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    揭秘造成企業(yè)辦公PON網(wǎng)絡(luò)“高時延”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)小時的車程延長到了數(shù)十小時,寶貴的時間都浪費(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,又會是一種什么樣的體驗(yàn)?zāi)??視頻會議“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)時延影響的區(qū)別。

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

    所謂傳播時延,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)的時間,考慮到介質(zhì)的折射率以及全反射會使實(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。

    除了傳播時延,還會有處理時延、排隊(duì)時延以及發(fā)送時延,這幾種時延受網(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)時分復(fù)用、以及DBA(Dynamic Bandwidth Assignment動態(tài)帶寬分配)調(diào)度交互、ONU上線開窗預(yù)留等處理過程,因此會額外引入一定程度的時延,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延抖動較大,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。

    造成企業(yè)辦公PON網(wǎng)絡(luò)“高時延”的三大因素:

    1、TDMA時分復(fù)用

    在PON網(wǎng)絡(luò)中,一個OLT(Optical Line Termination 光線路終端)的PON口下會連接多臺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PON口下的所有ONU統(tǒng)一分配發(fā)光時隙,也就是說在每個時刻,只有一個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車道,到OLT那里需要合并成一個車道,體驗(yàn)過高速堵車人都會知道是多么崩潰。

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    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隙范圍內(nèi)發(fā)送上行數(shù)據(jù),這個過程中會引入一定程度的時延,時隙排在后面的ONU只能等待一段時間才能發(fā)送數(shù)據(jù),這段時間的數(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)制會引入125us的時延。

    2、DBA調(diào)度交互

    在GPON系統(tǒng)中,一個PON口會下掛多個ONU,每個ONU需要嚴(yán)格按照TDMA的時刻要求發(fā)送上行數(shù)據(jù),以保證不會出現(xiàn)發(fā)送沖突,這個時隙管理和分配的過程由OLT完成,由于各個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ONU可以根據(jù)實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)流量動態(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@個交互的機(jī)制,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延和抖動劣化。

    3、ONU上線開窗預(yù)留

    在PON網(wǎng)絡(luò)中,OLT需每過一段時間(0-10s)需要探測有無新ONU上線,這個時候OLT會讓所有的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兒。

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

    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延差達(dá)到200us,再加上開窗時ONU的隨機(jī)時延48us以及ONU響應(yīng)時間2us,因此PON網(wǎng)絡(luò)中自動發(fā)現(xiàn)ONU上線的開窗時間預(yù)留了250us,這個過程會額外引入250us的時延抖動。

    寫在最后

    網(wǎng)絡(luò)時延的計(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)中的傳輸時延。因此,在評估和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能時,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。

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    2023-12-14
    揭秘造成企業(yè)辦公PON網(wǎng)絡(luò)“高時延”的三大因素
    網(wǎng)絡(luò)時延的計(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。

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