CN102113252A - 用于无源光网络的上行效率改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在利用时分多址方案共享媒体的网络中传输数据的方法，其中网络单元从子网络接收数据分组，在缓冲器中存储数据分组直到时隙到达，并且在该时隙期间在上行方向通过所共享的媒体发送数据分组，其中数据分组中的每一个均包括有效载荷和头部，所述头部包括源地址和目的地址。在缓冲器中存储所述数据分组进一步包括步骤：确定接收的数据分组的源地址和目的地址对；确定是否已经存在具有包括源和目的地址对的复合帧头部的复合帧；如果是否定的，对于所述源和目的地址对创建复合帧；将所述分组的有效载荷聚合至所述复合帧的复合帧有效载荷。

Description

用于无源光网络的上行效率改善方法

技术领域

在此描述的本发明应用于电信领域，尤其是无源光网络(PON)领域。本发明的优选实施例应用于上述领域的两个主要技术：

如在IEEE 802.3ah中详细说明的1Gbit/s以太网PON(EPON)(以及直到将在IEEE 802.3av中标准化的下一代10Gbit/s EPON)。

如在G984ITU建议中所详细说明的以1.25和2.5Gbit/s操作的吉比特PON(GPON(Gigabit capable PON))(以及可能直到下一代更高速率GPON实施)。

但是应当理解的是，本发明可应用于所有基于分组的网络，其中媒体以时分复用方案在多个用户或者网络单元之间共享。

背景技术

本发明目的在于改善有用用户数据(通常称为“有效载荷”)与在共享通信媒体上传输的全部数据之间的比率。理想地，在所述媒体上传输的所有数据将是有效载荷，但是，管理数据传输所需要的数据、例如源和目的地地址、数据类型、数据长度以及其他协议相关数据必须与有效载荷一起传输。该附加数据也被称为“开销”。因为信道带宽是固定的，通常期望的是最大化有效载荷和全部数据(有效载荷加开销)之间的比率，这意味着应尽可能地降低所述开销。

如上所指出的，本发明优选应用于PON，其中位于用户驻地的多个光网络单元(ONU)与位于中心局(CO)的单个光线路终端(OLT)通信。这种PON通常使用无源树和分支(tree-and-branch)或总线拓扑来部署，这意味着物理媒体、即光纤由ONU共享。在下行方向，OLT以点到多点方案广播以太网帧(这里也称为“分组”)。以太网帧由ONU提取，所述ONU由在帧内传输的逻辑链路标识符(LLID)标识，所述ONU然后将帧转发到终端用户，所述终端用户由分配给所述终端用户的网络终端的帧目的地媒体接入控制(MAC)地址标识。在上行方向，ONU必须为接入竞争(在多点到点体制中)，所述接入通常由动态带宽分配(DBA)算法来管理，其根据源自所述ONU的当前网络负荷动态地向所述ONU分配时隙(TS)。

尽管是很少可定标的并且没有灵活性，固定时隙分配(FSA)方案还是能够被应用于分布上行接入，迫使每个ONU等待其所分配的时隙，以便然后同时传输从连接至所述每个ONU的终端用户到达的帧。所述时隙周期地被分组，以便每个ONU都可能在降低的等待时间的情况下传输分组。

为了能够实现对上行信道的带宽管理控制，在EPON标准中详细说明了多点控制协议(MPCP)。这个协议具有几个重要任务，例如ONU同步和监控，以及DBA信息交换。为了授予上行TS，OLT应该知道当前的ONU载荷。该任务是由报告机制来实现的，其中每个ONU通过发送指示其缓冲器的当前状态的MPCP报告消息通知所述OLT。在接收到报告时，OLT通过发送MPCP门消息(Gate message)为ONU授予TS，所述MPCP门消息包括TS开始时间以及持续时间。通过采用这个调度方案，每个ONU由OLT轮询以被允许在上行信道中传输。由于报告/门消息交换可能花一些有用的传输时间，所以通常应用交织轮询方法。

一旦上行TS被授予，在OLT和给定的ONU之间建立虚拟点到点连接。这意味着在TS持续时间期间，所有到达所述OLT的帧由相同的ONU来传输。因为在每个周期中每个ONU只被给予TS一次，所以在每两个周期之间存在等待时间，在逻辑和上方受周期尺寸的限制。这种突发模式传输意味着所述帧必须被保持在ONU缓冲器中直到下一TS开始时间被到达以开始所述上行传输。

在无源光网络领域中最突出的标准是EPON和GPON：

以太网PON(EPON)

由EPON传送的数据被封装进1Gbit/s以太网标准帧，如在图1a)中描述的以及在在图1b)更详细地描述的，其在上行和下行EPON两个方向上被传输。为了执行连接到OLT的每个ONU的媒体接入控制(MAC)，LLID在注册阶段期间被分配给每个物理(或者逻辑)实体，并且被添加至每个单独的以太网帧的前同步码。在图2中描述了用于1G和10G线比特率的每以太网帧总开销。

在EPON中传输的以太网帧头部的总数量给系统引入无效性。当前，因为以太网帧有效载荷(其中客户端数据被传输)在下方和上方(inferiorly and superiorly)分别被限制到尺寸46和1500字节，这种无效性典型地可以达到信道容量的9％。网络能够支持的用户数据的总数量在所能支持的客户(ONU)的数目方面有显著的影响。因此，这种无效性被降低得越多，网络在经济上就会变得越具有吸引力，因为可以通过单个PON向更多ONU并从而向更多客户提供网络服务。

吉比特PON(GPON)

不同于EPON，GPON不通过光学媒体传输标准以太网帧。来自非光学接口端口的数据(通常以太网帧)在被发送至所述网络的无源部分之前被封装进GPON封装方法(GEM)帧。以太网帧从前同步码被剥离并在无帧间间隙(IFG(Inter frame Gap))的情况下被发送。该过程降低了由以太网头部引起的开销中的一些，因为前述的封装用5字节的GEM头部(参见图1c))替换共20个字节(12字节+8字节)。

在任何GPON的实施中，所有上述EPON DBA机制都遭遇其等效情况：所述报告在上行信道中被发送，差别在于在每个突发传输(在动态带宽报告上行(DBRu)消息中)之前被发送，并且GATE包括在每个下行p帧的头部中。逻辑标识符也在这样的网络上被发现，起与他们在EPON中起的作用正好相同用途的作用。这种突发和等待(burst-and-wait)特征也呈现在GPON中。

在GPON行话中，ONU典型地被称为光网络终端(ONT)，不过，在本文的剩余部分，由于本发明应用于两种类型的系统，除非有相反的说明，术语ONU将被用于无差别地指代两个光学设备。

发明内容

本发明包括以下见识，即可利用在PON中典型的等待和突发特征，以便很大地降低影响所述EPON上行信道的无效性。本发明也依赖于多个所接收的分组的头部信息被重复这一事实。通过在数据单元的内容内一定程度的相似性来提高可选有效载荷压缩的效率，该一定程度的相似性由于来自相同通信流的分组序列的相关性而可以被预期。

附图说明

现在，本发明将参考一组图加以说明，其中：

图1示出不同的以太网帧格式；

图2示出概括了由以太网头部引入的开销的图表；

图3示出根据本发明的复合EPON帧的实施例；

图4示出根据本发明的复合GPON帧的实施例；

图5是在ONU中执行的聚合过程的流程图；和

图6是由OLT执行的解复用过程的流程图。

具体实施方式

本发明的一个重要思想是通过减少由所述以太网头部强加的开销来改善PON的上行信道的效率，同时利用以下事实的优点，即到达给定ONU的帧以队列被存储(以及延迟)等待其时隙到达。根据本发明，不是存储全部帧，而是将属于给定通信流(相同的源和目的MAC地址以及相同的LLID)的所有有效载荷聚集并且构造更大的帧，该更大的帧利用单个MAC头部和全局帧检验序列(FCS)被传输。于是OLT将接收这些聚合的帧(复合帧)并且在转发它们之前将它们解复用为普通的以太网帧。

本发明的另一个重要方面是帧格式，其将携带由源/目的地址对所标识的给定通信流的帧。所建议的帧格式(在图3和4中描述了适用于EPON和GPON标准的其实施例)允许在降低由关于源和目的地址、前同步码以及IFG的信息的重复所引起的开销时聚合以太网帧。因此，所涉及的格式(这里表示为复合以太网帧或者仅仅由复合帧表示)定义了非标准数据结构，该非标准数据结构由携带传统以太网帧有效载荷的块分隔，并且由字段分开，所述字段允许所述结构尽可能地是动态的(它可以聚合可变数目的可变长度以太网帧，对于EPON总尺寸达到9KB，对于GPON达到4KB)。请注意的是，9KB是以太网巨型帧的最普通的最大值，而就GPON来说，4KB是最大GEM尺寸。但是，像这样的复合帧的概念并不限于特定尺寸。前面所提到的关于复合帧的最大尺寸的限制是由EPON和GPON所强加的。因此，在允许更大的帧的传输系统上可以构造更大的复合帧。

如在图3和4中可看出的，所述复合以太网帧类似于其相对EPON和GPON帧，只有这个包括一些新的字段，如块尺寸(SB)、以及总长度(TL)或者帧总数(TNF)字段，SB指示复合帧中的下一数据块的尺寸，TL指示所述复合帧的总长度(以字节形式)，和TNF指示复合帧内的聚合的帧的数目。通常，将使用TL和TNF中的仅一个。位于帧的末尾的FCS携带针对整个数据结构所计算的32比特长的CRC码。这种可选的FCS允许为传输误差对所传输的数据快速检验。当然，其他的校验和、散列(hash)或者相关方法也可以应用于该目的。但是，在优选实施例中采用CRC32码，因为它在9KB长的消息中足以处理大部分的误差，而只占用数据的4个字节。

本发明的第二个方面涉及聚合以及解复用过程。所述聚合过程通常由ONU执行，而解复用过程由OLT执行。当然，聚合过程可以有利地应用于在等待TS时收集数据分组的其他网络元件，在所述TS期间所搜集的数据分组将被转发。在聚合过程中，通过隔离第一以太网帧头部并且通过从其FCS和寻址字段剥离所有后面部分(参见图3和4)，设备标识属于相同流的两个或多个帧并且构造(或者添加帧到)所述复合帧。每当新的帧对ONU是可用的(步骤110)，它首先检验是否已经存在针对特定源/目的对(和在EPON情况下LLID)的复合帧(步骤120)。如果没有，针对特定源/目的对的新的复合帧将被创建(步骤150)。

如果直到所述TS到达为止仍未对于相同的特定源/目的对检测到第二到来的帧，则可以发送未改变的单个帧而不是仅包括所述单个聚合帧的复合帧。因为在这种情况下，标准帧和复合帧两者都在相同的通信链路上被发送，这对提供用以声明所接收的帧属于何种类型的帧的类型指示符是有用的。由于兼容性原因，优选不标记标准帧并且仅仅添加类型指示符到所述复合帧。可以使用在标准帧中未使用的帧前同步码中的项，或者“不可思议的(magic)”、即在正常数据流中极度不可能发生的特定预定数目，能够被前置(prepend)(前缀(prefix))于聚合的块。按这种方式，有可能选择性地将帧的聚合/解复用应用于具有相对低优先级的帧。这是有利的，因为按这种方式，高优先级数据(例如属于实时服务(例如，VoIP)的数据)不会被对于聚合以及解复用会需要的附加处理所延迟。

如果存在对所述复合帧的尺寸限制，则所述过程还会检验新接收的块的添加是否超出最大值(步骤130)。如果不是这种情况，只要对于TS中充分空间的检验是肯定的(步骤160)，则包括新以太网帧有效载荷加上类型/长度以及块尺寸字段的块可被添加至所述复合帧(步骤171和172)；否则在步骤190结束TS的填充。当所述帧被添加至所述复合帧时，全局FCS值(如果存在的话)也将被更新并且总长度字段被增加(步骤173)。

如果在步骤130中添加帧到所述复合帧超出最大值，则FCS字段被附加到所述复合帧(步骤140)并且新的复合帧被创建，其中新的帧可以被添加至所述新的复合帧(步骤150)。如果存在FCS，其现在被添加至所述复合帧的结尾。

在所述帧聚合之后，检验TS是否全满(步骤180)。如果情况如此，所述过程在步骤190结束。如果不是，所述过程通过转移回步骤110继续，其中从等待队列中选择新的帧。

该算法的实施例在图5中简要表示出来。

必须记住的是，在EPON的情况下，逻辑寻址方案(由LLID支持)应通过保证在也对其考虑的情况下进行所述聚合来执行(特别是在步骤120)。换句话说，给定的复合帧应只携带单独的帧，所述单独的帧附加于共享相同的源/目的MAC地址的事实也共享相同的原始LLID。在LLID被排他地分配给每个ONU的EPON实施中，聚合将在每个ONU的基础上进行，而在LLID被分配给单独的队列或者用户的实施中，聚合将在每个队列或者每个用户的基础上进行。

一旦所述复合帧在OLT侧被接收，解复用算法必须被应用以便重新获得单独的系统兼容帧。这个过程基本上是前面所描述的过程的逆：首先，所述复合帧的FCS必须在步骤210中被检验(如果存在的话)；如果有效的话，可以读取MAC目的地址(DA)以及源地址(SA)，并存储在存储器中，并且可以进一步处理所述帧(步骤220)。否则丢弃所述帧(步骤215)，所述TS结束(步骤310)。该过程获得所述复合帧有效载荷中的全部块并将IFG加上前同步码(在EPON的情况下)或者在GPON情况下GEM头部附加于所述块，以及为每个新重建的帧计算FCS并且将其添加至数据单元的末尾。在图6中示出了所述解复用算法的优选实施例的流程图。更详细地，在步骤230，确定所述复合帧的总长度或者在所述复合帧内的帧的总数目，其然后被用于步骤240、250、260、270、280和290的循环。在确定了所述复合帧的总长度/总数目之后，确定要处理的下一数据块的尺寸(步骤240)。确定所述数据块的开始(步骤250)，并且将有效载荷加上长度/类型字段提取出来并附加到为DA和SA的特定对所生成的标准以太网头部(步骤260)。为新生成的以太网帧计算FCS字段并附加至所述新生成的以太网帧(步骤270)。现有帧从而被完成并且可以被传递到其目的。在步骤280为另外的帧检验复合帧，这可以通过参考复合帧的总长度或者总数目字段来容易地实现。如果在复合帧内有另外的帧，则使所述总长度/总数目值分别减少刚刚重建的帧的尺寸或者减少1(步骤290)，并且所述过程转移回步骤230，其中复合帧内的下一帧将被处理。如果在所述复合帧内没有另外的帧，则所述过程继续下一复合帧直到在步骤300中确定已经到达了TS的末尾。

仍然记得在等待TS时ONU经历的空闲时间，以及可能的最大数据优化的意图，本发明的另一实施例包括ONU处的压缩算法和OLT中的解压缩算法的应用。这种机制应在所述聚合完成之后应用于复合帧，利用所获得的帧的增加的尺寸来达到更高的压缩率。如本领域技术人员已知的，有一些可用的高性能压缩/解压缩算法，其以迭代方式操作，对于快速网络实施是理想的。因为存在对准相同DA以及来自相同SA的帧序列属于单个通信的一定的概率，所以存在单独的帧中所包括的数据共享某些特性的增加的可能性，所述特性可以被压缩算法使用。因此，相比于将相同的压缩算法单独地应用于每个帧，或者应用于如果到达顺序维持不变作为整体在两个TS之间到达ONU的所有数据，将压缩算法应用于复合帧很可能产生更高的压缩率。在本发明的优选实施例中，“块尺寸”以及“长度类型”指示符存储在复合帧内的序列中，使得所述复合帧的剩余部分将只包括从具有相同源/目的地址的分组序列中提取的有效载荷数据的邻近块。以这种方式，可以甚至更多地增加压缩率，因为分组尺寸和长度类型指示符具有高概率，该高概率对于单个通信流是相同的。另外，复合帧有效载荷的大部分仅包括通常导致更好压缩率的从分组流中搜集的有效载荷，因为在所述复合帧有效载荷中的大部分中只有相同类型的数据。

现实网络情景的仿真表明，在EPON中的通信开销可以从平均9％被降低到仅1％。换句话说，有效最大传输带宽从信道容量的91％提高至99％。因此，本发明使得先前向50个ONU提供数据服务的EPON现在能够容纳54个ONU。如果应用压缩，总改善可以达到25％。

本发明提供以下优点：

1、通过应用本发明，在无实际地改变网络的有源设备的光学部分的物理要求的情况下，在PON系统的上行信道中实质上达到更高的比特率。但是，这个实质上的更高的比特率在OLT的MAC层“变成现实”，所述OLT的MAC层必须能够在连接至网关的端口中输送更高的比特率以便与本解决方案相兼容。在仅使用聚合时，带宽效率改善在1G和10G EPON网络两者中都从4％变化为8％。可以通过使用压缩获取更高的增益。

2、因为该技术应用于每个TS基础，所以有可能与传统的ONU(使用标准以太网帧)和效率改进的ONU(使用在此介绍的复合成帧方法)两者一起操作相同的PON。如果OLT支持两种成帧方法，则该OLT可以检测能够执行效率改进方法的ONU，并且建立相应的上行操作模式。因此，如果ONU-OLT连接性良好地被建立和配置，则一些ONU可以以其传统的格式传输帧，而其他的可以采用改进的方法。因此，本发明体现完美的向后兼容系统。

3、所提出的以太网帧再封装方法对所有PON用户(运营商和终端用户两者)都是透明的。这意味着只需要网络端点(ONU和OLT)设备的修改，而可以保持连接到所述ONU的子网络保持不变。

4、本发明的性能随着通信业务载荷(即每时间单元帧数)增加而增加。载荷越高，压缩和聚合率越高。

缩写词列表

CRC循环冗余校验

DA目的地址

DBA动态带宽算法

EPON以太网无源光网络

FCS帧检验序列

FSA固定时隙分配

GEM GPON封装方法

GPON吉比特无源光网络

IFG帧间间隙

LLID逻辑链路标识符

MAC媒体接入控制

OLT光线路终端

ONU光网络单元

ONT光网络终端

SA源地址

SB块尺寸

SLD LLID分隔符起始

TDMA时分多址

TL总长度

TNF帧的总数目

TS时隙

Claims (16)

1.一种在利用时分多址方案共享媒体的网络中传输数据的方法，其中网络单元从子网络接收数据分组，在缓冲器中存储所述数据分组直到时隙到达并且在该时隙期间在上行方向通过所共享的媒体发送所述数据分组，其中数据分组中的每一个均包括有效载荷和头部，所述头部包括源地址和目的地址，其特征在于，在缓冲器中存储所述数据分组进一步包括步骤：

确定所接收的分组的源地址和目的地址对；

确定是否已经存在具有包括所述源和目的地址对的复合帧头部的复合帧；

如果是否定的，对于所述源和目的地址对创建复合帧；以及

将分组的有效载荷聚合至所述复合帧的复合帧有效载荷。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在将分组的有效载荷聚合至复合帧有效载荷的步骤之前，利用包括关于分组的有效载荷的尺寸的信息的尺寸指示符前置所述分组的有效载荷。

3.如权利要求1或2之一所述的方法，进一步包括步骤：检验对于复合帧可允许的最大尺寸，其中如果所述复合帧加上分组的有效载荷不超过所述最大尺寸，则所述分组的有效载荷仅被聚合至所述复合帧有效载荷。

4.如前述权利要求之一所述的方法，进一步包括步骤：检验时隙的剩余传输时间对于传输所述复合帧加上所述分组的有效载荷是否足够长，其中如果所述时隙对于传输所述复合帧加上所述分组的有效载荷是足够长的，则所述分组的有效载荷仅被聚合至所述复合帧有效载荷。

5.如前述权利要求之一所述的方法，进一步包括步骤：计算所述复合帧的帧检验序列(FCS)和将FCS添加到所述复合帧。

6.如前述权利要求之一所述的方法，进一步包括步骤：压缩所述复合帧有效载荷。

7.如前述权利要求之一所述的方法，进一步包括步骤：将类型指示符添加到复合帧头部。

8.如权利要求6和7所述的方法，其中压缩所述复合帧有效载荷的步骤只对于携带具有低于预定优先级的优先级的数据的复合帧执行。

9.一种包括适于执行前述权利要求之一所述方法的装置的网络单元。

10.如权利要求9所述的网络单元，其是光网络单元。

11.一种在利用时分多址方案共享媒体的网络中传输数据的方法，其特征在于，网络单元通过所共享的媒体接收复合帧，复合帧中的每一个均包括复合帧有效载荷和复合帧头部，所述头部包括源地址和目的地址，所述方法进一步包括步骤：

确定包含在所述复合帧头部内的源地址和目的地址对；

确定包含在所述复合帧有效载荷中的第一数据块的长度；

从所述复合帧有效载荷中提取所述第一数据块；

构造第一分组，其具有包括所述源地址和目的地址对的第一分组头部和包括所述第一数据块的有效载荷；

转发所述第一分组；

对于包含在所述复合帧有效载荷中的第二数据块和第二分组，重复步骤：确定长度，提取块，构造分组以及转发分组。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括步骤：对于所述分组计算分组FCS并且在转发所述分组之前将所述FCS添加到所述分组。

13.如权利要求11和12之一所述的方法，进一步包括步骤：在确定所述源地址和目的地址对之前，检验复合帧FCS，其中仅在发现所述复合帧FCS有效时，才执行剩余的步骤。

14.如权利要求11到13之一所述的方法，进一步包括步骤：在提取所述第一数据块之前，解压缩所述复合帧有效载荷。

15.一种包括适于执行权利要求11到14之一所述的方法的装置的网络单元。

16.如权利要求15所述的网络单元，其是光线路终端。

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