（信号与信息处理专业论文）基于rpr的tdmoip时钟恢复研究和实现.pdf

摘要 摘要 t d m o m 技术作为一种新的传输技术，保证了t d m 业务能够在i p 网络上进行 稳定可靠的传输。由于t d m 网络属于同步网，而i p 网属于异步传输网，正因为 t d m 网络和m 网络的这种本质区别，导致时钟恢复的研究是解决t d m o 口技术的 关键问题之一。 本文在分析r p r 网络上实现t d m o i p 技术的基础上，研究了如何在t d m o p 设备两端建立时钟同步机制，主要研究工作包括以下几方面： 1 、利用排队论的理论知识，建立m g i k 队列模型，分析了r p r 网络中a 、 b 和c 三类业务的传输延时以及分组传输等待的队列长度。分别在网络负载不同 和网络节点数目不同的情况下进行仿真，从仿真结果可以得出t d m o l p 所需的缓 存容量。 2 、在时钟恢复方面，原算法中的时钟频率调整周期为固定时间长度，但这 种算法存在缓存波动过大或时钟频率抖动较大的问题，基于这种情况，本文提 出了一种将固定长度调整周期改进为变长调整周期的改进算法，通过m a t l a b 仿 真，对改进前后的算法性能进行比较，从仿真结果可以看出，改进后的算法在 稳定性比改进前的算法更优越。 3 、最后用) ( i l i n xs p a r t a n 3 ef p g a 芯片实现t d m o i p 技术的封装、解封装以 及时钟恢复算法。在实际网络环境测试中，利用t c h l c t 登陆网管并监测t d m o 口 设备的运行状况，可以看出t d m o i p 设备接口性能达到t d m 网络接口性能的要 求。 关键词：t d m o 口；r p r ：e o r p r ：网络性能分析：时钟恢复 a b s t r a c t a b s t r a c t a sai l c wt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , t d m o i ph a se n s u r e dt h et d m _ b u s i n e s s t r a n s m i t t e di ni pn e t w o r ks t a b l ya n dr e l i a b l y s i n c et d mn e t w o r k si sas y n c h r o n o u s n e t w o r k , w h i l ei pn e t w o r k si si t l la s y n c h r o n o u sn e t w o r k s f o rt h i se s s e n t i a ld i f f e r e n c e b e t w e e nt d mn e t w o r ka n di pn e t w o r k , t h ec l o c kr e c o v e r yo ft d m o l pt e c h n o l o g yh a s b e c o m eo n eo ft h ek e yi s s u et ob es o l v e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft d m o i pt e c h n o l o g yi m p l e m e n t e do nt h er p rn e t w o r k , t h et h e s i sl i l i e sas t u d yo ft h em e c h a n i s mi ne s t a b l i s h i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na tt h e b o t he n do f t d m o i pe q u i p m e n t s t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si s 嬲f o l l o w s b a s e do nt h eq u e u i n gt h e o r yk n o w l e d g e , t h et h e s i sb u i l dm g 1 kq u e u em o d e l ， a n da n a l y z et h et r a n s m i s s i o nd e l a yo f 八ba n dct h r e et y p e sb u s i n e s sa n dt h eq u e u e l e n g t ho fp a c k e t sw a i t i n gf o rt r a n s m i t t i n g a i d e ra n a l y z i n gm a u a bs i m u l a t i o ni n d i f f e r e n tn e t w o r kl o a do rd i f f e r e n tn e t w o r kn o d e s , t h et h e s i sc a l c u l a t e st h er e c e i v e b u f f e rs i z eo f t d m o i pe q u i p m e n t i nt h ed o c kr e c o v e r ya s p e c t ，t h ec l o c kf r e q u e n c ea d j u s t m e n tp e r i o di sa 缸e d l e n g t hi nt h eo r i g i n a la l g o r i t h m , b u ti th a st h ep l o b l e mo fl a r g ef l u c t u a t i o ni nb u f f e ro r b i gj i t t e ri nc l o c kf r e q u e n c e b a s e d0 1 1t h i s ，t h et h e s i sp r o p o s e d 锄i m p r o v e dc l o c k r e c o v e r ya l g o r i t h m , w h i c hi m p r o v e st h ed o c kf r e q u e n e ea d j u s t m e n tp e r i o di n t oa v a r i a b l e - l e n g t h b e s i d e s , t h et h e s i su s 懿m a t l a bs i m u l a t e st h eo r i g i n a la n di m p r o v e d a l g o r i & m a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w cc a ns t h a tt h ei m p r o v e d a l g o r i t h m ss t a b i l i t yi sb e t t e rt h a no r i g i n a l f i n a l l y , t h et h e s i su s e sx i l i n xs p a r t a n 3 cf p g at oi m p l e m e n tt h ep a c k a g e , d e p a e k a g eo ft d ms t r e a m , a n dt h ec l o c kr e c o v e r ya l g o r i t h m i nr e a le n v i r o n m e n to f n e t w o r k , a t t e ru s i n gt e l n e tl o o n st h et d m o i pe q u i p m e n tt om o n i t o r t h er u n n i n gs t a t e , w ec a l ls e et h ep e r f o r m a n c eo ft d m o i pe q u i p m e n ta t t a i n st d mn e t w o r ki n t e r f a c e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：t d m o i p ；r p r ；e o r p r ；n e t w o r kp e r f o r m a n c e ；c l o c kr e c o v e r y 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：知枨峭签字日期： 砂。叩年胗月e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到l ：中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：蚤忙犯呱 签字日期：z 妒哆年l 沙月7 7 日 导师戤询：毒锄 签字醐：砷年，堋弓日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着网络技术的演进和融合，在下一代网络中，以数据包为基本单元进行一 数据传输和交换的方式将占据统治地位。口化将是未来网络和业务的发展趋势， 越来越多传统的语音业务向i p 业务迁移。但是，在过去，不管是运营商还是用 户都对基于时分多路复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t o m ) 技术的终端、设备 以及网络投入了大量的资金，网络上大量存在的t d m 设备还将继续使用。用户 在保证业务服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的条件下，既想保留过去的投资又 想利用经济方便的球网络，以节省价格不菲的专线租用业务。因此实现t d m 业务在m 网络稳定可靠的传输已经成为电信网络和业务发展的迫切需求【l 捌。 t d m 网络是一种基于电路交换技术的同步时分复用技术【3 】，网络预先分配 带宽，再利用控制信号建立接续路径，从而使信息不问断的流经网络。在此过 程中不管在这条电路上实际有无信息传输，电路将一直被占用，直到双方通信 完毕才拆除连接，可见，这种通信方式是在通信网中建立了条物理连接。虽 然这种方式可以提供可靠的服务质量，但带宽利用率低、价格昂贵，无法满足 现代通信对带宽的需求。 i p 网络克服了t d m 网络的这些缺点，但是如何利用m 网来承载t d m 网络 业务呢? 边缘到边缘的伪线仿真( p s e u d ow i r ce m u l a t i o ne d g e - t o - e d g e ，p w e 3 ) 技 术解决了这个问题【删，p w e 3 技术是在分组交换网上提供隧道，以便仿真一些 业务( 如：以太网，t d m 等) 的二层虚拟专用网络( v m u a lp r i v a t en e t w o r k ，v p n ) 协议，通过此协议可以将传统的网络与分组交换网络互连起来，从而实现资源 的共用和网络的拓展。p w e 3 网络参考模型如图1 1 所示，从图中可以看到，两 个网络边缘设备( p r o v i d e re d g e ，p e ) p e l 和p e 2 为两端的用户边缘设备( c u s t o m e r e d g c ，c e ) c e l 和c e 2 提供一条或多条端到端的伪线( p s e u d ow h ，p w ) ，这样 就可以使得两端用户之间通过伪线在分组交换网络上通信。如果用户边缘设备 是t d m 设备，仿真的业务是t d m 业务，下层的分组交换网络是以太网或m 网， 那就是以太网上的电路仿真或口网络上的电路仿真。这种利用i p 网提供隧道来 仿真t d m 业务的技术叫做t d m o i p ( t d m o v e ri p ，t d m o i p ) 技术f 7 别。 第1 章绪论 本地业务 图1 1p w e 3 网络参考模型 本地业务 1 2 基于r p r 网络的t d m o l p 技术 传统的口网是一种尽力传送的分组交换网络，这些封装了t d m 业务的i p 包在各个网络节点存储、排队、转发、以及与其他i p 流量统计复用竞争带宽等 影响。使得这些i p 包在传统的i p 网络的传输延时各不相同，产生i p 瞬时分组 时延变化( h a s t a n t a n c o u sp a c k e td e l a yv a r i a t i o n ，i p d v ) ，这样，对于实时性的业务 很难得到q o s 保障。而2 0 0 4 年正式成为i e e e 8 0 2 1 7 标准的弹性分组环技术 ( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ，r p r ) 解决了传统口网面临的q o s 保障问题【9 1 。 r p r 技术采用了一种新型的介质访问控制子层( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议，主要定义了一种新的m a c 层协议是为数据包的优化传输而提出的。具 有业务分类、带宽管理、空间重用以及环网保护等弹性机制，它融合了以太网 技术的经济性、灵活性和可扩展性等特点，同时吸收了同步数字系列 ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，s d h ) 环网的5 0 m s 快速保护的优点【1 0 1 ，并解决了 业务分类等q o s 问题。开放系统互联参考模型可用来描述r p r 的体系结构，r p r 属于数据链路层的m a c 子层，包括m a c 业务接口和物理层业务接口，其模型 如图1 2 所示。物理层的协调子层提供了物理层业务接口与物理层媒体相关接口 之间的映射协调子层包括以太网物理层和s d h 物理层两种。其中，物理协议 子层( p n y ) 可采用以太n ( e t h e r n e t ) 的物理层技术或s d h 技术，因此其对上层是 透明的，但是还应该增加向上触发拓扑自动识别模块和执行环保护倒换等功能 1 1 1 1 ，本文将在第二章介绍r p r 技术。 2 第1 章绪论 o s i 参考模犁 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 r p r 层模型 一m a c 服务接口 一p h y 服务接口 图1 2 r p r 协议参考模型 t d m o l p 技术是基于时分复用和口基础上发展的一种新的传输技术，能够 在m 网络上透明传输t d m 业务，同时可保证t d m 业务的服务质量。它是在网 络接入口，通过适配和封装t d m 业务，将t d m 同步比特流打成包，再加上m 头，封装成i p 数据包，通过i p 网络把这些数据包传输到目的地，在目的地重新 生成同步时钟信号，去掉数据包中的口头，把剩下数据转化成t d m 同步比特 流发送出去l 眨】，如图1 3 所示： 因 路由器 圈 交换机 田 t d m o i p 设备 图1 3t d m o l p 技术应用的网络模型 而基于r p r 技术的t d m o l p 技术则是将封装了t d m 业务的数据包再加上 r p r 的头，然后在r p r 环网中利用提供p w e 3 隧道技术透明传输t d m 数据包。 由于r p r 技术独立组网能力差，因此，在本文中，先将t d m 码流封装成以太 网帧格式，然后再利用e o r p r ( e t h e r n e to v e rr p r ，e o r p r ) 技术将封装了t d m 3 第1 章绪论 业务的固定长度的以太网帧加上r p r 的m a c 地址【1 3 1 ，本文将在第二章对此技 术进行详细叙述。 1 3 时钟同步的概念 i p 网采用的是异步传输方式，而大多数的实时业务要求端到端的时钟同步， 这就要求接收端时钟和源端时钟频率要保持一致。当接收端和源端的时钟不是 取自于同一个公共时钟时，接收端需要根据接收到的数据包提取出源端的时钟 信息，即时钟恢复。实时周期性业务经过通信网络传输，由于排队、拥塞以及 不同路径选择等影响，数据包的传输时延在不断随机变化，如图1 4 所示，数据 包传输过程中产生的延时主要包括两部分：一个是固定传输延时，即信号的传 播时延等，另一部分是不确定的时延，它包括排队、拥塞和不同路径选择等所 造成的随机性时延。这样一来，源端发出的实时周期性的数据包在接收端的到 达时间是不确定的，这样就给时钟恢复造成一定的麻烦，如果时钟恢复不恰当， 很容易造成接收端缓存出现上溢或者下溢，从而造成传输的信息出现误码。其 中随机时延与网络性能关系非常密切。所以，本文在第四章分析了r p r 的网络 性能，根据r p r 网络性能的分析，设计接收端缓存大小。 二二一二二二一源端发送数据包 删遁多 ；i 岁 l 二一上二二主二l；二乒收端到达数据包 l 洲 由此可见，要实现t d m o 口技术，一个关键问题就是要解决时钟同步问题。 其中同步包括频率同步和时间同步两个概念【1 4 1 。 1 ) 频率同步 频率同步是指信号之间的频率上保持某种严格的特定关系，其相对应的有 效瞬间以同一平均速率出现，以维持通信网络中所有的设备以相同的速率运行。 若两个数字交换设备之间的时钟频率不一致，或者由于数字比特流在传输中因 干扰损伤，而叠加了相位漂移和抖动，就会在数字交换系统的缓冲存储器中产 4 第1 章绪论 生码元的丢失或重复，导致在传输的比特流中出现滑动损伤。 2 ) 时间同步 时间同步的操作就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻。时 间同步的调控原理与频率同步对时钟的调控原理相似，它既调控时钟的频率又 调控时钟的相位，这是与频率同步不同的地方。 图1 5 ( a ) 和( b ) 给出了频率同步与时间同步的区别。 怵 时钟b ( a ) 频率同步 时铀 i _ ，、 、 时钟a ， 户 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 时钟b o 、 、，、飞 户， 、 ( b ) 时间同步 图1 5 频率同步与时间同步的区别 t d m 网络中，时钟性能是影响设备性能与网络通信质量的一个重要因素， 时钟信号对网络的运行及网络中的设备来讲是非常重要的。网络中节点设备与 用户终端设备，都需要时钟来提供准确的定时，以确保数字传输交换与复用是 在同步运行的状态下进行。 1 4t d m o l p 技术的现状及发展趋势 以色列r a d 公司的t d m o i p 设备早在2 0 0 3 年底就已突破了1 0 0 0 0 台，广 泛应用在欧洲和北美。在国内己有数个厂商推出了不同速率接口的t d m o i p 产 品。t d m o i p 技术被应用于为联通、移动、铁通提供的话吧和网吧统一解决方案 中，同时也被用来取代租用的e l 线路，来实现基站控制器以及移动交换中心之 5 第1 章绪论 间的连接。 t d m o l p 技术作为一种过渡的传输技术，国内对它的介绍从2 0 0 4 年起才逐 渐增多，但内容单一，主要是介绍其应用案例，对t d m o l p 的工作机制、实现 方式都没有进一步的说明，更不用说介绍t d m o l p 设备的性能。国外的相关资 料同样不尽详细，最多只是简单的介绍了t d m o l p 设备对i p 带宽的要求产生 这种现象的原因是t d m o l p 技术是国外少数几家公司的专利，较详细的技术资 料不对外公开。目前国内为数不多生产t d m o l p 设备的厂商绝大部分都采用了 国外的芯片【1 5 】。 下一代承载网络将采用伊技术，这导致在网络演进阶段，不可避免地存在 两种发展思路，一种方案是各种传统业务模式向基于m 的模式转换，采用新的 架构和技术替代传统的t d m 网，当然运营商及用户的相关设备也需要全部更新， 如网络电话( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l ，v o l p ) 技术等：另一种方案是保留用户终 端设备与协议不变，在p 网络中建立一条传送t d m 业务的隧道，在口承载网 络上承载t d m 业务。作为一种过渡技术，t d m o i p 技术以较简单的方式解决了 t d m 终端设备与i p 网络无缝连接的问题，在继承t d m 业务q o s 的同时，完成 了向下一代承载网络的过渡，为传统网络的改造提供了一套低成本的解决方案 【l6 1 。 1 5 论文内容介绍 时钟同步问题是t d m o l p 技术要解决的一个关键问题。由于承载t d m 信息 的通信网是r p r 网络，所以r p r 网络的性能对时钟恢复的方法选择至关重要。 本文在分析r p r 网络性能的基础上，提出了一种基于缓存控制的时钟恢复的改 进方法。从算法仿真和设备性能测试的结果可以看出，t d m 业务接口性能指标 都达到了r r u tg 8 2 3 的要求。 文章的具体内容及结构安排如下： 第1 章介绍了通信网的现状以及下一代通信网的发展趋势，说明了t d m o i p 技术的产生原因、现状和未来发展趋势，同时说明了解决t d m o i p 技术的关键 问题时钟的同步问题，最后对本文所做的主要工作进行介绍 第2 章介绍了r p r 网络技术以及t d m o l p 的相关知识点，并简要叙述了 e o r p r 技术和p w e 3 技术，最后详细介绍了u d p i p 协议封装t d m 业务。 6 第1 章绪论 第3 章介绍了时钟同步的重要性以及t d m 网络的性能指标，分析了t d m o i p 技术中可采用的几种时钟同步方式。 第4 章利用排队论的基础知识对r p r 网络的性能进行了分析，计算出不同 业务在r p r 网络中传输的延时以及业务分组队列长度，根据r p r 网络性能的分 析，确定t d m o i p 技术中接收端的缓存容量大小。 第5 章研究了一种基于缓存区控制的时钟恢复算法，并对这种算法进行改 进，利用f p g a 实现t d m o i p 技术中的封装，解封装以及时钟恢复算法，通过 算法仿真和设备性能测试，达到t d m 网络性能指标。 第6 章总结本论文研究成果，并对进一步研究的方向做了探讨。 7 第2 章基tr p r 的t d m o i p 技术 第2 章基于r p r 的t d m o i p 技术 r p r 作为一种新技术，相比其它网络技术，具有它独特的优势：它一方面 吸收了以太网技术的优点，如经济、灵活和可扩展性；另一方面又吸收了s d h 的优点，如对延时和抖动性能严格保障、可靠的时钟以及s d h 环网5 0 m s 快速 保护，同时还提供了与a t m 等同的q o s 。 2 1r p r 技术简介 r p r 是面向数据传输的一种光环新技术，与同为双环配置的s d h 不同，它 将其中一个环作为备用环，而r p r 在任何时间双环都同时使用，并作反方向传 输【虬1 。为了防止可能出现的拥塞，r p r 引入q o s 参数，使优先权最高的业务 先获得它所需的带宽，并且不受断开的影响。优先权低的业务可能会有时延， 但由于现在城域网业务主要是数据而不是话音，网络时延小的要求已经不是非 常重要了。 ( 1 ) r p r 拓扑结构 与s d h 拓扑结构类似，r p r 为互逆双环拓扑结构，如图2 1 所示，环上的 每段光路工作在同一速率上，不同的是，r p r 的双环都能够传送数据，两个环 被分别称为o 环和l 环。 图2 1r p r 双环拓扑结构 r p r 0 9 的数据传送方向为顺时针方向，l 环的数据传送方向为逆时针方向。 每个r p r 节点都采用了一个以太网中用到的4 8 位m a c 地址作为地址标识，因 8 第2 章基tr p r 的t d m o l p 技术 此从r p r 节点链路层来看，这两对收发的物理光接口只是一个链路层接口从 网络层来看，也只需要分配一个接口i p 地址。两个相邻r p r 节点之间链路称为 段，多个连续的段和其上的节点构成域。就每个节点来看，其分组交换结构与 传统分组交换结构有很大变化， 在传统分组交换结构中，节点接收分组报文后，需要穿越节点内部的背板 总线或交换网板，经过队列调度，才从出口发送出去。由于节点内部的背板总 线或交换网板需要对所有接口进行统一的处理，因此需要用到大量队列，同时 由于要贯穿节点内部处理和交换单元，因此存在较大的延时和抖动，而且由于 接口之间没有直接对应，链路的带宽利用效率也成问题。而在r p r 结构中，就 能够很好地避免以上问题。 ( 2 ) 数据操作 节点与环配合，采用分插复用( a d d d r o pm u l t i p l e x e r ，a d m ) 式分组交换，完成 各种数据操作。常用的基本数据操作包括： 1 ) 上环：节点设备把从其他接口转发过来的报文插入到r p r 环的数据流 中。 2 ) 下环：节点设备从r p r 环的数据流中接收数据，交给节点上层作相应 处理。 3 ) 过环：将途经本节点的数据流继续转发到下一个节点。 4 ) 剔除：使途经本节点的数据不再往下转发。 在源节点处，采用上环操作，使数据承载到0 环或l 环中。目的节点执行 数据下环和数据剔除操作。而中间节点只执行数据过环操作。值得注意的是， 对于单播流量，r p r 采取方式的是目的节点剥离，不同于传统环网技术所采用 的源节点剥离方式。采用目的节点剥离的方式能够有效提高带宽利用率，使得 带宽的空间重用技术更高效。 对于过环的数据操作，与s d h 设备的处理方式很相似，即过环数据流不需 要设备上层处理，因此，设备处理性能大大提高。对于单播、组播和广播流量， 各节点分别采用这些基本数据操作及其组合来实现。 ( 3 ) 队列技术 r p r 在对过环的流量进行转发处理时，有两种队列转发模式单队列 m a c 转发模式和双队列m a c 转发模式。单队列m a c 转发模式实现起来简单 通用，而双队列m a c 转发模式则能够进一步提高效率。 9 第2 章基于r p r 的t d m o l p 技术 根据r p r 业务的分组a d m 式交换方式，r p rm a c 具有上环缓存队列和过 环缓存队列。3 个上环缓存队列为：a 队列、b 队列和c 队列，分别对应a 、b 、 c 三个数据业务等级，提供不同的队列调度优先级。r p r 把要上载的流量分为 三个等级：级别a 、级别b 和级别c 。级别a 用于低时延严格抖动的高优先级 流量，提供最低的端到端延时和抖动，具有承诺信息速率定义( c o m m i t t e d i n f o r m a t i o nr a t e ，c i r ) ：级别b 用于c i r 和突发信息速率( e x c e s si n f o r m a t i o nr a t e ， e i r ) 的中等优先级流量，其中对于c i r 必须保证一定的带宽，以及端到端的延 时和抖动，而对于e i r 则不需保证；级别c 用于尽力传送的低优先级普通流量， 没有带宽定义。本文将在第四章分析各类业务的传输延时以及队列长度。 ( 4 ) 帧格式 r p r 数据帧格式如图2 2 所示： t t l ( 1 字节) 基本环控制( 1 字节) 目的m a c 地址( 6 字节) 源m a c 地址( 6 字节) 子珏标识 帧类型 堑回选择 一 7 = 二二r if ef ts cw e p a r i t y 一公甲选项璐等级一保留位 t t l 基数( 1 字节) 扩展环控制( 1 字节) i ，二二= h e x ( 2 字节) 协议类型( 2 字节) 数据( n 字节) f c s ( 4 字节) 扩展帧一一过源点 一保留位一一 e ff f p s s o瞪 一一讫洪形式严格顺r 一一 图2 2 r p r 数据帧格式 除了环控制字体现r p r 特色外，其余字段与以太网帧格式很类似。通常情 况下r p r 帧的最大传送长度( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ，m t u ) 为1 6 1 6 字节， 超长帧的m t u 为9 2 1 6 个字节。 在环控制字节中，包括了控制内容，如选环信息、公平带宽分配选项、帧 类型、业务级别、故障切换方式和广播标志等，提供了主动的性能监测和故障 监测等各种功能，充分保证环操作的丰富、灵活和高效，满足运营网络对环网 技术的高标准要求。 ( 5 ) 公平算法 r p r 采用共享带宽方式实现各节点对带宽资源的利用。当数据流量较小的 1 0 第2 章基t - r p r 的t d m o l p 技术 情况下，r p r 可以满足所有节点流量上载的需求。但是当流量较大的时候，往 往会出现链路过载、流量拥塞的情况，流量对链路带宽占用需求不能得到完全 满足，在这种情况下，有些节点会利用自身位置优势或时间优势，过多地霸占 带宽，影响其他节点对带宽的享用。为了保证在拥塞或超载等情况下各节点能 够公平地享用带宽，r p r 为此提供专门的公平算法，实现带宽的公平共享和调 度。 r p r 的公平算法是一种分布式的公平算法，节点间通过控制报文传递公平 算法所需的各项信息，包括允许速率、建议速率、策略指示等。公平算法包括 流量统计和策略处理以及处理中的多个阶段，最终实现流量公平分配。带宽公 平和拥塞控制机制属于r p r 数据链路层m a c 控制子层部分的功能。r p r 公平 算法只适用于对带宽需要进行争用的业务，即对e i r 业务和尽力传送业务起作 用。 在公平控制单元内实现的公平算法协议具有以下的功能： 检测拥塞的发生和消除： 发送和接收r p r 节点之间的公平控制消息； 根据不同服务级别对环路带宽提供访问控制，采用等值或加权的公平算 法来控制环路总带宽的使用； 0 环和l 环分别提供独立的带宽公平操作，把环上任意两个节点间的所 有带宽作为全局资源分配给用户； 每个节点可以根据服务等级和环路带宽的使用情况控制向环上转发数 据包的速度，保证每个节点都获得公平的环路带宽分配； 针对同一环路的带宽公平控制帧与相关联的数据流分别在不同的子环 上流动，且流动方向相反： ( 6 ) 故障自愈 r p r 采用了s d h 的环形结构，故障自愈能力非常强，能够实现5 0 m s 时间 内的故障保护切换。在故障链路两端的节点内部把0 环和l 环连接在一起，重 新形成一个新的环网。 ( 7 ) 拓扑发现 r p r 支持拓扑自动发现。在拓扑消息或保护消息报文中包含拓扑信息，这 些拓扑信息在环网上广播。拓扑自动发现对于链路发生故障时的保护有帮助， 第2 章基于r p r 的t d m o i p 技术 同时也给网络扩展提供很好的支持，能够支持节点的即插即用，即在环网上新 增一个节点或者删除一个节点时，都不需要手工配置数据。 2 2e o r p r 技术 e t h e m e to v e rr p r 技术是在r p r 链路层上直接承载以太网帧的一种传送技 术1 3 1 ，e t h e m e to v e rr p r 符合 e e e8 0 2 1 7 定义的扩展帧规范，其封装格式如图 2 3 所示： 以 t t l i 基本控制宁id als alt t l 基数i 扩展控制割h e c id als ai8 0 2 1 qid a t alf c s r p r 扩展头以太嘲头 图2 3 e o r p r 帧格式 采用e o r p r 技术，过环报文根据r p r 的报文头转发，过环节点不学习内部 的e t h e m e tm a c 地址，只有上下环节点感知用户的m a c 地址，大大降低每个 节点的m a c 地址表的容量要求。环上各节点设备可即插即用，网络扩展性好。 环上新增节点不影响已有的业务，扩容简单。 以太网帧封装在r p r 数据帧内，上环时将e t h e m e t 帧封装在r p r 数据帧内 部，在环上进行转发。下环时，剥掉r p r 帧头，用e t h e m e t 帧进行转发。广播 帧在环上绕一圈以后，回到源节点，源节点判断r p r 的源地址为本机的r p r m a c 地址，将广播帧剥离，不是本节点r p r 的m a c 地址是，则在环上继续转 发，这样就有效解决了环网的广播问题。 2 2 1e t h e r n e to v e rr p r 地址学习 e o r p r 技术在逻辑上把设备分为两部分：一部分为以太网本地交换部分， 简称以太网侧，另一部分为e o r p r 处理部分，简称为r p r 侧。当以太网侧收到 以太帧，先根据以太网目的m a c 地址查到上哪一个r p r 环，在e o r p r 部分再 根据用户m a c 地址查到目的r p rm a c 地址和r p r 的跳数，在封装r p r 帧头 1 2 第2 章基于r p r 的t d m o l p 技术 以后发送到r p r 接口，如图2 4 所示。 以太网侧m a c 地址 查找出端查找r p r封装r p r 学习( 记录该m a c- 一 口 节点 一 一 对应的出端口) 头 i a - r l e t ；口以太网侧 褂墩侧 查找出端 以太网侧m a c 地址f u p r 侧 解封装 口 | _学习( 记录该m a c m a c 地 r p r 头1 i _ 对应的出端口)址学习 图2 4 e o r p r 转发流成 从r p r 接口接收e o r p r 数据帧时，设备会自动学习到以太网源m a c 和源 r p r 节点的r p rm a c 地址。所以，在一个r p r 节点中存在两张m a c 表，一 个是以太网侧的m a c 表，用于记录用户m a c 地址与以太网出端口的关系，另 一个是r p r 侧m a c 表，用于记录用户m a c 与r p r 目的节点的关系。 下面详细说明e o r p r 在上环、下环和过环节点的m a c 地址学习过程：在 两个相切环的组网情况下，e o r p r 环上各节点学习到的m a c 地址如图2 5 所示： 设鲁4 为过环节点，不学习用户札 c 地址 1 融 a 2 , a 3 么鲁，一， 以太同m a cv l a n螭u i2 p t 环i 上环端r 】 设鲁i 限环i m a c 裹 i 以x i q m a ci c l a n j i t j r p rm a c j 跳敷j a 22r p r 蚪l i ：环端u l 以太网m ci v l a n ih 的r p r m a cl 跳敦i s l l 2 i r - m a c l i 2 l 3 2m 环1p 环端l 】 i a i i 2 l i i - m a c 3 l 2 设鲁3 以太同m a c 表a 42r p r 环2 t 外螭几 i a 2 l 2 i 1 1 - m a c 3 l 2 i 以太阿h t cv l a n端us i2日曲虮- 矗端u a l a j j 2 l r - m a c 2 l i l l2 b 胁d 螭u i 22e t h e m e t 端u 2 s i2 r p r 环l 上环端l j 图2 5e o r p r 用户m a c 地址学习示意图 1 3 第2 章基y - r p r 的t d m o l p 技术 如图2 5 所示，当用户侧第一个以太网帧从设备3 上r p r 环l 时，假设设 备3 的以太网侧m a c 表中学习到用户的源m a c 地址a 1 ，在设备3 的r p r 侧 的m a c 表中不记录本地用户a 1 的m a c 表。用户第一个帧上环后，穿过设备 4 到达设备l 节点，在设备1 的r p r 侧的m a c 表中学习到用户的源m a c 地址 a 1 ，在设备l 的以太网侧的m a c 表中学习到用户的源m a c 地址a l ，当一台 设备接入多个r p r 环时，在以太网侧的m a c 中需要学习到用户m a c 与哪个 r p r 环的上环端口的对应关系。 在e o r p r 组网中，过环节点的以太网侧m a c 表不学习其它节点之间流量 的用户m a c 地址，这样减少了过环节点的以太网侧m a c 表消耗，消除了过环 节点受到m a c 地址扫描攻击的风险。 2 2 2p w e 3 技术 p w e 3 是在分组交换网 ( i p m p l s r p r ) 上提供隧道，以便仿真一些业务( f r ， a t m ，e t h c r n c t ，t d m ，s o n e t s d h ) 的二层v p n 协议，它是一种端到端的二 层业务承载技术【4 6 】，属于点到点方式的二层v p n ( l 2 v p n ) 。在分组交换网的两 台p e 中，它以标签分发协议( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，l d p ) 1 1 刀或资源预留协 议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 作为信令【1 8 】，通过隧道模拟c e 端的各 种二层业务，如各种二层数据报文、比特流等，使c e 端的二层数据在分组交换 网中透明传递。通过此协议可以将传统的网络与分组交换网络互连起来，从而 实现资源的共用和网络的拓展。p w e 3 基本传输构件在网络中的位置如图2 6 所 示： s i 把2 图2 6p w e 3 基本传输构件 p w e 3 技术的基本传输构件及作用如下： 1 4 第2 章基于r p r 的t d m o i p 技术 1 ) 接入链路：表示c e 到p e 之间的连接链路或虚链路。a c 上的所有用户 报文一般都要求原封不动的转发到对端去，包括用户的二三层协议报文。 2 ) 虚链路：简单的说，虚连接就是虚电路( 、r t r t u a lc i r c u i t ，v c ) 加隧道，它 是有方向的。p w e 3 中虚连接的建立是需要通过信令( l d p 或者r s v p ) 来传递v c 信息，将v c 信息和隧道管理，形成一个p w 。p w 对于p w e 3 系统来说，就像 是一条本地a c 到对端a c 之间的一条直连通道，完成用户的二层数据透传。 3 ) 转发器：p e 收到a c 上送的数据帧，由转发器选定转发报文使用的p w ， 转发器事实上就是p w e 3 的转发表。 4 ) 隧道：用于承载p w ，一条隧道上可以承载多条p w ，隧道是一条本地 p e 与对端p e 之间的直连通道，完成p e 之间的数据透传。 5 ) 封装：p w 上传输的报文使用标准的p w 封装格式和技术 6 ) p w 信令协议：p w 信令协议是p w e 3 的实现基础，用于创建和维护p w 。 目前，p w 信令协议主要有l d p 和r s v p 7 ) 服务质量：根据用户二层报文头的优先级信息，映射成在公用网络上传 输的q o s 优先级来转发。 2 3 基于r p r 技术的t d m o l p 封装技术 由于r p r 没有跨环标准，单个环的r p r 信息无法跨环传递，独立组大网的 能力较弱，无法实现相切环、相交环、环带链等复杂的网路拓扑。因此r p r 必 须与以太网或s d h 等技术相结合，才能充分利用r p r 的优点来克服其缺陷 1 9 却1 所以本文对于基于r p r 的t d m o i p 的封装技术采用的步骤是：先将t d m 业务 封装成u d p 口帧格式，然后在u d p i p 包前面加上以太网的m a c 地址，封装 成以太网帧格式，最后利用r p r 帧封装以太网帧，在r p r 网上利用p w e 3 技术， 形成隧道，透明传输封装了t d m 业务的以太网包其模型如图2 7 所示： 1 d m 设备t d m o i p i 赂t i ) m o i p 设备1 d m 设备 图2 7 基于r p r 的t d m o i p 技术 1 5 第2 章基于r p r 的t d m o l p 技术 2 4u d p i p 封装t d m 业务技术 对于实时性要求高的业务，一般采用u d p 协议。以语音业务为例，语音传 输的延时所造成的影响比丢失少量信息造成的影响更严重，所以在本节详细介 绍如何利用u d p i p 协议来封装t d m 业务【1 6 】。 一 u d p i p 的封装细节如图2 8 所示，第l 到5 行属于口头；第6 到7 行属于 u d p 头；第8 到l o 行属于可选的r t p 头；第1 1 行属于控制字；第1 2 行以后属 于净荷。 ji i p v e ri h li p t o st o t a ll e n g t h i d e n t i f i c a t i o n f l a g sf r a g m e n to f f s e t i p t i m e t ol i v e p r o t o c o l i p