结合状态指示和流量预测的GPONDBA算法
GPON网络中MAC层相关技术的研究及DBA算法的设计
目录
01 一、GPON技术与MAC 层概述
03 三、DBA算法设计
02 二、MAC层技术研究 04 四、实验与结果分析
GPON网络中的MAC层相关技术及 DBA算法的研究
GPON网络中的MAC层相关技术及DBA算法的研究
随着光纤到户（FTTH）的不断发展，GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network）网络作为重要的光纤接入方式，越来越受到人们的。MAC层 作为GPON网络的重要组成部分，其相关技术和算法的设计对于提高网络性能具有 关键作用。本次演示将深入研究GPON网络中的MAC层相关技术，并设计一种动态 带宽分配（DBA）算法，以提高网络的整体性能。
四、实验与结果分析
四、实验与结果分析
为验证本次演示所研究的MAC层技术和DBA算法的有效性，我们搭建了一个 GPON仿真平台进行实验。
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三、DBA算法设计
三、DBA算法设计
DBA算法是一种动态分配带宽的算法，可有效提高网络的整体性能。在GPON网 络中，DBA算法可根据实时流量需求和用户优先级动态分配带宽资源。本次演示 设计了一种基于优先级和轮询的DBA算法，具体实现如下：
1、算法原理
1、算法原理
该DBA算法以轮询为基础，结合优先级调度。将所有用户按照优先级分为若干 个组，每个组内的用户按照到达的时间顺序进行调度。同时，设置一个动态权重 值，根据实时流量需求和用户优先级调整权重值，以实现更加灵活的带宽分配。
2、实现细节
2、实现细节
首先，根据用户优先级将所有用户分组，并为每组设置一个权重值。在每一 轮调度过程中，按照权重值的大小依次选择各个组内的用户进行数据传输。权重 值可根据实时流量需求进行调整，当某组的流量需求较大时，增加其权重值，反 之则减小权重值。
gpon dba原理
gpon dba原理GPON DBA原理一、引言GPON（Gigabit Passive Optical Network）是一种基于光纤传输的无源光网络技术，它通过光纤将光信号传输到用户处，实现高速宽带接入。
在GPON中，DBA（Dynamic Bandwidth Allocation）是一项关键技术，用于实现光纤上下行带宽的动态分配。
本文将介绍GPON DBA的原理和作用。
二、GPON DBA的作用GPON DBA的主要作用是根据用户的需求和网络的实际情况，合理分配上下行带宽资源，以提高网络的效率和带宽利用率。
通过动态分配带宽，DBA可以根据用户的实际需求，在不同的时间段和不同的用户之间进行公平的带宽分配，从而优化网络性能。
三、GPON DBA的原理1. 网络中的OLT（Optical Line Terminal）设备负责与用户终端进行通信。
OLT通过PON（Passive Optical Network）光纤将信号传输到ONU（Optical Network Unit）终端。
2. OLT设备根据ONU上报的带宽需求和网络负载情况，动态分配上下行带宽资源。
DBA算法根据不同的因素进行带宽分配决策，如用户的业务类型、优先级、剩余带宽等。
3. DBA算法根据实时的带宽需求进行调整，以适应网络的变化。
当网络负载较小时，DBA会分配更多的带宽给用户，提高用户的传输速率；当网络负载较大时，DBA会进行动态的带宽调整，以保证网络的稳定性和公平性。
4. DBA算法会根据OLT设备和ONU终端的能力进行带宽分配，以充分利用网络资源。
例如，对于具有高速上行需求的用户，DBA 会优先分配更多的上行带宽；对于具有高速下行需求的用户，DBA 会优先分配更多的下行带宽。
5. DBA算法还可以对不同类型的业务进行优先级排序，以保证重要业务的带宽需求得到满足。
例如，对于视频会议或在线游戏等对时延敏感的业务，DBA会优先分配更多的带宽，以确保业务的稳定运行。
GPON原理
Passive Optical Network 无源光网络
POS
ONU
ONT
ODN
Internet
OLT OLT
POS
ONT ONU
CATV
GPON网络各部分介绍
OLT：光线路终端，主要作用是与上层网络对接，实现协议 的转换与下层GPON网络的管理。 ODN：光分配网络，由分光器（POS）与光纤组成，通过无 源分光将OLT与ONU联系起来。 ONU：光网络单元，GPON网络的终端，将GPON网络协议 转换为原网络协议并将数据还原后传送给用户。
光纤接入网的接入方案
(a) 点到点的网络 P2P
CO
Fibre
L km
(b) 路边交换网络
CO
Curb switch Fibre
L km
N
Twisted pair
(c) 无源光网络 PON
CO
Fibre
Passive optical splitter
L km
N
fibre
2、GPON网络结构
1
PSTN
rtd110us计算距离1kmrtd220us计算距离2kmrtd330us计算距离3kmonu1onu2onu3光模块突发控制技术突发发射onu上行复用后的数据发送方式onu在指定时隙发送数据连续发送模块突发发送模块光模块突发控制技术突发接受olt恢复出来的数据到达olt的信号及阈值建立ontonu发出的信号onu有快速agc无快速agc阈值线连续接收模块突发接收模块快速agcautomaticgaincontrol动态范围20db快速时钟恢复动态带宽分配dbadbadynamicallybandwidthassignment动态带宽分配用户可以享受到更高带宽的服务特别是那些对带宽突变比较大的业务5gpon组网保护方式1typeb保护2typeb双归保护3typec保护typeb保护typeb保护是同一个olt不同pon端口实现的保护
GPON系统中DBA算法的研究与仿真
GPON系统中DBA算法的研究与仿真GPON（Gigabit Passive Optical Network）是一种具有高带宽和灵活性的光纤通信技术，被广泛应用于宽带接入网络中。
在GPON系统中，动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation，简称DBA）算法是实现公平、高效的数据传输的关键。
DBA算法是一种根据用户的实时传输需求来动态调整传输资源的技术。
它通过在ONU（Optical Network Unit）和OLT （Optical Line Terminal）之间建立一个双向通信链路，实时监测用户的带宽需求，并根据需求进行带宽的分配和调度，以实现网络资源的优化利用。
DBA算法的研究与仿真对于提高GPON系统的性能、提升用户体验具有重要意义。
首先，DBA算法的设计要考虑到网络中用户的差异化需求。
在现实应用中，不同用户的带宽需求是不同的，同时还受到网络拥塞程度、时延要求、容量限制等因素的影响。
因此，DBA算法应该能够根据用户的优先级、带宽需求和网络的状态来动态调整带宽分配。
其次，DBA算法需要具备良好的公平性和高效性。
公平性是指在多用户环境中，每个用户都能够公平地分享网络资源。
高效性是指在满足用户需求的前提下，尽可能地减少带宽的浪费，提高网络的传输效率。
因此，DBA算法的设计应该兼顾用户公平性和网络效率的两方面要求。
目前，对于DBA算法的研究主要集中在两个方向上。
一方面，研究人员致力于提出新的DBA算法，以改善网络的性能。
例如，可以通过引入预测算法，根据用户的历史数据和当前状态来预测其未来的带宽需求，并根据预测结果进行带宽的分配。
另一方面，研究人员还在对已有的DBA算法进行优化和改进。
例如，可以通过改进调度策略，减少用户之间的带宽竞争，提高整个网络的传输效率。
为了验证DBA算法的性能，研究人员通常使用仿真软件对其效果进行评估。
在仿真过程中，可以设置不同的网络拓扑结构、用户流量模型和调度策略，模拟不同的实际应用场景。
GPON关键技术介绍
● 非保证带宽（Non-Assured bandwidth）
● 当T-CONT有带宽需求时，也不一定分配给它的带宽。只有在所有的固定带宽和保证带宽都分配完之后， 才会进行非保证带宽的分配。
● 尽力而为带宽（Best-Effort bandwidth）
● 是优先级最低的带宽类型。在固定带宽、保证带宽和非保证带宽都分配完之后，如果带宽还有剩余，才 会进行尽力而为带宽的分配。
上行带宽的类型（续）
● 最大带宽（Maximum bandwidth）
● 不管该T-CONT上的实际上行流量有多大，分配的带宽值都不能大于最大带宽。 ● 等于固定带宽、保证带宽、非保证带宽和尽力而为带宽的和。
● 类型间优先级
● 固定带宽、保证带宽、非保证带宽和尽力而为带宽，优先级依次降低。
● 对同一个T-CONT，不会同时配置非保证带宽和尽力而为带宽。
通道，设置ONU的T-CONT上的队列调度策略。
上行带宽的类型
● 固定带宽（Fixed bandwidth）
● 在T-CONT激活之后，OLT就为其分配该带宽，不管T-CONT上是否有上行流量。
● 保证带宽（Assured bandwidth）
● 当T-CONT有带宽需求时，必须分配给它的带宽。如果T-CONT的带宽需求小于配置的保证带宽，多出 来的配置带宽可以被其他的
● 固定带宽，保证带宽，非保证带宽，尽力而为带宽，混合模式
● T-CONT之间的调度机制
● SBA（静态） ● DBA（动态）
GPON QoS- GEM层
● OLT侧
● 基于Gemport的流分类 ● 业务流的带宽控制 ● 优先级调度
● ONU侧
● 用户业务流到Gemport的映射 ● Gemport到T-CONT的映射
交换机动态带宽保障dba原理
交换机动态带宽保障dba原理一、引言交换机的动态带宽保障DBA（DynamicBandwidthAvailability）是一种有效的网络流量管理策略，它通过对网络带宽进行实时监控和调整，确保关键业务和应用获得足够的带宽资源，同时平衡网络中的所有流量，防止拥塞的发生。
本篇文章将详细介绍交换机动态带宽保障DBA的原理。
二、DBA原理1.实时监控：交换机DBA系统会实时监控网络中的流量信息，包括数据包大小、流量方向、源/目标地址等，以获取网络流量的实时状态。
2.带宽分配：根据业务的重要性、实时流量大小等因素，DBA系统会动态分配网络带宽资源。
高优先级业务将获得更多的带宽，低优先级业务则可能面临带宽受限的情况。
3.流量调整：当网络流量发生改变时，DBA系统会根据新的流量状态调整带宽分配，以确保关键业务和应用始终获得足够的带宽资源。
4.预防拥塞：通过DBA系统，交换机可以平衡网络中的所有流量，防止拥塞的发生。
当网络流量过大时，低优先级流量将自动降低传输速率，从而避免对高优先级流量的影响。
三、应用场景DBA系统广泛应用于各类企业网络环境中，特别适用于关键业务和关键应用场景。
例如，对于数据中心、核心网等关键区域，DBA可以有效保障关键业务的稳定性和服务质量。
四、优势与限制1.优势：DBA能够确保关键业务和应用获得足够的带宽资源，有效预防拥塞的发生，提高网络性能和稳定性。
2.限制：DBA系统无法完全消除网络中的所有拥塞风险，它只能根据优先级分配有限的带宽资源。
此外，DBA系统的性能受限于交换机硬件和软件性能。
五、结论交换机动态带宽保障DBA是一种有效的网络流量管理策略，它通过对网络带宽进行实时监控和调整，确保关键业务和应用获得足够的带宽资源，同时平衡网络中的所有流量，防止拥塞的发生。
DBA广泛应用于各类企业网络环境中，特别适用于关键业务和关键应用场景。
尽管DBA存在一些限制，但其优势仍然明显，特别是在保证关键业务稳定性和服务质量方面。
GPON技术详述
GPON技术详述介绍GPON 技术之前，先介绍目前也被应用的另一种PON 技术“EPON”。
1．EPON技术介绍EPON 又名GEPON，是由2000年11月成立的EFM(Ethernet in the First Mile，第一英里以太网)工作组提出的，并在IEEE 802.3ah标准中进行规范，其工作重点在EPON的MAC协议上，即最小程度地扩充以太MAC 协议；它在PON层上以Ethernet为载体，上行采用以突发的Ethernet包方式发送数据流。
EPON最核心部分是PON 光发送/接收模块，其实现方案是，在与APON 类似的结构和G.983 的基础上，设法保留APON 的物理层PON，而以Ethernet技术代替ATM 技术作为数据链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更强业务能力的新的结合体EPON。
EPON 可提供上、下行对称的1.25Gbps线路传输速率（而10Gbps 下行线路速率的系统，也正在研究中）。
虽然EPON 采用的Ethernet 封装，非常适用于承载IP 业务，但当时IEEE 制定802.3ah 的初衷是为了接入IP数据业务，并没有考虑TDM 业务接入对时钟同步、时延和抖动等方面的特殊要求，因此EPON 所采用的标准Ethernet 封装方式也给其带来了一个致命的缺点，那就是“难以承载话音或电路型数据专线等TDM 业务”，也很难满足电信级的QoS要求。
之后，虽然目前国内外均对TDM over Ethernet技术进行了积极的研究，我国也制订了通信行业标准《接入网技术要求-基于Ethernet 的无源光网络(EPON)》，且多家EPON 厂商都对IEEE 标准进行了扩充，在EPON 承载TDM 业务和话音业务方面进行了技术创新，例如在提供数据业务的同时，采用预留带宽的方式来提供语音业务，而且多家EPON 厂商也设计出一些新的MAC 机制并增加新的软硬件，但要完全达到TDM 业务要求的严格的QoS 更是面临相当大的困难，这给EPON 的应用带来了一定的限制。
GPON中一种改进的动态带宽分配算法的开题报告
GPON中一种改进的动态带宽分配算法的开题报告
一、选题背景
随着互联网的普及和应用程序的不断增加，互联网带宽需求不断增长。
传统的ACP（动态带宽分配）算法无法满足复杂网络环境中的高带宽需求，因此需要一种更高级的算法。
在GPON（Gigabit-capable Passive Optical Network，千兆级无源光网络）中，动态带宽分配算法（DBA）是一个非常关键的问题，是实现高效管理GPON网络的基础。
二、研究目标
本研究旨在研发一种新的改进的DBA算法，解决传统算法的缺陷，实现更好的网络性能。
三、研究内容
（1）分析传统DBA算法的缺陷和不足；
（2）研发一种基于时隙和带宽保证的改进DBA算法；
（3）设计合适的仿真模型，模拟改进DBA算法的性能表现，验证改进算法的可行性和有效性；
（4）结合实际网络环境，验证改进算法在实际应用场景中的效果；
（5）将改进算法应用到GPON网络中，实现GBit级别的高效网络管理。
四、参考文献
[1] 动态带宽分配算法研究综述[J]. 工程技术, 2013.
[2] 基于繁忙系数的GPON动态带宽分配算法[J]. 计算机工程与设计, 2010.
[3] 基于比例公平原则的无线网络动态带宽分配算法研究[J]. 电子科技大学学报, 2012.
[4] GPON技术及应用[M]. 清华大学出版社, 2010.
[5] Gpon技术与维护[M]. 人民邮电出版社, 2011.。
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中文核心期刊结合状态指示和流量预测的GPON DBA算法韩丹，陈雪(北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京100876)摘要：提出了一种支持多业务的结合上行物理层开销I nd域状态指示与流量预测的G PO N动态带宽分配算法。
该算法由光线路终端(O LT)设备通过检测上行流物理层开销I nd字段，判断各光网络单元(O N U)缓存中数据的有无，在此基础上根据A R模型计算并预测O N U的流量。
该算法提高了O N U流量预测的精度，并且采用分组机制减少开销，同时有利于异厂商O LT和O N U设备的互通。
仿真结果表明，该算法不仅保证多业务的不同Q oS要求，而且具有较高的带宽利用率。
关键词：PLO u I nd；A R模型；多业务；G PO N中图分类号：TN915文献标识码：A文章编号：1002-5561(2009)05-0014-04A novel GPON DBA scheme based ontraffic predicting integrated with status indicationHAN Dan,CHEN Xue(Key Laboratory of Optical Communication and Lightwave Technologies,Ministry ofEducation,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing100876,China)Abstract:In this paper,a novel GPON DBA scheme,named Traffic Predicting Integrated with Status Indica-tion,is proposed.In this scheme,Optical Line Terminal(OLT)determines ONU data cache's status by detect-ing upstream PLOu Ind field and further predicts ONU's traffic by AR model.The algorithm integrates the ad-vantages of status report and non-status report DBA,and it increases the predicting accuracy of ONU traffic with lower cost and has good interoperability between OLT and ONU made by different venders.The simula-tion results show that the algorithm has high bandwidth utilization and can guarantee multi-services'QoS re-quirements.Key words:PLOu Ind,AR model,multi-service,GPON0引言吉比特无源光网络（GPON）以其对多业务的支持、高带宽及强大的运行维护管理功能成为目前宽带接入网领域的热门研究技术之一。
动态带宽分配可充分利用带宽资源有效承载突发性很强的数据业务，提高资源利用率，减少传输中的时延，提高网络的吞吐量，并保证网络的性能和业务质量。
因此DBA是GPON系统中不可或缺的关键技术之一，也是业界的研究热点之一。
标准G.983.4[1]规定DBA策略分为：状态报告型和非状态报告型/预测型，两种策略各有优势。
状态报告型DBA策略可对ONU流量做较精确的分配，但开销较大；目前非状态报告型DBA策略多是基于网络业务流的自相似特性进行研究的，而实际业务流还包括匀速数据流、泊松数据流等情况，因此对业务流流量的预测存在偏差。
同时，不同厂家OLT/ONU设备之间的互通性很差。
基于上述原因，本文提出了一种结合状态报告型DBA策略和预测型DBA策略二者优势的算法。
1算法介绍本DBA算法将系统内所有的T-CONT分组，检测PLOu Ind字段指示T-CONT内的数据情况以判断缓存中数据的有无情况，然后OLT通过改进的AR模型预测分配各T-CONT带宽，在完成预测的基础上，综合考虑公平性和带宽利用率等要求利用带宽分配算法对预测值做修正后形成最终授权并下发。
基金项目：国家863计划（No.2007AA01Z243）资助；华为公司高校科技基金资助。
收稿日期：2009-01-20。
作者简介：韩丹(1983-)，女，硕士研究生主要研究方向为光通信网络。
韩丹，陈雪：结合状态指示和流量预测的GPON DBA 算法1.1分组分组是指以GPON 帧周期125μs 为时间单位[1,2]，将GPON 系统中的所有T-CONT 按照一定的规则分为若干组，在每125μs 内只处理一组内的T-CONT ，所以本算法的DBA 周期为(分组数×125)μs 。
采用分组机制可以节省开销，提高有效传输带宽。
GPON 的开销域包括PLOu 、PLOAM 、PLSu 和DBRu ，其中PLOu 和DBRu 发送频率很高，随着网络规模的增大，将导致开销的较大增长，浪费大量的带宽资源。
如表1所示，在ONU 数为128时，开销占用系统15%的带宽资源。
分组可以使开销减小，从而实现更高的有效传输带宽，提高带宽利用率。
同时，由于本算法不需要上传DBRu 域，故开销将进一步减少。
1.2流量预测模块算法的流量预测部分是本算法最具有特色的部分，负责预测各T-CONT 的流量值。
标准G.984.3[3]规定：PLOu Ind 域的状态指示DBA 报告由4比特组成，在ONU 的每个上行流中传输，每个比特对应不同的T-CONT 类型，如果X 类型T-CONT 对应的比特置1，则OLT 知道X 类型T-CONT 缓存中有等待数据。
在本算法中，OLT 可以通过检测相应的PLOu Ind 域字段的值，判断缓存中的数据情况，只对有带宽请求的ONU 作处理。
根据标准规定，在PLOu Ind 域中，“1”值表示该类T-CONT 中有数据，“0”值表示该类T-CONT 中没有数据。
设变量表示T-CONT 是否有请求，1表示有数据，0表示无数据。
由图2所示，所有目的状态为0状态的（即状态1到0和状态0到0）都不需要在当前0状态的DBA 周期内为该T-CONT 分配授权。
因此，预测模型主要负责对目的状态为1，即状态0到状态1和状态1到状态1这两种情形进行流量估计。
由于T-CONT 承载的分组业务具有自相似特性[4，5],因此必须建立符合自相似特性的数学预测模型，研究本领域模型的文章比较多[6,7,8]。
文献[6]研究表明：依据若干历史的流量样本值，基于最小二乘原理预测的AR 模型在较小的复杂度下，具备较高的精度。
流量预测模型的基础模型选定为AR 模型，但由于已有的模型只针对单个业务流预测，会出现预测值连0等情况，不适合直接应用在GPON 网络中，因此需要对AR 模型做改进。
在GPON 系统中使用AR ，非严格等间隔取样和最大带宽的限制这两个因素会造成AR 模型预测精度的下降。
非严格等间隔取样主要指OLT 先后两次服务同一T-CONT 的时间间隔是否相等，虽然分组可以使组间的T-CONT 不受影响，但同组内的T-CONT 仍然彼此受影响，同组内各T-CONT 的起始服务时刻在125μs 内的相对位置会有偏移；为实现实际运营所必需的带宽可控管理，G.984标准规定了T-CONT 的最大带宽，这样AR 模型用于计算预测的历史值会被最大带宽值截断。
本算法采用改进后的AR 模型[9]，即在AR 模型基础上增加了一项修正项以克服上述原因，对预测值作修正以部分消除上述不利因素的影响。
修正项由counter 和delta 两个参数组成。
counter 的作用是记录T-CONT 的下行预测授权与上行流量连续相等的次数。
其计算规则为：每轮在收到历史值时，将历史值与其对应的下行授权值判断，如果相等，则counter 自增加1运算；如小于，则counter 归0。
由于实际上行流量不可能大于下行预测授权，而相等表示此时实际数据表1PLOu 和DBRu 开销大小与GPON 系统ONU 数目关系对应表ONU 数/个开销/Mb/s 开销所占系统带宽比/%1623.55 1.893247.10 3.796494.217.57128188.4215.14图2缓存中有无数据的状态图图1算法基本流程图韩丹，陈雪：结合状态指示和流量预测的GPON DBA 算法量占满了发送窗口，因此counter 值越大，表明当前缓存中堆积的数据越多。
delta 为一常数，作为单位递增梯度值，控制修正值增加的速度。
同时还将对counter 作开根处理以使该补偿机制以一种增加速度递减的方式进行。
修正值（M ）与counter 和delta 之间的运算关系为：M =sqrt(counter)×delta(1)1.3带宽分配机制带宽分配模块根据兼顾带宽利用率和公平性的带宽分配机制，将从流量预测模块得到的预测值进行再调整，最终计算得到下行授权值。
本算法的带宽分配部分在符合标准[1]中规定的各业务带宽分配基础上，还将对非保证带宽进行先排序后分配，以及对剩余带宽将进行二次分配。
非保证带宽的先排序后分配在系统带宽出现争用时将快速有效地分配非保证带宽。
本方法的提出主要是为了能在各T-CONT 之间共享剩余带宽，主要针对T-CONT 3。
如果直接按各自保证带宽作为权值来分配非保证带宽，将有可能出现非保证带宽请求小的T-CONT 分配到的带宽多，有带宽被浪费；同时，非保证带宽请求大的T-CONT 分配到的带宽少，需求得不到满足的情况。
为解决这一问题，分配额外带宽的时候先满足保证带宽大且额外带宽请求小的T-CONT ，保证带宽大意味着按照保证带宽为比例可以为其分配的带宽大，而其额外带宽请求下（即不需要的带宽）可以让与那些额外带宽请求大的T-CONT3,这样只需轮循一遍T-CONT3就可完成额外带宽的分配，采用排序的方法，按照预测值与保证带宽从小到大排序，然后再按照保证带宽为比例进行额外带宽分配。
排序引入的复杂度约为O(N )。
剩余带宽的二次分配主要应用在所有T-CONT 的预测值之和小于系统可用带宽的情况。
本方法的采用可以有效地分配剩余带宽，提高带宽利用率，并且公平性也有一定的保证。
本算法只处理有保证带宽参数的T-CONT 类型以降低算法的复杂度。