支持QoS的兩種新型帶寬分配算法

支持QoS的兩種新型帶寬分配算法
文獻(xiàn)[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(duì)延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)敏感的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。為了解決此類問題，文獻(xiàn)[2]中提到了一種固定時(shí)隙分配 (Fixed Slot Allocation, FSA)算法，然而固定時(shí)隙分配帶來的弊端是：輕負(fù)載時(shí)大部分光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit, ONU)的帶寬浪費(fèi)明顯，上行信道利用率很低。而在重負(fù)載時(shí)ONU之間又不能形成帶寬共享，給高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)延和各業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列帶來消極影響。鑒于此，本文在對(duì)間插輪循算法做出相應(yīng)改進(jìn)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(dòng)態(tài)帶寬分配算法：?jiǎn)渭?jí)授權(quán)混合發(fā)送算法(Single-level Grant Merged Transmission Allocation, SGMTA) 和多級(jí)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(duì)IEEE802.3所定義的以太幀結(jié)構(gòu)的兼容性，所設(shè)計(jì)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(qǐng)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(duì)于授權(quán)幀和請(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)求幀；Timestamp 用于光線路終端(Optical Line Termination, OLT)和各ONU之間往返時(shí)間值的測(cè)定；Req_EF和Req_BE分別用于各ONU向OLT請(qǐng)求高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)EF和低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)BE的授權(quán)；Reserved/Data字段保留作為以后多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展或附帶傳送數(shù)據(jù)；FCS為校驗(yàn)字段。授權(quán)幀的Sendtime_BE字段為授權(quán)ONU的低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)BE發(fā)送時(shí)間，Grant_EF和Grant_BE 分別為OLT向授權(quán)ONU分配的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)EF和低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)BE的傳送窗口。

圖2 授權(quán)幀格式
1.2 SGMTA帶寬動(dòng)態(tài)分配算法
SGMTA算法是一種主要基于ONU端設(shè)計(jì)的多優(yōu)先級(jí)動(dòng)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(shí)和授權(quán)窗口的大小。此處的授權(quán)窗口是指ONU請(qǐng)求的各優(yōu)先級(jí)窗口大小之和。
2) ONU在用戶數(shù)據(jù)到來時(shí)按照ONU端的優(yōu)先級(jí)處理策略先將數(shù)據(jù)按其優(yōu)先級(jí)緩存在相應(yīng)的隊(duì)列中，并為高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步設(shè)置子優(yōu)先級(jí)：sub_priority=(t_wait+t_service)/t_service, 其中t_wait為該數(shù)據(jù)包在隊(duì)列中已等待的時(shí)間，t_service為該數(shù)據(jù)包所要求的傳送時(shí)延。所有數(shù)據(jù)等到授權(quán)到來時(shí)再統(tǒng)一發(fā)送。
3) OLT的授權(quán)幀到達(dá)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(jí)的EF數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)按照其子優(yōu)先級(jí)的大小依次發(fā)送。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空或是已發(fā)數(shù)據(jù)等于上輪申請(qǐng)的窗口時(shí)，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(jí)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(qǐng)求幀，其內(nèi)容包括當(dāng)前各優(yōu)先級(jí)的隊(duì)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(shí)接受ONU的數(shù)據(jù)和請(qǐng)求。數(shù)據(jù)交上層處理，請(qǐng)求則根據(jù)其內(nèi)容更新授權(quán)表。為進(jìn)一步增加位于上輪請(qǐng)求和本輪授權(quán)之間到達(dá)的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的發(fā)送機(jī)會(huì)，可在當(dāng)前高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的授權(quán)窗口上附加一個(gè)補(bǔ)充窗口(supply_window)，作為下輪高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬預(yù)分配。同時(shí)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(qǐng)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(cè)距技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)高優(yōu)先級(jí)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(xì)分子優(yōu)先級(jí)”等策略，使得高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在SGMTA算法中享有較好的時(shí)延特性，同時(shí)對(duì)于低優(yōu)先級(jí)BE業(yè)務(wù)，也會(huì)保證其申請(qǐng)的傳輸帶寬，避免其發(fā)送機(jī)會(huì)被EF業(yè)務(wù)強(qiáng)行占用，進(jìn)而導(dǎo)致其緩沖隊(duì)列的不穩(wěn)定增長(zhǎng)。
1.3 MGSTA帶寬動(dòng)態(tài)分配算法
MGSTA算法是一種主要基于OLT端設(shè)計(jì)的多優(yōu)先級(jí)動(dòng)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(diǎn)不足：1) 在SGMTA中各ONU的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(EF)是間隔在不同ONU低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(BE)之間進(jìn)行傳送的。這樣當(dāng)各ONU的BE業(yè)務(wù)比較繁忙時(shí)，SGMTA的整個(gè)輪詢周期就會(huì)加大，各ONU的EF業(yè)務(wù)的發(fā)送間隔也會(huì)相應(yīng)的增長(zhǎng)。2) 由于請(qǐng)求幀是在低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)送完畢時(shí)附帶發(fā)送的，因此當(dāng)OLT開始下一次輪詢時(shí)，距離上輪第一個(gè)被輪詢到的ONU所報(bào)告帶寬請(qǐng)求時(shí)刻已經(jīng)相隔了較長(zhǎng)的一段時(shí)間。而在這段時(shí)間內(nèi)達(dá)到的EF業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在本輪授權(quán)中并沒有被申請(qǐng)，其發(fā)送機(jī)會(huì)僅依賴于OLT端根據(jù)預(yù)測(cè)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(jìn)的基礎(chǔ)上提出了MGSTA動(dòng)態(tài)帶寬分配方案，其主要改動(dòng)部分如下：
1) 整個(gè)輪詢周期根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)劃分為多個(gè)輪詢子周期。各輪詢子周期的安排順序遵照其對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高低，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)先輪詢，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)后輪詢。
2) 對(duì)OLT的授權(quán)機(jī)制進(jìn)一步細(xì)分，由SGMTA算法中的整體授權(quán)改為針對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的分級(jí)授權(quán)。
3) 考慮到節(jié)約下行鏈路帶寬，OLT對(duì)ONU的多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)授權(quán)仍封裝在一個(gè)授權(quán)幀中。各ONU接收到授權(quán)后，立即發(fā)送高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，同時(shí)獲取下一個(gè)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)間。
4) 在低優(yōu)先級(jí)的發(fā)送窗口內(nèi)增加“帶內(nèi)開窗”機(jī)制，為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在同一輪詢周期內(nèi)提供多次發(fā)送機(jī)會(huì)。同時(shí), 請(qǐng)求幀仍然附加在最后一個(gè)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)送完成之后進(jìn)行。

2 仿真結(jié)果和性能分析
為了驗(yàn)證SGMTA算法和MGSTA算法的可行性，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)：16；優(yōu)先級(jí)的設(shè)置：高優(yōu)先級(jí)：EF，低優(yōu)先級(jí)：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(zhǎng)：64～1518 B；保護(hù)時(shí)間：1 μs；ONU最大分配窗口：15 000 B。
為了更好地模擬實(shí)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(zhǎng)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(jí)業(yè)務(wù)占整個(gè)網(wǎng)路負(fù)載的20％，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)占80％。整個(gè)仿真模型考慮了數(shù)據(jù)的排隊(duì)延時(shí)Tq，發(fā)送延時(shí)Ts和鏈路傳播延時(shí)Tp。
圖3為測(cè)定了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)EF在FSA，SGMTA和MGSTA三種算法下端到端時(shí)延d隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載l改變的情況。所不同的是：圖3a為在高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)源負(fù)載恒定的情況下測(cè)出的，圖3b中的EF業(yè)務(wù)源則隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加而增加，但與低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)比例始終維持一定。通過比較，發(fā)現(xiàn)在兩種測(cè)試條件下，MGSTA和SGMTA分配算法均比FSA算法體現(xiàn)出更小的時(shí)延以及更平穩(wěn)的時(shí)延變化。在滿負(fù)載或超負(fù)載時(shí)，F(xiàn)SA的EF時(shí)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(jì)的思想中分別采用了“多級(jí)授權(quán)，分離發(fā)送”，“預(yù)分帶寬，帶內(nèi)開窗”和“細(xì)分子優(yōu)先級(jí)”等機(jī)制為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)盡可能多的提供了發(fā)送機(jī)會(huì)。
圖4為FSA，SGMTA和MGSTA算法下ONU處的隊(duì)列尺度b改變的情況，圖4a給出了兩種算法相對(duì)于FSA算法的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的隊(duì)列尺度b，可以看到其變化趨勢(shì)與各自算法的時(shí)延特性基本一致。MGSTA算法中高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的及時(shí)傳遞，必將導(dǎo)致相同負(fù)載下其較小的隊(duì)列長(zhǎng)度和較穩(wěn)定的增長(zhǎng)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(jí)業(yè)務(wù)搶占低優(yōu)先級(jí)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?yàn)椋?) MGSTA算法中為各ONU預(yù)先分配了一個(gè)附加窗口，使高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)不會(huì)耗盡低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的發(fā)送帶寬。2) 在允許高優(yōu)先級(jí)搶占低優(yōu)先級(jí)帶寬的同時(shí)，也允許低優(yōu)先級(jí)在沒有高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)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(jí)業(yè)務(wù)EF的平均隊(duì)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(duì)列情況

支持QoS的EPON上行動(dòng)態(tài)帶寬分配算法設(shè)計(jì)