PON网络中DBA算法对高带宽业务传输速度影响的技术分析

吕卫东

中国电信股份有限公司江苏分公司

0 背景

目前宽带业务交付通过测速来实现确认是否满足客户承诺速率要求。业务测速是一个端到端的处理过程，涉及到端到端整个业务流程的每个环节，包括了业务测速服务器和用户终端的硬件性能、传输线路的带宽和时延、TCP的算法（包括发送缓冲区大小）、用户端的算法（包括滑动窗口大小）。高带宽业务测速对各环节的要求更为严格，特别是DBA算法设置合适与否，对传输线路的带宽和时延存在较大的影响，为解决上述问题，满足大规模提速需求，需深入研究DBA算法优化方案，提升光网络运营能力，提升用户感知。

1 测速原理及深度分析

1.1 TCP基本原理

TCP协议是建立在IP协议基础上，面向连接的，有传输保证的协议。当进行TCP数据传输时，Server侧向Client侧发送数据，Client侧需要对接收到的数据帧进行确认。因此，当OLT用户侧用户进行下载时，需要同时向上行发送确认帧。当OLT用户侧用户进行上传时，服务器会同时向下行发送确认帧。

在TCP交互过程中，操作系统会为每个TCP连接分配相应的发送缓冲区和接收缓冲区，TCP接收窗口和发送窗口的最大值即为接收缓冲区和发送缓冲区的大小。当TCP传输过程中出现丢包时，TCP连接会自动调节窗口大小，导致TCP传输速率降低。

另外，传输时延也会影响TCP传输速率，根据计算公式：TCP传输速率 = TCP窗口/RTT。这里RTT代表Round Trip Time，即TCP传输时报文往返所需的时间。当RTT增大时，TCP传输速率将降低。

1.2 PON传输模型分析

OLT的业务配置中，上行的带宽主要由DBA决定。针对DBA的分配机制对测速影响分析如下：

（1）PON DBA带宽分配简述

PON上行为时分复用，当ONU上行需要进行数据发送时，会向OLT上报带宽请求DBRu，OLT接收到带宽请求后会根据ONU的带宽类型进行调度计算，并在带宽分配周期将带宽分配给ONU，此时ONU才会将自己缓冲区中的数据发送到OLT。ONU的缓冲区为FIFO队列，上行存在队列调度。

（2）PON DBA带宽分配原理

协议规定的带宽类型有4种，优先级从高到底：Fixed（固定带宽）、Assured（保证带宽）、Non-Assured（不保证带宽）、Best-Effort（尽力而为带宽）。

OLT定义的带宽类型：

Type1：固定带宽。完全预留给特定ONU或者ONU的特定业务，即使在ONU没有上行业务流的情况下，这部分带宽也不能为其他ONU使用。

Type2：保证带宽。保证在ONU需要使用带宽时可获得的带宽。当ONU的实际业务流量未达到保证带宽时，设备的DBA机制应能够将其剩余带宽分配给其他ONU的业务。

Type3：保证带宽+最大带宽。Type3类型为带宽组合类型，在保证用户有一定带宽的同时，还允许用户有一定带宽的抢占，但总和是不会超过用户配置的最大带宽。

Type4：最大带宽。最大带宽是在ONU使用带宽时可获得的带宽上限值，最大程度地满足ONU使用的带宽资源。

Type5：固定带宽+保证带宽+最大带宽。既给用户预留其他用户不能抢占的固定带宽资源，又确保在需要使用带宽时可获得的保证带宽，同时允许用户有一定带宽的抢占，但总和是不会超过用户配置的最大带宽。

图1 OLT定义的带宽类型和协议规定的带宽类型的对应关系

如图1所示，Type3配置Assured大小和Max，Non-Assured不显示配置，可由Non-Assured = Max–Assured计算得到；Type4配置Max，Best Effort即Max配置的大小。

由协议规定的优先级可看出Type3的优先级大于Type4，即在拥塞的情况下，配置为Type3的用户至少可以获得Assured带宽。

（3）PON DBA带宽分配过程

如图2所示，PON DBA分配过程可以理解为：总带宽分四轮按带宽类型的优先级进行分配。

图2 PON DBA带宽分配过程

1.3 上下行TCP传输分析

为了测试验证TCP传输速率与RTT的关系，以及PON DBA算法各种类型的差异，搭建测试环境如图3所示，并利用WiresharK软件进行抓包分析。

图3 测试拓扑图

（1）TCP传输速率与RTT有关。根据TCP传输速率 =TCP窗口/RTT，当RTT增大时，TCP窗口固定的情况下，TCP传输速率会降低。

如图4所示，测试FTP下载速率为175KB/s，RTT分析在34ms到42ms之间波动。

图4 （1-2） 测试FTP下载速率为175KB/s时RTT变化情况

如图5所示，当RTT增大时，FTP的下载速率也随之降低。如下RTT超过550ms，速率仅为14KB/s。

图5 （1-2） 测试RTT增大时FTP下载速率变化情况

（2）当同时进行上传时，根据TCP传输速率与TCP窗口和RTT的关系计算：

下载速率=下载TCP窗口/RTT上传

上传速率=上传TCP窗口/RTT下载

由于传输上传和下载传输路径相同，这里假设RTT上传= RTT下载，则下载速率=上传速率×下载TCP窗口/上传TCP窗口。如果上传速率为1M，当下载TCP窗口＞ 3倍上传TCP窗口时，下载带宽可以保持在3M左右波动。

使用PC-A作为Client在OLT用户侧，PC-B作为Server在OLT网络侧，用户侧PC-A同时进行下载和上传，测试结果如图6所示，上传速率达到最大限速值1M，此时RTT达到35ms左右，下载带宽仍能保持在3M左右波动。

图6 （1-2） PC-A为Client在OLT用户侧、PC-B为Server在OLT网络侧测试情况

将上述测试的Client和Server互换，使用PC-B在OLT用户侧，PC-A在OLT网络侧。此时PC-B同时进行下载和上传。由于此时上传TCP窗口和下载TCP窗口的比例关系发生变化。上传TCP窗口变大，而使得TCP吞吐量增大，ONU的队列深度也将变得更深，导致RTT会增大，同时由于下载TCP窗口变小，导致下载速率降低。测试结果如图7所示，RTT为450ms左右，用户侧下载速率仅为15KB/s。

图7 （1-2） PC-B为Client在OLT用户侧、PC-A为Server在OLT网络侧测试情况

因此，在不改变OLT和ONU上任何配置的情况下，仅Client和Server的缓冲能力发生变化，也会导致测试结果不同。

（3）当DBA逐渐调大，由于ONU将报文发送给OLT的速率增大，报文在ONU缓存里缓存的时间减小，缓存深度降低，因此RTT也会随之减小。当RTT减小到一定值时（即下载TCP窗口/下行限速），下行速率又可以达到最大值。如图8所示，将DBA提升至3M，则RTT平均值减少到5ms以下，下行速率也提升至3M左右，且上行DBA越大，RTT越小，下载速率越高。

图8 DBA提升至3M时RTT变化情况

根据上述分析，TCP传输速率与TCP窗口和RTT都有关系。 从实际应用角度，增大DBA可以减少ONU缓存造成的影响，降低TCP传输RTT，因此在实际配置中可以根据用户的情况适当放大。

另外，不同的DBA带宽类型，其实际效果也有差异。对于Type3的Assure带宽，为保证带宽，其带宽分配优先级高于Max带宽。即当ONU上报带宽请求时，Assure的带宽是可以保证能够分配到的。对于Type4的Max带宽，为最大带宽，这部分带宽类型是不保证的，即ONU上报带宽请求时，OLT会根据剩余带宽的情况以及PON口下各ONU的带宽请求进行调度，不能保证一定能分配到。因此，当ONU配置的带宽类型为Max时，需要根据PON口下的剩余带宽以及PON口下实时的带宽请求进行计算，最终决定ONU能否分配到的带宽。因此，当PON口下存在多个ONU或ONU上存在多个TCONU，且均存在上行带宽请求时，Max带宽分配是无法保证的；导致RTT增加且不稳定，导致下载速率存在波动。

2 现网测试验证

2.1 非拥塞情况下

非拥塞情况下，每个用户使用相同带宽配置，Type3和Type4测试对比结果，如表1所示：

表1 非拥塞情况下Type3和Type4测试对比结果

2.2 拥塞情况下

拥塞情况下，每个用户使用相同带宽配置，Type3和Type4对比测试结果，如表2所示：

表2 拥塞情况下Type3和Type4测试对比结果

拥塞情况下，每个用户使用不相同带宽配置，type3和type4对比测试结果，如表3所示：

表3 拥塞情况下配置不同带宽Type3和Type4测试对比结果

从测试可以看出：

针对PON口下配置为Type3 或 Type4 的带宽类型进行测速对比来看：

（1）用户的带宽配置相同时，Type3和Type4的测速结果基本无差异，带宽平均分配；

（2）用户的带宽配置不相同时，Type3优先保证Assure的带宽，Type4平均分配。

3 结论

测速和应用层协议、缓冲区大小设置以及实际网络状态都有关系，需要结合这些因素做综合考虑：

（1）上行DBA越大，引入RTT越小，下行速率越大；

（2）同PON口Type3和Type4混合场景时, 拥塞情况下，Assure带宽配置比Max带宽配置引入RTT小，Type3好于Type4；

（3）非拥塞情况下，Type3和Type4差异不大。

按照上述结论对现网DBA算法规模优化后，效果显著，新装高带宽客户均能满足业务速率要求，大大提升了客户感知。