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西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 四川省网络通信技术重点实验室针对现有i n t 锄e t 的三层或两层用户 数据传输平台，传输与交换效率低，难以保证实时性数据流的传输和交换 服务质量的缺点，提出了以“面向以太网的物理帧时槽交换”( e p f t s e t h e m e t - 0 r i 胁t e dp h y s i c a lf r 珊et i m 鹪l o ts 诵t c h i n g ) 技术为基础的“单物 理层用户数据传输平台的体系结构网络”( s u 艄n e t s j n 出cp h y s i c a l l a y e ru s e r - d a t at r 姐s f e r s w i t c h i n gp l a t f b m 蛐i t e c t u r en e t w o r k ) a s u p a n e t 采用带外信令控制技术将通信子网的功能分配在用户数据传 输平台( u p l a t f 0 皿) 和信控、管理平台( s m p l a t f 0 皿) 。s u p a n e t 将 u d l a t f 0 咖简化为由e p f l s 交换子层和传输信道组成的单物理层平台， 而s m p l a t f o i m 保持h n e m e t 的5 层机构。s u 鼢n e t 的运作过程需要在 平台间交换相关信息，由于s u 鼢n e t 的两平台层次结构差别很大( 单层 u p l a l f o 】皿和5 层的s & m p l a t f ；d 脚) ，平台间信息的交换机制不宜使用协 议( 协议只是用与同层实体间) ，故本文中称之为节点内部访问接口( i 越 一1 曲a n o d ea o c c s si n l e 五a c e ) 。 本文的工作主要是对s u 鼢n 丑t 中节点内部访问接口( i a d 进行研究。 在理解s u p a n 盱工作过程的基础上，笔者分析并梳理了s i 聪n e t 平台 问需交换的基本信息，根据信息交换的类型定义了瑚接口信息格式；并 定义了接口信息交换的控制规程。本文最后通过编程模拟实现了i a j 相关 的控制功能，通过有代表性的平台间信息交换实验初步表明：本文定义的 节点内部访问控制接口能够满足s u p a m 汀中节点内部平台间信息交换 的需要。尽管本文反映的研究工作还仅仅是初步的，但笔者相信：i a i 是 一种能够适应平台间信息交换需要和实现平台间协同工作的手段。随着有 关s u 硝n e t 的研究工作的深入，经过对i a i 进一步修改完善，一定能够 达到预期的目标，全面支持平台间的协同工作。 关键词：单物理层用户数据传输与交换平台体系结构网络( s i i i a n e t ) ； 带外信令( o u t b 柚ds i 印a l i n g ) ；用户数据平台( u - p l a 怕咖) ；信控、管理 平台( s m 巾l a t f o 】 1 n ) ；节点内部访问接口( i a i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 s ( x 呵c t c o ml a bh a si n t r o d l l c e da e wm t e m e t 砌i t e c t u r cc a u c ds i n g l e p h y s i c a ll a y e fu s e r _ d a t at r a n s f e r s w i t c h i n gp l a t f 0 皿a r c h i t e c l u r c ( s u n q t 0o v e r c o m ei n a d e q u a c yj nu s e r d a t a t r a n g f c r & s w i t c h i n g 如di nq o s p r o v j s i o i n gi ni n t e m e t s u 脚唧a d o p t si h eo u t b 勰ds j 印a l i n gc o n o e p ts o a st or e d u c e dt h eu s e r - d a t at r 姐s f c r s w i t c h i n gp l a t f 0 册( u p l a t f 0 珊) i n t oa s i n 西ep h y s i c a l1 a y e rb a s e do na v e lt e c h n i q u cc a l l e de p f t s t h 锄e t - 耐e n t e dp h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c k n 曲w m l ek e e p i n gi t ss i 鲈a l 堍跖d m 枷唔锄c n tp l a t f o m ( s m - p l a l f 0 瑚) i n t e r o p e f a b l ew i l hi n t e 功c t w i t h i na n o d eo fs u p a n e t ，t h e r 弓i san e e df o re x c h a n l d n 2i n f o m a t i o nb e t w 啪t h e u p l a 曲册姐dt h es & m - p l a 玎0 彻1 n h ed i 骶r e n c e0 fl a y c r sj nt h cu p l a t f b 曲 a n di ns m - p l a t f 0 皿m a k e sj t i n 印p r o p r i a t e t 0c a l lt h em e c h a i l i s ma s p r o t o c o lf b ri l l o 肋a t j 衄e x c l l 卸g eb e t w e l h e 咐op l a t f o m sw i t h i na s u n u 呵i t o d e ；c o n s e q u e n t l y i tw 勰t 锄e da sh l n a n o d ea c c c s si n t e - a c e ( 1 a i ) t k sp a p e rf o c i l s e so ni n i m - n o d ea c c e s sh t c r f a c c ( i a i ) i ns i 麟n e t h a v i n gc a r e f i l u ys t i l d i e do p e r a t i o no fs u 鼢量旭工t h ea u 蚰r 距a l y z e dt h c r e q u i r e m c t so fi n f b 皿a t i 胁强c h 柚g cb e t w e t w op l a t f 0 皿s ，d e 如e dt l l e f b m l a t sf o rt h ei 如di n t 盯a c t i o np r o d l l r e s f 纽a l l y ，t h ea u t h o rm a d ea c x p e r i m c n t a li m p l e m t a t i o no fu um o d u l ea n dc a r r i e do u tp r e l i m j 丑a r y f u n c l i o l c s t st ot h ei l n p l 唧e n t a t i o n ，w h i c l ih a v es h o w nt h el 虹d e n n e d b yt h e a u t h o r nm e c tt h er c q u i r c m e t s 1 h e 跏t l l o rb e l i v e st h a tp di sa n 印p r o p r i a t ca p p r o a c hf o ri n 仃a n o d ei n | = b n i l a l i o nc x c h 粕g ea n df o rp l a t f b 咖 c o o p 盯a t i ( ma i l dw i l ls a t i s f yt h er c q u i i e m c 丑t sw i 慢f u “h e r 豫缸锄髓ti nt h e p m c c s so fs u p a n e r rd e v d o p m 如t k e y w o r d s ：s i n 舀cp h y s i c a l l a y e ru s c r _ d a t at r a n s f c r s w i t c h i n gp l a t f 0 册 m c l l j t e d u r en e t w o r k ( s u p f 吣m 1 ) ；o u t - b 锄ds i 伊“g ；u s e r - d a l ap l a l f 0 咖 ( u p l a t f 0 咖) ；s i 弘a l i l l g a n d m a i l a g e m e n tp l a 渤衄( s m - p l a 渤m ) ； i n t r a - n o d ea c c e s sh t e r f a c c ( i a i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 s u p a n e t 是本课题研究的大背景 本课题的大背景是四川省网络通信技术重点实验室关于下一代 m t e m e t 体系结构的研究，即有关“单物理层用户数据传输与交换平台体 系结构”( s u p a s i n 酉ep h y s i c a ll a y e iu s e r - d a t a 仃蛆s f 盯s w i t c h i n g p l a l f o 衄觚h i t e c i l l f e ) 。该体系结构的提出是面对“三网合一”的需求， 在通信技术，特别是密集波分复用技术( d w d m ) 为“三网合一”奠定 了良好的通信技术基础，而h t e m e t 却未能解决好服务质量保障和安全问 题的挑战的情况下提出来的。支持s u p a 体系结构的网络称为s u p a n e t ， 它采用带外信令控制的概念将用户数据的传输与交换平台( u 巾l a 幽讽) 箍化为单物理层，而为了保持与i n t e m e t 的互通，将现有i n t 啪e t 的协议 栈保留在信控、管理平台( s m ，p l a t f o r m ) 上，并通过增强型服务质量保 障和安全机制迎接h t e m e t 实现“三网合一”必须面对的挑战。 1 1 1 三网合一是信息时代的必然发展趋势 我们跨入了“信息时代”，越来越认识到信息的重要性。为了得到需 要的信息，我们使用了不同的信息工具，将信息按它的表现形式不同分为 语音、数据和图像，并为之设计了三套不同的传输设施、处理设备、接收 传送终端，组织了三个不同的行业，这显然对信息的流通和共享造成了阻 碍。随着人类对信息需求的数量、质量和速度等要求的不断提高，人类对 统一信息的需求越来越大。 所谓三网合一即原先独立设计运营的传统电信网、计算机互联网和有 线电视网相互渗透和相互融合。相应地，三类不同的业务、市场和产业也 将相互渗透和相互融合，用一个统一的网络平台向用户提供数据、语音、 图像等多媒体业务，逐渐形成一个统一的网络系统，并以全数字化的网络 设施来支持包括数据、话音和视像在内的所有业务的通信。因此“三网合 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一”在更深层次上是指数据、音频、视频三种业务的融合i l “。 三网合一的条件已经趋向成熟，具体表现在以下几方面： 1 技术条件 ( 1 ) 数字技术。数字技术的主要优势有：信号质量高，抗干扰能力强； 传输效率高，多功能复用；双向交互性，便于网络化等。较之模拟技术， 数字技术以其高容错性、高可靠性、高效率等特点，得到了广泛应用，信 息的传播也逐步从模拟向数字化过渡。传统的模拟传输让位于数字传输已 是信息社会发展的必然。数字技术将不同物理信号统一为二进制比特流， 在信息的传输、交换、选路和处理过程中已经实现了融合。数字技术的迅 速发展和全面采用，使得语音、数据和图像信号都可以通过i ，0 信号在 网络间进行传输和交流，而无任何区别。为在信息传输、交换和处理过程 中实现融合奠定了基础。 ( 2 ) 软件技术。软件技术的发展将呈现平台网络化、技术对象化、系 统构件化、产品领域化、开发过程化、生产规模化、竞争国际化的趋势。 软件技术正以计算机为中心向以多媒体信息服务为对象的方向发展，软件 开发与芯片设计相互融合和渗透，将人机充分自然地结合起来；网络软件 正在成为研究投资的热点；软件业的市场发展空间将超过硬件业的市场规 模。软件技术的发展使得三大网络及其终端都能通过软件变更支持各种用 户所需的特性、功能和业务，现代的通信设备已成为高度智能化和软件化 的产品。软件技术已经具备三网业务和应用融合的手段。 ( 3 ) 光通信技术。从技术的角度看，光纤通信技术的迅速发展，特 别是以密集波分复用技术( d w d m d e n s ew a v e l e n g l h d i v i s i m i l l t i p l e x i n g ) ，单根光纤上的数据传输率提高了几个数量级，使单波长光 波上的数据传输率远高于过去单根光纤的传输速率，达到了加g b p s ，并 很快将达到8 0 g b 口s ，单根光纤上的数据传输率达到了1 0 “数量级，相当 于大、中城市电话网、有线电视网和计算机网络的干线总吞吐率。这一传 输能力意味着在单根光纤上能够同时传输1 5 ，6 2 5 ，0 0 0 路未压缩的普通话 路( 6 4 k b p s 每路) ，或者同时传输7 ，1 4 2 套未压缩有线电视节目( 1 4 0 m b p s 每套) ，或者同时传输1 0 0 0 套未压缩的高清晰度电视节目( 1 0 4 g b p s 每 套) 。这就为将来实现有线电视网、电话交换网和计算机网络在物理上的 合并，提供综合的数字网络业务奠定了通信基础。换言之，光纤通信技术 已经能够支持大中城市综合数字业务网络信息传输的需要，如果计算机网 络技术能够适应d w d m 高速传输能力的需要，将有可能使传统的有线电视 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 网络、电话交换网络和计算机网络3 个独立的网络合并为一个分组化、数 字化的综合业务网络【1 ，7 1 。 2 用户需求 随着经济和技术的发展，人们对通信服务的需求已不再是简单的话音 或单向的视频，而是更快速、更丰富、交互式的宽带多媒体业务。目前我 国宽带网络建设非常红火，竞争也相当激烈。计算机互联网上有可视电话、 计算机电视；电信网开通了视频点播，手机上网：有线电视开通了i p 电 话，多媒体信息等。电信网、有线电视网和计算机互联网在网络资源、信 息资源和接入技术方面虽各有特点、优势，但建设之初均是面向特定业务 的( 电信网面向话音，电视网面向视频，计算机互联网面向数据) ，任何一 方基于现有的技术都不能满足用户宽带接入、综合接入的需求，用户只能 从不同的服务提供商处获得所需的各类业务，造成用户使用不便和资费负 担重。另一方面，由于各网间不能互通，也造成重复投资和通信资源的浪 费。因此，三网合一是现实的需求，也是用户的需求。 从全世界范围来看，三网台一也是现代通信和计算机网络发展的大趋 势。 1 1 2 密集波分复用技术d 帅m 为三网合一奠定了通信基础 通信业务的迅速增长一直期待人们去找寻迅速、简单、经济有效的 扩展光纤实际传输能力的途径。从扩展传输容量的角度来说，s d h 和p d h 都只是运用时分复用技术从提高设备自身的复用程度着手的。换言之，传 统的光纤传输系统是按“一纤一波”方式工作的，即在一根光纤上传送某 一波长的光信号。若要对n 个光信号作双向传输，则需要n 对光纤。然而， 现有的s d h 信号的最高传输速率仅为光纤理论信道容量万分之一左右，光 纤的通信潜力远未得到发挥。波分复用技术( w d m ) 就是利用“一纤多 波”方式充分利用光纤资源的有效途径1 3 ，4 匕 d w d m 作为项光通信新技术具有以下特点： ( 1 ) 充分挖掘光纤的巨大带宽资源。光纤具有巨大的带宽资源，d w d m 技术使一根光纤的传输容量，比单波长增加几倍至几十倍乃至上百倍，从 而增加光纤的传输容量、降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。 ( 2 ) 同时传输多种不同类型的信号。由于嬲嗍技术使用的各波长的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种业务 信号的综合传输，如p d h 信号和s d h 信号、数字信号和模拟信号、多种业 务( 音频、视频、数据等) 的混合传输。 ( 3 ) 降低线路成本。采用d w d m 技术可以使n 个波长复用起来在单根 光纤中传输，也可实现单根光纤的双向传输，在长途大容量传输时可以节 省大量光纤。另外，对己建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功 率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。 ( 4 ) 降低器件的超高速要求。随着传输速率的不断提高，许多光器 件的响应速度已明显不足，使用啪m 技术可降低对一些光器件在性能上 的极高要求，同时也可实现大容量的传输。 ( 5 ) 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。d w d m 技术有很多应用形 式，如长途干线网、c a t v 广播分配网、多路寻址局域网等，可以利用d w 蹦 技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、 经济且具有高度生存性的光网络。 d w d m 技术以其大容量、支持多业务、可扩充性好等优点将成为未来 传输网的主体，也将是未来高速网络的最佳技术。 1 。1 3 现有的网络体系结构难以适应“三网合一”的需要 要真正实现三网合一，实现语音、视频、数据等各种信息的一网传输， 并提供较好的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 【5 】，则必须同时具备传输、交 换、接入的宽带化，并且在网络的各个环节对各种信息进行统一处理，才 能构筑三网合一赖以存在的技术前提。从现阶段的技术条件来看，在传输、 交换、接入的宽带化等方面还需要解决不少问题。三网合一对计算机网络 技术提出的要求包括：网络的高速化、传输技术的数字化和待传与交换数 据的分组化，同时还必须具备对不同数据传输与交换的服务质量保障机 制。i n t e r n e t 在全球的成功推广应用使人们自然地把三网合一的希望寄 托在i n t e r n e t 技术上。 i n t e r n e t 是上一世纪七十年代发展起来的网络技术。i n t e r n e t 的发 展已经经历了三十多年的漫长历史，最早奠定该技术基础的网络是著名的 a r p a n e t 。i n t e r n e t 不是单个的网络，而是基于t c p i p 协议集的多个网 络互联而成的集合体。但是i n t e r n e t 是在用户数据传输速率较低( k b p s 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 数十k b p s ) 、通信线路误码率较高( 1 旷1 0 “) 的背景下，为以传输文本数 据为主的应用环境设计的。随着i n t e r n e t 应用的日益广泛，多媒体数据 在网络应用的比重越来越大，而音、视像数据对网络传输的服务质量的要 求与文本数据的传输要求有较大的区别，尽管它们对传输内容的正确性要 求低于文本数据，但在传输速率( d a t ar a t e ) 、传输时延( t r a n s i td e l a y ) 和传输数据抖动( j i t t e r ) 方面的要求则远高于文本数据。典型的电视节目 的可容忍的端到端的累计传输时延变化小于0 5 m s ，而可容忍的传输偶然 时延变化，即抖动( j i t t e r ) 不大于1 m s ；未压缩的话音数据可容忍的传输 时延为2 0 0 m s ，可容忍的抖动为1 5 0 m s 。这与文本数据可容忍的秒级，甚 至数十秒时延和抖动相比，完全代表了两个极端的数据传输和交换要求 闸。 o s i ，r m 和h l t c m e t 的体系结构都采用三层用户数据传输平台结构， 加上m t e m e t 的网络层采用无连接的p 协议，可能造成报文丢失和错序， 因此只能通过t c p 进行端到端重新排序和捡错重传来提高数据的正确 性。对于文本数据传输，端到端重传造成的传输时延是可以接受的技术： 但是，当多媒体数据流在网络应用中比重逐渐增加时，由于其服务质量的 需要与文本数据正好相反( 吞吐率、传输时延和时延抖动要求高，而少量 数据丢失与误码影响相对较小) ，因此，难以保障音、视数据的服务质量。 正因为如此，传统的i i l t c m c t 所提供的网络服务被称为“尽其所能饵c s t e 肋r t ) 的服务”，而“尽力而为”表示的是p 会尽它的最大努力把分组传 送到目的地，但是不保证分组是否能够到达目的地。这个术语同时也用来 说明口并不对服务质量作出任何的保证，一个需要高可靠性的应用程序 必须通过更高一层的协议来实现高可靠性的功能。 巧先后制订了多个文本，提出了用“资源预留”【7 1 、“集成服 务，【8 j 和“区分服务”1 9 j 等方法和技术来解决服务质量问题，但结果都不 十分理想，最多在轻负载下有所改善。其根本原因在于在i p 层上进行资 源预留和保障服务质量必须依赖数据链路层提供的服务，然后再利用数据 链路层对物理层参数的控制能力来保障服务质羹，而且物理层自身还必须 具备对音、视数据传输十分重要的物理通信参数控制能力，而不幸的是多 数现有数据链路层协议与物理层技术的组合不具备支持m 进行服务质量 控制的能力f 1 0 1 。 当人们意识到，1 1 l t e m e t 中造成实时性要求较高的数据传输服务质量 难以保障的根本原因在于通信子网的3 层传输平台时，c i s c 0 公司提出 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 了利用带外信令控制技术( 0 u t _ b a n ds i 印a l i n 曲将用户数据传输平台简化 为增强型的两层结构，在传统数据链路层之上增加一个标签子层( i _ 丑b e l s u b h y e r ) 来取代i p 层，以实现多协议标签交换( m p l s m u n i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i l l 蓟【1 1 】。m p l s 提供面向连接的服务，采用带外信令控制思想 来描述其工作过程。瑾t f 进一步将m p 璐技术延伸到以密集波分复用 w d m d e n s ew 打e l 如g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术为基础的光纤通 信技术领域，将其称之为通用多协议标签交换技术( g m p l s g e n c r i c ，l s l 【1 2 ，3 ”。利用带外信令控制技术将用户数据传输平台简化为两层并 非m p l s 首创，宽带综合业务数字网( b i s d n ) 就是采用了类似结构，二 者间的主要区别仅在于：b 1 s d n 在信控和管理平台采用了复杂的专用协 议集，而m p l s 则以i n t e m e t 协议集为基础，相对简单，也为广大网络界 所熟悉。应当指出：无论b i s d n 还是姗p l s 都是以两层传输平台来传输 用户数据，尽管其传输效率比传统的3 层用户数据传输平台高；但是，除 非数据链路层下的物理层具备支持服务质量保障的机制，两种技术都不能 完全确保不同用户数据的不同的服务质量需求得到满足，因而不能满足 “三网台一”的需要。 1 2 本论文涉及的课题研究的主要内容 本课题是西南交通大学四川省网络通信技术重点实验室提出的以面 向以太网的物理帧时槽交换( e p 兀s e m e m e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m e 皿m e s l o ts w i t c h i n g ) 技术为基础的“单物理层用户数据传输与交换平台的 体系结构网络”( s u 艄j q e t s i n 讲ep h y s i c a lh ”ru s e r - d a t at r 孔s f e r s w i t c h j gp l a t f 0 珊加c e d l l r en e 咐o r k ) 研究的组成部分之一。由于 s u p a n 】巳t 采用带外信令控制思想，用户数据传输平台( u 平台) 与信控 管理平台( s m 平台) 可以有不同的协议层次，因而平台间相互独立； 另一方面，平台间又必须通过交换相关信息协同工作。平台间协同工作所 需的信息交换包括两方面的内容：在节点之间进行的交换和节点内部平台 间的信息交换。前者属于同层实体问的协议的范畴，本论文第三章讨论的 有关帧中继、b i s d n 和m p l s 的协议就属于这一类信息交换：本论文反 映的工作的主体却是后者。 由于s u p 射吧t 中u 平台为单物理层平台，而s & m 平台上需要与u 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 平台交换信息的实体通常为应用层实体，因此，用o s 班t m 的观点，既不 是属于0 s i 服务的范畴( 非相邻层间信息交换) ，也不属于协议的范畴( 非 同层实体间的信息交换) ，而且这类信息的交换局限于节点内部。因此， 所涉及的机制首先是一种“接口”性质的机制，它为网络节点内不同平台 上无直接协议层次关系的实体间的互访提供一种手段。在本论文中这一机 制称之为“节点内部访问接口”( i a i h t m n o d ea c s sh t e r f a c e ) 。 本论文对i 越的研究首先从需求分析出发，对需要交换的信息进行分 析归类：通过对使用i a i 接口的用户实体的性质、所在平台和需要交换的 信息的特点分析定义接口信息格式即信息交换规律。为了初步验证相关工 作的可行性，笔者通过编程模拟实现了该接口，并进行了简单的实验。 1 3 本论文的组织安排 本论文的组织结构如下，在本章对论文的背景、研究内容的概要介绍 之后，为了展开对i a j 的进一步讨论，在第二章对单物理层用户数据传输 与交换平台的体系结构网络( s u 鼢n 】盯) 及其核心交换技术面向以 太网的物理帧时槽交换( e p 兀葛) 技术进行了概要的介绍：分别对u 平 台和s & m 平台的功能进行了简短的讨论，为第4 章定义的i a i 莫定基础。 第三章从节点间的信息交换和节点内部平台间的信息交换出发，探讨 了两类信息交换的异同，然后以采用带外信令控制技术的典型网络( 帧中 继、b i s d n 和m p l s ) 为对象讨论了节点间同平台和平台间信息交换协 议，进一步为第四章讨论s 1 p a m 汀中的节点内部平台间信息交换接口 l a j 的定义作准备。 第四章是本论文的核心部分，提供了i a j 的基本框架。该章首先从需 求分析出发，对需要交换的信息进行分析归类；通过对使用i 越接口的用 户实体的性质、所在平台和需要交换的信息的特点分析定义接口信息格式 及信息交换规律。第五章通过编程初步实现了i a i ，并对4 类信息进行了 简单的信息交换测试实验，初步验证了笔者在第4 章中介绍的有关i a i 的工作的可行性。程序实现环境为w i n d o w s ，程序设计语言为v c + + 6 0 。 在“结论”部分对本项研究工作进行了小结，并对今后的工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论丈第8 页 第2 章s u p a n e t 体系结构 2 。1s u p a n e t 用带外信令思想将用户数据平台简化 针对砸c m c l 和m p l s 的三层或增强型两层( 或称2 5 层) 用户数据 传输与交换平台( u 平台) 在保障服务质量问题上必须依赖现有数据链路 层和物理层的服务质量保障机制的弱点，四川省网络通信技术重点实验室 提出了利用带外信令传输控制的思想进一步将u 平台简化为单物理层的 平台的思想，提出了“单物理层用户数据传输与交换平台体系结构网络” ( s u p a n 】玎) 框架m ”。 带内、带外信令控制的概念源于通信界。通信中被传输的信号可分为 用户数据和控制管理信号。最初两类信号在同信道内传输，即使用同一 频带，故称之为带内( i n - b d ) 信令传输；考虑到两类信息的性质不同， 在某些情况下两类信息的重要性和实时性的要求也不同于是在某些通信 系统中将两类数据分别在不同的信道( 频带) 内传输，这就是带外 ( 伽t i b n d ) 信令传输。 网络界将带内、带外信令控制的思想引入对计算机网的通信子网的描 述中。由于网络使用层次结构来描述的，习惯上将通信子网中的数据传输 与交换的层次结构称为平台。如果两类数据在通信子网中的传输与交换都 是在同一平台进行的，则称之为采用“带内信令”传输与交换技术；否则 称为“带外信令”技术( 注：此时的“带”已不再意味着“通信频带”， 而意味着“平台”) 。用户数据传输交换平台简称用户平台平面m p i a t f o n n - u s e r - d a 乜t r a s f e r s w i i c h i n gp l a t 6 d f m ) ；控制与管理信息使用的称为“信 控、管理平台”( s m p l a l f o m s i 印a l i 雌m m a 醇m e n tp 1 a 怕r n l ) 。 正因为采用了带外信令控制的思想，u 平台与s m 平台的分离，使 只要能达到对用户数据进行高效传输与交换的目的，有利于实现对用户数 据传输与交换的服务质量，则u 平台的层数不再是问题的实质。在汲取 仍然依赖数据链路层的m p l s 的u 平台难以解决服务质量的教训基础上， 实验室通过对通信高速化和低误码率的新特点的分析，得出了“传统上设 置独立的数据链路层的基本点已不复存在”的结论；进而提出了利用“面 置独立的数据链路层的基本点已不复存在”的结论；进而提出了利用“面 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 向以太网的物理帧时槽交换技术( e p f l s ) 将数据据链路层的“成帧”和 帧交换的功能与信道的复用结合起来的，实现高效的单物理层传输与交换 平台f 1 4 1 蚋。 2 2s u p a n e t 的协议层次模型和接口 四川省网络通信技术重点实验室在研究下一代城域网技术时，提出 了“三维以太城域网”( 3 d e m n ) 体系结构，首次将用户数据的传输平 台简化为单物理层平台结构。文【1 6 】进一步将3 d _ e m a n 体系结构的基本 思想抽象为“单物理层用户数据传输平台体系结构”( s u 队一s i 蚶e p 的s i c a ll 研e ru s c rd a t ap l a t f 0 皿觚h i t e c t u r e ) 。文f 1 4 1 将采用s i j l a 体系结 构的网络称为s u e 心忸t 。 s u p a 姗采用带外信令控制技术将通信子网的运作功能分配在用 户数据传输平台( u p l a t f o 瑚) 、控制信号传输平台( s - p l a 吐0 姗) 和管理信号 传输平台( m p l a t f o m ) 上，并将网络的通信子网的用户平台由传统的3 层 传输平台进一步简化为只有物理层的单层平台。如果物理层通信技术能够 具备要求的向下复用能力，并且能够根据用户的需求分别对实时性要求高 的数据流传输提供可保证的服务质量，而对实时性要求相对较低的数据传 输提供用户可接受但不一定任何时候都能够得到保证的服务质量，那么现 有网络体系结构中难以解决的服务质量保证的难题就可以迎刃而解。为了 实现单物理层用户数据传输与交换平台，物理层必须为用户数据提供粒度 可变的传输和交换能力，因而必须对d w d m 的单波长传输能力提供向下 复用的机制。在s u 鼢n e t 中的单物理层用户数据传输与交换平台为基于 d w d m 的e p f r s 。 图2 1 表示的是s u p a 模式下s u p ：a 管理域内的接口及协议层次结 构。如图所示，s u p a n e t 体系结构同时支持带内外信令控制技术。图2 1 中的s u p a 端系统代表支持s u p a n 酐的计算机或s u p a 域与传统i n t e r n e t 设备互联的半网关( h a l f - g a t e w a y ) 。该半网关的一半的软硬部件支持传统 的i n t e r n e t 协议集，另一半支持s u p a 协议。而这之间为中继功能。这类 网关能够为传统i n t e r n e t 设备之间借用s u p a n e t 实现互联提供一种高效 的“渡船服务”( 或称“隧道服务”) 。在这种情况下，由于用户数据的传 输是在高速、高效的物理层e p p t s 平台( 图2 1 中的e p f s 子层) 上进行的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对传统的i n t e r n e t 设备来讲，s u p a n e t 相当于不可见的高效传输“管道”， 因此，其互联效果就像i n t e r n e t 设备直接互联一样。s u p a 中间系统是s u p a 域中的节点设备，s u p a 中间系统间的互联将通过“网络一网络接口”( n n i ) 来完成；而与s u p a 端系统互联时，则通过“用户一网络接口”( u n i ) 来完 成f 1 7 4 9 】。 图2 1s u p a 模式下s u p a 管理域内的接口及协议层次结构 图2 1 中上半部表示s u 鼬n 】巳t 与传统m c m e t 互联和与支持s u p a 结构的增强型用户之间互联时所涉及的协议层次结构和信控管理接口 ( u n i 跚和n n i s m ) 。当与传统的i n t e m e t 用户机或路由器互联时，系统将 工作于带内信令控制模式。在此模式下，s u e a 专用协议( 服务质量协商 协议q o s n p 、入网控铝4 协议a c p 和流量监控与信息交换协议1 m e p ) 将 不对相应的网络数据传输发生作用，此时，与传统的k t e m e t 工作过程一 样，用户数据、信令和管理信息都在同一传输平台上进行。当与支持s u p a 的增强型系统互联时，系统将工作于带外信令工作模式。在此模式下，上 述3 种专用协议将作为信令控制和管理平台内的专用协议，分别完成服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 质量协商、入网控制和流量监控信息交换任务，以确保对用户数据流提供 的传输服务质量。h t c m e t 的路径协议( r m 、o s p f 、b g p 等) 和简单网络 管理协议s n m p 将于传统方式工作，服务质量协商协议将在连接建立过 程中充分利用相关的路径信息。在此种模式下，信令控制平台通过服务质 量的协商确定一对用户之间的连接能否建立，并对成功建立连接的数据流 建立两条端到端的单向传输的虚通路f v p 一r h l a lp a t h ) 。一条虚通路由沿 着改通路上各节点间的虚连接标识符c i 一咖a lc 0 衄e c t i o ni d e n t i 矗c r ) 共同唯一标识。v c i 及相关的控制参数( 优先权、突发数据位、丢弃位和 连接结束位) 是用户数据传输平台内进行数据交换的依据【1 5 】。 图2 1 中的下半部分别为支持s u e a 结构的用户系统和s u p a 域内用 户数据传输平台的协议层次结构和接口( i n l i i d 和n n i u d ) 。支持s u p a 结 构的用户系统可以是端系统( 计算机) 或增强型的传统路由器。其基本组 成为相关的协议包括e p f 踮p f i 葛+ d w d m 的物理层、i n t 锄e t 应用服务 和在二者之间实现应用数据流与物理帧之问适配功能的s a l 层。鉴于目 前多数端系统都支持e t h e r n e t ，从实现的角度考虑，s a l 予层可以直接借 用计算机系统中的m a c 的成帧功能，故图2 1 中下半部的用户系统中设 最了一个可选的e t h e m e tm a c 功能层。在s u p a 域内，用户数据传输平 台简化为单物理层结构，即由类以太网物理帧子层( e p f s e i h c m e t - u k c p h y s i c a lf f 皿cs u b l a y c r ) 和d 哺，d m 子层组成。s u p a 节点利用“物理帧时 槽交换”技术旧f 弼一e 也e m e l - o r i e n t e dp h y s i c a lf r 锄e1 缸髂l o ts 丽t c h i n g ) 实现在多个端口间进行高速交换1 1 “。 2 3s u p a n e t 的工作过程 s u 鼢n 】玎可以工作于两种模式：缺省1 l l t e m e t 模式和s u p a 模式。 s u p a n e t 在缺省模式下的工作过程与现有的i n t e m e t 工作过程完全 相同，所有s u 黝n e t 专用功能将不发生作用。此时，接口将按带内信令 方式工作，图2 1 中下半部分不再参与数据的交换。换言之，u n l 和n m 的信控管理接口与用户数据传输接口概念上是同一个接口。图2 1 中上半 部分的s u p a 专用协议( q o s n p 、n 肛p 等) 将处于不活动状态，所提供的 服务也就退化为传统的m t e m e t 服务。为了使s u p a 节点能自动识别用户 希望传统的h i t e m e t 服务还是s u p a n l 玎服务，选用s u p a n 盯服务时， 匿南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 m 报头中的特殊字段将使用特殊编码( ，、，4 的1 d s 和i p 、r 6 中的t r a f i c a a s s ) 。 当s i i p a n e t 与s 切 a 端系统互联时，所有节点将工作于s u p a 模式。 在此模式下，s u 鼢n e t 将为用户数据流提供虚连接服务。s u l n 】t 为 用户提供永久虚连接( p v c p e r i n a n e m r h l a lc o c c t i o n ) 和交换虚连接 侣v c 洲t c h e d r t u a lc 咖e c t i o 砷两类服务。前者可用于有线电视节目 的广播，后者可用于需要建立动态连接的场合，例如电话交换、视像节目 点播f v o d l 等。工作过程可以分为3 个阶段，即建立连接阶段、数据传输 阶段和拆除连接阶段。在建立连接阶段，信令控制和管理平台内的服务质 量协商协议( 0 0 s n p ) 将扮演连接建立和服务质量协商的角色。q o s n _ p 充 分利用i n t e m c t 路径信息交换协议( r 球、o s p f 、b g p 等) 产生的路径交 换表限o u 血g i 曲l c ) 确定的路径，逐级协商能否提供用户请求的服务质量 直到另一端的用户。应当指出：由于存在单向服务的可能性，即使是双向 服务两个方向上的服务质量需求可能不同，因此，服务质量的协商以单方 向为基础进行，一条虚通路的建立必须在一对用户之间建立一条两条能 够满足服务质量需求的单向虚通路。为了增加虚通路建立的可能性，两个 方向上的虚通路的路径可以相同，也可以不同。只有当一对用户之间所选 择的虚通路上所有节点都能提供要求的服务质量参数( 数据传输率、优先 级别、抖动、数据丢弃率等) 时，一条单向的虚连接( v c n 1 1 a l c 0 曲e c t i 0 ) 才能够建立。因此在双向通信情况下，需分别建立两条虚连 接来提供相应的服务。一条虚通路由沿着该通路上各节点间的虚连接标识 符( v c i r t u a lc o 肌e c t i o ni d c n t i f i c r ) 来标识。而v c i 则是一对e p f 瑙 节点问沿传输方向的唯一标识。 在数据传输阶段，物理帧利用建立连接阶段指定的连接标识符在节点 间区别不同的虚连接，e p f t s 交换杌根据此连接标识符、服务优先级别、 数据性质和承诺的服务质量提供不同的传输与交换服务。因此，在一条完 整的虚通路上，所有的虚连接标识符共同来标识一条虚通路。 数据传输结束后，一对端系统间的应用连接的拆除可能由网络服务用 户发起，也可能由网络服务提供者发起。在s l m a n e t 中，任一方用户传 输完所有数据而不希望继续进行信息交换时，可向对等协议实体请求结束 相关连接。任一方都可用连接结束协议( c e p c o e c t i o ne i l d i n g p r o t o c 0 1 ) 来结束虚通路上的通信。c e p 是e p f r s 一对边界路由器的用户一网络接 口( u n l u s e r ，n e 俯o r ki i l t e r f a c e ) 上的局部协议，其运作过程由请求结 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 束通信一方发出a 三p 请求，在得到对方确认后，入口的边界路由器将继 续向前进方向发送一个结束位( e - b i t 】置“l ”的e p f ，收到该帧的节点将 把改连接上的资源回归系统，直到另一端的边界路由器i ”j 。c e p 可以利 用u d p 厂r c p 来结束虚连接。一对用户之间两个方向上虚通路的拆除过程 将分别进行。应当强调指出：尽管从概念上讲，口 p 是信控平台的协议， 但一旦q o s 协商完成并建立了相关的虚通路，所有的数据将在用户平台 内以v c i 为标识进行，c e p 协议数据传输单元( 】p d u