（通信与信息系统专业论文）弹性分组环rpr多阻塞点公平算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 在现代通信网中，骨干网和接入网的发展对处于两者之间的城域n ( m a n ) 产 生了巨大的带宽压力，并提出了多种新的功能要求。在m a n 的范围内更快速、更 有效以及低成本地为用户提供更充分的带宽，已成为电信运营商关注的焦点。在 m a n 的各种组网技术中，弹性分组环( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ) 技术集i p 协议的智能 化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性等优点于一体，为宽带i p 城域网运营商提供了一个良好的组网方案，具有广阔的市场前景。 尽管i e e e 8 0 2 1 7 工作组基本完成了r p r 技术的标准化制定，但其中的许多关 键技术还有待进一步深入研究。r p r 环网的一个关键性目标是将带宽资源公平地 分配给用户，同时将其有效利用，而这就需要通过一定的公平性算法来实现。本 文在阐述r p r 基本原理的基础上，深入研究了r p r 带宽的公平性，并取得多项成 果，具有很高的理论创新价值和深远的现实指导意义。 具体而言，本文的工作和创新点主要包括以下几个方面： 1 、介绍了城域网的发展趋势和r p r 的产生背景，分析了弹性分组环的关键技 术，指出r p r 是宽带m a c 最佳解决方案之一。 2 、详细描述了多阻塞点公平机制的工作原理，指出多阻塞点公平机制能避免 排头阻塞( h e a d o f - l i n eb l o c k i n g ) 的影响，并能解决本地发送业务和转发业务共享、 环段的问题。进而说明了多阻塞点公平算法能极大地提高r p r 网络的性能，具有 单阻塞点公平机制无法比拟的优势。 3 、在深入理解现有的r i a s 公平性评价准则的基础上，提出并设计了三种改 进型r i a s 公平性评价准则，指出拓展后的评价准则更适合于r p r 对m a c 公平 性性能要求，并且从多个方面设计了公平性评价指标，使其能够全面地评价公平 性算法的性能和实现难度。 4 、提出并设计了两种多阻塞点公平算法：基于反馈模式的多阻塞点公平算法 和基于线性收敛的多阻塞点公平算法。仿真结果表明，该算法满足了r p r 对m a c 协议公平性的要求，具有良好的稳定性、可扩展性和高带宽利用率。 关键词：弹性分组环，公平算法，多阻塞点，评价准则，评价指标，性能 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h eo p e n i n go ft e l e c o mb u s i n e s sa n dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，n e t w o r ka n d c o m m u n i c a t i o n sa r en o wg r o w i n gs of a s tt h a tn o b o d ys e e sb e f o r e m e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ( m a n ) b e t w e e nb a c k b o n ea n da c c e s sn e t w o r km u s tf a c eu pt o 打e m e n d o u s b a n d w i d t hp r e s s u r ea n ds h o u l dp r o v i d em a n yn e wf u n c t i o n s s ot h em o s ti m p o r t a n t t h i n gt ot e l e c o mc a r r i e r si st of o c u sa l lt h e i ra t t e n t i o n so ns u p p l y i n ga b u n d a n tb a n d w i d t h f o ru s e r sq u i c k l y , e f f i c i e n t l ya n dc h e a p l yw i t h i nt h er a n g eo fm a n a m o n ga l lk i n d so f m a n t e c h n o l o g i e s ，r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) p o s s e s s e se x c e l l e n tm a r k e tp r o s p e c t w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st h ei n t e l l i g e n c eo fi n t e r a c tp r o t o c o l ( i p ) ，e c o n o m yo fe t h e r n e t ，a n dh i g hb a n dw i d t ha n dr e l i a b i l i t yo fo p t i c a lf i b e rr i n g n e t w o r k s n ei e e e8 0 2 17w o r k g r o u ph a sc o m p l e t e dt h es t a n d a r df r a m e w o r kf o ri 冲r h o w e v e r , m a n yk e yt e c h n o l o g i e sa b o u ti 冲ra r ei nn e e do fb e i n gf u r t h e rr e s e a r c h e da n d d i s c u s s e d ，o n eo fw h i c hi st h eb a n dw i d t hf a i ra l l o c a t i o np r o b l e mi ni 冲r h o wt o a l l o c a t et h er i n gb a n d w i d t hf a i r l y 硒w e l la se f f i c i e n t l yi sa ni m p o r t a n ti s s u ei nr p r n e t w o r k sa n dt h er p rf a i r n e s sa l g o r i t h m st a k ec h a r g eo fs u c hi s s u e b a s e do nt h e e l a b o r a t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fr p r ，t h ep a p e rh a si n d e p t hs t u d i e dt h ef a i m e s so f t h er p r b a n d w i d t h ，a n dh a sm a d ean u m b e ro fa c h i e v e m e n t s ，h a sh i 曲t h e o r e t i c a lv a l u e a n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e d e t a i l e d l ys p e a k i n g ，t h ew o r ka n di n n o v a t i o no ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 、i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm a na n dt h eb a c k g r o u n do ft h ei 冲r a n a l y z et h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h er p ra n dp o i n t e st h a tr p ri so n eo ft h eb e s t s o l u t i o no fb r o a d b a n dm a c 2 、d e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fam u l t i c h o k ef a i rm e c h a n i s m ，p o i n t so u tt h a t m u l t i c h o k ef a i rm e c h a n i s mc a na v o i dt h ei m p a co fh e a d o f - l i n eb l o c k i n g ，c a ns o l v et h e i s s u et h a tl o c a lt r a n s m i s s i o nb u s i n e s sa n df o r w a r de b u s i n e s ss h a r eo ft h es e c t i o no f r i n g ，n o t e st h em u l t i c h o k ef a i ra l g o r i t h mc a ng r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fr p r n e t w o r k ，h a v i n gi n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e st h a tas i n g l e c h o k ef a i rm e c h a n i s md o n t h a v e 3 、b a s e so ni n d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h ee x i s t i n gr i a sf a i r n e s se v a l u a t i o n c r i t e r i a , p r o p o s e sa n dd e s i g n st h r e ei m p r o v e dr i a sf a i r n e s se v a l u a t i o nc r i t e r i a , n o t i n g t h a ta f t e rt h e e x p a n s i o no ft h ee v a l u a t i o nc r i t e r i am o r es u i t a b l e f o rf a i m e s so f p e r f o r m a n c et h a tt h er p rr e q u i r e sm a c a n df r o mm a n ya s p e c t so ft h ed e s i g no ft h e f a i r n e s so ft h ee v a l u a t i o ni n d e x ，t oe n a b l ei tt o f u l l ye v a l u a t et h ef a i r n e s so ft h e a l g o r i t h mp e r f o r m a n c ea n dt h ed i f f i c u l t yt oa c h i e v e 4 、t l l i sp a p e rp r o p o s e sa n dd e s i g n st w om u l t i - c h o k ef a i ra l g o r i t h m s ：b a s e do nt h e i i 重庆邮电大学硕士论文 摘要 c l o s e dl o o pf e e d b a c km e c h a n i s mo fm u l t i c h o k ef a i ra l g o r i t h m ，a n db a s e do nt h el i n e a r c o n v e r g e n c eo fm u l t i c h o k ef a i ra l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e a l g o r i t h m sh a v es a t i s f yt h er p rm a cr e q u e s t ，a n dh a v eg o o ds t a b i l i t y , s c a l a b i l i t ya n d h i 曲b a n d w i d t h u t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：r e s i l i e n gp a c k e t 融n g ，f a i r n e s sa l g o r i t h m ，m u l t i - c h o k e ，e v a l u a t i o n c r i t e r i a , t h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r s ，p e r f o r m a n c e i i i 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着信息化程度的不断加深，人们对通信的容量、速度、质量以及服务种类 的要求越来越高。尤其是数据方面，随着综合信息服务的需求快速地增长。一方 面，普通用户的需求早已不再停留于普通电话业务( p o s ) 、因特网( i n t e m e t ) 浏 览和有线电视( c a l w ) 节目的观看；另一方面，远程医疗、远程教育、电子商 务、个人网络、电视电话等公众项目的增多，也对网络的高速发展提出了越来越 多的要求。所有这些，迫使传统电信运营商努力寻找增值业务作为新的利润增长 点。为了在激烈的竞争中保持自己的优势，电信运营商都把数据业务作为突破口， 大力进行数据网、城域网的建设。 近年来，传输速率高达太比特级的密集波分复用( d w d m ) 技术逐渐成为骨 干网的首选。在接入网领域，由于以太网简单、易扩展、性价比高，同时和现有 局域网、网管软件以及多种应用相兼容，所以绝大多数用户采用以太网连接其内 部网络。目前，传输速率为l o m b p s 、l o o m b p s 和1 g b p s 的以太网已广泛应用， 1 0 g b 以太网也已制定了相应的标准【l 】。骨干网和接入网的发展对处于两者之间的 城域网( m a n ) 产生了巨大的带宽压力，并提出了多种新的功能需求。在我国， “八纵八横 光纤网的建设和中国网通高速宽带互联网( c n c n e t ) 的开通，标志一 着骨干网的带宽问题已基本解决。但由于m a n 瓶颈的存在，宽带骨干网的建成 并不代表用户就可以享受宽带服务。另外，随着电信分拆和加入世贸组织后我国 电信业务市场进一步开放引发的国际竞争，通信运营商面临从传统网络竞争转向 新业务竞争的压力。因此，在m a n 的范围内以更快速、更有效、更低成本、更 有竞争力的条件提供更充分的带宽，成为电信运营商关注的焦点。 目前城域网络的主要技术有s d h ( s y h c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字 序列) 、a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步传送模式) 2 - 5 1 和以太网技术。 它们各有优缺点：s d h 和a t m 技术复杂、价格昂贵、在传输分组业务时对线路 资源利用效率不高；以太网技术在局域网中得到了广泛应用，走的是低价、简单 的技术路线，但是缺乏有效的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 、网络恢复与 保护和网管机制，不能满足城域网的可靠性和扩展性方面的要求。人们于是很自 然地想到了在城域范围内构建新的环形拓扑结构，通过传输类似以太网结构的分 组来提供各种增强型业务，在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济的 m a n w a n ( w i d e a r e a n e t w o r k ，广域网) 解决方案。i e e e8 0 2 1 7 工作组规划的 重庆邮电大学硕士论文 弹性分组环( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ，r p r ) 【删就是在如何合理科学地配置城域网的 拓扑结构，简化通信协议栈的层次结构，从而经济有效地提高城域网的传输性能 的背景下提出来的。 由i e e e 8 0 2 1 7 工作组进行标准化的r p r 协议【6 ，l 1 2 】是一种新的m a c 层协议， 是为优化数据包的传输而提出的，它吸收了吉比特以太网的经济性、s d h 对延时 和抖动的严格保障、可靠的时钟和5 0 m s 环保护和恢复等特性，并具有空间复用、 带宽动态分配、支持业务级别等主要特点，使其成为当前光网络上传输数据包的 一种优化技术，正得到业界的广泛关注和重视。采用r p r 技术能使电信运营商以 较低的成本为用户提供包括数据、语音、视频在内的各项综合业务。可以预见， 随着i e e e 8 0 2 1 7 标准化工作的进行，它的应用将越来越广。 总体来看，国内外针对r p r 的学术研究和产品研发已不算少，r p r 的应用 也比较成熟。但在学术界和产业界，直接考虑多阻塞点公平算法的成果或介绍却 并不多见( 至少从网络上查询的情况是这样) 。相关情况如下： 与多阻塞点公平算法相关的专利： 目前，与多阻塞点公平算法相关的专利不多。具有影响的专利中，与本项目 相关的专利仅有一篇( u z u n , n e c d e te ta 1 “s y s t e m sa n d m e t h o d sf o ra l l e v i a t i n gc l i e n t o v e r - s u b s c r i p t i o ni nr i n gn e t w o r k s ，u n i t e ds t a t e s ) 。它主要讲述了在弹性分组环等 环状拓扑网络中使用系统、方法、设备和技术能调整m a c 客户层业务流的发送： 1 、通过调整公平速率或网络通信协议能减少业务流发送的速率；2 、通过使用虚 拟目的队列和接收到的业务流的发送信息，m a c 客户层或相关器件能减少特定 的网络节点或m a c 客户层的本地业务流速率。但该专利的针对性不强，没能系 统地明确指出多阻塞点公平算法的实现方案。 国内外关于多阻塞点公平算法研究开发情况： 国内： ( 1 )国内学术界主要包括上海交大、北邮、清华、成电、西电、北京交大、 华中科大等高校。研究内容多是围绕m a c 协议性能分析和公平算法 两方面。由于r p r 技术在理论上可研究的内容并不多，很难写出高质 量论文。因此国内从事此研究的博士生很少。 ( 2 )从网上搜索到的论文来看，国内关于公平性算法的论文的整体水平不 高。少数公平性算法( 如华中科技大学黄本雄博士改进的集中式i k n 算法) 可以直接用于多阻塞点公平性控制，但这些算法要么实现机制 复杂，要么性能评价( 机制或结果) 难以具有说服力，于工程应用有 一定差距。 2 第一章绪论 ( 3 )国内产业界，如中兴、华为、深圳木清、武邮等，很早就推出了相关 产品，但不知这些产品的r p r - f a 算法是基于单阻塞点还是基于多阻塞 点的。 国外： ( 1 )国外公司和企业，如l u m i n u o u s 、北电、c i s c o 等，推出了成熟的r p r 产品，并获得大量应用，情况与国内相似。 ( 2 )国外学术界关于r p r 的论文也不多。具有影响的论文中，如果不考虑 一些综述性的论文( 如i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e 上的论文) ，则 与本项目紧密相关的权威期刊论文仅仅只有一篇( vg a m b i r o z a , p y u a n ，lb a l z a n o ，e ta 1 d e s i g n , a n a l y s i s ，a n di m p l e m e n t a t i o no fd v s r ：a f a i r , h i g hp e r f o r m a n c ep r o t o c o lf o rp a c k e tr i n g s 【j 】i e e e a c mt r a n s n e t w o r k i n g ，2 0 0 4 ，1 2 ( 1 ) ：8 5 1 0 2 ) ，该论文受到国内外所有从事r p r 研 究的博士生的关注，不凡之处可总结为： 提出的d v s r 算法有针对性地解决了u n b a l a n c e da n dc o n s t a n t - r a t e 业务条件下，现有的r p r - f a 算法的振荡性问题，而且具有全局 性公平性控制、收敛时间极快等优点。其理论评估与实际开发板 的测试结果也很吻合； 最先对“停车场景”进行了分类，国内博士对r p r 各种停车场景的 进一步研究均源于其原创性工作； 提出了新的公平性判断准则：r i a s ( r i n gi n g r e s sa g g r e g a t e dw i t h 溶 s p a t i a lr e u s e ，空间重用环入口集成) d 6 1 公平性准则。 1 2 选题背景 目前，对于弹性分组环的公平性算法1 1 3 2 1 】研究虽然很多，但于工程应用有一 定的差距，而且现有的算法主要存在着以下问题：l 、排头阻塞对空间复用效率的 影响；2 、本地发送业务和转发业务如何共享环段不明确；3 、特定情况下不合理 带宽分配问题；4 、绝大部分都是基于单阻塞点的公平算法。因此，为了解决上述 问题，提高r p r 产品的竞争力，通过大量的调研工作，重庆邮电大学通信网与测 试技术实验室受到中兴通讯股份有限公司的委托，进行“弹性分组环( i 冲r ) 多 阻塞点公平性算法 项目的研究。 该项目开始于2 0 0 6 年，根据i e e e 8 0 2 1 7 协议【6 】进行研究，致力于为提出新 的多阻塞点公平性算法，通过网络仿真和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ， 现场可编程门阵列) 设计实现，使其在实际中具有可实现性和可扩展性。目前， 通过项目组所有成员的集体努力，已经实现了项目的绝大部分内容。 重庆邮电大学硕士论文 1 3 论文研究的内容 “弹性分组环( i 冲r ) 多阻塞点公平性算法项目研究的主要内容： 1 、通过i e e e 8 0 2 1 7 协议，对r p r 网络，特别是r p rm a c 层的各项功能进 行详细的研究，重点理解多阻塞点机制。 2 、收集资料，在现有原型系统基础上，进行必要的平台移植或功能扩展，并 将现有的各种算法进行对比，规划出多阻塞点公平性算法的结构及流程。 3 、结合现有的评价准则和评价指标，提出了改进型的公平性评价准则和新颖 的评价指标。 4 、提出多阻塞点公平性算法，进行理论分析，详细阐述算法的实现流程，结 合伪代码说明了算法的运行机制。 5 、学习和研究o p n e t 仿真软件，在o p n e t 中搭建了r p r 多阻塞点仿真平 台，设计了r p r 节点模型，设定仿真参数，验证了算法在各个停车场景下的性能 指标，特别是多阻塞点停车场景下的算法性能。 6 、学习和研究f p g a 的设计方法和实现硬件电路的工作流程，根据多阻塞 点公平性算法进行了模块功能的划分。 7 、采用硬件描述语言v h d l 和自顶向下的数字系统设计方法，对各个模块 进行了代码编写，给出了模块的信息处理流程和状态转移图。 8 、使用q u a r t u si i7 1 f p g a 开发工具进行了编译仿真，并且对仿真结果进行 了分析，验证了设计方案，说明了我们基本实现了项目所要求的内容。 在多阻塞点公平性算法的研究中，本人参与了整个项目的研发，重点是承担 了上述项目的第三、第四和第五点的内容。因此本论文在追踪国内外最新的发展 动态和结合实际工作环境的前提下，对公平性算法进行了深入研究，详细描述多 阻塞点公平算法的概念、机制，给出多阻塞点公平算法详细的设计实现过程，并 搭建的网络仿真平台，仿真验证算法的各种性能( 收敛性和带宽利用率等) 。 1 4 论文结构 作为一种新技术和新标准，r p r 从诞生之日起，就一直为业内人士所关注。 在标准制定的过程中，人们针对r p r 中涉及的各种问题进行了广泛的讨论，提出 了多种实现方案。但是我们看到，虽然与r p r 相关的文献众多，却不外乎如下几 种：标准化文档的讨论、相关技术和性能的描述以及一些公平性算法的仿真分析 等。明确提出多阻塞点公平算法，深入研究它的实现过程的文献少之又少。基于 此，本文重点讨论多阻塞点的实现机制，并给出详细的实现方案。在带宽m a n 4 第一章绪论 飞速发展的今天，这项工作具有重要的学术意义和指导开发的使用价值。 具体来说，本文的文章结构和创新包括： 1 、介绍城域网网络发展的现状，以及本论文的研究背景，并在第一章中明确 指出研究多阻塞点公平算法的在理论和现实中的意义。 2 、r p r 的一个关键技术就是公平算法，目的是结合速率控制机制对本节点 接入的所有c 类业务和b e i r ( 额外速率) 业务采用基于反馈控制机制的公平控 制算法，实现带宽的动态公平分配，使得所有节点按照本地节点的权重值公平地 占用带宽，同时使带宽利用率最大化，避免了某些节点无限制接入数据而使得下 游节点处于饥饿状态，因此，本文在第二章中介绍了弹性分组环的一些基本概念， 并着重描述多阻塞点公平算法的基本原理，指出多阻塞机制应用于一个节点业务 流的目的节点与阻塞链路相邻的情况下，只要某个发送速率满足( 不大于) 源节 点和目的节点之间所有拥塞点的公平速率，r p r - f a 就允许源节点以此速率向目的 节点发送数据。 3 、公平性评价准则和评价指标是构建和理论验证公平算法的基础，它们能为 算法提供依据和判断的方向。因此，在第三章中围绕现有的评价准则和评价指标 的基础上，提出和设计了改进型公平性评价准则和拓展评价指标，通过与其他的 评价准则和指标进行比较，说明本文提出的准则和指标更能分析r p r 算法的公平 性。 4 、基于闭环的反馈模式的控制方法能提高系统抵抗外部干扰的能力，降低系 统对其内部参数变化的敏感度，是当前算法实现中，业内研究的热点。本文在第 四章中提出并设计了基于闭环反馈模式的多阻塞点公平算法，并在理论基础上说 明算法实现了r p r 带宽管理：公平分配各节点的带宽和最大的环路带宽的空间重 利用【3 1 , 3 2 1 。 5 、采用线性高速收敛是当前算法的一大亮点，它能较大提高业务流的稳定性， 避免网络振荡。本文在第六章中，提出并设计了基于线性收敛的多阻塞点公平算 法，并通过理论分析，说明算法达到了弹性分组环多阻塞机制的要求。 6 、在第六章中使用网络仿真工具o p n e t l 0 5 ，设计全新的r p r 网络节点， 验证上述两种算法的公平性、收敛性、带宽利用率等特性，指出基于反馈模式的 多阻塞点公平算法的公平性要好，而基于线性收敛的多阻塞点公平算法的稳定性 要好； 7 、作为全文的总结，第七章总结了已经取得的研究成果，指出我们进一步的 工作是在网络物理层上实现多阻塞点公平算法的带宽调度机制。 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章弹性分组环( r p r ) 的基本概念 第二章弹性分组环( r p r ) 的基本概念 2 1r p r 的网络结构 i s p ：因特网服务提供商a s p ：应用服务提供商 图2 1r p r 的网络结构 心 r p r 的网络模型如图2 1 所示，基本拓扑结构基于两个反向传输的环，由若 干个节点和连接相邻节点的一对光纤所组成，并可用于w d m 技术进行扩容。r p r 的内环和外环都可以作为工作信道来传送r p r 协议封装的数据帧和控制帧，用以 提高网络带宽利用率。当网络节点或光纤线路出现故障时，r p r 执行快速保护倒 换机制，数据帧会在5 0 m s 内倒换到无故障的通道，这样就保证了网络的可靠性。 另外从网络结构还可以看出，r p r 支持单播，广播和多播等多种操作，更利于数 据业务的传送。 7 重庆邮电大学硕士论文 2 2r p r 分层模型 0 s i 参考模 r p r 分层模型 高层 l l c ( m a c 客户子层) 鬯 ， 囤姒c 控制子层圈 ， ， 圈圈圈 ， ， ， ， 姒c 数据通路 ， ， 协调子层 e t h e r n e t s d h w d m 物理层 图2 - 2r p r 分层模型【2 j m a c 业务接口 p h y 业务接口 根据r p r 协议草案d 3 0 t 6 1 ，与开放式系统互连o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t ， 开放式系统互联) 模型的分层结构相对应，r p r 的分层模型如图2 2 所示，主要 包括o s l 模型中数据链路控制d l l 和物理层p h y 两层的功能。d l l 层又分为介 质访问控制( m a c ) 层和逻辑链路控制( l l c ，即m a c 客户) 层，而m a c 层又 细分为m a c 控制和m a c 数据通路两个子层。8 0 2 17 工作组大部分研究内容主要 面向数据链路层传输，r p r 的标准化范围包括了这四个层面：物理层及其适配子 层，m a c 数据子层，m a c 控制子层，m a c 客户子层。 m a c 数据通路( 也称为r p r 的m a c 数据通路子层) ，主要完成r p r 的m a c 层数据收发功能，同时提供故障保护时的倒换功能。m a c 控制子层主要完成m a c 子层的控制，包括自动拓扑发现控制，保护倒换控制【2 2 7 1 ，o a m ( 运营，维护， 管理) 控制，以及完成最优环路选择和m a c 子层数据业务接入的流量控制。m a c 客户子层主要实现对来自网络层的业务数据进行r p r 帧格式的封装，对各种不同 的业务数据进行不同优先级适配，完成r p r 环网上出现链路阻塞时为充分利用环 路资源而实现v d q ( v i r t u a ld e s t i n a t i o nq u e u e ，虚目的地队列) 算法，也称之为 v o q ( v i r t u a lo u t p u tq u e u e ，虚输出队列) 算法。同时m a c 客户子层还将完成高 优先级数据业务的c i r ( c o m m i t t e di n f o r m a t i o nr a t e ，承诺信息速率) 控制。r p r 技术在m a c 客户子层和m a c 控制子层均进行流量控制，但是控制的层面和范围 不同，以优化网络中的分组数据传输效果。 8 第二章弹性分组环( r p r ) 的基本概念 2 3 研究的关键问题 为了适应宽带m a n 客户种类繁多、交换粒度大等特点，r p r 拥有一套灵活 的动态带宽管理和业务等级( s l a ) 保证机制，以满足不同业务不同q o s 需求。 我们研究的关键问题包括：s l a 的区分、帧结构定义、数据通路实现、公平性控 制等。 2 3 1s l a 区分 r p r 首先把m a c 客户层的报文流分成三个s l a ( 表2 1 ) ，然后针对不同的 等级，m a c 层提供不同的服务方式，以满足不同等级q o s 的需求。各s l a 提供 了不同带宽、时延和抖动性能。s l a 区分不但提高了网络带宽的利用率，同时也 有效地支持了实时和非实时业务的传输。 9 2 1r p r 的业务等级( s l a ) 划分 等级业务 带宽 时延和抖动速率限制 a 低时延保证带宽业务 保证低保证 b 有界时延承诺带宽业务不超过承诺的带宽 保证 有上界 超过承诺的带宽不保证无上界公平性算法 c 尽力而为( b e ) 业务不保证 由于等级a 流量的速率和抖动都有保证，其他节点不能占用未使用的等级a 秦 流量的带宽，所以带宽仲裁机制( 公平性算法) 不考虑等级a 流量。对于等级c 和等级b 超额流量( 即尽力而为业务) 而言，因为不能预先设定它们占有多少网 络资源，所以，当该类流量从不同的源节点同时接入r p r 网络时，运行于各节点 的m a c 协议必须进行协调，以实现网络资源的公平分配。这就是r p r 中m a c 协议的公平性。它关系到整个网络的基本性能，是网络设计中的关键问题之一。 2 3 2 帧结构定义 r p r 的m a c 层应该能无缝地嵌入i e e e8 0 2 工程协议栈中，对下支持e t h e m e t 和s o n e t s d h 物理层，对上支持i e e e 8 0 2 1 和互操作规范，并能与8 0 2 3m a c 层互相兼容。和8 0 2 3 及其衍生协议不同的是r p rm a c 不是广播协议，而是采用 存储转发( s t o r ea n df o r w a r d ) 或直通( c u t t h r o u g h ) 模式，因此帧间不需要前导或间隔 字节，这样就提高了带宽利用率，减少了转发延迟。 r p r 草案d 3 0 规定了三种帧结构：数据帧、控制帧和公平性控制信息( f c m ) 9 重庆邮电大学硕士论文 帧。 1 9 节 1 9 节 6 9 节 6 9 节 z 9 节 2 9 节 n 字节 4 9 节 m s bl s b m s bl s b t t l r i f ef t s cw ep 目的m a c 地址 源m a c 地址 协议类型长度 头部校验和 净负荷 帧校验 l 字节 l 字节 6 字节 6 9 节 l 字节 l 字节 2 9 节 n 字节 4 - 7 节 t t l r if ef ts cw ep 目的姒c 地址 源m a c 地址 控制版本 控制类型 头部校验和 控制净负荷 帧校验 图2 3 ( a ) r p rm a c 数据帧结构图2 - 3 ( b ) r p rm a c 控制帧结构 图2 3r p r 帧结构 r p r 的数据帧和控制帧结构如图2 3 ( a ) 所示，其含义如下： 1 、t t l ( t i m et ol i v e ，8 b i t ) ：防止环上帧传输死循环的计数位( 范围1 - 2 5 5 ) ，每 经过一个节点t t l 减l ，当收到t t l 为o 的帧时就将其丢弃。 2 、r i ( r i n gi d e n t i f i e r , l b i t ) ：环标记。r p r 的拓扑结构是双纤反向环，用1 、0 分别表示分组所在的内外环。= o 表示外环( o u t e r ) ，= 1 表示内环( i n n e r ) 。 3 、f e ( f a i m e s se l i g i b l e ，l b i t ) ：表明帧是否受m a c 协议公平性算法的控制。 f e = i 表示适用；f e = 0 表示不适用。 4 、f t ( f r a m et y p e ，2 b i t ) ：帧的类型标记，r p r 中定义了三类帧格式：控制帧 格式( f t = 0 1 ) ；公平性帧格式( f t = 1 0 ) ；数据帧格式( f t 兰1 1 ) ；f t = 0 0 是保留状态。 5 、s c ( s e r v i c ec l a s s ，2 b i t ) ：帧的优先级( 服务) 类别。r p r 帧分为四种优先级， 分别是c l a s sc ( s c = o o ) ；c l a s sb ( s c = o1 ) ；c l a s sa - s u b c l a s s a l ( s c = 10 ) ；c l a s s a s u b c l a s s a 0 ( s c = i i ) 。s c 的值越大表示优先级越高。采用不同的帧优先级类别主 要为满足不同业务的传输需求。 6 、w e ( w r a pe l i g i b l e ，l b i t ) ：是否可倒换标记。表示该帧在保护倒换状态节点 上是否可被倒换，w e = i 表示可倒换；w e = 0 表示不可倒换而被丢弃( d i s c a r d e d ) 。 7 、r f p ( r e v p o l a d t y , l b i t ) ：数据帧和控制帧该比特保留( r ) ；公平性帧该比特为 极性校验位( p ) 。 8 、目的m a c 地址( d e s t i n a t i o nm a ca d d r e s s ，4 8 b i t ) 存放帧接收节点的4 8 b i t 标准以太网地址。 9 、源m a c 地址( s o u r c em a ca d d r e s s ，4 8 b i t ) ：存放帧发送节点的4 8 b i t 标准 以太网地址。 1 0 第二章弹性分组环( r p r ) 的基本概念 1 0 、协议类型长度( p r o t o c o lt y p e ，1 6 b i t ) ：定义净负荷中数据的类型或者表示 该分组的长度。 1 1 、控制版本( c o n t r o lv e r s i o n ，1 字节) ：与控制类型域一同起作用，目前控制 版本设定为0 ，表示版本o 。 1 2 、控制类型域( c o n t r o lt y p e ，l 字节) ：表示控制帧的类型，目前只定义了 3 种，拓扑发现、保护信息和o a m 控制信息。 1 3 、头部校验和( h e a dc h e c ks u m ，h e c ，1 6 b i t ) ：计算范围从t t l 到h e c 的前 一个字节。校验表达式h e c 1 6 = x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 ，同时可以选择使用l b i t 的纠错。 1 4 、净负荷( p a y l o a d ) ：帧所传送的数据部分，在数据帧中是数据信息，在控制 帧中是控制信息。 l5 、帧校验( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，3 2 b i t ) ：3 2 比特的c r c 3 2 校验值，计算的 范围是从紧邻h e c 第一个字节到帧负荷数据域结束。校验表达式c r c 3 2 = x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x l l + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x l + 1 。 对拓扑自动识别帧而言，帧类型为o l ，控制类型域为1 。需要指出的是帧头 部和帧数据域分别进行校验。r p r 传输中，帧头的h e c 校验在数据块复制期间进 行，而f c s 的校验仅在源节点和目的节点处理。中间节点只处理h e c 校验，保证 头部信息的正确性，可以提高帧的转发速率。 m a c 帧都是为了实现相关的协议功能而定义的，和具体采用的协议内容紧密 相关。r p r 标准草案中仅对基本的结构进行了明确定义，考虑到可扩展性，还预 留了部分字节，用于用户自定义。 2 3 3m a c 数据通路组成 r p rm a c 协议为每个方向的环提供一个独立的m a c 数据通路。在讨论r p r 的m a c 数据收发之前，我们还得先讨论r p r 的m a c 数据通路组成和工作原理。 首先来看一个节点、单环的m a c 数据通路组成( 图2 - 4 ) 。其中，s h * 代表不同的 成形器( s h a p e r ) 。r p r 的m a c 数据通路主要包括转发、上路和下路三个部分。 重庆邮电大学硕士论文 图2 - 4r p r 节点的m a c 数据通路组成 在转发部分，为了防止转发流量丢失，每个节点都设置转发缓存器。可选的 转发缓存器模式有两种：由主转发队列( p r i m a r yt r a n s i tq u e u e ，p t q ) 组成的单转 发缓存器模式和由主转发队列与辅转发队列( s e c o n d a r yt r a n s i tq u e u e ，s t q ) 共同 组成的双转发( p t q + s t q ) 缓存器模式。前一种模式下，各个等级的流量都通过 p t q 缓存器进行转发；后一种模式下，只有等级a 流量经过p t q 缓存器转发，等 级b 、c 流量经过s t q 缓存器转发。为了满足下游节点等级a 流量的传输需求， 在双转发缓存器模式下，s t q 中的流量在发送前要进行流量整型。 在上路部分，不同的s l a 的流量在发送之前由m a c 客户层进行分类和标识。 各等级流量经过对应的成形器( s h a 0 、s h a l 、s h b 和s h c ) 进行流量成形，以保 证发送时不会超过m a c 层所提供的带宽。等级b 与等级c 流量同时还要再一次 经过成形器s h d ( 在双转发缓存器模式下，等级a 流量分为a 0 、a 1 两部分，r p r 为a 0 预留带宽，为a l 提供保证带宽，因此等级a 1 流量也要经过s h d ) ，以限制 本节点发出的流量，使之不影响下游节点等级a 流量的传送。同样，m a c 控制帧 在发送之前也经过一个成形器( s h m ) ，以免在突发控制信息生成的时候影响等级 a 流量的传送。然后，已成形的流量在发送前被置于一个足够大的缓存器队列 ( s t a g e ) 中。这样，尽管在m a c 层比m a c 客户层要多传送一些流量控制信息， 但仍可以保证客户层流量全速的传输。r p r 对上路流量的控制，是根据其带宽需 求，通过控制信号( s e n d a 、s e n d b 、s e n d c ) 来实现