门限下行带宽

软件学报ISSN1000-9825,CODENRUXUEWE-mail:jos@iscas.
ac.
cnJournalofSoftware,2012,23(3):724734[doi:10.
3724/SP.
J.
1001.
2012.
04038]http://www.
jos.
org.
cn中国科学院软件研究所版权所有.
Tel/Fax:+86-10-62562563自适应门限的EPON动态带宽分配实现汪学舜1,2+,余少华2,罗婷1,戴锦友21(华中科技大学计算机科学与技术学院,湖北武汉430074)2(武汉邮电科学研究院,湖北武汉430074)DynamicBandwidthAllocationwithAdaptiveThresholdinEPONWANGXue-Shun1,2+,YUShao-Hua2,LUOTing1,DAIJin-You21(SchoolofComputerScienceandTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)2(WuhanResearchInstituteofPostandTelecommunication,Wuhan430074,China)+Correspondingauthor:E-mail:wang_xueshun@163.
comWangXS,YuSH,LuoT,DaiJY.
DynamicbandwidthallocationwithadaptivethresholdinEPON.
JournalofSoftware,2012,23(3):724734.
http://www.
jos.
org.
cn/1000-9825/4038.
htmAbstract:TheEthernetpassiveopticalnetworks(EPON)arehigh-speedsolutionstothebottleneckproblemofthebroadbandaccessnetwork.
ToprovideefficientandfairutilizationoftheEPONupstreambandwidthandsupportQoSrequirementsofdifferenttrafficclasses,adynamicbandwidthallocationalgorithmbasedongatethresholdisproposed.
Thealgorithmdecidesthedata-receivingrateoftheONU(opticalnetworkunit),accordingtotheONUdata-sendingresponserateandthegatethreshold.
Itthen,implementsthreemethodstoadaptandadjustthegatethreshold,andanalyzesthesemethods'characteristic.
Simulationexperimentsshowthealgorithmcandecreaseaveragepacketdelayandincreasenetworkthroughput.
Keywords:Ethernetpassiveopticalnetwork(EPON);dynamicbandwidthallocation(DBA);opticalnetworkunit(ONU);opticallineterminal(OLT);threshold摘要:EPON(Ethernetpassiveopticalnetwork)是解决宽带接入中瓶颈问题的关键技术.
为了实现EPON中共享上行带宽的公平和有效分配,以及不同分类业务的QoS保证,提出了基于门限的动态带宽分配算法.
该算法根据ONU(opticalnetworkunit)的带宽请求和门限值授权分配带宽,实现了3种基于反馈控制理论的自适应调整门限方法并分析了其优缺点.
模拟实验结果表明,与其他算法相比,该算法能够减少平均包时延,提高网络吞吐量.
关键词:以太无源光网络;动态带宽分配;光网络单元;光线路终端;门限中图法分类号:TP393文献标识码:A近10年来,Internet互联网和计算机技术的最大发展在支持在线游戏、视频会议、远程教育以及网络电话等方面.
最新的研究表明,为了满足这些业务的需求,改进无源光网络(PON)系统的带宽利用率可大幅度提高带宽.
PON系统采用时分多路技术(称为TDM-PON)或者波分多路技术(称为WDM-PON),使上行带宽利用率最大化.
在这两种技术中,由于TDM-PON的可靠性更高、维护成本更低而得到了更广泛的应用.
研究者提出了各种基金项目:国家高技术研究发展计划(863)(2005AA121410)收稿时间:2010-07-18;定稿时间:2011-04-14汪学舜等:自适应门限的EPON动态带宽分配实现725各样的TDM-PON机制,包括异步传输无源光网络(ATM-PON)[1]、宽带无源光网络(BPON)[2]、吉比特无源光网络(GPON)[3]和以太无源光网络(EPON)[4].
一个典型的EPON系统包括1个光线路终端OLT(opticallineterminal)和多个光网络单元ONU(opticalnetworkunit),OLT和ONU通过光纤分路器相连.
在下行传输时,光纤分路器将OLT的数据广播发送到所有ONU,每一个ONU只接收数据帧头信息中目的地址为自己的数据.
在上行传输时,所有ONU采用时分多路(TDM)机制,共享使用上行链路带宽.
上行使用时分技术可以最大限度地利用上行带宽,在ONU传输之间需要插入适当的时间间隔,以免发生碰撞.
由于不同ONU传输数据的多少并不相等,所以采用固定带宽分配机制效率较低[5].
在IEEE的802.
3ah标准中,可以通过多点控制协议(MPCP)实现动态带宽分配(DBA)机制[6].
通过MPCP协议,OLT能够根据每一个ONU带宽请求的大小,动态分配合适的传送上行数据的时间窗口.
另外,MPCP协议还能够测量OLT与ONU之间的往返时间,并支持自动发现.
为了保证上行带宽得到有效利用,尤其是对下一代上下行带宽为10G的EPON系统,必须采取有效的带宽分配策略.
迄今为止,最有名的上行带宽分配方法是Kramer和Mukherjee提出的交替轮循自适应循环周期算法(IPACT)[7],该算法是一种在OLT进行轮循的动态带宽分配方法.
本文提出了一个基于自适应门限的EPON动态带宽分配机制,该算法根据ONU的带宽请求和门限值,授权分配带宽.
如果OLT收到ONU的带宽请求小于门限值,OLT立即分配该ONU请求的带宽;如果ONU请求带宽超过门限值,则仅分配门限值对应的带宽给该ONU.
这样,系统负载较低时,轮循周期会相应减短,改进系统的时延性能;系统负载较高时,轮循周期会相应加长,ONU之间的保证时隙得以减少,提高了系统的利用率.
本文重点对OLT接收ONU带宽请求门限值的调整进行了研究,门限值下限依据OLT与ONU之间授权消息的往返时间来确定,门限值上限依据业务的QoS参数来确定,以保证在系统负载较高时仍能满足业务的QoS需求.
在调整门限的过程中,根据反馈控制理论,本文实现了3种门限的自适应调整方法:折半查询、比例控制和减少震荡的比例控制,每一个调整算法都是通过探寻来确定合适的轮循周期.
3种门限值调整算法的区别在于调整门限值的大小略有不同.
通过分析表明,3种算法都具有较好的快速收敛性和自适应性,比例控制算法和减少震荡的比例控制算法同时具有稳定性.
对于上下行带宽为10G的EPON系统,通过一系列的模拟实验,验证了加速转发流(EF)、确保转发流(AF)和尽力而为转发流(BE)的包时延和网络吞吐量性能.
实验表明,该算法对10GEPON系统具有有效性.
本文第1节论述相关的研究.
第2节论述基于门限动态带宽分配的不同实现机制.
第3节对提出的算法性能进行了分析.
第4节论述仿真结果并进行讨论.
最后一节为结论.
1相关研究在EPON系统中,OLT一般位于中心局,对所有ONU的上行带宽请求和分配进行管理.
在带宽分配过程中,需要考虑的一个重要问题是如何为每一个ONU进行动态带宽分配[7].
在EPON动态带宽分配机制中,有3种典型的机制:静态轮循、立即授权和交替轮循[8].
静态轮循机制中:OLT首先向ONU发送消息,查询ONU带宽需求;然后,ONU发送带宽需求,OLT在收到ONU带宽请求之后进行带宽分配.
静态轮循机制网络吞吐量较低,当带宽分配给ONU之后,信道空闲时间等于每一个ONU的往返时间.
立即授权机制中,OLT从一个ONU收到带宽请求消息之后,发送授权消息给ONU.
OLT在接收ONU的上行数据和带宽请求消息时,可向其他的ONU发送消息.
这种机制可以保证连续的上行数据传输,增加信道利用率.
立即授权机制的主要缺点在于OLT不能对每一个ONU智能地分配带宽.
为了解决立即授权的缺陷,交替轮循提出在每一个周期内,所有ONU都需要发送消息进行带宽请求,OLT在收到所有ONU的带宽请求信息之后,对每一个ONU授权分配的带宽.
交替轮循导致每一个周期内信道空闲时间等于计算时间加上往返时间.
为了解决交替轮循的信道空闲导致的低效率,很多学者进行了研究,如效用动态带宽分配机制[9]、改进的DBA(EBDBA)[10]等.
他们都使用合适的DBA机制,对终端用户,通过轮循调度实现爆发式传输.
当一个ONU请726JournalofSoftware软件学报Vol.
23,No.
3,March2012求带宽小于最小保证带宽时,OLT无需进行DBA计算,立即授权请求带宽.
这种方法可以减少信道空闲时间.
但如果所有ONU终端用户都是重载或处于突发模式,该方法就不能实现实时的带宽分配,此时的EBDBA与IPACT也没有差别.
另外,EBDBA和文献[10]的算法进行带宽分配时,改变了ONU顺序,可能会导致大的时延抖动和网络业务的不稳定.
文献[11]中,Sue等人通过调整EPON中使用的带宽请求消息和授权消息在传输窗口的位置,使传输时延最小化.
OLT使用启发式算法估计ONU的负载,并确定报告消息的位置,使得网络中平均传输时延最小.
该方法对非均匀ONU负载分布的性能改进特别明显.
但该算法通过启发式算法进行估算,计算时间复杂.
针对10GEPON中TCP传输,文献[12]中,Ikeda等人提出了一种自适应轮循周期动态带宽分配(DBA-APC),该算法使10GEPON中TCP吞吐量最大化.
DBA-APC主要针对当前DBA算法中TCP流的上下行效率较低,基于带宽利用率和TCP的往返时间RTT,对轮循周期进行自动调整.
文献[13]使用调度理论的方法,研究了多波长光接入网传输授权机制,将动态带宽调度问题的模型转化为一个开放式车间调度方法,对调度和波长分配进行形式化,并将其统一为一个线性规划问题,引入启发式的禁忌搜索算法来解决这个问题,同时也可改善波长分配和减少调度时间.
但该算法只能在某些特定场景下产生最优解,一般情况下不能产生最优解,因此该类算法也不能应用到单波长EPON系统中.
2基于门限动态带宽分配本文提出的机制是在文献[10]EBDBA的基础上改进而来的,主要针对单波长EPON系统中动态带宽分配,该算法称为自适应的动态带宽早期分配(ADBEA).
ADBEA在收到ONU的报告消息(请求带宽)之后,立即给该ONU进行授权带宽,而不是等待所有ONU的报告消息之后进行DBA计算并分配带宽.
ADBEA的操作如图1所示:如果一个ONU请求带宽小于门限值,OLT立即授权请求带宽;如果ONU请求带宽大于门限值,则OLT立即授权门限值的带宽.
比请求带宽少的部分,需要下一周期重新申请.
考虑到ONU发送请求时有新的数据到达,以及网络数据流的自相似性,授权带宽按照请求带宽进行比较和分配.
此外,这种方法避免了因改变ONU顺序而可能导致的大时延抖动和网络业务的不稳定.
Fig.
1ADBEAschedule图1ADBEA调度机制为了提高网络利用率,ADBEA算法的门限值能够根据轮循周期的长短进行自适应动态变化.
当网络负载较重时,门限值会适当提高.
在一个轮循周期内,每一个ONU可接收更多数据,轮循周期会相应加长,单位时间内ONU之间的保证间隙个数减少,带宽利用率因此得以提高;而当网络负载较轻时,自适应降低门限值,轮循周期也相应减短,数据传输的时延性能因此得以改进.
假设一个EPON系统中,N个ONU与一个OLT相连.
EPON系统上行带宽为Cbps,授权周期为Tcycle.
在该周R1R2R3保证时隙DataRXTXDataDataDataDataDataOLTONU(1~3)DBA计算时间DataDataDataR2R1DataDataR1R2R3R2R1R3G2G1G3G2G1G3RXTXR1~R3分别表示ONU1~ONU3带宽请求信息;RX表示接收数据;G1~G3分别表示ONU1~ONU3授权带宽信息;TX表示发送数据;表示上行数据表示下行数据G1汪学舜等:自适应门限的EPON动态带宽分配实现727期内,所有活跃的ONU都能向OLT发送数据和报告消息.
对于授权周期,有两个限制点:Tmin和Tmax,其中,Tmin大于授权消息往返时间,Tmax小于QoS参数保证的上限.
如果授权周期Tcycle大于Tmax,则降低单个周期内OLT接收ONU数据的门限,使其授权周期Tcycle下降;如果授权周期Tcycle小于Tmin,需要增加单个周期内OLT接收ONU数据的门限,直至该轮循周期达到Tmax.
因此,ADBEA在任何时候都能有效地保证授权周期在[Tmin,Tmax]之间.
对于N个活跃的ONU系统,轮循周期由3部分组成,即所有ONU数据包传输的时间、N个ONU报告消息的传输时间和N个连续ONU传输之间的保证时隙.
轮循周期计算如下:1NiPDicycleguardPNPTNTC=+=+∑(1)其中,PPD为MPCP报告消息大小,Pi为第i个ONU发送的数据长度,Tguard为ONU传输之间保证时隙,N为ONU的个数.
OLT在进行带宽分配时,进行授权的是允许传输的字节数.
授权门限值P是单个周期内允许传输的最大字节数.
根据反馈控制理论的原理,门限值调整算法的主要目标如下:(1)高效率:门限的调整,使EPON系统的网络性能得到提高;(2)自适应性:使用尽可能少的参数配置;(3)快速收敛性:尽可能快地收敛到静态或动态负载的操作点;(4)稳定性:无论ONU发送速率如何分布,算法都能够收敛,并且对网络参数的未知信息具有健壮性.
在调整门限的动态带宽分配算法中,如果轮循周期下降到给定的区域[Tmin,Tmax],不进行门限调整,设T0是期望的操作点,默认情况下,假定T0是Tmin和Tmax的中间值,每一个调整算法都是通过探寻来确定合适的T.
根据负反馈原理,当授权门限值增加时,轮循周期不会减少.
我们提出3种门限值的调整算法,所有算法的区别在于调整门限值的大小略有不同.
当然,这种计算会影响到稳定性,如门限值是否收敛到[Tmin,Tmax]之间的点和收敛速度.
归纳我们的算法如下:(1)折半查询算法(ADBEA-BT):该简单算法只能满足静态门限值调整算法的前3个目标;(2)比例控制算法(ADBEA-PC):该算法满足门限值调整算法的所有目标;(3)减少振荡的比例控制算法(ADBEA-FRP):该算法改进了比例控制算法,并考虑了稳定性和可追踪性.
2.
1折半查询算法ADBEA-BT对N个活跃的ONU,OLT一个周期内接收ONU数据的门限值PH范围为[PLB,PHB],PLB和PHB的计算如下:minPDLBguardPCPTNTNCN(2)maxPDHBguardPPTNTNCC(3)以上范围对应两种极端情况:PLB对应N个ONU均为高负荷且轮循周期长度处于下限的情况;PHB对应只有一个活跃的ONU为高负荷且轮循周期长度处于上限,其他ONU没有数据发送的情况.
折半查询门限值调整为:每次查询减少一半查询范围.
该算法依据轮循周期确定调整方向,轮循周期Tcycle大于Tmax时,下一周期的门限值HP′为当前周期的门限值PH与PLB之和的一半,即()/2HHLBPPP′=+(4)其中,HP′为调整后门限,PH为调整前门限.
轮循周期Tcycle小于Tmin时,下一周期的门限值为当前周期的门限值与PHB之和的一半,即()/2HHHBPPP′=+(5)轮循周期在Tmin和Tmax之间时,门限值则不需要进行调整.
折半查询不需要配置步进,增加和减少规则是对称的.
实验结果表明:折半查询对静态负载收敛较快,但因其稳定性较差而不适合动态变化.
728JournalofSoftware软件学报Vol.
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3,March20122.
2比例控制算法ADBEA-PC折半查询直接调整OLT一个周期内接收ONU数据的门限值,并没有考虑轮循周期超出目标的范围.
下面提出一种考虑轮循周期超出目标值大小的新算法.
当一个ONU请求传输数据超过门限值时,称为重载ONU.
如果重载ONU数量为n,则门限值的调整按式(6)计算:()cycleTTCPnΔ=(6)其中,T为[Tmin,Tmax]之间的一个目标轮循周期,在重载时,该值取为Tmax;轻载时,取为Tmin.
由于ONU请求传输数据是动态变化的,不可能确切知道重载ONU的数量,而且带宽请求门限值是可调整的,这也导致重载ONU数量的变化.
但是通过检测过去的轮循周期和门限值,能够估计n的值.
这种思想要求记录最后的门限值P和最后的轮循周期Tlast.
估计n计算如下:n=(TTlast)/(PPlast)(7)图2是估计n计算的伪代码.
由于ONU请求传输数据的快速变化,为了减少估计偏差,进行指数平均.
使用这个估计方法,根据公式(6)对门限值进行合理的变化.
这是比例控制算法ADBEA-PC的本质.
比例控制算法的实现伪代码与下一节减少振荡的比例控制算法ADBEA-FRP类似,参见第2.
3节的实现.
Fig.
2PseudocodetoestimatethenumberofhighofferedloadONU图2门限调整重载ONU数量估计方法为了保持系统稳定性,当需要进行调整时,期望调整的门限和轮循周期只是进行小幅度的变化,因此实际的调整值如下:ΔPPC=KpΔP(8)其中,ΔPPC为比例控制算法的实际调整值,Kp为门限实际调整值与需要调整值的比例.
在比例控制算法中,需要选择目标轮循周期T,这个值应该在[Tmin,Tmax]之间.
本算法的实现方法是:当系统重载时,即Tcycle>Tmax时,T取为Tmax;当系统轻载时,即Tcycle0}.
另外,如果D>0,存在Kp满足特征方程式.
根据文献[14],可以得到无效解满足:SL={Kp≥π/(2D)}.
为了保证一致性,Kp不能大于1.
在本系统中,要求调整稳定的时间D一般较小,因此π/(2D)>1.
故系统稳定的条件下,满足0PH)GatebandwidthisPH;elseGatebandwidthisrequestbandwidth;endifendforCalculateTcycleaccordingtoEq.
(1);if((Tcycle>Tmax)or(Tcycle0,满足D∠L(jw,Kp,D0).
传递函数得到正的相位失真,因此ADBEA-PC和ADBEA-FRP算法是稳定的系统.
为了确定稳定状态下的Kd,引入代价函数.
代价函数是门限控制算法有效性的度量函数,定义如下:1()ikiiJfTT===∑(12)其中,k为算法稳定之前经历的轮循周期数,Ti为第i个周期的轮循周期长度,T为期望的轮循周期长度.
代价函数f可以是方差函数或其他函数.
在公式(12)中,k类似于控制理论中的设定时间,表示系统响应减少的时间.
如果代价函数为方差函数,公式(12)的准则是,对每一个轮循周期,容忍小的偏差,惩罚大的偏差,即J越小越好.
而对于给定的[Tmin,Tmax],J能区分各种算法的有效性.
过分保守的算法倾向于较大的J,在某一轮循周期,门限值的较大变化会导致J较大.
对于有限的k值,公式(12)可以进行优化,选取合适的Kp和Kd,使J最小,即根据0pJK=和0dJK=计算选取的Kp和Kd.
3.
2带宽利用率分析ADBEA算法是一种基于爆发轮循的方式,OLT在收到ONU带宽请求后,可立即进行授权.
由于OLT上行传输和下行传输采用不同的波长,根据图1中的调度机制,ADBEA可有效利用轮循周期的计算和授权消息往返之间存在的空闲信道.
根据公式(1),一个周期中,OLT接收所有ONU数据和为1().
NicycleguardPDiPCTNTNP=∑根据EPON系统实际运行情况,虽然ONU负载变化较为频繁,但OLT中一种传输状况的传输会持续数秒时间.
因此,对于ONU处于重负载的条件下,可假定单位时间内授权周期不变,OLT可接收的ONU上行吞吐量为11.
NguardPDthiicyclecyclecycleCNTNPPPCTTT=∑从上式可以看出,OLT的授权周期Tcycle越长,单位时间内OLT接收ONU的上行数据越多,其上行带宽利用率越高.
ADBEA算法实现中,重载时随着授权门限值的增加,轮循周期逐步延长,直至授权周期为Tmax,该值是所能选取的授权周期的最大值.
从以上调整授权门限值的方向可以看出,ADBEA在重载时,能够有效提高ONU的上行带宽利用率.
在EPON系统中,包时延定义为包到达ONU的时刻与离开OLT的时刻之间的间隔,该值由3部分组成:包到达ONU队列与ONU开始发送报告消息之间的时间间隔、ONU开始传输报告消息与OLT响应传输请求而发送授权窗口时刻之间的时间间隔以及包的传输时间.
轻载时,ADBEA算法减小授权门限值,致使轮循周期减短,这样可以减短数据包在ONU队列内的排队时间,因此在轻载时,ADBEA可以有效地降低时延.
4性能分析为了验证算法的有效性,按照文献[3]的方法进行计算机模拟实验.
实验的EPON系统由一个OLT和多个ONU组成,形成星形连接.
OLT与ONU之间通过MPCP轮循机制进行发现,连接带宽为双向10Gbps,OLT与ONU之间的距离统一为20Km.
对本文中算法的代价函数取为轮循周期的方差函数,通过优化计算选取的Kp应小于1,Kd≈0.
48.
本节用ns-2模拟自适应门限的EPON动态带宽分配算法,首先对算法的稳定性和参数KP变化对算法性能的影响进行了实验;然后,对各算法性能进行了实验比较.
汪学舜等:自适应门限的EPON动态带宽分配实现7314.
1模拟环境在模拟实验中,自动发现的过程通过MPCP已经完成,OLT与所有ONU的往返时间RTT为200μs(即传输时延为100μs).
不同ONU之间的数据帧间隔时间为2ns,以太网帧间隔大小为20字节.
根据文献[15],对最高优先级的EF流,其时延上限为2ms;对中等优先级的AF数据流,其时延上限为8ms;对最低优先级的BE数据流,其时延上限为20ms.
ADBEA各算法的授权周期上限限制Tmax为2ms,下限限制Tmin为1ms.
若无特别说明,ADBEA-PC和ADBEA-FRP的Kp取为0.
8,ADBEA-FRP的Kd取为0.
48.
在模拟实验环境中,每一个ONU生成3种不同的传输流(EF,AF和BE),EF,AF和BE流量的比例分别为20:40:40.
EF数据流均为64字节,AF流大小在1518字节与64512字节之间均匀分布,BE包与AF包随机变化规律一致.
为了保证高优先级的数据流优先传输,在每一个ONU里有3个不同的优先级队列,共享10M字节的缓存.
当用户向ONU发送数据时,ONU对每一个以太帧的业务类型域进行检查,并将其放到相应的优先级队列里.
当ONU收到大量AF帧而导致缓存队列满载,此时如果又有新的AF帧到达而BE帧队列不空,BE帧则将被丢弃.
ONU发送时,优先发送高优先级队列的数据帧.
4.
2自适应门限稳定性和参数实验假设50个ONU向OLT发送数据,OLT接收数据能力为10Gbps,各ONU发送速率随机变化,这可能导致输入部分发生较大的变化,系统边界不稳定.
数据流变化为:15个ONU发送正弦变化的负载,其中5个的速率为50sin(0.
16t)+300Mbps,另外5个的速率为50sin(0.
16t+0.
5π)+150Mbps,最后5个的速率为100sin(0.
16t+1.
5π)+350Mbps;10个ONU负载为在150Mbps和250Mbps之间的方形脉冲,时间周期为10s;25个ONU发送高斯分布的负载:其中10个均值为300Mbps,变化幅度为100Mbps;另外10个均值为350Mbps,变化幅度为50Mbps;最后5个均值为400Mbps,变化幅度为100Mbps.
图4显示了OLT接收端口的平均接收速度.
根据以上实验,可以得到以下结论:输入扰动后,无论是接收速率超过带宽能力还是小于带宽能力,ADBEA-FRP算法都是稳定和收敛的.
在实验中,如果ONU数量很大,折半查询算法ADBEA-BT的瞬时响应并不令人满意.
在算法收敛之前,存在大量的越界现象,导致门限值剧烈变化.
另外,慢响应和重新初始化也导致大量的越界.
比例控制算法ADBEA-PC算法相对快速和稳定,但在有扰动时,也存在大量的越界,收敛时间较长.
与其他算法相比,ADBEA-FRP算法更健壮,在有外部扰动时,越界较少,而且收敛时间短.
在以上实验的基础上,对ADBEA-FRP算法修改不同的Kp值进行实验,图5显示了在不同KP情况下的测试结果.
Fig.
4AveragereceiveratewithFig.
5AveragereceiveratewithdifferentdifferentthresholdscheduleparameterKpinADBEA-FRPalgorithm图4不同门限调整算法出端口图5ADBEA-FRP算法参数Kp平均接收速率对入端口接收速率的影响02040608010.
4时间(s)平均接收速率(Gbps)ADBEA-BTADBEA-PCADBEA-FRP10.
210.
09.
89.
69.
402040608010.
2时间(s)平均接收速率(Gbps)10.
09.
810.
09.
810.
09.
8Kp=0.
8,Kd=0.
48Kp=0.
5,Kd=0.
48Kp=0.
2,Kd=0.
48732JournalofSoftware软件学报Vol.
23,No.
3,March2012对于ONU发送速率波动较大时,KP越小,ADBEA-FRP算法的响应越光滑;KP越大,ADBEA-FRP算法对噪音和发送速率大小越敏感.
另外,重复上述实验,改变重载ONU数量估计中的常量=0.
95.
结果表明,越大,越能跟踪重载ONU数量的变化;但是,的变化对平衡点并没有影响.
4.
3性能比较实验在性能实验中,存在两组ONU,一组为轻载流量传输(32个ONU),另一组为重载流量传输(32个ONU).
参照文献[10],每一个ONU生成3种不同的传输流(EF,AF和BE),每一种传输流按照Hurst参数的Pareto分布随机生成.
其他参数与模拟环境中一致.
表1对5种算法的性能进行了测试和比较:折半查询ADBEA-BT、比例控制算法ADBEA-PC、减少振荡的比例控制算法ADBEA-FRP、文献[11]最新提出的预估授权协议算法(IPACT-GE)和文献[10]提出的改进的动态带宽分配算法(EBDBA).
Table1ComparisonofdifferentDBAschemes表1各种DBA算法比较DBA算法时间复杂度比较IPACT-GEO(N)采用轮循机制,不适合时延敏感业务,剩余带宽分配给单ONUEBDBAO(5N)采用爆发轮循机制,轻载效果好,重载退化为IPACTADBEA-BTO(N)网络吞吐量大,满足时延要求,但可能由于不稳定导致抖动大ADBEA-PCO(N)网络吞吐量大,满足时延要求,但可能由于振荡导致抖动大ADBEA-FRPO(N)网络吞吐量大,满足时延和抖动要求,稳定性好图6为EF和AF通信数据的平均包时延的比较结果.
平均包时延的定义为包产生后与到达OLT所需的平均时间.
对EF和AF数据帧,各种DBA算法的平均包时延均基本一致.
这是由于各DBA算法都优先转发EF和AF数据,而且只要EF和AF数据流不超过带宽能力,平均包时延将增长缓慢.
但对BE通信数据,平均包时延如图7所示,当负载为6Gbps左右,各算法平均包时延迅速上升到0.
5s左右;如继续增加负载,各算法平均包时延则不再增长.
当负载较低时,ADBEA-BT,ADBEA-PC和ADBEA-FRP等基于门限算法的平均包时延远低于IPACT-GE和EBDBA,虽然ADBEA-FRP和EBDBA一样基于爆发轮循机制,但在低负载时,ADBEA-FRP的平均包时延比EBDBA低30%左右.
这是由于当负载较低时,ADBEA-BT,ADBEA-PC和ADBEA-FRP缩短了轮循周期,减少了等待时间.
这个结果证明了ADBEA对平均包时延的改进.
Fig.
6AveragepacketdelayforEF/AFtrafficclassFig.
7AveragepacketdelayforBEtrafficclass图6EF/AF传输流的平均包时延图7BE传输流的平均包时延对EF和AF通信数据的平均包抖动的定义为相邻包产生后到达OLT所需时间的差.
对EF和AF数据帧,各种DBA算法的平均包抖动均基本一致,这是由于各DBA算法都优先转发EF和AF数据.
但对于BE通信数据,平均包抖动如图8所示,当负载为6Gbps左右,各算法平均包抖动迅速上升;如继续增加负载,ADBEA-BT,ADBEA-PC算法的平均抖动会发生震荡,这是由于这两种算法调整门限的变化较为剧烈所致;而IPACT-GE,EBDBA和ADBEA-FRP则呈现稳步上升趋势,这是由于随着负载的增加进行丢包的结果.
从图中可以看出,0246810122.
00ONU负载(Gbps)EF/AF流平均包时延(s)IPACT-GEEBDBAADBEA-BTADBEA-PCADBEA-FRP0.
500.
100.
011E31E40246810122.
00ONU负载(Gbps)BE流平均包时延(s)IPACT-GEEBDBAADBEA-BTADBEA-PCADBEA-FRP0.
500.
100.
011E31E4汪学舜等:自适应门限的EPON动态带宽分配实现733ADBEA-FRP算法的抖动和基于预估机制的IPACT-GE相当,低于其他算法.
图9表明了IPACT-GE,EBDBA,ADBA-BT,ADBEA-PC和ADBEA-FRP等算法在各种网络负载下的网络吞吐量.
网络吞吐量的定义为1s之内到达OLT的各类数据的比特数.
从图中可以看出:当负载相对较低时,各算法的网络吞吐量与其他算法差不多;在负载超过9Gbps之后,ADBEA-FRP算法比IPACT-GE和EBDBA算法的性能更好;如负载为12Gbps,ADBEA-FRP的网络吞吐量比EBDBA高17%.
ADBEA-FRP的网络吞吐量较高是因为ADBEA-FRP在爆发条件下,通过调整带宽的门限值,减少了空闲信道时间,对上行信道利用率更高.
Fig.
8AveragepacketjitterforFig.
9NetworkthroughputcomparisonofBEtrafficclassdifferentDBAmethods图8BE传输流的平均包抖动图9网络吞吐量比较5结论根据EPON系统动态带宽早期分配机制,本文提出了基于门限控制的动态带宽早期分配算法.
该算法允许OLT对ONU进行实时带宽分配:当ONU请求带宽小于门限时,OLT立即分配请求的带宽;当ONU请求带宽超过门限值时,OLT立即分配门限值的带宽.
当负载较低时,本算法设置较低的门限,减短轮循周期,从而降低数据转发的时延;当负载较高时,在满足QoS的前提下,则设置较高的门限,延长轮循周期,减少单位时间内OLT连续接收以太数据帧的空闲信道时间,提高网络吞吐量.
基于反馈控制理论的基本方法,本文开发了3种门限自适应调整的方法:折半查询、比例控制和减少振荡的比例控制.
3种方法均能够满足要求,但从稳定性和收敛性来说:折半查询可能不收敛,而且振荡较大;比例控制能够快速收敛,但同样存在振荡的问题;减少振荡的比例控制方法收敛最快,稳定性也最好.
在10GEPON系统中的实验结果表明,3种基于门限的DBA算法都能在高负载时具有较高的网络吞吐量,在低负载时具有较低的平均包转发时延.
因此,基于门限的动态带宽早期分配算法对于10GEPON系统是有效的.
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