（通信与信息系统专业论文）空间复用协议及其算法的仿真与实现.pdf

中文摘要 随着通信网络的迅速发展，局域网、城域网和广域网的规模和性能日渐扩大 和提高，而相对于局域网先进的通信技术和广域网丰富的带宽资源，城域网逐渐 成为制约网络通信的瓶颈。因此针对城域网通信技术的研究已经成为网络通信技 术领域的重要课题。空间复用协议( s r p ) 及其算法是当前城域网通信中的关键 技术，能够提供网络带宽的高效利用，实时性信号的远距离传输，系统的高度可 靠性和可扩充性等特点，从而成为城域网的重要实现方案之一。 本文深入阐述了空间复用协议及其算法的结构和内容，并对其进行了网络建 模和仿真，验证了s r p 环路的理论性能和模型的正确性，晟终实现了基于s r p 及其算法的硬件与软件系统。 首先详细分析了s r p 及其协议的数据包结构、接收与发送控制、公平性算 法、拓扑结构发现和智能保护切换等内容。 随后，在对s r p 及其算法的仿真过程中，构建了s r p 的过程模型、节点模 型和网络模型，实现了s r p 环路的仿真工程，并且对s r p 及其算法的全局带宽 公平性和带宽空间复用性进行了仿真，通过仿真结果验证了s l i p 及其算法的理 论的正确性与实现的可行性。 s r p 及其算法豹实现以d s p 和f p g a 的综合硬件系统为平台，将整个系统 进行功能模块分割并分别实现。用c 语言及汇编语言实现了基于d s p 的空间复 用算法的处理和数据包的缓冲，用v e r i l o gh d l 语言实现了基于f p g a 的空间复 用协议控制。 最终完成了对空间复用协议及其算法的分析、仿真、验证、综合与实现。 关键词：城域网空间复用协议公平性算法网络仿真 拓扑结构发现智能保护切换网络建模数字信号处理器件 现场可编程逻辑器件 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，t h e s c a l ea n d p e r f o r m a n c eo f l a n m a n a n dw a na r eb e c o m i n gl a r g e ra n d h i g h e r b u tc o m p a r e d w i t hl a na n dw a n m a nh a sn om o r ea d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a n l a na n dl e s st r a n s p o r tb a n d w i d t ht h a n s om a ni st h es e r i o u sb o t t l e n e c ko f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kn o w t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h e so nm a nc o m m u n i c a t i o n s b e c o m ec r u c i a lt h e s e si nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s p a t i a lr e u s ep r o t o c o l ( s r p ) a n dt h ef a i m e s sa l g o r i t h m ( s r p - f a ) a r et h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sf o rm a n i t c a l l p r o v i d eg r e a te f f i c i e n c yo nb a n d w i d t h ，t r a n s p o r ta b i l i t y o fr e a l - t i m e s i g n a l s ， c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t ya n df l e x i b l es c a l a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , s r pi so n eo ft h e o u t s t a n d i n gs o l u t i o n so f m a n i nt h ed i s s e r t a t i o n t h ed e f i n i t i o n sa n da r c h i t e c t u r eo fs r pa n ds r p f aa r ed e e p l y p r e s e n t e d t h e nt h em o d e l so fs r pa n ds r p f aa r ec r e a t e da n dt h es i m u l a t i o ni s i m p l e m e n t e d e v e n t u a l l y , t h es o f h _ , a r e a n dh a r d w a r es y s t e m sb a s e do ns r pa n d s r p f aa r er e a l i z e do i ld s pa n df p g a p l a t f o r m f i r s t l y , t h ep a c k e t so fs r p , t h ep r o c e d u r e so f p a c k e t sh a n d l i n g ，s r p f a ，t o p o l o g y d i s c o v e r ya n d i p sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s e c o n d l y , t h ep r o c e s sm o d e l ，n o d em o d e la n dn e t w o r km o d e lo f s r pa r ec r e a t e d a n dt h ep r o j e c ti sb u i l t t h es i m u l a t i o nf o c u s e so nt h eg l o b a lf a i m a s sa n dt h el o c a l o p t i m i z a t i o no f b a n d w i d t h a tl a s t ，t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fs r pa n ds r p f aa r e d e m o n s t r a t e d b y t h ed e t a i lr e s u l t s s r pa n ds r p - f aa r er e a l i z e db a s e do nt h ep l a t f o r mc o m b i n e dw i t hd s pa n d f p g a t h es y s t e mi sd i v i d e di n t om a n yf u n c t i o nm o d u l e s t h es r p f aa n dt h ep a c k e t b u f f e r sa r ei m p l e m e n t e di nca n da s s e m b l yl a n g u a g eo nd s p , w h i l et h em e c h a n i s mo f s r pi si m p t e m e n t e di nv e r i l o gh d l0 nf p g a f i n a l l y , t h ed e v e l o p m e n to fs r p a n ds r p - f a ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i s ，s i m u l a t i o n a n di m p l e m e n t a t i o nw e r ec o m p l e t e ds u e e e s s f u l l y k e yw o r d s ：m a ns p a t i a lr e u s ep r o t o c o l s r ps r p - f a i r n e s sa l g o r i t h m s r p f a t o p o l o g yd i s c o v e r yi n t e l l i g e n t p r o t e c t s w i t c h i n g n e t w o r k s i m u l a t i n g n e t w o r k m o d e l i n g d s pf p g a 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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：丞洼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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：哮f 之 吾 签字日期：如学年月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解醴太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：悻1 毫任 导师签名；毛新i 考 签字日期：芝口d 牛年月c9 日签字日期：口口悻，月，。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 通信网络及其发展现状 从人类诞生的第一天起，信息就承载了推动社会不停发展的重要功能。从语 言的产生到文字的发明，从工具的使用到历史的推进，从工业革命到信息时代， 人们对信息的需求与日俱增，逐渐希望能够在任何地点、任何时间、以任何方式 向任何人传递任何一种信息。与此同时，信息也由最初的文字或者语音发展到集 语音、图文、多媒体和数据为一体的综合信息服务，其关键技术即是对信息的收 集、传送、处理和存储。随着通信网络技术的飞速发展，这些关键技术的领域也 在逐渐融合，网络技术也在逐步成为信息工业发展的核心内容。 网络的重要功能在于能够提供信源与信宿之间的连结，完成信息的交流和资 源的共享。最初的网络服务于军事和科学研究，多数以金属电缆和射频系统为传 输介质，网络范围在数米到数千米之间，信息的传递量较小，利用率较低。随着 光纤技术的不断发展，通信网络也进入了一个新的阶段，开始服务于各种领域， 传输介质开始以光纤为主体，充分利用了光纤的巨大带宽，较高的可靠性、低廉 的价格和较强的抗干扰能力，网络范围也由局域网发展到城域网，再到广域网和 i n t e m e t ，信息流量大，对实时性要求高，针对光纤通信的应用技术也成为当前 通信领域研究的热点之一。 按照区域形态划分，基本上可将通信网络分为：局域网( l a n ) 、城域网 ( m a n ) 和广域网( w a n ) 。 局域网是将小范围区域的各种数据通信设备连结在一起的通信网络，主要的 传输介质是微波系统、双绞线、同轴电缆和小部分的光纤。局域网拥有各种拓扑 结构和介质访问控制方法，如：采用载波侦听多路访问与冲突检测( c s m m c d ) 控制算法的以太网( 咖鼢咂t ) ：采用令牌( t o k e n ) 访问控制算法的令牌环 网( t ( ) mr i n g ) ；采用光纤分布数字接口( f d d i ) 访问控制算法的光纤环网 等。网络的数据传输速率在数兆到百兆甚至千兆( b p s ) 之间。 广域网是连通城市或者国家之间的通信网络，传输介质以光纤为主。现有的 广域网技术主要有基于a t m 的多业务平台技术、基于s o n e t s d h 的同步数字体 系技术以及基于波分复用( w d m ) 技术的光纤通信系统等。数据传输速率在数 百兆到数百千兆每秒之间。 城域网是介于广域网和局域网范围之间的通信网络，起连结广域网和重要的 局域网的作用，以一系列环绕主要城市的光纤环路传输技术构成。多数采用广域 网的通信技术，如：s o n e t s d h ，同时也有自身的技术特点。 第一章绪论 1 2 城域网概述 城域网( m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ，m a n ) 的概念产生于上个世纪末期， 主要是针对数据通信。覆盖范围介于局域网和广域网之间，通常要覆盖整个城区 及其郊区，同时连接有多个局域网络。i e e e 对城域网有如此定义：城域网是以 光纤为主要通信介质，在跨度为5 0 千米到1 0 0 千米的城市及其郊区覆盖范围内实 现高速宽带传输的数据通信网络。现在，城域网的概念在不断的发展，它以高速、 宽带的光通信为开放平台，连接电信运营商在城市及其郊区范围内提供的多种业 务的通信网络，实现语音、图文、多媒体、数据、i p 业务和各种增值服务。 城域网和广域网的主要区别在于：容量，广域网要求具有很高的容量，而城 域网只需中等容量即可；覆盖范围，广域网的传输距离通常要达到数千千米，而 城域网只需在几十千米到几百千米即可；支持的用户层信号，广域网目前只支持 s o n e t s d h ，而城域网则要支持各种用户层信号。 城域网和局域网的主要区别在于：传输距离，局域网的的典型传输范围是数 千米，而城域网则在此基础上有了很大的扩展；网络性质，局域网面向的是公司 企业和科研院所的专用网络，而城域网则面向多用户和公用通信网络：业务，局 域网通常是只提供数据业务，而城域网则要能够提供各种通信业务。 从以上特点比较来看，可以将城域网定义为一种主要面向公司企业及科研院 所用户的，覆盖城市及其郊区范围的，能够提供多种通信业务和支持多种通信协 议的公用通信网络。 1 3 城域网面临的问题 随着通信网络的迅速发展，相应网络的建设也在不断的扩大，广域网是各大 电信运营商投资的重点，因此广域网的带宽已经比较丰富，采用高密度波分复用 技术的广域网的传输带宽已经可以达到千吉比特每秒，宽带接入的技术和手段也 已多样化；与此同时，局域网的技术和规模也在飞速前进，从1 0 0 m b i t s 的快速 以太网( f a s t e m e m a ) 到千兆速度的吉比特以太网( g i g a b i t e t l l e m e t ) ，再到 1 0 g b i t s 的更高性能的以太网技术，局域网的带宽资源也已经相当丰富，基本能 够满足人们对信息的需求。而作为连接广域网和局域网桥梁的城域网已经成为通 信网络的瓶颈。 广域网的光纤线路中有很多的暗光纤( d a r k f i b e r ) ，有很多的通信资源没有 得到充分的利用；同时局域网丰富的信息资源由于不能高效的传输到广域网上， 也存在着较大的浪费。因此，若要改变广域网中大量暗光纤的状态，充分利用局 第一章绪论 域网的信息优势，只能依靠迅速发展城域网的通信技术，从而达到整个通信网络 的高效、稳定与低成本。 当前城域网的通信协议主要是以s o n e w s d h 为主，此通信技术最初就是为 解决语音数据传输而产生的，在面对激增的数据传输、i p 传输等方面已经无法达 到较高的效能，同时扩充性不足的缺点也制约了城域网的发展。在当前的电信数 据流中，有百分之八十以上属于数据传输，而且这个比例还会持续的提升，同时 传统语音业务的需求也在逐渐的扩大，因此人们对城域网性能的需求将不断的提 高。 新的城域网通信技术要求具备以下条件： 能够提供实时性的语音和各种视频应用。根据保证型服务业务以及流量 形态，提供较小的延迟和信号抖动。 能够支持新的通信业务。网络需要遵循服务等级协议( s e r v i c el e v e l a g e e m e m ，s l a ) 规范，支持各种物理接口和各种协议控制的新业务接 入。 具有高度的可扩充性。数据传输速率可以提高到数十吉比特每秒，网络 中接入的节点数目要远远超过现有的城域网络。 具有极高的可靠性。应达到9 9 9 9 9 的正常运行时间，支持冗余的硬件 配置、环状拓扑和光纤保护，迅速完成故障恢复。 具有功能有效的网络管理。 具有低廉的运行成本。包括初期投资、建设费用和运行维护费用等。 1 4 空间复用协议( s p a t j a l r e u s ep r o t o c o l ，s r p ) 的提出 随着对城域网性能要求的日益提高，针对城域网的通信技术也在不停的研究 和发展中。在最初对通信网络的研究领域中，环状网络拓扑结构的价值很早就被 人们认识到，并且对环状拓扑网络的研究始终在不停的进行中，比如令牌环 ( 1 d 日n r i n g ) 和光纤分布数字接口( f d d i ) 等环状网络通信技术。但随着 信息需求的日益增长，这些环状网络技术无法满足i p 流量和光纤带宽增长的需 要，同时也无法满足在拥塞状况下依旧保持高效的带宽利用率和数据的转发量。 而且不能保证网络节点之间的流量平衡和快速完成网络节点或者传输介质的故 障恢复，很难做到网络节点的即插即用和新业务的添加。 针对以前环状拓扑网络技术的不足，崭新的环状网络通信技术应运而生。 2 0 0 0 年底，m e e 正式成立8 0 2 1 7 i 作组，即弹性分组环工作组，致力于开发出一 种新的介质访问控制层协议：弹性分组环( r e s i l i t p a c k e t r i n g ，r p r ) 标准， 优化通信网络中的数据包传输。 第一章绪论 r p r 是一种新型的i p 环网传输技术，主要用于优化数据包在环状拓扑的光网 络上的传输。其标准化的目标是：支持双向环路，支持全双工通信，支持空间复 用和多点广播，具有防止分组数据包发生死循环的机制，支持即插即用，与传输 介质无关，支持1 g 到1 0 g b i t s 的传输速度。 而r p r 的核心技术就是空间复用协议( s r p ) ，它依靠s r p 完成网络节点的流 量公平性，即插即用，快速故障恢复，控制数据包死循环等功能。s r p 是实现r p r 技术的核心和关键，因此，对s r p 技术的研究就显的极为重要。 1 5 s r p 概述 s r p 是一种针对环状拓扑介质的m a c 层协议，能够通过空间复用规则高效的 利用传输带宽；同时支持具有高低优先级的数据传输，用于提供支持实时应用( 如 1 p 话音和i p 视频) 、关键应用和控制的业务，它们都有严格的延迟界限和抖动限 制，因此要求加速处理；具有较小的协议头，减少过多的协议开销：拥有不同于 其他m a c 层控制协议的主控机制，实现无需特定软件传输管理的“即插即用” 功能；叮以在环路上添加更多的节点，并且每一个节点都拥有数据传输的公平性； 支持环路的冗余性，保证差错控制和环路的自动备份和切换：完全不依赖与物理 层的介质类型。 双向环路。s r p 使用双向环路，可将此视为两个对称的反向环路。对于两个 环路，大部分的状态机都是重复的。双向环路允许当介质或节点发生故障时进行 切换，就像f d d i 或者是s o n e t s d h - - 样。切换由智能保护切换协议( i p s ) 控 制。为了区分两个不同的环路，其中一个被定义为内环，另一个为外环，通过其 中一个环路向一个固定的方向传输数据，为下行流；相应的控制信息通过另一个 环路沿相反的方向传输，称为上行流。如图l 一1 ： 图1 - 14 个节点组成的s r p 环 第一章绪论 空间复用。空间复用能够提高环路的整体带宽，其可能性在于单一的传输仅 仅是利用了源节点到目的节点的路由，而不是整个环路，而以前基于令牌环和 f d d i 协议的环路则是使用整个环路。空间复用的工作过程请参看图1 - 2 ： 图1 - 2s r p 环的空间复用 图1 2 中，节点n 1 传送信息到节点n 4 ，节点n 2 传送信息到节点n 3 ，节点n 5 传送信息到节点n 6 。在目的节点从环路上剥离非组播数据的同时允许环路上的 其他节点以环路的全部带宽发送数据流。示例给出了节点n 5 占用全部带宽和节 点n 6 通信的同时环路其它部分的节点仍然进行有效的数据通信。 公平性。由于环是一种共享的介质，因此需要某种访问控制规则来确保限制 各个节点等待时间的公平性。访问控制可以分为两种类型：全局访问控制，使得 每一个节点都公平的获得整个环路上的带宽；本地访问控制，在不超过完全使用 的基础上，充分利用所分配部分环路的带宽。参看图l - 2 ，这是一个既需要全局 访问控制又需要本地访问控制的例子。节点n 1 ，n 2 和1 4 5 在全局分配的基础上将 获得1 ，2 的带宽，但是从本地来看，节点n 5 可以获得整个带宽的使用，因为其使 用的带宽并不妨碍节点n 1 和n 2 使用的带宽。 智能保护切换( i n t e l l i g e n t p r o t e c ts w i t o h i n g ，i p s ) 。s r p 环由两个独立的环状 介质组成，如果设备或者是介质故障被检测出来，向故障方向发送或从故障方向 发出的数据将会通过另一个环路以相反的发向转向传输。绕过故障的转向操作发 生在故障的临近节点，遵循智能保护切换协议的控制，从而重新选择传输的路由 以绕过故障。 图1 3 为环路未发生故障正常传输的示例。 第一章绪论 图l 4 为环路发生故障进行转向操作后的示例。在环路故障之前，节点n 4 和 n i 之间是通过n 4 - n 5 n 6 。 n 1 的路径传输的，当节点n 5 和n 6 之间的环路发生 故障时，节点n 5 和n 6 将会进行转向操作，即在外环传输的数据都由两个节点转 发到内环传输，在转向传输操作建立起来之后的一段时间内，从节点n 4 至i j n l 为 一条非优化的传输路径：n 4 n 5 n 4 n 3 n 2 n 1 n 6 n 1 ，从而保证了通信 的备份切换。 图1 3 转向操作之前的正常传输，节点4 到节点1 图1 _ 4 转向操作后的非优化传输通路，节点4 到节点1 环路随后将会进行拓扑发现操作，新的拓扑结构将被发现并建立，从节点 n 4 至i j n l 的一个新的优化的路径被采用：n 4 - n 3 n 2 - n 1 ，参看图1 - 5 。 难是基于以上特点，s r p 环路能够提供数据业务高效、稳定和安全的传输 从而可能成为新一代城域网的核心传输技术。 第一章绪沦 图1 5 转向操作后的优化传输通路，节点4 n 节点1 1 6 本文的主要研究工作 主要分析和研究了空间复用协议及其算法的结构和内容，并对协议和算法进 行了网络建模和仿真，通过仿真结果验证了s r p 环路的特性以及模型的可行性， 最后基于d s p 和f p g a 的硬件平台完成了s r p 及其算法的实现。 本文的结构如下： 第一章，绪论，从城域网通信技术的发展、要求和特点等方面介绍y s r p 环 路的特性。 第二章，空间复用协议( s r p ) 及其算法，重点介绍了s r p 及其算法的理论、 结构和内容。 第三章，空间复用协议( s r p ) 及其算法的仿真，对s r p 及其算法进行建模 和仿真，并且分析仿真结果，从而验证s r p 及其算法的特性和仿真模型的正确性。 第四章，空间复用协议( s r p ) 及其算法的实现，根据s r p 及其算法以及仿 真模型的结构，设计了基于d s p 和f p g a 的硬件平台和相应的软件系统，最终完 成了s r p 及其算法的实现。 第五章，结束语，对本文完成的工作进行总结，同时展望了空间复用技术的 发展。 第二章空间复用协议及其算法 第二章空间复用协议及其算法 2 1 空间复用协议( s r p ) 及其算法概要 空间复用传输的过程是：在一对环状拓扑( 通常为光纤环路) 上，节点通过 s r p 公平性算法控制主机( 第三层交换) 向网路传输数据包的流量；节点的发送 部分将待发送的数据包按照最优化路由发送到环路上，同时节点产生携带控制信 息的控制数据包，并将其发送到上游相邻节点；接收部分从环路上接收到数据包， 进行目的地址匹配，判断对数据包继续转发或是传送给主机( 第三层交换) ，同 时还要完成单一目的地址传输的数据包剥离操作，并且把接收到的控制数据包所 携带的控制信息提取并进行处理；环路添加节点时，进行环路的拓扑发现操作， 自动修改路由信息；当环路发生故障时，启动环路的自愈功能，自动进行智能保 护切换，完成电信级的传输备份。 因此整个s r p 及其算法主要包括：数据包与控制数据包、s r p 公平性算法 ( s r pf a i r n e s s a l g o r i t h m ，s r p f a ) 、节点的发送操作、节点的接收操作、环路的 拓扑发现和环路的智能保护切换等。 2 2s r p 通用数据包 s r p 的通用数据包分为数据包和控制数据包两种。与传统的m a c 层数据包 的主要区别在于数据包的报头开销。s r p 的数据包可以在任何点到点的链路上传 输，比如常见的s o n e t s d h 、a t m 和e 壕m e t 等，其长度从最小5 5 字节到最 长9 2 1 6 字节，其中最小的数据包是为了和a t m 信元的长度相兼容，最长的数 据包也是为了和i po v e r a a l 5 相兼容。但s r p 的控制数据包不受数据包长度的 限制。去除一些有关s r p 在物理层上的数据包开销，其通用的数据包格式如图 2 1 。 s r p 数据包头：每一个s r p 的数据包和控制数据包都带有一个1 6 位固定长 度的数据包头，携带该数据包的一些基本信息。 目的地址：由i e e e 分配给数据包接收节点的长度为4 8 位的全球唯一的m a c 地址。 源地址：由i e e e 分配给数据包发送节点的长度为4 8 位的全球唯一的m a c 地址。 协议类型：是1 6 位字段，目前定义了三种协议类型。分别为：s r p 控制信 息，对应的协议类型码是0 x 2 0 0 7 ；p v 4 ，对应的协议类型是0 x 0 8 0 0 ；a r p 请求 信息，对应的协议类型是0 x 0 8 0 6 ，随着网络技术的发展，可以重新定义或添加 第二章空间复用协议及其算法 相应的新的协议类型以保证协议的兼容性。 信息净负荷：是数据包所携带的数据信息。 帧校验序列：s r p 采用的是3 2 位的循环冗余校验码( c r c - 3 2 ) ，生成多项 式为：x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x ”+ x l o + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 ， 此帧校验的计算只包括目的地址，源地址，协议类型和信息净负荷，而不包括 s r p 的数据包头。 图2 - 1s r p 数据包格式 因此，从上述数据包格式可以看出，s r p 数据包的无效开销包括：1 6b i t s 数据包头，4 8b i t s 目的地址，4 8b i t s 源地址，1 6b i t s 协议类型和3 2b i t s 帧校验序 列，共计1 6 0b i t s ，2 0 字节。比起s o n e t s d h 中大量的再生段开销、复用段开 销以及管理单元指针，s r p 数据包结构具有高效的荷载能力。 2 2 1s l i p 数据包头 所有的s r p 数据包都有一个1 6b i t s 固定的包头，其格式参看图2 - 2 。 图2 - 2s r p 数据包头格式 t t l ：生存时间，此字段为一个8 位的计数器，每当s r p 数据包经过一个 节点，该计数器就递减1 ，当t t l 减为零时，该数据包将会从环路上剥离。从理 论上讲，8 位的r r l 可以保证一个环路最大有2 5 6 个节点，然而考虑到发生某些 第二章空问复用协议及其算法 故障的状况( 如环路转向) ，s r p 环路所支持的最大节点数则减少为1 2 8 个。当 s r p 数据包最初被发送到环上时，t t l 应该最少设置为环路总节点数的两倍， 以保证环路转向状态下数据包的正确接收。 r ：环路标志，此字段为1 位的标志位，用来标识数据包被发送到哪个环路 上。标志如下：0 为内环，1 为外环。 m o d ：数据包模式，此字段为3 位，用来标识s r p 数据包的模式( 类型) ， 如下： m o d 模式( 类型) 0 0 0 ( 0 x 0 ) 预留 0 0 1 ( 0 x 1 )预留 0 1 0 ( o x 2 ) 预留 0 1 1 ( 0 x 3 ) a t m 信元 1 0 0 ( 0 x 4 ) 控制信息( 传输到主机) 1 0 1 ( 0 x s ) 控制信息( 本地缓存) 1 1 0 ( o x 6 ) 使用信息 1 1 1 ( 0 x 7 ) 数据 其中：传输到主机指该控制数据包和其它数据包一样，可以通过任何方便的 途径发送给相邻节点：本地缓存通常是为传送保护控制信息预留的，用以保证保 护控制信息的传送，避免与其它数据包争用网络资源。 p r i ：优先级，此字段为3 位，用来标识s r p 数据包的优先级别( o 到7 ) 。 值越大相应的优先级越高。由于在节点发送部分的发送缓冲只有2 个队列，分别 为高优先级发送缓冲和低优先级发送缓冲，因此在s r p 环路上的数据包仅仅被 分为高优先级和低优先级两种。而对于每一个节点则要设定相应的优先级门限 值，以此门限值来决定数据包的高、低优先级。该字段对应的8 个优先级对于节 点发送数据包到环路之前( 进入发送缓冲) ，或是节点从环路上接收到数据包以 后( 进入接收缓冲) ，始终是有效的。该字段对应的优先级是从i p 优先级位直接 复制得来的，s r p 数据包传输、调度和判定等都要根据优先级字段决定。 p ：检验位，此字段为1 位的校验位，用来对数据包头的前1 5 位提供附加的 校验，此处使用的是奇校验，即包括此校验位在内的整个数据包头应该为奇数。 2 2 2s r p 数据包 通常的s r p 数据包是由2 0 字节的数据包开销和有效信息荷载组成，其通用 格式参看图2 - 3 。 2 2 3s r p 控制数据包 第二章宅间复用协议发其算法 如果模式字段( m o d ) 为0 x 4 或者0 x 5 则表示为该数据包传送的是控制信 息。s r p 控制数据包总是被上游邻近节点接收并从环路上剥离，因此这些控制数 图2 - 3s r p 数据包通用格式 图2 - 4s r p 控制数据包格式 第二章空间复用协议及其算法 据包的目的地址均为上游的邻近节点，所以在控制数据包中不需要提供目的地址 信息，相应的目的地址字段设置为全0 ，源地址段依旧为发送的节点的m a c 地 址。s r p 控制数据包参看图2 _ 4 。 由图2 _ 4 可以看出，由于不需要提供目的地址，所以该字段为全0 。由于控 制数据包具有传输的优先性，所以控制数据包头中的优先级字段( e r i ) 应设置 为最高优先级，即0 x 7 。因为控制数据包本身携带的信息为控制信息，所以其协 议类型字段也应当设嚣为0 x 2 0 0 7 。与一般的数据包格式不同之处在于多出了四 个字段：控制版本、控制类型、控制校验和与控制t t l 。 控制版本，是8 位字段，用来标识控制的协议的版本，此字段主要为将来协 议的升级提供兼容性。现在可以定义为0 x 0 0 。 控制类型， 是8 位字段，用来标识该控制数据包携带的控制信息的类型， 如下： 控制类型 n x 0 1 o x 0 2 0 x 0 3 - 0 x f f 相关描述 拓扑发现信息 智能保护切换( 1 p s ) 信息 预留 控制校验和，是1 6 位字段，该字段只是完成校验的功能，本身并不发送到 环路上面，同时3 2 位的帧校验序列也不包含该字段。 控制t t l ，是1 6 位计数器，是控制数据包的生存时间。每当s r p 控制数据 包经过一个节点的转发，该计数器就递减1 ，当t t l 减为零时，该控制数据包将 不再被节点转发，同时从环路上剥离。作为控制数据包，该字段的标识的生存时 间和数据包头t t l 标识的生存时间是完全独立的。由于此控制r i l 字段本身可 以完成控制数据包的生存时间统计，同时携带控制信息的控制数据包的目的地址 一般为上游邻近节点，因此通常控制数据包头的t r l 字段应设置为0 x 0 1 。 控制信息净负荷，其长度主要取决于所使用的控制类型及所携带的信息内 容。 2 2 4 拓扑发现数据包 $ r p 环路上的节点通过向一个环路或两个环路都发送拓扑发现数据包来完 成拓扑发现功能。在发送拓扑发现数据包前，节点在该数据包中标识出发送环路 的i d ，并把该节点的m a c 地址绑定到数据包中，同时设置长度字段。由于拓扑 发现数据包是点对点的发送，并且沿着环路的节点依次传输下去。接收到该数据 第二章空间复用协议及其算法 包的节点也会将自身的m a c 地址绑定上去，同时更新数据包中的长度字段，然 后再发送给环路上的下一个节点。如果此时在环路中有转向状态的节点，则转向 状态的节点在绑定m a c 地址的同时也将转向状态标识出来，然后按照转向路径 发送该数据包。当拓扑发现数据包在具有转向状态的环路段中传输的时候，由于 环路的i d 和拓扑发现数据包中标识的自身环路i d 不同，那么节点的m a c 地址 将不再绑定到该拓扑发现数据包中。 经过整个环路的传输后，起始发送拓扑发现数据包的节点接收到自身发送的 数据包后，在从环路上剥离之前先要判定该拓扑发现数据包是否有相同的发送 ( 环路出口) 和接收( 环路入口) 的环路i d 。若两次都接收到相同的具有新的 环路拓扑结构的拓扑发现数据包后，新的环路拓扑结构才会进行更新，从而避免 了瞬时状态下的环路拓扑结构变化引起的干扰。 s r p 环路拓扑发现数据包的格式参看圈2 - 5 。 其中节点的绑定信息包括绑定的m a c 地址和m a c 类型。由于拓扑发现数 据包属于s r p 的控制数据包，因此协议类型应该为0 x 2 0 0 7 ，控制版本固定为 0 x 0 0 ，控制类型是0 x 0 1 ，即拓扑发现。 拓扑长度，一个1 6 位的字段，是拓扑发现数据包中从第一个m a c 绑定信 息开始所占用该数据包的8 位字节数( 每个m a c 绑定信息都包括m a c 类型和 绑定的m a c 地址) 。 绑定的m a c 地址，是4 8 位的i e e e 分配的全球唯一的m a c 地址，节点进 行的m a c 信息( 包括m a c 地址和m a c 类型) 绑定都要紧跟在上一个节点的 所绑定的m a c 信息之后。拓扑发现数据包中第一组m a c 信息应该是产生该数 据包的源节点绑定的，通常情况下，该信息中的m a c 地址就是源节点自身的由 i e e e 分配的m a c 地址。 m a c 类型，是一个8 位的字段，用来标识m a c 信息中的一些特征信息， 其对应的类型参看如图2 - 6 。 其中预留位是为了兼容以后的协议升级。环i d 位，标识该节点绑定m a c 信息后，从内环或者外环继续发送该数据包，0 为内环，1 为外环。转向位，标 识该节点是否处于转向状态，0 是该节点未处于转向状态，1 是该节点处于转向 状态。 判定一个拓扑发现数据包是否完成了相应的拓扑发现功能，应该检测该数据 包的入口( 发送) 和出口( 接收) 的环路i d 是否匹配。通过比较最后一组绑定 信息中m a c 类型字段里的环路i d 与第一组绑定信息( 源节点的m a c 信息) 相应字段的环路i d 位进行判断。尽管第一组绑定信息中的环路i d 和s r p 控制 数据包头中的r 位相同，但是仍然需要把二者的功能区分开，这样可以避免在 第二章空i 复用协议及其算法 某些应用中s r p 设备不能向第三层交换提供s r p 数据包头，从而无法进行环路 i d 匹配的状况。 图2 - 5s r p 拓扑发现数据包格式 图2 - 6m a c 类型字段描述 拓扑发现信息主要是用来统计s r p 环路中的节点数目，同时能够统计从源 节点到目的节点数据包需要转发的次数，于是获得最优化路径，也就是相应的最 4 第二章空阃复用协议及其算法 短路径( 因为同时有两个环路可以发送数据包) 。 拓扑发现功能是定时执行的，或者是在需要进行拓扑发现时再执行( 例如： 有新的节点需要加入s r p 环路时或者发现环路中有转向状态的节点时) 。在定时 执行状态下，s r p 环路上每一个节点定时产生各自的拓扑发现数据包，并且使用 自身存储的现有的环路拓扑结构，该拓扑结构要一直使用到由新的环路拓扑结构 取代为止。在需要进行拓扑发现的状态下，环路上的每一个节点无论是否需要均 要产生相应的拓扑发现数据包。 2 2 5 智能保护切换( i p s ) 数据包 s r p 环路具有非常健全的网络故障恢复和智能切换功能，当环路中的某个节 点或者传输路由( 如：光纤) 发生故障时，s r p 环路启动i p s ，节点之间通过i p s 数据包传递i p s 控制信息，从而保障s r p 环路的性能监控，快速自愈和智能切 换等功能。i p s 数据包作为i p s 信息的载体具有如下格式，参看图2 7 。 图2 - 7 智能保护切换( i p s ) 数据包格式 第二章空川复用协议及其算法 始发i p s 信息的源地址，由于在一些状况下，某些节点并不产生i p s 信息， 而仅仅是转发相应的i p s 信息，因此，源地值字段和始发i p s 信息的源地值字段 并非总是相同。在i p s 数据包中，始发i p s 信息的节点m a c 地址应当作为一个 独立的字段标识出来。 i p s 信息，是8 位的字段，此字段携带的是i p s 信息，其详细说明如下，参 看图2 - 8 。 图2 - 8i p s 信息字段 i p s 请求类型占用i p s 信息字段的第0 至3 位，对应类型如下 i p s 请求类型相关描述 1 1 0 1强制切换 1 0 1 1信号故障 1 0 0 0 信号劣化 0 1 1 0 人工切换 0 1 0 1等待恢复 0 0 0 0 无请求 路径，1 位的路径状态指示，0 为短路径状态，1 为长路径状态。 状态标识，占用3 位长度，0 1 0 标识保护切换功能完成，节点进入转向状态 0 0 0 标识节点为空闲状态。 2 2 6s r p 使用信惠数据包 s r p 使用信息数据包是控制信息的最重要的载体，携带s r p 公平性算法信 息，其格式参看图2 - 9 。 使用信息，是一个1 6 位的字段，携带节点的使用信息。当节点检测到发生 拥塞，则迅速产生自身的使用信息，该信息为s r p 公平性算法中的一个重要计 数变量，并将该信息通过使用信息数据包发送到上游邻近节点。上游节点一旦接 收到该使用数据包，根据下游节点的使用信息按照算法调整自身的传输比率，从 而避免拥塞，完成带宽的公平性分配。 第二章审问复用协议及其算法 图2 - 9s r p 使用数据包格式 2 2 7 s r p 数据包的使用 作为信息的载体，数据包是s r p 环路的重要组成部分。综合上述介绍，s r p 所使用的数据包可以分为两类：传递有效信息的数据包和传递控制信息的控制数 据包。而控制数据包又分为拓扑发现数据包、智能保护切换( i p s ) 数据包和使 用信息数据包。 当s r p 环路初始创建，或者有新的节点添加到环路中，拓扑发现功能依靠 拓扑发现数据包完成整个s r p 环路拓扑结构的发现，同时产生相应的信息传输 的最优化路径，并完成s r p 节点的即插即用功能。在环路正常运行过程中，节 点与节点之间通过数据包来进行有效信息的传递，完成相应的电信业务。同时考 虑到带宽的空间复用和带宽的公平性分配，节点之间依靠使用信息数据包来传递 拥塞信息，并通过s r p 的公平性算法来控制整个环路的介质访问。一旦环路出 现故障或者传输通路劣化，智能保护切换功能通过i p s 数据包传递i p s 信息，从 而迅速实现环路保护切换，完成s r p 环路的备份功能。 2 3s r p 协议及算法处理 环路节点对s r p 协议及算法的处理实际表现形式为环路节点对环路上的 s r p 数据包进行发送、控制和接收等一系列的处理动作。其中s r p 节点对数据 包的处理流向参看图2 1 0 。 图2 1 0 是个由四个s r p 节点组成的环路，节点中l 3 部分为第三层数据 交换，是s r p 数据包通向高层协议( 第三层及以上) 处理的交换通路：节点中 的a 和b 为s r p 的协议及算法的处理部分，每一个节点有两个s r p 的协议处理 单元，其中a 单元处理外环的接收和内环的发送操作，而b 单元处理夕 环的发 送和内环的接收操作，两者与第三层交换及两者之间都有相应的数据包通路，保 第二章窀间复用协议及其算法 证高层的协议处理和内外环的交换、转向及备份等。 图2 1 04 个节点的s r p 环路的数据包处理流向 2 3 1s r p 节点 当一个s r p 数据包到来后，由节点的接收部分进行接收，节点的接收部分 首先要检测数据包的类型，判断是控制数据包或是普通数据包，若是控制数据包 则将数据包直接发送至s r p 协议及算法控制部分，进行s r p 的介质访问控制； 若是普通数据包，还要继续查询该数据包的目的地址，如果节点为宿主，则将该 数据包发送到第三层交换中，进行更高层的协议处理，如果该节点并非宿主，则 要对该数据包继续向下游节点转发，于是依据优先级将该数据包放入节点的的转 发缓冲中，等待继续转发。发送部分主要处理来自节点第三层的数据包和转发的 数据包，根据s r p 协议及算法控制部分的信息，对高低优先级的数据包进行相 应的操作，从而完成数据包的发送功能。参看图2