一种基于软件定义的OFDM—PON控制协议

王旺++邹垚昭++陶佳鸣++陈健

文章编号：2095-6835（2016）17-0110-02

摘 要：在软件定义无源光网络架构的基础上，设计了一种基于软件定义的OFDM-PON控制协议ExtendedOpenFlow。该协议通过扩展原有的标准OpenFlow协议，实现了对OFDM-PON网络上下行链路的控制。对协议的丢包率、吞吐量等性能在OMnet++平台上进行了仿真，仿真结果显示，提出的协议能较好地保障各业务的服务质量。

关键词：软件定义；OFDM-PON；OpenFlow；控制协议

中图分类号：TN915.62 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.110

近年来，网络技术的快速发展和商业需求的不断增多使越来越多的企业需要改变网络结构。光纤通信作为其中的重要技术，对信息技术产业起到了极大的推动作用。随着网络规模的迅速扩大，用户对接入网的带宽需求也随之快速增长。无源光网络（Passive Optical Networks，PON）技术作为下一代接入网技术被提出，并受到广泛关注，它在提升网络效率和灵活性，降低网络成本等方面都有显著优势。PON是一种点对多点的树状网络拓扑结构，光线路终端（OLT）通过一个无源光分发器连接数个光网络单元（ONU）。终端设备传输的数字信号在ONU内转变成光信号，光分发器分发来自OLT的光信号至各个ONU，并传送从各个ONU发送过来的复合信号到OLT。另外，云技术和移动互联网的发展使企业网络积极在动态网络控制和管理方面寻求解决办法，因此，软件定义网络（Software Defined Networks）在流控制、网络负载平衡和性能管理等方面的优势使其得到关注和应用。典型的SDN架构将数据平台与控制平台分离，使用OpenFlow协议实现网络中控制机与转发设备之间的通信。基于以上描述，本文提出了一种将SDN技术应用到OFDM-PON中作为其控制协议的方案。

1 基于SDN的PON网络结构

将SDN应用在PON中的方法有很多，一种可行的方案是设计一种新的协议，使PON设备成为可编程的单元，使OLT和ONU的数据处理和转发性能达到最优。但是设计这样一种适用于PON的基于SDN的通用协议需要很多标准化的工作和较长的时间，本文提出了另外一种方法，就是基于已经广泛使

用的SDN控制协议OpenFlow的方案，使其不局限于PON的拓扑结构，可以应用于其他网络结构或者应用中。

OpenFlow交换机结构包含三个部分：①流表（Flow Table），为交换机进行转发策略控制的核心数据结构，通过查找流表表项来决策对进入交换机的网络流量采取合适的行为；②控制器（Controller），为运行远程控制进程的外部单元，通过OpenFlow协议管理交换机，控制器可以增减以及更新流表中的表项；③安全信道（Secure Channel），为实现控制器和交换机的通信。OpenFlow交换机的逻辑方案如图1所示。

OpenFlow协议最初设计是为以太网物理层的L2/L3交换使用，所以它并不能直接应用在PON中。以GPON为例，尽管GPON中有以太网帧，但实际上它是在L1层上携带有自己专门的帧和GEM（GPON Encapsulation Method）协议，用来封装上层的协议数据单元到GTC（GPON Transmission Convergence）层，所以需要添加相关的PON功能到现有的OpenFlow协议中，我们将修改之后的协议称为“ExtendedOpenFlow”。基于EntendOpenFlow的PON框架结构如图2所示。

2 基于SDN的OFDM-PON控制协议

与其他PON系统类似，OFDM-PON系统也是基于点对多点的网络拓扑结构创建的。在EPON/GPON 系统中，基于其一维映射的特点，在流量转发控制时需要考虑的因素较少。OFDM-PON 与其他PON 不同，它有很大的控制自由度，主要表现在：①频率不同的频道被当作透明管道，一个管道包含一个或多个正交的子载波，被OLT 安排给某个ONU 或某个业务；②根据业务流量的大小、频道的宽窄（即一个频道中用于传输数据的子载波数目）可以变化；③根据业务流量的大小，每个子载波上的调制格式可以调节，可自适应决定信号星座图，甚至在极端条件下完全关闭某个子载波。所有这些调度可以是静态的，也可以是动态的，即调度方案随时间变化，形成频率、幅（度）/相（位）、时间的三维调度。因此，在为OFDM-PON设计控制协议时，需要从子载波调度、调制格式、时间三个维度来考虑。

ExtendedOpenFlow协议主要提供OFDM-PON中的QAM调制、FFT/IFFT、子载波分配、时域分配等控制。每一个流表中都包含多个表项，表项包含匹配域、计数器和指令。ExtendedOpenFlow定义了新的与OFDM-PON相关的操作。在流表的匹配域中，增加两个字段Send和Recv，分别占三个字节和两个字节，如图3所示。Send字段下行传输给ONU，通知ONU采用何种调制方式、哪个子载波以及何时传送上行数据；Recv字段告知ONU下行数据的调制格式以及所用子载波号。

3 性能分析

为了验证本文提出的控制协议，在OMnet++平台对该协议进行了仿真，并且对实验结果进行分析，仿真系统如图4所示。设定系统的上行带宽为10 Gbps，系统由一个OLT和3个ONU组成，ONU与OLT之间的距离设定为20 km。Traffic作为产生流量的服务器，共产生三个类型的业务，分别为EF（快速转发，优先级最高）、AF（确保转发）、BE（尽力转发，优先级最低）。仿真中设定有1 024个子载波。

我们设置了大小不同的业务量来模拟网络中用户数据业务不同时，网络的各项性能不同。通过网络负载变量控制各项业务数据的产生，并且将产生的业务速率对网络带宽归一化，即当网络负载为1时，对应的业务数据总量为网络总带宽。通过仿真，可以得到在不同网络负载的情况下该协议与服务质量相关的平均丢包率和吞吐量性能。图5所示为仿真得到的平均丢包率曲线，当网络负载大于0.8时，AF业务和BE业务丢包率增速放缓，且AF业务丢包率低于BE业务，业务一直保持很低的丢包率，且比较平稳。这是因为在带宽分配时，引入了带宽预分配的结果。仿真得到的吞吐量性能曲线如图6所示，与未使用控制协议的OFDM-PON系统相比，我们提出的协议具有更好的性能。

4 结束语

目前关于SDN和PON的研究越来越多，但基本上都集中在对GPON和EPON的研究上，将SDN应用在OFDM-PON中的研究成果还较少。本文将SDN中OpenFlow协议扩展到OFDM-PON中，并对提出的ExtendedOpenFlow协议性能进行了仿真。作为简单的控制协议，为各个优先级的业务提供了较好的服务质量保障。

参考文献

[1]D.hood.ITU-T Gigabit-capable Passive Optical Networks.New York：John Wiley Sons Inc.，2008.

[2]Open Networking Foundation.Software-Defined Networking：The New Norm for Networks.https：//www.opennetworking. org/images/stories/downloads/sdnresources/white-papers/wp-sdn-newnorm.pdf.

[3]P.Parol，M.Pawlowski.Towards networks of the future：SDN paradigm introduction to PON networking for business applications.In Federated Conference on Computer Science and Information Systems （FedCSIS），2013.

[4]CVIJETIC N.OFDM for next-generation optical access networks. Journal of Lightware Technology，2012（4）.

[5]丁福玲.OFDM-PON媒质接入控制协议的研究[D].北京：北京邮电大学，2011.

〔编辑：王霞〕