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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
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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
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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
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核心網路與存取網路之耗能比例 乙太網路匯集器 Ethernet Aggregators
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相關技術介紹 PON MPCP IPACT DBA
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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
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被動式光纖網路(PON): 架構
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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
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上行傳輸 上行(ONU to OLT): 分時多工存取(TDMA) 多點對單點(Point-to-multipoint)
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下行傳輸 下行(OLT to ONU): 分時多工(TDM) 單點對多點(Point-to-multipoint) 廣播
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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
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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
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IPACT (Cont.) Polling table ONU Byte RTT 1 2500 100 2 1800 200
說明GATE為G 說明REPORT為R
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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最長節能時間
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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。
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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
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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
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Active mode至Sleep mode
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節能模式喚醒
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Sleep mode至Active mode
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Sleep mode至Doze mode
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Doze mode至Sleep mode
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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
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模擬結果 與原設計之比較 上下行門檻值之影響
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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
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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。
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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
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EPON之比較：平均耗能 平均耗能圖
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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
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EPON之比較：高優先權最大下傳延遲
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EPON之比較：低優先權平均下傳延遲
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EPON之比較：低優先權最大下傳延遲
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EPON之比較：高優先權上傳延遲
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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。
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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
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10G-EPON之比較：平均耗能
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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
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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
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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
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Thanks for listening
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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
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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
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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
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10G-EPON之比較： 高優先權平均下傳延遲
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10G-EPON之比較： 低優先權平均上傳延遲
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10G-EPON之比較： 低優先權最大上傳延遲
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10G-EPON下門檻值之影響： 高優先權平均下傳延遲
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10G-EPON下門檻值之影響： 低優先權平均上傳延遲
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10G-EPON下門檻值之影響： 低優先權最大上傳延遲
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