2009年第11期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.11,2009 总第215期Communications Technology No.215,TotallyEPON和GPON的几种动态带宽分配算法比较张晓敏， 李维民(空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安 710077)【摘 要】PON技术是下一代光接入网发展的关键技术,目前发展的PON技术主要是EPON和GPON。
EPON是基于Ethernet 的PON,因其成本低、容易运行和维护等优点而被称为下一代光接入网的首选；GPON英文全称为Gigabit-capable Passive Optical Network，它能为数据、TDM以及各种QoS业务提供很好的支持，是一种很有前途的光接入网技术。
文中在简单介绍EPON和GPON基本工作原理的基础上,对EPON和GPON目前提出的动态带宽分配算法进行比较。
【关键词】PON；EPON；GPON；动态带宽分配；QoS【中图分类号】TN915 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2009)11-0127-03Comparison of Several Dynamic Bandwidth Allocation Algorithmsin EPON and GPONZHANG Xiao-Min, LI Wei-Min(Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an Shaanxi 710077, China)【Abstract】PON technology is the key technology for the development of next-generation Optical Access Network. At present, it mainly includes EPON and GPON.EPON is the PON based on Ethernet. Due to its low cost, easy implementation and maintenance, EPON is regarded as the best choice for next-generation Optical Access Network. GPON is the abbreviation for Gigabit-capable Passive Optical Network. GPON could provide strong support for data, TDM and various QoS business. Consequently it is a technology with great potential for Optical Access Network. Based on introduction of fundamental principles of EPON and GPON, this paper compares the present dynamic bandwidth allocation algorithms of EPON and GPON.【Key words】PON; EPON; GPON; dynamic bandwidth allocation; QoS0 引言无源光网络(PON)技术被称为是下一代网络发展的关键。
PON是指在OLT和ONU之间的ODN没有任何有源电子设备。
主要采用光无源器件进行连接和交换。
这是一种点到多点的光纤传输和接入技术。
PON技术由于采用无源节点、敷设和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点而备受关注。
目前用于宽带接入的无源光网络(PON)技术主要有APON;EPON;GPON等几种.APON(ATM-PON)是以ATM作为承载协议,由于运行和维护的成本较高等因素,已渐渐被市场所淘汰。
现在的PON技术主要是EPON(Ethernet-PON)和GPON(Gigabit-PON)。
EPON是基于以太网的PON,也称第一公里以太网,被认为是下一代接入网技术的首选;GPON又称为本色模式PON,较之其它的PON能更加贴近实际需求。
1 xPON的基本工作原理1.1 EPON的基本工作原理EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构,一个典型的EPON系统由光线路终端OLT、光网络单元ONU、无源光纤分支器POS组成。
OLT(Optical Line Terminal)位于中心机房(CO:Central Office),ONU(Optical Network Unit)放在用户设备端附近或与其合为一体。
POS(Passive Optical Splitter)是无源光纤分支器,是一个连接OLT和ONU的无源设备,它的功能是分发下行数据,并集中上行数据,与光分配网ODN功能是一样的。
在从OLT到ONU的下行方向,EPON采用点到多点的广播收稿日期：2008-12-18。
作者简介：张晓敏（1982-），女，硕士研究生，主要研究方向为宽带通信网络技术；李维民(1963-)，男，副教授，硕导，主要研究方向为光通信与信息网络技术。
127方式,以太网包从OLT经1:N分配器到达各个ONU,各个ONU 根据自己的ID或MAC地址进行选择,给用户传送属于自己的数据包,丢弃不属于自己的数据包,如图1所示。
在从ONU到OLT的上行方向,各个ONU先把用户传送来的数据包进行缓存,然后等OLT分配的授权传输窗口到达时,ONU便在授权传输窗口内以突发的方式将缓存的数据包以最快的速度向OLT发送。
1.2 GPON的基本工作原理GPON系统是基于GSR(Gigabit Service Requirements)制定的,GSR规定了GPON所要达到的关键指标,是系统设计的依据,它确保GPON比其它的PON能更加贴近实际需求[1]。
GPON 系统是由ONU、OLT和ODN组成,OLT位于局端，是整个GPON 系统的核心部件，向上提供广域网接口，具有集中带宽分配、控制光分配网（ODN）、实时监控、运行维护管理光网络系统的功能；ONU放在用户侧，为用户提供10/100BaseT、T1/E1和DS-3等应用接口，适配功能在具体实现中可以集成于ONU 中；ODN是一个连接OLT和ONU的光无源设备，其功能是分发下行数据和集中上行数据。
GPON中下行数据采用广播方式发送，上行数据采用基于统计复用的时分多址方式接入方式。
其传输原理图如图2所示[2]。
图1 EPON的上行和下行数据传输图2 GPON的上行和下行数据传输2 动态带宽分配2.1 EPON的几种动态带宽分配算法由于EPON上行信道采用用户共享信道的方式,如果不进行带宽调度控制就容易发生传输冲突,因而需要一种有效的调度算法来控制多个ONU的接入以实现高效的带宽分配。
EPON的带宽分配算法主要分为静态和动态两种。
由于以太网中的数据流具有很强的突发性，如果采用静态的带宽分配方案，就会产生带宽利用率低下或带宽分配不公平的现象。
因此，为提高带宽利用率，在EPON中采用动态的带宽分配机制，研究人员也提出了很多动态带宽分配算法[3]。
下面介绍几种比较经典的EPON算法。
2.1.1 IPACT算法当前EPON中的动态带宽分配算法主要是基于轮询的动态带宽分配算法,最经典的就是IPACT算法[4-5]。
IPACT算法是基于授权和请求的有自适应循环周期时间的交织轮询方案(IPACT)，IPACT以OLT为控制中心，根据一个周期内网络的实时情况来改变时隙安排，并考虑了系统中OLT与各个ONU之间由实际距离所带来的传输时延。
IPACT算法,具体过程是:ODN按自己所需的带宽,向OLT发送带宽请求帧,OLT由此分配给该ONU相应的上行带宽,ONU再根据此发送数据。
一定周期后,该ONU将再次发送带宽请求帧,如此循环,各ONU在不同周期内,将分配到不同的带宽。
IPACT算法最主要的优点是上行带宽利用率较高．但IPACT具有两个重大缺陷:① 因轮询周期未加限制,网络负载较轻时信道利用率很低;②虽然经改进可以支持DiffServ(Differentiated Services),但存在轻载处罚[6]。
2.1.2 BGP算法BGP算法是一种新的带宽保证轮询算法(BandwidthGuarantee Polling)[7],该算法允许上行带宽在每个用户和操作器之间基于服务等级协议SLA (Service LevelAgreement)共享，能根据SLA保证高级用户的带宽而对其他用户提供相应服务。
BGP算法相比IPACT算法比较注重用户的优先级，可以为不同的ONU提供不同的服务。
但BGP算法的缺陷主要是:① 只是考虑到各个ONU间的优先级调度，而对ONU内部各种业务的优先级没有考虑到；② BGP算法将上行带宽分成了若干个小的上行时隙单元，增加了保护时隙，因而导致了上行带宽利用率的降低。
1282.1.3 CBR算法CBR(Constant Bit Rate)算法是一种支持区分服务类别的算法[8]，能为时延敏感的业务提供可靠的QoS服务。
CBR 算法分为ONU间调度和ONU内部调度。
ONU间调度是在OLT 端控制进行，采用IRACT算法的基于授权请求的轮询方案。
ONU内部调度则在ONU端完成。
此算法中提出了3个不同优先级队列分别存储语音、视频、数据业务，采用严格优先级调度进行ONU内部调度和ONU外部调度。
CBR算法提出ONU间调度和ONU内部调度的模式,对不同的业务采取区别对待的方式，提高了高优先级业务的QoS。
2.2 GPON的几种动态带宽分配算法根据ITU-T G.984.3规定，GPON的动态带宽分配算法在GPON传输汇聚层（GTC）实现，但该标准对算法的实现过程没有做出具体的规定，只要求算法实现的性能符合ITU-T的相关标准，这些性能指标包括：时延、时延变化、带宽利用率、公平性和丢包率等。
GPON系统目前基本上采用的动态带宽分配模式是ONU向OLT报告自己的状态及所需的带宽,OLT 根据上报的数据对ONU进行动态带宽分配[9]。
2.2.1 T-DBA(Two-levels DBA）这是一种基于QoS的二层动态带宽分配算法,这里称为T-DBA算法[9]。
其算法思想主要是在PON层和ONU层分别进行动态带宽分配。
基于QoS的二层动态带宽分配算法根据用户的SLA,分配不同的加权系数,这样分配能够保证重要用户的带宽使用。
而在ONU内部,用户可以面向不同的业务,对高优先级的业务直接分配固定的带宽,其他等级业务按照比例分配剩下的带宽,这样不但保障了高优先级业务的所需带宽,又使低优先级的业务得到了带宽,体现了带宽分配的公平性,减小了低优先级业务的传输延迟,提高了带宽的利用率。