基于OPNET的TDM/WDM EPON仿真系统设计

帅千钧，朱维嘉，李鉴增，倪业鹏

(1.中国传媒大学信息工程学院，北京100024；2.中国传媒大学计算机与网络中心，北京100024)

基于OPNET的TDM/WDM EPON仿真系统设计

帅千钧1，2，朱维嘉2，李鉴增1，倪业鹏2

(1.中国传媒大学信息工程学院，北京100024；2.中国传媒大学计算机与网络中心，北京100024)

研究了基于TDM/WDM EPON的下一代宽带接入网系统结构，设计了基于OPNET仿真系统的TDM/WDM EPON通用仿真模型结构并介绍了自定义协议模型的系统搭建方法，最后介绍了自定义的TDM/WDM EPON系统协议模型及其仿真拓扑结构，为EPON动态波长带宽分配(DWBA)算法的深入研究搭建了通用仿真平台。

宽带接入网；WDM EPON；多点控制协议；动态波长带宽分配算法(DWBA)；OPNET

1 引言

随着人们对网络业务多样化需求的提高，例如：视频点播、时移广播、高清电视、在线网络游戏等，网络音视频业务应用的越来越广泛，因而人们对网络带宽的需求也将是在不断提高。现今的TDM EPON系统支持上下行带宽1.25Gbps的带宽容量，但对于日益受欢迎的音视频业务而言，已越来越无法满足带宽的需求。随着近年来DWDM技术融合到EPON网络技术，长距离、高带宽的WDM EPON近年来被认为是下一代宽带接入网理想的方案，系统带宽可呈高数量级的增加，同时，这种接入网还具有较好的灵活性和可扩展性。

WDM EPON系统体系、协议及算法的研究目前还处在实验室研究阶段，国外研究机构预期还需5年左右出台WDM EPON的相关标准。目前虽然已经有几种不同的结构提出来，但是没有哪一种占有绝对的优势[1]，在标准正式发布之前，还有许多问题需要解决。本文接下来首先简单介绍WDM EPON通用仿真系统的结构和MAC层MPCP协议的扩展，其次简单介绍OPNET网络仿真建模方法，鉴于OPNET模型库没有基于EPON的协议模型，本文将重点介绍用于OPNET中建立基于IEEE 802.3ah扩展的WDM EPON仿真系统的 MAC协议模型。

2 WDM EPON系统

2.1 系统结构

随着光器件技术的提高和成本的降低，DWDM技术应用于EPON系统将是必然的趋势。理想的情况是将DWDM技术直接应用到现有的树型EPON拓扑当中，OLT端可以配备一组波长固定(fixed)的激光收发器或波长可调(Tunable)的激光收发器，多个波长信道通过波分复用到一根单独的光纤内，并通过远端的阵列波导光栅(AWG)实现光波长信道的路由，ONU端则配备一对不同波长的收发器分别用于上、下行传输[2]，或者波长可调的激光收发器。

但是就现时而言，上述结构成本仍然太高，目前对WDM EPON系统结构的研究要综合考虑多方面的因素，例如：①兼容性，如今世界各国已经大量部署了1G EPON网络，下一代的WDM EPON网络将在很长一段时间内与1G EPON共存，WDM EPON系统结构必须能够后向兼容现有的TDM EPON。②低成本，成本一直以来都是接入网的无论是服务商还是终端用户首要考虑的因素，因此任何一种接入网，其基础设施和运行维护的成本对其生存发展具有至关重要的影响。就WDM EPON系统而言，DWDM光器件和激光器在设备成本中占主要因素，因此，系统设计时可考虑多个ONU共享一个上行波长信道，并且只保证中心局端OLT设备的成本而尽可能缩减用户端ONU设备的成本，同时为了降低DWDM设备成本，考虑上行波长应在ONU间可统计复用，因此，本文设计的仿真系统在上行方向，OLT端是一组固定波长的光接收模块，如图1所示，在用户端，某些ONU为固定波长的激光发射器，例如传统的TDM ONU，而某些ONU为上行波长可调的激光器，作为WDM ONU。

图1 TDM/WDM EPON系统上行波长

2.2 MPCP协议的扩展

IEEE 802.3ah标准中针对于上行带宽分配的MPCPDU帧是GATE帧和REPORT帧[3]，ONU通过REPORT帧报告其缓存的数据以请求带宽，OLT受到REPORT帧后启动DBA算法、通过GATE帧授权给ONU其上行传输的起始时间和传输窗口长度。针对于WDM EPON，上行波长在各ONU之间同样参与统计复用，也就是说，OLT给ONU的授权还应包含上行信道的分配。因此，IEEE 802.3ah定义的多点控制协议MPCP应用于WDM EPON还需要进行相应的扩展[4]，本文鉴于仿真平台的通用性，重新定义了WDM GATE帧和WDM REPORT帧，WDM GATE帧结构如图2，在每个授权起始时间/长度对之后增加一个字节的wavelength内容作为授权信道信息，告之ONU此次授权的上行传输分配在哪个上行信道上。同样对于ONU的REPORT帧，在报告完队列缓存大小后增加一个字节的可支持上行信道信息，告诉OLT本ONU可支持哪几个上行信道的上行传输。实际当中，包由数据结构定义，包的调用通过包格式的名称进行调用。

图2 WDM GATE帧结构

图3 系统链路定义

此外，还需要设计每个波长信道的通信链路属性。本文采用单工点对点的有线链路予以模拟EPON光纤链路的传输特性，也就是要定义每条链路的数据传输速率、支持的包格式、链路上的传播时延(即对应于链路长度相关的RTT参数)等。系统中的每条链路都表示1个光波长信道，其线路数据传输速率都为1Gb/s，支持的包格式为上节自定义几种格式的包，如图3包格式包含以太网包(Ethernet_Data)，WDM GATE和WDM REPORT等。

3 OPNET网络建模

OPNET采用离散事件仿真机制进行网络行为状态的模拟，其仿真核心是对离散事件的调度器，对所有进程模块计划事件发生的时间和事件完成的时间进行列表和维护，因而，仿真控制权在进程模型和仿真核心之间来回地转换。方法上，OPNET采用的是分层建模机制，根据网络的层次关系提供了三个层次的模型[5]，从底层到上层分别为：进程模型(process)、节点模型(node)和网络模型。进程以有限状态机来描述协议，节点是由协议模型及外围接口等模型构成，反映了设备的特性，网络模型则表现了具体的网络拓扑结构。OPNET仿真系统自带有多种模型库，多数网络协议都支持，因此，采用系统自带的模型进行系统建模相对简单，但对于OPNET模型库中不存在的协议模型，如EPON网络的MAC协议，则需要根据其标准自行构建[6]。自定义网络协议模型采用自下而上的建模方法，首先要根据协议定义好进程模型，再依次在进程模型的基础上构建节点模型，建好的节点模型可在Object Palette中找到，最后再根据网络拓扑搭建网络模型。

OPNET Modeler中同样没有WDM EPON系统的协议模块，要进行其带宽分配算法的仿真必须根据其扩展的MAC协议自行建立仿真系统，因EPON的上行带宽分配是其关键技术问题，本文重点考虑上行多波长及其统计复用的协议结构。

3.1 OLT模型

OLT节点模型由主处理模块和发送/接收模块组成，上行多信道通过连接接收模块和主处理器模块之间链路的通信信道数进行设置，多个通信信道彼此之间是独立的。主处理模块是节点模型的核心模块，也就是其协议模块，其状态转移图所表示的进程模块如图4，按照IEEE802.3ah协议，OLT主要功能是接收ONU发送的上行数据流，若是REPORT帧，则根据ONU 的请求按照一定的DWBA进行带宽分配，然后向各ONU发送授权GATE帧；若是上行数据帧，则进行性能统计，然后销毁该数据帧。OLT处理器的事件处理流程如下：初始化阶段完成系统链路的连接和系统参数的初始化，完成系统初始化之后进入预发现过程，该过程可看成是初始化过程的一部分，这里OLT给每个ONU分配一个授权窗口，由于不知道各ONU的环路时延，将都以最大环路时延计算授权窗口大小。此后则基于包中断或自中断进行下一事件的调度。其中上行带宽分配算法是在收到REPORT帧之后完成，处理完DWBA算法后通过产生自中断发送授权GATE帧。

图4 OLT处理器状态转移图

3.2 ONU模型

ONU节点模型由主处理模型、用户流量生成模型和发送/接收模型组成，主处理器模型是其协议模型，其主要功能是将接收到的用户数据包进行队列缓存，并根据OLT给其授权的带宽发送上行数据。如图5是ONU协议模型的状态转移图，初始化阶段完成系统链路的连接、ONU地址的分配和状态信息的初始化等。为了更详细的说明ONU协议模型的功能，图6给出了ONU协议模型基于离散事件仿真的事件处理流程，初始化完成后将进入空闲状态，由中断启动下一个事件的处理。ONU同样有包中断或自中断2种，包中断区分来自用户数据的包中断和来自OLT下行数据的包中断，在处理OLT的授权GATE信息时生成发送数据和发送REPORT的自中断。根据以太网包不可被拆分的特点，在发送数据时以1个数据包为单位逐个发送，在每个数据包发送结束时生成结束发送1个数据包的自中断，再进入循环发送下一个数据包，直到授权的上行传输窗口结束为止。在事件的处理过程中需要统计相关的数据信息以做仿真分析。

图5 ONU处理器状态转移图

图6 ONU协议模型的事件处理流程

流量生成模型是ONU节点中用于模拟用户业务流量的模型，该模型对业务模拟的准确性决定了系统仿真性能的准确性，是算法仿真、系统性能评估的关键。以太网数据流被证明具有自相似和长相关特性，通常采用Self-Similar流量模型能够更精确地模拟。Self-Similar流量通常采用多个基于帕累托分布的ON/OFF状态叠加而成，ON为数据流产生状态，OFF为无数据流产生状态，即数据流间隔。因此，ONU的流量生成模型如图7，流量大小和流量到达间隔均遵守帕累托分布，帕累托分布形状参数和均值都作为模型的属性来设定，可根据需要进行更改。根据分布函数，当有数据包生成则产生自中断，从而将数据包发送给ONU主处理器模块。

图7 ONU流量生成模型

3.3 ODN模型

WDM EPON网络中的ODN通常采用AWG作为复用/解复用器或波长路由器，它与TDM EPON的无源光分路器(POS)主要的不同就在于输入和输出对应的端口不同，这需要在头文件中一一映射。下行方向为广播，从OLT端接收到的下行数据向所有连接ONU的下行端口复制转发；上行方向有多个波长信道，每个波长信道都是多对一的映射关系。但ODN处理器最基本的功能仍然是数据转发，主处理器状态转移图如图8所示，其处理流程就是根据数据包流中断进行对应端口的数据转发。

图8 ODN处理器状态转移图

3.4 仿真系统拓扑

在完成上述的各协议模型和链路模型之后，则可搭建OLT 、ONU和ODN节点模型，这里最主要的是如何建立和区别多个上行波长信道，本文直接以连接模块间的多个包流来表示多个点对点的信道，不同的包流通过索引值来区分，即相当于不同的信道对应有不同的信道ID。据此即可构建WDM EPON仿真系统，如图9是包含32个ONU、4个DWDM上行信道的仿真系统。这里一个关键问题是各ONU节点的环路时延的设置，一个方法是在系统模型中设置各链路的delay属性来与RTT对应，当delay≠0时，通信链路将在pipeline中自动产生与delay相等的传播时延；另一个方法是将delay设为0，而将RTT作为ONU节点的属性来设置，由初始化过程提取出来，并在以op_pk_send_delayed()方式发送数据包时增加RTT的传播时延。

图9 WDM EPON网络系统图

4 结束语

本文研究了基于IEEE802.3ah 定义的MPCP协议扩展的WDM EPON 的MAC协议，并基于OPNET设计了WDM EPON设备协议模型，并建立了兼容现有EPON的TDM/WDM EPON通用仿真系统，开发了WDM EPON系统中主要设备的协议模型，为其DWBA算法的研究构建了仿真平台。

[1]Qianjun Shuai，Jianzeng Li，Jinyao Yan，Weijia Zhu.NGA Networks：A Survey of Architectures，Resource Assignments for WDM EPONs[C].in Proc.of 3rd International Conference on Computer Design and Applications (ICCDA 2011)，Xi’an，Shaanxi，China，May.2011.

[2]帅千钧，李鉴增.EPON宽带接入网DBA技术的研究[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2010，17(1)：23-29.

[3]IEEE Standard 802.3ah[S].

[4]McGarry M，Maier M and Reisslein M.WDM Ethernet Passive Optical Networks[J].IEEE Communications Magazine，2006，44(2)：18-25.

[5]张铭，窦赫蕾，常春藤.OPNET Modeler 与网络仿真[M].北京：国防工业出版社，2007.

[6]龚建华，柯赓.基于OPNET Modeler的EPON建模与仿真[J].计算机仿真，2005，22(4).

DesignofSimulationSystemforTDM/WDMEPONsBasedonOPNETModeler

SHUAI Qian-jun1，2，ZHU Wei-jia2，LI Jian-zeng1，NI Ye-peng2

(1.Information Engineering Academy，Communication University of China，Beijing 100024，China; 2.Computer and Network Information Center，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper investigated the solution of system architectures for TDM/WDM EPON based next-generation access networks.And，designed a kind of generic simulation system architecture for TDM/WDM EPON in OPNET Modeler，introduced the methods of building the modelers of user defined protocol.At the end，a TDM/WDM EPON simulation system is built using OPNET which can be the general evaluation platform of the further research on the upstream dynamic wavelength bandwidth assignment algorithms for EPONs.

broadband access networks；WDM EPON；MPCP；DWBA；OPNET Modeler

2012-10-30

帅千钧(1978-)，女(汉族)，湖北黄冈人，中国传媒大学计算机与网络中心.E-mail：sqj@cuc.edu.cn

TN915.6

A

1673-4793(2013)01-0021-05

(责任编辑：王谦)