基于效用的EPON VoD QoS組播實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究(

1、基于效用的EPON VoD QoS組播實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究* Supported by the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant No. 2001AA122021 (國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863),the earmarked fund for Modern Agro-industry Technology Research System(KKFR09001531) (現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金);Open Research Fund of National Mobile Communica

2、tions Research Laboratory, Southeast University(W200816) (東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目).作者簡介: 張晉豫,男,1967年生,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)閷拵ЬW(wǎng)絡(luò)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)管理;劉犁,女,1982年生,博士生,主要研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)管理;楊維,男,1964年生,博士,教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù).張晉豫1, 劉犁2, 楊維1,31(北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 北京 100044)2(新澤西理工 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 內(nèi)瓦克 07102)3(東南大學(xué) 移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)摘 要:服務(wù)質(zhì)量無法保

3、證和低效益是IP網(wǎng)絡(luò)上開展VoD業(yè)務(wù)面臨的主要問題?；诮M播業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)、用戶群的SLA優(yōu)先級(jí)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先級(jí)，提出了一個(gè)基于效用的EPON VoD組播QoS優(yōu)先級(jí)（效用優(yōu)先級(jí)）算法。在網(wǎng)絡(luò)擁塞的時(shí)候，基于該效用優(yōu)先級(jí)來動(dòng)態(tài)調(diào)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(wǎng)絡(luò)資源匯聚到高價(jià)值的業(yè)務(wù)上，提高帶寬的效益。通過對(duì)變長和無序EPON Ethernet下行幀進(jìn)行基于效用的定長和有序列改進(jìn)，可減少VoD業(yè)務(wù)流的包時(shí)延抖動(dòng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好驗(yàn)證了本機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:以太無源光網(wǎng)絡(luò); 視頻點(diǎn)播; 服務(wù)質(zhì)量;組播中圖法分類號(hào):TN915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(wù)需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬且具有嚴(yán)格的QoS（Quality of Service）要求，具有個(gè)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(gè)Gb/s（未來可以達(dá)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?fù)浞浅＿m合于廣播和組播業(yè)務(wù)的開展；采用與IP（Internet Protocol）兼容的以太幀結(jié)構(gòu)，可以和廣域網(wǎng)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(shí)延3。EPON的這些優(yōu)點(diǎn)為VoD業(yè)務(wù)的開展提供了便利，但也顯示存在一些缺點(diǎn)4,5：1）由于所有的ONU（Optical Network Unit）共享物理媒質(zhì)，當(dāng)分路比較高時(shí)，帶寬提供能力有限；2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接入率和多媒體成份增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，在突發(fā)的業(yè)務(wù)量環(huán)境，具有較大的時(shí)延抖動(dòng)；4）支持的優(yōu)先級(jí)機(jī)制，如DiffServ（Differentiated Service）和802.1Q等，容易產(chǎn)生所謂的“低效益”問題，即大量

10、低價(jià)值的業(yè)務(wù)流占據(jù)大量的帶寬6-9。VoD是增值業(yè)務(wù)，除了要強(qiáng)調(diào)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)保證外，還要兼顧用戶的SLA（Service Level Agreement）和業(yè)務(wù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)先級(jí)保證。文獻(xiàn)10,11提出了基于拍賣的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制，文獻(xiàn)12,13提出基于網(wǎng)絡(luò)、政策和市場(chǎng)屬性的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)定價(jià)機(jī)制，文獻(xiàn)14,15提出了基于用戶的SLA的EPON的QoS實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但目前還沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于組播組群體SLA優(yōu)先級(jí)定義以及基于它的QoS實(shí)現(xiàn)機(jī)制的研究成果。基于組播用戶的SLA優(yōu)先級(jí)、組播業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先級(jí)，借鑒經(jīng)濟(jì)理論，本文提出了一個(gè)基于效用的VoD組播業(yè)務(wù)QoS優(yōu)先級(jí)（效用優(yōu)先級(jí)）算法，在擁塞時(shí)，源調(diào)

11、度模塊基于效用優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼壓縮率和進(jìn)行基于效用的資源調(diào)度，不但節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞和丟包率，提高了VoD組播業(yè)務(wù)的QoS保證能力，而且通過將帶寬匯聚到高價(jià)值的組播業(yè)務(wù)上，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的運(yùn)營效益，解決了“低效益”問題。對(duì)EPON變長和無序的下行以太幀進(jìn)行了有序和定長的改進(jìn)：1）采用定長以太下行幀；2）在一個(gè)下行幀中，從前到后按照組播業(yè)務(wù)的效用優(yōu)先級(jí)降序排列組播業(yè)務(wù)包，Internet排在組播業(yè)務(wù)的后面，仍然采用無序和變長的結(jié)構(gòu)；3）不同幀中，同組播業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包的大小保持相同。通過這些改進(jìn)，在突發(fā)Ethernet業(yè)務(wù)流環(huán)境下降低了包的時(shí)延抖動(dòng)，解決了EPON MAC機(jī)制固有的

12、時(shí)延抖動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)制；第三部分介紹仿真實(shí)驗(yàn)和討論；最后給出我們的結(jié)論。2 基于效用的EPON VoD QoS組播實(shí)現(xiàn)機(jī)制本文提出了一個(gè)基于效用的EPON VoD QoS組播實(shí)現(xiàn)機(jī)制，如圖1：圖1 基于效用的EPON VoD QoS組播實(shí)現(xiàn)構(gòu)架本機(jī)制分為四個(gè)模塊：1）動(dòng)態(tài)組播業(yè)務(wù)應(yīng)用定義；2）基于效用的業(yè)務(wù)類定義；3）低丟包率動(dòng)態(tài)資源調(diào)度；4）低時(shí)延抖動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)。2.1 動(dòng)態(tài)組播業(yè)務(wù)應(yīng)用定義EPON中的數(shù)據(jù)設(shè)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(gè)純粹二層協(xié)議，其工作范圍涉及到二層交換機(jī)與主機(jī)，當(dāng)一臺(tái)主機(jī)申請(qǐng)加入和離開一個(gè)組播組，它向交換機(jī)發(fā)送一個(gè)以MAC地址“01-80-C2-00-00-20”為目的地址的GMRP包，交換機(jī)據(jù)此在自己內(nèi)部建立和維護(hù)一個(gè)基于MAC和轉(zhuǎn)發(fā)端口的二層組播轉(zhuǎn)發(fā)。IGMP Snooping的工作范圍涉及到路由器、交換機(jī)與主機(jī)。交換機(jī)中的IGMP Snooping功能是通過窺探路由器發(fā)出的詢問與主機(jī)發(fā)出的應(yīng)答包，從而在交換機(jī)內(nèi)建立基于端口的二層組播轉(zhuǎn)發(fā)表來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)主機(jī)申請(qǐng)

14、加入或離開一個(gè)組播，它向路由器發(fā)送一個(gè)IGMP包，該包經(jīng)交換機(jī)到達(dá)路由器，路由器據(jù)此決定是否轉(zhuǎn)發(fā)該組的數(shù)據(jù)幀?？梢钥闯?，這兩個(gè)協(xié)議在二層上實(shí)現(xiàn)組播的功能幾乎相同，由于IGMP Snooping涉及到三層相關(guān)的內(nèi)容，反應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中有路由器時(shí)，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(fù)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(bào)文，各個(gè)視頻源收到后，發(fā)送目的地址為224.0.0.2的加入報(bào)文，O

15、NU收到后建立各個(gè)視頻組播組，并在以后的主機(jī)詢問時(shí)，向主機(jī)依次報(bào)告，確保各個(gè)視頻組播組始終存在。具體的實(shí)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(wǎng)絡(luò)處理器。網(wǎng)絡(luò)處理器首先將節(jié)目頻道號(hào)轉(zhuǎn)換為MAC組播地址，然后將該MAC組播地址封裝到IGMP的請(qǐng)求加入包中，發(fā)送到Ethernet多路統(tǒng)計(jì)復(fù)用器，申請(qǐng)頻道切換，即將IP STP加入到相應(yīng)的組播組中。由于EPON的下行數(shù)據(jù)是廣播的，當(dāng)前播放的所有視頻組播流都會(huì)到達(dá)PON內(nèi)的每一個(gè)ONU上，這樣組播組的加入在ONU就可完成。只有在PON內(nèi)沒有視頻組播流時(shí)，ONU才將IGMP

16、加入包轉(zhuǎn)發(fā)到Ethernet多路統(tǒng)計(jì)復(fù)用器，后者將組播地址加入到它的下聯(lián)端口的組播轉(zhuǎn)發(fā)表里，將該路視頻流廣播到PON內(nèi)的每一個(gè)ONU。頻道切換涉及到離開與加入組播組兩個(gè)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(dāng)一個(gè)VoD節(jié)目首次被申請(qǐng)時(shí)，EPON為它建立一個(gè)組播組。OLT（Optical Line Termination）首先為該組播組實(shí)例化一個(gè)組播MAC，并綁定一個(gè)LLID（Logical Link Identifier），然后啟動(dòng)一個(gè)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(cè)，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(dāng)其它用戶申請(qǐng)加入此組播組時(shí)，OLT啟動(dòng)一個(gè)相同的發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)過程。當(dāng)組播組組建期結(jié)束后，業(yè)務(wù)類定義模塊根據(jù)所有組播用戶的SLA、組播業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)屬性和經(jīng)濟(jì)屬性，使用EPON QoS定義算法，動(dòng)態(tài)為該組播定義一個(gè)業(yè)務(wù)類，資源調(diào)度模塊按照該業(yè)務(wù)類來分配網(wǎng)絡(luò)資源，并交付執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)施。2.2 業(yè)務(wù)類定義EPON的業(yè)務(wù)類定義算法的輸入?yún)?shù)包括：1）宿主的級(jí)別（SLA）；2）宿主的數(shù)量；3）業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)屬性；4）業(yè)務(wù)的市場(chǎng)屬性。由于VoD是增值業(yè)務(wù)，VoD業(yè)務(wù)的自身價(jià)格和組播組的用戶數(shù)決定了它的市場(chǎng)價(jià)值，而市場(chǎng)價(jià)值是影響它的優(yōu)先級(jí)的最重要的因素，因此可以用它表示組播組

18、的經(jīng)濟(jì)優(yōu)先級(jí)。組播組的經(jīng)濟(jì)優(yōu)先級(jí)可表示為： （1）其中，、和分別表示組播組的業(yè)務(wù)總價(jià)值和價(jià)格（不包括傳輸費(fèi)用）以及總用戶數(shù)，滿足，表示用戶SLA級(jí)別的用戶數(shù)，是最大的用戶級(jí)SLA級(jí)別數(shù)。SLA是用戶和運(yùn)營商簽署的法律文件，用EPON的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)語言SLS（Service Level Specification）來描述，SLS包含業(yè)務(wù)QoS水平定義，由QoS參數(shù)子集表示，并進(jìn)一步被映射為EPON QoS機(jī)制的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類14,15。EPON支持DiffServ QoS機(jī)制11-13，定義了EF（Expedited Forward）、AF（Assured Forward）和BE（Best Effort

19、）轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類， EPON在OLT和ONU為每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類創(chuàng)建一定長度的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，支持不同的優(yōu)先級(jí)別，如CBR（Constant Bit Rate），適應(yīng)語音業(yè)務(wù)的QoS特征，VBR（Variant Bit Rate），適應(yīng)視頻業(yè)務(wù)QoS特征，以及BE（Best Effect）優(yōu)先級(jí)，適應(yīng)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸特征。優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制負(fù)責(zé)將到達(dá)的數(shù)據(jù)包按照優(yōu)先級(jí)放入相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列并按照調(diào)度策略進(jìn)行發(fā)送控制。IEEE802.1D支持嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制6,9，即為不同的業(yè)務(wù)類創(chuàng)建等長的隊(duì)列，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)高優(yōu)先隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包，只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)別隊(duì)列為空時(shí)，才可能轉(zhuǎn)發(fā)低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)別的隊(duì)列

20、滿時(shí)，后到達(dá)的高優(yōu)先級(jí)別的包可以替換低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包。因?yàn)榈蛢?yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包要等到高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空才能發(fā)送，而VoD業(yè)務(wù)是持續(xù)的業(yè)務(wù)流，因此，即使在網(wǎng)絡(luò)總的業(yè)務(wù)量降低的情況下，低優(yōu)先級(jí)別業(yè)務(wù)類的數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延和丟包率也可能增加，產(chǎn)生所謂的“輕負(fù)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(gè)業(yè)務(wù)類定義一個(gè)最大帶寬門限7,9。在該限制下，對(duì)相等的帶寬，高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)類通過接納較少的用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用來提高QoS水平。按照經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，對(duì)ISP（Internet Service Provider）來說，相等的資源需要產(chǎn)生相等的效益，這勢(shì)必造成高優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)類單位帶寬具有較

21、高的價(jià)格 10, 11。因此，用戶的SLA優(yōu)先級(jí)可用該級(jí)別用戶擁有的最大平均帶寬的價(jià)格來表示，優(yōu)先級(jí)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(wù)應(yīng)用的QoS水平越高。一個(gè)用戶SLA級(jí)別可表示為定義： （2）其中，表示SLA級(jí)別為的用戶的平均優(yōu)先級(jí)，表示EPON單位下行帶寬的價(jià)格（對(duì)各個(gè)級(jí)別是一樣的），為用戶SLA級(jí)別具有的VoD最大帶寬，滿足， 為用戶SLA級(jí)別最大的用戶數(shù)，為組播可以使用的帶寬。對(duì)一個(gè)VoD組播組，它的價(jià)值包括傳輸費(fèi)用（網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)）和VoD視頻業(yè)務(wù)的銷售額。價(jià)值越大，為運(yùn)營商帶來的利潤就越多。由于VoD業(yè)務(wù)是增值業(yè)務(wù)，就應(yīng)該給它提供

22、好的QoS水平。因此，可以用VoD組播組的總價(jià)值來表示它的QoS水平優(yōu)先級(jí)，即效用優(yōu)先級(jí)，表示為： （3）其中，為組播組的QoS優(yōu)先級(jí)，為播放時(shí)長，和為加權(quán)系數(shù)。其中，第一項(xiàng)中表示VoD組播業(yè)務(wù)總的傳輸費(fèi)用，即占用帶寬資源的總費(fèi)用，第二項(xiàng)表示VoD業(yè)務(wù)批發(fā)銷售給組播用戶的總價(jià)值。2.3 EPON動(dòng)態(tài)低丟包率資源調(diào)度機(jī)制EPON的數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展了IEEE 802.3定義的Ethernet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的訪問控制。在OLT側(cè)，多MAC實(shí)體共享同一個(gè)多點(diǎn)MAC控制。多點(diǎn)MAC控制是包含控制解析器/復(fù)用器功能的唯一實(shí)體，根據(jù)多點(diǎn)發(fā)送控制中的一個(gè)外部控制信號(hào)來進(jìn)行發(fā)送模塊的使能，避免了

23、發(fā)送沖突，丟包不會(huì)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(wù)流具有突發(fā)性， OLT和ONU的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列有可能發(fā)生溢出而產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。VoD業(yè)務(wù)屬于流媒體業(yè)務(wù)，或者IPTV（IP Television）業(yè)務(wù)，基于擁塞機(jī)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(wǎng)絡(luò)上傳輸流媒體所固有的QoS缺

24、陷，除了改進(jìn)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(wù)的帶寬需求，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，從而減少擁塞發(fā)生的概率。當(dāng)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(shí)時(shí)流媒體協(xié)議反饋的網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)，自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)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(wù)，所以在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，應(yīng)該按照組播組的價(jià)值來分配帶寬：價(jià)值高的壓縮少一點(diǎn)，價(jià)值低的壓縮多一點(diǎn)。由于在（3）式定義的組播組效用優(yōu)先級(jí)等于組播組的價(jià)值，因此，在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)分配給一個(gè)組播組的帶寬或壓縮率，應(yīng)和它的效用優(yōu)先級(jí)成正比。在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，一個(gè)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(shí)際分配帶寬的比，為總的組播數(shù)。當(dāng)一個(gè)VoD組播組建立時(shí)，它的加入會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載（其不壓縮時(shí)的發(fā)送帶寬需求在VoD的Profile中描述）：網(wǎng)絡(luò)有可能會(huì)發(fā)生擁塞和不擁塞兩種情況，為了保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的QoS，同時(shí)最大限度提高帶寬資源的使用價(jià)值，每一個(gè)在線的VoD應(yīng)

26、通過調(diào)節(jié)壓縮率來調(diào)整它們的發(fā)送帶寬，調(diào)節(jié)算法如圖2： 圖2 帶寬資源的分配調(diào)節(jié)過程當(dāng)新的組播組加入沒有引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，按照組播組的帶寬需求來支配帶寬，業(yè)務(wù)流不壓縮，提供原始的視頻質(zhì)量（最好）。其它在線的VoD組播組業(yè)務(wù)流的發(fā)送帶寬不作調(diào)整，它們也提供不壓縮的最好的視頻質(zhì)量。當(dāng)要引發(fā)擁塞時(shí)，為了避免擁塞發(fā)生，要對(duì)組播組的業(yè)務(wù)流進(jìn)行壓縮，其它在線的VoD組播組業(yè)務(wù)流都要通過壓縮來調(diào)整發(fā)送速率。壓縮率按照（4）計(jì)算，對(duì)組播組，其指配的業(yè)務(wù)流發(fā)送帶寬為，對(duì)其它在線的組播組，其業(yè)務(wù)流的發(fā)送帶寬調(diào)整為。對(duì)組播組，資源的分配算法可以用下面的偽代表表示： （5）對(duì)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(xué)變換算法來實(shí)現(xiàn)的，如矩陣的對(duì)角變換等，有損壓縮是通過幀內(nèi)、幀間預(yù)測(cè)算法，以及幀速率和幀體積調(diào)整等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)16,17 ，壓縮率越低，其對(duì)視頻質(zhì)量的影響越小。（4）式參考所有在線組播組的價(jià)值來定義壓縮率算法，不但可通過調(diào)節(jié)供求關(guān)系避免擁塞，而且可以保證價(jià)值大的組播組擁有最小的壓縮率，提供最好的視頻質(zhì)量。因此，機(jī)制實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源基于效用的優(yōu)化。EPON的下行是基于LLID來過濾的，一個(gè)LLID可以是一個(gè)組播組、單拷貝廣播SCB（Single Copy Broadcast）或一個(gè)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(gè)VoD組播組業(yè)務(wù)流的下行帶寬是一個(gè)統(tǒng)計(jì)復(fù)用帶寬，可以用發(fā)送的總時(shí)長表示： （6）其中，和表示單位時(shí)間內(nèi)分配給新組播業(yè)務(wù)流和所有已在線VoD組播組業(yè)務(wù)流的發(fā)送時(shí)間。2.4 低時(shí)延抖動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)在OLT側(cè)，通過實(shí)例化多個(gè)多點(diǎn)MAC控制實(shí)體來實(shí)現(xiàn)上層的多個(gè)MAC控制客戶端同下層的多個(gè)MAC之間的接口。在ONU側(cè)，僅使用一個(gè)MAC實(shí)體同OLT的一個(gè)MAC實(shí)體進(jìn)行通信。MAC控制客戶端同MAC實(shí)體的通信要經(jīng)過OAM（Operation，Administration &Management）管理。為了減少時(shí)延抖動(dòng)，針對(duì)抖動(dòng)產(chǎn)生的原因3,4，對(duì)變長無序的下行以太幀進(jìn)行如圖3所示的

29、改進(jìn)：圖3 低時(shí)延抖動(dòng)下行幀結(jié)構(gòu)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(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)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(shí)延抖動(dòng)限制在一個(gè)范圍內(nèi)。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(jí)相關(guān)，級(jí)別越高，數(shù)據(jù)包越大。一個(gè)組播組業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)包的大小可表示為： （7）其中，表示在一個(gè)幀中效用優(yōu)先級(jí)為的組播組的包的大小，為總幀長度。3）變無序?yàn)橛行?。在一個(gè)下行幀中，從頭開始，按照效用優(yōu)先級(jí)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(jí)別的數(shù)據(jù)包大，傳輸帶寬高，在業(yè)務(wù)體積相同的情況下，最早傳輸完畢。采用倒序，可以保證幀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。VoD一般是持續(xù)業(yè)務(wù)流，以上改進(jìn)，可保證VoD數(shù)據(jù)包具有比較小的時(shí)延抖動(dòng)。當(dāng)下行帶寬求大于供時(shí)，各個(gè)組播組業(yè)務(wù)流的壓縮編碼率增加，數(shù)據(jù)包減少，從而時(shí)延抖動(dòng)增加。新的組播組的產(chǎn)生和組播用戶數(shù)的動(dòng)態(tài)變化會(huì)改變QoS優(yōu)先級(jí)，幀中數(shù)據(jù)包順序隨之改變，從而引發(fā)時(shí)延抖動(dòng)增加。增加的時(shí)延抖動(dòng)可表示為： (8)其中，表示在兩個(gè)連續(xù)幀中，組播組的QoS優(yōu)先級(jí)從第級(jí)變成級(jí)別時(shí)的時(shí)延抖動(dòng)，等于在一個(gè)幀中，發(fā)送優(yōu)先級(jí)低于的所有數(shù)據(jù)包和優(yōu)先級(jí)低于的所有數(shù)據(jù)包的時(shí)間差。VoD是具有time sta

31、mp的流式媒體，時(shí)延抖動(dòng)對(duì)視頻質(zhì)量的影響較大，所以對(duì)于價(jià)值越高的VoD組播組，其時(shí)延抖動(dòng)應(yīng)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(jí)比較高的VoD組播組的業(yè)務(wù)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(shí)延抖動(dòng)的變化較小。所有在線的VoD業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包采用倒序排列，整個(gè)VoD業(yè)務(wù)的時(shí)延具有較大的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性。因此，機(jī)制實(shí)現(xiàn)了VoD組播組業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包的時(shí)延抖動(dòng)基于效用的優(yōu)化。3 仿真和討論為了檢驗(yàn)本文提出機(jī)制的性能，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)，如圖4：圖4 仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真網(wǎng)絡(luò)：具有16個(gè)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(gè)連續(xù)的發(fā)送窗口的保證時(shí)間是5us，下行幀的大小為。OLT中定義了三個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列P0、P1和P2，緩存大小都是8Mbytes，三個(gè)優(yōu)先級(jí)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(jí)，即。單位帶寬的價(jià)格。VOD的組播組的組建周期。單位時(shí)間（1s）分配給VOD的發(fā)送時(shí)間，。用戶級(jí)別：定義了三個(gè)用戶級(jí)別，即，金牌用戶100個(gè)，銀牌用戶300個(gè)，銅牌用戶為600個(gè)，分別共享相同的200Mb/s VoD最大帶寬。VoD業(yè)務(wù)：定義了300個(gè)VoD業(yè)務(wù)（組播），播放時(shí)長都為1小時(shí)。格式為：a）高清HD（High Defini

33、tion）：8Mbit/s，30F/s，1920×1080, 寬高比16:9，價(jià)格為5元/次，總數(shù)50個(gè)。b）標(biāo)請(qǐng)SD（Standard Definition）：2Mbit/s，30F/s，640×480格式，寬高比4:3，價(jià)格為3元/次，總數(shù)50個(gè)。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(gè)；2）64kbit/s、15F/s和QCIF，0.6元/次，總數(shù)50個(gè)；3）128kbit

34、/s、15F/s和CIF（Common Intermediate Format）(352×288)，0.7元/次，總數(shù)50個(gè)；4）256kbit/s、15F/s和QCIF，0.8元/次，總數(shù)50個(gè)；5）512kbit/s、30F/s和CIF，0.9元/次，總數(shù)50個(gè)；6）1024kbit/s、30F/s和CIF，1元/次，總數(shù)50個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：產(chǎn)生一個(gè)0-999的隨機(jī)數(shù)，對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶，該隨機(jī)數(shù)模3的余數(shù)表示用戶的級(jí)別，0表示金牌，1表示銀牌，2表示銅牌。產(chǎn)生一個(gè)0-300之間的隨機(jī)數(shù)，表示用戶選擇的組播組，該隨機(jī)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(jī)制

35、和未改進(jìn)的機(jī)制的VoD帶寬的總價(jià)值比較，如表1：表1 本機(jī)制和未改進(jìn)機(jī)制在不同接入率下VoD帶寬總價(jià)值比較(元)接入率本機(jī)制未改進(jìn)機(jī)制接入率本機(jī)制未改進(jìn)機(jī)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(wǎng)絡(luò)帶寬的總價(jià)值的計(jì)算公式為： （9）其中，表示所有VoD帶寬的總價(jià)值，表示總的組播數(shù)（300）。未改進(jìn)機(jī)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(diào)度機(jī)制仍采用（5）式。在接入率為36%時(shí)，帶寬被用完，此前，兩種機(jī)制的帶寬總價(jià)值一樣，因?yàn)閮蓚€(gè)都按照需求來提供帶寬。之后，本機(jī)制的VoD總帶寬價(jià)值始終要大于未改進(jìn)機(jī)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(zhì)量會(huì)降低，視頻質(zhì)量和壓縮率之間的關(guān)系可以用圖4表示：圖4 視頻質(zhì)量和壓縮率之間的關(guān)系在為無損壓縮，表示無損點(diǎn)。為預(yù)測(cè)壓縮，為預(yù)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的視頻質(zhì)量為臨界清晰度，也就是用戶可以接受的最差的畫面質(zhì)量。為幀速率壓縮，點(diǎn)為裁員點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的視頻質(zhì)量為臨界動(dòng)畫質(zhì)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(jī)制使價(jià)值最大的組播組業(yè)務(wù)流具有比較大的壓縮率（壓縮最少），因此，視頻的質(zhì)量比較好。視頻質(zhì)量直接影響到收視率，這樣網(wǎng)絡(luò)資源的價(jià)值就加速增加。在另外的關(guān)于收視率實(shí)驗(yàn)中，在1個(gè)小時(shí)內(nèi)（VoD業(yè)務(wù)的平均時(shí)長為1個(gè)小時(shí)），本文的機(jī)制比沒有改進(jìn)的機(jī)制的價(jià)值

38、平均要高大約15-20倍。丟包率比較：本機(jī)制和未壓縮情況下的包丟失率對(duì)比，如圖5表示：在接入率為0.42時(shí)，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(jī)制，丟包率一直維持很小。時(shí)延抖動(dòng)比較：在不同接入率下第一個(gè)組播組時(shí)延抖動(dòng)情況，如圖表3：當(dāng)接入率為0.42時(shí)帶寬被用完，此時(shí)發(fā)生大的時(shí)延抖動(dòng)，但很快抖動(dòng)就趨于平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：本機(jī)制可以提高帶寬的效益，能夠維持小的丟包率和小的時(shí)延抖動(dòng)。4 結(jié)論隨著寬帶接入技術(shù)的發(fā)展和普及，VoD業(yè)務(wù)得到了迅猛的發(fā)展，多播是最適合VoD特點(diǎn)的傳輸技術(shù)。EPON作為公認(rèn)的新一代接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正得到廣泛的應(yīng)用，但在EPON中開展多播還存在時(shí)延抖動(dòng)

39、過大，帶寬提供能力、包丟失率過高、“輕負(fù)載懲罰”、“低資源效益”等問題。本文提出了一個(gè)基于效用的EPON VoD QoS組播實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在業(yè)務(wù)應(yīng)用定義模塊，通過為組播組實(shí)例化一個(gè)組播MAC和LLID，并啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)過程對(duì)申請(qǐng)用戶進(jìn)行組播注冊(cè)，從而充分利用EPON的數(shù)據(jù)鏈路層提供的便利機(jī)制容易地實(shí)現(xiàn)了組播。在業(yè)務(wù)類定義模塊，在綜合了業(yè)務(wù)的市場(chǎng)特性、網(wǎng)絡(luò)特性和用戶群特性的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)基于效用的組播組QoS優(yōu)先級(jí)（效用優(yōu)先級(jí)）算法，通過資源調(diào)度模塊在擁塞發(fā)生時(shí)基于效用優(yōu)先級(jí)對(duì)編碼壓縮率和資源分配計(jì)劃進(jìn)行調(diào)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(jià)值VoD業(yè)務(wù)和高級(jí)別的組播群用戶

40、上，提高了帶寬的使用價(jià)值，較好解決了 “資源低效益”問題。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，通過對(duì)EPON無序、變長的下行以太廣播幀進(jìn)行了有序、定幀長和定組播包包長的改進(jìn)，有效減少了VoD業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包的時(shí)延抖動(dòng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的時(shí)候，本機(jī)制可以提高帶寬的效益，保持低的丟包率和低的時(shí)延抖動(dòng)。References: 1 陳杰, 敖立, 劉謙, etc. 接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求-基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)（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

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46、352 357.10 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個(gè)優(yōu)化的IP-DiffServ動(dòng)態(tài)資源定價(jià)機(jī)制J.軟件學(xué)報(bào), 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(gè)基于多策略的IP-DiffServ業(yè)務(wù)量工程實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究.電子學(xué)報(bào), 2006,34(7): 1194-1198.13 張晉豫,劉犁

47、,葛洪慧.一個(gè)動(dòng)態(tài)NGN的價(jià)格決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究.電子學(xué)報(bào), 2007,35(2): 256-260.14 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個(gè)恒價(jià)的IP接入網(wǎng)實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)管理機(jī)制.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,32(3):66-70.15 張晉豫,孟洛明,邱雪松等.一個(gè)基于SLS的接入網(wǎng)邊到變QoS管理機(jī)制. 電子與信息學(xué)報(bào), 2005,27(7):1141-1446.16 張晉豫,劉犁.在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中IPTV端到端QoS的實(shí)現(xiàn)機(jī)制.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,30(2): 93-97.17 張晉豫,劉犁.多QoS機(jī)制的IPTV管理構(gòu)架研究.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 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