r r e n tb r o a d l yu s e d b r o a d b a n da c c e s sm e t h o d s ，s u c ha sx d s l ，h f ca n dc a b l em o d e m ，c a n tp r o v i d e e n o u g hb a n d w i d t ha n dq o sf o rn e wn e t w o r k ss e r v i c e ss u c ha si p t va n dv o i p s o f t t h ，w h i c hi sb a s e do nf i b e r , i sr e g a r d e da st h eb e s tm e t h o df o rb r o a d b a n da c c e s s n e t w o r ka tp r e s e n t ，s o l u t i o n sf o rf t t hm a i n l yc o n t a i na p o n ，e p o na n dg p o n a f t e r c o m p a r i n gt h e m o n c h a r a c t e r i s t i c s ，t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s a n df u t u r e d e v e l o p m e n t ，t h ea u t h o rp o i n t so u tt h a te p o ni so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n sf o rn e x t g e n e r a t i o nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k i nt h ed o w n s t r e a md i r e c t i o no fe p o n ，i ti sap o i n tt om u l t i - p o i n tn e t w o r k t h e o l tb r o a d c a s t sv o i c e ，v i d e oa n dd a t at r a f f i ct oa l lo n u s s oh o wt og u a r a n t e eq o s o fr e a lt i m es e r v i c e si sv e r yi m p o r t a n t ，a n di ti sa l s oa ne m p h a s i so ft h i sp a p e r t h e a n t h e rf i r s t l ya n a l y z e st h eq u e u e i n gp o l i c yo fw f qa l g o r i t h ma n dp o i n t so u tt h a ti t c a n tg u a r a n t e et h eq o so fr e a lt i m es e r v i c e su n d e rh e a v yl o a d a f t e rt h a t ，t h ea u t h o r a n a l y z e st h eq u e u e i n gp o l i c yo fs l i d i n gw i n d o w b a s e dw f qa l g o r i t h m ，w h e nt h es i z e o ft h ew i d o wi sc h o o s e na p p r o p r i a t e l y , t h ea l g o r i t h mc a ns a t i s f yt h ed e m a n do fr e a l t i m es e r v i c e so nd e l a y h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt oc h o o s eaw i d o ww i t ha p p r o p r i a t e s i z e b a s i n go na b o v ea n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sap r i o r i t y - b a s e dw f q ( p w f q ) a l g o r i t h m u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h el i n kb a n d w i d t hi si n a d e q u a t e ，t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a ng u a r a n t e et h eq o so ft r a f f i cw i t hh i 曲p r i o r i t yb a s i n go nt h ed e g r e eo f s e n s i t i v i t yo ft r a f f i cd e l a yw i t hb a n d w i d t h s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tp w f q a l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e l a s t l y , g e n e r a lp e r f o r m a n c e so fw f qa l g o r i t h m a n dp w f qa l g o r i t h ma r ec o m p a r e d i nt h eu p s t r e a md i r e c t i o no fe p o n ，i ti sam u l t i - p o i n tt op o i n tn e t w o r k a l l o n u ss h a r eau p l i n kc h a n n e li nt h em a n n e ro ft d m a w h e t h e rf a i r n e s sa m o n g o n u sa n dq o so fa l ls e r v i c e sa r eg u a r a n t e e dh a sb i gi n f l u e n c eo nt h ee p o ns y s t e m t h e r e f o r e ，a n o t h e re m p h a s i so ft h i sp a p e ri su p s t r e a mb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m t h i sp a p e rd i v i d e st h eu p s t r e a mb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s mi n t ot w op a r t s ， o u t e r - o n us c h e d u l i n ga n di n t e r - o n us c h e d u l i n g a f t e rt h ep r o b i n gd e e p l yi n t o s t a t i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m ，l i m i t e ds e r v i c eo fi p a c ta l g o r i t h m ，d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nl o a do fo n ua n db a n d w i d t hg u a r a n t e e d p o l l i n ga l g o r i t h m ，t h i sp a p e rp r o p o s e san o v e lb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t l u nw h i c h ：! ! 查兰竺i 兰些堡苎 嬖型1 ：! ! 塑鏖! ! 型塑土堑笪錾坌些望鲨塑婴生 c a i lb e t t e rs a t i s i yt h eq o so fr e a lt i m es e r v i c e si nt h ee n d t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h e e p o ns i m u l a t i o nn c t w o r kv i ao p n e tm o d e l i n g t h ed e l a yo f v o i c e ，v i d e oa n dd a t a s e r v i c e si na b o v eb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mi s c o m p a r e da n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ： e p o n ，q u e u i n gm e c h a n i s m ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o n t h l ”，q u a l i t yo fs e r v i c e ， p r i o r i t y 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除1 r 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：谭越耻日期：盟巫 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：料导师签名：拿盟日期 。毛t 墨f 己 海人学倾 j 学位论文e p o n 下行调度机制和【行带宽分配算法的研究 1 1 引言 第一章绪论 通信的基本媒体可以分为语音、图像和数据三大类。针对这三种通信媒体， 分别建立了三种独立的网络，即电信网、广播电视网和数据通信网。这显然是对 网络资源的极大浪费，而且对信息的流通和共享造成阻碍。随着d 语音和口图 像等技术的飞速发展和普及，越来越多的传统语音业务和图像业务逐步转移到以 i p 为核心协议的网络中。可以预见，随着数字技术、光通信技术和软件技术的 发展以及t c p i p 协议的广泛应用，当前的电信网、计算机网和电视网必将“三 网合一”，成为统。一在i p 之下的能够同时提供话音、数据和图像业务的宽带多媒 体通信网络【jj 。 随着光纤以及光器件价格的不断降低，在成本上已经充分具备实现光纤宽带 接入家庭( f t t h ) 的可能性。人们逐渐意识到f t t h 是接入网宽带化一劳永逸 的解决方案。f t t h 可以充分满足带宽需求，实现真正意义上的“三网合一” 1 】。 而基于以太网技术的无源光网络( e p o n ，e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e r o ) 被 认为是实现f t t h 的最佳解决方案之一。 1 2f t t h 概述 1 2 1 宽带接入网的发展现状 由于市场需求的推动，宽带接入技术这几年有了较大发展，呈现百花齐放的 状态，主要有基于双绞线的x d s l 技术( h d s l 、a d s l 、v d s l ) 、基于h f c 的 c a b l em o d e m 技术、基于光纤的接入技术等。 从全球范围来看，在宽带用户中，d s l 用户占6 6 ：从目前中国市场来看， d s l 因受传统电信运营商的青睐而成了拥有用户数量最多和最主要的宽带接入 技术，d s l 用户超过8 0 。d s l 技术具有技术成熟、标准化程度高、成本低廉 的特点，但是在远程医疗、远程教学等宽带多媒体业务大量出现后，它将不能满 足要求。a d s l 可提供的带宽随距离而不同，在l k m 范围内约2 m h z 。而远程医 疗、远程教育以及网络游戏这些业务所需的最大带宽都在6 m h z 左右，尤其是点 播电视所需的带宽，更是在36 m h z 。a d s l 是无法提供这些业务的。另外， v d s l 、a d s l 2 + a d s l 2 + + 等虽然可以解决a d s l 的部分问题，提供高达5 0 m h z 的带宽，但是其传输距离受到极大的限制。 海人学颁l 学位论文 e p o n 下行调度机制和 二行带宽分配算法的研究 尤其是从2 0 0 4 年 始，i p t v 业务引起了业界的广泛关注。它不仅有望能够 在很大程度上解决宽带的内容问题，更使得潜在的宽带用户群扩展到了t v 用户 群，宽带市场的发展由此进入了一个新的境界。问题在于，l p t v 为代表的网络 视频业务对于带宽的需求远远超过传统的w e b 浏览、e m a i l 等业务，现有的 接入技术满足这样的带宽需求存在。定的困难，凶此f t t h 成为大规模承载i p t v 业务的理想方式，换句话说，f t t h 以其巨大的接入带宽优势为其争取了得以生 存和发展的第_ 个重要的因素。此外我们还应注意h d t v ，目前其传输速率尚需 1 9 2 m b p s ，用h 2 6 4 技术可压缩到5 m b p s 6 m b p s ，所以a d s l 仍难以传输 h d t v 。可以认为h d t v 是f t t h 的主要推动力。图1 1 为采用f t t h 实现接入 段“三网合一”的示意图。 图1 _ 1 采用f t t h 实现接入网的“三网合一” 1 2 2f t t h 的发展现状2 近几年，业务和市场的需求促进了f t t h 的大规模发展。光电子器件也有较 大的突破，价格下降很快，特别是目前光纤的价格比电缆还低，使得f t t h 设备 的价格已经与a d s l 、c a b l em o d e m 等设备具有可比性。 f t t h 在世界各国的发展势头迅猛，无论在亚洲、北美还是欧洲，用户，数都 在快速增长。据统计，全球采用f t t h 的家庭和企业用户已经超过7 0 0 0 万户， 其中亚洲地区占4 0 ，北美占3 4 。在亚洲，f t t h 应用最为典型的国家是f | 本和韩国。以日本为例，2 0 0 2 年年初用户数仅2 万多户，2 0 0 4 年底己发展到2 7 7 万户，按每月增长1 0 1 5 万户的速度，预计今年年底用户数可超过4 5 0 万户。 同本的f t t h 用户增长速度已经大大超过x d s l 用户的增长速度，预计2 0 0 5 年 以后，光纤接入将会超过x d s l 接入。在美国，至2 0 0 4 年1 0 月同意铺设f t t h 的家庭数已经达到9 7 万户，其中注册f t t h 服务的家庭数达到4 1 3 万户，而实 e p o n 下行调度机制和卜行带宽分配算法的研究 际上已经铺设了f t t h 的家庭数目也达到了1 4 6 5 万户。 我国在国家“8 6 3 ”高科技计划的推动下，在“十五”期间开展了对e p o n 技术的研究。2 0 0 3 年开始了对f t t h 的宣传，2 0 0 4 年随着“8 6 3 ”e p o n 项目的 完成，国家分别在武汉、成都等地建立了光纤到户的试验网。2 0 0 3 年中期，长 城宽带网络服务有限公司与富士通( 中国1 有限公司就e p o n 技术的合作与应 用，签署了相关的协议。之后，中国网通宣布在北京和长沙率先采用e p o n 设 备开展v o i p 、v o d 等业务可谓是中国运营商首个f t t b 合同，意义非同寻常。 2 0 0 4 年起，国内不少通信公司都投入了大量的人力、物力到f t t h 技术的研发 和实验中来。武汉烽火科技于2 0 0 4 年在武汉光谷展开光纤试点，测试其e p o n 设备。北京格林威尔公司也宣布在徐州实验局开通e p o n 测试。同时，随着 8 0 2 3 a h 协议的正式出台，其他大大小小通信公司都对e p o n 技术开始了跟踪 和研发，这其中包括华为、上海贝尔阿尔卡特、中兴等国内领先的通信设备制造 商。上海大学通信学院也是最早开展e p o n 技术研究的单位之一。 1 3f t t h 解决方案 1 3 1 光纤接入技术概述 各种光纤接入技术都可能用作f t t h 的解决方案，光纤接入技术包括有源光 网络( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 方式和无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ) 方式。目前在f t t h 中大规模使用的是点到点的m c ( m e d i a c o n v e r t e r ) 方式和p o n 方式，前者属于有源光网络。 点到点m c 方式是从中心局到每个用户都有1 根光纤，它的主要优点是产品 成熟、结构简单、易于扩展和安全性比较好。主要缺点是随着f t t h 用户数量的 增加光纤的数量也将会增加。从长期来看，后期扩容的成本和维护管理成本将会 高于采用点到多点p o n 的f t t h 系统。 p o n 技术口】是一种点到多点的光纤接入技术，它由局侧的o l t ( o p t i c a ll i n e t e r m i n a l ，光线路终端) 、用户侧的o n u ( o p t i c a l n e t w o r k u n i t ，光网络单元) 以及o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，光分配网络) 组成，如图1 2 所示。 p o n 属于无源光学网，因而环路中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部 由分路器( s p l i t t e r ) 等无源器件组成，因此其具有易维护、高带宽、低成本等 优点。其次，p o n 架构是一种面向未来的架构，既能处理现在的语音、视频及 数据应用，而且对未来新兴应用的处理能力也将毫不逊色。因此，p o n 无疑是 实现f t t h 的最佳选择。 海人学顺 学位论文 e p o n 下行调度机制和j ：行带宽分配算法的研究 1 3 2p o n 技术概述 一矍垒竖 一矗c k t i ： “ 光研分l 台嚣 图1 2 p o n 网络结构图 无源光网络( p o n ) 从承载的内容来分类，主要包括基于a t m 传送的 a b p o n ( a t mp o n ) 、基于e t h e m e t 分组传送的e p o n ( e t h e r n e tp o n ) 以及兼 顾a t m e t h e m e t j t d m 综合化的g p o n ( g i g a b i t p o n ) 这三种技术体制。 a p o n 是在1 9 9 5 年提出的，当时，a t m 被期望为在局域网( l a n ) 、城域网 ( m a n ) 和主干网占据主要地位，其结构如图1 _ 3 所示。后来由于口的兴起，a t m 技术的发展严重受挫。未来的“三网合一”将会以p 为核心协议，a t m 在支持 d 时存在着效率低和成本高等缺点，所以a p o n 并不是实现“三网合一”的最 佳选择。 图1 3 a p o n 结构示意图 e p o n 是把简单、经济的e t h e m e t 技术与p o n 的传输结构结合起来的技术， 其结构如图1 4 所示。它保留了a p o n 的物理层p o n ，而用e t h e r n e t 技术代替 a t m 技术作为数据链路层协议，构成个可以提供更大带宽、更低成本和更强 业务能力的新的结合体。这样，e p o n 系统在承载l p 业务时不需要经过复杂的 协议转换，而是可直接承载到p o n 帧上，从而使其更适合接入口业务。 n k 一 型委| 一 r 一 一引。一 ；11i j 、| 一 ， 蟮 一 矧 ， 、 城 一 e p o n 下行调度机制和l 行带宽分配算法的研究 图1 4 e p o n 结构示意图 2 0 0 1 年，f s a n 组启动了另外一项标准工作，旨在规范工作速率高于1 g b i t s 的p o n 网络，这项工作被称为g i g a b i tp o n ( g p o n ) 。g p o n 除了支持更高的速 率之外，还能够有很高的效率支持多种业务，提供丰富的o a m & p 功能和良好 的扩展性。 在宽带p o n 技术中，目前主要是e p o n 和g p o n 的竞争。这两种技术各有 优势，又各有不足，各有适宜的应用环境与场合。表1 1 对这两种技术的主要参 数进行了比较。 表1 1e p o n 和g p o n 技术主要参数的比较【4 】 ：匝e e e p o n i t u - tg p o n 下行线路速率( m b i t s ) 1 2 5 0：1 2 4 41 6 或2 4 8 8 3 2 上行线路速率( m b i t s ) 1 2 5 01 5 55 2 或6 2 2 0 8 或1 2 4 4 1 6 或2 4 8 8 3 2 线路编码8 b 1 0 b n r z ( + s c r a m b l i n g ) 最小分路比( 在传统汇聚层) 1 66 4 最大分路比( 在传统汇聚层) n a1 2 8 t c 层支持的最大逻辑传送距离 1 0 或2 0 6 0 ( 1 a n ) 数据链路层协议 e t l l e l l l e ；基于g e m 和或a t m 承载的e t h e a n e t t d m 支持能力；基于分组承载的原始的t d m 和或基于a t m 承载的 t d m t d m 和或分组承戡的t d m 一 一一一 一 一。“。 p o n 支持的最大业务流( 个)取决于每个o n t ；4 0 9 6 上行带宽( i v i b i v s ) ( 以数据传输为业务) 运行维护管理 下行数据流加密 支持的l l i d 数j 7 6 0 - - 8 6 01 4 6 0 ：( 12 4 4 g b i f f s 双向对称系统) e t ho p l0 a m + o m c i ( s n m 可选) 无定义 a e s ( 计数器模式) 从平台来看，e p o n 基于以太网，而g p o n 则是基于1 2 5 # s 固定帧，所以 e p o n 更适合于单纯数据的环境，特别是对以太网和i p 业务的支持；而g p o n 对t d m 业务的支持更为方便。但现在的技术发展，使得这两种p o n 技术都可 以对全业务进行支持。例如，e p o n 通过电路仿真，就可以提供2 m b i t s 接口以 及支持传统的p o t s 电话：g p o n 通过g f p 映射，对各科暾据业务也可以适应。 缚人学面! 卜学位论文 e p o n 下行调度机制和上行带宽分配算法的研究 从带宽能力来看，e p o n 只能提供12 5 g b i t s 的带宽，g p o n 带宽可以高达 25 g b i t s 。由于e p o n 一般用到1 ：3 2 的分路比，而g p o n 用到1 ：6 4 ，所以对每 个用户来说，得到的带宽相差无几。即使在同样分路比的情况下，由于e p o n 所 基于的分组码流的统计特性以及更加灵活的动态宽带分配，使得用户实际使用的 带宽往往高于得到的平均带宽，在大部分应用中，e p o n 用户基本接近g p o n 用 户的带宽。 从产品成熟性来说，e p o n 推出较早，：占片供应厂家也多，技术成熟，选择 余地大，而且在日本已获百万以上用户的应用，功能、性能、可靠性等都得到了 验证，价格也已经降到很低的程度；g p o n 推出较晚，所支持的芯片厂家屈指可 数，所以在产品成熟度上尚待接受大规模应用的考验，产品价格也比e p o n 高出 许多，下一步如果能大量应用，其成熟性会得到提高，价格亦有望下降。 目前业内关于e p o n 和g p o n 孰优孰劣还存在很大争议，但接入网具有技 术多样化的鲜明特点，因此如果e p o n g p o n 能达到技术成熟、成本低廉的目标， 将来都应该会得到应用。但未来1 2 年，e p o n 将会走在g p o n 的前面。 1 4 课题研究的目的和意义 在i e e e8 0 2 3 a h 协议中，e p o n 系统的下行调度机制和上行带宽分配算法是 开放的，协议不作明确规定，由制造商自行设计。所以，e p o n 系统的q o s 性 能很大程度上取决于下行调度机制和上行带宽分配算法的优劣。本课题研究的目 的就是在提高带宽利用率的同时保证e p o n 系统的q o s 性能，特别是实时业务 的q o s 。 1 5 课题研究主要内容和论文结构安排 本论文的研究重点是e p o n 系统的下行调度机制和上行带宽分配算法。提出 了一种基于优先级共享带宽的公平排队算法，并对传统的i p a c t 带宽分配算法 进行了改进，以提高e p o n 系统的q o s 。最后通过建立e p o n 系统的仿真模型， 验证了它们的良好性能。 1 5 1 课题研究过程中的主要工作 本课题来源于上海市重点学科建设项目( 项目编号：t 0 1 0 2 ) 和上海市科委 技术发展基金资助项目( 项目编号：0 4 d z l 2 0 4 5 ) 。本人负责的工作是e p o n 系统 下行调度机制利上行带宽分配算法的研究。主要的研究工作如下： l 、仔细研读了8 0 23 a h 协议和其他国内外最新的e p o n 方面的论文。尤其 海人学砸l 学位论文 e p o n 下行调度机制和_ j ：行带宽分配算沾的研究 对其中的m p c p ( m u l t ip o i n t c o n t r o l p r o t o c o l 多点控制协议) 进行了深入的分析。 2 、学习网络仿真软件o p n e t ，搭建e p o n 系统的仿真模型。 3 、在e p o n 系统的下行调度机制方面，提出了一种基于优先级共享带宽的 公平排队算法，利用e p o n 仿真模型，验证了该调度机制在保证实时业务q o s 方面的良好性能。 4 、在e p o n 系统的上行带宽分配算法方面，改进了传统的i p a c t 带宽分配 算法，提出了一种新型的带宽分配算法。并利甩e p o n 仿真模型，验证了该算法 能更好得满足实时业务对于时延的要求。 1 5 2 本文的内容安排 本文分为以下几个部分： 第一章介绍了宽带接入网和f t t h 的发展现状、f t t h 的解决方案，指出了 本课题的研究目的和意义。 第二章阐述了e p o n 系统的结构、工作原理和多点m a c 控制原理。 第三章研究了e p o n 系统的下行调度机制，分析了加权公平排队算法和基于 滑动窗的加权公平排队算法的缺陷及其产生根源，提出了一种基于优先级共享带 宽的加权公平排队算法，并通过o p n e t 建模验证了该算法在保证实时业务q o s 方面的良好性能。 第四章研究了e p o n 系统的上行带宽分配算法，改进了传统的 p a c t 带宽 分配算法，并通过o p n e t 建模验证了该算法能更好地保证实时业务的q o s 。 第五章是本文的总结与展望，对论文的工作做了一个总结，提出研究的不足 和需要加以改进的地方。并且对下一步的研究进行了展望。 e p o n 下行调度机制和上行带宽分配算法的研究 第二章以太无源光网络( e p o n ) e p o n 是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网 平台和t d m 时分m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制方式、提供多种 综合业务的宽带接入技术。e p o n 具有很高的性价比，被普遍认为是下一代宽带 光接入网技术的最好选择。 2 1e p o n 结构特点概述 2 1 1e p o n 的特点 e p o n 技术的特点和优势主要有以下几点： l 、局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等光无源器件， 无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员。因此，对于运营商来说 可以大大降低运营、维护费用； 2 、e p o n 采用以太网的传输格式同时也是用户局域网驻地网的主流技术， 二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素； 3 、采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 n m ) ，仅需一根主干光 纤和一个o l t ，传输距离可达2 0 公里。在o n u 侧通过光分路器分送给多个用 户，因此可大大降低o l t 和主干光纤的成本压力； 4 、上、下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共 享带宽，上行利用时分复用( t d m a ) 共享带宽； 5 、e p o n 具有同时传输t d m 、i p 数掘和视频广播的能力，其中t d m 和i p 数据采用i e e e 8 0 2 - 3 以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证 传输质量。 2 1 2e p o n 的系统架构和工作原理 典型的e p o n 系统由光线路终端( o l t ) 、无源光分路器辟禺合器( p o s ，p a s s i v e o p t i c a ls p l i t t e r ) 和光网络单元( o n u ) 组成，常采用树形拓扑结构，如图2 1 所示【5 1 。 o l t 放置在中心局端c o ( c e n t r a lo f f i c e ) ，可以是一个l 2 交换机或者l 3 路由器。在e p o n 的统一网管方面，o l t 是主要的控制中心，实现网络管理的 五大功能。如通过在o l t 上定义用户带宽参数来控制用户业务质量、通过编写 f 海人学 ! i j i ：tr 学位论史e p o nf 行调度机制和上行带宽9 - 口e , 算法的 i j f 究 访问控制列表来实现网络安全控制、通过读取m i b 库获取系统状态以及用户状 态信息等，还能提供有效的用户隔离。 o n u 为用户设备，放在用户驻地侧c p e ( c u s t o mp r e m i e re q u i p m e n t ) ，主 要采用以太网协议。在中带宽和高带宽的o n u 中实现了成本低廉的以太网第二 层交换甚至是第三层路由功能。这种类型的o n u 可以通过堆叠来为多个最终用 广r 提供很高的共享带宽。由于使用以太网协议，在通信的过程中，就不再需要协 议转换，实现o n u 对用户数据的透明传送。从o l t 到o n u 之间可以实现高速 的数据转发。 p o s 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能是分发下行数据和集中 e 行数据。它是一个简单的设备，不需要电源，可以置于全天候的环境中。在 e p o n 中，o l t 到o n u 间的距离最大可达2 0 k m ，如果使用光纤放大器( 有源 中继器) ，距离还可以延长。 h t ；q d c o j qj t 端 图2 1e p o n 网络结构图 e p o n 使用波分复用( w d m ) 技术，同时处理双向信号传输，上、下行信 号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送，如图2 1 所示。o l t 传送下行数 据到多个o n u ，完全不同于从多个o n u 上行传送数据到o l t 。下行传输时， o l t 将i p 包以可变长度的以太帧以广播的方式发送，通过1 ：n 的无源分光器 传输给所有在p o n 上的o n u 。当数据到达o n u 时，通过检查接收到的数据帧 的目的m a c 地址和帧类型来判断是否接收此帧，o n u 只接收属于自己的数据 包，丢弃其他的数据包。上行传输时，采用t d m a 技术将每个o n u 的上行信息 组成一路信息流传送到o l t 。在注册成功之后，每个o n u 根据控制帧中携带的 数据授权信息突发发送上行数据，经过不同的时延后，再进入光分配器共用光纤， 正好占据分配给它的一个指定时隙，以避免发生相互碰撞干扰。 2 1 3e p o n 协议栈分层结构 e p o n 下行调度机制和l 行带宽分配算法的珂f 究 为了支持e p o n 的特殊传输机制， e p o n 的8 0 2 3 a h 协议栈在以太网协议 栈8 0 23 的基础上增加了多点m a c 控制( m u l t ip o i n tm a cc o n t r 0 1 ) 、点到点仿 真( e m u l a t i o nl a y e r ) 和运行管理维护( o a m ，o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i 。na n d m a i n t e n a n c e ) 三个子层，如图2 2 所示“1 。 瞳 芎皇弓 专8 i 8 昌 u吕昌 至 萋 苫 一一i 一一一一卜 m a cc o n h - o l m a c r s g m i i p c s p m a p m d 傺引 _ + 一卜一一一卜 m i t l h - p o m tm a c c o n t r o l m a c e a m f l a t i o n l a y e r r s g m i i p c s p m a 图2 28 0 2 3 a h ( 右) 对8 0 2 3 ( 左) 的改进 多点m a c 控制子层负责0 n u 的注册、测距和带宽分配，执行的是e p o n 的 m a c 层核心协议多点控制协议( m p c p ，m u l t ip o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。点到 点仿真子层实现e p o n 协议和以太网8 0 2 1 d 网桥m 议的兼容，使e p o n 具备点到 点通信的功能。o a m 子层负责e p o n 系统的网络管理，包括0 n u 配爨、状态与流 量监测、告警和回环测试等。 2 2 多点控制协议( m p c p ) m p c p 是在e p o n 点对多点的情况下，由中心o l t 对多个o n u 进行控制， 包括o n u 注册、测距、带宽分配等过程的统一管理。 2 2 1m a c 控制帧 m p c p 协议通过传输m a c 控制帧来实现e p o n 的各种控制操作。在保留以 太网原有的p a u s e 控制帧外，m p c p 还增加了六种控制帧，分别是 r e g i s t e 足r e q u e s t 、r e g i s t e r ，r e g i s t e r _ a c k ，g a t e ，r e p o r t 和o a m 控制帧，其中r e g i s t e r _ r e q u e s t 、r e g i s t e r 和r e g i s t e r a c k 用于o n u 的注册过程，g a t e 和r e p o r t 用于带宽分配过程，0 a m 控制帧用于实现网管 功能。 海九学硕i 学位沦文 e p o n 下行调度机制和上行带宽分配算法的研究 除了o a m 控制帧帧长可变以外，其余五种m a c 控制帧长度均为6 4 个字 节，( 不包括前导码) ，其帧格式如图2 3 所示。如果l e n g t h t y p e 域为0 x 8 8 0 8 ， 则该帧为m a c 控制帧。具体的控制帧类型代码o p c o d e 用0 1 0 6 识别：0 1 代 表p a u s e 帧；0 2 0 6 是e p o n 控制帧，分别代表g a t e 帧、r e p o r t 帧、 r e g i s t e r _ r e q 帧、r e g i s t e r 帧和r e g i s t e r _ _ a c k 帧。 8 字节 6 字节6 字节2 字节 2 字节4 字节 4 0 字节 4 字节 2 2 2 注册过程 图2 3m a c 控制帧格式 当一个o n u 被激活或者r e s e t 后，必须以注册的方式通知o l t 有新的o n u 开启了，注册过程如图2 4 所示。( 1 ) 首先o l t 通过广播的形式给每个o n u 发 一个d i s c o v e r yg a t e 。( 2 ) 需要注册的o n u 收到d i s c o v e r yg a t e 后，发送 r e g i s t e rr e q ，告知自己的m a c 地址。( 3 ) o l t 发送r e g i s t e r 回应o n u 的注册请求。( 4 ) 最后o n u 发送r e g i s t e ra c k 确认注册成功。o l t 发送周 期性的发送d i s c o v e r yg a t e ，需要注册的o n u 只能等待d i s c o v e r yg a t e 的到 来，并且以竞争、退避、重试等方式进行注册。 o l t o n u 2 2 3 测距过程 b r o a d c a s tt oa l is t a t i o n s i nu p s t r e a mc o n t e n t i o