CN101873272B - 满足互通性和公平性的以太无源光网络动态带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

一种满足互通性和公平性的以太无源光网络动态带宽分配方法。该方法具体包括：根据光网络单元的各用户缓冲区内待发送的数据包总长度、最小保证带宽和权重因子构造该用户服务包络函数，然后合并得到该光网络单元自己的服务包络函数；再对光网络单元的服务包络函数进行近似压缩；通过REPORT控制消息报告光网络单元的近似服务包络函数；OLT中的调度器合并各光网络单元的近似服务包络函数进行带宽分配，及安排各光网络单元的发送时隙的顺序并发送授权消息；光网络单元对用户的调度。本发明能够最大限度地保证整个系统内所有用户之间的公平性，与IEEE802.3ah标准帧结构相兼容，有助于不同厂商的产品设备之间实现互通。

Description

满足互通性和公平性的以太无源光网络动态带宽分配方法

【技术领域】

本发明涉及以太无源光网络通信中各用户间公平性的保证。具体讲，涉及以太无源光网络中满足互通性的保证全局公平性的上行动态带宽分配方法。

【背景技术】

作为连接核心骨干网和本地局域网的接入网，在整个互联网中处于极其重要的地位。而以太无源光网络(EPON)是一种很有前景的光接入网解决方案。EPON中通过报告(REPORT)-授权(GATE)控制消息机制，在上行链路上实现多个光网络单元(ONU)的时分复用。对ONU的时隙分配有静态和动态两种方式，其中动态方式能够更好的提高系统性能(吞吐量，时延等)，为实际应用中普遍采用的方式。

现有DBA策略的主要不足是：不能保证整个系统内的所有用户公平地分享上行带宽，或是采用私有协议虽然保证了全局的公平性，但由于没有遵循EPON系统标准，影响了不同厂商产品之间的互通性。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有DBA策略中存在的上述不足，在遵循EPON系统IEEE802.3ah标准的前提下，提供一种满足互通性和保证全局用户之间公平性的以太无源光网络动态带宽分配方法。

本发明提供的满足互通性和保证全局用户之间公平性的以太无源光网络动态带宽分配方法，具体包括下列步骤：

第1、生成光网络单元的服务包络函数：

第1.1、对于任意轮询周期k，光网络单元在发送REPORT控制消息之前，根据该光网络单元内用户i的缓冲区内待发送的数据包总长度q_i，k、其最小保证带宽

和归一化权重因子

构造该用户服务包络函数：

a)、用户i的服务包络函数

为最多由两段组成的分段线性函数，第一段由点(0，

)开始，到点(

q_i，k)结束，其中

为该用户的满足系数(S)，用于衡量用户的带宽需求在多大程度上得到了满足，第二段的斜率为0，并且无限延伸；

b)、当

时，

函数只由斜率为0的一段组成，起始点为(0，q_i，k)；

第1.2、然后，光网络单元合并所有属于该光网络单元的用户服务包络函数，得到该光网络单元自己的服务包络函数：

$E={\∑}_{j\∈T}{E}_j^{*}$

其中，T是该光网络单元内的所有用户的集合；

如图1所示，光网络单元ONU的服务包络函数E便是由该光网络单元内用户1，2，3的服务包络E₁ ^*，E₂ ^*，E₃ ^*累加生成的。

第2、对光网络单元的服务包络函数进行近似压缩：

第2.1、对于1中得到的光网络单元的服务包络函数中的某一段函数，从含有(N+1)个离散值k₀，k₁……k_N的近似线段斜率备选值集合中选取一个与该线段斜率值最接近且不小于该线段斜率的值k_i，如果k_i值与最近一次所作的直线的斜率不同(注：在对光网络单元的原服务包络函数的第一段进行近似时，不存在有之前所作的直线，此时认为k_i的值不同于任何已作直线的斜率值，可直接进行后面的操作)，则过该线段的起点，以k_i为斜率作一条直线，将该直线与前面用相同方法所做的直线(如果存在的话)的交点作为光网络单元近似服务包络函数上的一点；反之如果k_i值与最近一次所作的直线的斜率相同，则跳过该段，继续进行对光网络单元的原服务包络函数下一段的近似压缩操作。

其中k₀，k₁……k_N这些离散值可以通过预先设定的一组值来指定，如：k_i＝(N-i)/N，i＝0，1，……N，N越大备选值集合中可选的离散值越多，近似压缩的误差可能越小，但计算处理则越复杂，反之则近似压缩误差可能较大，但计算处理相对简单。实际实施过程中可根据具体情况灵活选择，但REPORT消息所能报告的队列阈值的最大数目决定了N不能大于12；

第2.2、按照上面第2.1步的方法便可得到光网络单元近似服务包络函数上的所有点，使最后的近似服务包络由连接各点的不超过(N+1)段折线组成；

第3、通过REPORT控制消息报告光网络单元的近似服务包络函数：

为保持与IEEE802.3ah标准的一致性，采用M个队列集(Queue set)(M的大小应与斜率备选值集合中离散值的个数相同，并且不能大于13)，每个队列集中只包含一个队列的REPORT帧结构形式，报告光网络单元的近似服务包络函数，每个队列集对应一个预先设定的近似线段斜率备选值，若近似包络函数中存在该斜率值的线段，则在该队列集中报告该斜率值对应线段起点的纵坐标值，即光网络单元请求的发送窗口大小；若近似包络函数中不存在该斜率值的线段，则在该队列集中报告一个无效值(如0等)；

第4、光线路终端OLT中的调度器进行带宽分配：

光线路终端中的调度器在收到系统内所有光网络单元报告的近似服务包络函数后，将所有这些近似服务包络函数累加合并，合并方法同第1.2步，构造光线路终端OLT自己的服务包络函数E_OLT(S)；根据光线路终端OLT构造的服务包络函数和系统内总的可用带宽W_total，求得下一周期的满足系数S_k：若W_total大于E_OLT(S)函数最后一段包络线(其斜率为0)起点的纵坐标值，则满足系数S_k等于该起点的横坐标值；反之若W_total于或等于E_OLT(S)函数最后一段包络线起点的纵坐标值，则通过求解方程E_OLT(S_k)＝W_total得到满足系数S_k的值，通过满足系数S_k和各光网络单元的近似服务包络函数确定分配给每个光网络单元的时隙长度(即在近似服务包络函数上找到横坐标值为S_k时对应的纵坐标值)；

第5、光线路终端OLT安排各光网络单元的发送时隙的顺序并发送授权消息：

光线路终端OLT根据下一轮询周期的起始时刻和各光网络单元在每个周期内的发送时隙的长度以及光网络单元调度顺序，确定每个光网络单元在每个周期内发送时隙的起始时刻；最后OLT将每个光网络单元在下一轮询周期内发送时隙的起始时刻和时隙长度通过授权消息发送给各光网络单元，完成授权；

第6、光网络单元对用户的调度：

第6.1、光网络单元收到授权消息后，获得OLT分配的发送时隙的总长度B_total，同时根据该光网络单元的服务包络函数E(S)，由E(S_t)＝B_total可得到该光网络单元内的满足系数S_t；根据满足系数和各用户的服务包络函数，便可得到分配给各用户的发送窗口长度(即在各用户的服务包络函数E^*上找到横坐标值为S_t时对应的纵坐标值E^*(S_t))

第6.2、当光网络单元的发送时隙到来时，光网络单元在各用户剩余的可用时隙窗口长度充足的情况下优先调度用户的高优先级业务进行发送。

本发明的优点和积极效果：

(1)通过服务包络函数进行的带宽分配，能够最大限度地保证整个系统内所有用户之间的公平性，即对于系统内任意两个用户i和j，他们获得的额外带宽(即最小保证带宽之外分得的带宽)和权重因子(与他们同运营商签订的服务等级协议有关)分别为

和w_i，w_j，则基本满足

(2)采用斜率加纵坐标的方式表示服务包络函数，使REPORT控制消息只需报告光网络单元ONU的近似服务包络函数上各点的纵坐标，从而与EPON标准IEEE802.3ah规定的REPORT消息帧结构相兼容，有助于不同厂商的产品设备之间实现互通。

【附图说明】

图1本发明的ONU内服务包络构造图，q_1，k，q_2，kq_3，k：分别为用户1，2，3在第k个周期内请求的窗口长度； 分别为用户2，3的最小保证发送窗口长度；A，B，C是ONU的服务包络函数上的三点。

图2本发明中用13个离散斜率值近似ONU的服务包络函数示意图，k₀，k₁……k₁₂为13个近似包络线段斜率备选值，

,

分别为所作的近似包络线l₁，l₂斜率值；A、B、C是ONU的原服务包络函数上的三点，A、D是近似后的ONU服务包络上的两点。

【具体实施方式】

实施例1

本发明为以太无源光网络中满足互通性和保证全局公平性的上行动态带宽分配方法，其具体实施方式为：

1、如图1所示，构造每个用户以及ONU的服务包络(Service Envelopes，SE)函数：这里以q_1，k＝1000，q_2，k＝3800，q_3，k＝5000(单位：字节)；

(单位：字节)；用户的归一化权重因子

为例。用户的服务包络E^*为最多由两段组成的分段线性函数，如图中E₂ ^*，E₃ ^*所示。第一段由点(0，

)开始，到点(

q_i，k)结束。E^*第二段的斜率为0，并且无限延伸。直观上讲，E^*函数的含义很清楚：随着满足系数(S)的变化，E^*函数能够公平地确定每个用户的发送窗口大小：随着满足系数S的增大，用户i将会获得

S的额外时隙。当发送窗口的大小达到q_i，k后，它将不再随着S的增大而增大。最坏情况下，即S＝0时，用户只能获得字节的发送窗口，即获得的最小保证带宽。

为了防止

时造成带宽浪费，这种情况下，E^*函数只由斜率为0的一段组成，起始点为(0，q_i，k)，如图1中的E₁ ^*所示。

光网络单元ONU的服务包络E由该ONU内的所有用户的服务包络累加而成，即

$E={\∑}_{j\∈T}{E}_j^{*}$

其中，T是该ONU内所有用户的集合，如图1所示，E便是由E₁ ^*，E₂ ^*，E₃ ^*累加生成的，A、B、C是其上三点，按上式求得的各点坐标如图中所示。

2、如图2所示，对1中构造的ONU原服务包络函数进行近似压缩：对于ONU原服务包络函数中的AB段，从含有13个离散值k₀，k₁……k₁₂(其中k_j＝(12-j)/12，j＝0，1，……12)的近似线段斜率备选值集合中，选取与该线段斜率值最接近且不小于该线段斜率的值k₁₁，过该线段的起点A，以k₁₁为斜率作一条直线l₁；对于ONU原服务包络函数中的BC段，同样从上述近似线段斜率备选值集合中，选取与线段BC斜率值最接近且不小于该线段斜率的值，结果仍为k₁₁，故跳过该段，继续对下一段进行近似；对于ONU原服务包络函数中以C点为起点的最后一段(其斜率为0)，仍然从上述近似线段斜率备选值集合中，选取与该段斜率值最接近且不小于该线段斜率的值k₁₂(k₁₂＝0)，因为其与前面所作直线l₁的斜率值k₁₁不同，故需过点C，以k₁₂为斜率作一条直线l₂，将该直线与前面用相同方法所作的直线l₁的交点D作为ONU近似服务包络函数上的一点。如图2所示，近似压缩前的ONU服务包络为ABC，近似压缩后ONU的服务包络为AD。

3、采用13个队列集(Queue set)，每个队列集中只包含一个队列的REPORT帧结构形式，报告光网络单元的近似服务包络函数，每个队列集对应一个预先设定的近似线段斜率备选值，若近似包络函数中存在该斜率值的线段，则在该队列集中报告该斜率值对应线段起点的纵坐标值，即光网络单元请求的发送窗口大小；若近似包络函数中不存在该斜率值的线段，则在该队列集中报告一个无效值(如0)；

4、光线路终端OLT中的调度器在收到系统内所有光网络单元报告的近似服务包络函数后，将所有这些近似服务包络函数累加合并，合并方法同第1.2步，构造光线路终端OLT自己的服务包络函数E_OLT(S)；这里假设W_total小于E_OLT(S)函数最后一段包络线起点的纵坐标值，并通过求解方程E_OLT(S_k)＝W_total得到满足系数S_k＝36000；通过满足系数S_k和图2中光网络单元的近似服务包络函数，可以确定分配给该光网络单元的时隙窗口长度为9500字节(即在该光网络单元的近似服务包络函数上找到横坐标值为36000时对应的纵坐标值)；

5、光线路终端OLT根据下一轮询周期的起始时刻和各光网络单元在每个周期内的发送时隙的长度以及光线路终端预先设定的光网络单元的调度顺序，确定每个光网络单元在每个周期内发送时隙的起始时刻；最后OLT将每个光网络单元在下一轮询周期内发送时隙的起始时刻和时隙长度通过授权消息发送给各光网络单元，完成授权；

6、ONU收到授权(GATE)消息后，获得OLT分配给其的发送时隙的总长度B_total＝9500字节，同时根据图1中构造的该ONU的服务包络函数E(S)，由E(S_t)＝B_total可得到该ONU内的满足系数S_t＝55000。根据满足系数和各用户的服务包络函数，便可得到分配给各用户的时隙窗口长度(即在各用户的服务包络函数上找到横坐标值为55000时对应的纵坐标值E^*(55000))：用户1获得的发送窗口长度等于他请求的发送窗口长度，即1000字节；用户2和用户3获得的发送窗口长度分别为3800字节和4700字节。当ONU的发送时隙到来时，ONU在用户剩余的可用时隙窗口充足的情况下优先调度用户的高优先级业务进行发送。

Claims (2)

1.一种满足互通性和保证全局用户之间公平性的以太无源光网络动态带宽分配方法，其特征在于，该方法具体包括下列步骤：

第1、生成光网络单元的服务包络函数：

第1.1、对于任意轮询周期k，光网络单元在发送REPORT控制消息之前，根据该光网络单元内用户i的缓冲区内待发送的数据包总长度q_i，k、其最小保证带宽

和归一化权重因子

构造该用户服务包络函数：

a)、用户i的服务包络函数

为最多由两段组成的分段线性函数，第一段由点

开始，到点

结束，其中为该用户的满足系数(S)，用于衡量用户的带宽需求在多大程度上得到了满足，第二段的斜率为0，并且无限延伸；

b)、当

时，

函数只由斜率为0的一段组成，起始点为(0，q_i，k)；

第1.2、然后，光网络单元合并所有属于该光网络单元的用户服务包络函数，得到该光网络单元自己的服务包络函数：

$E={\mathrm{\Σ}}_{j\∈T}{E}_j^{*}$

其中，T是该光网络单元的所有用户的集合；

第2、对光网络单元的服务包络函数进行近似压缩：

第2.1、对于第1步中得到的光网络单元的服务包络函数中的某一段函数，从含有(N+1)个离散值k₀，k₁......k_N的近似线段斜率备选值集合中选取一个与该线段斜率值最接近且不小于该线段斜率的值k_i，当对网络单元的原服务包络函数的第一段进行近似时，过该起始点作一条斜率为k_i的直线；如果当前端点不是第一个端点，考虑两种情况，第一，如果k_i值与最近一次所作的直线的斜率不同，认为k_i的值不同于任何已作直线的斜率值，以该当前端点为起点，以k_i为斜率作一条直线，该直线与前面用相同方法所作直线的交点作为光网络单元近似服务包络函数上的一点；第二，如果k_i值与最近一次所作的直线的斜率相同，则跳过该段，继续进行对光网络单元的原服务包络函数下一段的近似压缩操作；

第2.2、按照上面第2.1步的方法便可得到光网络单元近似服务包络函数上的所有点，使最后的近似服务包络函数由连接各点的不超(N+1)段折线组成；

第3、通过REPORT控制消息报告光网络单元的近似服务包络函数：

为保持与IEEE802.3ah标准的一致性，采用M个队列集(Queue set)，M的大小应与斜率备选值集合中离散值的个数相同，每个队列集中只包含一个队列的REPORT帧结构形式，报告光网络单元的近似服务包络函数：每个队列集对应一个预先设定的近似段斜率备选值，若近似包络函数中存在该斜率值的线段，则在该队列集中报告该斜率值对应线段起点的纵坐标值，即光网络单元请求的发送窗口大小；若近似包络函数中不存在该斜率值的线段，则在该队列集中报告一个无效值；

第4、光线路终端OLT中的调度器进行带宽分配：

光线路终端中的调度器在收到系统内所有光网络单元报告的近似服务包络函数后，将所有这些近似服务包络函数累加合并，合并方法同第1.2步，构造光线路终端OLT自己的服务包络函数E_OLT(S)；根据光线路终端OLT构造的服务包络函数和系统内总的可用带宽W_total，求得下一周期的满足系数S_k：若W_total大于E_OLT(S)函数最后一段包络线起点的纵坐标值，则满足系数S_k等于该起点的横坐标值；反之若W_total小于或等于E_OLT(S)函数最后一段包络线起点的纵坐标值，则通过求解方程E_OLT(S_k)＝W_total得到满足系数S_k的值，通过满足系数S_k和各光网络单元的近似服务包络函数确定分配给每个光网络单元的时隙长度，即在近似服务包络函数上找到横坐标值为S_k时对应的纵坐标值；

第5、光线路终端OLT安排各光网络单元的发送时隙的顺序并发送授权消息：

光线路终端OLT根据下一轮询周期的起始时刻和各光网络单元在每个周期内的发送时隙的长度以及光网络单元的调度顺序，确定每个光网络单元在每个周期内发送时隙的起始时刻；最后OLT将每个光网络单元在下一轮询周期内发送时隙的起始时刻和时隙长度通过授权消息发送给各光网络单元，完成授权；

第6、光网络单元对用户的调度：

第6.1、光网络单元收到授权消息后，获得OLT分配的发送时隙的总长度B_total，同时根据该光网络单元的服务包络函数E(S)，由E(S_t)＝B_total可得到该光网络单元内的满足系数S_t；根据满足系数和各用户的服务包络函数，便可得到分配给各用户的发送窗口长度，即在各用户的服务包络函数E^*上找到横坐标值为S_t时对应的纵坐标值E^*(S_t)；

第6.2、当光网络单元的发送时隙到来时，光网络单元在各用户剩余的可用时隙窗口长度充足的情况下优先调度用户的高优先级业务进行发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第2.1步所述的近似线段斜率备选值集合中的(N+1)个离散值k₀，k₁......k_N的确定方法是：k_i＝(N-i)/N，i＝0，1，……N，N越大备选值集合中可选的离散值越多，近似压缩的误差越小，但计算处理则越复杂，反之则近似压缩误差较大，但计算处理相对简单，实际实施过程中可根据具体情况灵活选择，但REPORT消息所能报告的队列阈值的最大数目决定了N不能大于12。

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