GPON系统中的动态带宽分配算法的研究

赵晓静

(常州工学院计算机信息工程学院，江苏 常州 213002)

GPON系统中的动态带宽分配算法的研究

赵晓静

(常州工学院计算机信息工程学院，江苏 常州 213002)

对GPON系统物理媒质控制(MAC)层的关键技术动态带宽分配(DBA)进行研究。提出了一种新的动态带宽分配(DBA)算法——基于QoS的二层动态带宽分配算法，并给出该算法的实现流程图。性能分析与对比表明，该算法可以提高网络的吞吐量，对不同用户和不同等级的业务都具有很好的公平性。

吉比特无源光网络;动态带宽分配;服务质量;传输容器;光线路终端;光网络单元

0 引言

随着用户对带宽要求的不断提高，接入网技术的讨论变成了热门话题。吉比特无源光网络(GPON:Gigabit-cable Passive Optical Network)是新一代的宽带无源光综合接入标准，它采用点到多点的拓扑结构，用无源光器件连接局端设备和远端设备，能够提供更高的可用带宽、较高的接入性能和网络效率，能够支持不同业务服务质量(QoS:Quality of Service)，更能满足当前网络的需求，因此倍受关注。GPON作为新一代接入网技术的突出优势在于成本低、扩展性能好和易于维护，它能够在同一架构中实现语音、视频等综合业务的接入，能实现全业务的透明传输。

GPON网络主要分成3个部分:光线路终端(OLT)、无源分光器(ODN)和光网络单元(ONU)。一个OLT可以与多个ONU相连接，形成多点竞争的共享网络结构。所有无源光接入网的上行信道都是共享式的。为了使GPON在传输不同QoS要求业务的优势充分体现出来，需要对GPON上行方向的带宽分配和利用加以研究。由于是多点到一点的传输，在传输过程中可能会产生冲突和阻塞，因此GPON在上行方向采用时分多址(TDMA)接入方式，通过为每个ONU分配一个相互独立的时隙，ONU接收用户端数据并把该信号转换成光信号发送出去，然后由ODN的光耦合器耦合到一根光纤并传输至OLT。

对于GPON中承载的不同业务，其优先级是不同的，不同优先级的数据存储在同一个缓存区中，低优先级的数据由于占据队首可能会优先成帧，高优先级业务的数据却不能优先成帧，影响需要优先服务的数据的传输效率。另外，如果某种信号持续不断地发送，也会造成后到的数据阻塞。因此需要设计一种算法既保证高优先级业务的数据优先传输，同时也兼顾低优先级业务的传输。

1 DBA的相关概念

GPON系统中保证不同业务高质量传输的核心是带宽分配算法，DBA(动态带宽分配)算法就是光线路终端OLT根据光网络单元ONU发送的状态报告及带宽分配请求，周期性地给每个ONU分配固定的或动态可变的时隙，保证ONU能够合理共享干线光纤的信道容量和资源。DBA是一种在毫秒/微秒的数量级下实时动态地改变GPON系统中各ONU的上行使用带宽的机制，以适应用户速率的各种变化，带宽利用率高，从而提高系统的带宽利用率。

1.1T-CONT

T-CONT(Transmission Container)是传输容器，它动态接收OLT下发的授权，提供多种连接，用于管理PON系统传输汇聚层的上行带宽分配，DBA系统根据GPON上行帧所要求的带宽来改变T-CONT的带宽。

一个ONU上可以使用多个T-CONT，这些T-CONT之间在理论上没有任何关系，是相互独立的。ONU可以同时使用多个T-CONT类型组合以满足本地的业务传输需求。T-CONT的带宽类型有4种，优先级从高到低依次是:固定带宽(FXB:Fixed Bandwidth)、确保带宽(ASB:Assured Bandwidth)、非确保带宽(NAB:Non-assured Bandwidth)和尽力而为带宽(BEB:Best-effort-Bandwidth)。在4种类型中，不论T-CONT有无分配要求，FXB都必须被保证。当T-CONT有分配要求时，首先保证ASB，如果还有剩余带宽，则分配给NAB和BEB。

T-CONT是用来进行上行带宽DBA的基本单位，GPON系统的DBA中定义了5种T-CONT类型，不同的T-CONT具有不同的带宽分配方式，表1给出了不同种类的T-CONT支持和分配带宽类型，以及对时延的敏感性。

表1 不同种类的带宽对应不同类型的T-CONT

①固定带宽。固定带宽是一种周期性分配完全预约的带宽，使用它可以实现最小的传输时延。该类型所提供的业务对时延很敏感，如语音业务，T-CONT 1和T-CONT 5采用这种带宽分配类型。无论ONU端是否有数据要发送，OLT都为其分配固定带宽，即使发生拥塞，也不再分配额外带宽。这是一种静态的T-CONT，不参加真正意义上的动态带宽分配。

②确保带宽。是指如果T-CONT缓冲器想发送数据帧的时候，ONU可以使用的带宽，当TCONT缓存器没有数据帧发送，该带宽也可以被其他的T-CONT使用。T-CONT 2和T-CONT 3的一部分以及T-CONT 5采用了该种类型的带宽分配。用于传输可变比特率的实时业务，适用于对时延和吞吐量有一定要求的应用，确保带宽能参与动态带宽分配。

③非确保带宽。属于额外带宽，其优先级高于额外带宽中的尽力而为带宽，它可以分配给具有确保带宽的T-CONT使用。T-CONT 3的一部分以及T-CONT 5采用了该种类型的带宽分配。非确保带宽能够参与动态带宽分配，这种类型的T-CONT可以用于承载有最小带宽保证的业务，传输非实时可变比特率业务。

④尽力而为带宽。它只提供“尽力而为”带宽分配，是指如果没有高优先权业务使用该带宽时，T-CONT才可以使用剩余的带宽。T-CONT 4和T-CONT 5就采用了该种类型的带宽分配。所以它是不能确保使用的带宽，只能参与动态带宽分配。它提供的业务对时延不敏感，在完成固定带宽、确保带宽和非确保带宽的分配后，才为此类T-CONT分配带宽。

以上4种不同的带宽中，除了固定带宽以外，确保带宽、非确保带宽和尽力而为带宽都要参与动态带宽分配。带宽分配和QoS保障都以每个T-CONT为单位授权控制，不同的业务类型不能映射到同一个T-CONT，必须映射到不同的TCONT。把不同优先级、不同类型的业务映射到不同的T-CONT中，通过以T-CONT为控制单元的带宽分配，可以区分业务并保证不同业务不同的QoS要求。

1.2 GPON中DBA的算法研究

最原始的动态带宽是IPACT算法，它是针对ONU的带宽分配算法，采用交替轮询和时分复用的方式，由OLT对每个ONU轮流检测，并发送授权。ONU在授权窗口中发送数据和请求信息，说明缓冲器中下一次发送数据的大小，OLT就可根据ONU的缓冲器占用情况动态地分配带宽。这种算法减轻了静态带宽分配算法带宽利用率低和延迟大等缺点。但IPACT把一个ONU中的数据看作是一个整体，不支持业务分类，是典型的不具有QoS保证的DBA算法，同时具有带宽分配周期变动较大以及无法防止恶意ONU独占带宽等局限性。

第二种代表性的DBA算法是基于业务等级的DBA算法。文献[1]中提出了一种用于MAC协议的DBA算法，它通过OLT根据不同的业务等级进行带宽分配，首先将各种业务按优先级从高到低的顺序依次分为A、B、C、D 4种类型，其次以帧为基本时间统计单位，将ONU各队列的长度转换为带宽需求矩阵R，其元素ri，j表示ONUi中第j个队列的带宽需求，然后根据授权的固定权重值计算出所需分配的带宽数Mi，j，最后MAC控制器所授权分配的带宽就为 ri，j和 Mi，j的最小值。此算法的不足之处是:在算法中没有GPON标准协议中的T-CONT的概念，对系统的QoS无法得到良好的保证。

在文献[3]中给出了第三种基于带宽优先级的DBA算法，根据GPON标准协议对各种不同类型业务的带宽分配采用不同的分配方法，然后根据不同优先级，对各种T-CONT类型分级轮询处理。该算法按照GPON的标准协议以T-CONT为基本传输单位对带宽进行分配，没有考虑到不同ONU间的具体情况。

针对上述算法的不足，本文提出了一种基于QoS的二次动态带宽分配算法，简述如下:ONU先向OLT发出申请，等待OLT授权，在得到授权后，ONU要在OLT规定的时隙内将数据发送出去(发送的数据中包括请求OLT分配的带宽时隙和ONU缓存中存有的数据量)，OLT会根据即时的网络拥塞状况给每个ONU逐个分配带宽，每周期更新一次，并且等待下一个时隙的到来。同时在OLT为ONU进行带宽分配后，ONU会对OLT动态分配的带宽进行二次分配。

2 基于QoS的二次动态带宽分配算法

基于QoS的二端算法是在OLT端和ONU端分别进行动态带宽分配。算法分为如下步骤:

首先，将ONU分成不同等级，根据用户的服务等级协定(SLA)分配不同的加权系数，对ONU进行带宽分配，先满足所有ONU高等级的带宽需求，再依一定的分配办法为其他等级的业务分配带宽。这时OLT为每个ONU分配不同的带宽，这样可以保证重要用户能够得到更多的带宽，以满足其对带宽的要求。

其次，在每一个ONU内部，由于用户可以连接不同的业务，先对优先等级最高的T-CONT 1和T-CONT 5业务分配固定带宽，再依次分配确保带宽、非确保带宽和尽力而为带宽部分。这样体现了带宽分配的公平性，同时又不会使低优先等级的业务得不到带宽，减小了低优先等级业务的传输时延，提高了带宽的利用率。

2.1 OLT端的动态带宽分配

该算法的思想是:先对系统的总可分配带宽和总需求带宽进行统计，当总供给大于总需求时，依据需求值来分配带宽的方法直接将所需带宽分配完毕;当总供给小于总需求时，则根据业务的优先等级来分配带宽，同时与该业务所需带宽比较，把业务需求较小的剩余带宽收回，再分配。该算法考虑到全业务的QoS保证，能体现各种业务的带宽优先级。

图1 OLT 端的动态带宽分配

对于高优先级的业务，无论是否有数据要发送，都分配计算出来的固定带宽，保证高优先级业务能在第一时间传送。对于优先级较低的业务，分配的实际带宽为需求带宽与系统可分配带宽之间的最小值。由于以太网业务的突发性，在一个轮询周期内，可能有一部分的ONU需求较小，用不完分配给它的最小带宽，这可以避免出现某个空队列在占用带宽资源，而同时其他队列却可能处于拥塞状态。接着将多余带宽收回，进入下一次循环带宽分配，避免了带宽的浪费。

L是未获得足够带宽的ONU的个数。

2.2 ONU端的动态带宽分配

在ONU的内部对不同的T-CONT类型的业务进行带宽分配。

实际分配到的带宽表示规定为:设Ri表示它所需要的总带宽，表示它所需要的固定带宽部分;表示它所需要的确保带宽部分;R表示它所需要的非确保带宽部分;表示它所需要的尽力而为带宽部分;设Bi表示它分配得到的总带宽表示它所获得的固定带宽部分;表示它所分配得到的确保带宽部分;表示它所分配得到的非确保带宽部分;表示它所获得分配的尽力而为带宽部分;这些参数在初始化时刻全部置0。该算法的流程图如图2所示。

图2 ONU端的动态带宽分配

当ONU中各个T-CONT的需求总和Ri小于分配给该 ONU的带宽 Bi时，按照各个T-CONT的请求带宽分配。否则按照以下方法分配。

第1步 先查看有没有优先级最高的TCONT 1和T-CONT 5的业务，无论是否有数据要发送，都分配固定带宽;

第2步 接着查看有没有 T-CONT 2、TCONT 3或T-CONT 5的业务，为它们分配一定比例的确保带宽，计算剩余带宽，若剩余带宽大于0，再分配类型T-CONT 3或T-CONT 5业务的非确保带宽，以保证其QoS。

第3步 查看有无T-CONT 4或T-CONT 5的尽力而为业务，当所有这些业务的带宽请求数小于等于此时的剩余带宽时，分配给其请求值。反之依据其权重值进行分配。

第4步 若还有剩余带宽，并且仍然有非确保带宽或尽力而为带宽未满足请求，则折返到前面，对非确保带宽和尽力而为带宽进行循环分配，直到剩余带宽为0或者所有带宽请求都被满足，退出循环。

3 仿真结果及性能分析

利用OPNET仿真工具设计GPON的仿真平台，所考虑的网络业务模型有3种:固定业务、视频业务和以太网业务，分别对应于高、中、低3个优先级，对于固定业务分配固定带宽，视频业务分配确保带宽，以太网业务分配尽力而为带宽。仿真过程中网络负载设为10% ～90%。图3给出的仿真结果为不同负载下各种业务的网络吞吐量。

图3 不同负载下各种业务的网络吞吐量

由图3中可以看出，对于高优先级业务，吞吐量的大小与业务量负载呈线性增长。系统能够满足所有ONU的带宽需求;对于中等优先级业务，吞吐量随着网络负载的增大成正比增长。当负载增加到70%时，吞吐量可以达到最大值250 Mbps，之后稍有下降。当网络负载超过40%以后，低优先级业务的吞吐量迅速减少，这是因为当网络负载较大时，大部分ONU都得不到足够的带宽，在ONU内部，带宽先分配给较高优先级的业务，随着中等优先级业务吞吐量的增大，因此低优先级业务得到的带宽越来越少，这体现出了该算法的公平性与灵活性。

4 结语

该研究提出了一种有效 QoS保证的二端动态带宽分配算法，首先在OLT端根据用户的等级对ONU进行带宽分配，这样可以保证重要用户能够得到更多的带宽，以满足其对带宽的要求，还把对带宽需求低的用户剩余出来的带宽汇总后再公平地分配给带宽要求高的用户，避免了带宽的浪费。其次在每一个ONU内部，对于优先等级最高的业务分配固定带宽，其他优先等级的业务按照比例分配带宽。这种在OLT端和ONU端都进行动态带宽分配的算法，解决了在带宽不足的时候，较高优先等级的业务可能得不到足够带宽的情况，同时又不会使低优先等级的业务得不到带宽，减小了低优先等级业务的传输时延，提高了带宽的利用率。体现了带宽分配的公平性与灵活性，以尽量满足各等级业务的QoS要求。

[1]]张涛，李玲.GPON系统中DBA方案设计与性能分析[J].北京邮电大学学报，2005(1):70-74.

[2]张文慧.GPON中的动态带宽分配的研究[D].南京:南京邮电大学，2007.

[3]黄协.一种用于 GPON中的动态带宽分配[J].接入网技术，2005(6):58- 59.

[4]王欣，顾畹仪.GPON系统中基于QoS的动态带宽分配算法的研究[J].光通信技术，2006(3):17-19.

Research of Dynamic Bandwidth Allocation Scheme of GPON

ZHAO Xiao-jing

(School of Computer＆ Information Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

This paper proposes a new dynamic bandwidth allocation(DBA)scheme-two level DBA scheme based on QoS，and shows the flowchart of this algorithm，concerning the study of GPON on its key technique in the MAC layer:Dynamic Bandwidth Allocation(DBA).The performance analysis and comparison proves that the new algorithm can improve net throughput，which will realize the fairness for both different ONUs and services.

gigabit-capable passive optical network(GPON);dynamic bandwidth allocation(DBA);Quality of Service(QoS);transmission container(T-CONT);optical line termination(OLT);opticalnetwork unit

TN915.6

A

1671-0436(2011)03/04-0028-06

2011-04-11

赵晓静(1973— )，女，讲师。

责任编辑:唐海燕