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1、毕业设计 公平高效支持QoS的EPON动态带宽分配算法设计原则研究英文和翻译公平高效支持QoS的EPON动态带宽分配算法设计原则研究甘萍（1、通讯科学与工程系，复旦大学，上海，200433.中国；2、计算机科学与信息工程系，上海应用技术学院，上海，200235,中国）摘要：在一个以太无源光网络中，一个好的的带宽分配（DBA）算法应该是保证服务质 量的，高效的，和公平的。分析了所有有关链路连接的因素，提出的四项原则应当是促进 链路利用率。遵循这样原则的实际方法也被提出，例如分组交织，基于帧边界授权。DBA 算法按照这样的原则可以使链路使用率达到96%o有人提出DBA应当能满足用户之间的公 平性。
2、一个可以保证用户公平和权限公平的方法是基于权限带宽分配协议分别授予每一个 用户带宽。采用区分服务模型，实行阀门是优先队列调度方式和采取适当长度的轮询周 期，可以满足服务质量的要求。关键词：以太无源光网；动态带宽分配；服务等级协 约；服务质量；公平性1、介绍以太无源光网络（EP0N）以最有希望的下一代接入网技术候选身份出现。一个EP0N系 统最基础的组成有一个位于总控机房光链路终端（0LT）, 一个位于用户的多路远程光网 络单元（ONUs）,是一个最基本的点对多点的无源器件网络。在下行通道，0LT以广播的 方式发送以太帧，同时ONUs有选择的回应它们的帧。在上行方向，时分复用的方法是常 常用于避
3、免冲突的方法。0LT和ONUs交换着由报告和授权组成的基于点对多点控制协议 （M0CP）的控制信息组。在一个报告帧中，0NU申请上行带宽。来自OLT的授权帧里包含 着授予特定0NU的开始时间和持续时间的时间片，用于0UN上传数据和报告。OLT基于动 态带宽分配的带宽分配策略是开发方都知道的。因为动态带宽的方法强烈的影响着网络的 性能，如链路效率，队列延时，和数据丢失，研究工作正在进行着目的就是为了找出更多 的解决方案去保证服务质量和较高的带宽分配效率。迄今为止，许多的满足服务质量要求动态带宽分配协议已经提出，但是很少能够达到最 佳的带宽利用效率同时保证公平。著名的IPACT算法是一种简单接近高
4、效动态带宽分配的 算法。然而，它减少了下行链路在轻载境况下的容量以及对不同服务的补偿。基于轮询的 动态带宽分配弥补的前者的缺点，同时给每一个不同的服务分配不同带宽的观点被后来的 DBA算法采用因为它保证了服务质量。在这种情况下，它完成了不同权重之间的公平。除 此之外，许多DBA算法关注了不同的0NU的公平。只有HPFCT努力达到不同用户之间的公 平。这个研究的产生由于未来对提高上行通道效率以及完成不同用户之间的公平的需求。在 调查过所有影响链路效率的因素后，我们提出了能设计出最理想效率的DBA算法的原则。 此外，其实际意义是可以提出建议消除所有的消极影响。在一个简单定义了终端用户的公 平后，一
5、个没有可耻的上行通路影响的分配方案踢了出来。2、上行通路效率我们称给同一个ONU发上传授权的间隔为轮询周期。特别的，理论上最大的链路效率可 以用一个R代表效率Tc代表周期长度，Wr代表报告信息长度，G代表两个ONU之间的传 输防护时间，N代表ONUs的个数，M代表在一个周期内分割给一个ONU的时间片，Tdba代 表OLT DBA运行时间和RTT代表信息来回一次的时间的方程式一样估计出来。u= R-所 iR + GWNxMf-RTT (1)一Tc明显的Wr, R, G,和N是不依赖DBA的，我们不可以去干涉它们。尽管RTT同样的不依赖DBA,但是我们可以通过分组交织的方式消除它在上行通路效率中的
6、消极因素（见2. 3节）。我们将Rda和RTT合并到DBA延时当中。所以最大效率与Tc, M,和DBA延时 有关。2. 1周期时间Tc在方程式（1）中明显的可以看出，周期时间越长，链路率越高。然而，如果周期时间 太短太频繁的发送授权帧会耗尽下行带宽。从另一个方面来说，周期长度不可以太长因为 这样意味着的数据延时主要由它产生。数据包在发送之前缓冲在ONU中。包数据延时包括队列延时，传播延时，传输延时和处 理时间。处理时间是小到可以忽略的。传播延时是与DBA算法无关的，这是一个微秒级别 的延时。比毫秒级别的周期时间小得多了。队列延时是最主要的延时。此节过后它将会详 细的在系统没有超载的情况下讨论。
7、队列延时是超过周期时间的一半的。因此周期时间应 当尽可能的在潜伏要求的范围之内。2. 2每一个ONU的传输时间M从报告信息获得的最大带宽请求和防护时间是与ONUs总数N和他们的传输时间M成比 例的。如果每一个ONU都允许在一个周期内分别发送两次后更多次数，就像一些DBA协议 里提议的，这个最大带宽请求将会相当大。因此，为了达到上向通道的高效率，如果其他 的请求能够以某种方式满足DBA应当在一个周期内允许每一个ONU传输一次。在随后的讨 论之中，我们应当说明限制M到1是可行的，没有违背其他的要求。2. 3DBA延时DBA延时与上行通路的空站状态有关。在后者逐步执行的每一个周期中，一旦最后的 ON
8、U传送的它的请求，所有的OUNs都要等待授权和上行通路的空站。在OLT收到所有的请 求信息后，它才开始运行DBA算法，生成和传输授权帧。直到最先的ONU接到它的授权帧 和开始新的一轮传输，这个上行通路都是空站的。因此这个空站状态包括DBA运行时间， 往返传播延时，传输延时和控制信息处理时间，最后两个延时是小到可以忽略的。如果平 均循环时间是50微秒，周期时间Tc是1. 5毫秒以及DBA运行时间是2微秒，DBA延时将 会在每个周期中占6. 8%的比例。有两个方法去消除DBA延时，一个是分组交织，另一个是提早请求带宽。在分组交织的方法中，ONUs是分成两个或者更多的组，这样同一组DBA延时就会合并
9、。 在等待A组的时候，OLT可以运行B组的带宽分配，当A组完成传输的时候，B组就可以 开始传输了。同样的，当接收到B组的ONU传输的数据时，OLT分配带宽给另外一个组。 在这种分组交织方式中，上行通路是绝对不会空站。最值得关注的IPACT算法创造了这个 想法。它对待一个ONU如一个组。在这这里，设计者动态的分配ONUs到不同的组别当 中，一个ONU请求多于它的保证带宽，而其他ONUs请求少于保证带宽，这样它们的请求 合并成一个发给OLTo HPFCT协议定义了同样级别的用户终端为一个组别。第二个方法，提早请求，是比数据更早的发送请求。当OLT接到全部的请求然后运行 DBA,这样它依旧可以接收来
10、自之间的ONU的数据。在ONU完成传输之前，给下一个周期 的第一个授权帧就会到达它的目的地，在之前周期传输结束后第一个被允许发送数据的 ONUo因此，上行通道总是在使用当中的。然而，DBA运算时间必须保持在最后的时间大于 DBA延时这样上行通道就总是在使用着。这意味着0NU的传输命令很可能是频繁改变的， 这会导致额外的数据延时变化，所以提早申请带宽的方法是不完美的。2.4分配后被闲置浪费了的时间效率可以描述为一个理想状态下的方程式，在这状态下没有被浪费闲置的时间片。在大多数情况下，0NU不能完全利用他的时间段应为以太帧不可以分割成片段，同时一 个命令的数据流必须保持完整。在ONU的时间片中，它
11、按照队列顺序发送帧。假设一个队 列里有N个帧，时间片的大小为TS,之前的帧的大小为Bm, k是满足使BkWTS的最大 mo然后这个在第K个帧之后的帧队列不能在这个时间段发送。因此一个分配后被闲置浪 费了的时间片出现了。因此带宽利用效率降低了。这个浪费了的时间大小的平均值与这个 帧的大小相关，与TS无关。如果帧大小一致的分布在(651418)字节之间，那么这个浪 费了的时间片的平均值就是595个字节。设定Tc为2毫秒，上行速率R是1个G, ONU的 个数为32个，带宽效率将会减少7. 616%0发生浪费分配的时间的情况是因为分配的带宽 与请求的带宽不匹配。为了避免这个问题，OLT应当给予ONUs
12、它们请求的带宽。但是这样 就会影响到别的分配策略。一个直接有效的方法是分配与之前的帧的总大小(包括8个字 节的前导和12个字节的交互空隙)匹配的时间片。这个想法引起了基于帧边界授权的算 法产生。在这些算法当中，一个ONU报告几个预先以某种方式预先分配好明显阀值的带宽 请求。OLT选择其中一个来回应请求，分配带宽，这看网络负载和DBA的分配策略而定， 如服务质量很公平性考虑。2. 5最大链路效率结合在2.2、2.3和2. 4节提出的原则的DBA算法，获得了一个如方程式(2)的最佳的 链路效率v _Tc-(JVrl R + G)xN(2)_ Tc如果是32个ONUs, R是1个G,防护时间G是1微
13、秒，Tc是1.5毫秒，那么最大链路 效率是96. 6%o如果是16个ONUs这最大链路效率是98. 3%这两个都高于在同等条件下 的报告帧的95. 4%. 一个好例子就是SOABR算法，唯一一个满足刚才所提到的原则的算法， 在Tc为1. 45毫秒，N为32时其仿真结果的链路效率为96. 7%。3、公平性首先我们需要定义好在EPON中的公平性。许多研究者都-致同意这个定义：所有的目 标都可以公平的获得带宽分配(平等、保障或是加权)。只有当一些目标的需求少于它们 的保证带宽，他们才获得少于保障带宽，并且剩余的带宽按照权重比例重新分配给那些需 要的带宽多余最大带宽的请求。所以公平性不是不管OUNs是
14、否注册都为之保留带宽。不 同的服务级别和用户都应当是分配的目标。对于不同的分配目标而言，都有三种不同的公 平性：不同ONU组之间的公平性，不同级别服务的公平性和不同用户之间的公平性。分配不同级别的带宽给每一个级别的服务可以保证服务之间的公平性。除此之外，许多研究者都注意到了不同组别的ONU的公平性。保障了不同组别的ONU的 公平性的DBA算法将ONUs分了等级或者提出了服务等级的建议。它们分配保障带宽或者 权重给共享带宽的ONUs。如果在ONU所有的队列像一个共享带宽的整体，她就能只保障在 同一个ONU中队列的公平性。可以说是同胞之间的公平性。FQSE协议将单个队列作为可分 配的对象，提供一个
15、广义的接近公平的公平去保证仍以结构等级的公平，也就是说全局公 平性。HPFCT努力去达到用户直接按的公平性。根据它们的SLA和请求比例来划分用户等级并 以此来予以授权。3. 2公平性和用户的SLA此外，让我们检验用户公平性的价值。EPON是一个解决住宅和商业接入网技术的方案。 考虑到有多种EPON调度方案在今天的中国，很可能一个简单的ONU连接着几个用户不同 服务质量的要求。所以EPON确保SLA服从单个用户是很基本的，这不同于ONUso如果 S1A或者ONUde权重是独立于用户，ONU组收益率是不公平的因为两个相同的用户是接受 不同的服务。不管它是在哪一个组，每一个用户应该能被保证接收完全的
16、服务。如果我们 地区需要去对ONUs进行级别区分，那么每一个ONU的权重应当由用户的SLA服务质量来 决定。为了达到用户之间的公平性，带宽分配的目标应当是用户，用户的SLA服务质量应当是 表现在带宽配额中或者某种方式分配的权重当中。但是OLT直接安排每一个位于ONUs的 队列来说是不实际的。当EPON配置的时候，OLT只是分配时间片给ONIL在ONU上的调度是根据分配的带宽来改变，根据用户的SLA来安排个每一个用户。考虑到不同服务的不同级别的公平性是，ONU应该维持多个队列（每一个级别一个队 列）给每一个用户和唯一的授予它们。从FQSE的观点来说，EPON是一个用户的队列级别是根节点，用户是第二层节点，用户 是ONUs的子节点4阶级的分层调度系统。如果用户的SLA保证带宽是根据给它的传输级 别所占的比例和DBA分配带宽是与用户的SLA 一致，那么全局公平也就是说所有的公平都 会达到。4、
