学校编码：10384 分类号 密级 学号：X2009221020 UDC
工 程 硕 士 学 位 论 文
EPON 网络的动态带宽分配算法研究
Dynamic bandwidth allocation algorithm research in
EPON networks
林中明
指导教师姓名：李紹滋教授
专 业 名 称：计算机技术
论文提交日期：2014 年 9 月
论文答辩时间：
学位授予日期：
答辩委员会主席：
评阅人：
2014 年 9 月
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年 月 日
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I
摘 要
近年来，随着互联网的飞速发展，产生了云计算、高清多媒体视频、移动互 联等新兴互联网应用，丰富了互联网内容，也给网络的接入带宽提出了更高要求。 目前国内三大运营商正在全网范围内进行一场声势浩大的网络提速行动。 作为国内最大的固网运营商，中国电信也在全网范围内进行一场“光进铜退” 的接入网改造。其主要策略就是将 FTTx 技术同 ADSL 技术相结合以提供高带宽接 入，采用的是 EPON 技术标准。EPON（Ethernet Passive Optical Network，以 太网无源光网络），它采用基于以太网协议的光纤接入网技术, 单纤双向的信号 传输模式，点到多点的拓扑结构，将物理层的 PON 技术与链路层的以太网协议相 结合，以此来实现 Ethernet 的高速接入。因此就产生了一个关于传输信号合理 分配与利用的问题。为了满足网络的上行带宽利用率最大化及低网络延时等性 能，这就要求 EPON 系统拥有一个先进合理的信道带宽分配机制。 本论文的主要研究工作围绕着动态带宽分配算法这一关键性问题进行的。首 先展开对 EPON 光网络系统的阐述，技术原理、关键技术及技术优势的分析，通 过对几种经典的带宽分配算法（SBA 算法、IPACT 算法、CBR 算法）进行理论分 析及 OPNET 建模仿真分析，对比各自优缺点，借鉴各自算法的优点，针对不足之 处提出解决方法，提出了一种改进的动态带宽分配算法，经过理论分析其优越之 处，再经过 OPNET 建模仿真，证明该算法在提高上行信道带宽利用率，减少数据 包的延时抖动及最大限度地保证不同业务数据流公平地使用信道带宽和保证系 统的 QOS 等方面都有一定的改进。本文的主要创新之处在于通过理论分析与 OPNET 建模仿真分析相结合，对以往传统带宽分配算法的各项关键性网络指标进 行研究分析，提取各自算法的优越之处，并对不足之处进行提出方法进行改进， 从而衍生出一种较为优越的动态带宽分配算法，我们再经过 OPNET 建模仿真，来 对该新算法进行实验分析，从而证明新算法在理论与实际上都具备较以往算法更 加优越的网络性能，对网络的各项关键性指标都起到了改善的效果。 关键词：DBA；动态带宽分配算法；带宽利用率；厦门大学博硕士论文摘要库
II
Abstract
In recent years, with the rapid development of the Internet, resulting in a cloud computing, high-definition multimedia video, mobile Internet and other emerging Internet applications, rich Internet content, but also to network access bandwidth and a higher requirement. Currently three major domestic carriers are engaged in a massive network speed action within the entire network.
As the nation's largest fixed-line operator, China Telecom is also engaged in a "Light of Copper" access network transformation of the whole network. The current "narrowband + copper" based access network transformation to a "broadband + fiber" in the access network. "Light of Copper" FTTx strategy is to combine technology with ADSL technology to provide high-bandwidth access. EPON protocol standards issued by IEEE802.3EFM Working Group, which uses multipoint configuration, passive optical transmission, Ethernet-based protocols and provide a variety of services, a combination of technology and Ethernet PON technology low-cost, high-bandwidth expansion and other advantages and mutual compatibility with existing Ethernet and convenient management, etc., in the field of optical access networks is rapidly becoming a mainstream technology.
Signal transmission EPON system uses a single fiber bidirectional transmission mode, and therefore the question arises about the transmission signal rational allocation and utilization. This requires an advanced EPON system can provide reasonable channel bandwidth allocation mechanism to improve the overall network uplink bandwidth utilization, so that the same bandwidth can carry more users, help to reduce single-user costs, increase revenue, and its inherent flexibility also be service-level agreements (SLA) provides a good realization. Therefore propose an efficient bandwidth allocation algorithm can greatly improve the bandwidth utilization EPON system and ensure the transmission delay of the network, which is one of the key technologies related to the overall performance of EPON network.
III
The main work of this paper around the EPON system, through the elaboration of PON optical network systems, technical principle EPON systems, key technology and technical advantages of the analysis, focusing on the upstream bandwidth allocation mechanism EPON systems research. On the previous static bandwidth allocation algorithm (SBA algorithm) and existing dynamic bandwidth allocation algorithm (IPACT algorithm) conducted a detailed analysis and comparison of proposed improvements at the strengths and needs of each algorithm, an improved method for the need to improve, that is improved dynamic bandwidth allocation algorithm discussed in this article, after discussion with the OPNET modeling and simulation, show that the algorithm to improve the upstream channel bandwidth utilization, reduce latency and packet jitter to ensure maximum data streams of different services and equitable use of the channel bandwidth and QOS assurance systems and other aspects of certain improvements.
Keywords: DBA; dynamic bandwidth allocation algorithm; bandwidth
utilization;
目录
第一章 引言 ... 1
1.1 课题研究背景与意义 ... 1 1.1.1 研究背景 ... 1 1.1.2 研究意义 ... 3 1.2 课题研究现状与存在问题 ... 4 1.2.1 基于光纤的宽带接入技术 ... 4 1.2.2 EPON 技术优点与发展趋势 ... 5 1.2.3 EPON 技术存在的问题 ... 6 1.3 本文研究内容 ... 8 1.4 本文的组织结构 ... 8第二章 EPON 技术的研究 ... 9
2.1 光网络接入技术的发展 ... 9 2.1.1 APON 技术介绍 ... 9 2.1.2 BPON 技术介绍 ... 10 2.1.3 GPON 技术介绍 ... 11 2.2 基于 Ethernet 的 EPON 系统概述 ... 12 2.2.1 EPON 系统的特点和优势 ... 12 2.2.2 EPON 系统架构 ... 13 2.2.3 EPON 协议栈分层结构 ... 17 2.2.4 EPON 传输帧结构 ... 17 2.2.5 MPCP 协议 ... 20 2.3 EPON 关键技术 ... 22第三章 EPON 系统经典带宽分配算法研究 ... 26
3.1 EPON 带宽分配算法简介 ... 26 3.2 SBA 算法分析 ... 28 3.3 IPACT 算法分析 ... 29 3.4 CBR 算法分析 ... 35 3.5 基于 OPNET 的 EPON 建模 ... 35 3.5.1 OPNET 网络仿真软件 ... 36 3.5.2 OPNET 仿真建模 ... 37 3.5.3 实验仿真结果分析... 46 3.6 本章小结 ... 47第四章 一种改进的 EPON 动态带宽分配算法研究 ... 48
4.1 动态带宽分配算法所需解决的问题及设计原则 ... 48 4.1.1 DBA 算法需要解决的问题 ... 48 4.2 改进的 EPON 网络 DBA 算法设计 ... 50 4.2.1 算法的设计思路及原理... 50厦门大学博硕士论文摘要库
4.2.2 OLT 统筹带宽分配 ... 53 4.2.3 ONU 内部不同业务间的调度控制 ... 55 4.3 实验仿真结果及分析 ... 57 4.4 本章小结 ... 61
第五章 总结与展望 ... 62
5.1 本文工作总结 ... 62 5.2 下一步工作展望 ... 63参考文献 ... 64
致谢 ... 67
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Contents
Chapter 1 Introduction ... 1
1.1 The research background and significance ... 1
1.1.1 Research Background ... 1
1.1.1 Research Meaning ... 3
1.2 Research status and existing problems ... 4
1.2.1 Broadband access technology based on optical fiber ... 4
1.2.2 EPON technology advantages and development trends ... 5
1.2.3 EPON technical problems ... 6
1.3 The research contents of this paper ... 8
1.4 Structure of this article ... 8
Chapter 2 EPON technology research ... 9
2.1 Development of optical network technology... 9
2.1.1 APON Technology introduction ... 9
2.1.2 BPON Technology introduction ... 10
2.1.3 GPON Technology introduction ... 11
2.2 Overview of the EPON system based on Ethernet ... 12
2.2.1 Features and benefits EPON systems ... 12
2.2.2 EPON System architecture ... 13
2.2.3 EPON Protocol stack hierarchy ... 17
2.2.4 EPON Transmission frame structure ... 17
2.2.5 MPCP Protocol ... 20
2.3 The key technology of EPON ... 22
Chapter 3 Research on Algorithm of
the classical EPON
system bandwidth allocation ... 26
3.1 EPON bandwidth allocation algorithm Introduction ... 26
3.2 SBA algorithm analysis ... 28
3.3 IPACT algorithm analysis ... 29
3.4 CBR algorithm analysis ... 35
3.5 EPON modeling based on OPNET ... 35
3.5.1 OPNET network simulation software ... 36
3.5.2 OPNET simulation modeling ... 37
3.5.3 Simulation results and analysis ... 46
3.6 Chapter Summary ... 47
Chapter 4 Research on an improved EPON
dynamic
bandwidth allocation algorithm
…….. ... 48
4.1 Problems and design principles required for dynamic bandwidth
allocation algorithm to solve ... 48
4.1.1 DBA algorithm needs to solve the problem ... 48
4.2 Improved network EPON DBA algorithm design ... 50
4.2.1 Design ideas and principles of the algorithm ... 50
4.2.2 OLT overall bandwidth allocation ... 53
4.2.3 Internal control ONU scheduling between different business ... 55
4.3 Simulation results and analysis ... 57
4.4 Chapter Summary ... 61
Chapter 5 Summary and Prospect ... 62
5.1 Summary ofthis article ... 62
5.2 Prospects for the next step ... 63
References………64
Acknowledgements ... 67
第一章 引言 1
第一章
引言
1.1 课题研究背景与意义
1.1.1 研究背景 近年来，随着网络的迅猛发展，产生了许多新兴互联网运用，例如云计算、 高清视频、移动互联等，丰富了网络内容的同时，也催生了一个更加庞大的互联 网市场，这给互联网的接入带宽提出了更高的需求。 我们国内宽带发展较迟，相比于欧美及日韩等发达国家，我国宽带的普及率 要远远低于发达国家 30%-40%的平均水平。我国政府在作“十二五”规划时，制 定了《宽带中国战略及实施方案》政策，第一次将互联网宽带作为国家发展战略 写入“十二五”时间进程表：至 2014 年底是宽带大提速阶段，国内大部分城市 宽带用户接入能力达到 20M(其中部分发达城市带宽接入能力争取达到 100M，农 村及偏远地区宽带接入能力达到 4M）；2014-2015 年是光纤接入宽带大发展阶段； 2016-2020 年是宽带全面升级发展阶段，届时国内宽带基本要达到 100M 的接入 能力。 在互联网无所不及的当今社会里，越来越多的专家学者认识到宽带应用与社 会经济发展之间的促进关系。世界银行研究报告里指出，如果宽带的普及率每提 升一个百分点就能够有效带动 GDP 增加 0.14%，同时带动就业率上升 2-3‰。根 据国内一些研究学者的跟踪发现：带宽的提高不仅是简单的信息传递速度的提 高，它也会推进整个互联网运用的发展，同时提高整个社会经济运转的效率，并 且有效帮助制造业、服务业等的劳动生产率的提高。当前衡量一个国家经济实力 时会把“人均带宽”和“人均信息”的占有量作为一个重要指标，一些发达国家 都已深刻认识到宽带发展对于国家发展的重要意义，宽带发展能力已成为当今世 界国家综合竞争力的根本因素之一。宽带建设是我国全面推动信息化带动工业 化、推动信息化与工业化融合，以及全面提高社会信息化水平，加快社会经济发 展有重要意义。综观而言，宽带的发展是一项巨大的社会系统工程，涉及到国家 和社会的许多方面。厦门大学博硕士论文摘要库
EPON 网络的动态带宽分配算法研究 2 中国电信作为国内最大宽带运营商，目前正在进行全国性进行宽带大提速， 主要针对光纤接入 FTTx 的百兆提速和 xDSL 的提速，xDSL 模式中的 ADSL（非对 称数字用户线路）是我国宽带早期发展的主力军，是当年应用在电缆电话的基础 上顺势发展起来的宽带应用，即一条电话线可同时接听、拨打电话并进行数据传 输，两者互不影响，解决了发生在网络服务供应商和最终用户间的"最后一公里" 的传输瓶颈问题。ITU-T 制订的 G.992.5，即 ADSL2plus，又称 ADSL2+，在速率、 覆盖范围上拥有卓越的性能，ADSL2+在短距离（1km 内）的下行速率有非常大的 提高，可以达到 20 Mbit/s 以上，上行速率可达 1 Mbit/s。但是根据现网的接 入网情况，从局端 ADSL 设备到用户端的距离一般在 2-3KM 的范围，这给今后的 宽带提速造成了瓶颈。因此，对于此类接入方式，中国电信在全网范围内进行一 场“光进铜退”的接入网改造，其主要是指将传统的以"铜缆"为主要传输媒介“窄 带”的接入网络向以"光纤"为主要传输媒介的“宽带”接入网络升级。“光进铜 退”的策略就是将 FTTx 技术与传统 DISLAM 设备的 ADSL 技术相结合，以最低的 建设成本以及最短的建设周期在近几年内将国内大部分的铜缆资源替代成光缆 资源，或尽量缩短用户端与接入局之间的这段铜线距离，以提供高带宽接入。 在“光进铜退”网络的改造中，目前运用最多的是采用 FTTN+ADSL 的接入方 式。即将光纤拉至最后 0.5-1KM 的范围内，以达到 ITU-T 制订的 G.992.5 关于 ADSL+的相关要求，使绝大多数的 ADSL 用户的网速可以平滑的提速到 20 Mbit/s 以上。 利用光纤作为接入网的主要传输媒介，解决了今后高速宽带的接入网瓶颈问 题，具有低线路损耗、传输容量大及抗干扰性强的特点。早年国际组织 ITU 提出 了无源光网络的概念，即利用无源器件构造无源光网络，利用其无源的特性，以 相对较低的维护成本、较为简单的网络拓扑结构迅速发展为当今主流的光纤接入 技术，因此无源光网络（PON）被最终确定为最为理想的光接入网之一。ITU 组 织是最早提出 PON 网络协议标准的，早期定制了基于 ATM 传输平台的 APON 协议 标准，即 G.983。但随着网络的发展，APON 技术的瓶颈问题不断浮现，存在着技 术复杂、接入带宽低、视频支持不足等缺点，更为重要的是在 IP 协议不断盛行 的网络中，其传输 IP 数据时需要进行 ATM 与 IP 协议的复杂转换，因此随着 IP 网络的不断发展，APON 技术逐渐淘汰出人们视线。作为 APON 标准的加强版本
第一章 引言
3
BPON，逐渐盛行，由于 BPON 技术加入了动态带宽分配机制、链路保护等新功能， 使其最大接入速率提高至 622M 的水平，并且支持以太网接入、VOIP 业务以及高 速线路租用等业务，但由于成本昂贵、带宽有限等原因并没有大规模发展，后期 逐渐被 EPON 及 GPON 所替代。在 2000 年前后，IEEE802.3EFM 工作组成立并发布 了新的 PON 协议标准——EPON 技术。它继承了前两代 PON 技术的优势：同样具 有无源传输的特征，并且采用点到多点的网络拓扑结构；但其最大的特点在于基 于以太网协议，能够充分支持以太网业务的传输，并且提供多种综合业务接入。 因此，EPON 技术不但继承了前两代 PON 技术的灵活组网、无源传输的等优势， 同样凭借着其独有的基于以太网协议的特点，与现有以太网相互兼容，迅速在接 入网中流行开来，成为了当前接入网中的主流技术。 1.1.2 研究意义 EPON 是目前主流的接入网技术，也将是今后接入网发展的主流方向之一。 当前人们对 EPON 系统的研究做了大量工作，这方面的课题包括：光测距与延时 补偿技术、动态带宽分配机制、提高带宽利用率等问题；其中带宽分配机制是 EPON 系统的关键技术之一，也是本课题的研究方向。EPON 是一种共享传输媒介 的网络，网络主要由三部分组成：局端的 OLT 设备、传输网络 ODN 以及终端设备 ONU。EPON 采用了点到多点的网络拓扑结构，对于信号的下行采用广播模式经过 分光器传输到每一个终端设备，对信号上行采用 TDMA 的形式传输至 OLT 节点。 对于 EPON 网络的结构，整个传输介质采用具有无源特性的 PON 网络，不但降低 了运营商的运行维护成本，还节省了庞大的配线层光纤资源，并且 EPON 技术拥 有对网络协议透明的特点，成为了当前光接入网络中的主流技术之一。EPON 系 统采用的是基于以太网（Ethernet）的协议，以太网（Ethernet）技术以其独有 的实用性与流行性，成为了当前局域网中的主要运用技术，是当前互联网中承载 IP 数据包的最佳载。EPON 系统凭借着其具备的以太网优势和 PON 网络的优势， 正成为光接入网领域中的主流运用技术之一。 EPON 系统的信号传输采用的是单纤双向传输，因此就产生了一个关于传输 信号合理分配与利用的问题。尤其是随着各种宽带业务的发展，对于带宽的需求 及如何根据各种用户的业务类型及业务特点合理分配信道带宽，成为了 EPON 系 统性能的关键技术之一。尽管目前 EPON 系统的发展已趋于成熟，但仍有不少可
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EPON 网络的动态带宽分配算法研究 4 以改进的地方，距离各类业务的 QOS 还有待改进。随着以太网承载的业务种类越 来越复杂，各种业务所要求的 QOS 也会越来越严格，这就要求 EPON 系统所能提 供的信道带宽分配更加合理及优化，要能满足各种不同业务及不同用户对 QOS 的要求，这就需要有一个合理的信道带宽分配机制。 对于 EPON 系统的信道带宽分配机制，分为上行及下行的信道带宽分配。其 中下行的信号传输由于采用的是广播下行的方式，各个 ONU 接收到信息后根据自 身的身份认证信息提取各自所需的信号同时丢弃其它信号来进行下行信号的接 收；而上行采用 TDMA 形式，如何合理地确定各个 ONU 之间的传输时隙，对改进 EPON 系统的带宽利用率及延时等性能指标有着重要的意义。采用合理的带宽分 配方法不但能够提高网络的整体上行带宽利用率，还能有效应对网络中突发数据 的传输要求；简而言之，一个优秀的带宽分配算法能够使得同样的网络承载更多 的业务量，再同样的网络资源下能够承载更多的网络用户，从而达到某种经济效 益。而且好的算法本身具有的灵活性也为进行服务水平协议（SLA）提供了很好 的实现途径。因此带宽分配机制是关乎 EPON 网络整体性能的关键技术之一。
1.2 课题研究现状与存在问题
1.2.1 基于光纤的宽带接入技术传统的接入网采用的基于 ITU-T 制订的 G.992.5，即 ADSL2plus，又称 ADSL2+ 网络，利用双绞线作为传输媒介，ADSL2+的速率根据距离及线路质量的不同而不 同，其中在短距离（1km 内）下行传输速率可以有非常大的提高，可以达到 20 Mbit/s 以上，上行速率可达 1Mbit/s。随着电信“光进铜退”工程的实施，光纤 资源逐步替代铜缆线路资源，尤其在接入网领域光纤替代铜缆后接入速率可以有 很大的提高。 目前光纤接入技术主要采用 PON 接入模式，接入模式主要有 FTTH、FTTx+ADSL 及 FTTB 模式，这是根据不同的运用场景来区分的。FTTH 作为今后光接入的主要 模式，可以覆盖在任何区域，其高速率及网络稳定性是其它两种模式无法比拟的。 FTTB 模式主要运用在已经具备五类线的小区或者办公楼当中，也是今后办公场 所的主流接入模式。FTTx+ADSL 模式是对当前铜缆接入网的过渡替代模式，由于
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