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在被動光纖網路設計中確保QoS

上網時間: 2005年03月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:服務品質  QoS  寬頻系統  被動光纖網路  PON 

被動光纖網路(PON)是導入新型先進多媒體和寬頻業務的接入網路技術理想解決方案,但在PON上傳輸多種寬頻業務仍面臨著QoS方面的挑戰。本文在對這些主要QoS問題進行探討的同時,闡述了PON的QoS控制、流量管理功能以及動態頻寬分配(DBA)協議的相關要點。

在被動光纖網路設計中確保QoS

被動光纖網路(PON)是導入新型先進多媒體和寬頻業務的接入網路技術理想解決方案,但在PON上傳輸多種寬頻業務仍面臨著QoS方面的挑戰。本文在對這些主要QoS問題進行探討的同時,闡述了PON的QoS控制、流量管理功能以及動態頻寬分配(DBA)協議的相關要點。

服務品質(QoS)對寬頻系統設計者來說已不再是什麼新概念。相反,QoS是工程師在所有設備設計中必須竭力達到的具體而寬泛的目標。

但是在寬頻設計中實現QoS已變得前所未有的重要。寬頻市場的一個明顯變化趨勢是,它從傳輸單純數據業務轉向融合語音、視頻和數據功能的統一網路。為實現這些全業務寬頻網路,設計者必須首先解決一些QoS難題。

本文將探討在開發透過PON提供多種寬頻業務的設備時,設計者將面臨的主要QoS問題,其中還將討論PON的QoS控制,並介紹一些能處理不同類型業務的簡單有效的流量管理功能。另外還會重點介紹動態頻寬分配(DBA)協議的相關要點,DBA協議由ITU-T推薦,可大幅提高PON的吞吐量。

PON是更好的選擇

由於xDSL和纜線數據機等現有接入網路所面臨的問題,轉向PON系統逐漸成為對設計者越來越有吸引力的一個選擇。選擇PON的原因很簡單,光纖是長距離傳輸高頻寬業務最有效的媒介。特別是分散式網路上僅需被動光元件、多個客戶端設備(CPE)便可共享來自同一局端(CO)的光纖時,PON作為低成本接入技術是一種更具吸引力的解決方案。

考察PON方案時,設計者必定要問的一個問題是如何保證PON上不同類型業務的QoS。要回答這個問題,須探討一下PON的架構。

PON系統的一個顯著好處是不用在光纖分散網路(ODN)中管理QoS。PON採用點對多點架構,由位於局端的一個光線路終端(OLT)和位於客戶端的關聯光纖網路終端(ONT)組成。

ODN位於OLT和ONT之間,它由光纖和被動分光器或連接器組成。

一個OLT一般有多個PON單元,每個驅動一根單模光纖。透過廉價的被動分光器和分佈光纖,OLT與多個ONT連接。光纖和被動光元件使接入網路的分佈設備不再需要主動電子元件和相關維護。OLT和ONT是系統中僅有的主動單元,因此QoS機制是可控並可管理的。

PON協議和架構提供了相互通訊和流量控制機制,以便於容易實現QoS。在PON網路上,從OLT到多個ONT的下行數據串流與從ONT到OLT的上行數據串流的傳輸過程有所不同

下行數據以廣播方式傳輸,每個ONT透過匹配包頭中的地址來接收發送給它的數據封包。為確保數據安全,下行數據要經過一個稱為‘攪拌(churning)’的鑒定過程作為第一道防線,以防止惡意用戶偷竊他人數據。

上行數據按照OLT的控制機制進行傳輸,採用時分多址(TDMA)協議,在此協議下,OLT對每個ONT授以傳輸時隙。這些時隙是同步的,因此來自多個ONT的數據封包在同一個光纖上傳輸不會產生衝突。在同一根光纖上傳輸上行和下行數據(無論是對稱還是非對稱),都是利用具有不同波長的兩個雷射通道的波分再使用(WDM)來實現的。

PON的流量管理

在PON系統裡,頻寬和緩衝器是有限的寶貴系統資源,必須加以適當管理以保證QoS。緩衝會導致流量抖動,其中大部份抖動可透過流量整形機制消除。當緩衝器被佔滿,業務擁塞將導致數據封包丟棄,但可以進行預防,即透過提供足夠的數據授權來緩解佇列擁塞。額外的數據授權可由系統其它空閒頻寬的適當重定向來提供。盡量減少抖動和擁塞的影響是QoS管理的基本功能。

儘管某些情況下丟失少量數據是可接受的,但諸如語音這樣的即時應用相當‘脆弱’,對延遲很敏感。微小抖動或網路延遲可以被放大到使信號無法使用的程度。相反,非即時業務(如乙太網路)一般都可容忍少量延遲,但任何數據丟失將是完全不能接受的。全業務系統在管理QoS時必須能有效處理不同類型業務的不同需要。為支援真正的QoS,僅有足夠的頻寬或僅提供一個‘大輸送管道’是遠遠不夠的。

如上所述,採用PON系統的全業務支援必須區分不同類型的業務。系統至少要能夠支援語音、數據和視頻。例如,即時網路業務(如電話)須與多種數據應用整合在一起,每種業務都有不同的傳輸速度。這意味著網路要區別接入網路上傳輸的數據封包。PON系統必須知道正在傳輸的業務類型及其目的地,另外還須分離正在傳輸的數據封包。

PON所有設備和再使用點上的QoS規則要求一致,以控制每種類型業務的處理方式。QoS管理必須控制PON系統內所有流量爭用點。

圖1描述了一般PON系統的流量控制。在網路業務再使用的每一點上都應建立優先控制機制,因為這裡通常會產生爭用。在OLT上,來自網路端的下行輸入數據串流在向ONT廣播之前被多路再使用。在PON下行輸入點,數據突發有可能會限制即時、對延遲敏感業務的正常流動。為防止此類事件產生,可以在爭用點上放置一個緩衝器,以便為不同類型業務的分類設定優先佇列。這樣,從緩衝器溢出的額外‘突發’數據將被丟棄。這是一個使用參數控制(UPC)的簡單例子。

在數據串流下行到ONT以外的其他CPE之前,下行輸出數據串流需要整形以消除由內部佇列機制引入的抖動。由於下行數據串流是廣播發送,無需另外進行多路再使用,因此在系統別的地方不需要佇列管理。

上行控制

OLT透過向ONT發送授權信號來控制上行數據串流。PON結構需要一個有效的TDMA機制控制上行流量,這樣來自多個ONT的數據封包在上行過程中不會產生碰撞。然而,使用基於碰撞的機制需要在PON的被動ODN裡管理QoS,實際上這是不可能實現的,或者需要承受效率的嚴重損失。鑒於這些問題,管理上行PON流量的機制一直是PON流量管理標準化過程中的首要關注焦點。這便促使ITU-T G.983.4推薦標準的發展,該標準定義了用於管理上行PON流量的動態頻寬分配(DBA)協議。

DBA的概念簡單明瞭,儘管實施起來有點複雜。在PON結構中,透過向ONT內部每個流量容器(T-CONT)分配數據授權來控制上行流量。為確定分配給一個T-CONT的授權數目,OLT必需知道該T-CONT的流量狀態。有兩種方法被推薦用來測定流量狀態,第一種方法為直接‘狀態報告’,另一種則被稱為‘空閒單元監測’。

在‘狀態報告’方法中,應OLT的請求,T-CONT報告其數據封包緩衝器長度作為其流量狀態。一旦獲得T-CONT的流量狀態,OLT就以此重新分配數據授權。

圖1:PON流量控制示意圖。

與‘狀態報告’機制不同,‘空閒單元監測’僅在OLT上進行。T-CONT收到數據授權後,若沒有上行數據要傳送,就上行發送一個空閒單元。該空閒單元顯示T-CONT的緩衝器此時是空的,分配給它的數據授權可以適當減少。這些額外數據授權可以分配給其它沒有發送空閒單元的T-CONT。

DBA‘空閒單元監測’方法簡單、經濟,沒有流量開銷。但這種方法對減緩特定ONT上的業務擁塞反應不夠快。‘狀態報告’方法在迅速處理業務擁塞方面表現更出色,但由於其複雜協議及相關開銷,導致成本比較高。ITU-T建議同時採用這兩種方法以滿足不同業務的動態流量需求。

DBA協議僅僅是PON系統內流量管理功能的一部份。一旦數據授權分配給某一特定ONT,該ONT的上行輸入數據串流到達PON鏈路之前會首先進行多路再使用。

在OLT端,上行輸出數據串流在線路介面處進行最後的多路再使用。幾個PON卡可能會引導數據串流在某一特定線路介面上匯聚。為合理地管理流量,線路介面的每一個上行輸入點上都要設定優先佇列。從緩衝器溢出的額外‘突發’數據封包將被丟棄。此外,數據在被發送至骨幹網路之前,應該在上行數據串流輸出點進行適當整形以消除抖動。

資源預算

頻寬和緩衝器是保證各種類型網路業務QoS的必需網路資源。同其它任何一種系統資源一樣,管理這些資源意味著預算。

為保證QoS,不允許預算中有頻寬赤字。為在PON上支援混合的業務類別,設計者必須保證系統盡可能地利用系統資源。與此同時,設計者還須保證面向被指配的連接的約定QoS已被接受。這是連接接納控制(CAC)過程的根本任務。

一個業務連接包括源點、目的點及連接兩者的路徑。連接請求由網路管理系統(NMS)或網元管理系統(EMS)控制台的作業員輸入發出。CAC則檢查請求連接路徑的所有流量集中點(包括源點和目的點)可用的系統資源。

路徑上每一點都必須有足夠的額外資源來保證頻寬和被請求的新連接所需的QoS。如果路徑上任何一個點缺乏所需資源,連接請求就會被拒絕。只有所有點上的資源都足夠時,連接請求才被接受。同樣,有必要讓CAC流量模型保留每個這種流量節點上分配頻寬和空閒頻寬的記錄。因此,當新增或去除流量連接時,CAC流量模型必須更新內部記錄。

在網路上傳輸業務不可避免地會涉及不同級別的開銷,而CAC必須將這些開銷考慮進去。為確保被請求業務的實際載荷,在PON系統裡有三種流量開銷應予以考慮。首先,設計者必須算出傳輸開銷以確定物理媒介的實際載荷。以OLT端網路上的OC-3為例,為確定有效載荷,設計者必須從初始頻寬(本例為OC-3)中減去傳輸開銷。

協議開銷是設計者必須考慮的第二種開銷。透過計算協議開銷,設計者可確定實際剩餘多少頻寬用於有效載荷。

例如,採用AAL1進行電路模擬的設計者必須計算AAL1協議內部開銷。因此,一個ATM訊號的53個位元組中有6個位元組用於該開銷,只有47個位元組可用於有效載荷。

第三個即最後一個要考慮的是物理系統內部開銷。比如設計者必須考慮在系統內排隊引起的延遲。

一旦連接被CAC接納,就須作出承諾以進行指配。當被接納連接上的數據封包符合相關一致性檢驗時,所有數據封包上的約定QoS都可得到保證。某些數據業務是在‘盡力而為’方式下得以支援。該理論假設當滿足高優先級連接所有頻寬需求後,網路會盡全力支援這種數據業務。這種‘盡力而為’的方法通常能滿足基本數據通訊。在網路營運商看來,這類業務的超額認購是很可能產生的。要注意的是這種業務除了執行最大數據傳輸速率外,並沒有頻寬保證,因而該連接不會超過預定級別。

端到端的QoS

QoS問題顯然不局限於前面討論的範疇。從OSI模型的角度看,前面有關PON的QoS討論僅為接入目的涵蓋了實體層。要取得良好成效,QoS必須被整合到現代網路協議結構所有層上,在這種架構下,每一較低的層支援其上層的QoS需求。例如,基於IP的內部網路、外部網路和以及更近的VPN應用不斷成長使得端到端QoS控制成為一種必要。

接入網路的各個級別,包括LAN、WAN、校園網路、企業網路和都會網路,都需要可靠且便於管理的QoS。網路協議所有層都應提供QoS管理,否則QoS將成為系統中最薄弱的環節。

作者:Zheng-Yang Liu


首席工程師


NEC Eluminant技術公司





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