支持QoS的兩種新型帶寬分配算法
文獻[1]中提出的間插輪詢算法采用了可變的授權(quán)周期，因此不適合對延時和延時抖動敏感的實時業(yè)務(wù)。為了解決此類問題，文獻[2]中提到了一種固定時隙分配 (Fixed Slot Allocation, FSA)算法，然而固定時隙分配帶來的弊端是：輕負載時大部分光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit, ONU)的帶寬浪費明顯，上行信道利用率很低。而在重負載時ONU之間又不能形成帶寬共享，給高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延和各業(yè)務(wù)優(yōu)先級的隊列帶來消極影響。鑒于此，本文在對間插輪循算法做出相應(yīng)改進的基礎(chǔ)上，提出了兩種全新的支持多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的EPON上行信道動態(tài)帶寬分配算法：單級授權(quán)混合發(fā)送算法(Single-level Grant Merged Transmission Allocation, SGMTA) 和多級授權(quán)分離發(fā)送算法(Multiple-level Grant Separated Transmission Allocation, MGSTA)。
1.1 幀結(jié)構(gòu)
考慮到EPON對IEEE802.3所定義的以太幀結(jié)構(gòu)的兼容性，所設(shè)計的兩種算法共涉及到三種類型的幀：數(shù)據(jù)幀(DATA)，授權(quán)幀(GRANT)和請求幀(REQUEST)。其中數(shù)據(jù)幀仍然沿用IEEE802.3中的幀結(jié)構(gòu)，不做任何改變。而對于授權(quán)幀和請求幀，為了節(jié)約下行鏈路的帶寬，決定采用64 B的最小以太幀，具體格式分別如圖1和圖2所示，從圖中看出，Preamble為前導(dǎo)碼，SFD為定界符，DA為目的地址，SA為原地址，Type表示以太網(wǎng)類型域。從Subtype開始，請求幀各字段定義如下：Subtype 用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀，授權(quán)幀和請求幀；Timestamp 用于光線路終端(Optical Line Termination, OLT)和各ONU之間往返時間值的測定；Req_EF和Req_BE分別用于各ONU向OLT請求高優(yōu)先級業(yè)務(wù)EF和低優(yōu)先級業(yè)務(wù)BE的授權(quán)；Reserved/Data字段保留作為以后多優(yōu)先級業(yè)務(wù)的擴展或附帶傳送數(shù)據(jù)；FCS為校驗字段。授權(quán)幀的Sendtime_BE字段為授權(quán)ONU的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)BE發(fā)送時間，Grant_EF和Grant_BE 分別為OLT向授權(quán)ONU分配的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)EF和低優(yōu)先級業(yè)務(wù)BE的傳送窗口。

圖2 授權(quán)幀格式
1.2 SGMTA帶寬動態(tài)分配算法
SGMTA算法是一種主要基于ONU端設(shè)計的多優(yōu)先級動態(tài)帶寬分配方案。其步驟如下：
1) OLT依據(jù)授權(quán)表向各ONU發(fā)送帶寬授權(quán)。授權(quán)主要包括兩部分信息：所授權(quán)ONU的標(biāo)識和授權(quán)窗口的大小。此處的授權(quán)窗口是指ONU請求的各優(yōu)先級窗口大小之和。
2) ONU在用戶數(shù)據(jù)到來時按照ONU端的優(yōu)先級處理策略先將數(shù)據(jù)按其優(yōu)先級緩存在相應(yīng)的隊列中，并為高優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)進一步設(shè)置子優(yōu)先級：sub_priority=(t_wait+t_service)/t_service, 其中t_wait為該數(shù)據(jù)包在隊列中已等待的時間，t_service為該數(shù)據(jù)包所要求的傳送時延。所有數(shù)據(jù)等到授權(quán)到來時再統(tǒng)一發(fā)送。
3) OLT的授權(quán)幀到達ONU后，ONU讀取授權(quán)窗口，并根據(jù)窗口大小立即發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送策略為：先發(fā)送高優(yōu)先級的EF數(shù)據(jù)，發(fā)送時按照其子優(yōu)先級的大小依次發(fā)送。當(dāng)高優(yōu)先級隊列為空或是已發(fā)數(shù)據(jù)等于上輪申請的窗口時，停止發(fā)送。接著ONU利用授權(quán)中的剩余帶寬繼續(xù)發(fā)送低優(yōu)先級業(yè)務(wù)，直到授權(quán)窗口用完為止。發(fā)完數(shù)據(jù)后，ONU附帶發(fā)送請求幀，其內(nèi)容包括當(dāng)前各優(yōu)先級的隊列情況以及相應(yīng)的Timestamp值。
4) OLT在向ONU發(fā)送授權(quán)的同時接受ONU的數(shù)據(jù)和請求。數(shù)據(jù)交上層處理，請求則根據(jù)其內(nèi)容更新授權(quán)表。為進一步增加位于上輪請求和本輪授權(quán)之間到達的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的發(fā)送機會，可在當(dāng)前高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的授權(quán)窗口上附加一個補充窗口(supply_window)，作為下輪高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬預(yù)分配。同時為保證公平性，OLT為各ONU設(shè)置相應(yīng)的最大授權(quán)窗口Wmax。
5) 完成本輪輪詢和收到各ONU請求的基礎(chǔ)上，OLT根據(jù)更新后的授權(quán)表開始新一輪輪詢。通過分析，發(fā)現(xiàn)了SGMTA算法在繼承了光線路終端(Optical Line Termination, OLT)算法充分利用上行信道和避免同步與測距技術(shù)等優(yōu)點的同時，對高優(yōu)先級的EF業(yè)務(wù)采取了“一有授權(quán)，優(yōu)先發(fā)送”，“預(yù)先分配附加窗口”和“細分子優(yōu)先級”等策略，使得高優(yōu)先級業(yè)務(wù)在SGMTA算法中享有較好的時延特性，同時對于低優(yōu)先級BE業(yè)務(wù)，也會保證其申請的傳輸帶寬，避免其發(fā)送機會被EF業(yè)務(wù)強行占用，進而導(dǎo)致其緩沖隊列的不穩(wěn)定增長。
1.3 MGSTA帶寬動態(tài)分配算法
MGSTA算法是一種主要基于OLT端設(shè)計的多優(yōu)先級動態(tài)帶寬分配方案。在闡明這一算法之前，先來分析一下SGMTA算法中存在的兩點不足：1) 在SGMTA中各ONU的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)(EF)是間隔在不同ONU低優(yōu)先級業(yè)務(wù)(BE)之間進行傳送的。這樣當(dāng)各ONU的BE業(yè)務(wù)比較繁忙時，SGMTA的整個輪詢周期就會加大，各ONU的EF業(yè)務(wù)的發(fā)送間隔也會相應(yīng)的增長。2) 由于請求幀是在低優(yōu)先級業(yè)務(wù)發(fā)送完畢時附帶發(fā)送的，因此當(dāng)OLT開始下一次輪詢時，距離上輪第一個被輪詢到的ONU所報告帶寬請求時刻已經(jīng)相隔了較長的一段時間。而在這段時間內(nèi)達到的EF業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在本輪授權(quán)中并沒有被申請，其發(fā)送機會僅依賴于OLT端根據(jù)預(yù)測分配的附加窗口，其準(zhǔn)確程度有限。
為了解決以上問題，在SGMTA算法改進的基礎(chǔ)上提出了MGSTA動態(tài)帶寬分配方案，其主要改動部分如下：
1) 整個輪詢周期根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級劃分為多個輪詢子周期。各輪詢子周期的安排順序遵照其對應(yīng)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級高低，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)先輪詢，低優(yōu)先級業(yè)務(wù)后輪詢。
2) 對OLT的授權(quán)機制進一步細分，由SGMTA算法中的整體授權(quán)改為針對不同優(yōu)先級的分級授權(quán)。
3) 考慮到節(jié)約下行鏈路帶寬，OLT對ONU的多優(yōu)先級業(yè)務(wù)授權(quán)仍封裝在一個授權(quán)幀中。各ONU接收到授權(quán)后，立即發(fā)送高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，同時獲取下一個低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的發(fā)送時間。
4) 在低優(yōu)先級的發(fā)送窗口內(nèi)增加“帶內(nèi)開窗”機制，為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)在同一輪詢周期內(nèi)提供多次發(fā)送機會。同時, 請求幀仍然附加在最后一個優(yōu)先級業(yè)務(wù)發(fā)送完成之后進行。

2 仿真結(jié)果和性能分析
為了驗證SGMTA算法和MGSTA算法的可行性，進行了仿真實驗。實驗中所用到仿真參數(shù)設(shè)置如下(FSA, SGMTA和MGSTA算法的仿真參數(shù)相同)：ONU的個數(shù)：16；優(yōu)先級的設(shè)置：高優(yōu)先級：EF，低優(yōu)先級：BE；OLT到ONU的距離：10～20 kｍ；上下行鏈路速率：1 Gbps；業(yè)務(wù)源：Paerto和Poisson；幀長：64～1518 B；保護時間：1 μs；ONU最大分配窗口：15 000 B。
為了更好地模擬實際EPON中的數(shù)據(jù)源，在仿真中采用了具有自相似性(self-similarity)和長相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源和具有泊松(Poisson)分布的數(shù)據(jù)源疊加而成。其中高優(yōu)先級業(yè)務(wù)占整個網(wǎng)路負載的20％，低優(yōu)先級業(yè)務(wù)占80％。整個仿真模型考慮了數(shù)據(jù)的排隊延時Tq，發(fā)送延時Ts和鏈路傳播延時Tp。
圖3為測定了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)EF在FSA，SGMTA和MGSTA三種算法下端到端時延d隨網(wǎng)絡(luò)負載l改變的情況。所不同的是：圖3a為在高優(yōu)先級業(yè)務(wù)源負載恒定的情況下測出的，圖3b中的EF業(yè)務(wù)源則隨著網(wǎng)絡(luò)負載增加而增加，但與低優(yōu)先級業(yè)務(wù)比例始終維持一定。通過比較，發(fā)現(xiàn)在兩種測試條件下，MGSTA和SGMTA分配算法均比FSA算法體現(xiàn)出更小的時延以及更平穩(wěn)的時延變化。在滿負載或超負載時，F(xiàn)SA的EF時延約為MGSTA的2.5～3倍, SGMTA的1.2～1.5倍。 這是由于MGSTA和SGMTA算法在設(shè)計的思想中分別采用了“多級授權(quán)，分離發(fā)送”，“預(yù)分帶寬，帶內(nèi)開窗”和“細分子優(yōu)先級”等機制為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)盡可能多的提供了發(fā)送機會。
圖4為FSA，SGMTA和MGSTA算法下ONU處的隊列尺度b改變的情況，圖4a給出了兩種算法相對于FSA算法的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的隊列尺度b，可以看到其變化趨勢與各自算法的時延特性基本一致。MGSTA算法中高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的及時傳遞，必將導(dǎo)致相同負載下其較小的隊列長度和較穩(wěn)定的增長變化。圖4b則表明了ONU處所需的緩沖區(qū)大小，發(fā)現(xiàn)即使在MGSTA算法允許高優(yōu)先級業(yè)務(wù)搶占低優(yōu)先級業(yè)務(wù)發(fā)送帶寬的情況下，其總共所需的緩沖空間仍小于SGMTA算法。原因為：1) MGSTA算法中為各ONU預(yù)先分配了一個附加窗口，使高優(yōu)先級業(yè)務(wù)不會耗盡低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的發(fā)送帶寬。2) 在允許高優(yōu)先級搶占低優(yōu)先級帶寬的同時，也允許低優(yōu)先級在沒有高優(yōu)先級業(yè)務(wù)時利用附加窗口發(fā)送，使得帶寬分配更為靈活。

(a) 高優(yōu)先級業(yè)務(wù)EF的平均隊列尺度 (b) ONU的緩沖區(qū)大小
圖4 FSA, SGMTA和MGSTA算法下ONU處的隊列情況

支持QoS的EPON上行動態(tài)帶寬分配算法設(shè)計