基于效用的EPON VoD QoS組播實現(xiàn)機制研究(

1、基于效用的EPON VoD QoS組播實現(xiàn)機制研究* Supported by the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant No. 2001AA122021 (國家高技術研究發(fā)展計劃(863),the earmarked fund for Modern Agro-industry Technology Research System(KKFR09001531) (現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金);Open Research Fund of National Mobile Communica

2、tions Research Laboratory, Southeast University(W200816) (東南大學移動通信國家重點實驗室開放基金資助項目).作者簡介: 張晉豫,男,1967年生,副教授,主要研究領域為寬帶網絡技術,網絡管理;劉犁,女,1982年生,博士生,主要研究領域為網絡協(xié)議,網絡管理;楊維,男,1964年生,博士,教授,主要研究領域為無線網絡技術.張晉豫1, 劉犁2, 楊維1,31(北京交通大學 計算機學院, 北京 100044)2(新澤西理工 計算機學院, 內瓦克 07102)3(東南大學 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096)摘 要:服務質量無法保

3、證和低效益是IP網絡上開展VoD業(yè)務面臨的主要問題?；诮M播業(yè)務的網絡優(yōu)先級、用戶群的SLA優(yōu)先級和經濟優(yōu)先級，提出了一個基于效用的EPON VoD組播QoS優(yōu)先級（效用優(yōu)先級）算法。在網絡擁塞的時候，基于該效用優(yōu)先級來動態(tài)調整組播組的資源分配，不但節(jié)省了帶寬需求和降低包丟失率，而且可通過將網絡資源匯聚到高價值的業(yè)務上，提高帶寬的效益。通過對變長和無序EPON Ethernet下行幀進行基于效用的定長和有序列改進，可減少VoD業(yè)務流的包時延抖動。仿真實驗結果很好驗證了本機制的優(yōu)點。關鍵詞:以太無源光網絡; 視頻點播; 服務質量;組播中圖法分類號:TN915文獻標識碼: AResearch on

4、 the Implement Mechanism of EPON VoD QoS Multicast based on UtilityZHANG Jin-Yu1, Liu Li2, YANG Wei1,31(School of Computer and Information Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)2(Computer department, New Jersey Institute of Technology University, Newark, N.J. 07102, USA)3(National

5、Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 210096)Abstract:Non-guaranteed QoS and low benefit are essential problems when VoD runs in IP network. Based on network priority, mass SLA priority, as well as economic priority of multicast service of VoD in EPON, a QoS priori

6、ty utility algorithm (utility priority) is introduced for multicast. When congestion is occurring, the network resources are re-allocated among multicast group according to their utility priority. This measure can not only reduce bandwidth requirement and packet loss, but also can increase bandwidth

7、s benefit by converging them on the higher value services. By turning disorderly and variable-length Ethernet frame into orderly and constant-length one, the delay jitter of VoD packet is reduced. The result of simulation well verifies its merits.Key words:EPON;VoD;QOS;Multicast1 引言VoD（Video on Dema

8、nd）業(yè)務需要占用大量的網絡帶寬且具有嚴格的QoS（Quality of Service）要求，具有個性和群體性雙重屬性，適合使用組播傳輸。EPON1,2（Ethernet Passive Optical Network）能夠提供1個Gb/s（未來可以達到2.5 Gb/s和 10Gb/s）的上下行帶寬，其P2MP（Point-to-Multiple Point）的無源樹形拓撲非常適合于廣播和組播業(yè)務的開展；采用與IP（Internet Protocol）兼容的以太幀結構，可以和廣域網無縫連接；采用集中的下行以太廣播和上行TDMA（Time Division Multiple Address）M

9、AC（Media Access Control）協(xié)議，中間不需要路由，可保證較小的包傳輸時延3。EPON的這些優(yōu)點為VoD業(yè)務的開展提供了便利，但也顯示存在一些缺點4,5：1）由于所有的ONU（Optical Network Unit）共享物理媒質，當分路比較高時，帶寬提供能力有限；2）當網絡接入率和多媒體成份增加時，網絡擁塞和包丟失率顯著增加；3）由于采用變長的下行以太幀（64-1518Byte）和無序的幀結構，在突發(fā)的業(yè)務量環(huán)境，具有較大的時延抖動；4）支持的優(yōu)先級機制，如DiffServ（Differentiated Service）和802.1Q等，容易產生所謂的“低效益”問題，即大量

10、低價值的業(yè)務流占據(jù)大量的帶寬6-9。VoD是增值業(yè)務，除了要強調業(yè)務的網絡優(yōu)先級保證外，還要兼顧用戶的SLA（Service Level Agreement）和業(yè)務的經濟優(yōu)先級保證。文獻10,11提出了基于拍賣的網絡資源調度機制，文獻12,13提出基于網絡、政策和市場屬性的網絡業(yè)務定價機制，文獻14,15提出了基于用戶的SLA的EPON的QoS實現(xiàn)機制，但目前還沒有發(fā)現(xiàn)關于組播組群體SLA優(yōu)先級定義以及基于它的QoS實現(xiàn)機制的研究成果。基于組播用戶的SLA優(yōu)先級、組播業(yè)務的網絡優(yōu)先級和經濟優(yōu)先級，借鑒經濟理論，本文提出了一個基于效用的VoD組播業(yè)務QoS優(yōu)先級（效用優(yōu)先級）算法，在擁塞時，源調

11、度模塊基于效用優(yōu)先級動態(tài)調整編碼壓縮率和進行基于效用的資源調度，不但節(jié)省了網絡帶寬需求，減少了網絡擁塞和丟包率，提高了VoD組播業(yè)務的QoS保證能力，而且通過將帶寬匯聚到高價值的組播業(yè)務上，提高了網絡資源的運營效益，解決了“低效益”問題。對EPON變長和無序的下行以太幀進行了有序和定長的改進：1）采用定長以太下行幀；2）在一個下行幀中，從前到后按照組播業(yè)務的效用優(yōu)先級降序排列組播業(yè)務包，Internet排在組播業(yè)務的后面，仍然采用無序和變長的結構；3）不同幀中，同組播業(yè)務的數(shù)據(jù)包的大小保持相同。通過這些改進，在突發(fā)Ethernet業(yè)務流環(huán)境下降低了包的時延抖動，解決了EPON MAC機制固有的

12、時延抖動過大問題。本文剩下的部分組織如下：第二部分論述基于效用的EPON VoD組播QoS實現(xiàn)機制；第三部分介紹仿真實驗和討論；最后給出我們的結論。2 基于效用的EPON VoD QoS組播實現(xiàn)機制本文提出了一個基于效用的EPON VoD QoS組播實現(xiàn)機制，如圖1：圖1 基于效用的EPON VoD QoS組播實現(xiàn)構架本機制分為四個模塊：1）動態(tài)組播業(yè)務應用定義；2）基于效用的業(yè)務類定義；3）低丟包率動態(tài)資源調度；4）低時延抖動執(zhí)行結構。2.1 動態(tài)組播業(yè)務應用定義EPON中的數(shù)據(jù)設備屬于第二層，數(shù)據(jù)傳輸不通過路由器。二層組播協(xié)議有GMRP（Group Multicast Registrati

13、on Protocol）和IGMP（Internet Group. Management Protocol） Snooping。GMPR是一個純粹二層協(xié)議，其工作范圍涉及到二層交換機與主機，當一臺主機申請加入和離開一個組播組，它向交換機發(fā)送一個以MAC地址“01-80-C2-00-00-20”為目的地址的GMRP包，交換機據(jù)此在自己內部建立和維護一個基于MAC和轉發(fā)端口的二層組播轉發(fā)。IGMP Snooping的工作范圍涉及到路由器、交換機與主機。交換機中的IGMP Snooping功能是通過窺探路由器發(fā)出的詢問與主機發(fā)出的應答包，從而在交換機內建立基于端口的二層組播轉發(fā)表來實現(xiàn)的。當主機申請

14、加入或離開一個組播，它向路由器發(fā)送一個IGMP包，該包經交換機到達路由器，路由器據(jù)此決定是否轉發(fā)該組的數(shù)據(jù)幀。可以看出，這兩個協(xié)議在二層上實現(xiàn)組播的功能幾乎相同，由于IGMP Snooping涉及到三層相關的內容，反應速度沒有GMRP快，但目前GMPR沒有IGMP Snooping兼容性好，所以本系統(tǒng)采用IGMP Snooping。在網絡中有路由器時，路由器管理著組播組的建立和刪除、組成員的加入和離開。本系統(tǒng)用復用器或ONU模擬路由器的這些功能。組播組的建立過程如下：系統(tǒng)上電工作后，ONU發(fā)送目的地址為224.0.0.1詢問報文，各個視頻源收到后，發(fā)送目的地址為224.0.0.2的加入報文，O

15、NU收到后建立各個視頻組播組，并在以后的主機詢問時，向主機依次報告，確保各個視頻組播組始終存在。具體的實現(xiàn)過程如下：在上行方向，IP STB（Set-Top Box）接收到紅外遙控器的頻道切換命令后，通過視頻解碼器的串口送給網絡處理器。網絡處理器首先將節(jié)目頻道號轉換為MAC組播地址，然后將該MAC組播地址封裝到IGMP的請求加入包中，發(fā)送到Ethernet多路統(tǒng)計復用器，申請頻道切換，即將IP STP加入到相應的組播組中。由于EPON的下行數(shù)據(jù)是廣播的，當前播放的所有視頻組播流都會到達PON內的每一個ONU上，這樣組播組的加入在ONU就可完成。只有在PON內沒有視頻組播流時，ONU才將IGMP

16、加入包轉發(fā)到Ethernet多路統(tǒng)計復用器，后者將組播地址加入到它的下聯(lián)端口的組播轉發(fā)表里，將該路視頻流廣播到PON內的每一個ONU。頻道切換涉及到離開與加入組播組兩個過程，為了切換，組成員必須先離開原來的組播組后再加入到新的組播組中。當一個VoD節(jié)目首次被申請時，EPON為它建立一個組播組。OLT（Optical Line Termination）首先為該組播組實例化一個組播MAC，并綁定一個LLID（Logical Link Identifier），然后啟動一個發(fā)現(xiàn)過程，將組播LLID和組播MAC發(fā)送給ONU，完成ONU的組播注冊，自此，ONU（Optical Network Unit）可

17、以接收此組播組數(shù)據(jù)流了。在組播組組建期，當其它用戶申請加入此組播組時，OLT啟動一個相同的發(fā)現(xiàn)和注冊過程。當組播組組建期結束后，業(yè)務類定義模塊根據(jù)所有組播用戶的SLA、組播業(yè)務的網絡屬性和經濟屬性，使用EPON QoS定義算法，動態(tài)為該組播定義一個業(yè)務類，資源調度模塊按照該業(yè)務類來分配網絡資源，并交付執(zhí)行機構來實施。2.2 業(yè)務類定義EPON的業(yè)務類定義算法的輸入參數(shù)包括：1）宿主的級別（SLA）；2）宿主的數(shù)量；3）業(yè)務的網絡屬性；4）業(yè)務的市場屬性。由于VoD是增值業(yè)務，VoD業(yè)務的自身價格和組播組的用戶數(shù)決定了它的市場價值，而市場價值是影響它的優(yōu)先級的最重要的因素，因此可以用它表示組播組

18、的經濟優(yōu)先級。組播組的經濟優(yōu)先級可表示為： （1）其中，、和分別表示組播組的業(yè)務總價值和價格（不包括傳輸費用）以及總用戶數(shù)，滿足，表示用戶SLA級別的用戶數(shù)，是最大的用戶級SLA級別數(shù)。SLA是用戶和運營商簽署的法律文件，用EPON的網絡技術語言SLS（Service Level Specification）來描述，SLS包含業(yè)務QoS水平定義，由QoS參數(shù)子集表示，并進一步被映射為EPON QoS機制的轉發(fā)業(yè)務類14,15。EPON支持DiffServ QoS機制11-13，定義了EF（Expedited Forward）、AF（Assured Forward）和BE（Best Effort

19、）轉發(fā)業(yè)務類， EPON在OLT和ONU為每一個轉發(fā)業(yè)務類創(chuàng)建一定長度的優(yōu)先級隊列，支持不同的優(yōu)先級別，如CBR（Constant Bit Rate），適應語音業(yè)務的QoS特征，VBR（Variant Bit Rate），適應視頻業(yè)務QoS特征，以及BE（Best Effect）優(yōu)先級，適應非實時數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸特征。優(yōu)先級調度機制負責將到達的數(shù)據(jù)包按照優(yōu)先級放入相應的轉發(fā)隊列并按照調度策略進行發(fā)送控制。IEEE802.1D支持嚴格的優(yōu)先級調度機制6,9，即為不同的業(yè)務類創(chuàng)建等長的隊列，優(yōu)先轉發(fā)高優(yōu)先隊列中的數(shù)據(jù)包，只有當高優(yōu)先級別隊列為空時，才可能轉發(fā)低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)包。當高優(yōu)先級別的隊列

20、滿時，后到達的高優(yōu)先級別的包可以替換低優(yōu)先級隊列中的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。因為低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)包要等到高優(yōu)先級隊列為空才能發(fā)送，而VoD業(yè)務是持續(xù)的業(yè)務流，因此，即使在網絡總的業(yè)務量降低的情況下，低優(yōu)先級別業(yè)務類的數(shù)據(jù)包的傳輸時延和丟包率也可能增加，產生所謂的“輕負載懲罰”問題6,8。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，通用的方法為每一個業(yè)務類定義一個最大帶寬門限7,9。在該限制下，對相等的帶寬，高優(yōu)先級的業(yè)務類通過接納較少的用戶業(yè)務應用來提高QoS水平。按照經濟學理論，對ISP（Internet Service Provider）來說，相等的資源需要產生相等的效益，這勢必造成高優(yōu)先級別的業(yè)務類單位帶寬具有較

21、高的價格 10, 11。因此，用戶的SLA優(yōu)先級可用該級別用戶擁有的最大平均帶寬的價格來表示，優(yōu)先級別越高，相同帶寬支持的用戶數(shù)越少，用戶擁有的平均帶寬較多，數(shù)據(jù)包遭遇擁塞的概率較低，業(yè)務應用的QoS水平越高。一個用戶SLA級別可表示為定義： （2）其中，表示SLA級別為的用戶的平均優(yōu)先級，表示EPON單位下行帶寬的價格（對各個級別是一樣的），為用戶SLA級別具有的VoD最大帶寬，滿足， 為用戶SLA級別最大的用戶數(shù)，為組播可以使用的帶寬。對一個VoD組播組，它的價值包括傳輸費用（網絡使用費）和VoD視頻業(yè)務的銷售額。價值越大，為運營商帶來的利潤就越多。由于VoD業(yè)務是增值業(yè)務，就應該給它提供

22、好的QoS水平。因此，可以用VoD組播組的總價值來表示它的QoS水平優(yōu)先級，即效用優(yōu)先級，表示為： （3）其中，為組播組的QoS優(yōu)先級，為播放時長，和為加權系數(shù)。其中，第一項中表示VoD組播業(yè)務總的傳輸費用，即占用帶寬資源的總費用，第二項表示VoD業(yè)務批發(fā)銷售給組播用戶的總價值。2.3 EPON動態(tài)低丟包率資源調度機制EPON的數(shù)據(jù)鏈路層擴展了IEEE 802.3定義的Ethernet網絡的數(shù)據(jù)鏈路層，以實現(xiàn)點到多點的訪問控制。在OLT側，多MAC實體共享同一個多點MAC控制。多點MAC控制是包含控制解析器/復用器功能的唯一實體，根據(jù)多點發(fā)送控制中的一個外部控制信號來進行發(fā)送模塊的使能，避免了

23、發(fā)送沖突，丟包不會發(fā)生在OLT和ONU之間的ODN（Optical Distribution Network）上，因此EPON不需要CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/collision Detection）協(xié)議。由于Ethernet業(yè)務流具有突發(fā)性， OLT和ONU的優(yōu)先級隊列有可能發(fā)生溢出而產生丟包現(xiàn)象。VoD業(yè)務屬于流媒體業(yè)務，或者IPTV（IP Television）業(yè)務，基于擁塞機制的TCP（Transport Control Protocol）/IP不能為流式傳輸提供所需要的QoS保證16,17。為了解決在IP網絡上傳輸流媒體所固有的QoS缺

24、陷，除了改進協(xié)議外，如使用RTP（Real-time Transport Protocol）和RTCP（RTP Control Protocol）、RTSP（Real-Time Streaming Protocol）、MMS（Microsoft Media Server Protocol）等，壓縮編碼是一種很重要的方法。壓縮編碼可以減少業(yè)務的帶寬需求，降低網絡負載，從而減少擁塞發(fā)生的概率。當前普遍使用的流媒體壓縮協(xié)議MPEG（Moving Picture Experts Group）2、MPEG4和H.264等，都可以根據(jù)實時流媒體協(xié)議反饋的網絡的擁塞狀態(tài)，自動或手動調節(jié)壓縮編碼參數(shù)來修改壓縮

25、率16。由于VoD是增值業(yè)務，所以在網絡擁塞時，應該按照組播組的價值來分配帶寬：價值高的壓縮少一點，價值低的壓縮多一點。由于在（3）式定義的組播組效用優(yōu)先級等于組播組的價值，因此，在網絡擁塞時分配給一個組播組的帶寬或壓縮率，應和它的效用優(yōu)先級成正比。在網絡擁塞時，一個組播組的壓縮率可表示為： （4）其中，為多播組的壓縮率，等于需求帶寬和實際分配帶寬的比，為總的組播數(shù)。當一個VoD組播組建立時，它的加入會提高網絡的負載（其不壓縮時的發(fā)送帶寬需求在VoD的Profile中描述）：網絡有可能會發(fā)生擁塞和不擁塞兩種情況，為了保證整個網絡的QoS，同時最大限度提高帶寬資源的使用價值，每一個在線的VoD應

26、通過調節(jié)壓縮率來調整它們的發(fā)送帶寬，調節(jié)算法如圖2： 圖2 帶寬資源的分配調節(jié)過程當新的組播組加入沒有引發(fā)網絡擁塞時，按照組播組的帶寬需求來支配帶寬，業(yè)務流不壓縮，提供原始的視頻質量（最好）。其它在線的VoD組播組業(yè)務流的發(fā)送帶寬不作調整，它們也提供不壓縮的最好的視頻質量。當要引發(fā)擁塞時，為了避免擁塞發(fā)生，要對組播組的業(yè)務流進行壓縮，其它在線的VoD組播組業(yè)務流都要通過壓縮來調整發(fā)送速率。壓縮率按照（4）計算，對組播組，其指配的業(yè)務流發(fā)送帶寬為，對其它在線的組播組，其業(yè)務流的發(fā)送帶寬調整為。對組播組，資源的分配算法可以用下面的偽代表表示： （5）對MPEG2/4以及H.264壓縮編碼算法，壓縮

27、分為無損壓縮和有損壓縮兩種，其中無損壓縮是通過數(shù)學變換算法來實現(xiàn)的，如矩陣的對角變換等，有損壓縮是通過幀內、幀間預測算法，以及幀速率和幀體積調整等機制來實現(xiàn)16,17 ，壓縮率越低，其對視頻質量的影響越小。（4）式參考所有在線組播組的價值來定義壓縮率算法，不但可通過調節(jié)供求關系避免擁塞，而且可以保證價值大的組播組擁有最小的壓縮率，提供最好的視頻質量。因此，機制實現(xiàn)了網絡資源基于效用的優(yōu)化。EPON的下行是基于LLID來過濾的，一個LLID可以是一個組播組、單拷貝廣播SCB（Single Copy Broadcast）或一個用戶單播。下行幀中可以任意組裝所有LLID的可變長數(shù)據(jù)包（64-1518

28、Byte）。因此，一個VoD組播組業(yè)務流的下行帶寬是一個統(tǒng)計復用帶寬，可以用發(fā)送的總時長表示： （6）其中，和表示單位時間內分配給新組播業(yè)務流和所有已在線VoD組播組業(yè)務流的發(fā)送時間。2.4 低時延抖動執(zhí)行結構在OLT側，通過實例化多個多點MAC控制實體來實現(xiàn)上層的多個MAC控制客戶端同下層的多個MAC之間的接口。在ONU側，僅使用一個MAC實體同OLT的一個MAC實體進行通信。MAC控制客戶端同MAC實體的通信要經過OAM（Operation，Administration &Management）管理。為了減少時延抖動，針對抖動產生的原因3,4，對變長無序的下行以太幀進行如圖3所示的

29、改進：圖3 低時延抖動下行幀結構1）變變長幀為定長幀。Ethernet下行幀長度可在64-1518Bytes之間選擇，是產生時延抖動主要原因，采用定長幀，可以將相鄰下行幀中的數(shù)據(jù)包的時延抖動限制在一個范圍內。2）變變數(shù)據(jù)包長為定數(shù)據(jù)包長。在不同的幀中，變變體積的同組播組數(shù)據(jù)包為等體積數(shù)據(jù)包，不同組播組的數(shù)據(jù)包的大小和QoS優(yōu)先級相關，級別越高，數(shù)據(jù)包越大。一個組播組業(yè)務流的數(shù)據(jù)包的大小可表示為： （7）其中，表示在一個幀中效用優(yōu)先級為的組播組的包的大小，為總幀長度。3）變無序為有序。在一個下行幀中，從頭開始，按照效用優(yōu)先級的大小，降序排列不同VoD組播組數(shù)據(jù)包。Interent數(shù)據(jù)包放在VoD

30、的后面，可以是變長的。高優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)包大，傳輸帶寬高，在業(yè)務體積相同的情況下，最早傳輸完畢。采用倒序，可以保證幀結構穩(wěn)定性。VoD一般是持續(xù)業(yè)務流，以上改進，可保證VoD數(shù)據(jù)包具有比較小的時延抖動。當下行帶寬求大于供時，各個組播組業(yè)務流的壓縮編碼率增加，數(shù)據(jù)包減少，從而時延抖動增加。新的組播組的產生和組播用戶數(shù)的動態(tài)變化會改變QoS優(yōu)先級，幀中數(shù)據(jù)包順序隨之改變，從而引發(fā)時延抖動增加。增加的時延抖動可表示為： (8)其中，表示在兩個連續(xù)幀中，組播組的QoS優(yōu)先級從第級變成級別時的時延抖動，等于在一個幀中，發(fā)送優(yōu)先級低于的所有數(shù)據(jù)包和優(yōu)先級低于的所有數(shù)據(jù)包的時間差。VoD是具有time sta

31、mp的流式媒體，時延抖動對視頻質量的影響較大，所以對于價值越高的VoD組播組，其時延抖動應盡量的小。在定幀長和定數(shù)據(jù)包大小的Ethernet幀中，優(yōu)先級比較高的VoD組播組的業(yè)務流具有比較大的數(shù)據(jù)包，因此受其它VoD數(shù)據(jù)包的影響比較小，其時延抖動的變化較小。所有在線的VoD業(yè)務數(shù)據(jù)包采用倒序排列，整個VoD業(yè)務的時延具有較大的統(tǒng)計穩(wěn)定性。因此，機制實現(xiàn)了VoD組播組業(yè)務流數(shù)據(jù)包的時延抖動基于效用的優(yōu)化。3 仿真和討論為了檢驗本文提出機制的性能，實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)，如圖4：圖4 仿真網絡環(huán)境仿真網絡：具有16個ONU，用戶到ONU的接入鏈路速率是100Mb/s，OLT到ONU的距離是10km。上行最

32、大的周期是TMAX=2ms。分離兩個連續(xù)的發(fā)送窗口的保證時間是5us，下行幀的大小為。OLT中定義了三個優(yōu)先級隊列P0、P1和P2，緩存大小都是8Mbytes，三個優(yōu)先級保證的最大帶寬分別為100Mb/s，600 Mb/s，300 Mb/s。EPON使用P1優(yōu)先級，即。單位帶寬的價格。VOD的組播組的組建周期。單位時間（1s）分配給VOD的發(fā)送時間，。用戶級別：定義了三個用戶級別，即，金牌用戶100個，銀牌用戶300個，銅牌用戶為600個，分別共享相同的200Mb/s VoD最大帶寬。VoD業(yè)務：定義了300個VoD業(yè)務（組播），播放時長都為1小時。格式為：a）高清HD（High Defini

33、tion）：8Mbit/s，30F/s，1920×1080, 寬高比16:9，價格為5元/次，總數(shù)50個。b）標請SD（Standard Definition）：2Mbit/s，30F/s，640×480格式，寬高比4:3，價格為3元/次，總數(shù)50個。c）普通清晰度LD（Lower Definition）：包括6種格式：1）32kbit/s、10F/s和QCIF（Quarter common intermediate format）(176×144)，0.5元/次，總數(shù)50個；2）64kbit/s、15F/s和QCIF，0.6元/次，總數(shù)50個；3）128kbit

34、/s、15F/s和CIF（Common Intermediate Format）(352×288)，0.7元/次，總數(shù)50個；4）256kbit/s、15F/s和QCIF，0.8元/次，總數(shù)50個；5）512kbit/s、30F/s和CIF，0.9元/次，總數(shù)50個；6）1024kbit/s、30F/s和CIF，1元/次，總數(shù)50個。實驗結果及討論：產生一個0-999的隨機數(shù)，對應一個用戶，該隨機數(shù)模3的余數(shù)表示用戶的級別，0表示金牌，1表示銀牌，2表示銅牌。產生一個0-300之間的隨機數(shù)，表示用戶選擇的組播組，該隨機數(shù)模50的商表示組播組的VoD格式。帶寬的效益：不同接入率下本機制

35、和未改進的機制的VoD帶寬的總價值比較，如表1：表1 本機制和未改進機制在不同接入率下VoD帶寬總價值比較(元)接入率本機制未改進機制接入率本機制未改進機制1%0.710.7150%882.61869.355%61.3961.3955%984.08968.7510%143.76143.7660%1059.971044.4515%249.56249.5665%1148.301132.0920%326.83326.8370%1235.111218.1025%425.22425.2275%1312.791295.1030%523.01523.0180%1403.491385.1035%620.296

36、20.2985%1472.451453.8536.3%645.33633.9590%1537.901518.7040%709.39697.8595%1617.491598.1045%809.30796.45100%1690.931670.80網絡帶寬的總價值的計算公式為： （9）其中，表示所有VoD帶寬的總價值，表示總的組播數(shù)（300）。未改進機制采用傳統(tǒng)的編碼壓縮率公式：，即所有的組播組使用統(tǒng)一的壓縮率，壓縮率帶寬的調度機制仍采用（5）式。在接入率為36%時，帶寬被用完，此前，兩種機制的帶寬總價值一樣，因為兩個都按照需求來提供帶寬。之后，本機制的VoD總帶寬價值始終要大于未改進機制，而且隨著

37、接入率增加加速增加。隨著壓縮率的增加，視頻質量會降低，視頻質量和壓縮率之間的關系可以用圖4表示：圖4 視頻質量和壓縮率之間的關系在為無損壓縮，表示無損點。為預測壓縮，為預測點，對應的視頻質量為臨界清晰度，也就是用戶可以接受的最差的畫面質量。為幀速率壓縮，點為裁員點，對應的視頻質量為臨界動畫質量，也就是用戶可以接收的最差的幀速率。為幀體積壓縮。本文提出的機制使價值最大的組播組業(yè)務流具有比較大的壓縮率（壓縮最少），因此，視頻的質量比較好。視頻質量直接影響到收視率，這樣網絡資源的價值就加速增加。在另外的關于收視率實驗中，在1個小時內（VoD業(yè)務的平均時長為1個小時），本文的機制比沒有改進的機制的價值

38、平均要高大約15-20倍。丟包率比較：本機制和未壓縮情況下的包丟失率對比，如圖5表示：在接入率為0.42時，VoD帶寬被用盡，未壓縮的情況下包丟失率開始急劇增加，但使用本機制，丟包率一直維持很小。時延抖動比較：在不同接入率下第一個組播組時延抖動情況，如圖表3：當接入率為0.42時帶寬被用完，此時發(fā)生大的時延抖動，但很快抖動就趨于平穩(wěn)。實驗結果顯示：本機制可以提高帶寬的效益，能夠維持小的丟包率和小的時延抖動。4 結論隨著寬帶接入技術的發(fā)展和普及，VoD業(yè)務得到了迅猛的發(fā)展，多播是最適合VoD特點的傳輸技術。EPON作為公認的新一代接入網絡技術正得到廣泛的應用，但在EPON中開展多播還存在時延抖動

39、過大，帶寬提供能力、包丟失率過高、“輕負載懲罰”、“低資源效益”等問題。本文提出了一個基于效用的EPON VoD QoS組播實現(xiàn)機制。在業(yè)務應用定義模塊，通過為組播組實例化一個組播MAC和LLID，并啟動發(fā)現(xiàn)過程對申請用戶進行組播注冊，從而充分利用EPON的數(shù)據(jù)鏈路層提供的便利機制容易地實現(xiàn)了組播。在業(yè)務類定義模塊，在綜合了業(yè)務的市場特性、網絡特性和用戶群特性的基礎上，提出了一個基于效用的組播組QoS優(yōu)先級（效用優(yōu)先級）算法，通過資源調度模塊在擁塞發(fā)生時基于效用優(yōu)先級對編碼壓縮率和資源分配計劃進行調度，不但節(jié)省了帶寬需求，減少了包丟失率，而且通過將資源匯聚到高價值VoD業(yè)務和高級別的組播群用戶

40、上，提高了帶寬的使用價值，較好解決了 “資源低效益”問題。在執(zhí)行機構模塊，通過對EPON無序、變長的下行以太廣播幀進行了有序、定幀長和定組播包包長的改進，有效減少了VoD業(yè)務流數(shù)據(jù)包的時延抖動。仿真實驗結果顯示，在網絡擁塞的時候，本機制可以提高帶寬的效益，保持低的丟包率和低的時延抖動。References: 1 陳杰, 敖立, 劉謙, etc. 接入網絡技術要求-基于以太網方式的無源光網絡（EPON）S. YD/T 1745, March 2007.2 Wang Ying, Meng Luo Ming, Qiu xue song, etc. Requirements and analysis

41、for the management interface of Ethernet Passive Optical Network(EPON)S. ITU-T Recommendation Q. 838.1, Oct 2004.3 Zheng J, Mouftah H.T. Media access control for Ethernet passive optical networks: an overview. IEEE Communications Magazine, 2005, (43)2:145 150.4 Kai-Chien Chang, Wanjiun Liao. On the

42、throughput and fairness performance of TCP over Ethernet Passive Optical Networks. IEEE Journal on selected areas in Communications, 2006, (24)12:3 12.5 lallukka S, Raatikainen P. Link utilization and comparison of EPON and GPON access network cost/GLOBECOM 2005, St. Louis, Missouri, USA, 2005. Miss

43、ouri: IEEE Communications Society, 2005:5.6 Sherif R. Sherif, Antonis Hadjiantonis, Georgios Ellinas, etc. A novel decentralized ethernet-based PON access architecture for provisioning differentiated QoS. Journal of lightwave technology, 2004, 22(11): 2483-2497.7 Biao Chen; Jiajia Chen; Sailing He.

44、Efficient and fine scheduling algorithm for bandwidth allocation in ethernet passive optical networks. IEEE Journal of volume selected topics in quantum electronics, July-Aug, 2006 (12)4: 653 660.8 Kramer G, Mukherjee B, and Pesavento G. IPACT: a dynamic protocol for an ethernet PON (EPON). IEEE Com

45、munication Magazine, 2002, (40)2: 7480.9 Shami A, Xiaofeng Bai, Assi C, etc. Quality of service in two-stage Ethernet passive optical access networks/ THIRTEENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTER COMMUNICATIONS AND NETWORKS(ICCCN 2004), Chicago, IL USA. Chicago: IEEE Communications Society, 2004:

46、352 357.10 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個優(yōu)化的IP-DiffServ動態(tài)資源定價機制J.軟件學報, Aug 2005,16(8): 1456-1464.11 Zhang Jin-yu, Liu Li, Meng Luo-Ming, etc. Quantitative QoS Management Implement Mechanism in IP-DiffServ, JCST, 2005,20(6):831-835.12 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個基于多策略的IP-DiffServ業(yè)務量工程實現(xiàn)機制研究.電子學報, 2006,34(7): 1194-1198.13 張晉豫,劉犁

47、,葛洪慧.一個動態(tài)NGN的價格決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)機制研究.電子學報, 2007,35(2): 256-260.14 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個恒價的IP接入網實時計費管理機制.北京郵電大學學報, 2005,32(3):66-70.15 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個基于SLS的接入網邊到變QoS管理機制. 電子與信息學報, 2005,27(7):1141-1446.16 張晉豫,劉犁.在無線網絡環(huán)境中IPTV端到端QoS的實現(xiàn)機制.北京郵電大學學報, 2007,30(2): 93-97.17 張晉豫,劉犁.多QoS機制的IPTV管理構架研究.北京郵電大學學報, 2006,29(12): 14

48、4-179.Zhang Jin-yu, born in 1967, Ph.D., associate professor. His research interests include bandwidth network technology and network management. LIU Li, born in 1982, Ph.D.candidate. His research interests include network protocol and Network Management. YANG Wei, born in 1964, Ph.D., professor. Hi

49、s research interests include wireless network technology.Background Although EPON can provide many bandwidths, it is pre-requisite to VoD service, but it is not enough to meet with the requirement of the market scale development. Its scheduler mechanism can not provide delay and delay jitter assuran

50、ce, and can not resolve the low benefit during congestion. Now, they have become hotspot in academic and industrial areas all over the world, many mechanism, such as IPACT(interleaved polling with adaptive cycle time), M-SFQ(Modified start-time fair queuing), D-CRED(dynamic credit distribution), etc

51、 is proposed, but because they are not involved into MAC and protocol, the question still exist. Multicast is desirable technology to delivery the VoD service, it can save bandwidth requirement through transport convergence, especially, the mechanism of EPON downward broadcast MAC provides convenien

52、ce for multicast implement.Fine scheduler mechanism is recognized as the primary technology for resolving the QoS non-guarantee problem and low benefit problem, but it need to build a buffer for each SLA class in each forward buffer, along with the SLA class number and service application size incre

53、asing, the mechanism become too complex and computing burden become too heavy. So it can not support the large users scale and the large service size, the scalability is low. We present a QoS-aware multicast mechanism on EPON, it allocates bandwidth for a multicast group to meet the VoD requirement when netw