Passive Optische Netzwerke Vorteile dynamischer Bandbreitenzuteilung in GPO-Netzen

Der einzige Weg, ein PON mit Überbuchung und geringer Latenz zu erreichen, besteht in der Implementierung eines Algorithmus für dynamische Bandbreitenzuteilung (DBA). Ein DBA-Algorithmus minimiert die Latenz, verbessert den Ausnutzungsgrad und reagiert rasch auf Änderungen im Muster des Datenverkehrs.

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Ein Hauptvorteil von Passiven Optischen Netzwerken (PON) gegenüber Point-to-Point-Netzwerken besteht darin, dass viele Teilnehmer eine einzelne Glasfaser gemeinsam nutzen können, was die Kosten für Bereitstellung und Wartung erheblich senkt.

GPONs arbeiten mit 2,488 GBit/s im Downstream und 1,244 GBit/s im Upstream. Sie setzen sich zusammen aus einem Optical Line Terminal (OLT) in der Vermittlungsstelle und mehreren Optical Network Terminals (ONTs) nahe beim oder direkt am Kundenstandort. Ein GPON wird normalerweise bereitgestellt als Baumtopologie mit einer einzelnen, gemeinsam genutzten Glasfaser und billigen optischen Splittern, welche die einzelnen Glasfaserverbindungen an die jeweiligen Kundenstandorte verteilen.

Im Downstream hat das GPON eine natürliche Point-to-Multipoint-Topologie und unterstützt Dienste wie jedes Ethernet-Netzwerk. Im Upstream ist der Kanal jedoch TDM-basiert. Das OLT muss dabei die Übertragung eines jeden ONT mit einem Bandbreitenzuteilungsalgorithmus steuern, um Länge und Position eines jeden ONT-Upstream-Bursts zu bestimmen.

GPON-Standard sieht dynamische Bandbreitenzuteilung vor

Frühere PON-Generationen teilten die Upstream-Bandbreite statisch zu, wobei jedes ONT eine vordefinierte Bandbreite erhielt. Damit unbenutzte Bandbreite für schnellere Verbindungen und höhere Upstream-Servicequalität eingesetzt werden kann, sieht der GPON-Standard eine dynamische Bandbreitenzuteilung (Dynamic Bandwidth Allocation – DBA) vor.

Mit DBA kann das OLT Bandbreite entweder per ONT oder per ONT und Service zuteilen (T CONT). Das OLT kann die Bandbreitenzuteilung auf ONT-Anfragen, auf den gemessenen Upstreamverkehr oder – unter Berücksichtigung des Service Level Agreements (SLA) des Teilnehmers – auf eine beliebige Kombination aus beiden gründen.

Ein guter DBA-Algorithmus passt die Upstream-Bandbreitenzuteilung schnell auf die sich ständig ändernden Verkehrsszenarien an. In einem gegebenen Zeitfenster wird bestimmten ONTs (oder bestimmten Diensten) ausreichende Bandbreite zugeteilt. In anderen Zeitfenstern würde die Bandbreite dann anderen ONTs oder Diensten zugeteilt, so dass die PON-Bandbreite insgesamt maximal ausgenutzt wird (siehe Abbildung 1).

Überbuchung ist wichtig für die Wirtschaftlichkeit

Überbuchung – wobei die bediente Bandbreite theoretisch höher ist als die tatsächliche physikalische Kapazität – ist ein entscheidender Aspekt in der Wirtschaftlichkeit von Zugangsnetzen. Abhängig von den Nutzungsprofilen der Teilnehmer überbuchen Netzwerkbetreiber normalerweise mit einem Faktor zwischen 4:1 und 20:1. Voraussetzung für das Überbuchen ist, dass das Netzwerk seinen Teilnehmern einen bestimmten Quality of Service (QoS) garantiert.

Service Level Agreements für Teilnehmer stellen normalerweise – unabhängig von der tatsächlichen Nutzung – Gebühren für bereitgestellte Dienste und Bandbreite in Rechnung. Gewöhnlich bestehen diese aus einer garantierten Mindestbandbreite (Committed Information Rate – CIR) und einer maximalen Bandbreite (Excess Information Rate – EIR), die der Teilnehmer nutzen kann, falls sie zur Verfügung steht.

Als Beispiel könnte das eine CIR von 40 MBit/s mit einer EIR von 150 MBit/s sein. Wenn 32 ONTs – alle mit dem gleichen SLA – an demselben GPON-Kanal hängen, beträgt die theoretisch erforderliche Upstream-Bandbreite 1,28 GBit/s (1280/32 = 40 MBit/s). Das ist geringfügig mehr als die verfügbare GPON-Upstream-Bandbreite von 1,244 GBit/s.

Mit DBA kann einem ONT eine höhere Bandbreite zugeteilt werden

Bei statischer Bandbreitenzuteilung, die QoS nicht berücksichtigt und Überbuchung nicht erlaubt, erhält jedes ONT jederzeit seine CIR, ob genutzt oder nicht. EIR wird dabei irrelevant. Mit einem DBA-Algorithmus kann einem ONT eine höhere Bandbreite bis zur EIR zugeteilt werden.

Von einigen ONTs nicht genutzte Bandbreite kann anderen zugeteilt werden. Das lässt das Netzwerkverhalten schneller erscheinen und macht einen guten Eindruck auf die Teilnehmer. Für den Betreiber bedeutet das zusätzliche Einnahmen, denn statistisch gesehen ist immer Bandbreite übrig, für die er Gebühren erheben kann.

Der DBA-Algorithmus sollte statistisches Multiplexing implementieren, das den Burst-Charakter der Datendienste unter dem Gesichtspunkt ausnutzt, dass die Anwendungen aller Teilnehmer normalerweise nicht alle zur gleichen Zeit maximale Ansprüche stellen. Statistisches Multiplexing ermöglicht Überbuchung, wobei die theoretisch erforderliche Upstream-Bandbreite höher ist als die Kanalkapazität.

In diesem Fall ist die Summe der Maximalbandbreiten aller Teilnehmer höher als die physikalische PON-Kapazität, während die Summe aller garantierten Mindestbandbreiten unter der Upstream-Kapazität liegt. DBA kann die erforderliche QoS-Kontrolle bieten und ermöglicht damit das Überbuchen, d.h. das Überbelegen der verfügbaren Bandbreite.

SR versus NSR DBA

Es gibt zwei Kategorien von DBA-Algorithmen:

• Status Reporting (SR): Alle ONTs melden ihre von der OLT-Kalkulation zu verwendende Belegung der Upstream-Datenwarteschlange. Jedes ONT kann mehrere Transmission Containers (T-CONT) mit jeweils eigener Dienstklasse haben. Durch Kombination der Informationen über die Warteschlangenbelegung und des bereitgestellten SLA für jeden T-CONT kann das OLT die Upstream-Bandbreitenzuteilung optimieren.
• Non Status Reporting (NSR): ONTs melden keine direkten Informationen über die Warteschlangenbelegung. Stattdessen schätzt das OLT den ONT-Warteschlangenstatus, und zwar gewöhnlich an Hand der tatsächlichen Übertragung im vorhergehenden Zyklus. Wurden Leerrahmen erkannt, so wird weniger Bandbreite zugeteilt. Andernfalls wird die Bandbreite erhöht, bis Leerrahmen auftreten. Es gibt keinen optimalen Punkt für den Kompromiss zwischen langsamer Reaktion auf eine Verkehrsänderung und der Bandbreitennutzung. Wenn ein Aspekt verbessert wird, geht das immer auf Kosten des anderen. Unabhängig davon, ob mehr oder weniger Bandbreite zugeteilt wird: Die Latenzzeit wird länger und damit ungünstiger.

SR-basierte Algorithmen sind NSR-basierten in jeder Hinsicht überlegen. Der Ausnutzunggrad durch SR-basierte Algorithmen ist höher, denn das OLT über- oder unterschätzt die Warteschlangenbelegung nicht. Die Latenz bei SR-basierten Algorithmen ist niedriger, denn der Verkehr für eine vom ONT gemeldete Übertragung kann garantiert werden. NSR-basierte Algorithmen erhöhen normalerweise die Erteilungsdauer nach und nach, weshalb mehr Erteilungen benötigt werden, bis alle anliegenden Daten übertragen sind. Daher teilen SR-DBAs auf der Basis von ONT-Reports schneller zu und bieten somit eine bessere Grundlage für Überbuchung und hohe Upstream-Effizienz.

Zyklusbasierte DBA-Zuteilung und Evaluierungsparameter

Die meisten DBA-Algorithmen arbeiten mit dem Zyklus-Konzept. Ein DBA-Zyklus umfasst die Zeit für die Übertragungen von allen ONTs. Wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt, erfasst das OLT in jedem gegebenen Zyklus DBRu-Meldungen (DBRu – Dynamic Bandwidth Report upstream) von den ONTs, verarbeitet sie im Folgezyklus und nutzt das Ergebnis, um den darauf folgenden Zyklus auszulegen.

Die Zyklusdauer wirkt sich deutlich auf die IP-Serviceleistung aus, denn von ihr hängt es ab, wie schnell die Bandbreitenzuteilung auf den Datenverkehr angepasst werden kann.

Die DBA-Performance wird an Hand von drei Hauptparametern bewertet:

• Latenz – Zeit, die ein Paket in einer ONT-Upstream-Warteschlange bis zur Übertragung wartet.
• Fairness – Fähigkeit, SLAs für alle ONTs gleichmäßig zu erfüllen bzw. nicht zu erfüllen.
• Ausnutzung – Prozentsatz nutzbarer Bandbreite im Upstream-Kanal.

Die drei Kriterien hängen miteinander zusammen. Die Latenz ist in gewisser Hinsicht der wichtigste und beste Indikator für die Qualität des DBA-Algorithmus. Ausnutzung und Fairness werden optimiert, um bessere Latenz zu erzielen. Geringe Ausnutzung und mangelnde Fairness in einem DBA-Algorithmus bedeuten nicht, dass er keine niedrige Latenz erreichen kann, insbesondere in synthetischen Testfällen. Aber sie sind ein starker Hinweis darauf, dass die Latenz in der Praxis, in der starke Spitzen im Verkehr auftreten, für einige oder alle ONTs ansteigen wird.

Grundsätzlich ist geringe Latenz entscheidend für den schnellen Downstream-Betrieb des TCP-Protokolls. Eine Upstream-TCP-ACK-Meldung zu verzögern, würde die effektive Downloadrate begrenzen. Aus der Perspektive des Betreibers bedeutet eine höhere Downloadrate eine unmittelbare Steigerung der Kundenzufriedenheit. Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt den Einfluss der „Rundreisezeit“ (Round Trip Time – RTT) auf den TCP-Durchsatz.

Wird das Zugangsnetzwerk zum Flaschenhals, muss der Betreiber enormen Aufwand treiben

Für die Darstellung wurden zwei Fenster – 64 und 8 KByte – verwendet. Der RTT-Wert umfasst die gesamte Zeit vom PC zum Server und zurück einschließlich Verarbeitungszeit an beiden Endpunkten, wobei das PON nur EIN Element der Verzögerung ausmacht. In einem auf niedrige Latenz optimierten Netzwerk darf das PON keinesfalls den größeren Anteil beitragen.

Um beispielsweise einen Durchsatz von 100 MBit/s zu erreichen, sollte der gesamte RTT-Wert 5 ms betragen. Angenommen, die nicht auf das PON zurückgehende Verzögerung betrüge 3 ms, dann blieben für die PON-Verzögerung noch 2 ms, um das Ziel zu erreichen. Eine PON-Verzögerung von 7 ms würde den Durchsatz beispielsweise auf 50 MBit/s beschränken, auch wenn das Netzwerk den doppelten Durchsatz bewältigen könnte.

Wenn das Zugangsnetzwerk zum Flaschenhals wird, dann muss der Betreiber enormen Aufwand treiben, um die gesamte Netzwerkverzögerung auf 3 ms zu begrenzen – Mühe und Kosten, die man sich hätte sparen können. In solchen Fällen würde dieser gewaltige Aufwand nämlich nichts nützen, denn die PON-Verzögerung würde die gesamte Netzwerkverzögerung überschatten.

Effekt der Bandbreitenzuteilung auf die Upstream-Latenz

Angesichts des Trends zu symmetrischeren Netzwerken ist es entscheidend, die Tiefe der ONT-Upstream-Warteschlange im Upstream korrekt auszulegen. Es kommt darauf an, eine Warteschlange zu bilden, die einerseits ausreicht, um Paketverluste zu verhindern, andererseits aber keine zusätzliche, die TCP-Leistung beeinträchtigende Latenz bewirkt. Der Algorithmus für die Bandbreitenzuteilung wirkt sich wesentlich auf die Latenzminimierung und die erforderliche Puffergröße aus.

Die folgende Simulation des ONT-Upstreamverkehrs geht aus von einem Upstream-SLA von 50 MBit/s mit einem Teilnehmer, der P2P Anwendungen betreibt sowie Videos und Bilder hochlädt. Diese Anwendungen belegen die gesamte Bandbreite, weisen einige Spitzen auf, liegen aber im Durchschnitt bei 50 MBit/s.

Für die Zwecke der Simulation ist die Upstream-Warteschlange unendlich, so dass es keine Paketverluste gibt und die Upstream-Latenz kumuliert. Es werden drei Methoden für die Zuteilung der Upstream-Bandbreite durch das OLT simuliert: statische, dynamische NSR- und dynamische SR-Zuteilung. Das Netzwerk wird als voll ausgelastet angenommen, so dass keine „überschüssige“ Bandbreite zur Verfügung steht.

Abbildung 4 beschreibt die Korrelation zwischen dem burstbehafteten ONT-Upstreamverkehr und der Zuteilung. Der über den ONT-UNI-Port (UNI – User Network Interface) ankommende Upstreamverkehr liegt im Schnitt bei 50 MBit/s.

Bei statischer Bandbreitenzuteilung weist das OLT unabhängig vom tatsächlich eingehenden Verkehr konstante 50 MBit/s zu und verfolgt den ONT-Bedarf nicht. Bei NSR-basierter Zuteilung kann das OLT langsam und mit Zeitversatz auf den eingehenden Verkehr reagieren. Da die ONT-Warteschlangenbelegung aber nicht sichtbar ist, kann das OLT die Bandbreite nicht so zuteilen, dass die Warteschlange relativ leer und die Latenzzeit klein gehalten wird.

Wie Abbildung 5 zeigt, werden Upstream-Pakete, die sich in der ONT-Upstream-Warteschlange angesammelt haben, mit steigender Latenz übertragen. In allen praktischen Szenarien würde die ONT-Upstream-Warteschlange überlaufen. Pakete würde fallen gelassen und erneut gesendet. Dabei zeigt sich kein sonderlicher Unterschied zwischen NSR-DBA und statischer Zuteilung.

Wird SR-basierte Zuteilung implementiert, kann das OLT den vom OMT eingehenden Verkehr messen und kennt die Upstream-Warteschlangenbelegung des ONT. SR-basierte Zuteilung verfolgt die ONT-Anforderungen gut und leert zügig die ONT-Upstream-Warteschlange. Wie Abbildungen 5 und 6 zeigen, bleibt die Upstream-Latenz klein und relativ konstant. Es besteht kein Risiko von Warteschlangenüberlauf und Paketverlust.

Fairness ist schwer zu ereichen

Fairness ist ein schwer zu erreichender Parameter. Ein fairer Algorithmus hätte dafür zu sorgen, dass SLA-Verluste gleichmäßig auf alle ONTs verteilt werden. Dazu müsste der Warteschlangenstatus aller ONTs berücksichtigt werden. Je weniger ONTs berücksichtigt werden , um so schwieriger ist es, Fairness zu erreichen. Da im NSR-Modus oder bei statischer Zuteilung keine Warteschlangeninformationen bekannt sind, ist Fairness hier unerreichbar. Aus Betreibersicht bedeutet größere Fairness bessere Erfüllung des SLA und somit höhere Kundenzufriedenheit.

DBA minimiert die Latenz und verbessert den Ausnutzungsgrad

Der einzige Weg, ein PON mit Überbuchung und geringer Latenz zu erreichen, besteht in der Implementierung eines Algorithmus für dynamische Bandbreitenzuteilung. Ein DBA-Algorithmus minimiert die Latenz, verbessert den Ausnutzungsgrad und reagiert rasch auf Änderungen im Muster des Datenverkehrs. Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollte der DBA-Algorithmus mit Status-Reporting arbeiten. Die Qualität des verwendeten DBA setzt sich proportional in höhere Einnahmen für den Betreiber um.

Der GPON-OLT-SoC von PMC-Sierra mit vier Ports – PAS5211 – bietet die Kernfunktionalität einer GPON-konformen OLT-Lösung nach ITU-T G.984. Er stellt vollständige, in einem GPON-OLT-Baustein erforderliche Funktionalität bereit und enthält ein eingebettetes Prozessorsubsystem für PON-Echtzeitmanagement und programmierbare DBA-Algorithmen. Er arbeitet in Verbindung mit PMC-Sierras Lösungen für Optical Network Terminals (ONT) und eignet sich auch für andere GPON konforme ONT-Lösungen.

Durch DBA-Implementierung mit Status-Reporting (SR-DBA) im GPON-Upstream-Kanal kann der Betreiber sein Netzwerk überbuchen und durch Ausnutzung der Bursthaftigkeit des Datenverkehrs 5 GBit/s und darüber an zugeteilter Upstream-Bandbreite bereitstellen. Mit statistischem Multiplexing und ONT-Reports lässt sich die Latenz um bis zu 90% reduzieren.

Onn Haran ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, Amir Sheffer Produktlinienmanager bei PMC-Sierra

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