EPON技术中影响ONU报文转发效率因素的研究

    张字　高秀敏

    

    

    

    摘要：研究ONU报文转发效率的影响因素，有助于为用户提供高效优质的网络服务。文章研究的EPON（Ethernet Pa ssiveOptional Network，以太无源光网络）是_种基于以太网的PON技术，实现了光纤到户的传输方式，具有成本低，网速快等特点。EPON的传输架构是点到多点的形式，由OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）与ONU（Optical Network Unit，用户网络单元）设备进行不断交互从而实现报文的转发。分光比和带宽分配是影响ONU报文转发效率的重要因素。不同的分光比光衰不同，对报文报文转发，带宽利用率产生影响；好的带宽分配算法不仅能保证用户体验良好，也可以尽可能的提高带宽利用率。

    关键字：以太无源光网络；光线路终端；用户网络单元；光线到户；分光比；带宽分配

    1 引言

    以太网的快速发展，加快了人们生活步伐，越来越多的人对商品的体验舒适度有了更高的要求。同样，互联网快速发展的步伐也使人们对互联网本身提出了更高的要求，低成本、高宽带已成为互联网发展的趋势。EPON技术就是在这样的大环境下应运而生。光纤的传输速率远比电缆快，高宽带（1Gbps）是它与生俱来的特点，所以传输速率快的优势使得EPON可以快速发展。EPON的传输机制采用上行单播，下行广播的方式，使用不同的通道。并且上行光波采用1310nm的频段，下行光波采用1490nm的频段。另一方面，EPON的无源特性注定它的低成本，低能耗，它可以在一定条件下（分光比1：32）无源传输20km，无需供电，从而大大减少能耗，降低成本。

    2 EPON的网络传输

    2.1 传输过程

    EPON的传输机制具有自己独特的方式，采用上行单播，下行广播的方式。下行是指报文从OLT设备向ONU设备传输方向。下行广播的传输过程如图1所示，当报文从互联网传向用户时，经OLT后被标记为有特殊Llid（Logical LinkIdentifier，逻辑链路标记）的报文，图中标记1、2、3的报文代表相对应的Llid的ONU需要接收的报文。经过分光器后，光信号的报文被复制成多份并传送到每一个ONU上。当ONU接收到报文后，检测报文的Llid是否和自己的匹配，如果匹配则接收该报文，否则丢弃该报文上行单播指报文从ONU设备发送到OLT设备上，报文的具体转发流程如图2所示。用户发出的报文经过ONU后被添加该ONU的Llid，然后经过分光器，此时是不需要进行报文复制的，直接转发给OLT设备，再传入互联网。

    2.2 ONU注册过程

    ONU的注册过程是多点控制协议（Multi PointControl Protoco，MPCP）的一部分，即MPCP的发现过程。MPCP是EPON的MAC子层协议，主要实现OLT与ONU之间的控制机制，从而控制报文的转发。

    MPCP在ONU发现过程中的数据帧交互情况如图3所示，第一个GATE帧由OLT发出用于发现ONU设备，采用广播方式；REGISTER REQ帧由ONU发出用于请求注册，报文中包含ONU的MAC地址，当OLT收到此报文后计算往返时间，并学习ONU的MAC地址；REGESTER帧是由OLT发出用于注册ONU的报文，报文中包含ONU的MAC地址以及分配给ONU的Llid；第二个GATE帧不同于第一个，它是给ONU分配报文上报的时隙，包括开始的时间和传输的时间长度；REGESTER_ACK帧是ONU把注册结果上报给OLT用于确认。MPCP还定义了另一种称为REPORT的帧，它的作用是ONU上报自己的队列信息给OLT，OLT根据ONU上报的队列信息给ONU分配动态带宽。

    3 影响ONU转发效率的因素

    ONU的报文转发效率除了受ONU本身硬件设计的影响，还受到一些外部因素的干扰。本文简要的对分光比和带宽分配进行分析。

    3.1 分光比

    分光比通常指进入分光器的光路数目：流出分光器的光路数目，它是影响ONU转发效率的一个因素。分光比可以取1：4，1：8，1：16，1：32等，有些PON设备最高可以达到1：128的分光比。分光比与光衰的对应关系如表1所示。

    从表中可以得到分光比分母越大光衰越严重，而光纤分光比在1：32时可以达到最大无源传输距离20km，分光比1：64的情况只能达到10km的传输距离。分光比在较小的情况下，所有ONU速率之和扔达不到OLT最大传输速率，则造成带宽利用率很低，带宽浪费严重的现象。另一方面分光比过大时在实际应用中每个ONU的带宽分配问题将会是影响ONU报文转发效率的重要因素。最佳分光比在实际应用中根据网络分布得到。

    3.2 带宽分配

    带宽分配通常指的是ONU的上行带宽，即OLT分配给ONU，允许ONU上送报文给OLT的带宽。它是影响ONU转发效率的最直接因素，好的分配方法不仅带宽利用率较高，而且每一个ONU也能够分配到合适的带宽，不会出现某个ONU一直在转发报文，而另一ONU处于阻塞状态，导致用户的体验值十分低下。

    固定带宽分配是一种最简单的分配带宽的方法。它给每个在OLT设备下绑定的ONU分配固定的带宽，且带宽相同。带宽公式如下：

    BONU=B/N （1）

    B为总的信道带宽，N为绑定的ONU个数，Bonu即为每个ONU分配的带宽。这种方法可以保证每个ONU都会拥有自己的带宽，不会出现报文不能转发而阻塞的情况，但是另一方面也会出现很大的弊端，假如N很大，则每个ONU分配的带宽将会很小，用户的体验会很糟糕，且如果有ONU不工作，那么它将会占用整体带宽中的一部分而不被使用，存在浪费带宽的情况。

    最大效率带宽是基于带宽使用率来分配带宽的一种方法。这种方法的优点是整体的带宽利用率达到最大，在ONU个数较少时它具有速度快的优势。缺点是当绑定的ONU个数较多时会出现带宽分配不均，厚此薄彼的情况，甚至可能出现有些ONU因为不会分配带宽而阻塞报文转发。因此，在实际应用中不被广泛采用。

    最理想的带宽分配是动态带宽分配（DBA：DynamicBandwidthAllocation）。它采用时分多址的方式，根据当前ONU反馈的总体情况来给每个ONU分配带宽时隙，决定每个ONU合适发送报文，发送报文的时间有多长。在介绍带宽分配之前先了解一下光纤传输距离的测量方法，它的存在对动态带宽分配有重要影响。

    光纤传输距离的测量在ONU注册过程中完成，光纤传输距离越长传输的时间就相对越长，转发效率也就相对变慢。所以，采用较为精确的测量方法才是提高转发效率的关键。

    测算光纤传输距离的原理如图4所示。在ONU注册过程中，OLT向ONU发送含有当前时间t1的报文，ONU收到报文后把自己的时间改成t1，在ONU完成一系列操作后记录此时的时间t2，并把t2放在报文中一块返回给OLT。OLT接收到ONU返回的报文后记录此时的OLT的时刻为t3，这样在光纤传输过程中所花费的时间就是

    （t3-t1）-（t2-t1）=（t3-t2） （2）

    由此可以计算光纤的传输距离为

    L=V*（t3-t2） （3）

    其中，L为传输距离，V为光纤传输速率。

    动态带宽分配的方法采用时分多址，这就要求对每个ONU开始发送报文的时刻需要精确计算，计算光纤的传输距离就是为了提高带宽利用率，在OLT传送报文结束的时刻，ONU上行的报文能够及时发送到OLT，最大限度利用发送时隙，提高带宽利用率。动态带宽的分配有多种，CBATM（Credit-Base Bandwidth Allocation，信用基础带宽分配）即是其中的一种，它的带宽分配公式为

    Bonu=Bbase+C （4）

    Bonu为ONU的实时带宽，Bbase是给每个ONU分配的基础带宽，这个值的大小用于保证ONU正常交互的最小带宽，C可以是常数，也可以是表达式，根据情况的不同做调整，从而达到较高的带宽利用率。

    4 结语

    EPON技术中怎么提高报文转发效率一直是开发人员不断研究的内容。文章从分光比和带宽分配的角度分析的影响报文转发的原因，有效避免用户在实际应用中因为ONU的带宽分配问题导致网络卡死以及带宽利用率低浪费资源的现象。