PON網絡中DBA算法對高帶寬業務傳輸速度影響的技術分析

呂衛東

中國電信股份有限公司江蘇分公司

0 背景

目前寬帶業務交付通過測速來實現確認是否滿足客戶承諾速率要求。業務測速是一個端到端的處理過程，涉及到端到端整個業務流程的每個環節，包括了業務測速服務器和用戶終端的硬件性能、傳輸線路的帶寬和時延、TCP的算法（包括發送緩沖區大小）、用戶端的算法（包括滑動窗口大小）。高帶寬業務測速對各環節的要求更為嚴格，特別是DBA算法設置合適與否，對傳輸線路的帶寬和時延存在較大的影響，為解決上述問題，滿足大規模提速需求，需深入研究DBA算法優化方案，提升光網絡運營能力，提升用戶感知。

1 測速原理及深度分析

1.1 TCP基本原理

TCP協議是建立在IP協議基礎上，面向連接的，有傳輸保證的協議。當進行TCP數據傳輸時，Server側向Client側發送數據，Client側需要對接收到的數據幀進行確認。因此，當OLT用戶側用戶進行下載時，需要同時向上行發送確認幀。當OLT用戶側用戶進行上傳時，服務器會同時向下行發送確認幀。

在TCP交互過程中，操作系統會為每個TCP連接分配相應的發送緩沖區和接收緩沖區，TCP接收窗口和發送窗口的最大值即為接收緩沖區和發送緩沖區的大小。當TCP傳輸過程中出現丟包時，TCP連接會自動調節窗口大小，導致TCP傳輸速率降低。

另外，傳輸時延也會影響TCP傳輸速率，根據計算公式：TCP傳輸速率 = TCP窗口/RTT。這里RTT代表Round Trip Time，即TCP傳輸時報文往返所需的時間。當RTT增大時，TCP傳輸速率將降低。

1.2 PON傳輸模型分析

OLT的業務配置中，上行的帶寬主要由DBA決定。針對DBA的分配機制對測速影響分析如下：

（1）PON DBA帶寬分配簡述

PON上行為時分復用，當ONU上行需要進行數據發送時，會向OLT上報帶寬請求DBRu，OLT接收到帶寬請求后會根據ONU的帶寬類型進行調度計算，并在帶寬分配周期將帶寬分配給ONU，此時ONU才會將自己緩沖區中的數據發送到OLT。ONU的緩沖區為FIFO隊列，上行存在隊列調度。

（2）PON DBA帶寬分配原理

協議規定的帶寬類型有4種，優先級從高到底：Fixed（固定帶寬）、Assured（保證帶寬）、Non-Assured（不保證帶寬）、Best-Effort（盡力而為帶寬）。

OLT定義的帶寬類型：

Type1：固定帶寬。完全預留給特定ONU或者ONU的特定業務，即使在ONU沒有上行業務流的情況下，這部分帶寬也不能為其他ONU使用。

Type2：保證帶寬。保證在ONU需要使用帶寬時可獲得的帶寬。當ONU的實際業務流量未達到保證帶寬時，設備的DBA機制應能夠將其剩余帶寬分配給其他ONU的業務。

Type3：保證帶寬+最大帶寬。Type3類型為帶寬組合類型，在保證用戶有一定帶寬的同時，還允許用戶有一定帶寬的搶占，但總和是不會超過用戶配置的最大帶寬。

Type4：最大帶寬。最大帶寬是在ONU使用帶寬時可獲得的帶寬上限值，最大程度地滿足ONU使用的帶寬資源。

Type5：固定帶寬+保證帶寬+最大帶寬。既給用戶預留其他用戶不能搶占的固定帶寬資源，又確保在需要使用帶寬時可獲得的保證帶寬，同時允許用戶有一定帶寬的搶占，但總和是不會超過用戶配置的最大帶寬。

圖1 OLT定義的帶寬類型和協議規定的帶寬類型的對應關系

如圖1所示，Type3配置Assured大小和Max，Non-Assured不顯示配置，可由Non-Assured = Max–Assured計算得到；Type4配置Max，Best Effort即Max配置的大小。

由協議規定的優先級可看出Type3的優先級大于Type4，即在擁塞的情況下，配置為Type3的用戶至少可以獲得Assured帶寬。

（3）PON DBA帶寬分配過程

如圖2所示，PON DBA分配過程可以理解為：總帶寬分四輪按帶寬類型的優先級進行分配。

圖2 PON DBA帶寬分配過程

1.3 上下行TCP傳輸分析

為了測試驗證TCP傳輸速率與RTT的關系，以及PON DBA算法各種類型的差異，搭建測試環境如圖3所示，并利用WiresharK軟件進行抓包分析。

圖3 測試拓撲圖

（1）TCP傳輸速率與RTT有關。根據TCP傳輸速率 =TCP窗口/RTT，當RTT增大時，TCP窗口固定的情況下，TCP傳輸速率會降低。

如圖4所示，測試FTP下載速率為175KB/s，RTT分析在34ms到42ms之間波動。

圖4 （1-2） 測試FTP下載速率為175KB/s時RTT變化情況

如圖5所示，當RTT增大時，FTP的下載速率也隨之降低。如下RTT超過550ms，速率僅為14KB/s。

圖5 （1-2） 測試RTT增大時FTP下載速率變化情況

（2）當同時進行上傳時，根據TCP傳輸速率與TCP窗口和RTT的關系計算：

下載速率=下載TCP窗口/RTT上傳

上傳速率=上傳TCP窗口/RTT下載

由于傳輸上傳和下載傳輸路徑相同，這里假設RTT上傳= RTT下載，則下載速率=上傳速率×下載TCP窗口/上傳TCP窗口。如果上傳速率為1M，當下載TCP窗口＞ 3倍上傳TCP窗口時，下載帶寬可以保持在3M左右波動。

使用PC-A作為Client在OLT用戶側，PC-B作為Server在OLT網絡側，用戶側PC-A同時進行下載和上傳，測試結果如圖6所示，上傳速率達到最大限速值1M，此時RTT達到35ms左右，下載帶寬仍能保持在3M左右波動。

圖6 （1-2） PC-A為Client在OLT用戶側、PC-B為Server在OLT網絡側測試情況

將上述測試的Client和Server互換，使用PC-B在OLT用戶側，PC-A在OLT網絡側。此時PC-B同時進行下載和上傳。由于此時上傳TCP窗口和下載TCP窗口的比例關系發生變化。上傳TCP窗口變大，而使得TCP吞吐量增大，ONU的隊列深度也將變得更深，導致RTT會增大，同時由于下載TCP窗口變小，導致下載速率降低。測試結果如圖7所示，RTT為450ms左右，用戶側下載速率僅為15KB/s。

圖7 （1-2） PC-B為Client在OLT用戶側、PC-A為Server在OLT網絡側測試情況

因此，在不改變OLT和ONU上任何配置的情況下，僅Client和Server的緩沖能力發生變化，也會導致測試結果不同。

（3）當DBA逐漸調大，由于ONU將報文發送給OLT的速率增大，報文在ONU緩存里緩存的時間減小，緩存深度降低，因此RTT也會隨之減小。當RTT減小到一定值時（即下載TCP窗口/下行限速），下行速率又可以達到最大值。如圖8所示，將DBA提升至3M，則RTT平均值減少到5ms以下，下行速率也提升至3M左右，且上行DBA越大，RTT越小，下載速率越高。

圖8 DBA提升至3M時RTT變化情況

根據上述分析，TCP傳輸速率與TCP窗口和RTT都有關系。 從實際應用角度，增大DBA可以減少ONU緩存造成的影響，降低TCP傳輸RTT，因此在實際配置中可以根據用戶的情況適當放大。

另外，不同的DBA帶寬類型，其實際效果也有差異。對于Type3的Assure帶寬，為保證帶寬，其帶寬分配優先級高于Max帶寬。即當ONU上報帶寬請求時，Assure的帶寬是可以保證能夠分配到的。對于Type4的Max帶寬，為最大帶寬，這部分帶寬類型是不保證的，即ONU上報帶寬請求時，OLT會根據剩余帶寬的情況以及PON口下各ONU的帶寬請求進行調度，不能保證一定能分配到。因此，當ONU配置的帶寬類型為Max時，需要根據PON口下的剩余帶寬以及PON口下實時的帶寬請求進行計算，最終決定ONU能否分配到的帶寬。因此，當PON口下存在多個ONU或ONU上存在多個TCONU，且均存在上行帶寬請求時，Max帶寬分配是無法保證的；導致RTT增加且不穩定，導致下載速率存在波動。

2 現網測試驗證

2.1 非擁塞情況下

非擁塞情況下，每個用戶使用相同帶寬配置，Type3和Type4測試對比結果，如表1所示：

表1 非擁塞情況下Type3和Type4測試對比結果

2.2 擁塞情況下

擁塞情況下，每個用戶使用相同帶寬配置，Type3和Type4對比測試結果，如表2所示：

表2 擁塞情況下Type3和Type4測試對比結果

擁塞情況下，每個用戶使用不相同帶寬配置，type3和type4對比測試結果，如表3所示：

表3 擁塞情況下配置不同帶寬Type3和Type4測試對比結果

從測試可以看出：

針對PON口下配置為Type3 或 Type4 的帶寬類型進行測速對比來看：

（1）用戶的帶寬配置相同時，Type3和Type4的測速結果基本無差異，帶寬平均分配；

（2）用戶的帶寬配置不相同時，Type3優先保證Assure的帶寬，Type4平均分配。

3 結論

測速和應用層協議、緩沖區大小設置以及實際網絡狀態都有關系，需要結合這些因素做綜合考慮：

（1）上行DBA越大，引入RTT越小，下行速率越大；

（2）同PON口Type3和Type4混合場景時, 擁塞情況下，Assure帶寬配置比Max帶寬配置引入RTT小，Type3好于Type4；

（3）非擁塞情況下，Type3和Type4差異不大。

按照上述結論對現網DBA算法規模優化后，效果顯著，新裝高帶寬客戶均能滿足業務速率要求，大大提升了客戶感知。