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

  每逢春節、國慶等重大節日，大家印象最深就是一個(gè)字“堵”，而2023年中秋國慶“雙節”期間，全國高速公路流量累計更是達到了4.83億輛次，日均6043萬(wàn)輛次，更讓大家體驗到了“絕望”的擁堵，數小時(shí)的車(chē)程延長(cháng)到了數十小時(shí)，寶貴的時(shí)間都浪費在路上，出行體驗十分糟糕。

圖1 交通擁堵示意圖

  如果類(lèi)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呢?視頻會(huì )議“馬賽克”、大包文件“反復傳”、遠程協(xié)作“慢半拍”等種種網(wǎng)絡(luò )時(shí)延帶來(lái)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 )架構和轉發(fā)機制。而目前在辦公網(wǎng)絡(luò )應用較多的網(wǎng)絡(luò )架構，除了主流的以太網(wǎng)之外，還有PON(Passive Optical Network無(wú)源光網(wǎng)絡(luò ))網(wǎng)絡(luò )架構。今天我們一起來(lái)看一下這兩種網(wǎng)絡(luò )架構對網(wǎng)絡(luò )時(shí)延影響的區別。

  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(cháng)，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相關(guān)，不同的網(wǎng)絡(luò )架構區別不大。

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

  以太網(wǎng)的轉發(fā)機制比較簡(jiǎn)單，只需要基于幀的網(wǎng)絡(luò )交換處理，從接入到匯聚，匯聚到核心都是獨享帶寬，這就好比是獨立劃分車(chē)道的高速路，時(shí)延比較穩定。另外，以太網(wǎng)交換機采用企業(yè)級專(zhuān)用芯片直接轉發(fā)，每次轉發(fā)時(shí)延幾乎都小于5us，在普通辦公網(wǎng)絡(luò )三層組網(wǎng)架構中，引入的時(shí)延影響很小，可忽略不計。

  而PON網(wǎng)絡(luò )還需要進(jìn)行TDMA(Time Division Multiple Access)時(shí)分復用、以及DBA(Dynamic Bandwidth Assignment動(dòng)態(tài)帶寬分配)調度交互、ONU上線(xiàn)開(kāi)窗預留等處理過(guò)程，因此會(huì )額外引入一定程度的時(shí)延，導致網(wǎng)絡(luò )時(shí)延抖動(dòng)較大，達不到確定性us級，這也是PON網(wǎng)絡(luò )架構當前無(wú)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)分復用

  在PON網(wǎng)絡(luò )中，一個(gè)OLT(Optical Line Termination 光線(xiàn)路終端)的PON口下會(huì )連接多臺ONU(Optical Network Unit光網(wǎng)絡(luò )單元)設備，上行數據采用TDMA共享信道方式傳輸，由OLT統一給一個(gè)PON口下的所有ONU統一分配發(fā)光時(shí)隙，也就是說(shuō)在每個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)ONU可以發(fā)光傳輸上行數據，其他的ONU要排隊。這就好比本來(lái)是多個(gè)車(chē)道，到OLT那里需要合并成一個(gè)車(chē)道，體驗過(guò)高速堵車(chē)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機制，ONU只能在屬于自己的時(shí)隙范圍內發(fā)送上行數據，這個(gè)過(guò)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)送數據，這段時(shí)間的數據包保存在ONU的緩存中。GPON(Gigabit Passive Optical Network吉比特無(wú)源光網(wǎng)絡(luò ))的上行幀長(cháng)固定為125us，因此上行的TDMA機制會(huì )引入125us的時(shí)延。

  2、DBA調度交互

  在GPON系統中，一個(gè)PON口會(huì )下掛多個(gè)ONU，每個(gè)ONU需要嚴格按照TDMA的時(shí)刻要求發(fā)送上行數據，以保證不會(huì )出現發(fā)送沖突，這個(gè)時(shí)隙管理和分配的過(guò)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，標準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內部DBA模塊不斷收集ONU上報的DBRu報告，進(jìn)行計算，并將計算結果以BW Map的形式下發(fā)給各ONU。各ONU根據BW Map信息在各自的時(shí)隙內發(fā)送上行數據，占用上行帶寬。這樣就能保證每個(gè)ONU可以根據實(shí)際的發(fā)送數據流量動(dòng)態(tài)調整上行帶寬，提升了上行帶寬的利用率。但也正因為這個(gè)交互的機制，導致網(wǎng)絡(luò )時(shí)延和抖動(dòng)劣化。

  3、ONU上線(xiàn)開(kāi)窗預留

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

圖4 PON網(wǎng)絡(luò )預留給ONU上線(xiàn)的開(kāi)窗時(shí)間

  由于典型PON系統允許的ONU距離需要覆蓋0~20km，在光纖上傳輸的往返時(shí)延差達到200us，再加上開(kāi)窗時(shí)ONU的隨機時(shí)延48us以及ONU響應時(shí)間2us，因此PON網(wǎng)絡(luò )中自動(dòng)發(fā)現ONU上線(xiàn)的開(kāi)窗時(shí)間預留了250us，這個(gè)過(guò)程會(huì )額外引入250us的時(shí)延抖動(dòng)。

  寫(xiě)在最后

  網(wǎng)絡(luò )時(shí)延的計算遠不止于數算鏈路的數量那般簡(jiǎn)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 )架構以及轉發(fā)機制。這些元素共同作用，決定了數據在網(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 )的高效和穩定運行。