揭秘造成PON辦公網絡“高時延”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6043萬輛次，更讓大家體驗到了“絕望”的擁堵，數小時的車程延長到了數十小時，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

  如果類似的狀況發生在辦公網絡上，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”、遠程協作“慢半拍”等種種網絡時延帶來的影響再次讓人 “崩潰”。

圖2 網絡擁堵示意圖

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

  網絡時延一般可以分為傳播時延、處理時延、排隊時延以及發送時延等。

  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，不同的網絡架構區別不大。

  除了傳播時延，還會有處理時延、排隊時延以及發送時延，這幾種時延受網絡設備、組網架構、關鍵技術等因素影響較大。

  以太網的轉發機制比較簡單，只需要基于幀的網絡交換處理，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，時延比較穩定。另外，以太網交換機采用企業級專用芯片直接轉發，每次轉發時延幾乎都小于5us，在普通辦公網絡三層組網架構中，引入的時延影響很小，可忽略不計。

  而PON網絡還需要進行TDMA(Time Division Multiple Access)時分復用、以及DBA(Dynamic Bandwidth Assignment動態帶寬分配)調度交互、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，導致網絡時延抖動較大，達不到確定性us級，這也是PON網絡架構當前無法作為5G回傳網絡方案的主要原因之一。

  造成PON辦公網絡“高時延”的三大因素：

  1、TDMA時分復用

  在PON網絡中，一個OLT(Optical Line Termination 光線路終端)的PON口下會連接多臺ONU(Optical Network Unit光網絡單元)設備，上行數據采用TDMA共享信道方式傳輸，由OLT統一給一個PON口下的所有ONU統一分配發光時隙，也就是說在每個時刻，只有一個ONU可以發光傳輸上行數據，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發送上行數據，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送數據，這段時間的數據包保存在ONU的緩存中。GPON(Gigabit Passive Optical Network吉比特無源光網絡)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調度交互

  在GPON系統中，一個PON口會下掛多個ONU，每個ONU需要嚴格按照TDMA的時刻要求發送上行數據，以保證不會出現發送沖突，這個時隙管理和分配的過程由OLT完成，由于各個ONU的業務和流量處于不斷變化的狀態，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動態帶寬分配協議。

  OLT內部DBA模塊不斷收集ONU上報的DBRu報告，進行計算，并將計算結果以BW Map的形式下發給各ONU。各ONU根據BW Map信息在各自的時隙內發送上行數據，占用上行帶寬。這樣就能保證每個ONU可以根據實際的發送數據流量動態調整上行帶寬，提升了上行帶寬的利用率。但也正因為這個交互的機制，導致網絡時延和抖動劣化。

  3、ONU上線開窗預留

  在PON網絡中，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停止發送上行數據，等新的ONU上線注冊完成以后，ONU才能再開始發送數據。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網絡預留給ONU上線的開窗時間

  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網絡中自動發現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

  網絡時延的計算遠不止于數算鏈路的數量那般簡單。事實上，它要求我們綜合考慮多種因素，其中包括傳輸距離、網絡架構以及轉發機制。這些元素共同作用，決定了數據在網絡中的傳輸時延。因此，在評估和優化網絡性能時，我們也需要全面考慮這些關鍵因素，以確保網絡的高效和穩定運行。