ImmenStar:通過上行帶寬的動態(tài)分配優(yōu)化PON性能

    最近，光網(wǎng)絡行業(yè)，特別是在無源光網(wǎng)絡(PON)方面有了很大的復興。PON能夠消除光纖電信基礎設施的巨大帶寬與其用戶的局域網(wǎng)(LAN)日益增長的帶寬需求間的訪問瓶頸。 

    PON的商業(yè)優(yōu)勢在于它們不需要在野外安裝昂貴而又相對脆弱的硬件設備——用可以將同一數(shù)據(jù)流分配到多個地點的簡單分光器代替有源光纖交換器。對下載大量的數(shù)據(jù)流而言，這是一個簡單的解決方案；但它也提出一個問題，即如何以最佳的方式上傳單獨終端用戶的數(shù)據(jù)流，而不會在網(wǎng)絡主干中引起沖突。      我們采用的解決方案是將上行流量劃分成不同的時間間隔，并為每個終端用戶分配單獨的時間空檔來進行數(shù)據(jù)傳輸。但是，有多種方式可分配那些時間空檔，而且，在PON配置中，找出最佳的帶寬分配技巧也是一個重要的問題。 

    本文簡單討論了上述問題，并描述動態(tài)帶寬分配(DBA)的最新發(fā)展動向。 

    PON與用來優(yōu)化都市間應用以及長距離應用的點對點光纖技術不同，它們主要用于訪問網(wǎng)絡。它們比其它訪問解決方案更簡單、更高效、更低廉，所以PON可以向?qū)⒐饫w擴展到最后一英里的服務提供商提供一種成本低廉的連接方式。因此，PON作為下一代高速低成本訪問網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的可選訪問技術，正受到人們的廣泛認可。 

    PON的典型設施是從服務提供商中心辦公室(CO)發(fā)出的一種樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，在那里，來自中心辦公室光線路終端(OLT)設備的一條單獨光纖主干被無源分光器分離，并由客戶家中的許多光網(wǎng)絡單元(ONU)所共享

    在由OLT至一個ONU的下行方向，PON則成為一個將每個以太網(wǎng)信息包同時傳送給所有用戶家庭的一種傳播媒介。而每個單獨的ONU則僅提取定址信息包給OLT，并忽略其他信息包。因此，下行帶寬共享相對簡單，它根據(jù)服務等級協(xié)議(SLA)與其他策略，由一個在OLT執(zhí)行的出口調(diào)度策略來指示。 

    但在上行方向，在某個時間，只能有一個ONU向OLT進行傳輸，以防止來自不同用戶的信息包相互沖突。為達到這一目的，IEEE 802.3ah標準采用了一個基于復式分時的媒體訪問控制協(xié)議，并將其命名為多點到單點控制協(xié)議(MPCP)。它允許OLT在ONU間作出仲裁，要求上行傳輸并分配唯一的時間空檔，以便每個ONU僅在指定的時間空檔內(nèi)傳輸上行信息包。 

    所有當前的PON標準應用這個復式分時(TDM)方法來進行上行傳輸，而不是應用明顯更為簡單的波分復用(WDM)技巧；WDM為每個ONU分配不同的光波長，并讓它們同時進行上行傳輸且不會造成沖突。這是因為，在一個相對的波長范圍內(nèi)，要讓每個ONU擁有不同的光模塊條件下，會大大增加制造與銷售的復雜性。它還要求保證每戶家庭一貫使用正確波長的ONU——這增加了管理負擔——總之，這一方法還沒有確定的標準。雖然WDM方法具有雙向提供全部帶寬的優(yōu)勢，實際上用戶并不需要這么大的上行帶寬，因為一般最大的流量出現(xiàn)在下行互聯(lián)網(wǎng)方向——如IPTV與網(wǎng)絡下載——而上傳請求則相對簡單。因此人們選擇了分時技術。 

    IEEE MPCP應用兩個特別信息來控制時間空檔分配——GATE與REPORT。REPORT消息由ONU向OLT發(fā)送，被ONU用來報告它的即時上行帶寬需求——REPORT消息還包括隊列信息，可幫助OLT分配適當?shù)膸�寬。相對應地，GATE消息由OLT向ONU發(fā)送，它通過指定起始與終止時間向ONU分配一個時間空檔，在這段時間內(nèi)，ONU能夠向OLT上傳經(jīng)過排序的用戶流量。 

    當然，所有時間量度都十分微小——在IEEE 802.3ah標準中，MPCP計時以16毫微秒的單位來計量。在如此迅速的運作速度下，分時過程甚至能夠支持極為重要的流量，如IP電話，而不會引起可見的質(zhì)量變化。 

    MPCP為OLT仲裁上傳帶寬提供了一種控制機制，但它無法指定任何特定的分配策略。所以可以自由選擇最佳的分配策略。所謂的“動態(tài)帶寬分配”(DBA)算法考慮到數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)性本質(zhì)，并適應瞬時的ONU帶寬需求，并為上傳流量流安排最佳的公平性、延時、變異程度與其他所需的特性。 

    DBA設計標準 

    設計或選擇適當?shù)腄BA需要根據(jù)幾種標準進行仔細的評估。首先，整個有效帶寬會施加限制。其次，用戶與提供商間的服務等級協(xié)議(SLA)也會帶來制約——它可能會指定最�。ê妥畲螅�帶寬等級并給某些類型的流量以優(yōu)先權。另外還有“公平性”需求——在SLA所指定的范圍內(nèi)提供其所認為的“優(yōu)良服務”，以進行資源傳播，并讓所有用戶滿意。而且它還必須平衡地傳送帶寬——不能進行碎片式傳送，否則接收者的緩沖器就無法接受數(shù)據(jù)流，并會引起分組延時（也稱作“延時變異程度”）的過度變異。 

    帶寬分配可以是“連續(xù)工作型”或“斷續(xù)工作型”。連續(xù)工作型方案只要至少有一個ONU在進行數(shù)據(jù)傳輸，就可保證帶寬不被浪費。該方案在其他所有ONU的帶寬需求得到滿足的條件下，它們允許某個ONU獲得特定需要的最大帶寬。斷續(xù)工作型方案則不允許任何ONU超過標準，例如，即使還存在有額外的帶寬，ONU也不能超過SLA指定的最大帶寬。因此在斷續(xù)工作型中，一些PON中可能有時沒有數(shù)據(jù)傳輸，而另外一些ONU則急需帶寬。盡管斷續(xù)工作方案存在這樣明顯的缺點，但它仍有助于減少核心網(wǎng)絡中的潛在堵塞，并可以減輕變異程度。 

    除了公平地共享帶寬以外，DBA還必須提高效率——以便獲得較高的上傳連接利用率，使傳輸許可不至浪費。幀描繪說明了上行帶寬被浪費的一個實例——由于以太幀大小的易變性以及幀分段的不可靠性，一個ONU可能不會完全使用所分配的傳輸許可。 

    DBA也不能引起過多的延時。一個攜帶排序信息包的ONU應盡可能迅速、定期地獲得傳輸許可。在進行實時語音與視頻傳輸時，將延時減到最小極為重要。無論如何，信息包傳輸延時過長，就需要進行額外的緩沖，以避免信息包丟失。 

    信息包延時變異被稱作延時變異程度范圍。在傳輸視頻與語音應用時，為減少在目標區(qū)所需的緩沖區(qū)，保證平衡、不間斷的重放過程，將延時變異最小化極為重要。

    在PON上傳送REPORT與GRANT信息所需的時間確實給上傳信息包帶來額外的延時與變異。因為直到一輪REPORT與GRANT信息被交換后，DBA才會進行傳輸。因此，理想的DBA方案應足夠簡單快捷，能夠盡可能迅速地處理REPORT信息并送出GRANT信息，從而滿足低延遲的實時需求。

    現(xiàn)有的帶寬分配方案 

    人們提出了許多帶寬分配方案，其主要可分為三種類型：
    “基于靜態(tài)SLA”帶寬分配方案是最簡單的分配方案，它們應用固定的傳輸許可計劃——以服務等級協(xié)議為基礎——并重復不斷地向每個ONU提供類似于TDM的服務。在每個周期中，DBA輪流為每個ONU分配一個固定的傳輸許可，忽略REPORT信息中ONU需求之類的動態(tài)因素。雖然這種計劃能夠?qū)⒀訒r與變異程度減到最小，但它們最適用于持續(xù)穩(wěn)定的比特率流量。在爆發(fā)式及動態(tài)流量模式中，靜態(tài)方案會造成帶寬利用率過低與分配不公。
 
    “基于需求”的方案考慮到ONU（并非任何一個針對SLA的ONU）的帶寬需求。通常，OLT輪流取出ONU，根據(jù)接收到的REPORT消息中的隊列長度，按需給ONU發(fā)布傳輸許可。這些方案可達到較高的帶寬利用率，但無法像基于SLA方案一樣為ONU提供公平性傳輸或者平均化的服務。此外，由于發(fā)布傳輸許可的周期長度在不斷變化，它們也不能提供低延時與變異程度范圍。 

    更為復雜的方案旨在這兩種方法間尋求平衡。這些“基于需求與SLA”的帶寬分配方案同時考慮SLA與個體需求。在每個周期中，它們通過組合自注冊ONU處接收到的最新REPORT信息和為這些ONU配置的SLA參數(shù)，并應用一個適當?shù)墓�平性模型來建立傳輸許可計劃。 

    對于在ONU內(nèi)處理調(diào)度的方案還可做進一步的區(qū)分。單獨的ONU通常根據(jù)所支持服務的類別在多個隊列中排列流量，且多數(shù)分配方案把這項工作讓ONU自己完成。但是有一些DBA方案則進一步檢驗包含在MPCP REPORT消息中的隊列長度，以決定一個單獨ONU支持的每個QoS的個體帶寬需求——就像是說：“這一個幾乎就得到了帶寬分配，但我要把優(yōu)先權交給當前的VoIP呼叫。”如有必要，在任何周期中，DBA可為每個ONU分配多個傳輸許可，每個優(yōu)先隊列分配一個，而不用ONU在當?shù)匕才抛约旱膬?yōu)先隊列。雖然這些方案能夠?qū)崿F(xiàn)精確的QoS服務區(qū)分，但它們十分復雜，基于標準的協(xié)議也不能完全支持這些方案，因此它們不適于廣泛采用。

    MIB-DBA解決方案 
    ImmenStar公司，系統(tǒng)級芯片無源光技術創(chuàng)造者，他們在研制MuLan 與Turandot芯片組時特別注重網(wǎng)絡優(yōu)化。這一工作包括為公平高效的上傳帶寬管理開發(fā)他們自己的MIB-DBA（最大-最小公平算法，相對限制DBA）算法。MIB-DBA算法是新型DBA結(jié)構(gòu)一部分，并應用在他們當前的系統(tǒng)級芯片解決方案中。 

    作為硬件開發(fā)商，ImmenStar團隊能夠利用硬件DBA解決方案的速度優(yōu)勢，而不會受到純硬件解決方案不變性的制約，他們已將它與一個軟件方法組合起來，以充分利用軟硬件優(yōu)勢。
 
    為使DBA模塊以較高的速度運行，由軟件DBA模塊中執(zhí)行的完整算法中的一個簡化變體被充分運用。這種“軟硬件雙重性”允許硬件模塊支持0.4毫秒這樣短的周期時間，提供極短的延時與極小的變異范圍。同時，軟件DBA模塊展現(xiàn)了優(yōu)秀的可配置性及特性，允許將來對DBA算法做出改變和/或修改，而不要求對相應的硬件進行改變或修改。這兩個模塊應用一個專用的、硬件驅(qū)動的DBA加速模塊，再結(jié)合其他功能，作為這兩個模塊和一個MPCP模塊間的接口，以保證MPCP GATE與REPORT消息的快速傳輸。   

    兩個模塊都要DBA加速模塊進行交互，并反過來與MPCP模塊進行通信。硬件DBA模塊應用高度優(yōu)化的ASIC設計，而軟件DBA模塊則由OLT的內(nèi)置微處理器控制。 

    這兩個DBA模塊接受以下四種輸入： 
    1) ONU SLA配置信息，包括已認可的參數(shù)，如峰值信息速率(PIR)、約定信息速率(CIR)、最大爆發(fā)規(guī)模，最大延時與最小變異程度。 
    2) 由系統(tǒng)供應商為個體OLT設定的參數(shù)——如周期長度、許可調(diào)度模式、連續(xù)工作模式與發(fā)現(xiàn)/注冊窗口大小。 
    3) ONU注冊信息，包括在給定時間注冊的有源ONU數(shù)量，及共享上行帶寬的需要。 
    4) 報告表格(Report Table)——由DBA硬件加速器維護，并包含從它們的REPORT消息中獲知的每個ONU隊列長度，以此作為其帶寬需求的指標。注意，在每個周期中，即使不允許進一步發(fā)送流量，系統(tǒng)也為每個ONU批準一個最小的上行時間空檔來發(fā)送REPORT消息——這樣就不會丟失ONU。 

    應用這四個輸入，DBA模塊執(zhí)行它的DBA算法，為下一個周期中的ONU生成傳輸許可計劃。這一計劃包含下一個周期中每個ONU許可的起始時間與長度，這些被寫入到許可表格(Grant Table)中。然后，DBA加速模塊應用此許可表格來生成適當?shù)腉ATE消息，再通過MPCP模塊將它們送交給各個ONU。 

    DBA周期長度各不相同，硬件模塊的周期長度可短至0.4毫秒，而軟件模塊可為1毫秒，最長可達10毫秒，這充分顯示了系統(tǒng)的適應性。盡管周期長度較短一般會使減小延時與變異程度，但它增加了處理MPCP消息與激光開關次數(shù)的時間，因而可能會降低上行通道的利用率。因此，設置一個相對寬泛的且可修改的周期長度范圍，MIB-DBA可以為上傳提供充分的適應性和貼合性。
 
    MIB-DBA算法 
    此算法應用計算機網(wǎng)絡領域內(nèi)的知名概念——“最大最小公平性”概念。最大最小公平性是在有著各自資源需求的多個相互競爭的實體間分配資源的一種策略。此策略試圖為當前接受最少資源的實體提供更多資源，并保證沒有實體獲得超過其需求的資源——同時，剩下的任何資源則在所有需求尚未滿足的實體間平均共享。 

    這種典型的公平性策略并未考慮指定最小保證帶寬與最大可分配帶寬的SLA，因此，MIB-DBA算法給每個ONU一個“權重”來擴充此策略。在應用一個權重最大最小公平性策略時，帶寬以增加需求的順序、按權重進行標準化來分配。例如，如果一個特定的ONU的權重為N，而系統(tǒng)中所有ONU的總權重為M，那么此ONU收到的資源為總資源分配的N/M。 

    此算法的詳細說明不在本文的討論范圍之內(nèi)，因此我們只簡單地列舉算法的主要決策過程，并為希望了解更多細節(jié)的讀者提供完整的算法流程圖 
    I在每個周期中，第一個問題(A)是這樣：“我們有足夠的帶寬為當前在線的ONU提供在SLA中承諾的所有最小帶寬嗎？”如果確實如此(B)，你要確保每個ONU得到這個最小帶寬，然后你看到兩個數(shù)據(jù)：首先，每個ONU的需求超出最小帶寬多少；第二，在每個ONU收到其SLA最小帶寬后，還剩下多少有效帶寬。 

    應用這些數(shù)據(jù)我們進入第一個疊合過程。在每個疊合過程中，我們(C)認為所有的ONU仍有未滿足的需求，并且我們定義一個“公平共享”方案，在ONU間按權重比例分配剩余的有效帶寬——所以權重最大的得到的帶寬最多（生活就是這樣）。滿足這一分配的ONU(D)將它作為下一個周期的“動態(tài)許可”——因為它們沒有另外的“需求”——此后，它們即退出計算。然后我們再重復疊合過程，但愿接下來未滿足需求的ONU會更少一些。 

    將這樣一個疊合過程應用到在線操作中的問題是：從理論上說，可能會發(fā)生許多次疊合過程，因此在下一個GATE消息出現(xiàn)之前，可能會出現(xiàn)嚴重的延時。但實際上，該算法十分傾向于一個最終理想的答案，那么“簡單行事”并限制疊合的次數(shù)就是可行的。讓人高興的是，MIB-DBA算法確實能夠迅速達成一致，即使有64個ONU互相競爭時，你也只有進行5次疊合就能得到相當公平的答案。這一限制已通過模擬與分析進行過大量的測試，結(jié)果表明最佳公平性只有非常細微的變異，同時運行速度更快，執(zhí)行過程更為簡單。特別地，它還支持小至1毫秒的DBA周期，以極低的延時與變異程度進行服務傳送。 

    因此，每個疊合在(E)處結(jié)束，在提出另一個疊合請求前，它檢查是否已完成了足夠的疊合次數(shù)。當疊合過程終止時，要對剩余的帶寬向那些仍在發(fā)出請求的ONU作最后的公平分配。而且，還可對總數(shù)目N進行調(diào)整，以滿足操作員的需要，這種靈活性用于平衡速度與供應的絕對公平性。 

    實際上，MIB-DBA算法具有足夠的靈活性，能夠根據(jù)操作員的選擇，適應連續(xù)工作與斷續(xù)工作兩種操作模式。如上所述，分配給一個ONU的帶寬并不僅限于它的最大SLA值——只要存在有效帶寬，且沒有與之競爭的ONU，則一個ONU就能獲得所請求的所有帶寬。但在斷續(xù)工作模式下，此算法能夠根據(jù)SLA中引用的值來限制帶寬。如前所述，為減少緩沖區(qū)的大小與堵塞，并降低變異范圍，有時執(zhí)行斷續(xù)工作模式更為可取——但這要以較低的帶寬利用率為代價。 
    適應性與控制的另一個方面是權重的分配。ONU的權重或者由網(wǎng)絡操作員按OLT指定的明確權重值來手工分配，或者可由DBA算法根據(jù)其他ONU SLA參數(shù)——如最小SLA值比例或平均SLA值——或最近的ONU流量記錄來自動分配。 

    結(jié)論 
    對上傳帶寬的公平高效分配意味著在公平性、效率、延時、變異程度及系統(tǒng)復雜性之間找到適當?shù)钠胶�。軟件�?zhí)行方式允許對應用網(wǎng)絡進行現(xiàn)場升級，并為服務提供商提供極大的適應性；而硬件執(zhí)行方式則允許系統(tǒng)以非常高的速度運行。 

    ImmenStar的MIB-DBA解決方案應用著名的最大最小公平性方法，以達到可能的最佳公平性結(jié)果，歸功于硬件與軟件執(zhí)行方式的最佳組合，實現(xiàn)了靈活高效的執(zhí)行效果。特別地，他們的MIB-DBA算法限制了每個周期的公平性疊合次數(shù)，大大減少執(zhí)行過程中的復雜程度，并實現(xiàn)了較快的操作速度，使OLT設備能夠輕松執(zhí)行軟件，且不致對性能造成重大影響。 

    這個例子說明，ImmenStar在2004年5月開發(fā)的“系統(tǒng)級芯片”解決方案為二年后MuLan™ EPON交換芯片組的發(fā)布打下了良好的基礎——同時也表明ImmenStar團隊進一步研制EPON與GPON的承諾。 

    欲了解他們MIB-DBA解決方案的詳細內(nèi)容，請參見他們網(wǎng)站www.immenstar.com上2005年9月發(fā)布的白皮書——《以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡智能動態(tài)帶寬分配》。