CN104022966A - 基于NC的PON中保障QoS的ONU内部调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的无源光网络中保障服务质量的光网络单元内部调度机制，从各种业务的QoS需求出发，针对NC在PON引入对网络中QoS的影响，设计了一种包括OLT调度与ONU调度的QoS保障机制，可以在基于NC的PON中为保障编码包QoS提供支持，避免了NC对内部业务传输产生的不良影响，并有效保障各等级业务的QoS。另外，避免了SPS中高优先级业务垄断带宽情况，提高了低等级业务的QoS，进而减少了其对NC传输的影响。

Description

基于NC的PON中保障QoS的ONU内部调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络编码(Network Coding, NC)的无源光网络(Passive Optical Network, PON)中的保障服务质量（Quality of Service, QoS）的光网络单元(Optical Network Unit, ONU)内部调度方法，包括在光线路终端（Optical Line Terminal, OLT）实现针对单个ONU的下行传输调度，和在该ONU中实现针对同一ONU的上行传输调度。涉及到网络中QoS保障问题，针对基于NC的PON中QoS需求划分业务的传输优先级，对ONU内部调度进行优化设计，属于光纤接入网技术领域。

 

背景技术

随着对等(Peer-to-peer，P2P)网络文件共享、视频点播、高清电视和社区网络服务等业务的发展，网络业务本地化趋势已经日趋明显，为NC技术在PON的引入提供了条件。NC技术已经被应用于PON，即在内部业务的传输过程中，结合PON中光分路器的组播特性，可以通过网络编码技术实现OLT的节能，提升网络传输性能。PON中NC的实现上无需硬件扩展与开发，只需扩展已有的传输协议，最大可以实现50%的下行吞吐量。而随着近几年来各种新型业务与服务的出现，QoS已成为PON中的重要指标，NC技术的引入更是对QoS产生了新的影响。

目前，在PON中，由于下行传输采取广播的方式，数据包到达OLT后直接被广播，所以只有上行方向采取ONU内部调度，主要采用了严格优先级调度（Strict Priority Scheduler，SPS），即严格按照优先级顺序，先传输高优先级业务，当ONU缓存中没有高优先级业务时才能传输低等级业务。

发明内容

目前还没有专门针对NC的ONU内部调度机制。在基于NC的PON中，现有ONU内部调度主要存在以下缺点：

1）已有的ONU内部调度只存在于上行业务的传输，而缺乏下行方向的调度机制。引入NC的PON中的下行传输同上行传输相似，需要将下行业务汇聚并缓存在OLT中，因此，下行方向同样需要针对单个ONU的内部调度；

2）已有的调度机制将各个业务划分为不同的服务优先级，但是，编码包由不同数据包编码生成，缺少对其服务优先级的明确定义，因此，现有的调度机制无法针对编码包提供有效的QoS保障；

3）已有调度机制采用了SPS机制，在基于NC的PON中，由于高等级业务将占用低等级业务的带宽，甚至造成了高等级业务垄断带宽的现象，低等级业务将不得不忍受较长的队列延时；如果在OLT低等级业务编码包的延时过长，将导致ONU过早删除解码包造成无法解码，或者解码包在ONU中大量堆积，造成ONU缓存的占用增加，影响其他业务的传输。

鉴于此，如何在基于NC的PON中定义编码包的优先级、减少编码包的延时进而实现网络中业务QoS的有效保障，已成为该领域的研究重点。

本发明的主要目的是在基于NC的PON中设计一种ONU内部调度机制，其中定义编码包的服务优先级，同时保障上下行业务的QoS，并减少NC对于其他业务传输的不良影响。

本发明采用下述的技术方案：

一种基于NC的PON中保障QoS的ONU内部调度方法，包括在OLT实现针对单个ONU的下行传输调度，和在该ONU中实现针对同一ONU的上行传输调度。本方法将网络中的业务分为三个服务优先等级，分别为快速转发业务（Expedited Forwarding，EF）、有保障转发业务（Assured Forwarding，AF）和尽力而为业务（Best Effort，BE）；在OLT和ONU进行调度之前，首先确定编码包业务的优先级：首先，具有相同优先级的数据包优先编码并保持优先级不变；其次，EF优先级的数据包只可以与同优先级数据包进行编码；最后，当两个编码源包的优先级分别为AF和BE时，可以进行编码，产生的编码包的服务优先级为AF等级。

进一步地，在ONU中实现的上行传输调度包括：在每个ONU中根据不同的业务优先级，按优先级顺序为各个等级业务授权传输带宽。将各个优先级业务按业务目的节点再次进行区分，分为内部业务与外部业务，并根据业务优先级与类型将业务分别缓存在6个缓存队列。ONU通过Report包向OLT报告上行传输需要带宽，OLT根据带宽请求通过Gate包授权传输带宽；ONU根据优先级授权带宽分配给各个等级业务，优先将带宽分配高等级业务，同等级业务中，优先满足内部业务带宽需求。在申请带宽时，额外为高优先级业务申请一部分带宽，用于传输ONU在上传Report包后等待传输期间到达的高优先级业务。为BE优先级业务按总传输需求比例提供一部分动态保障带宽。

进一步地，在OLT中实现的下行传输调度包括：在OLT中建立3n+3个缓存队列用来缓存不同类型不同目的节点的数据包，n为ONU数量，其中：对应于每个ONU，OLT中都需要建立一组包括三个队列的缓存队列组，用来缓存到达特定ONU的三个等级待发送业务，内部业务及外部下行业务到达后，根据其目的ONU，被缓存在相应的队列中；编码源包的挑拣通过查询对应的队列来实现，被挑拣出的可编码数据包，将被移出其所在队列，并将编码后生成的编码包放入编码包的相应等级的缓存队列。首先按编码包传输带宽需求，将带宽分配给编码包传输；然后将剩下的带宽按各个ONU带宽需求比例分配给各个ONU的下行业务；各个缓存队列组中业务均对应相同的ONU，根据分配到的下行带宽，对下行业务进行调度，对于同一ONU，按照优先级顺序传输三个缓存队列的业务，并为低优先级业务设置保障带宽。

 

附图说明

图1示出了不同等级包编码后服务优先级定义； 

图2示出了OLT调度与ONU调度的联合调度；

图3为传输相同上行业务量时，ONU中业务传输情况的对比图；以及

图4为传输相同上行业务量时，OLT中业务传输情况的对比图。

 

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。

1.编码包业务优先级定义

根据服务区分框架，本文将网络中的业务分为以下三个服务优先等级，分别为快速转发业务（Expedited Forwarding，EF）、有保障转发业务（Assured Forwarding，AF）和尽力而为业务（Best Effort，BE）。其中，EF业务为最高等级业务，主要包括高延时敏感度并具有恒定比特率的业务，例如：双向视频流/音频流与交互式游戏等等。AF业务为中优先级业务，具有可变的比特率，有较大的带宽需求，需要提供带宽保障，例如：单向音频流/视频流。而BE业务则由无需延时、带宽和帧丢失率保障的最低等级业务组成，包括文件传输、电子邮件和点对点通信等业务。

在一个具有编码功能的EPON系统中，包之间编码是由两个数据包的异或操作来实现的，编码包为新生成的数据包，其编码行为可以分为两种情况。第一种情况，构成编码包的两个编码源包属于同一优先级，即同优先级业务编码。这种情况下，直接定义编码包为相同的服务优先级，根据该等级QoS要求对编码包进行QoS保障。第二种情况，两个编码源包处于不同优先级，在该情况下，需要保障两个编码源包的QoS，所以需要将编码包的服务优先级重新定义。为了保障较高优先级的编码源包的QoS，将编码包的优先级重新定义为与编码过程中较高优先级的编码源包相同的服务优先级，这样一个低优先级的数据包将会得到高优先级业务的QoS保障，必然可以满足其对于QoS的要求，从而可以同时保障两个编码源包的QoS。

当两个编码源包进行编码过程时，需要遵循以下原则。

首先，具有相同优先级的数据包应该优先编码，保持优先级不变；同时允许不同优先等级业务之间的编码。

由于网络中编码源包众多，在较高优先级的数据包没有进行编码的时候出现不同优先级数据包编码的情况，将会导致高优先级数据包的编码机会被较低优先级数据包占用，从而影响了高优先级编码源包的传输。不同业务包之间的编码、以及低优先级数据包的等级跃迁也会导致QoS受到影响。

同时，数据包的优先级跃迁相对于只能同等级业务之间编码的方式，可以使更多的业务通过网络编码方式传输，由此提高编码效率，在同等级业务中实现第一次编码包挑拣后，通过不同等级业务之间的编码，可以实现第二次编码源包挑拣。相对于只有同等级业务之间的编码策略，实现不同等级业务的编码，并实现数据包优先级跃迁，可以增加总的网络编码传输业务量，加强了对NC技术的利用。

其次，EF优先级的数据包只可以与同优先级数据包进行编码，EF等级业务具有延时敏感性，并与其他等级业务在包格式与业务流性质方面差异较大，因此，EF等级数据包与其他等级业务进行编码时对EF包传输的服务质量影响较大，不利于EF优先级业务的QoS保障。所以，EF等级数据包不与其他等级数据包编码，并且对EF等级的编码包需要延时保障。

最后，当两个编码源包的优先级分别为AF和BE时，可以进行编码，此时，为了保障两个编码源包的QoS需求，应将两个编码源包QoS需求较高的作为编码包的QoS保障标准，所以，将产生的编码包的服务优先级定义为较高的AF等级。

如图1所示，数据包A属于AF优先级业务，而数据包B属于BE级业务，当A、B两个包进行编码过程时，生成的编码包优先级为AF，在传输过程中，需要保障其QoS满足AF优先级的传输要求。由此数据包A和数据包B的QoS都得到了有效保障，并且与只有同等级业务编码时相比，可以有更多的业务通过网络编码的方式传播，提高了编码效率，加强了对NC技术的利用。

2.ONU调度

本发明设计了两种调度，分别是OLT调度与ONU调度，他们分别设置在OLT的下行待发送队列与ONU的上行待发送队列。OLT调度主要针对下行传输业务，ONU调度对象为上行传输业务，所以QoS保障机制由OLT与ONU联合控制并实现。

图2所示为两种调度的联合调度图。

在ONU内部进行的为ONU调度，主要针对上行业务的传输。在每个ONU中根据不同的业务优先级，按优先级顺序为各个等级业务授权传输带宽，可以实现不同等级业务的区别对待，并保障不同等级业务的QoS。在SPS基础上，本发明进行如下优化。

将各个优先级业务按业务目的节点再次进行区分，分为内部业务与外部业务，内部业务的目的节点为PON内部ONU节点，外部业务的目的地址为PON外部。并根据业务优先级与类型将业务分别缓存在6个缓存队列，分别是外部业务EF、AF和BE等级的业务以及内部业务的三个等级业务。

ONU通过Report包向OLT报告上行传输需要带宽，OLT根据带宽请求通过Gate包授权传输带宽。ONU将根据优先级授权带宽分配给各个等级业务，优先将带宽分配高等级业务，同等级业务中，通过优先满足内部业务带宽需求来减少NC传输对于内部业务的影响。为了减少高优先级业务对低优先级业务的带宽的过度占用，在申请带宽时，额外为高优先级业务申请一部分带宽，用于传输ONU在上传Report包后等待传输期间到达的高优先级业务。

另外，在ONU调度中，也为BE优先级业务按总传输需求比例提供一部分动态保障带宽。保障带宽是为最低优先级业务的传输提供最小传输保障，即分配给BE等级业务的带宽不能小于保障带宽，以此来为最低等级业务提供最低最小的吞吐量，防止阻塞与高延时。因此，整个网络的延时被减小了，同时也抑制了高等级业务对带宽的垄断。

3.OLT调度

如图2所示，在OLT中进行的传输调度，为OLT调度。

在OLT中将为编码包建立三个缓存队列用来缓存待发送的编码包，而对应于每个ONU，OLT中都需要建立一组包括三个队列的缓存队列组，用来缓存到达特定ONU的三个等级待发送业务，内部业务及外部下行业务到达后，根据其目的ONU，被缓存在相应的队列中。而编码源包的挑拣通过查询对应的队列来实现，被挑拣出的可编码数据包，将被移出其所在队列，并将编码后生成的编码包放入编码包相应等级的缓存队列。所以，在OLT中需要建立3n+3个缓存队列用来缓存不同类型不同目的节点的数据包，其中n为ONU数量。

以一个周期时间发射机可利用传输带宽为下行带宽总量，首先按编码包传输带宽需求，将带宽分配给编码包传输。然后将剩下的带宽按各个ONU带宽需求比例分配给各个ONU的下行业务。由此，可以保障编码包在当前周期完成下行传输，避免了编码包高时延导致的ONU解码包丢失或缓存占用问题。而各个缓存队列组中业务均对应相同的ONU，根据分配到的下行带宽，对下行业务进行调度，对于同一ONU，按照优先级顺序传输三个缓存队列的业务，并为低优先级业务设置保障带宽。

图3为传输相同上行业务量时，ONU中传输情况的对比图，图3（a）示出了在ONU中采用SPS调度后的传输情况。由图3（a）可以看出，ONU中采用SPS调度时，内部业务与外部业务没有区分，会导致延时的增加，同时会造成带宽被高等级业务垄断，而低等级业务无法传输的情况，严重影响了低等级业务的QoS。在图3（b）中，采用了本发明中的ONU调度后，内部业务被尽可能的传输，由于为高等级业务预留带宽，当前周期可传输数据量增加，并保障了一部分BE等级业务可以传输，有效地实现了低等级业务的最小带宽保障并减少了对域内业务的影响，实现了各个等级业务的QoS保障。

图4为传输相同下行业务量时，OLT中传输情况的对比图，由图4（a），可以看出在下行方向采用SPS时，一部分低优先级编码包将会被推迟传输，将导致低等级业务编码包解码失败。同时，也会出现高等级业务垄断带宽问题，对低优先级业务的QoS造成了严重的影响。而在图4（b）中，采用本发明提出的OLT调度，编码包在当前周期就全部被传输，保障了编码包的正常解码，并为低优先级业务提供了最小带宽保障，有效实现了各等级业务的QoS保障。

在基于NC的PON中，考虑各个等级业务QoS需求，以及NC传输需求，将编码包传输优先级定义为与编码源包中较高优先级业务相同优先级，并提供QoS保障，并利用上行高优先业务带宽预留、低优先级业务最小传输带宽保障、内部业务与编码包优先发送等方法，有效保障网络中各等级业务的QoS。

本发明针对基于NC的PON中QoS保障问题，对编码包优先级进行了定义，并对上下行业务的传输进行调度，对各等级业务实现QoS保障，具有以下优点：1、定义了编码包服务优先级，为保障编码包QoS提供了支持。2、避免了NC对内部业务传输产生的不良影响，可以有效保障各等级业务的QoS。3、避免了SPS中高优先级业务垄断带宽情况，提高了低等级业务的QoS，进而减少了其对NC传输的影响。

本发明适用于基于NC的任何PON架构，需采用传输优先级定义各种业务的QoS需求。

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，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 (10)

1. 一种基于NC的PON中保障QoS的ONU内部调度方法，包括在OLT实现针对单个ONU的下行传输调度，和在该ONU中实现针对同一ONU的上行传输调度。

2. 根据权利要求1所述的方法，在OLT和ONU进行调度之前，首先确定编码包业务的优先级。

3. 根据权利要求2所述的方法，将网络中的业务分为三个服务优先等级，分别为快速转发业务（Expedited Forwarding，EF）、有保障转发业务（Assured Forwarding，AF）和尽力而为业务（Best Effort，BE），所述编码包业务的优先级这样确定：

首先，具有相同优先级的数据包优先编码并保持优先级不变；

其次，EF优先级的数据包只可以与同优先级数据包进行编码，

最后，当两个编码源包的优先级分别为AF和BE时，可以进行编码，产生的编码包的服务优先级为AF等级。

4. 根据权利要求3所述的方法，在ONU中实现的上行传输调度包括：在每个ONU中根据不同的业务优先级，按优先级顺序为各个等级业务授权传输带宽。

5. 根据权利要求4所述的方法，将各个优先级业务按业务目的节点再次进行区分，分为内部业务与外部业务，并根据业务优先级与类型将业务分别缓存在6个缓存队列。

6. 根据权利要求5所述的方法，ONU通过Report包向OLT报告上行传输需要带宽，OLT根据带宽请求通过Gate包授权传输带宽；ONU根据优先级授权带宽分配给各个等级业务，优先将带宽分配高等级业务，同等级业务中，优先满足内部业务带宽需求。

7. 根据权利要求6所述的方法，在申请带宽时，额外为高优先级业务申请一部分带宽，用于传输ONU在上传Report包后等待传输期间到达的高优先级业务。

8. 根据权利要求7所述的方法，为BE优先级业务按总传输需求比例提供一部分动态保障带宽。

9. 根据权利要求3所述的方法，在OLT中实现的下行传输调度包括：在OLT中建立3n+3个缓存队列用来缓存不同类型不同目的节点的数据包，n为ONU数量，其中：

对应于每个ONU，OLT中都需要建立一组包括三个队列的缓存队列组，用来缓存到达特定ONU的三个等级待发送业务，内部业务及外部下行业务到达后，根据其目的ONU，被缓存在相应的队列中；

编码源包的挑拣通过查询对应的队列来实现，被挑拣出的可编码数据包，将被移出其所在队列，并将编码后生成的编码包放入编码包相应等级的缓存队列。

10. 根据权利要求10所述的方法，首先按编码包传输带宽需求，将带宽分配给编码包传输；然后将剩下的带宽按各个ONU带宽需求比例分配给各个ONU的下行业务；各个缓存队列组中业务均对应相同的ONU，根据分配到的下行带宽，对下行业务进行调度，对于同一ONU，按照优先级顺序传输三个缓存队列的业务，并为低优先级业务设置保障带宽。