HQoS在GPON系統中的應用與優化*

何 睿，葉建芳，石 健，施 思

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

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HQoS在GPON系統中的應用與優化*

何 睿，葉建芳，石 健，施 思

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

在光進銅退的趨勢下，以GPON(Gigabit Passive Optical Network)搭建的光纖接入網應用場景不斷增多。用戶對網絡服務質量的要求以及運營商減少建設成本的需求，使得QoS技術發展迅猛。傳統的QoS已經不能滿足現網的需求，層次化服務質量HQoS(Hierarchical Quality of Service)技術實現了多層次的流量管理，能更好地幫助運營商實現多用戶、多業務的服務管理。針對現有接入網HQoS模型，提出了區分組播業務進行單獨QoS處理的改進意見，并對改進模型進行了實際應用的模擬測試。測試結果表明，改進模型能夠對不同用戶采用不同的調度策略，并可針對組播業務做單獨的QoS處理。

GPON(Gigabit Passive Optical Network)；HQoS(Hierarchical Quality of Service)；組播

0 引言

隨著寬帶業務的普及和光進銅退的趨勢，以及GPON系統在光纖接入網中的應用與發展，運營商對業務的傳輸距離、寬帶、可靠性和低運營成本提出越來越高的要求[1-2]。而流量高峰時段，可能出現速率過大，產生丟包，嚴重影響網絡質量，針對這種情形，廣泛使用QoS策略以保證重要客戶業務，為用戶提供更優質的服務[3]。一般情況下，網絡中通過QoS技術來區分不同類型的業務，從而提供相應的服務。但隨著用戶規模的擴大，業務種類的增多，傳統的QoS在應用中遇到了難以解決的問題。

(1)傳統QoS技術是基于端口帶寬進行調度的，這樣導致流量管理對用戶不敏感，只對服務等級敏感，適合網絡核心側，但不適合業務接入側[4]；

(2)傳統QoS技術無法對多個用戶、多種業務進行統一管理和分層調度。

為解決上述問題，提供更好的QoS能力，迫切需要一種既能控制用戶的流量，又能同時對用戶業務的優先級進行調度的QoS技術。本文引入HQoS層次化服務質量技術來滿足這一需求。該技術采用多級調度的方式，使設備具有內部資源的控制策略，既能夠為高級用戶提供質量保證，又能夠從整體上節約網絡構造成本。

1 HQoS的原理

GPON作為新一代的光接入設備，具有高速率、多業務的特點。GPON在組網方式上主要以樹型拓撲結構為主(包括星型和鏈型)，網絡業務開通后，數據的轉發路徑基本固定，如圖1所示。GPON接入技術主要應用在FTTH、FTTB、FTTC、FTTO、FTTW和FTTM的組網場景中，支持語音、數據、視頻、專線接入和基站接入業務[5]。

圖1 運營商現有寬帶接入方案

圖2給出了GPON系統寬帶接入模型，網絡由光鏈路終端(Optical Line Terminal，OLT)、光網絡單元(Optical Network Unit，ONU)、光分配網絡(Optical Distribution Network，ODN)組成。GPON在業務接入方面提供了足夠大的帶寬，單PON口上行速率可達1.25 Gb/s、下行速率可達2.5 Gb/s[6]。OLT上聯骨干網，下聯多個光分配網絡，在整個下行方向，由于是高速骨干網線路的流量轉發到低速PON網絡線路上，如果不在OLT中進行QoS處理，將可能出現網絡擁塞，從而導致承載業務的QoS無法得到保證。

圖2 PON寬帶接入模型

為了達到多等級、多層次調度的目的，引入層次化服務質量技術將調度策略組裝成分層次的樹狀結構，如圖3所示。

樹狀結構的節點類型共有3種：根節點、分支節點和葉子節點。根節點是流量的匯聚點，即PON口；處于最底層的每個葉子節點都分別與一個調度隊列相對應，即承載的單個業務；處于中間層次的每個分支節點都分別與一個調度器相對應。調度器可以對多個分組隊列或者多個子調度器進行調度。每個節點上還需要配置分類規則和控制參數。分類規則決定了流量的走向；控制參數決定了對于通過此節點的流量所作的控制動作[7]。

圖3 多級調度基本模型

2 GPON OLT中HQoS模型設計與優化

圖4給出了常用的基于單板的HQoS實現模型。

圖4 HQoS實現模型

該模型針對HQoS用戶進行CAR限速，并根據承諾信息率(Committed Information Rate，CIR)和最高信息速率(Peak Information Rate，PIR)來標記顏色，如果使能了基于優先級的CAR(配置CAR門限)，還可以保證高優先級的報文優先被標識為綠色和通過。針對HQoS用戶組做基于顏色的CAR，解決同一種業務租借帶寬的占用問題，保證HQoS用戶之間的公平調度，確保HQoS用戶業務的CIR，在帶寬許可的情況下滿足HQoS業務PIR的需求。

該HQoS模型對網絡承載的以太網業務能夠進行良好的優先級調度處理，但在目前“三網融合”(電信網、廣播電視網、互聯網向寬帶通信網、數字電視網、下一代互聯網演進)過程中，該模型沒有對諸如IPTV等組播業務的優先級處理進行相應的說明。并且由于組播業務要求在每個PON口下僅有惟一的一個單拷貝廣播(Single Copy Broadcast，SCB)數據傳輸邏輯通道，所有組播媒體流數據均在同一個邏輯通道中傳輸，所以對組播業務的QoS處理在該模型中不適用[8]。對融合了組播業務的GPON系統接入網，需設計一個優化的HQoS模型，圖5給出優化后的層次化HQoS模型。

該模型綜合了前文提到的常用HQoS實現模型的優點，并針對IPTV等組播業務流，提供了Group組的優先調度策略，優先保障PON口下組播流的速率。其次，對于OLT的PON口各用戶ONU而言，該模型提供ONU內各業務以及ONU間業務的分級式層次化調度策略。該模型有三級優先級調度，ONU內單個隊列節點提供CIR和PIR的控制參數，單個ONU節點提供SP(Strict Priority，嚴格優先級)、WRR(Weighted Round Robin，加權輪詢)的控制參數，L0節點提供對于多個ONU的加權輪詢的控制參數，PON口節點只提供嚴格優先級的控制參數。該模型具有業務級和ONU級，兩級CIR、PIR保證，并有優先保障組播業務的優點。

優化的HQoS調度模型采用業務級別、用戶級別再到業務級別的混合分層模式，每一級別可以使用不同的特征進行流量管理。通過不同級別的隊列調度實現了多層次的流量管理，從而可以更好地幫助運營商實現多用戶、多業務的服務管理。可使用ACL過濾條件對數據流進行預處理，能夠在入口源頭對接入網系統進行擁塞避免和優先級處理。

圖5 優化HQoS模型

3 HQoS的實現

數據業務在OLT中需經過流分類、優先級處理、流量監管、擁塞避免和擁塞管理等QoS策略后，從出口端轉發出去，具體步驟如下：

(1)流分類，對入口進來的數據流根據其VLAN、VLAN+Priority、VLAN+Port或者Port+VLAN+Priority區分HQoS用戶數據單播業務流，前兩種適用于單橋模型業務，后兩種適用于多橋模型業務；

(2)根據數據流優先級或者其他ACL條件，確定數據流的內部優先級Local Priority。未做ACL流處理時，該數據流的內部優先級等于其802.1Q cos值，也可直接通過特定條件標記該數據流的內部優先級；

(3)數據流根據其內部優先級，按照特定的規則進入相應的隊列(Queue)，每個ONU最多有8個隊列，默認優先級為0的進隊列0，……優先級為7的進隊列7；

(4)單個ONU節點調度器對其隊列進行調度，此處可做嚴格優先級或者加權輪詢的參數控制；

(5)L0節點調度器對該PON口下所有ONU的調度器進行調度，僅能使用加權輪詢的方式，但可以設置ONU調度時的權值，權值越大，ONU可容許的帶寬越大；

(6)最后在PON出口端優先保證組播業務數據。

該HQoS模型實現了對多個ONU業務的三級層次化

表1 測試結果

如表1所示給出的統計結果，ONU1內各業務采用嚴格優先級的調度策略，擁塞時先丟棄優先級低的業務，即先丟棄10 M優先級為0的業務流，再丟棄5 M優先級為1的業務流，而優先級為2的業務流不丟包；ONU2各業務采用加權輪詢的調度策略，擁塞時各優先級業務按權值通過，各優先級業務流收包數相同(權值相等時)。

兩個ONU之間單播業務采用加權輪詢的調度策略，擁塞時各ONU單播業務按權值通過，按式(1)計算，ONU1、ONU2的單播數據流實際流速均為15M(權值相同時)。

(1)

PON口單播、組播業務采用嚴格優先級的調度策略，擁塞時優先保證組播業務，統計結果可以看出組播業務均不丟包。測試結果分析證明達到了預期目標。

5 結論

本文針對現有的常用于傳輸網數據轉發的HQoS模型，提出了適用于接入網的區分并保障組播業務的HQoS改進模型。模擬實際應用場景進行測試，證明了改進模型能夠對不同的用戶采用單獨的調度策略，并針對組播業務做單獨的保障組播業務QoS的處理。

[1] 裴熠,廖虹劍. 淺談GPON技術在接入網絡中的應用[J]. 無線互聯科技,2016(23):147-148.

[2] dudu-kele. GPON特性Glance[EB/OL]. (2015-01-26)[2016-12-26].http://www.docin.com/p-1041454767.html.

[3] VANSICKLE R,陳雁,葉凌偉. 話音VPN[J]. 現代電信科技,2003(9):38-39,47.

[4] 鐘川,黃陶明. 分層QoS關鍵技術分析[J]. 現代計算機(專業版),2009(1):111-113.

[5] 康殿柱. 淺析FTTx接入網技術應用[J]. 數字技術與應用,2011(8):39.

[6] 劉國輝. HQoS在GPON網絡中的應用[J]. 數字化用戶,2014(11):1.

[7] 黎曉亮,陳曉梅. DiffServ網絡中的分層流量整形及改進[C]. 2010通信理論與技術新發展——第十五屆全國青年通信學術會議論文集(下冊).中國通信學會,2010.

[8] 喻文學. 組播技術在FTTH EPON系統中的應用[J]. 通信世界,2011(12): 27-30.

調度。第一級是每個ONU隊列之間的調度(這一級別的調度方式是可以更改的，默認為SP)，第二級為每個PON口ONU與ONU之間的調度(這一級別的調度方式固定為WRR，權值可以更改，默認每個ONU的權值為1)，第三層為PON口的ONU與組播通道之間的調度(這一級別的調度方式不可更改，固定為SP，且組播通道的優先級更高)。

4 性能測試及分析

配置PON口為層次化調度模式，圖6給出了OLT中下行業務HQoS配置。

PON口下有兩個ONU，分別有8個隊列，ONU1的8個隊列采用SP嚴格優先級的調度策略(Mode=SP)，ONU2的8個隊列采用WRR加權輪詢的調度策略(Mode=WRR)，每個隊列的權值為1(WEIGHT=1)，ONU的下行單播帶寬均為15M；ONU間采用加權輪詢的調度策略(Mode=WRR)，兩個ONU的權值都為1(WT=1)；PON口對單播、組播業務采用嚴格優先級的調度策略(MODE=SP)，組播帶寬限速為10 M，PON出口限速40 M。

圖6 HQoS配置

按圖7搭建測試環境，本次測試使用兩個ONU，測試儀表端口A接OLT上聯口，端口B、C分別接ONU1、ONU2的LAN口。使用測試儀表模擬真實用戶和網絡服務器之間的數據交互過程，A口向OLT上聯口發送下行數據流，經過OLT的HQoS處理后，數據到達ONU，通過測試儀表對ONU1、ONU2收到的數據包進行統計分析，表1給出測試結果。

The application and optimization of HQoS in GPON system

He Rui, Ye Jianfang, Shi Jian, Shi Si

(School of Information Science and Technology,Donghua University, Shanghai 201620, China)

As the optical access is replacing copper access, the application scenarios of fiber access network based on Gigabit Passive Optical Network (GPON) gradually increase. Besides, users’ requirements on the quality of network services and the operators’ needs of reducing construction cost facilitate QoS technology to develop rapidly. Therefore, traditional QoS can no longer meet the requirements of present network, while Hierarchical Quality of Service (HQoS) technology realizes multi-level flow management, so it can better help operators achieve multi-user and multi-business service management. Based on HQoS model of existing access network, this paper put forward the improvement suggestions of classifying multicast services and conducting separate QoS processing. Besides, a simulation test of the actual application of the improved model was also carried out. The test result showed that the improved model is able to adopt different scheduling strategies according to different users and separately conduct QoS processing for multicast services.

GPON(Gigabit Passive Optical Network); HQoS(Hierarchical Quality of Service); multicast

圖7 測試環境圖

東華大學非線性科學研究所交叉課題(20160905-3)

TN929.11

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.023

何睿，葉建芳，石健，等.HQoS在GPON系統中的應用與優化[J].微型機與應用，2017,36(13)：76-78,81.

2017-01-11)

何睿(1994-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：光纖接入網。

葉建芳(1964-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：無線通信、網絡協議。

石健(1994-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：光纖傳輸網。