每逢春节、国庆等重大节日,大家印象最深就是一个字“堵”,而2023年中秋国庆“双节”期间,全国高速公路流量累计更是达到了4.83亿辆次,日均6043万辆次,更让大家体验到了“绝望”的拥堵,数小时的车程延长到了数十小时,宝贵的时间都浪费在路上,出行体验十分糟糕。
图1 交通拥堵示意图
如果类似的状况发生在办公网络上,又会是一种什么样的体验呢?视频会议“马赛克”、大包文件“反复传”、远程协作“慢半拍”等种种网络时延带来的影响再次让人 “崩溃”。
图2 网络拥堵示意图
影响网络时延的因素很多,比如传输距离、网络拥塞情况,还有就是很容易被忽略的网络架构和转发机制。而目前在办公网络应用较多的网络架构,除了主流的以太网之外,还有PON(Passive Optical Network无源光网络)网络架构。今天我们一起来看一下这两种网络架构对网络时延影响的区别。
网络时延一般可以分为传播时延、处理时延、排队时延以及发送时延等。
所谓传播时延,是指光(电磁波)在信道中(例如光纤)传播一定的距离需要花费的时间,考虑到介质的折射率以及全反射会使实际路径变长,因此在光纤中的速度低于光速,其传输速度约为2*10^5km/s,也就是大约 5us/km。传播时延主要跟传播距离强相关,不同的网络架构区别不大。
除了传播时延,还会有处理时延、排队时延以及发送时延,这几种时延受网络设备、组网架构、关键技术等因素影响较大。
以太网的转发机制比较简单,只需要基于帧的网络交换处理,从接入到汇聚,汇聚到核心都是独享带宽,这就好比是独立划分车道的高速路,时延比较稳定。另外,以太网交换机采用企业级专用芯片直接转发,每次转发时延几乎都小于5us,在普通办公网络三层组网架构中,引入的时延影响很小,可忽略不计。
而PON网络还需要进行TDMA(Time Division Multiple Access)时分复用、以及DBA(Dynamic Bandwidth Assignment动态带宽分配)调度交互、ONU上线开窗预留等处理过程,因此会额外引入一定程度的时延,导致网络时延抖动较大,达不到确定性us级,这也是PON网络架构当前无法作为5G回传网络方案的主要原因之一。
造成PON办公网络“高时延”的三大因素:
1、TDMA时分复用
在PON网络中,一个OLT(Optical Line Termination 光线路终端)的PON口下会连接多台ONU(Optical Network Unit光网络单元)设备,上行数据采用TDMA共享信道方式传输,由OLT统一给一个PON口下的所有ONU统一分配发光时隙,也就是说在每个时刻,只有一个ONU可以发光传输上行数据,其他的ONU要排队。这就好比本来是多个车道,到OLT那里需要合并成一个车道,体验过高速堵车人都会知道是多么崩溃。
图3 PON网络上行TDMA示意图
由于上行的TDMA机制,ONU只能在属于自己的时隙范围内发送上行数据,这个过程中会引入一定程度的时延,时隙排在后面的ONU只能等待一段时间才能发送数据,这段时间的数据包保存在ONU的缓存中。GPON(Gigabit Passive Optical Network吉比特无源光网络)的上行帧长固定为125us,因此上行的TDMA机制会引入125us的时延。
2、DBA调度交互
在GPON系统中,一个PON口会下挂多个ONU,每个ONU需要严格按照TDMA的时刻要求发送上行数据,以保证不会出现发送冲突,这个时隙管理和分配的过程由OLT完成,由于各个ONU的业务和流量处于不断变化的状态,存在较大差异,采用平均分配时隙的方式不合适,为了提升带宽利用率,标准定义了用于管理上行PON流量的DBA动态带宽分配协议。
OLT内部DBA模块不断收集ONU上报的DBRu报告,进行计算,并将计算结果以BW Map的形式下发给各ONU。各ONU根据BW Map信息在各自的时隙内发送上行数据,占用上行带宽。这样就能保证每个ONU可以根据实际的发送数据流量动态调整上行带宽,提升了上行带宽的利用率。但也正因为这个交互的机制,导致网络时延和抖动劣化。
3、ONU上线开窗预留
在PON网络中,OLT需每过一段时间(0-10s)需要探测有无新ONU上线,这个时候OLT会让所有的ONU停止发送上行数据,等新的ONU上线注册完成以后,ONU才能再开始发送数据。这种感觉就好比坐公交车,每走一段路就要停下来等一会儿。
图4 PON网络预留给ONU上线的开窗时间
由于典型PON系统允许的ONU距离需要覆盖0~20km,在光纤上传输的往返时延差达到200us,再加上开窗时ONU的随机时延48us以及ONU响应时间2us,因此PON网络中自动发现ONU上线的开窗时间预留了250us,这个过程会额外引入250us的时延抖动。
写在最后
网络时延的计算远不止于数算链路的数量那般简单。事实上,它要求我们综合考虑多种因素,其中包括传输距离、网络架构以及转发机制。这些元素共同作用,决定了数据在网络中的传输时延。因此,在评估和优化网络性能时,我们也需要全面考虑这些关键因素,以确保网络的高效和稳定运行。