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动态分组传输技术和性能1. DPT环路体系结构和术语 2. DPT/SRP特性 3. 环路回弹性及恢复 4. DPT应用 5. 城域IP接入环路 6. 园区网络 7. SRP运行情况 8. SRP-fa概述 9. SRP-fa规则 10. DPT/SRP性能模拟 11. 总结 12. 参考文献 客户对基于IP的应用、连接及业务的需求激增，使IP光网络基础设施的效率和可扩展性成了人们关注的焦点。基于web的电子商务及IP话音 (VoIP)和VPN IP数据业务的激增促使人们日益看好数据业务，因此将数据优化作为下一代网络设计的基础已经成为一种趋势。一直以来，老一代设计模式都涉及为业务影响状况静态设置时隙及预设置带宽。例如，典型的远距离四光纤双向线路交换环路(BLSR)保存一半的环路容量，这些带宽将一直处于闲置状态，直到进行故障切换为止。 思科动态分组传输(DPT)是一项新一代光环路网络技术，使光纤环路的所有带宽均可得到利用。DPT支持从多层基础设施设备演进到基于第3层（IP/多协议标签交换MPLS）业务和光传输层的智能网络业务。Cisco DPT技术利用一种名为空间复用协议（SRP）的全新 媒体接入控制(MAC)层协议,该协议设计用于在局域网（LAN）、城域网(MAN)和广域网（WAN）中支持可扩展的优化IP数据包聚合。通过使用公平算法及目的地数据包剥离，SRP可在DPT光纤环路中实现对全局带宽公平使用及局部空间复用。SRP可扩展大量节点，同时在端到端延迟要求范围内提供有保证的高优先级IP数据包传输。目前，IEEE Resilient Packet Ring Study Group (RPRSG)及IETF IP over Packet Transport Ring (IPoPTR) BoF正在考虑将 SRP协议作为标准协议。本文将讨论以下内容: 简要说明 DPT/SRP体系结构及术语 讨论 DPT/SRP分组优化传输技术的主要特性 深入讨论LAN、MAN及WAN应用中基于DPT传输的IP网络 分析构成DPT传输技术基础的 MAC协议: SRP及其公平算法 使用OPNET SRP建模模拟来研究DPT/SRP光纤环路网络的带宽使用公平性 （该网络传输任意IP数据包业务），包括与通过分级体系DPT网络环路传输的低优先级数据包和高优先级话音数据包相关的一般TCP/IP数据包延迟特性；模拟研究涉及到对比DPT/SRP与以太网交换环路性能、DPT/SRP网络的使用公平性以及它在网络链路发生故障时的融合能力。1DPT环路体系结构和术语DPT/SRP使用双向环路，该环路包括两条对称的反向循环光纤环路，每条光纤均可被同时用来传输数据及控制包。图1显示了DPT环路体系结构。图1：DPT环路为了区分这两条环路，我们将一条称为内环，另一条称为外环。DPT通过向一个方向（下行）发送数据包并在另一条光纤上向相反方向（上行）发送相应的控制包来运行。因此，DPT可以同时利用这两条光纤来最大限度地提高分组传输带宽并加速控制信号的传播，以便实现自适应带宽使用及自愈目标。2DPT/SRP特性空间复用DPT环路的一个主要特性便是其带宽效率。利用SRP的空间复用功能，DPT环路可以大幅度提高总聚合带宽。FDDI及令牌环等以前的数据环路技术进行源剥离。例如，被发送器从环路中剥离之前数据包在整条环路上循环并使用带宽。相反，SRP采用目的地剥离。目的地节点可从环路上剥离数据包，因此可解放出该环路其它分段上的全部带宽，以供其它数据包使用。每个环路节点都可同时将数据包发送到环路中，这便为实现最有效的环路带宽使用提供了大好机会。图2简要介绍了空间复用是如何工作的。在这个实例中，节点4、5和1分别向节点7、6和3发送业务。让目的地节点从环路中剥离单播数据使位于该环路下行位置的其它节点能够完全使用环路带宽。这意味着节点1可以完全使用到节点3的带宽，而不影响在该环路的其它部分上同时传输其它话务。图2：空间复用公平性DPT环路上的每个节点都执行一种名为 SRP公平算法(SRP-fa)的分布式拷贝，以确保实现下述目标： 全局公平性 - 每个节点都可控制向环路上转发数据包的速度，使节点不会成为带宽黑洞，从而不会出现带宽饥饿或过度延迟现象，保证每个节点都获得自己应得的环路带宽份额。 本地优化 - 确保环路节点可最大限度地利用环路的空间复用特性，这样便可在业务局部化不对其它环路节点产生负面影响的情况下使环路节点能够利用本地话路段上的更多带宽，即超过它们应得的公平带宽。 可扩展性 - SRP-fa旨在提供高效且可扩展的带宽控制，以便处理带有大量路由器(最多128个节点)的环路，该环路在广泛的地区内以高速运行(OC-48c/STM-16c和OC-192c/STM-64c)。SRP-fa的更详细介绍以及它的模拟研究请参见SRP-fa概述。3环路回弹性及恢复DPT环路利用智能保护交换技术(IPS)来提供积极的性能监视及快速自愈，并可在环路节点或光纤设施事件或故障后提供IP业务恢复功能。图3显示了一种环路光纤链路故障情况。图3：智能保护切换技术IPS提供： 积极的性能监视、错误检测及隔离。IPS可以在SONET/SDH或暗光纤和波分复用（WDM）上运行。 可在检测出第1层故障/事件后，通过绕接（wrap）实现50-毫秒自愈而无需重新融合（更新）第3层路由协议。 可在绕接后提供最佳的数据包返回路径而不要求专用保护带宽。 在同时出现多个错误或事件时的保护交换分级体系。 多层意识 - IPS监视并处理第1、2和3层的事件，而不是只处理第1层事件，可以提供数据包直通模式等更多数据包优化功能，以便在发生影响业务的第3层事件时避免绕接。 即插即用操作 - IPS无需广泛的配置和设置操作（涉及到环路节点名称/地址以及拓扑图构建）。4DPT应用DPT技术可实现大量可创收且节约成本的LAN、MAN及WAN应用。PoP内连接大型IP服务供应商所面临的一个主要问题是如何提供强韧的高性能PoP内连接并经济高效地扩展PoP，以便满足持续的IP业务量及业务的增长需求。图4显示了目前可以选择的其它体系结构。图4：其它的PoP间连接解决方案这些体系结构的主要问题包括： 向更高带宽的扩展 (此后很快扩展到622 Mb 和 2.4 Gb) 在发生影响业务的故障时进行积极的性能监视和快速自愈 由于双归要求及接入路由器数量的增长造成端口数量激增 由于采用多项技术、更大数量的网元(如中间交换机)及采用带宽低效的负载平衡模式而增加了复杂性DPT环路可通过以下特征为这个充满挑战的环境提供最佳解决方案: 可扩展的带宽 - DPT环路一开始具备622 Mb(不包括统计复用和空间复用前)带宽，并可随时扩展到2.5 Gb和10 Gb解决方案。 消除了与中间第2层交换解决方案相关的复杂性。 大幅度减少端口数量 - 每个路由器只要求一个DPT环路卡。 提供本地积极性能监视、双归、自愈及负载平衡功能。DPT IP网际互连分级体系 DPT环路可通过环路分级体系同时为本地接入聚合及MAN/WAN连接提供卓越支持。接入聚合环路用来终接大量客户接入线路并将它们聚合到用作话务合并及分配点的高速路由器中。这些路由器随后通过更高速度的分配环路互连，同时提供到互连网骨干的网状连接(图5)。图5：DPT环路分级体系5城域IP接入环路如图6所示，DPT技术的另一个重要应用是城域/市郊IP接入环路。这些环路为高层企业或住宅大楼中多个租户以及市郊商业区提供接入。位于大楼地下室中的一个路由器使多个大楼租户能够接入由聚合IP服务供应商销售的一系列强韧的高带宽IP业务，包括虚拟专用网络(VPN)和互连网接入以及低成本的IP话音和视频业务。图6：城域接入环路6园区网络环状体系结构经常是企业园区网络设计的重要组份，FDDI环路位于园区和大楼骨干中，而且越来越多地用于SONET/SDH环路及面向高层分布式园区的SONET/SDH可管理带宽业务中。DPT能够经济高效的进行大规模带宽升级，同时保持自愈环路的优势，因此可从FDDI环路进行逻辑演进，以建立大楼内骨干网络及数据中心互连 (图7)。 图7：园区环路空间复用协议(SRP)在DPT环路上，每个节点都在其MAC层执行SRP-fa的分布式拷贝。为了更好地说明 SRP的运行情况及其公平算法，图8显示了SRP节点的详细视图。图8：SRP节点详细视图7SRP运行情况以下是SRP的主要功能: 接收运行，如果数据包的目的地址（DA）与该节点相匹配，进入节点的入局数据包会被拷贝到接收缓存中。如果与DA相匹配的数据包还是单播数据包，则该数据包被剥离并被传输到适当的更高层流程中。如果下述条件成立，则该数据包被放置在转接缓冲器 (TB)中以便被转发到下一个节点。o 该数据包的DA与节点地址不匹配 o 该数据包是组播数据包且该数据包的源地址(SA)与节点地址不匹配 o 数据包通过保活时间及循环冗余检查(CRC)测试 传输运行，节点发送的数据包可以是来自TB的转发数据包，也可以是由节点发送且通过Tx缓冲器的传输数据。首先发送的始终是高优先级转发数据包。只要低优先级转接缓冲器（LPTB）尚有空间，就可以发送高优先级传输数据包。一组使用计数器可监视低优先级传输数据及转发数据的发送速度。低优先级数据只有在下述情况下才能被发送，即使用情况计数器在SRP-fa规则允许的范围内且LPTB没有超出低优先级门限。8SRP-fa概述当一个SRP节点遭遇拥塞时，它将通过对应环路向上行节点公布其使用情况计数器的数值。使用计数器通过一种低通过滤功能运行以便稳定反馈信息。上行节点将调节传输速度，使其不超出公布的数值。节点还向与其紧密相连的上行邻点广播所接收到的公布数据。接收公布数值、同时也遭遇拥塞的节点广播其传输使用情况以及公布使用情况中的较低者。当低优先级转接缓冲器达到拥塞门限时，可检测出拥塞。定期生成使用数据包来承载公布的数值，并用做保活信息来通知上行链路有有效数据链路。SRP-fa仅适用于低优先级数据包。高优先级数据包不遵从SRP-fa规则，只要有足够的转接 缓冲器空间，可随时传输。高优先级数据包的速度可在被发送到环路前通过承诺接入速度（CAR）等特性加以限制。9SRP-fa规则一个节点可传输四种类型的数据包: 来自高优先级TB的高优先级数据包 来自低优先级TB的低优先级数据包 来自主机Tx高优先级先进出缓冲器（FIFO）的高优先级数据包 来自主机Tx低优先级（FIFO）的低优先级数据包 来自转接缓冲器的高优先级数据包始终被首先发送。只要低优先级转接缓冲器存在闲置空间，便可发送来自主机的高优先级数据包。低优先级数据包只有在TB未超过低优先级门限值且SRP-fa规则允许的情况下才能被发送(my_usage allowed_usage)。来自LPTB的低 优先级数据包是最低优先级数据包，最后发送。 SRP-fa 伪码。表1中是对公平算法更精确定义。表1：SRP-fa变量变量说明 lo_tb_depth低优先级转接缓冲器深度my_usage主机发送的八位组数量lp_my_usage通过低通过滤器的my_usagemy_usage_ok旗帜指示允许主机发送allow_usage允许每个节点发送的公平数量fwd_rate从上行转发的八位组数量lp_fwd_rate通过低通滤波器的fwd_rate congested当TB缓冲值超过拥塞门限时，节点不能发送主机话务rev_usageusage_pkt发送到上行邻点的使用值表2：SRP-fa常量常量说明 MAX_ALLOWANCE可配置的用于这个节点的最大使用值DECAY_INTERVAL8000 octet times OC-12, 32,000 octet times vOC-48AGECOEFFmy_usage和fwd_rate的时效系数 (=4) LP_FWDfwd_rate的低通滤波器 (=64) LP_MUmy usage的低通滤波器 (=512) LP_ALLOW允许使用量自动增加的低通过滤器(=64) NULL_RCVD_INFOrcvd_usage字段中的所有1TB_LO_THRESHOLDTB深度，在此情况下，无法发送更多的低优先级主机话务MAX_LRATEAGECOEFF*DECAY_INTERVAL表3：每个周期的变量更新变量说明 my_usage对于主机发送的每个八位组来说，均以1为单位递增(不包括转接缓冲器发送的数据) fwd_rate对于进入转接缓冲器的每个八位组来说，均以1为单位递增每个周期计算以下公式：if (my_usage allow_usage) (fwd_rate my_usage) & (my_usage TB_LO_THRESHOLD/2)lp_my_usage = (LP_MU-1) * lp_my_usage + my_usage) / LP_MUmy_usage = my_usage - min(allow_usage/AGECOEFF, my_usage/AGECOEFF)lp_fwd_rate = (LP_FWD-1) * lp_fwd_rate + fwd_rate) / LP_FWDfwd_rate = fwd_rate - fwd_rate/AGECOEFF-注意：必须在减去非 lp值前计算lp值。 - if (rcvd_usage != NULL_RCVD_INFO)allow_usage = rcvd_usage;elseallow_usage += (MAX_LRATE - allow_usage) / (LP_ALLOW);if (congested)if (lp_my_usage allow_usage)rev_usage = rcvd_usage;elserev_usage = NULL_RCVD_INFOif (rev_usage MAX_LRATE)rev_usage = NULL_RCVD_INFO;10DPT/SRP性能模拟本小节介绍了五种模拟情况，这五种情况设计用于探讨并演示DPT/SRP可扩展性、融合性及实时IP业务支持等在各种网络及话务情况下的不同方面。 第一种情况是城域DPT环路，有大量覆盖范围为300公里的节点。在这种情况下，DPT/SRP技术在聚合大量节点与大量突发业务时表现出卓越的可扩展性及快速使用融合性能。 第二种情况是大型DPT环路，最多带有128个节点，环路距离约为500公里。 第三种情况是DPT环路，中继段延迟偏差极大而且有链路故障/绕接/链路恢复/环路绕接。在这种情况下，DPT为TCP应用提供一致的快速融合支持，使TCP应用能够实现快速业务恢复而且几乎不存在业务降级现象。 The fourth scenario directly compares a DPT/SRP ring and its competing Ethernet switched ring with STP. The DPT/SRP technology outperforms the competing popular technology with outstanding convergence and fairness. 第五种模拟情况设计用于演示当多条DPT环路上有大量任意低优先级IP话务，DPT对VoIP话务的支持。情况1：城域接入聚合环路这种情况显示了有33个节点的城域聚合接入环路。该环路覆盖300多公里，每个光纤链路段的延迟为50us。为了模拟到上行链路骨干网络中的城域接入聚合，每个节点均以0.5秒的时间间隔开始向相同目的地节点0传输信息。图9显示了DPT环路。图9：有33个节点的城域接入环路每个节点均以OC-12的最快速度发送话务，平均接通/断开时间分别为200us和800us。这些时段按指数规律分配。平均话务传输速度是125 Mbps。在话务源，接通时段中的数据包到达也按指数规律分配，数据包大小按指数规律分配，平均长度是512字节。图10为话务源概况图，每个节点向环路上传输的话务如图11所示。结果明确显示出城域集合接入DPT/SRP环路的快速融合及卓越的公平性。图10：话务源概况图图11：环路上传输的话务情况2：带有128个节点的DPT OC-12环路这种情况显示了经济高效且可扩展的DPT网络解决方案中SRP-fa的根本挑战。DPT环路中 有128个节点，总覆盖长度超过500公里。每条光纤链路的延迟时间为20us，总环路延迟时间为2560us。图12显示了该大型环路的一部分。 图12：带有128个节点的 OC-12c/STM-4 DPT环路与情况1一样,每个节点均以0.5秒的时间间隔开始向相同目的地节点0传输信息。最快传输速度是OC-12c/STM-4。传输的接通/断开时间分别为100us和900us。接通/断开时段按指数规律分配。平均话务传输速度约为62.2 Mbps。接通时段中的数据包到达也按指数规律分配，数据包大小按指数规律分配，平均长度是512字节。图13为抽样话务源概况图。图13：抽样的话务源概况图图14显示了抽样环路的吞吐量。即使有128个节点，DPT/SRP也可实现快速和卓越的融合及公平性。图14：抽样环路的吞吐量情况3：在PoP内连接中，当链路发生故障时DPT-OC12环路的链路延迟偏差极大。一些接入节点通常与上行链路聚合节点共置，而另一些接入节点则被放置在数千公里以外的地方。图15显示了一条此类DPT环路。该环路中有六个节点 ，其中三个(San Francisco 1, 2和 3)安装在一幢大楼中。它们之间的光纤链路延迟是1us。节点Berkeley和Oakland间以及它们与San Francisco节点间的延迟是20us。节点San Diego位于环路上的更远方，与其它节点间的延迟是5us。图15：OC-12c/STM-4 DPT接入聚合环路如图15所示, 环路间存在三个话务流，分别是San Diego到San Francisco2、San Francisco3到 San Francisco2和San Francisco1到San Francisco2。每个话务流都具有高突发特性且可以利 用44%的OC-12c/STM-4带宽。此外，图中还存在两个外环话务流，分别是Oakland到San Francisco2和Berkeley到San Francisco2。Oakland话务流约使用34%的OC-12c/STM-4 ，Berkeley话务流约使用26%。图16显示了话务流传输时间。图16：环路话务当模拟进行到第4秒时，San Francisco1与San Francisco2间的环路间光纤链路发生故障。DPT IPS 在50毫秒内使San Francisco1和San Francisco2处于绕接状态并沿外环将话务流重新路由 到San Francisco2。当模拟进行到第6秒时，光纤链路故障状态清除且环路解绕。图16也显示了环路上的话务吞吐量。图17显示了SanFrancisco2 上接收到的总业务量。图17：San Fransisco2上接收到的总业务量如模拟结果所示，DPT/SRP-fa 即使在链路故障和绕接状态下，也表现出极其强韧的回弹性 并可实现快速融合及卓越的公平性。这可以尽量保证第3层业务的无中断运行以及一致的话务动态。情况4：DPT环路与以太网环路这是一种类似的城域接入聚合环路情况。在这种情况下，将DPT/SRP环路与同类以太网环路技术在相同环境下进行对比（如图18和19所示）。图18：以太网环路这两条环路聚合相似的以太网LAN TCP/UDP业务。为了造成带宽饥饿和竞争，我们故意断开交换机间的以太网环状链路段：节点3与节点4。因此，STP阻断节点3与节点4间的路由选择并产生不必要的多中继端路径，减少带宽增加。以太网环状链路被限定在10BaseT。图19：OC-12c/STM-4 DPT环路SRP选择内/外环路来确保路径中的中继段数量最少，从而提高带宽增加水平。为了便于对比，仅使用外部环路。通过在两条环路上启动相同的TCP/UDP服务器及客户机应用，我们创建了TCP/UDP话务模式 （如图18和19所示）。图20：以太网环路吞吐量图20和图21分别显示了以太网环路吞吐量和DPT/SRP环路吞吐量。由于第2层接入控制中缺乏公平机制，以太网环路在存在无应答UDP话务时表现出很低的公平性甚至根本不存在公平性。而SRP的动态带宽共享及统计复用算法可在所有应用中确保公平性及快速融合。图21：DPT/SRP环路吞吐量情况 5：DPT分级体系上的VoIPVoIP等实时业务不仅要求严格的端到端延迟保证，而且要求严格限制延迟变化。DPT/SRP可通过第3层CoS及高优先级传输支持实时业务。然而，由于低优先级流量（traffic）具有动态带宽共享及流量（traffic）统计复用等特性，通过DPT聚合及分布环路传输的实时话务可能会带来问题（由于端到端延迟及抖动）。为了解决这些问题，我们在环路上有优先级非常低的流量时在DPT分级体系上模拟了 VoIP应用。模拟的DPT分级体系包括一条OC-12c/STM-4聚合环路、一条OC-48c/STM-4骨干以及一条OC-12c/STM-4 分配环路（分别如图22、23和24所示）。VoIP呼叫起源于千兆以太网LAN（如图21和22所示），假设每个LAN支持200位主叫用户。话音话务根据G.711要求编码。图25简要显示了聚合的话音话务及单个话务源的剖面图。图26显示了全部话音及背景话务流。图22：Pittsburgh OC-12c/STM-4 DPT环路图23：OC-48c/STM-4 DPT骨干图24：Boston OC-12c/STM DPT环路参考的VoIP话务从源到目的地全部显示。环路中共有九条背景话务流，其中五条为低优先级话务流，四条为高优先级。图26显示了背景话务分配。每条背景话务流占据45%的环路带宽。高优先级背景话务的数据包长128字节。图25：话音话务图26：话务流这里涉及到三种模拟，低优先级数据包大小分别为1.5 KB、4 KB和9 KB。图27描述了用于这三种模拟的瞬时数据包端