CN103905336B - 一种基于网络编码技术的SIEPON中QoS感知的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码（NC）技术的服务互通以太网无源光网络（SIEPON）中服务质量（QoS）感知的调度方法。该方法对网络编码包和非网络编码包进行相应标识并对不同优先级的业务进行相应的服务分类（CoS）标识，根据业务的特性，将不同的业务映射到ESP中，并分别在上行方向对队列进行服务以及在下行方向上对ESP的相应模块进行配置，从而在新型的SIEPON网络中完成了资源的合理调度和动态分配。

Description

一种基于网络编码技术的SIEPON中QoS感知的调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络编码(NC，Network Coding)技术的服务互通以太网无源光网络(SIEPON，Service Interoperability Ethernet Passive Optical Network)中服务质量(QoS，Quality of Service)感知的调度方法，该方法面向EPON最新标准草案和网络编码技术，针对多业务等级的不同需求采用不同的带宽分配方法，属于光接入网技术领域。

背景技术

EPON以其快速、简单、廉价、可靠等诸多的优点被认为是最具前景的接入方式之一。新型业务的出现使得接入网的带宽需求仍然是亟待解决的问题，而网络编码技术通过将中间节点作为编码节点对流向它的多个数据流进行编码，减少了整个网络中包传送的次数，从而缩短了编码节点的数据包发送时间。与此同时，网络业务本地化趋势使得多个光网络单元(ONU，Optical Network Unit)之间可以进行信息的交互，这使得网络编码技术在EPON中可以打破通信网络中传统的信息处理方式，它在EPON中的应用能够显著提升吞吐量、减少资源消耗，同时也能有效降低光线路终端(OLT,Optical Lineal Terminal)节点的能源消耗，提升网络整体的传输性能和能源效率。

另一方面，原有的1G EPON和10G EPON标准IEEE 803.ah和IEEE 802.3av都属于底层协议，即只定义了物理层以及数据链路层的相关功能，而EPON最新标准草案SIEPON则对上层的系统构架以及业务进行了定义。SIEPON的主要目的在于不断深入和完善现有1GEPON和10G EPON标准，其定义了系统级和网络级标准，用于保证不同厂家EPON设备能够实现业务与管理的即插即用和互连互通。标准研究范围包括EPON系统级业务互通所涉及的系统级QoS、管理互通所涉及的业务管理等。因此，SIEPON的出台为EPON的QoS保证提供了基础框架。目前已有相关文献指出了四种具有典型特征的业务(电路仿真业务、VoIP(Voiceover IP)业务、IPTV(Internet Protocol Television)业务、因特网接入业务)存在时，在SIEPON中通过分配EPON服务路由(ESP，EPON Service Path)的数目及进行相应的参数配置可以实现QoS保证。其中，ESP的数目取决于其所承载业务的特点，根据带宽和延迟的参数分配ESP，即按照业务的特性确定所需ESP的数量，例如，对于IPTV业务，因其具有主要存在于下行方向这一特点而不必采用4条ESP，其它业务一般都需要有4条ESP，即上下行方向各两条。

现有网络编码应用在EPON中能提升网络的数据传送性能，并具有有效提升信息传送能源效率等方面的作用，但是均未面向最新的EPON网络标准-SIEPON。而且现有关于NC技术在EPON中的相关研究，均未考虑接入网络业务多样性的特点，即网络多业务情况下的不同服务质量保证。此外，网络编码包延迟过高，造成系统资源占用过大，还可能导致编码包传输质量得不到保障。

因此，针对接入网络业务本地化趋势以及对多等级业务支持能力的需求，实现一种新型的基于NC的SIEPON中QoS感知的动态带宽分配(DBA，dynamic bandwidthallocation)方法，可以有效提升网络在数据传送性能以及多等级服务质量支持方面的能力。

发明内容

本申请基于网络编码技术的SIEPON中QoS感知的调度方法的主要内容是基于最新的SIEPON网络架构和NC技术，考虑业务多等级QoS保证，通过NC业务与非NC业务以及不同等级的业务流在ESP上的映射，在ONU内采用纵向的队列服务方式并且在OLT中根据上行带宽的请求进行相应的标识、缓存及资源调度。

本申请采用如下技术方案：

一种基于网络编码技术的SIEPON中QoS感知的调度方法，该方法包括如下步骤：

1)当业务到达OLT时，具有网络编码NC标识和服务分类CoS标识的业务流将分别映射到SIEPON的各个EPON服务路由ESP上，每一条ESP都需依次历经输入功能模块[I]、分类功能模块[C]、修正功能模块[M]、维护/整形功能模块[P/S]、交叉连接功能模块[X]、队列功能模块[Q]、调度功能模块[S]以及输出功能模块[O]；

2)OLT检查轮询周期表，等待接收来自所有ONU的请求信息以后进行ONU传输时间和持续时间的授权；

3)将业务分为3种：加速转发型、确定转发型和尽力而为型；当几个具有不同CoS等级的帧同时通过网络时，在OLT的下行队列功能模块[Q]中，OLT根据CoS的值按先入先出的队列(FIFO)服务方式对不同等级业务的子队列分别进行排序；

4)OLT根据ONU上行带宽的请求计算上行带宽并计算出各授权信息的分配时刻：对于具有加速转发型优先级的业务，分配固定带宽，如果有网络编码帧，则在队列功能模块[Q]中缓存编码帧，并在调度功能模块[S]里根据优先级调度所有发往同一ONU的编码帧；对于具有确定转发型和尽力而为型优先级的业务，按照MPCP中REPORT请求进行DBA计算，并执行与加速转发型优先级业务相同的调度；

5)生成相应的GATE授权信息，向整个EPON中的所有ONU广播授权信息。

其中，分类功能模块[C]根据数据类型为到达系统的数据分配CoS标识和NC标识。当业务是具有尽力而为型(BE，Best-Effort)优先级的业务时，对应数据包的服务分类标识CoS＝1；当业务是确定转发型(AF，Accelerated Forward)优先级的业务时，对时延和时延抖动要求相对较高，对应数据包的服务分类标识CoS＝2；当业务是加速转发型(EF，Excellent Effort)优先级的业务时，对时延和时延抖动要求很高，对应数据包的服务分类标识CoS＝3。上行方向的待网络编码的数据包流和不需要进行网络编码的数据包流在OLT中ESP的分类功能模块[C]中通过REPORT控制信息帧的相应字段进行标识；下行方向上已经编码的数据包流通过GATE控制信息帧中设定的相应预留比特位控制，在ONU中ESP的分类功能模块[C]中进行鉴别。

在上行方向上，数据帧映射且缓存在ONU的具有不同优先级的不同子队列模块[Q]中，其中非编码队列功能模块[Q]中缓存非编码业务，而编码队列功能模块[Q]进行相应的待网络编码数据帧的缓存和解码操作；在下行方向上，OLT中多个子队列模块[Q]分别缓存具有不同优先级的数据帧，其中编码队列功能模块[Q]进行编码业务的缓存并进行编码。ONU中对各个请求队列进行轮询时不采用横向的基于优先级的方式，而是采用纵向的轮询方式增加低优先级数据的轮询机会。

进一步地，每个ONU内的调度功能模块[S]根据本地优先级在一定的门限值下进行带宽请求，其中本地优先级表示在ONU内部的带宽请求方式需要考虑的多种服务优先级。

OLT的调度功能模块[S]基于全局优先级进行带宽分配，全局优先级表示OLT内对ONU间的带宽分配需要考虑的多种服务优先级，具体包括：

1)OLT始终优先向NC&EF的业务分配带宽；

2)在所有的NC&EF业务发送结束后，再服务具有EF优先级的业务；对于所有具有EF等级的数据帧，ESP的调度功能模块[S]都分配等于请求带宽的固定的带宽为其服务；

3)当为具有EF等级的数据帧分配完固定带宽后，OLT的调度功能模块[S]为具有中优先级和低优先级的编码子队列功能模块[Q]服务，为NC&AF以及NC&BE的业务分配带宽；

4)之后，OLT为所有的具有AF和BE优先级的非编码业务分配带宽。

附图说明

图1是本发明的SIEPON中ONU内部队列轮询方式的示意图；以及

图2是本发明中OLT处基于网络编码的SIEPON中QoS感知的动态带宽分配示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，在基于NC技术的SIEPON中QoS感知的动态带宽分配方法中，业务需要首先映射到ESP上。该映射包括带有NC标识的业务流的映射以及业务的QoS映射，每一条ESP都需依次历经输入功能模块[I]、分类功能模块[C]、修正功能模块[M]、维护/整形功能模块[P/S]、交叉连接功能模块[X]、队列功能模块[Q]、调度功能模块[S]以及输出功能模块[O]。

本申请采用了一种基于网络编码的QoS感知的调度方法：

1)当业务到达OLT时，具有NC标识和CoS标识的业务流将分别映射到SIEPON的各个ESP上。

2)OLT检查轮询周期表，等待接收来自所有ONU的请求信息以后进行ONU传输时间和持续时间的授权。

3)当几个具有不同CoS等级的帧同时通过网络时，在OLT的下行队列功能模块[Q]中，OLT根据CoS的值按先入先出的队列(FIFO，first-in and first-out)服务方式对具有NC&EF，EF、NC&AF，AF，NC&BE以及BE等级的业务的子队列分别进行排序。

4)OLT根据ONU上行带宽的请求计算上行带宽并计算出各授权信息的分配时刻。对于具有EF优先级的业务，分配固定带宽，如果有网络编码帧，则在队列功能模块[Q]中缓存编码帧，并在调度功能模块[S]里根据优先级调度所有发往同一ONU的编码帧；对于具有AF和BE优先级的业务，按照MPCP中REPORT请求进行DBA计算，并执行与EF等级业务相同的调度。

5)生成相应的GATE授权信息，向整个EPON中的所有ONU广播授权信息。

本申请的技术方案主要通过分类功能模块[C]、队列功能模块[Q]以及调度功能模块[S]实现。

1.分类功能模块[C]

QoS机制的基本思想在于不同等级的业务具有不同的带宽和延迟需求，因此，数据包可以映射到多个ESP中，分类功能模块[C]根据数据类型为到达系统的数据分配CoS标识和NC标识。

对于CoS标识：EPON支持8种服务等级。作为示例，本发明将业务分为3种：加速转发型(EF，Excellent Effort)，确定转发型(AF，Accelerated Forward)以及尽力而为型(BE，Best-Effort)。业务的QoS映射是指这三种不同等级的业务映射到了不同的ESP上。①当业务是具有BE优先级的业务时，对应数据包的服务分类标识CoS＝1；②当业务是AF优先级的业务，即对时延和时延抖动要求相对较高的业务，如视频业务时，对应数据包的服务分类标识CoS＝2；③当业务是EF优先级的业务，即对时延和时延抖动要求很高的业务，如语音业务时，对应数据包的服务分类标识CoS＝3。

对于NC标识：上行方向的待网络编码的数据包流和不需要进行网络编码的数据包流在OLT中ESP的分类功能模块[C]中进行标识。编码标识通过REPORT控制信息帧的相应字段来控制，具体的，在REPORT控制信息中设定相应的预留比特位，若该位为1，则说明其承载着需要编码的数据信息；同样地，下行方向上已经编码的数据包流通过GATE控制信息帧中设定的相应预留比特位控制，在ONU中ESP的分类功能模块[C]中进行鉴别。

因此，本发明中共存在以下几种数据帧：具有EF优先级的网络编码帧(NC&EF)、具有EF优先级的非编码帧(EF)、具有AF优先级的网络编码帧(NC&AF)、具有BE优先级的网络编码帧(NC&BE)、具有AF优先级的非编码帧(AF)以及具有BE优先级的非编码帧(BE)。

2.队列功能模块[Q]

在上行方向上，数据帧映射且缓存在ONU的具有不同优先级的不同子队列模块[Q]中。ONU的非编码队列功能模块[Q]中缓存非编码业务，而编码队列功能模块[Q]进行相应的待网络编码数据帧的缓存和异或解码操作。具有EF优先级的数据帧映射到最高优先级队列中。同理，具有AF和BE优先级的数据帧分别映射到中优先级和低优先级子队列模块[Q]中。根据REPORT信息而进行的队列服务方式如图1所示。在此，如图中箭头所示，由于在整个网络中具有最低优先级的子队列请求数据较多，若ONU以横向的基于优先级的方式来轮询所有的请求队列会使得这些低优先级的业务得不到保障，因此，这里ONU以一种纵向的防止低优先级业务“饥饿”的轮询方式来轮询以增加具有BE优先级的数据帧的轮询机会，多个子队列的总请求带宽是根据这些业务的优先级和请求带宽而制定的特定门限值，该轮询方式保证了具有低优先级业务的QoS。

此外，在下行方向上，OLT中ESP的相应编码队列功能模块[Q]进行编码业务的缓存并进行异或编码。OLT中多个子队列模块[Q]分别缓存具有不同优先级的数据帧。

3.调度功能模块[S]

ONU和OLT的调度功能模块[S]分别通过考虑业务的本地优先级和全局优先级来进行队列管理。本地优先级表示在ONU内部的带宽请求方式需要考虑多种服务优先级；全局优先级表示OLT内对ONU间的带宽分配需要考虑多种服务优先级。

①ONU内的调度功能模块[S]

当采用了图1所示的队列轮询方式后，每个ONU都将根据本地优先级在一定的门限值下进行带宽请求。请求队列长度计算时具有高优先级的业务帧应被优先考虑。例如，具有EF，AF以及BE优先级的业务的权重分别为m:n:s，这些权重之间的关系是m>n>s。调度功能模块[S]可令每个ONU在发送时优先发送EF优先级的数据帧。由于每一个ONU的ESP中有多个缓存数据的队列，在整个网络中，通过多点控制协议(MPCP,Multipoint Control Protocol)协议中的REPORT信息以轮询的方式每次将各子队列中的请求带宽发送给OLT是不实际的，因此，本发明采用基于门限值的控制策略，即每个ONU在每一个轮询过程中用一个REPORT消息发送所有队列的总带宽请求R_total。即R_total＝mR_EF+nR_AF+sR_BE，其中，R_EF，R_AF以及R_BE分别表示各不同等级的子队列上行请求的带宽，每次请求的总带宽大小为R_total。

②OLT的调度功能模块[S]

OLT中基于全局优先级的带宽分配，如图2所示。

在调度功能模块[S]中，为优先考虑具有本地化特征的业务，综合NC标识和CoS标识，在OLT内本发明具体采取如下策略：

1)OLT始终优先向NC&EF的业务优先分配带宽。

在所有的NC&EF业务发送结束后，再服务具有EF优先级的业务。对于所有具有EF等级的数据帧(无论是编码帧还是非编码帧)，ESP的调度功能模块[S]都分配固定的带宽为其高优先级子队列功能模块[Q]服务，即对于每一个ONU来说，授权带宽等于请求带宽R^EF。这意味着无论何种情况下，在OLT端对EF优先级的数据帧分配的带宽不依赖于REPORT信息。

2)当为具有EF等级的数据帧分配完带宽后，OLT的调度功能模块[S]为具有中优先级和低优先级的编码子队列功能模块[Q]服务，即为NC&AF以及NC&BE的业务分配带宽，而该过程将依赖于标准中的MPCP协议，即DBA的过程将依赖于上行的REPORT信息。

3)之后，OLT为所有的具有AF和BE优先级的非编码业务分配带宽。此时，OLT需要判断带宽是否足够，若足够，则对具有AF和BE优先级的非编码业务按照其带宽需求进行分配，否则按照优先级的比例来分配。

本发明同时考虑NC技术以及QoS感知，设计了基于网络编码技术的SIEPON中QoS感知的调度方法，具有以下优点：

该发明在最新EPON标准草案SIEPON的基础上，同时考虑了接入网络业务本地化以及多样性的特点；所提出的QoS感知的动态带宽分配方法中的队列服务方式，能够区分并保障不同类型业务的QoS；该方法在保证高等级业务的同时保证了在网络中占有较大比例但却具有较低优先级的业务能够公平地分享网络中的带宽资源，提高了网络的公平性。

基于网络编码技术的QoS感知的调度方法为SIEPON中数据包与动态资源的分配提供了一种具体可行的解决方案。本申请的技术方案不再依赖于传统EPON的底层，具有良好的可扩展性，例如，多种网络编码的方式可以在[Q]模块中得到体现，此外，考虑其它服务要求的QoS感知的DBA算法都可以在调度功能模块[S]里进行实现。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于网络编码技术的SIEPON中QoS感知的调度方法，该方法包括如下步骤：

1)当业务到达OLT时，具有网络编码NC标识和服务分类CoS标识的业务流将分别映射到SIEPON的各个EPON服务路由ESP上，每一条ESP都需依次历经输入功能模块[I]、分类功能模块[C]、修正功能模块[M]、维护/整形功能模块[P/S]、交叉连接功能模块[X]、队列功能模块[Q]、调度功能模块[S]以及输出功能模块[O]；

2)OLT检查轮询周期表，等待接收来自所有ONU的包含上行带宽请求的请求信息以后进行ONU传输时间和持续时间的授权；

3)将业务分为3种：加速转发型、确定转发型和尽力而为型；当几个具有不同CoS等级的帧同时通过网络时，在OLT的下行队列功能模块[Q]中，OLT根据CoS的值按先入先出的队列FIFO服务方式对不同等级业务的子队列分别进行排序；

4)OLT根据ONU上行带宽的请求计算上行带宽并计算出各授权信息的分配时刻：对于具有加速转发型优先级的业务，分配固定带宽，如果有网络编码帧，则在队列功能模块[Q]中缓存编码帧，并在调度功能模块[S]里根据优先级调度所有发往同一ONU的编码帧；对于具有确定转发型和尽力而为型优先级的业务，按照MPCP中REPORT请求进行DBA计算，并执行与加速转发型优先级业务相同的调度；

5)生成相应的GATE授权信息，向整个EPON中的所有ONU广播授权信息。

2.根据权利要求1所述的方法，分类功能模块[C]根据数据类型为到达系统的数据分配CoS标识和NC标识。

3.根据权利要求2所述的方法，所述CoS标识包括：

当业务是具有尽力而为型优先级的业务时，对应数据包的服务分类标识CoS＝1；

当业务是确定转发型优先级的业务时，对时延和时延抖动要求相对较高，对应数据包的服务分类标识CoS＝2；

当业务是加速转发型优先级的业务时，对时延和时延抖动要求很高，对应数据包的服务分类标识CoS＝3。

4.根据权利要求2所述的方法，上行方向的待网络编码的数据包流和不需要进行网络编码的数据包流在OLT中ESP的分类功能模块[C]中通过REPORT控制信息帧的相应字段进行标识；下行方向上已经编码的数据包流通过GATE控制信息帧中设定的相应预留比特位控制，在ONU中ESP的分类功能模块[C]中进行鉴别。

5.根据权利要求1所述的方法，在上行方向上，数据帧映射且缓存在ONU的具有不同优先级的不同子队列模块[Q]中，其中非编码队列功能模块[Q]中缓存非编码业务，而编码队列功能模块[Q]进行相应的待网络编码数据帧的缓存和解码操作；在下行方向上，OLT中多个子队列模块[Q]分别缓存具有不同优先级的数据帧，其中编码队列功能模块[Q]进行编码业务的缓存并进行编码。

6.根据权利要求5所述的方法，ONU中对各个请求队列进行轮询时不采用横向的基于优先级的方式，而是采用纵向的轮询方式增加低优先级数据的轮询机会。

7.根据权利要求1所述的方法，每个ONU内的调度功能模块[S]根据本地优先级在一定的门限值下进行带宽请求，其中本地优先级表示在ONU内部的带宽请求方式需要考虑的多种服务优先级。

8.根据权利要求1所述的方法，OLT的调度功能模块[S]基于全局优先级进行带宽分配，其中全局优先级表示OLT内对ONU间的带宽分配需要考虑的多种服务优先级，具体包括：

1)OLT始终优先向具有加速转发型优先级的网络编码帧NC&EF的业务分配带宽；

2)在所有的NC&EF业务发送结束后，再服务具有具有加速转发型优先级的非编码帧EF优先级的业务；对于所有具有加速转发型优先级等级的数据帧，ESP的调度功能模块[S]都分配等于请求带宽的固定的带宽为其服务；

3)当为具有加速转发型优先级等级的数据帧分配完固定带宽后，OLT的调度功能模块[S]为具有中优先级和低优先级的编码子队列功能模块[Q]服务，为具有确定转发优先级的网络编码帧NC&AF以及具有尽力而为优先级的网络编码帧NC&BE的业务分配带宽；

4)之后，OLT为所有的具有确定转发型优先级的非编码帧AF和具有尽力而为型优先级的非编码帧BE分配带宽。