揭秘造成企业办公PON网络“高时延”的三大因素

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。

造成企业办公PON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。

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