一種基于NC和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于網絡編碼和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡系統，該系統同時考慮了業務的本地化趨勢以及多樣性特點，從提升網絡的節能效率和網絡性能方面出發，緊緊圍繞著SIEPON中ESP新型數據路徑結構，利用了功分器的廣播特性，有效提升了信息傳送能源效率的能力；通過SIEPON中ESP的分類功能模塊[C]、隊列功能模塊[Q]、調度功能模塊[S]等的配置，有效提升了網絡在數據傳送性能、多等級服務質量支持等方面的能力。
【專利說明】—種基于NC和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于網絡編碼技術(NC, Network Coding)且具有服務質量(QoS, Quality of Service)感知的服務互通以太網無源光網絡(SIEPON, ServiceInteroperability Ethernet Passive Optical Network)邏輯架構，特別地，針對業務本地化趨勢以及多業務等級的不同需求進行相應的邏輯網絡架構設計，屬于光纖接入網絡【技術領域】。
【背景技術】
[0002]當前，隨著高清視頻電話、端到端(P2P，Peer-to-Peer)網絡文件共享、3D交互游戲等新型業務的出現和快速發展，寬帶接入網絡的業務本地化趨勢越來越明顯。NC技術通過編碼節點對流經它的不同信息流進行編碼組合來縮短該編碼節點中數據包的發送時間。如果寬帶接入網絡業務的源和目的節點均為網絡內部節點，即業務本地化時，將NC技術應用在寬帶接入網絡中的優勢將會越來越明顯，它將在提升網絡吞吐量、減少資源消耗以及有效降低網絡的能源消耗等方面發揮重要的作用。
[0003]同時，以太網無源光網絡(EPON)以其標準化程度高、維護簡單、接入成本低等優點已成為寬帶接入的重要實現技術。IEEE標準協會(IEEE - SA)已經宣布，由28家公司和實驗室參與的IEEE P1904.1 ? SIEPON標準草案從技術角度已經完成。為滿足接入網絡中多樣化的數據傳送QoS需求，SIEPON在QoS保障方面，提出了一個靈活的EPON服務路由(ESP，EP0N Service Path)新概念以及數據序列調度的光線路終端(0LT，Optical LineTerminal)和光網絡單元(0NU, Optical Network Unit)新架構。ESP控制著數據巾貞的排列調度、優先級、與QoS參數相關的帶寬分配以及延遲等。此外，SIEPON還規定了配置網絡業務流量的相關參數，如關鍵信息速率(CIR, Committed Information Rate)、關鍵突發大小(CBS,Committed Burst Size)、額外信息速率(EIR, Excess Information Rate)、額外突發大小(EBS, Excess Burst Size)等，為 QoS 提供了保證。
[0004]因此，針對接入網絡業務本地化趨勢以及對多等級業務支持能力的需求，實現一種新型的基于NC和QoS感知的SIEPON邏輯網絡架構，可以有效提升網絡在數據傳送性能以及多等級服務質量支持方面的能力。
[0005]目前，基于SIEPON的網絡設計，主要存在以下缺點:
1)忽略了業務本地化趨勢對參數的影響，傳統EPON系統只存在OLT與ONU之間信息的交互，不能適用于當前的寬帶接入網絡的業務傳輸需求，即ONU與ONU之間也要進行信息的交互；
2)根據EPON中OLT和ONU的不同信息交互方式，ESP可以有單播或組播兩種不同的形式。雖然組播ESP具有NC技術實現時的組播特性，但由于組播ESP需要把下行組播發送的包復制到多個子隊列中，即相同的數據包需要重復傳輸多次，因此具有一定的能源消耗；
3)在SIEPON中沒有同時考慮網絡的數據傳送性能和不同等級業務的QoS保證。
[0006]鑒于此，如何在新型的業務驅動過程中，同時針對NC技術和多等級QoS保證來進行新型接入網絡架構的設計已成為業內人員研究的重點。本發明的主要目的是基于最新的EPON標準草案，提供一種可以有效進行NC操作并同時保證多等級業務區分的新型SIEPON邏輯架構。該網絡邏輯架構利用了功分器的廣播特性進一步減少能源消耗，對1G/10GEPON 標準 IEEE 802.3ah/IEEE802.3av 中的多點控制協議(MPCP，Multipoint ControlProtocol)協議進行了相應擴展。具體體現在OLT和ONU中上行和下行ESP在數據包分類、隊列配置以及資源調度方面。
【發明內容】
[0007]基于NC和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡邏輯架構的設計受網絡中業務特點的驅動，同時考慮了業務的本地化趨勢以及多樣性特點，并且在設計的過程中，從提升網絡的節能效率和網絡性能方面出發，緊緊圍繞著SIEPON中ESP新型數據路由結構，利用了功分器的組播特性，有效提升了信息傳送的能源效率；通過SIEPON中ESP的隊列功能模塊[Q]、調度功能模塊[S]等的配置，有效提升了網絡在數據傳送性能、多等級服務質量支持等方面的能力。
[0008]本發明采用下述的技術方案:
一種基于NC和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡系統，其特征在于:該系統由一個OLT和多個ONU組成，每一個ONU可支持多個終端用戶；承載數據幀的ESP實現雙向傳輸；采用NC技術實現OLT與ONU以及各ONU之間的信息交互。其中所述ESP為引入了服務特性的具有以下八種功能模塊的數據路由結構，所述八種功能模塊包括輸入功能模塊[I]、分類功能模塊[C]、修正功能模塊[M]、維護/整形功能模塊[P/S]、交叉連接功能模塊[X]、隊列功能模塊[Q]、調度功能模塊[S]、輸出功能模塊[0]。
[0009]進一步地，所述信息交互通過OLT內的編碼和調度以及ONU處的解碼和調度實現。所述OLT內的編碼和調度包括OLT端進行的NC分布，編碼操作以及控制管理。所述ONU處的解碼和調度包括ONU端進行的NC標識檢測，解碼操作以及控制管理。
[0010]進一步地，OLT端進行的NC分布，編碼操作以及控制管理分別在修正功能模塊[M]、隊列功能模塊[Q]和調度功能模塊[S]中實現，其中:修正功能模塊[M]實現NC的分布，具體為:當數據幀到達并映射到ESP中時，ESP的模塊[M]可以通過在MPCP協議的REPORT控制信息中設定編碼標識位有效地鑒別多播組，若該位為1，則說明其承載著需要編碼的數據信息；隊列功能模塊[Q]以先入先出的方式緩存到達的數據流并且將需要交換的數據包進行編碼；調度功能模塊[S]控制與管理NC，具體為:當在隊列功能模塊[Q]中編碼操作完成之后，對網絡中存在的編碼包進行組播傳輸，并進行動態帶寬分配(DBA，dynamic bandwidth allocation)算法計算數據包傳輸所占用的時隙。所述隊列功能模塊[Q]進行的編碼操作為采用XOR方式。
[0011]進一步地，ONU端進行的NC標識檢測，解碼操作以及控制管理分別在分類功能模塊[C]、隊列功能模塊[Q]以及調度功能模塊[S]中實現，其中:分類功能模塊[C]進行NC標識檢測，具體為:當SIEPON中引入NC時，在GATE控制信息中根據網絡中ONU的數目順序安排預留字節中的相應位，ONU中的分類功能模塊[C]判別所接收到的GATE幀，若對應某ONU的相應預留位為1，則表明該目的ONU接收到來自此ONU的網絡編碼業務，若全部為O則表示接收的為來自OLT的未網絡編碼業務；隊列功能模塊[Q]進行的解碼操作具體為:在下行方向上，每個ONU在其模塊[Q]中根據解碼規則進行解碼，得到目的數據；調度功能模塊[S]進行的控制管理具體為:在上行方向上，在特定的時隙內接收OLT的GATE信息，并通過分析GATE信息傳輸網絡編碼業務和非網絡編碼業務。所述隊列功能模塊[Q]進行的解碼操作中的解碼規則為將編碼包與緩存在其中的原上行數據包進行XOR操作。
[0012]本發明的系統還包括，在OLT與ONU內將所有的數據幀根據不同業務的優先級映射在ESP上，其中:
1)在OLT和ONU的ESP中的分類功能模塊[C]將對各種不同的業務進行標識；
2)在OLT和ONU的ESP都設置多個子隊列功能模塊[Q]來緩存不同等級的優先級隊列，對于不同的優先級隊列采用不同的DBA算法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是SIEPON的數據路由結構；以及圖2是本發明邏輯網絡架構的示意圖。【具體實施方式】
[0014]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0015]SIEPON建立在傳統的EPON結構基礎之上，其重要特征之一是在OLT和ONU的MAC層客戶端內引入了統一的數據路由結構，如圖1所示。每一個數據路由結構都包含八個功能塊，即輸入功能模塊[I]、分類功能模塊[C]、修正功能模塊[M]、維護/整形功能模塊[P/
S]、交叉連接功能模塊[X]、隊列功能模塊[Q]、調度功能模塊[S]、輸出功能模塊[O]。具有上述八種功能模塊的數據路由結構，如果引入服務特性，則構成了 SIEPON中的ESP的概念。
[0016]本發明設計了一種基于NC和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡架構。如圖2所示，由一個OLT和多個ONU組成，每一個ONU可支持多個終端用戶。承載數據幀的ESP實現雙向傳輸。OLT與ONU之間信息交互過程仍采用EPON的MPCP協議，即采用請求-授權(REPORT - GATE)的數據傳輸控制機制。
[0017]為滿足網絡中業務本地化趨勢，需要擴展MPCP協議，采用NC技術實現OLT與ONU以及各ONU之間的信息交互。主要體現為:0LT內的編碼和調度以及ONU處的解碼和調度。
[0018]1.0LT端進行的NC分布，編碼操作以及控制管理等分別在修正功能模塊[M]、隊列功能模塊[Q]和調度功能模塊[S]中實現。
[0019]I)修正功能模塊[M]
模塊[M]中主要實現NC的分布。當數據幀到達并映射到ESP中時，ESP的模塊[M]可以通過在MPCP協議的REPORT控制信息中設定編碼標識位有效地鑒別多播組，若該位為1，則說明其承載著需要編碼的數據信息。因此，OLT中的功能模塊[M]可根據REPORT消息中的編碼標識位來判別是否為需要編碼的業務。
[0020]2 )隊列功能模塊[Q]
模塊[Q]主要用于緩存到達的數據流并且將需要交換的數據包采用XOR方式進行編碼。ESP的模塊[Q]以先入先出的方式緩存業務，即第一個加入到該隊列的數據幀可以第一個用于發送。對于編碼包以及非編碼包，OLT都會在相應的編碼隊列以及非編碼隊列中排序。[0021]3)調度功能模塊[S]
模塊[s]的主要功能是控制與管理Ne。當在[Q]中編碼操作完成之后，在下行方向上網絡中的編碼包需要組播傳輸，此外還須計算數據包在上下行方向傳輸所占用的時隙，即進行動態帶寬分配(DBA, dynamic bandwidth allocation)過程。因此,在模塊[S]里要進行包調度以及時隙調度的混合調度過程。
[0022]2.0NU端進行的NC標識檢測，解碼操作以及控制管理等分別在分類功能模塊[C]、隊列功能模塊[Q]以及調度功能模塊[S]中實現。
[0023]I)分類功能模塊[C]
標準IEEE802.3ah/av中的MPCP協議中規定邏輯鏈路標識(LLID，Logical LinkIdentifier)能使某確定的ONU獲得來自OLT的信息。當SIEPON中引入NC時，在GATE控制信息中根據網絡中ONU的數目順序安排預留字節中的相應位，ONU中的分類功能模塊[C]判別所接收到的GATE巾貞，若對應某ONU的相應預留位為I，則表明該目的ONU接收到來自此ONU的網絡編碼業務，若全部為O則表示接收的為來自OLT的未網絡編碼業務。
[0024]2 )隊列功能模塊[Q]
原上行數據需要緩存在每一個ONU的隊列功能模塊[Q]里，在下行方向上每個ONU在其模塊[Q]中根據將編碼包與之前上行發送的數據包進行XOR操作的解碼規則進行相應的解碼，得到目的數據。
[0025]3)調度功能模塊[S]
在上行方向上，ONU將根據混合調度過程算法在特定的時隙內接收OLT的GATE信息，并通過分析GATE信息傳輸網絡編碼業務和非網絡編碼業務。
[0026]3.為了支持多等級的QoS，在OLT與ONU內對于不同的優先級業務，所有的數據幀都將映射在ESP上。
[0027]I)在OLT和ONU的ESP中的分類功能模塊[C]將對各種不同的業務進行標識。簡單起見，本發明中將業務分為:加速轉發(EF,Expedited Forward),確定轉發型(AF,AssuredForward)以及盡力而為型(BE, Do Best Forward)三種不同的等級。其中EF等級的業務為延遲敏感、速率恒定的CBR業務，如話音業務；AF等級的業務對延遲要求比較高，如音頻業務；BE等級的業務相對來說對延遲要求不高，如某些數據業務。
[0028]2)在OLT和ONU的ESP都設置多個子隊列功能模塊[Q]來緩存不同等級的優先級隊列，對于不同的優先級隊列采用不同的DBA算法。
[0029]在上行方向上，ONU中從用戶端接收到的不同等級的業務幀都映射到ESP的[Q]中，對到達的EF等級的業務幀，在其隊列功能模塊[Q]中為其配置一個高優先級的標識，隊列大小不依賴于ONU端的REPORT ;對到達的AF等級的業務幀，對其配置中優先級別的標識，且序列大小按照標準的MPCP協議匯報給OLT ;對到達的BE等級的業務幀，對其配置低優先級別的標識，同AF —樣，序列大小按照標準的MPCP協議匯報給0LT。
[0030]在下行方向上，OLT中服務網絡接口到達的不同等級的業務幀都映射在OLT的ESP中相應的多個子隊列功能模塊[Q]中；ESP的調度功能模塊[S]負責面向不同業務等級設定DBA算法，對于EF等級的業務，為其分配一個常量帶寬；對于AF和BE等級的業務，DBA通過請求帶寬為其計算相應的傳輸帶寬。
[0031]本發明通過同時考慮NC技術以及QoS感知，設計了服務互通以太網無源光網絡邏輯架構，其在網絡性能上具有以下優點:
1.本發明并沒有直接利用組播ESP，而是通過將數據包進行NC的形式，利用功分器天然的廣播特性將NC包進行下行方向的發送，這樣就大大減少了數據包傳送的次數，節省了能源消耗。
[0032]2.本發明充分利用了 SIEPON標準草案在保障QoS方面的具體實現方式，通過使用設計架構中OLT節點和ONU節點的不同緩沖隊列來緩存不同業務等級的業務包，對數據包流進行相應的調度，實現了對多等級服務質量的支持。該架構的發明具有很好的可擴展性，可充分適應于不同的隊列服務方式以及不同的DBA方式等。
[0033]本發明的技術方案立足于IOG ΕΡ0Ν，并具有很好的可擴展性。當未來網絡的業務發生新的變化時，本發明的方法可以通過在相應的修正功能模塊[M]、分類功能模塊[C]、隊列功能模塊[Q]以及調度功能模塊[S]里實施相應的功能來適應這種新變化；就如3保證來說，可以通過在調度功能模塊[S]里執行任意調度算法的設計來進行軟件升級，而無需改變整體網絡架構。
[0034]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于NC和QoS感知的服務互通以太網無源光網絡系統，其特征在于:該系統由一個OLT和多個ONU組成，每一個ONU可支持多個終端用戶；承載數據幀的ESP實現雙向傳輸；采用NC技術實現OLT與ONU以及各ONU之間的信息交互。
2.根據權利要求1所述的系統，所述ESP為引入了服務特性的具有以下八種功能模塊的數據路由結構，所述八種功能模塊包括輸入功能模塊[I]、分類功能模塊[C]、修正功能模塊[M]、維護/整形功能模塊[P/S]、交叉連接功能模塊[X]、隊列功能模塊[Q]、調度功能模塊[S]、輸出功能模塊[O]。
3.根據權利要求2所述的系統，所述信息交互通過OLT內的編碼和調度以及ONU處的解碼和調度實現。
4.根據權利要求3所述的系統，所述OLT內的編碼和調度包括OLT端進行的NC分布，編碼操作以及控制管理。
5.根據權利要求4所述的系統，所述OLT端進行的NC分布，編碼操作以及控制管理分別在修正功能模塊[M]、隊列功能模塊[Q]和調度功能模塊[S]中實現，其中: 修正功能模塊[M]實現NC的分布，具體為:當數據幀到達并映射到ESP中時，ESP的模塊[M]可以通過在MPCP協議的REPORT控制信息中設定編碼標識位有效地鑒別多播組，若該位為1，則說明其承載著需要編碼的數據信息； 隊列功能模塊[Q]以先入先出的方式緩存到達的數據流并且將需要交換的數據包進行編碼； 調度功能模塊[S]控制與管理NC，具體為:當在隊列功能模塊[Q]中編碼操作完成之后，對網絡中存在的編碼包進行組播傳輸，并進行動態帶寬分配(DBA, dynamic bandwidthallocation)算法計算數據包傳輸所占用的時隙。
6.根據權利要求5所述的系統，所述隊列功能模塊[Q]進行的編碼操作為采用XOR方式。
7.根據權利要求3所述的系統，所述ONU處的解碼和調度包括ONU端進行的NC標識檢測，解碼操作以及控制管理。
8.根據權利要求6所述的系統，所述ONU端進行的NC標識檢測，解碼操作以及控制管理分別在分類功能模塊[C]、隊列功能模塊[Q]以及調度功能模塊[S]中實現，其中: 分類功能模塊[C]進行NC標識檢測，具體為:當SIEPON中引入NC時，在GATE控制信息中根據網絡中ONU的數目順序安排預留字節中的相應位，ONU中的分類功能模塊[C]判別所接收到的GATE幀，若對應某ONU的相應預留位為1，則表明該目的ONU接收到來自此ONU的網絡編碼業務，若全部為O則表示接收的為來自OLT的未網絡編碼業務； 隊列功能模塊[Q]進行的解碼操作具體為:在下行方向上，每個ONU在其模塊[Q]中根據解碼規則進行解碼，得到目的數據； 調度功能模塊[S]進行的控制管理具體為:在上行方向上，在特定的時隙內接收OLT的GATE信息，并通過分析GATE信息傳輸網絡編碼業務和非網絡編碼業務。
9.根據權利要求8所述的系統，所述隊列功能模塊[Q]進行的解碼操作中的解碼規則為將編碼包與緩存在其中的原上行數據包進行XOR操作。
10.根據前述任一權利要求所述的系統，在OLT與ONU內將所有的數據幀根據不同業務的優先級映射在ESP上，其中:1)在OLT和ONU的ESP中的分類功能模塊[C]將對各種不同的業務進行標識； 2)在OLT和ONU的ESP都設置多個子隊列功能模塊[Q]來緩存不同等級的優先級隊列，對于不同的優先 級隊列采用不同的DBA算法。
【文檔編號】H04L12/865GK103905932SQ201410164728
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】趙繼軍, 馮楠, 李文竹, 劉心, 任丹萍 申請人:河北工程大學