HINOC网络中的动态带宽调度算法

HINOC网络中的动态带宽调度算法
作者：彭武熹施韵万立
来源：《电脑知识与技术》2013年第05期
摘要：该文首先介绍了动态带宽分配算法的必要性，而后对HINOC网络中动态带宽分配算法进行了讨论，最后提出一种基于HINOC网络环境的动态带宽算法。

关键词： HINOC；动态带宽分配；三网融合
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1008-02
1 综述
同轴电缆宽带接入技术（HIgh performanceNetwork Over Coax， HINOC），在光纤到楼（FTTB）的网络结构基础上，利用小区楼道和户内已经敷设、分布广泛的有线电视同轴电缆，构建高速的信息接入网，目前已被我国正式确定为三网融合标准之一[1]。

在HINOC网络中，单信道能提供的最大理论带宽为112Mbps，最多支持32个用户，信道接入采用时分复用方式。

用户在线时间不同，带宽需求也各不相同，为保证各个用户能有较好的用户体验，必须要设计一种高效、公平、稳定的带宽动态分配算法（Dynamic Bandwidth Allocation，DBA）[1]。

2 基于HINOC网络的DBA算法研究
HINOC网络由一个HB（HINOC Bridge）及若干个HM（HINOC Modem）组成，HB上联广域网，HM连接用户家内上网终端，二者之间通过同轴电缆连接。

逻辑拓扑采用星型结构，如图1所示：
其中HB为主节点，HM为从节点，HINOC网络链路接入采用时分复用方式，以64毫秒为一个周期，以下简称PD周期。

各PD周期之间是相互独立的，每周期进行一次网同步。

HB 和HM间使用MAP帧（Media Access Packet）完成DBA功能，HB下发MAP帧发布信道规划，HM根据MAP帧的规划进行数据收发，以避免信道冲突[3]。

本文提出的HINOC网络DBA算法基于令牌桶设计。

以HM的发送接收时间作为带宽的衡量标准，单位为ms。

每PD周期（64ms）统计一次[4]。

HB统计各HM的带宽比Ci及当前在线HM情况Li（Li=0：离线；Li=1：在线），计算当前实际HM带宽比Ai，计算方法如公式2-1所示。

[Ai=Ci×（（Ci×Li））] （2-1）
将Ai与PD周期相乘得到每个HM在一个PD周期中使用时间，如公式2-2所示。

[Si=Ai×Tpd] （2-2）
而每一个使用时间包括发送时间和接收时间之和，即下行时间和上行时间，通过配置参数下行帧/上行帧（D：U）进行约束，计算方法如公式2-3，2-4，2-5所示。

[Di=Si×D÷（D+U）] （2-3）
[Ui=Si×U÷（D+U）] （2-4）
[D=（Di×Li），U=（Ui×Li）] （2-5）
各HM的调度方式采用令牌桶算法，每个HM有2个令牌桶，两个桶中的令牌数分别对应该HM的每个PD周期中计划分配的上行总时间和下行总时间。

当HB为某个HM分配了上/下行时间后，从对应的令牌桶中减少对应的令牌数。

对于HB来说，为每一个在线的HM分配上行时间总是成功的，即每隔一段时间，HM即有一段上行时间进行数据传送。

而分配下行时间却未必成功，当HM对于的HB的下行队列中没有数据可供发送（或者数据量不足的时候）时，系统将该段时间片进行保留。

无论下行时间是否真正分配成功，系统均认为该时间片已分配，相应的令牌桶依旧会相应减少。

当某个HM的令牌数减少为0后，暂停止为该HM分配带宽，优先分配令牌数不为0的HM；当所有HM的令牌数均减少到0后，如果该pd周期依旧存在空闲时间，将依据上述算法对空闲时间进行分配。

整个算法的过程如图2所示。

在上述过程中利用ROUND ROBIN算法来确定第一个被轮询到的HM，以此来体现算法的公平性[5]。

前一PD周期中的所有状态均不会带入到下一个PD周期中，对于系统来说每个PD周期都是一个新的开始。

3 算法仿真验证及结果分析
对上述算法通过VC及TeeChart工具进行仿真实验，结果如图3所示。

从图3中可见，当有2个HM在线时，权值相同但速率不同的情况下，在一个PD周期中两个HM被分得的总上行时隙及总下行时隙基本相同。

图3中间的统计图代表一个PD周期内被各HM被分得的发送时隙的情况。

可见由于速率不同，速率值小表示该HM的传输速度快，则每次发送相同数据量所需要的时间较少，因此在总时间相同的情况下可以分得更多的发送机会。

当网管希望不同的HM占用不同的带宽时通过修改权值可以达到目的，其仿真结果如图4所示。

显然，当修改用户的权值后其被分配的总发送时间发生了变化，权值大的HM将获得更多的发送时间，实现了带宽差异化管理的需求。

以上实验说明本文提出的动态带宽分配的算法是一种公平的、灵活的、可操作的带宽分配算法，可以作为HINOC网络环境中动态带宽分配的解决方案。

参考文献：
[1] 赵玉萍，崔竞飞.HINOC同轴电缆接入系统概述[D].高性能同轴电缆接入技术研究与实现论文集，2011.3.
[2] Netron.动态带宽分配——在网络建设中的黄金标准. 金国钧，译. 有线电视技术.
[3] 张冰，李红滨，等.利用有线电视网带外信道的多业务宽带接入网技术研究.863项目申请书（2006AA012212）.西安电子科技大学，2006.9.
[4] 樊荣，万立，等.Hinoc MAC软件总体方案. 中船重工第七二二研究所，2013.1.
[5] M Shreedhar， G Varghese. Efficient Fair Queuing Using Deficit Round Robin.Proceedings for SIGCOMM'95，1995.。