乙太被動式光纖網路中 具流量感知性質之節能機制設計 The Design of Loading Aware Power Saving Mechanisms in Ethernet Passive Optical Network 學生：簡嘉志 指導教授：吳和庭 博士 2016/07/31

Outline 動機與目的 相關技術介紹 流量感知性質節能機制 模擬結果 結論

動機與目的 用戶對於網路頻寬需求增加 目前主要用於存取網路的架構為被動式光纖網路 例如：HDTV、IPTV、智慧型手持裝置 目前主要用於存取網路的架構為被動式光纖網路 被動式光纖網路(Passive Optical Network, PON) 可以有效提高頻寬、維護成本低、擴充與維護容易

核心網路與存取網路之耗能比例 乙太網路匯集器 Ethernet Aggregators

相關技術介紹 PON MPCP IPACT DBA

被動式光纖網路(PON) 被動式光纖網路(Passive Optical Network)簡稱為PON。 由OLT、Combiner / Splitter和多個ONU所組成。 光線路終端(Optical Line Terminal, OLT) 位於中央機房(Central Office, CO) 光學組合器(Optical Combiner) / 光學分歧器(Optical Splitter) 光網路單元(Optical Network Unit, ONU) 位於接近使用者端 被動式指的是不耗電元件: 光學組合器、光學分歧器

被動式光纖網路(PON): 架構

乙太被動式光纖網路(Ethernet PON) 乙太被動式光纖網路簡稱為EPON，又稱為1G-EPON。 於PON架構上傳送乙太網路封包。 上行傳輸(ONU to OLT): 分時多工存取(TDMA) 多點對單點(Multipoint-to-point) 下行傳輸(OLT to ONU): 分時多工(TDM) 單點對多點(Point-to-multipoint) 廣播

上行傳輸 上行(ONU to OLT): 分時多工存取(TDMA) 多點對單點(Point-to-multipoint)

下行傳輸 下行(OLT to ONU): 分時多工(TDM) 單點對多點(Point-to-multipoint) 廣播

多點控制協定(MPCP) 多點控制協定(Multi-Point Control Protocol)是一種訊息交換的 協定。 五種控制訊息: REGISTER、REGISTER_REQUEST、REGISTER_ACK: 用於ONU自動尋找階段 (1)自動尋找(Auto-discovery)、(2)註冊(Registration) 、(3)測距(Ranging) GATE、REPORT: 用來分配頻寬和要求頻寬 可以透過這兩種控制訊息的資訊來避免碰撞，由OLT分配上下行頻寬和時間 自動尋找： 透過handshaking方式搜尋要加入PON系統的ONU 註冊：將ONU註冊 測距：因為ONU距離可能不相同，透過測距紀錄RTT

適應性週期交錯式輪詢(IPACT) Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time 簡稱為IPACT。 提升頻寬使用率 頻寬配置 限制傳輸上限max transmission window(MTW) 服務方式 Round-Robin輪詢已經註冊的ONU 過去的Polling and Stop：要先將前一個ＯＮＵ的上下行服務完，才可以服務下一個ＯＮＵ IPACT 希望可以讓上傳間隔只有guard time

IPACT (Cont.) Polling table ONU Byte RTT 1 2500 100 2 1800 200 說明GATE為G 說明REPORT為R

IPACT (Cont.) Polling table ONU Byte RTT 1 2500 100 2 1800 200 ＯＮＵ1會根據目前上傳佇列的情況，對下一個cycle做上傳頻寬請求

IPACT (Cont.) Polling table ONU Byte RTT 1 2500 100 2 1800 200 1500 100 2 1800 200 ONU 1 request 1500 bytes 說明此時Polling table已經更新

IPACT (Cont.) Polling table ONU Byte RTT 1 2500 100 2 1800 200 1500 100 2 1800 200 Polling table ONU Byte RTT 1 1500 100 2 1200 200 ONU 2 request 1200 bytes

動態頻寬分配(DBA) 動態頻寬分配(Dynamic Bandwidth Allocation)是一種管理頻寬 的方式。 主要目的：讓上行傳輸更有效率並且避免傳輸時發生碰撞。 使用MPCP的GATE和REPORT訊息避免碰撞。 GATE和REPORT訊息中包含傳輸量與時間 使用IPACT 頻寬使用率增加 傳輸上限 輪詢已經註冊的ONU 因為每一個cycle對於上傳需求都不同，所以需要針對需求做動態分配

流量感知性質節能機制 流量感知性質模式之介紹 喚醒節能機制之時機 模式同步之方式 節能機制之設計

流量感知性質節能模式 啟動模式 節能模式 Active mode Doze mode Sleep mode Tx On Off Rx

喚醒節能模式之時機 高優先權上傳封包出現 最長節能時間1秒鐘 Early wake up機制：避免高優先權封包延遲時間長，ONU會立刻結束 節能模式回到Active mode 最長節能時間1秒鐘 必須轉換至Active mode與OLT互動

最長節能時間

流量負載度高低之判斷流程 判斷高優先權佇列是否為空。 因為本論文會使用限制一次最大傳輸量，所以當小於MTW會視為符合條件之一。 Remaining loading的定義根據OLT與ONU有略微差異，會在下一張投影片做說明。

流量量測之方式   𝐷𝑜𝑤𝑛𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚 𝑟𝑒𝑎𝑚𝑎𝑖𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑙𝑜𝑎𝑑𝑖𝑛𝑔= Downstream queue size GATE interval 先講OLT，再講ONU 𝑈𝑝stream reamaining 𝑙𝑜𝑎𝑑𝑖𝑛𝑔= Upstream queue size REPORT interval

Active mode至Doze mode OLT的能源狀態：現在OLT認知ONU的狀態 ONU的能源狀態：ONU自己本身的狀態

Active mode至Sleep mode

節能模式喚醒

Sleep mode至Active mode

Sleep mode至Doze mode

Doze mode至Sleep mode

睡眠時間達20 ms且高流量負載 或是ONU被喚醒 本研究機制與三模式節能機制之異同 模式 三模式節能 流量感知式節能 從 至 上傳佇列 下傳佇列 Active Doze 佇列為空 佇列有封包 低流量負載 高流量負載 Sleep ONU被喚醒 不影響 睡眠時間達20 ms且高流量負載 或是ONU被喚醒 只因為睡眠時間達20 ms而喚醒 睡眠時間達20 ms且低流量負載

模擬結果 與原設計之比較 上下行門檻值之影響

EPON架構之參數 Parameter Value ONU Count 16 Downstream Channel Capacity 1 Gbps Upstream Channel Capacity OLT-ONU Distances 20 km Traffic Pattern Self-similar Guard Interval 5 µs Frame size 64 bytes~1518 bytes ONU queue size 100 Mbytes Maximum transmission window(MTW) 15000 bytes Simulation Time 50 seconds Bandwidth allocation IPACT Limited Service Y （Timer for Sleeping Time） 20 ms Maximum energy saving time 997 ms(less than 1 second) 模擬環境在OMNET上 5 microsecond

EPON下能源模式之比例 Parameter Value Downstream threshold 150 Mbit/s Upstream threshold 20 Mbit/s Energy state ratio 是將三個模式總和對1做正規化的結果 上下傳負載度1為標準化(Normalized)之後的數值，以本研究對EPON的參數而言，表示平均一個ONU產生100Mbps的傳輸量。

EPON之比較：各模式比例差異 0.45：觀察Doze mode 0.65：觀察Sleep mode 觀察Active mode與Doze mode的變化

EPON之比較：平均耗能 平均耗能圖

EPON之比較：高優先權平均下傳延遲 增加原因：下行沒有提早喚醒 0.65：沒有差別

EPON之比較：高優先權最大下傳延遲

EPON之比較：低優先權平均下傳延遲

EPON之比較：低優先權最大下傳延遲

EPON之比較：高優先權上傳延遲

EPON之比較：低優先權平均上傳延遲 因為上行有使用流量感知機制

EPON之比較：低優先權最大上傳延遲 因為上行有使用流量感知機制

EPON下門檻值之影響：參數設定 模擬一 模擬二 模擬三 Network architecture EPON   模擬一 模擬二 模擬三 Network architecture EPON Upstream loading 0.1 High priority ratio 50% Downstream threshold (Mbit/sec) 150 Upstream threshold (Mbit/sec) 20 門檻值為0，即為不使用loading aware

EPON下門檻值之影響：平均耗能 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream 以0.35為分界

EPON下門檻值之影響： 高優先權平均下傳延遲 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream

EPON下門檻值之影響： 低優先權平均上傳延遲 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream

EPON下門檻值之影響： 低優先權最大上傳延遲 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream

10G-EPON 在2009年，制定10G-EPON的IEEE 802.3av標準。 目前OLT採取兩種不同速率的接收器，可以接收來自1G和10G的 資料。至於下傳通道是分開的，也可以分別傳送給1G和10G的 ONU。 Upstream downstream 對稱式 10G 非對稱式 1G

EPON與10G-EPON之標準 EPON 10G-EPON Year 2004 2009 Standard IEEE 802.3ah   EPON 10G-EPON Year 2004 2009 Standard IEEE 802.3ah IEEE 802.3av Rate(down/up) 1G/1G 10G/10G 10G/1G Span (km) 20 Split-ratio 16 32

10G-EPON架構之參數 Parameter Value ONU Count 32 Downstream Channel Capacity 10 Gbps Upstream Channel Capacity OLT-ONU Distances 20 km Traffic Pattern Self-similar Guard Interval 5 µs Frame size 64 bytes~1518 bytes ONU queue size 1000 Mbytes Maximum transmission window(MTW) 40000 bytes Simulation Time 10 seconds Bandwidth allocation IPACT Limited Service Y （Timer for Sleeping Time） 20 ms Maximum energy saving time 998ms(less than 1 second) 上下傳負載度1為標準化(Normalized)之後的數值，以本研究對10G-EPON的參數而言，表示平均一個ONU產生1Gbps的傳輸量。

10G-EPON下能源模式比例 Parameter Value Downstream threshold 600 Mbit/s Upstream threshold 40 Mbit/s Energy state ratio 是將三個模式總和對1做正規化的結果 上下傳負載度1為標準化(Normalized)之後的數值，以本研究對10G-EPON的參數而言，表示平均一個ONU產生1 Gbps的傳輸量。

10G-EPON之比較：各模式比例差異 以0.15看Doze mode 0.325之後Active mode的減少 = Doze mode的增加

10G-EPON之比較：平均耗能

10G-EPON下門檻值之影響：參數設定 模擬四 模擬五 模擬六 Network architecture 10G-EPON   模擬四 模擬五 模擬六 Network architecture 10G-EPON Upstream loading 0.01 High priority ratio 50% Downstream threshold (Mbit/sec) 600 Upstream threshold (Mbit/sec) 40

10G-EPON下門檻值之影響：平均耗能 Loading Aware 模擬四 模擬五 模擬六 Downstream 有 無 Upstream

結論 本研究改善三模式節能機制之節能效果 節能效果提升<=>封包延遲時間提升 未來應考慮模式轉換的時間 下傳負載低： 高優先權封包平均下傳延遲時間增加 (受到下行的門檻值影響) 下傳負載高： 低優先權封包平均與最大上傳延遲時間增加 (受到上行的門檻值影響) 未來應考慮模式轉換的時間 如：ONU需要更早喚醒 結果在EPON和10G-EPON趨勢相同 Timer時間需要扣掉switch overhead

Thanks for listening

EPON下門檻值之影響： 高優先權最大下傳延遲 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream

EPON下門檻值之影響： 高優先權平均上傳延遲 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream

EPON下門檻值之影響： 高優先權最大上傳延遲 Loading Aware 模擬一 模擬二 模擬三 Downstream 有 無 Upstream

10G-EPON之比較： 高優先權平均下傳延遲

10G-EPON之比較： 低優先權平均上傳延遲

10G-EPON之比較： 低優先權最大上傳延遲

10G-EPON下門檻值之影響： 高優先權平均下傳延遲

10G-EPON下門檻值之影響： 低優先權平均上傳延遲

10G-EPON下門檻值之影響： 低優先權最大上傳延遲