HQoS在GPON系统中的应用与优化*

何 睿，叶建芳，石 健，施 思

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)



HQoS在GPON系统中的应用与优化*

何 睿，叶建芳，石 健，施 思

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

在光进铜退的趋势下，以GPON(Gigabit Passive Optical Network)搭建的光纤接入网应用场景不断增多。用户对网络服务质量的要求以及运营商减少建设成本的需求，使得QoS技术发展迅猛。传统的QoS已经不能满足现网的需求，层次化服务质量HQoS(Hierarchical Quality of Service)技术实现了多层次的流量管理，能更好地帮助运营商实现多用户、多业务的服务管理。针对现有接入网HQoS模型，提出了区分组播业务进行单独QoS处理的改进意见，并对改进模型进行了实际应用的模拟测试。测试结果表明，改进模型能够对不同用户采用不同的调度策略，并可针对组播业务做单独的QoS处理。

GPON(Gigabit Passive Optical Network)；HQoS(Hierarchical Quality of Service)；组播

0 引言

随着宽带业务的普及和光进铜退的趋势，以及GPON系统在光纤接入网中的应用与发展，运营商对业务的传输距离、宽带、可靠性和低运营成本提出越来越高的要求[1-2]。而流量高峰时段，可能出现速率过大，产生丢包，严重影响网络质量，针对这种情形，广泛使用QoS策略以保证重要客户业务，为用户提供更优质的服务[3]。一般情况下，网络中通过QoS技术来区分不同类型的业务，从而提供相应的服务。但随着用户规模的扩大，业务种类的增多，传统的QoS在应用中遇到了难以解决的问题。

(1)传统QoS技术是基于端口带宽进行调度的，这样导致流量管理对用户不敏感，只对服务等级敏感，适合网络核心侧，但不适合业务接入侧[4]；

(2)传统QoS技术无法对多个用户、多种业务进行统一管理和分层调度。

为解决上述问题，提供更好的QoS能力，迫切需要一种既能控制用户的流量，又能同时对用户业务的优先级进行调度的QoS技术。本文引入HQoS层次化服务质量技术来满足这一需求。该技术采用多级调度的方式，使设备具有内部资源的控制策略，既能够为高级用户提供质量保证，又能够从整体上节约网络构造成本。

1 HQoS的原理

GPON作为新一代的光接入设备，具有高速率、多业务的特点。GPON在组网方式上主要以树型拓扑结构为主(包括星型和链型)，网络业务开通后，数据的转发路径基本固定，如图1所示。GPON接入技术主要应用在FTTH、FTTB、FTTC、FTTO、FTTW和FTTM的组网场景中，支持语音、数据、视频、专线接入和基站接入业务[5]。

图1 运营商现有宽带接入方案

图2给出了GPON系统宽带接入模型，网络由光链路终端(Optical Line Terminal，OLT)、光网络单元(Optical Network Unit，ONU)、光分配网络(Optical Distribution Network，ODN)组成。GPON在业务接入方面提供了足够大的带宽，单PON口上行速率可达1.25 Gb/s、下行速率可达2.5 Gb/s[6]。OLT上联骨干网，下联多个光分配网络，在整个下行方向，由于是高速骨干网线路的流量转发到低速PON网络线路上，如果不在OLT中进行QoS处理，将可能出现网络拥塞，从而导致承载业务的QoS无法得到保证。

图2 PON宽带接入模型

为了达到多等级、多层次调度的目的，引入层次化服务质量技术将调度策略组装成分层次的树状结构，如图3所示。

树状结构的节点类型共有3种：根节点、分支节点和叶子节点。根节点是流量的汇聚点，即PON口；处于最底层的每个叶子节点都分别与一个调度队列相对应，即承载的单个业务；处于中间层次的每个分支节点都分别与一个调度器相对应。调度器可以对多个分组队列或者多个子调度器进行调度。每个节点上还需要配置分类规则和控制参数。分类规则决定了流量的走向；控制参数决定了对于通过此节点的流量所作的控制动作[7]。

图3 多级调度基本模型

2 GPON OLT中HQoS模型设计与优化

图4给出了常用的基于单板的HQoS实现模型。

图4 HQoS实现模型

该模型针对HQoS用户进行CAR限速，并根据承诺信息率(Committed Information Rate，CIR)和最高信息速率(Peak Information Rate，PIR)来标记颜色，如果使能了基于优先级的CAR(配置CAR门限)，还可以保证高优先级的报文优先被标识为绿色和通过。针对HQoS用户组做基于颜色的CAR，解决同一种业务租借带宽的占用问题，保证HQoS用户之间的公平调度，确保HQoS用户业务的CIR，在带宽许可的情况下满足HQoS业务PIR的需求。

该HQoS模型对网络承载的以太网业务能够进行良好的优先级调度处理，但在目前“三网融合”(电信网、广播电视网、互联网向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进)过程中，该模型没有对诸如IPTV等组播业务的优先级处理进行相应的说明。并且由于组播业务要求在每个PON口下仅有惟一的一个单拷贝广播(Single Copy Broadcast，SCB)数据传输逻辑通道，所有组播媒体流数据均在同一个逻辑通道中传输，所以对组播业务的QoS处理在该模型中不适用[8]。对融合了组播业务的GPON系统接入网，需设计一个优化的HQoS模型，图5给出优化后的层次化HQoS模型。

该模型综合了前文提到的常用HQoS实现模型的优点，并针对IPTV等组播业务流，提供了Group组的优先调度策略，优先保障PON口下组播流的速率。其次，对于OLT的PON口各用户ONU而言，该模型提供ONU内各业务以及ONU间业务的分级式层次化调度策略。该模型有三级优先级调度，ONU内单个队列节点提供CIR和PIR的控制参数，单个ONU节点提供SP(Strict Priority，严格优先级)、WRR(Weighted Round Robin，加权轮询)的控制参数，L0节点提供对于多个ONU的加权轮询的控制参数，PON口节点只提供严格优先级的控制参数。该模型具有业务级和ONU级，两级CIR、PIR保证，并有优先保障组播业务的优点。

优化的HQoS调度模型采用业务级别、用户级别再到业务级别的混合分层模式，每一级别可以使用不同的特征进行流量管理。通过不同级别的队列调度实现了多层次的流量管理，从而可以更好地帮助运营商实现多用户、多业务的服务管理。可使用ACL过滤条件对数据流进行预处理，能够在入口源头对接入网系统进行拥塞避免和优先级处理。

图5 优化HQoS模型

3 HQoS的实现

数据业务在OLT中需经过流分类、优先级处理、流量监管、拥塞避免和拥塞管理等QoS策略后，从出口端转发出去，具体步骤如下：

(1)流分类，对入口进来的数据流根据其VLAN、VLAN+Priority、VLAN+Port或者Port+VLAN+Priority区分HQoS用户数据单播业务流，前两种适用于单桥模型业务，后两种适用于多桥模型业务；

(2)根据数据流优先级或者其他ACL条件，确定数据流的内部优先级Local Priority。未做ACL流处理时，该数据流的内部优先级等于其802.1Q cos值，也可直接通过特定条件标记该数据流的内部优先级；

(3)数据流根据其内部优先级，按照特定的规则进入相应的队列(Queue)，每个ONU最多有8个队列，默认优先级为0的进队列0，……优先级为7的进队列7；

(4)单个ONU节点调度器对其队列进行调度，此处可做严格优先级或者加权轮询的参数控制；

(5)L0节点调度器对该PON口下所有ONU的调度器进行调度，仅能使用加权轮询的方式，但可以设置ONU调度时的权值，权值越大，ONU可容许的带宽越大；

(6)最后在PON出口端优先保证组播业务数据。

该HQoS模型实现了对多个ONU业务的三级层次化

表1 测试结果

如表1所示给出的统计结果，ONU1内各业务采用严格优先级的调度策略，拥塞时先丢弃优先级低的业务，即先丢弃10 M优先级为0的业务流，再丢弃5 M优先级为1的业务流，而优先级为2的业务流不丢包；ONU2各业务采用加权轮询的调度策略，拥塞时各优先级业务按权值通过，各优先级业务流收包数相同(权值相等时)。

两个ONU之间单播业务采用加权轮询的调度策略，拥塞时各ONU单播业务按权值通过，按式(1)计算，ONU1、ONU2的单播数据流实际流速均为15M(权值相同时)。

(1)

PON口单播、组播业务采用严格优先级的调度策略，拥塞时优先保证组播业务，统计结果可以看出组播业务均不丢包。测试结果分析证明达到了预期目标。

5 结论

本文针对现有的常用于传输网数据转发的HQoS模型，提出了适用于接入网的区分并保障组播业务的HQoS改进模型。模拟实际应用场景进行测试，证明了改进模型能够对不同的用户采用单独的调度策略，并针对组播业务做单独的保障组播业务QoS的处理。

[1] 裴熠,廖虹剑. 浅谈GPON技术在接入网络中的应用[J]. 无线互联科技,2016(23):147-148.

[2] dudu-kele. GPON特性Glance[EB/OL]. (2015-01-26)[2016-12-26].http://www.docin.com/p-1041454767.html.

[3] VANSICKLE R,陈雁,叶凌伟. 话音VPN[J]. 现代电信科技,2003(9):38-39,47.

[4] 钟川,黄陶明. 分层QoS关键技术分析[J]. 现代计算机(专业版),2009(1):111-113.

[5] 康殿柱. 浅析FTTx接入网技术应用[J]. 数字技术与应用,2011(8):39.

[6] 刘国辉. HQoS在GPON网络中的应用[J]. 数字化用户,2014(11):1.

[7] 黎晓亮,陈晓梅. DiffServ网络中的分层流量整形及改进[C]. 2010通信理论与技术新发展——第十五届全国青年通信学术会议论文集(下册).中国通信学会,2010.

[8] 喻文学. 组播技术在FTTH EPON系统中的应用[J]. 通信世界,2011(12): 27-30.

调度。第一级是每个ONU队列之间的调度(这一级别的调度方式是可以更改的，默认为SP)，第二级为每个PON口ONU与ONU之间的调度(这一级别的调度方式固定为WRR，权值可以更改，默认每个ONU的权值为1)，第三层为PON口的ONU与组播通道之间的调度(这一级别的调度方式不可更改，固定为SP，且组播通道的优先级更高)。

4 性能测试及分析

配置PON口为层次化调度模式，图6给出了OLT中下行业务HQoS配置。

PON口下有两个ONU，分别有8个队列，ONU1的8个队列采用SP严格优先级的调度策略(Mode=SP)，ONU2的8个队列采用WRR加权轮询的调度策略(Mode=WRR)，每个队列的权值为1(WEIGHT=1)，ONU的下行单播带宽均为15M；ONU间采用加权轮询的调度策略(Mode=WRR)，两个ONU的权值都为1(WT=1)；PON口对单播、组播业务采用严格优先级的调度策略(MODE=SP)，组播带宽限速为10 M，PON出口限速40 M。

图6 HQoS配置

按图7搭建测试环境，本次测试使用两个ONU，测试仪表端口A接OLT上联口，端口B、C分别接ONU1、ONU2的LAN口。使用测试仪表模拟真实用户和网络服务器之间的数据交互过程，A口向OLT上联口发送下行数据流，经过OLT的HQoS处理后，数据到达ONU，通过测试仪表对ONU1、ONU2收到的数据包进行统计分析，表1给出测试结果。

The application and optimization of HQoS in GPON system

He Rui, Ye Jianfang, Shi Jian, Shi Si

(School of Information Science and Technology,Donghua University, Shanghai 201620, China)

As the optical access is replacing copper access, the application scenarios of fiber access network based on Gigabit Passive Optical Network (GPON) gradually increase. Besides, users’ requirements on the quality of network services and the operators’ needs of reducing construction cost facilitate QoS technology to develop rapidly. Therefore, traditional QoS can no longer meet the requirements of present network, while Hierarchical Quality of Service (HQoS) technology realizes multi-level flow management, so it can better help operators achieve multi-user and multi-business service management. Based on HQoS model of existing access network, this paper put forward the improvement suggestions of classifying multicast services and conducting separate QoS processing. Besides, a simulation test of the actual application of the improved model was also carried out. The test result showed that the improved model is able to adopt different scheduling strategies according to different users and separately conduct QoS processing for multicast services.

GPON(Gigabit Passive Optical Network); HQoS(Hierarchical Quality of Service); multicast

图7 测试环境图

东华大学非线性科学研究所交叉课题(20160905-3)

TN929.11

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.023

何睿，叶建芳，石健，等.HQoS在GPON系统中的应用与优化[J].微型机与应用，2017,36(13)：76-78,81.

2017-01-11)

何睿(1994-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向：光纤接入网。

叶建芳(1964-)，女，硕士，副教授，主要研究方向：无线通信、网络协议。

石健(1994-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向：光纤传输网。