在无源光网络设计中保证QoS

zjol

　  无源光网络(PON)是引入新的先进多媒体和宽带业务的接入网技术理想解决方案，但在PON上传输多种宽带业务仍面临着QoS方面的挑战。本文在对这些主要QoS问题进行探讨的同时，阐述了PON的QoS控制、流量管理功能以及动态带宽分配(DBA)协议的相关要点。

　　服务质量(QoS)对宽带系统设计者来说已不再是什么新概念。相反，QoS是工程师在所有设备设计中必须竭力达到的具体而宽泛的目标。

　　但是在宽带设计中实现QoS已变得前所未有的重要。宽带市场的一个明显变化趋势是，它从传输单纯数据业务转向融合语音、视频和数据功能的统一网络。为实现这些全业务宽带网络，设计者必须首先解决一些QoS难题。

　　本文将探讨在开发通过PON提供多种宽带业务的设备时，设计者将面临的主要QoS问题，其中还将讨论PON的QoS控制，并先容一些能处理不同类型业务的简单有效的流量管理功能。另外还会重点先容动态带宽分配(DBA)协议的相关要点，DBA协议由ITU-T推荐，可提高PON的吞吐量。

　　PON是更好的选择

　　由于xDSL和线缆调制解调器等现有接入网所面临的问题，转向PON系统逐渐成为对设计者越来越有吸引力的一个选择。选择PON的原因很简单，光纤是长距离传输高带宽业务最有效的媒介。特别是分布式网络上仅需无源光器件、多个客户端设备(CPE)便可共享来自同一局端(CO)的光纤时，PON作为低成本接入技术是一种更具吸引力的解决方案。

　　考察PON方案时，设计者必定要问的一个问题是如何保证PON上不同类型业务的QoS。要回答这个问题，须探讨一下PON的架构。

　　PON系统的一个显著好处是不用在光分布网络(ODN)中管理QoS。PON采用点对多点架构，由位于局端的一个光线路终端(OLT)和位于客户端的关联光网络终端(ONT)组成。

　　ODN位于OLT和ONT之间，它由光纤和无源分光器或连接器组成。

　　一个OLT一般有多个PON单元，每个驱动一根单模光纤。通过低价的无源分光器和分布光纤，OLT与多个ONT连接。光纤和无源光器件使接入网的分布设备不再需要有源电子器件和相关维护。OLT和ONT是系统中仅有的有源单元，因此QoS机制是可控并可管理的。

　　PON协议和架构提供了相互通信和流量控制机制，以便于容易实现QoS。在PON网络上，从OLT到多个ONT的下行数据流与从ONT到OLT的上行数据流的传输过程有所不同。






图1：PON流量控制示意图


　　下行数据以广播方式传输，每个ONT通过匹配包头中的地址来接收发送给它的数据包。为确保数据安全，下行数据要经过一个称为“搅拌(churning)”的鉴定过程作为第一道防线，以防止恶意用户偷窃他人数据。

　　上行数据按照OLT的控制机制进行传输，采用时分多址(TDMA)协议，在此协议下，OLT对每个ONT授以传输时隙。这些时隙是同步的，因此来自多个ONT的数据包在同一个光纤上传输不会产生冲突。在同一根光纤上传输上行和下行数据(无论是对称还是非对称)，都是利用具有不同波长的两个激光通道的波分复用(WDM)来实现的。

　　PON的流量管理

　　在PON系统里，带宽和缓冲器是有限的宝贵系统资源，必须加以适当管理以保证QoS。缓冲会导致流量抖动，其中大部分抖动可通过流量整形机制消除。当缓冲器被占满，业务拥塞将导致数据包丢弃，但可以进行预防，即通过提供足够的数据授权来缓解队列拥塞。额外的数据授权可由系统其它空闲带宽的适当重定向来提供。尽量减少抖动和拥塞的影响是QoS管理的基本功能。

　　尽管某些情况下丢失少量数据是可接受的，但诸如语音这样的实时应用相当“脆弱”，对延迟很敏感。微小抖动或网络延迟可以被放大到使信号无法使用的程度。相反，非实时业务(如以太网)一般都可容忍少量延迟，但任何数据丢失将是完全不能接受的。全业务系统在管理QoS时必须能有效处理不同类型业务的不同需要。为支撑真正的QoS，仅有足够的带宽或仅提供一个“大输送管道”是远远不够的。

　　如上所述，采用PON系统的全业务支撑必须区分不同类型的业务。系统至少要能够支撑语音、数据和视频。例如，实时网络业务(比如电话)须与多种数据应用整合在一起，每种业务都有不同的传输速度。这意味着网络要区别接入网上传输的数据包。PON系统必须知道正在传输的业务类型及其目的地，另外还须分离正在传输的数据包。

　　PON所有设备和复用点上的QoS规则要求一致，以控制每种类型业务的处理方式。QoS 管理必须控制PON系统内所有流量争用点。

　　图1描述了一般PON系统的流量控制。在网络业务复用的每一点上都应建立优先控制机制，因为这里通常会发生争用。在OLT上，来自网络端的下行输入数据流在向ONT广播之前被多路复用。在PON下行输入点，数据突发有可能会限制实时、对延迟敏感业务的正常流动。为防止此类事件发生，可以在争用点上放置一个缓冲器，以便为不同类型业务的分类设定优先队列。这样，从缓冲器溢出的额外“突发”数据将被丢弃。这是一个使用参数控制(UPC)的简单例子。

　　在数据流下行到ONT以外的其他CPE之前，下行输出数据流需要整形以消除由内部队列机制引入的抖动。由于下行数据流是广播发送，无需另外进行多路复用，因此在系统别的地方不需要队列管理。

　　上行控制

　　OLT通过向ONT发送授权信号来控制上行数据流。PON结构需要一个有效的TDMA机制控制上行流量，这样来自多个ONT的数据包在上行过程中不会发生碰撞。然而，使用基于碰撞的机制需要在PON的无源ODN里管理QoS，这在物理上是不可能实现的，或者需要承受效率的严重损失。鉴于这些问题，管理上行PON流量的机制一直是PON流量管理标准化过程中的首要关注焦点。这便促使ITU-T G.983.4推荐标准的发展，该标准定义了用于管理上行PON流量的动态带宽分配(DBA)协议。

　　DBA的概念简单明了，尽管实施起来有点复杂。在PON结构中，通过向ONT内部每个流量容器(T-CONT)分配数据授权来控制上行流量。为确定分配给一个T-CONT的授权数目，OLT需要知道该T-CONT的流量状态。有两种方法被推荐用来测定流量状态，第一种方法为直接“状态报告”，另一种则被称为“空闲单元监测”。

　　在“状态报告”方法中，应OLT的请求，T-CONT报告其数据包缓冲器长度作为其流量状态。一旦获得T-CONT的流量状态，OLT就以此重新分配数据授权。

　　与“状态报告”机制不同，“空闲单元监测”仅在OLT上进行。T-CONT收到数据授权后，若没有上行数据要传送，就上行发送一个空闲单元。该空闲单元表明T-CONT的缓冲器此时是空的，分配给它的数据授权可以适当减少。这些额外数据授权可以分配给其它没有发送空闲单元的T-CONT。

　　DBA“空闲单元监测”方法简单、经济，没有流量开销。但这种方法对减缓特定ONT上的业务拥塞反应不够快。“状态报告”方法在迅速处理业务拥塞方面表现更出色，但由于其复杂协议及相关开销，导致成本比较高。ITU-T建议同时采用这两种方法以满足不同业务的动态流量需求。

　　DBA协议仅仅是PON系统内流量管理功能的一部分。一旦数据授权分配给某一特定ONT，该ONT的上行输入数据流到达PON链路之前会首先进行多路复用。

　　在OLT端，上行输出数据流在线路接口处进行最后的多路复用。几个PON卡可能会引导数据流在某一特定线路接口上汇聚。为合理地管理流量，线路接口的每一个上行输入点上都要设定优先队列。从缓冲器溢出的额外“突发”数据包将被丢弃。此外，数据在被发送至主干网络之前，应该在上行数据流输出点进行适当整形以消除抖动。

　　资源预算

　　带宽和缓冲器是保证各种类型网络业务QoS的必需网络资源。同其它任何一种系统资源一样，管理这些资源意味着预算。

　　为保证QoS，不允许预算中有带宽赤字。为在PON上支撑混合的业务类别，设计者必须保证系统尽可能地利用系统资源。与此同时，设计者还须保证面向被指配的连接的约定QoS已被接受。这是连接接纳控制(CAC)过程的根本任务。

　　一个业务连接包括源点、目的点及连接两者的路径。连接请求由网络管理系统(NMS)或网元管理系统(EMS)控制台的操作员输入发出。CAC则检查请求连接路径的所有流量集中点(包括源点和目的点)可用的系统资源。

　　路径上每一点都必须有足够的额外资源来保证带宽和被请求的新连接所需的QoS。如果路径上任何一个点缺乏所需资源，连接请求就会被拒绝。只有所有点上的资源都足够时，连接请求才被接受。同样，有必要让CAC流量模型保留每个这种流量节点上分配带宽和空闲带宽的记录。因此，当新增或去除流量连接时，CAC流量模型必须更新内部记录。

　　在网络上传输业务不可避免地会涉及不同级别的开销，而CAC必须将这些开销考虑进去。为确保被请求业务的实际载荷，在PON系统里有三种流量开销应予以考虑。首先，设计者必须算出传输开销以确定物理媒介的实际载荷。以OLT端网络上的OC-3为例，为确定有效载荷，设计者必须从初始带宽(本例为OC-3)中减去传输开销。

　　协议开销是设计者必须考虑的第二种开销。通过计算协议开销，设计者可确定实际剩余多少带宽用于有效载荷。

　　例如，采用AAL1进行电路仿真的设计者必须计算AAL1协议内部开销。因此，一个ATM信元的53个字节中有6个字节用于该开销，只有47个字节可用于有效载荷。

　　第三个即最后一个要考虑的是物理系统内部开销。比如设计者必须考虑在系统内排队引起的延迟。

　　一旦连接被CAC接纳，就须作出承诺以进行指配。当被接纳连接上的数据包符合相关一致性检验时，所有数据包上的约定QoS都可得到保证。某些数据业务是在“尽力而为”方式下得以支撑。该理论假设当满足高优先级连接所有带宽需求后，网络会尽全力支撑这种数据业务。这种“尽力而为”的方法通常能满足基本数据通信。在网络运营商看来，这类业务的超额认购是很可能发生的。要注意的是这种业务除了实行最大数据传输速率外，并没有带宽保证，因而该连接不会超过预定级别。

　　端到端的QoS

　　QoS问题显然不局限于前面讨论的范畴。从OSI模型的角度看，前面有关PON的QoS讨论仅为接入目的涵盖了物理层。要取得良好成效，QoS必须被整合到现代网络协议结构所有层上，在这种架构下，每一较低的层支撑其上层的QoS需求。例如，基于IP的内联网、外联网和以及更近的VPN应用不断增长使得端到端QoS控制成为一种必要。

　　接入网的各个级别，包括LAN、WAN、校园网、企业网和城域网，都需要可靠且便于管理的QoS。网络协议所有层都应提供QoS管理，否则QoS将成为系统中最薄弱的环节。