2007年第11期，第4O卷
总第 191期
通 信 技 术
Com unicat ions Technology
Vo1．40，No，ll。2007
NO，191，Totally
以太网无源光网络的服务质量分析
吴学智。， 齐修森。， 何如龙。， 戚玉华
(①海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033：②解放军92854部队，广东 湛江 524016)
【摘 要】以太网无源光网络正成为当前光接入网研究的热点课题．本文重点研究了服务质量问题。在分析 EPON系统QoS
问题的基础上，利用优先级排队理论对基于QoS的DBA算法的性能进行了理论分析，指出DBA算法进一步优化的方向。
【关键词】以太网无源光网络；服务质量；动态带宽分配
【中图分类号】TN929．1 【文献标识码】A 【文章编号】1002—0802(2007)ll一0252—03
QoS Analysis in Ethernet Passive Optical Networks
WU Xue-zhi。， Qi Xiu-sen。， HE Ru-long。， Qi Yu—hua。
(①Institute of Electron Engineering of University of Navy Engineering。Wuhan Hubei 430033。China
②PL^ 92854 Troops．Zhanjiang Guangdong 524016~China)
[Abstract]This article addresses Quality of Service of Ethernet Passive OPtical Network．In the Iight of
discussion on OoS in EPON，the OoS—based DBA algorithm with Priority Queuing Theory is analyzed，and the primary
factors which affect OoS of the traffic is also given．
[Key words]ethernet passive optical network：quality of service；dynamic bandwidth allocation
O引言
随着光纤成本的下降，近几年出现的以太网无源光网络
(EPON)正在引起人们的关注。EPON是由IEEE8O2．3 EFM工作
组 (Ethernet in the First Mile Study Group)引入的一
种新接入技术标准。EPON系统是一个点对多点的拓扑结构网
络，下行方向利用广播方式传输，而上行方向采用多个 ONU
共享传输媒质的多址接入方式。由于上行带宽有限，系统不
可能提供足够的带宽来满足所有终端用户的带宽需求。为了
提供传输效率，又避免 ONU间发送冲突，设计一种适当的动
态带宽分配(DBA)机制，对支持业务的 QoS十分必要。鉴于
现有算法在支持服务质量方面的不足，本文从业务的OoS要
求出发，利用优先级排队对DBA算法的性能进行了理论分析，
指出支持QoS的DBA算法设计中应重点考虑的问题。
和光分路器 (POS：Passive Optical Splitter)。OLT位于
中心局，提供接入网到 MAN或 W AN的接口，管理 ONU的信
令和监控业务，此外 OLT还可以针对用户的 OoS／SLA的不
同要求进行带宽分配。POS是连接 OLT和 ONU的无源设备，
其功能是分发下行数据并集中上行数据。为了与 IEEES02．3
以太网标准一致，EPON中所有的数据均被封装进以太帧，然
后进行传输。由于多个 ONU在上行方向共享传输媒质，为提
高上行带宽的利用率，需要采取一种动态的带宽分配方式，
即 OLT每次分配的时隙正好是 ONU的带宽需求。为此，多点
控制协议(MPCP)被使用⋯。通过 MPCP，OLT可 以动态地给每
个ONU分配带宽，并在多个ONU之间灵活地仲裁传输。多点
控制协议位于MAC控制层，MPCP依靠GATE和 REPORT两个以
太控制帧来对每个 ONU分配带宽。MPCP并没有涉及到具体的
DBA方案和传输调度算法，仅仅给出了一个框架。
1 EPON的体系结构和原理
EPON系统通常采用树形拓扑结构，一个典型的EPON系 2 EPON系统中的QoS问题
统由三部分组成，即光线路终端 (0TL：Optical Line 在 EPON系统中，网络端到端连接起始于OSI模型的第
Termination)、光网络单元 (ONU：Optical Network Unit) 二层，基于以太技术的 EPON不能单独提供完善的端到端
收稿日期：2007-07-03。 ·
作者简介：吴学智 (1962)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为宽带信息网络、信息交换理论与技术；齐修森 (1966)，男，工程师
主要研究方向为宽带通信理论与技术：何如龙 (1977)，男，工程师，主要研究方向为宽带信息网络理论与技术；戚玉华 (1977)
男．讲师，主要研究方向为宽带信息网络理论与技术．
252
维普资讯
2007 年第 11 期，第 40 卷
总第 191 期
通信技术 Vo l. 40 , No. 11 , 2007
No. 191 , Tota11y Communìcatìons Technology
以太网无源光网络的服务质量分析
吴学智①， 齐修森Q) 何如龙飞 戚玉华①
〈①海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033: ②解放军 92854 部队，广东湛江 524016)
E摘要】以太网元源光网络正成为当前光接入网研究的热点课题.本文重点研究了服务质量问题.在分析 EPON 系统 QoS
问题的基础上，利用优先级排队理论对基于 QoS 的 DBA 算法的性能进行了理论分析，指出 DBA 算法进一步优化的方向.
E关键词】以太网元源光网络;服务质量;动态带宽分配
E中图分类号】 TN929. 1 (文献标识码】 A (文章编号】 1002-0802(2007)11-0252-03
QoS Analysis in Ethernet Passive Optical Networks
WU Xue-zhi ( QI Xiu-senQ), HE Ru-long( QI Yu-hua①
<(Instìtute of Electron Engineering of Universìty of Navy Engineerìng, Wuhan Hubei 430033, China;
( PLA 92854 Tr∞ps， Zhanjiang Guangdong 524016,. China)
(Abstract> This article addresses Quality of Service of Ethernet Passìve Optical Network. In the light of
dìscussion on QoS ìn EPON, the QoS-based DBA algorithm with Prìority Queuìng Theory ìs analyzed, and the primary
factors which affect QoS of the traffic is also given.
<Key wordsl ethernet passive optìcal network; Qualìty of service;. dynamìc bandwìdth allocatìon
0 引言
随着光纤成本的下降，近几年出现的以太网无源光网络
(EPON) 正在引起入们的关注。 EPON 是由 IEEE802. 3 EFM 工作
组 (Ethernet ìn the First Mile Study Group) 引入的一
种新接入技术标准。 EPON 系统是一个点对多点的拓扑结构网
络，下行方向利用广播方式传输，而上行方向采用多个 O阳
共享传输媒质的多址接入方式.由于上行带宽有限，系统不
可能提供足够的带宽来满足所有终端用户的带宽需求.为了
提供传输效率，又避免 O阳间发送忡突，设计一种适当的动
态带宽分配(DBA)机制，对支持业务的 QoS十分必要。鉴于
现有算法在支持服务质量方面的不足，本文从业务的 QOS 要
求出发，利用优先级排队对 DBA算法的性能进行了理论分析，
指出支持 QOS 的 DBA 算法设计中应重点考虑的问题.
1 EPON 的体系结构和原理
和光分路器 (POS: Passive Optical Splitter). OLT 位于
中心局，提供接入网到 MAN 或 W AN 的接口，管理 O阳的信
令和监控业务，此外 OLT 还可以针对用户的 QoS / SLA 的不
同要求进行带宽分配. POS 是连接 OLT 和 ONU 的无源设备，
其功能是分发下行数据并集中上行数据。为了与
以太网标准一致， EPON 中所有的数据均被封装进以太帧，然
后进行传输.由于多个 0阳在上行方向共享传输媒质，为提
高上行带宽的利用率，需要采取一种动态的带宽分配方式，
即 OLT 每次分配的时隙正好是 O阳的带宽需求.为此，多点
控制协议 (M陀的被使用[1]通过 MPCP. OL!f可以动态地给每
个 ONU 分配带宽，并在多个 ONU 之间灵活地仲裁传输。多点
控制协议位于 MAC 控制层， MPCP 依靠 GA币和 REPO盯两个以
太控制帧来对每个 ONU 分配带宽. MPCP 并没有涉及到具体的
DBA 方案和传输调度算法，仅仅给出了一个框架。
EPON 系统通常采用树形拓扑结构，一个典型的 EPON 系 2 EPON 系统中的 QoS 问题
统由三部分组成，即光线路终端 (OTL: Optical Lìne 在 EPON 系统中，网络端到端连接起始于 OSI 模型的第
Terminatìon )、光网络单元 (ONU: Optìcal Network Unìt) 二层，基于以太技术的 EPON 不能单独提供完善的端到端
收稿日期 2007-07-03.
作者简介e 吴学智 (962) .男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为宽带信息网络、信息交换理论与技术z 齐修森 (966) .男，工程师，
主要研究方向为宽带通信理论与技术s 何如龙 (977) .男，工程师，主要研究方向为宽带信息网络理论与技术z 戚玉华 (1977) ,
男，讲师，主要研究方向为宽带信息网络理论与技术.
252
QoS保证。如果把 IEEE802．Ip和 IEEE 802．1Q引入 EPON
协议，则很容易在 3位的 IP优先级字段和 IEEE 802．1P 3
位优先级字段进行映射。EPON协议与网络层协议互连就能
提供端到端 QoS保证。为实现 EPON系统的QoS保证，还必
须考虑采用何种分组调度策略并提 出公平高效的调度算
法 (DBA)。
2．1优先级分类和调度
IEEE802．IP标准定义 了 8个优先级。但实际上 8个优
先级很少全部被使用，考虑到 EPON需要承载话音、视频
等多媒体业务，同时也不能太复杂，通常将业务分为 EF、
AF和 BE三类 ，分别代表 CBR、VBR和一般互联网业务。不
同的业务被 ONU安排到不同的优先级队列，并共享其缓冲
区，当缓冲区满时，新进入的高优先级业务将替代低优先
级业务，而低优先级业务被丢弃。ONU通过 REPORT信息将
缓冲区中的多队列状态报告给 OLT，MPCP允许一次报告八
个队列⋯。
缓 冲 区中 的队列 通常 采用严 格优 先调度 (Strict
Priority Scheduling，SPS)规则进行调度传输，然而，这
种调度方式将使低优先级业务遭受不公平的时延和分组丢
弃。例如，在等待时间(REPORT／GATE机制使ONO从发出REPORT
信息到发送缓冲区中的数据需要经过一个等待时间)内到达
的EF业务将比先到达的AF、BE业务优先得到服务。因此可以
对严格优先调度做一些调整，即首先调度等待时问以前到达
的缓冲区中的数据，如果传输完缓冲区中的所有数据，目前
的时隙还可以传输更多数据，才对在等待时间到来的分组进
行传输。这种调度方式称为基于优先级调度 (Priority—
based Schedul ing， PS)
2．2动态带宽分配算法 (DBA)
EPON系统的QoS保证主要取决于MAC协议的效率，由于MPCP
协议已经由IEEE 802．3ah任务组标准化，目前的研究主要集
中在带宽分配和传输调度方面 。参考文献[4]中建议了几种
典型的带宽分配方案，包括限制性分配 (Limited Bandwidth
A1location，LBA)、常数信贷、线性信贷和弹性分配。在这
几种方案中限制性方案呈现出较好的性能。常规的限制性带
宽分配算法的主要缺点是较长的报告收集时间，因为必须收
到所有ONO的REPORT信息才能进行带宽分配。针对上述问题目
前已经提出了大量的改进算法，其目标是尽量减小或消除系
统的空闲时问，提高上行链路的带宽利用率。
3 DBA算法的性能分析
服务质量要求丰要指带宽、包丢失率、时延和时延变化
等指标。对基于 IP的下⋯代业务来说，时延是最重要的 QoS
保证。
3．1调度方式对时延性能的影响
EPON系统的时延L丰要包括排队时延、处理时延和分组传
播时延。其中处理时延较小，而传播时延是固定的，因此这
里主要分析由于分组排队引起的时延。下面用一个具有优先
级的M／M／l排队模型对 DBA算法的时延性能进行分析。
设共有，1种应用类型，以研 】表示优先级队列 K的平
均等待时间， ：玉 表示优先级队列K的利用率，则：x,I
px
于严格优先调度 (SPS)：
(I-O"k—I)(I—O"k)。
其 ，R： ，H，O"k：圭 。R为当前 务的平均剩余服
J-I p·I
务时间；7 为已经在优先级 (1，2，⋯，k)队列，I一排队等待
的业务的平均服务时间： 为在等待期间，到达的高优先级
(1，2，⋯．k一1)业务的平均服务时 。
对于基于优先级调度(PS)：
占 R
1= 刍 】 。
‘
1
以 表示 类业务平均延迟，则： =研 】+-二-。
,U K
在分组网络中使用．I-述公式时，腑以 ,uC代替所自’的
， C为链路的容量。由于分组的大小对下网络的延迟特性
有很大影响，考虑最坏的情况，设所有分组都是 MTU(例如
1600 bytes)，每个ONU支持三个优先级队列：EF，AF，BE；
3
∑Pi=I(实际∑ <I)，得到下列简化公式。
l l
对于严格优先调度：
瓦= (南 +·]a
对于基于优先级调度：
厂 、
： l—L+l I。 (2) cI(I
— or}) J
比较公式 (1，2)可以看到，对 EF业务 (k=1)，两种
调度方式对时延没有影响；对 AF、BE业务 (k=2，3)，基于
优先级的调度方式对业务的时延有较大的改善。
3．2吞吐量对时延性能的影响
由公式 (1)，公式 (2)可以看到，各类业务的排队时
延与所获得的链路带宽有很大的关系。理论上，基于周期
性 轮 询 的 EPON 系 统 上 行 带 宽 的 利 刚 率 定 义 为
： —
~C
_
--
-
WOH
， 其中，Tc表示周期；Wc表示一个周期
』C
中总的传输带宽， 鲫 表示一个周期中的带宽开销。_l卜而
以限制性带宽分配算法为例，讨论当效率 分别为 0．88，
0．92，0．97时，算法 D ， ∈{l，2，3}的时延性能。设 EF、
AF、BE业务的比例分别为 20％。40％，40％：周期为 2 ms，
系统的链路容量 B为 1 G，ONU数量N为 l6，每个 ONU都
具 有 相 同 的 权 重 。 由 LBA 算 法 求 得 ：
CDBAx= B／N， ∈{l，2，3}，将上述参数代入公式(2)，当
总的业务强度 p在 0．1—0．9之间变化时，得到图 1所示的
平均时延和网络负载之间的关系。
253
=
∑¨
+
∑
+
R
=
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QoS 保证。如果把 IEEE802. Ip 和 IEEE 802. 1Q 引入 EPON
协议，则很容易在 3 位的 IP 优先级字段和 IEEE 802. 1P 3
位优先级字段进行映射o EPON 协议与网络层协议互连就能
提供端到端 QoS 保证。为实现 EPON 系统的 QoS 保证，还必
须考虑采用何种分组调度策略并提出公平高效的调度算
法 (DBA) 。
2. 1 优先级分类和调度
IEEE802. Ip 标准定义了 8 个优先级。但实际上 8 个优
先级很少全部被使用，考虑到 EPON 需要承载话音、视频
等多媒体业务，同时也不能太复杂，通常将业务分为町、
AF 和 BE 三类，分别代表 CBR 、 VBR 和一般互联网业务。不
同的业务被 ONU 安排到不同的优先级队列，并共享其缓冲
区，当缓冲区满时，新进入的高优先级业务将替代低优先
级业务，而低优先级业务被丢弃。 ONU 通过 REPORT 信息将
缓冲区中的多队列状态报告给 OLT. MPCP 允许一次报告八
个队列
缓冲 l兰中的队列通常采用严格优先调度( Strict
Priority Scheduling. SPS) 规则进行调度传输，然而，这
种调度方式将使低优先级业务遭受不公平的时延和分组丢
弃。例如，在等待时间 (REPORT/GATE机制使ONU从发出REPORT
信息到发送缓冲区中的数据需要经过一个等待时间)内到达
的EF业务将比先到达的AF、 BE业务优先得到服务。因此可以
对严格优先调度做一些调整，即首先调度等待时间以前到达
的缓冲区中的数据，如果传输完缓冲区中的所有数据，目前
的时隙还可以传输更多数据，才对在等待时间到来的分组进
行传输.这种调度方式称为基于优先级调度( Priority-
based Schedu1ing. PS) 1 川。
动态带宽分配算法 (DBA)
EPON系统的QoS保证主要取决于MAC协议的效率，由于MPCP
协议已经由 IEEE 任务组标准化，目前的研究主要集
中在带宽分配和传输调度方面131 参考文献[4] 中建议了几种
典型的带宽分配方案，包括限制性分配 (Limited Bandwidth
A11ocation. LBA) 、常数信贷、线性信贷和弹性分配.在这
几种方案中限制性方案呈现出较好的性能。常规的限制性带
宽分配算法的主要缺点是较长的报告收集时间，因为必须收
到所有O阳的REPORT信息才能进行带宽分配。针对上述问题目
前已经提出了大量的改进算法，其目标是尽量减小或消除系
统的空闲时间，提高上行链路的带宽利用率.
3 DBA 算法的性能分析
服务质量要求主要指带宽、包丢失率、时延和时延变化
等指标。对基于 IP 的下一代业务来说，时延是最重要的 QoS
保证。
3. 1 调度方式对时延性能的影响
EPON 系统的时延主要包括排队时延、处理时延和分组传
播时延。其中处理时延较小，而传播时延是国定的，因此这
里主要分析由于分组排队引起的时延。下面用一个具有优先
级的 M/M/1 排队模型对 DBA 算法的时延性能进行分析。
设共有 n 种应用类型，以 E[叽]表示优先级队列 K 的平
均等待时间 PK =年表示优先级队列 K 的利用率，则:对
μK
于严格优先调度 (SPS ):
k-I
E[吭] = R + LE[Tp ] + LE[Tp'] {I_~. ~ ~-~'pJ ~-L-p J (1-σk-I)(I-σd o
其中 • R= L冉饵，飞=主句。 R 为当前业务的半均剩余服
务时间:7} 为已经在优先级 (1. 2. ...， k) 队列小排队等待
的业务的平均服务时间:口为在等待期间，到达的高优先级
<1. 2. … ,k -1) 业务的平均服务时间。
对于基于优先级调度 (PS) :
ιR
E[叭]=R+LE[几-，τ一
p",,1 ,-u,
以几表示K 类业务平均延迟，则: 几 =E[WK]+ 」一。
μK
在分组网络中使用上述公式时，的以 μC 代赞所有的
μ.C 为链路的容量。由于分组的大小对 j二网络的延ili特性
有很大影响，考虑最坏的情况，设所有分组都是 MTU (例如
1600 bytes)，每个 ONU 支持三个优先级队歹~: EF. AF. BE;
LPi=1 (实际 LP;<1 ).得到下列简化公式。
对于严格优先调度:
T.. =土 ----+11 。 (1)
"μCl (1-σ'k_1)(1- σk) )
对于基于优先级调度:
T. =土!一止一+11 。
·μCl (1-σk) J (2)
比较公式(1. 2) 可以看到，对 EF 业务 ( k =1). 两种
调度方式对时延没有影响:对 AF 、 BE 业务 ( k =2, 3). 基于
优先级的调度方式对业务的时延有较大的改善。
吞吐量对时延性能的影响
由公式(1).公式 (2) 可以看到，各类业务的排队时
延与所获得的链路带宽有很大的关系。引论上，基于周期
性轮 i旬的 EPON 系统上行带宽的利用率比义为
WC_WOH 一φm阻=一一士一一，其中 • Tc 表不周期 Wc 表示一个周期
'C
中总的传输带宽 WOH 表示一个周期中的带宽开销。下i团
以限制性带宽分配算法为例，讨论当效率仇分别为 O. 邸，
. 时，算法 DBA..x E {1 ， } 的时延性能。设 EF 、
町、 BE 业务的比例分别为 20% ， 40%.40%; 周期为 2 ms.
系统的链路容量 B 为 1 G. ONU 数量 N 为 16. 每个 ONU 郁
具有相同的权重。由 LBA 算挝、::1':衔
COBA.. =仇B/ N. x E {} .将上述参数代入公式 (2 ).当
总的业务强度 p 在 - 之间变化时，得到图 I 所示的
平均时延和网络负载之间的关系.
253
(a)EF业务的平均时延与业务量之间的关系
业务● (，‘，
(b)AF业务的平均时延与业务量之问的关系
业务l■(，‘)
(c)BE业务的平均时延与业务量之间的关系
图l平均时延和网络负载之间的关系
由图1可以看到，DBA算法的效率对业务的时延有较大
的影响，DBA3在三种带宽分配算法中效率最高，其时延性能
也最好。
4结语
随着各种实时应用的发展，增强网络对 QoS业务的支持
尤为必要，本文对支持Qos的DBA算法进行了深入探讨。理
论分析表明：对业务进行优先级分类并采用合适的调度方
式，采用公平高效的调度算法 (DBA>是实现 EPON系统 QoS
保证的关键。
． 参考文献
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74~80．
(上接第251页)
4仿真结果 方法的正确可行性。图4为从接收总线控制到FIFO缓冲的
通过Aletra的FPGA开发软件“ ，在仿真中设鼹了测试 仿真结果。
Pos-phy3接口协议各个方面功能的测试用例，验证了该实现
。- ． 1 y．
．．．．． ．．．．．． ．．．．．上
r‘r●．r．．
Xl
f‘f^ —^ ． ：xl
r．．dat*ia Xl
1_q ． ：X ‘
1-q l
图 4接收控制仿真
5结语
文中介绍了在 FPGA中实现 Pos—phy Level 3接口协议
的一种设计方法，通过模块的划分及其功能的描述阐述了设
计的思想，并且对主要的接 口总线控制实现进行了详细的说
明，并给出了仿真证明结果，说明了该实现方式的可行性和
正确性。此实现方式可以应用于多种通信设备中，并在 “千
兆以太网测试仪”项目中得到验证和应用。
254
参考文献
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维普资讯
由国 1 可以看到， DBA 算法的效率对业务的时延有较大
的影响， DBA3 在三种带宽分配算法中效率最高，其时延性能
也最好。
rlEE
4 结t吾
随着各种实时应用的发展，增强网络对 QoS 业务的支持
尤为必要，本文对支持QoS 的 DBA 算法进行了深入探讨。理
论分析表明 g 对业务进行优先级分类并采用合适的调度方
式，采用公平高效的调度算法 (DBA) 是实现 EPON 系统 QoS
保证的关键。
王三王二乙二二乙二
(a) EF 业务的平均时延与业务量之间的关系
"，~.~匡亘
.....
.,..
'
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~9~ • /"二
万.r:;
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参考文献
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业务."‘'
(b) AF 业务的平均时延与业务量之间的关系型
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3 Zheng Jun, lIouftah H Access Control for Ethernet Passive
v
,
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,
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.V
,
, V
.V
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_._'<;1-
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。~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
业多~.. ""
(c) BE 业务的平均时延与业务量之间的关系
图 1 平均时延和网络负载之间的关系 74--80.
通过 Aletra 的 FPGA 开发软件[')在仿真中设置了测试
Pos-phy3 接口协议各个方面功能的测试用例，验证了该实现
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方法的正确可行性。固 4 为从接收总线控制到 FIFO 缓冲的
仿真结果。
(上接第 251 页}
4 仿真结果
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图 4 接收控制仿真
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文中介绍了在 FPGA 中实现 Pos-phy Level 3 接口协议
的一种设计方法，通过模块的划分及其功能的描述阐述了设
计的思想，并且对主要的接口总线控制实现进行了详细的说
明，并给出了仿真证明结果，说明了该实现方式的可行性和
正确性。此实现方式可以应用于多种通信设备中，并在"千
画面露
兆以太网测试仪"项目中得到验证和应用.
结t吾
254
5
