揭秘造成PON辦公網(wǎng)絡“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更是達到了4.83億輛次，日均6043萬輛次，更讓大家體驗到了“絕望”的擁堵，數(shù)小時的車程延長到了數(shù)十小時，寶貴的時間都浪費在路上，出行體驗十分糟糕。

圖1 交通擁堵示意圖

  如果類似的狀況發(fā)生在辦公網(wǎng)絡上，又會是一種什么樣的體驗呢?視頻會議“馬賽克”、大包文件“反復傳”、遠程協(xié)作“慢半拍”等種種網(wǎng)絡時延帶來的影響再次讓人 “崩潰”。

圖2 網(wǎng)絡擁堵示意圖

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

  網(wǎng)絡時延一般可以分為傳播時延、處理時延、排隊時延以及發(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的時間，考慮到介質(zhì)的折射率以及全反射會使實際路徑變長，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相關(guān)，不同的網(wǎng)絡架構(gòu)區(qū)別不大。

  除了傳播時延，還會有處理時延、排隊時延以及發(fā)送時延，這幾種時延受網(wǎng)絡設備、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)機制比較簡單，只需要基于幀的網(wǎng)絡交換處理，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道的高速路，時延比較穩(wěn)定。另外，以太網(wǎng)交換機采用企業(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)絡三層組網(wǎng)架構(gòu)中，引入的時延影響很小，可忽略不計。

  而PON網(wǎng)絡還需要進行TDMA(Time Division Multiple Access)時分復用、以及DBA(Dynamic Bandwidth Assignment動態(tài)帶寬分配)調(diào)度交互、ONU上線開窗預留等處理過程，因此會額外引入一定程度的時延，導致網(wǎng)絡時延抖動較大，達不到確定性us級，這也是PON網(wǎng)絡架構(gòu)當前無法作為5G回傳網(wǎng)絡方案的主要原因之一。

  造成PON辦公網(wǎng)絡“高時延”的三大因素：

  1、TDMA時分復用

  在PON網(wǎng)絡中，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)絡單元)設備，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。這就好比本來是多個車道，到OLT那里需要合并成一個車道，體驗過高速堵車人都會知道是多么崩潰。

圖3 PON網(wǎng)絡上行TDMA示意圖

  由于上行的TDMA機制，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吉比特無源光網(wǎng)絡)的上行幀長固定為125us，因此上行的TDMA機制會引入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，標準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上報的DBRu報告，進行計算，并將計算結(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。但也正因為這個交互的機制，導致網(wǎng)絡時延和抖動劣化。

  3、ONU上線開窗預留

  在PON網(wǎng)絡中，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)絡預留給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延差達到200us，再加上開窗時ONU的隨機時延48us以及ONU響應時間2us，因此PON網(wǎng)絡中自動發(fā)現(xiàn)ONU上線的開窗時間預留了250us，這個過程會額外引入250us的時延抖動。

  寫在最后

  網(wǎng)絡時延的計算遠不止于數(shù)算鏈路的數(shù)量那般簡單。事實上，它要求我們綜合考慮多種因素，其中包括傳輸距離、網(wǎng)絡架構(gòu)以及轉(zhuǎn)發(fā)機制。這些元素共同作用，決定了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸時延。因此，在評估和優(yōu)化網(wǎng)絡性能時，我們也需要全面考慮這些關(guān)鍵因素，以確保網(wǎng)絡的高效和穩(wěn)定運行。