CN110234041B - 一种光网络单元带宽需求的精确上报机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在无源光网络通讯系统中光网络单元各优先级队列的带宽需求的精确上报机制；该上报机制在现有的无源光网络协议的基础上做了改进以避免光线路终端远程地估计光网络单元的带宽需求；上报的信息包含净荷和开销；本发明详细描述了净荷和开销的得到方法。在精确上报队列的净荷和开销的情况下，对于固定带宽和确保带宽而言，光线路终端会精确地满足队列的需求；从光网络单元上报的角度，光网络单元不需要向光线路终端发送空闲帧；本发明提出的光网络单元的精确上报机制能最大程度地利用上行链路的总带宽；同时，因为该上报机制是发生在Buffer的入口处而不是在净荷已经进入Buffer里才上报，故而相较于PON协议提出的实现方法，本发明的方法会有更小和更稳定的延时。图2为本发明的摘要附图。

Description

一种光网络单元带宽需求的精确上报机制
技术领域
本发明属于通讯领域，涉及无源光网络(Passive Optical Networks，简称PON)的动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation，简称DBA)，特别关注光网络单元(OpticalNetwork Unit，简称ONU)中各优先级(Quality of Service，简称QoS)队列带宽需求的精确上报。本发明中的PON包含但不限于如下协议：EPON、10G EPON、GPON、10G GPON等。
背景技术
PON技术作为未来接入网技术的热门发展方向，受到越来越广泛的业界关注。
一个典型的无源光网络系统主要由光线路终端(Optical Line Terminal，简称OLT)、光分配网络和光网络单元组成，拓扑结构为一点到多点结构，即一个光线路终端通过光分配网络连接多个光网络单元。
在上述无源光网络系统中，光线路终端负责为各个光网络单元分配相应的时隙，用于上行数据的传输；在上行带宽在被充分利用的同时，各个光网络单元发送的上行数据又不能发生冲突；因此，如何更好地实现无源光网络系统中的上行带宽分配是无源光网络技术中的最为重要的技术之一。一般来说，OLT端会尽可能准确地估计各ONU的各种优先级队列的带宽需求，同时依据服务等级协议(Service Level Agreement，简称SLA)给ONU的各队列分配合适的带宽，随后再下发给各ONU以用于上传数据；在SLA中，包含了对优先级队列QoS类型的定义以及可分配的最大带宽等信息。
在现有的PON技术中，OLT都是通过ONU上报的信息和(或)OLT端的统计信息来估算ONU中各种优先级的带宽需求。为此，GPON和10G GPON通过DBRu和Grant机制(见图1)来实现动态带宽分配：ONU通过DBRu来上报该ONU的某一优先级队列的带宽需求，具体地说是Buffer104里面的缓存数据量，而OLT接收到ONU上报的信息后再分配带宽并通过BWmap(Bandwidth Map)结构里的Grant下发给各ONU；而在EPON和10G EPON协议中则利用了MPCP(Multi-Point Control Protocol)协议的REPORT帧和GATE帧(也见图1)用于动态带宽分配：ONU通过REPORT帧来上报该ONU的某一优先级队列的带宽需求，也是Buffer104里的缓存数据量，而OLT接收到ONU上报的信息后再分配带宽并通过GATE帧下发给各ONU。
但是，现有的PON技术的ONU上报机制对于精确地估计ONU的带宽需求仍有不足之处：其一，ONU上报的是Buffer104里某一时刻的缓存数据量而不是Buffer104的输入端口在一段时间内吸纳的数据量，后者更代表ONU的某一优先级队列在一段时间内的实际带宽需求；其二，ONU上报的信息里只包含了净荷(payload)的需求，不包含上传这些净荷所需开销(overhead)；ONU的实际带宽需求是净荷和开销的和；本发明将对现有的PON协议中的相关机制做出调整，让ONU主动地上报某一优先级队列在一段时间内吸纳的净荷和相关的开销这两者的和；而不再要求OLT远程地估计ONU的实际带宽需求，这种方式既麻烦又不精确。
发明内容
考虑到10G GPON和GPON较好地支持了DBA和QoS，在下面的说明中，将以10G GPON的上行帧结构来举例说明；如图3所示，两个ONU各上传了一个上行突发(也叫burst)，两个上行突发间有一段保留不用的带宽，叫gap；在一个ONU突发的头部和尾部分别是XGTCHeader和XGTC Trailer校验位；ONU突发包含了当前ONU的优先级队列(在10GPON协议中叫AllocID)的净荷(如图3中所示的XGEM payload)，同时还包含了各AllocID的XGEM Header和DBRu。
本发明提出，ONU上报的某一优先级队列的带宽需求信息不是Buffer104里某一时刻的缓存数据量，而是包含了如图2所示的Buffer204输入端口在一段时间内吸纳的数据量；
上文所指的一段时间是指一个动态带宽分配周期(DBA Allocation Cycle)；一个动态带宽分配周期的时间长度可以是固定的或不固定的；如图4所示，一般情况下，在一个动态带宽分配周期内，各ONU会依次分配一次也仅分配一次带宽，每个ONU内的全部AllocID可在同一个上行突发里上传各自的上行净荷和开销，而一个AllocID则包含若干个XGEMPort-ID；每个数据包(Service Data Unit，简称SDU)或SDU的切片对应一个XGEM Port-ID。
净荷的开销可以分为两部分；其一是与AllocID相关的开销，比如说每个AllocID需要定时上报的QoS队列的带宽需求DBRu；在图3中，这部分开销包含了DBRu和XGEMHeader；一般来说，某个ONU包含多少个AllocID，那么就对应地上报多少个DBRu；某个AllocID包含多少个XGEM Port-ID，在DBRu为非零的情况下就需要上报多少个XGEM Header的开销；值得一提的是，EPON和10G EPON协议沿用了简单的以太网数据格式，只是增加了MPCP协议来实现带宽的上报等功能，并没有引入通用成帧协议和Port-ID，故在EPON和10GEPON中，与队列相关的开销可不包含XGEM Header。
其二是与ONU相关的开销，在图3中，这部分开销包含了XGTC Header、XGTCTrailer和gap；在OLT端的动态带宽分配算法中，是以AllocID而不是ONU来作为分配带宽的单元；ONU相关的开销可以以某种方式(比如说均匀分配)分配到该ONU的全部AllocID中，也可以将这部分开销在OLT端统一预留而不需要在ONU端上报，在本发明中，ONU相关的开销可均匀分配到该ONU的全部AllocID中。
ONU定期主动地上报给OLT它的各QoS队列在一个动态带宽分配周期内吸纳的净荷和相关的开销这两者的和；这些开销包含两部分，其一是与AllocID相关的开销，其二是与ONU相关的开销；由于在一个DBA Allocation Cycle内各ONU会分配一次也仅分配一次带宽，所以与ONU相关的开销基本上是固定的；与AllocID相关的开销取决于ONU包含的AllocID数量和各AllocID包含XGEMPort-ID的数量，一个队列需要上报一个DBRu的开销，一个XGEM Port-ID在DBRu为非零的情况下需要上报一个XGEM Header的开销。
需要切片的场景：当ONU端的某个队列在一个动态带宽分配周期内接收到的数据包及其开销的总长度为Len，而在OLT端与该AllocID对应的SLA里的最大带宽Bmax小于该长度Len，那么，这些数据包必须切片后分几次上传；该切片过程可以在OLT端动态带宽算法和ONU端带宽需求上报的互动中实现；举例来说，OLT端的Bmax为(1000+overhead)个字节，在这里，overhead包含一个与ONU相关的开销ov_onu、一个带宽上报的开销ov_dbru和一个XGEM Header的开销ov_xgem_header，而ONU端的某个队列在一个动态带宽分配周期内上传了一个1500字节的大包并且在随后的几个周期内没有数据包输入；在该AllocID上传了(1500+overhead)的带宽需求后，OLT端会分配(1000+overhead)个字节的上传时隙给该AllocID以上传数据，同时OLT端在DBA里记录该AllocID还有500字节需要上传，那么该AllocID随后上传的DBRu变为(ov_onu+ov_dbru)，OLT端接着又分配了(500+overhead)的时隙以上传该大包剩余的500字节；为了上传该大包，OLT对数据包有一次切片动作，分配了两次XGEM Header；可以看到，即使一个动态带宽分配周期内一个AllocID没有数据包输入，缺省的开销(ov_onu+ov_dbru)依旧会被上报。OLT端为要上传的数据包每切一次片，OLT端就必须额外分配一个XGEM Header的开销；OLT端为该AllocID每切一次片，就必须分配一个DBRu的开销和一个与ONU相关的开销，但是这两个开销是缺省开销，不计入切片导致的额外开销。
从另一个角度，开销可以做另外的分类：DBRu的开销和与ONU相关的开销可以归为缺省开销；非缺省的XGEM Header开销可以定义为与Port-ID相关的开销，它也可以分为两类，其一是ONU端上报的Port-ID相关的开销，其二是OLT端切片导致的Port-ID相关的开销。可以看出，无论哪种分类，空闲帧都不列入开销当中。
在精确上报AllocID的净荷和开销的情况下，对于固定带宽和确保带宽而言，OLT会精确地满足AllocID的需求，ONU端不需要向OLT端发送空闲帧(Idle Frame)；对于非确保带宽和尽力而为带宽，自然也没有发送空闲帧的机会；也就是说，从ONU上报的角度，没有带宽会被浪费；本发明提出的ONU端的精确上报机制能最大程度地利用上行链路的总带宽。
在本发明中，净荷在缓存器的入口就上报给了OLT；而在PON系列协议的实现中，净荷要送入缓存器里并在缓存器里经过某个不确定的延时以后，才会上报给OLT；故而，就净荷从上报至OLT到净荷被OLT取走的延时而言，本专利的方法相较与协议提出的方法，净荷的上传会有更小和更加稳定的延时。
以上关于净荷和相关的开销的描述均可以推广到GPON、EPON、10G EPON和PCIE等有类似需求的协议和应用场景；此处所用的举例用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定；凡在本发明的精神和原则内做的任何修改与改进，均在本发明的保护范围之内。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是PON协议的ONU带宽上报和OLT带宽分配机制的框架图；
图2是本发明提出的ONU带宽上报和OLT带宽分配机制的框架图；
图3是10G GPON的上行帧结构的示意图；
图4是在分配周期内各队列依次被分配带宽的时序图。
具体实施方式
实施例以附图2来描述其实现框架：OLT201和ONU202分别表示该通讯系统的主节点和从节点；在从节点ONU202中，Buffer204用来吸纳输入的净荷；在主节点OLT201中，动态带宽分配模块DBA203用于给通讯系统分配上行带宽。
实施例以附图2来描述动态带宽分配流程：ONU202在Buffer204的入口处上报输入净荷和相关开销两者的和；该带宽需求通过DBRu or REPORT 206上报给DBA203模块；DBA203模块依据带宽需求给各优先级队列在上行通道分配相应的带宽；该被分配的带宽通过Grant or GATE 205下发给ONU202；ONU的各优先级队列在被分配的时隙上传相应的上行数据。
在本具体实施方式的说明中，将以10G GPON的上行帧结构来举例说明；ONU上报的某一优先级队列的带宽需求信息不是Buffer104里某一时刻的缓存数据量，而是包含了如图2所示的Buffer204输入端口在一段时间内吸纳的数据量；所谓的一段时间是指一个动态带宽分配周期(DBA Allocation Cycle)；一个动态带宽分配周期的时间长度可以是固定的或不固定的；如图4所示，在一个动态带宽分配周期内，各ONU会依次分配一次也仅分配一次带宽，每个ONU内的全部AllocID可在同一个上行突发里上传各自的上行净荷和开销，而一个AllocID则包含若干个XGEM Port-ID。
净荷的开销可以分为两部分；第一部分是与AllocID相关的开销；在图3中，这部分开销包含了DBRu和XGEM Header；某个ONU包含多少个AllocID，那么就对应地上报多少个DBRu；某个AllocID包含多少个XGEM Port-ID，在DBRu为非零的情况下就需要上报多少个XGEM Header的开销。
第二部分是与ONU相关的开销，在图3中，这部分开销包含了XGTC Header、XGTCTrailer和gap；在OLT端的动态带宽分配算法中，是以AllocID而不是ONU来作为分配带宽的单元；ONU相关的开销可以以某种方式(比如说均匀分配)分配到该ONU的全部AllocID中，也可以将这部分开销在OLT端统一预留而不需要在ONU端上报；在本实施方式中，ONU相关的开销均匀分配到该ONU的全部AllocID中。
ONU定期主动地上报给OLT它的各QoS队列在一个动态带宽分配周期内吸纳的净荷和相关的开销这两者的和；这些开销包含两部分，其一是与AllocID相关的开销，其二是与ONU相关的开销；由于在一个DBA Allocation Cycle内各ONU会分配一次也仅分配一次带宽，所以与ONU相关的开销基本上是固定的；与AllocID相关的开销取决于ONU包含的AllocID数量和各AllocID包含XGEM Port-ID的数量，一个队列需要上报一个DBRu的开销，一个XGEM Port-ID在DBRu为非零的情况下需要上报一个XGEM Header的开销。开销也可以做另外的分类：DBRu的开销和与ONU相关的开销可以归为缺省开销；非缺省的XGEM Header开销可以定义为与Port-ID相关的开销。
在ONU的实现中，与PON系列协议的现有方法相比较，本发明提出的方法精确地上报了ONU的某一优先级队列在一段时间内的实际带宽需求；在精确上报AllocID的净荷和开销的情况下，对于固定带宽和确保带宽而言，OLT会精确地满足AllocID的需求，ONU端不需要向OLT端发送空闲帧(Idle Frame)；对于非确保带宽和尽力而为带宽，ONU端自然也没有发送空闲帧的机会；也就是说，ONU端不需要向OLT端发送空闲帧，没有带宽会因此而被浪费；同时净荷从ONU上传到OLT会有更小和更稳定的延时。
在OLT的实现中，与PON系列协议的现有方法相比较，本发明提出的方法避免了OLT远程地估算ONU的带宽需求；原有的估算方法既复杂又不精确。

Claims (6)

1.一种在PON通讯系统中ONU各优先级队列的带宽需求的精确上报方法；其特征在于：
该上报方法 在现有的PON协议的基础上做了改进以避免OLT远程地估计ONU的带宽需求，该方法 让ONU定时主动地上报某一优先级队列在一段时间内吸纳的净荷和相关的开销这两者的和，这两者的和就是ONU的带宽需求；ONU上报的某一优先级队列的带宽需求信息中的净荷不是现有PON协议里的某一时刻的缓存数据量，而是该优先级队列输入端口处在一个动态带宽分配周期内吸纳的数据量；在一个动态带宽分配周期内，各ONU依次分配一次也仅分配一次带宽，每个ONU内的全部队列可在同一个上行突发里上传各自的上行净荷和开销。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
ONU上报的某一优先级队列的带宽需求信息不仅包含了权利要求1所述的一个动态带宽分配周期内吸纳的净荷量，还包括为了上传这些净荷需要的开销；净荷的开销可以分为两部分；其一是与优先级队列相关的开销；其二是与ONU相关的开销。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
与优先级队列相关的开销，包含了每个队列需要定时上报的该队列的带宽需求；某个ONU包含了多少个队列，那么就对应地上报多少个队列的带宽需求；还可以包含其他与队列相关的开销，对于GPON和10G GPON而言，与优先级队列相关的开销还包含GEM Header的开销，一个AllocID包含多少个GEM Port-ID，在DBRu为非零的情况下就需要上报多少个GEMHeader的开销。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
与ONU相关的开销，包含了两个上行突发间的一段保留不用的带宽，也包含ONU突发的头部和尾部校验位等其他与ONU相关的开销；ONU相关的开销可以以某种方式分配到该ONU的全部队列中上报，也可以将这部分开销在OLT端统一预留而不需要在ONU端上报。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
当ONU端的某个队列在一个动态带宽分配周期内接收到的数据包及其开销的总长度大于在OLT端与该队列对应的SLA里的最大带宽时，那么这些数据包必须切片后分几次上传。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
开销可以做另外的分类：带宽需求上报的开销和与ONU相关的开销可以归为缺省开销；非缺省的GEMHeader开销可以定义为与Port-ID相关的开销，它也可以分为两类，其一是ONU端上报的Port-ID相关的开销，其二是OLT端切片导致的Port-ID相关的开销。
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