揭秘造成PON辦公網(wǎng)絡(luò)“高時(shí)延”的三大因素

  每逢春節(jié)、國慶等重大節(jié)日，大家印象最深就是一個(gè)字“堵”，而2023年中秋國慶“雙節(jié)”期間，全國高速公路流量累計(jì)更是達(dá)到了4.83億輛次，日均6043萬輛次，更讓大家體驗(yàn)到了“絕望”的擁堵，數(shù)小時(shí)的車程延長到了數(shù)十小時(shí)，寶貴的時(shí)間都浪費(fèi)在路上，出行體驗(yàn)十分糟糕。

圖1 交通擁堵示意圖

  如果類似的狀況發(fā)生在辦公網(wǎng)絡(luò)上，又會(huì)是一種什么樣的體驗(yàn)?zāi)?視頻會(huì)議“馬賽克”、大包文件“反復(fù)傳”、遠(yuǎn)程協(xié)作“慢半拍”等種種網(wǎng)絡(luò)時(shí)延帶來的影響再次讓人 “崩潰”。

圖2 網(wǎng)絡(luò)擁堵示意圖

  影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的因素很多，比如傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，還有就是很容易被忽略的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。而目前在辦公網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，除了主流的以太網(wǎng)之外，還有PON(Passive Optical Network無源光網(wǎng)絡(luò))網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。今天我們一起來看一下這兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響的區(qū)別。

  網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般可以分為傳播時(shí)延、處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延以及發(fā)送時(shí)延等。

  所謂傳播時(shí)延，是指光(電磁波)在信道中(例如光纖)傳播一定的距離需要花費(fèi)的時(shí)間，考慮到介質(zhì)的折射率以及全反射會(huì)使實(shí)際路徑變長，因此在光纖中的速度低于光速，其傳輸速度約為2*10^5km/s，也就是大約 5us/km。傳播時(shí)延主要跟傳播距離強(qiáng)相關(guān)，不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)區(qū)別不大。

  除了傳播時(shí)延，還會(huì)有處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延以及發(fā)送時(shí)延，這幾種時(shí)延受網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、組網(wǎng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等因素影響較大。

  以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制比較簡單，只需要基于幀的網(wǎng)絡(luò)交換處理，從接入到匯聚，匯聚到核心都是獨(dú)享帶寬，這就好比是獨(dú)立劃分車道的高速路，時(shí)延比較穩(wěn)定。另外，以太網(wǎng)交換機(jī)采用企業(yè)級專用芯片直接轉(zhuǎn)發(fā)，每次轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延幾乎都小于5us，在普通辦公網(wǎng)絡(luò)三層組網(wǎng)架構(gòu)中，引入的時(shí)延影響很小，可忽略不計(jì)。

  而PON網(wǎng)絡(luò)還需要進(jìn)行TDMA(Time Division Multiple Access)時(shí)分復(fù)用、以及DBA(Dynamic Bandwidth Assignment動(dòng)態(tài)帶寬分配)調(diào)度交互、ONU上線開窗預(yù)留等處理過程，因此會(huì)額外引入一定程度的時(shí)延，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)較大，達(dá)不到確定性us級，這也是PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)前無法作為5G回傳網(wǎng)絡(luò)方案的主要原因之一。

  造成PON辦公網(wǎng)絡(luò)“高時(shí)延”的三大因素：

  1、TDMA時(shí)分復(fù)用

  在PON網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)OLT(Optical Line Termination 光線路終端)的PON口下會(huì)連接多臺ONU(Optical Network Unit光網(wǎng)絡(luò)單元)設(shè)備，上行數(shù)據(jù)采用TDMA共享信道方式傳輸，由OLT統(tǒng)一給一個(gè)PON口下的所有ONU統(tǒng)一分配發(fā)光時(shí)隙，也就是說在每個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)ONU可以發(fā)光傳輸上行數(shù)據(jù)，其他的ONU要排隊(duì)。這就好比本來是多個(gè)車道，到OLT那里需要合并成一個(gè)車道，體驗(yàn)過高速堵車人都會(huì)知道是多么崩潰。

圖3 PON網(wǎng)絡(luò)上行TDMA示意圖

  由于上行的TDMA機(jī)制，ONU只能在屬于自己的時(shí)隙范圍內(nèi)發(fā)送上行數(shù)據(jù)，這個(gè)過程中會(huì)引入一定程度的時(shí)延，時(shí)隙排在后面的ONU只能等待一段時(shí)間才能發(fā)送數(shù)據(jù)，這段時(shí)間的數(shù)據(jù)包保存在ONU的緩存中。GPON(Gigabit Passive Optical Network吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò))的上行幀長固定為125us，因此上行的TDMA機(jī)制會(huì)引入125us的時(shí)延。

  2、DBA調(diào)度交互

  在GPON系統(tǒng)中，一個(gè)PON口會(huì)下掛多個(gè)ONU，每個(gè)ONU需要嚴(yán)格按照TDMA的時(shí)刻要求發(fā)送上行數(shù)據(jù)，以保證不會(huì)出現(xiàn)發(fā)送沖突，這個(gè)時(shí)隙管理和分配的過程由OLT完成，由于各個(gè)ONU的業(yè)務(wù)和流量處于不斷變化的狀態(tài)，存在較大差異，采用平均分配時(shí)隙的方式不合適，為了提升帶寬利用率，標(biāo)準(zhǔn)定義了用于管理上行PON流量的DBA動(dòng)態(tài)帶寬分配協(xié)議。

  OLT內(nèi)部DBA模塊不斷收集ONU上報(bào)的DBRu報(bào)告，進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果以BW Map的形式下發(fā)給各ONU。各ONU根據(jù)BW Map信息在各自的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送上行數(shù)據(jù)，占用上行帶寬。這樣就能保證每個(gè)ONU可以根據(jù)實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)調(diào)整上行帶寬，提升了上行帶寬的利用率。但也正因?yàn)檫@個(gè)交互的機(jī)制，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)劣化。

  3、ONU上線開窗預(yù)留

  在PON網(wǎng)絡(luò)中，OLT需每過一段時(shí)間(0-10s)需要探測有無新ONU上線，這個(gè)時(shí)候OLT會(huì)讓所有的ONU停止發(fā)送上行數(shù)據(jù)，等新的ONU上線注冊完成以后，ONU才能再開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種感覺就好比坐公交車，每走一段路就要停下來等一會(huì)兒。

圖4 PON網(wǎng)絡(luò)預(yù)留給ONU上線的開窗時(shí)間

  由于典型PON系統(tǒng)允許的ONU距離需要覆蓋0~20km，在光纖上傳輸?shù)耐禃r(shí)延差達(dá)到200us，再加上開窗時(shí)ONU的隨機(jī)時(shí)延48us以及ONU響應(yīng)時(shí)間2us，因此PON網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)ONU上線的開窗時(shí)間預(yù)留了250us，這個(gè)過程會(huì)額外引入250us的時(shí)延抖動(dòng)。

  寫在最后

  網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的計(jì)算遠(yuǎn)不止于數(shù)算鏈路的數(shù)量那般簡單。事實(shí)上，它要求我們綜合考慮多種因素，其中包括傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。這些元素共同作用，決定了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延。因此，在評估和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)，我們也需要全面考慮這些關(guān)鍵因素，以確保網(wǎng)絡(luò)的高效和穩(wěn)定運(yùn)行。