（计算机应用技术专业论文）基于弹性分组环网中公平算法的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 本文主要是对城域网中一种新型的数据传输技术一弹性分组环( r p r ) ， 进行了详细地探讨和深入地研究。文章首先全面地介绍了弹性分组环背景知 识，协议模型以及网络与节点结构，然后分析了弹性分组环网的运作机制并 对其关键技术进行了详细的探讨。本文重点对弹性分组环网中的带宽公平分 配算法进行了深入的探讨和研究。首先对于已有的几种具有代表性的公平算 法分别给予了介绍，对各种模式的运作机制进行了具体的分析并对它们作出 了比较。之后我们又提出了几种能满足r p r 协议要求的新公平算法，并通过 仿真对其性能进行了检验。 作为一种新型的网络结构和数据传输技术，弹性分组环采用了双环结构， 空间复用机制，拓扑自动识别机制，保护倒换技术，统计复用技术等，继承 了以往各种技术的优点并克服了其不足之处，使得r p r 集可靠性，高效性和 经济性于一身，并且成了优化城域网中数据传输的首选技术。尽管i e e e 8 0 2 1 7 工作组已经基本完成了r p r 技术的标准化制定，但其中的许多关键技 术还有待进一步的深入研究，而一个十分核心的课题是r p r 环网中的公平算 法。在r p r 环阀中一个关键的目标是将带宽资源公平地分配给各用户，同时 能使带宽资源得到有效使用，而这些需要通过一定的公平算法来实现。另外， 应用到r p r 网络中的公平算法需要遵循一定的公平性原则，即r i a s 公平原则。 具体来讲，r i a s 公平原则包含以下三点：一是带宽分配的粒度，即同一链路 上是以聚合流( i a ) 为单位；二是空间复用的实现，即在下游受到瓶颈限制的 情况下充分利用上游链路的资源；三是各聚合流的内部分配问题，即在为各 个聚合数据流分配完链路带宽后按照一定的公平原则将其所的带宽分配给内 部各单一数据流。 本文分析了以往r p r 公平算法中的两类具有代表性的模式一激进模式( a m ) 和保留模式( c m ) ，两种模式都有一个共同的操作机制，当拥塞发生时，下游 拥塞节点公布一个公平速率给上游节点，上游节点根据该公平速率来调整自 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 身的发送速率从而消除下游链路的拥塞。然而这两种模式存在抖动严重，吞 吐率低下以及过度延迟等缺点，因此不能取得r p r 协议所要求的性能目标。 本文对几种具有代表性的r p r 公平算法g a n d a l f 、a 1 l a d i n 和d v s r 进行了具 体的描述，分析了各种模式运作机制并对它们的性能进行了比较。 在对以往的凡种具有代表性的r p r 公平算法作出分析与评价之后，本文 又提出了几种能满足r p r 协议要求的公平算法，他们分别是a b a 算法、d b f a 算法和c b f a 算法，这些算法不再采用激进模式或保留模式下的速率调控机制， 而是根据r p r 环网的结构特性和运作机制，引入了控制理论的方法，采用分 布式或集中式的操作方式来实现对各r p r 节点的调控，从而能实现环网上所 有节点之问的公平，同时能获得高的带宽利用率以及实现最大空间复用。文 中给出了各种算法的主要思想及其运作机制并对其作出稳定性分析，然后通 过仿真实验对各个算法的性能分别进行了验证。 在最后的章节里本文还对公平与效率的关系进行了积极地探讨，通过寻 求公平与效率的某种折中后实系统效益的优化。最后对全文进行了总结并对 未来的工作进行了展望。 关键词：弹性分组环；空间复用；加权公平；r i a s 公平 聚合流：公平速率；控制器：a 公平 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，o n en e wd a t a t r a n s p o r tt e c h n o l o g y n a m e dr e s i l i e n tp a c k e t r i n g ( r p r ) i nm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k si sd i s c u s s e da n da n a y z e di nag r e a te x t e n d f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g e f o rr p r ，t h er p r p r o t o c o lm o d e la n d t h er p r n e t w o r k n o d ea r c h i t e c t u r ea r ef u l l yi n t r o d u c e d ，t h e nt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo f r p ra n dt h ek e y t e c h n i q u e s i nr p rn e t w o r k sa r ea n a l y z e di nd e t a i l w ed of u r t h e r a n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ha b o u tt h er p rf a i ra l g o r i t h mi nt h i sp a p e r f i r s tw e i n t r o d u c es e v e r a lr e p r e s e n t a t i v er p rf a i r a l g o r i t h mw h i c hh a v eb e e np r o p o s e d b e f o r e t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo fe a c hs c h e m ei sd i s c u s s e da n dt h ep e r f o r m a n c e c o m p a r i o n a r em a d ea m o n gt h e m a f t e rt h e s ew e p r o p o s eo u r t h r e en e wr p rf a i r a l g o r i t h m sw h i c hc a nm e e tt h ek e yp e r f o r m a n c eo b j e c t i v e so ft h er p rn e t w o r k ， t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ov e r i f yt h e i rs a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t s a san e wn e t w o r ks t r u c t u r ea n dd a t at r a n s p o r tt e c h n o l o g y , t h er e s i l i e n tp a c k e t r i n g ( r p r ) ，c a no v e r c o m e t h ed r a w b a c k so ft h ep r e v i o u st e c h n o l o g yc h o i c e sf o r m a n r i n gs u c ha st h es o n e tr i n ga n d t h eg i g a b i te t h e m e t r i n g r p ra l s oa d o p t s t h ed u a l r i n gt o p o l o g y , s p a t i a lr e u s e ，t o p o l o g ys e l f - d i s c o v e r y , p r o t e c tr o t a t ea n d s t a t i s t i cm u l t i p l e xe t c ，w h i c he n a b l e si tt h ea b i l i t yt oa c h i e v et h er o b u s t ，h i g h e f f i c i e n c y a n de c o n o m i c s i m u l t a n e o u s l y , a n d r p rh a sb e c o m et h e p r i m a r y t e c h n o l o g y i n m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k s t h ei e e e8 0 2 1 7 w o r k g r o u p h a s c o m p l e t e t h es t a n d a r df r a m e w o r kf o rr p r ，h o w e v e r , m a n y k e yt e c h n o l o g i e sa b o u t r p ra r ci 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 dd i s c u s s e d ，o n eo fw h i c hi st h e b a n d w i d t hf a i ra l l o c a t i o np r o b l e mi nr p r h o wt oa l l o c a t et h er i n gb a n d w i d t h f a i r l ya sw 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 a l g o r i t h m s t a k et h ec h a r g eo fs u c hi s s u e t h e r e f o r et h ek e yt e c h n i c a lc h a l l e n g ei n r p rn e t w o r k si st h ed e s i g no far p rf a i ra l g o r i t h mt h a t c a l l d y n a m i c a l l ya n d s i m u l t a n e o u s l y a c h i e v e st h ef a i m e s s ，h i 【g hu t i l i z a t i o na n ds p a t i a lr e u s e b e f o r e d e s i g n i n g ar p rf a i r a l g o r i t h m ，o n e f a i r n e s s p r i n c i p l e ，n a m e l yr i n gi n g r e s s t 玎 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a g g r e g a t e d w i t ha p a t i a la e u s e ( r 朋ds h o u l db ec o n s i d e r e df i r s t t h er a sf a i r n e s s h a ss e v e r a lk e y c o m p o n e n t s ，o n e o fw h i c hi st h el e v e lo ft h et r a f f i cg r a n u l a r i t yf o r f a i r n e s sd e t e r m i n a t i o na tal i n ki st h es o c a l l e d i n g r e s s a g g r e g a t e dq a ) f l o w , w h i c hi st h ea g g r e g a t eo fa l ls i n g l ef l o w so r i 酉n a t i n gf o r mag i v e ni n g r e s sn o d e w h i l ee n d i ga td i f f e r e n td e s t i n a t i o n s ；t h es e c o n dc o m p o n e n to fr a si st oe n s u r e t h em a x i m a ls p a t i a lr e u s es u b j e c tt ot h ef i r s tc o n s t r a i n t ，t h a ti s ，b a n d w i d t ho nal i n k c a nb er e c l a i m e db yf l o w so ni tw h e ni ti su n u s e de i t h e rd u et ol a c ko fd e m a n do r i nc a s e so fi n s u f f i c i e n td e m a n di nw h i c hs o m ef l o w sc r o s s i n gi ta r eb o t t l e n e c k e d e l s e w h e r e ；a n dt h el a s tc o m p o n e n t i st h ei n n e ra l l o c a t i o no ft h es a l n ei af l o w , t h a t i s ，t h eb a n d w i d t ha l l o c a t e dt o a ni af l o ws h o u l db ea l l o c a t e da m o n gi t s s i n g l e f l o w sa c c o r d i n gt os o m ef a i r n e s sp r i n c i p l e t h i sp a p e rd i s c u s s e st w ok i n d so fb a n d w d i t hf a i ra l l o c a t i o nm o d e si nr p r n e t w o r k s ，n a m e l ya g g r e s s i v em o d e ( a m ) a n d c o n s e r v a t i o n m o d e ( c m ) r e s p e c t i v e l y , t h ec o m m o no p e r a t i o nm e c h a n i s ma b o u tt h e t w om o d e si st h a ta d o w n s t r e a mc o n g e s t i o nr p rn o d ea d v e r t i s e saf a i rr a t ec o n t a i n e di nt h ec o n t r o l m e s s a g e t ot h eu p s t r e a mn o d e s ，w h i c hi st oa d j u s tt h es e n d i n gr a t e so ft h er e l e v a n t n o d e sa n dd e l i v e rt h ec o n g e s t i o na tt h ed o w n s t r e a m b u tb o t hm o d e ss u f f e rf r o m t h es e r v eo s c i l l a t i o n ，t h r o u g h p u td e g r a d a t i o na n dt o ol o n gd e l a ye t c ，s ot h a tt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fr p r a r en o ts a t i s f i e d s p e c i f i c a l l y , w ea l s op r e s e n t t h r e er e p r e s e n t a t i v ea l g o r i t h m s ，n a m e l yg a n d a l f , a l l a d i na n dd v s r w h i c hh a v e b e e np r o p o s e di nr p rn e t w o r k s ，t h er u n n i n gm e c h a n i s mo fe a c hs c h e m ei s a n a l y z e dr e s p e c t i v e l ya n d t h ep e r f o r m a n c e c o m p a r i o n sa r em a d ea m o n g t h e m w ep r o p o s ei nt h i sp a p e rt h r e en e wr p rf a i r a l g o r i t h m s ，n a m e l ya b a a l g o r i t h m ，c b f aa l g o r i t h m a n dd b f aa l g o r i t h mi nd e t m l ，w h i c ha r ea b l et o a c h i e v et h ek e y p e r f o r m a n c eo b j e c t i v e so f r p r ，n o t et h e s en e wa l g o r i t h m sd on o t t h ea d o p tt h er a t ea d j u s tm e c h a n i s m u s e di na mo rc m a n ym o r e ，o nt h ec o n t r a r y , w e e m p l o y t h ec l a s s i cc o n t r o lt h e o r ym e t h o di nt oo u rn e wa l g o r i t h m s ，a n da d o p t t h ed i s t r i b u t e do rc e n t r a l i z e ds 姒e g yt o r e a l i z et h ep e r f o r m a n c er e q u f i m e n to f r p rn e t w o r k ss u c ha st h eg l o b a lf a i r n e s s ，h i g hu t i l i z a t i o na n dm a x i m a ls p a t i a l t v 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s r e u s e t h eb a s i ci d e aa n do p e r a t i n gm e c h a n i s mo fe a c ha l g o r i t h mi sa n a l y z e d ，a n d t h e p s e u d o c o d eo ft h e e a c h a l g o r i t h ma s w e l la si t s s t a b i l i t ya n a l y s i s i sa l s o p r e s e n t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i e yt h es i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ea c h i e v e d b ye a c ha l g o r i t h m i n t h e f o l l o w i n gc h a p t e r w ea l s o p r o p o s et h e 。- f a i r n e s s c o n c e p tt h a tl e a d st ot h es t u d yo fa t r a d e o f fb e t w e e nt h ee f f i c i e n c y ( u t i l i z a t i o no r r e v e n u e ) a n d f a i r n e s si nag e n e r a lt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i t hr e l a t e dt oa n y f a i r n e s sc r i t e r i o n a tl a s t ，w ec o n c l u d et h i st h e s i sa n dp r o s p e c tan u m b e ro ff u t u r e w o r k sf o rf u r t h e rr e s e a i c h k e y w o r d s ：r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) ；s p a t i a lr e u s e ；w e i g h t e df a i m e s s ； r i a sf a i r n e s s ；i n g r e s s a g g r e g a t e d ( i a ) f l o w ；f a i rr a t e ； c o n t r o l l e r ；a - f a i r n e s s v 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 日期：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学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和o g - 7 ：版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本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和汇编本学位 论文。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本 人的学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章 程”中的规定享受相关权益。圄童迨童提童厦溢卮；旦主生；旦= 生；旦三生 筮查! 作者签名： 日期：年月 目 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 引言 随着互联网上i p 数据业务的迅猛增长，各种通信网络已完成或者正在积极 地进行各种技术改革，相比于局域网和广域网，城域网( m a n ) 中的技术要相对 落后并阻碍了数据业务的发展，而所谓城域网是一种介于广域网和局域网之间 的网络，建设城域网的目的是为了优化整个互连网的数据传输，在长途骨干网 与用户接入网之间消除“断层”现象。城域网将分布在城市不同地点的用户业 务，如企业，机关，商住楼，宾馆，学校，智能小区等进行优化处理后再送往 骨干网络，从而使网络层次变得清晰，效率也得到极大提高。因此有必要在城 域网中设计出价格合理、扩展性好的解决方案来适应不断膨胀的i p 数据通信量 和链路带宽的增长。 弹性分组环( i i j r p r ) ，是一种基于城域环网的新型的网络结构和数据传输 技术，它是对以太网中点到点、点到多点的通信机制和环状网络拓扑应用的进 一步扩展。r p r 以其技术的先进性、投资的有效性、性能的优越性、支持业务 的多样性为城域网的组建提供了一个很好的解决方案。同时r p r 采用了双环结 构、空i 司复用机制、自动拓扑识别机制、基于源路由的保护倒换机制、带宽的 动态分配、统计复用等，是在当前的城域光环网络上优化数据包传输的首选技 术，且能有效的应用到广域阔中来。此外，作为一种新的光环网技术，r p r ：乖t j 用 环网中大部分数据业务的实时性不如话音那样要求高的特点，采用双环并行工 作的方式使之获得e l s o n e t 环网大一倍的可用带宽。极大的提高环路带宽资源 的利用率，从而降低运营商、企业及客户的成本。可以说r p r 是集i p 技术的智 能化，光纤环网的可靠性，以太网技术的高效性和经济性以及业务的普遍性于 一体，从而使得r p r 网络成了一个高效率，高可靠性的宽带承载网。因此r p r 成 了优化城域网中数据传输的首选技术，而且必将成为下一代i p 业务的主流技 术。i e e e8 0 2 1 7 工作组已经基本完成了r p r 技术的标准化制定，目前已形成了 一个基本的技术框架，但许多关键技术还有待进一步研究。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章弹性分组环之背景知识 1 1 弹性分组环之技术简介 弹性分组环，r p r ( r e s i l e n tp a c k e tr i i l g ) 1 卜 5 ，是一种为了在环型的拓 扑上优化数据传输的千y e l p 数据包直接由光纤承载技术，它成了构建新一代城 域环网的有效途径。在此之前，城域网中主要采用了三类技术：分别是 s o n e t s d h 技术 6 卜 1 1 、以太网( e t h e r n e t ) 技术 7 卜 1 1 以及a t m 技术 7 8 儿1 2 1 3 1 4 。一般说来，以往广泛用于i p 数据业务主要是以太网技术， 而可靠性好且广泛应用的网络基础结构是s o n e t 技术和a t m 技术，但是这些技术 都存在其自身的缺点。a t m 技术复杂，成本昂贵且随着数据业务的不断增长而 最终被淘汰；s o n e t 技术对数据业务的支持能力较差，且其点对点的连接方式 浪费了大量的带宽资源；而以太网则缺乏对o o s 的有效支持，其系统的可靠性 和网络安全性得不到满足，另外网络的故障恢复能力也比较差。r p r 贝i 有效地 解决了以上这些问题，且较好地融合了s o n e t 技术和以太网技术的优点，一方 面它吸收了千兆以太网的经济、灵活和可扩展性等优点，另一方面吸收了s o n e t 环网对时延的严格保障和快速保护与恢复等优点。可以说r p r 是集i p 技术的智 能化，光纤环网的可靠性，以太网技术的高效性和经济性以及业务的普遍性于 一体，从而使得r p r 网络成了一个高效率，高可靠性的宽带承载网。具体说来， r p r 技术的特点主要集中体现在以下4 个方面： ( 1 ) 弹性 所谓弹性也就是指r p r 的可靠性，当r p r 环中某处发生错误对，物理层将很 快地检测出错误并发送信息通女n m a c 层。如果错误被认定是危险的，那么每个受 到影响的r p r 节点将会对从它发出的数据流启动一个故障恢复操作。这个操作 将在故障发生后的5 0 m s p q 完成警报通知和重新定向数据流。 ( 2 ) 公平性 r p r 把带宽预留与服务质量结合起来管理环上的带宽分配。数据流在进入 环路时被分类、管制和缓存。对于高优先级的业务不需要加以公平性约束，它 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 们对服务( 带宽) 的获得是有保证的。而低优先级业务和部分中优先级业务需 要依据一定的公平性原则来获取服务( 带宽) 。r p r 既要保证高优先级的业务能 够得到及时的处理，又要防止低优先级业务长时间的处于阻塞状态直至饿死， 因此这需要在对不同类用户以及同类用户之间协调，以达到资源的合理分配。 ( 3 ) 高效性 r p r 系统采用分组交换，所以与线路交换系统相比，它能更有效地使用带 宽。环路上的分组数据包通过中间节点时将进行极少延时的交换，而目的节点 从环上取下包并进行所需的附加处理而无须使数据包回到源节点，因而极大地 提高了传输的效率。r p r 同时采用两个反向传输的光环来并行地传输数据以及 平衡负载。而且根据环网上负载分布的不同来进行动态地调节，并且通过空间 复用机制来回收剩余带宽，这种设计可以使r p r 环网的有效带宽增加好几倍。 ( 4 ) 可扩展性 在r p r 网络中最重要的是要构造r p r 服务流。服务流中包含了一个标记，该 标记实质上为r p r 提供一个控制帧以便快速地处理绕环传输的负载。每个r p r 节 点仅需检查这个标记和1 2 个报头，就可以决定帧的处理。不送往目的节点的 数据帧仅经过最小的延时和抖动，便被迅速旁路处理掉。r p r 支持许多早期建 议的物理媒质和线路速率，除了环路的原始带宽外，r p r 还采用了标识方案，这 使得运营商能够具备在一个单环上管理数百万数据流的能力。 1 2 弹性分组环协议之参考模型 数据链昭层( 吐) 苴它高层( 儿) 网络层( n l ) 逻辑涟路控制子层c u f ) m a c ：业务接昏 聆r m a c 子屡 协调子层 一一媒体相关接口一 物理媒体相关子层 图lr p r 协议的参考模型 1 - r p r 协议 f ( 8 0 2l t ) 硕士学位论文 m a s t e r s 丁h e s i s 弹性分组环( r p r ) 协议是一种新的m a c 层协议，其分层参考模型遵守开 放式系统互连( o s i ) 模型 8 卜 1 1 ，并做了适当的修改，以适应r p r 环网的 特殊需要。如图1 所示，r p r 协议参考模型包括物理层和数据链路层，它定义 了一种新的媒体接入控制( m a c ) 协议以此来优化数据包的传输。从协议层次来 看，r p r 属于数据链路层的m a c 子层，它包括位于m a c 子层上层边界的m a c 业务接口和位于物理层上层边界的物理层业务接口。r p r 的m a c 业务接口与以 太网m a c 业务接口的根本区别在于它包含一个交换协议单元以及数据存储转 发的决策单元。把交换决策放在m a c 层，使得r p r 的网络性能与以太网协议相 比有了显著的提升。 在r p r 协议模型中，物理层中的协调子层定义了物理层业务接口和媒体 相关接口的之间的映射。物理层可以采用以太网和s o n e t s d h 技术，而相应 的协调子层也有两种，以分别适用于这两种技术。因此物理层对上层是透明 的，但应增加向上触发拓扑自动识别模块和保护倒换等功能。而数据链路层 的m a c 数据通道与m a c 控制技术是r p r 中最主要、最基本的功能，也是i e e e 8 0 2 1 7 工作组研究的重点。前者的主要功能是完成数据传输的接入控制，后 者主要完成流量控制、业务等级协议( s l a ) 、拓扑自动识别、发布保护倒换命 令等功能，如图2 所示。r p rm a c 数据通道主要完成两个功能：一是允许对等 的m a c 客户通过m a c 数据通道交换协议数据单元( p d u ) ，而在数据通路中对应 的操作对象是服务数据单元( s d u ) ；二是允许对等的控制实体交换控制帧。r p r 的数据通道为r p r 丰富的控制功能提供了实现的平台。 图2r p rm a c 层功能示意图 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 弹性分组环所能提供的业务类别 如上节所述，r p rm a c 子层包括数据路径和控制组件两部分。数据路径组 件允许客户与对等方交换协议数据单元( p d u ) ，激活物理业务接口，传输和接 收从相邻站点来的帧；控制组件用于与对等方交换控制帧，它具有执行，维护 数据路径的控制功能。而m a c 层的业务接口包含了一系列的原语，可分为数据 类型和控制类型。数据原语用于m a c 层客户与对等层之间交换p d u 。m a c 数据原 语中包含了目的站点的m a c 地址、请求的业务类型以及业务数据单元。控制原 语用于m a c 层客户在本地m a c 实体间交换控制信息，且控制原语可进一步分为请 求原语和指示原语：请求原语从m a c 客户层发给m a c 层实体，指示原语从m a c 层 实体发送给本地m a c 层客户，此外指示原语还带有源站点地址。 与以往的数据传输协议相类似，r p r 所传送的业务等级分为a 、b 、c 类， 其对应的服务质量保障依次降低。a 等级的时延和抖动都最小，可以用于传送 诸如视频、话音等实时业务，它又进一步分为a 0 、a 1 两个等级。b 等级允许一 定的抖动和时延，又分为b c i r ( 承诺速率) 和b 。e i r ( 额外速率) 两个等级。 c 等级业务的优先级最低，是属于尽力而为( b e s te f f o r t ) 型的。每一种业务类 型都描述了数据的速率和相关的延迟特性，例如，承诺速率所保证的业务数据 速率不会超过特定的突发尺寸，而超额速率则表示若业务速率超过了c i r ，带 宽获得便没有保障。c i r 的使用意味着在环上可以使用带宽预留机制，这个预 留带宽可以覆盖整个环网，也可以是环网上的一部分。以上业务等级中，b - e i r 和c 等级一起构成了r p r 中定义的f e 业务等级，也就是受公平算法约束的业务等 级，这类等级的业务所占用的带宽由公平算法进行分配。值得注意的是，f e 等 级的业务并不是在发生拥塞时就可以丢弃的业务。r p r 在传送时，不会因为拥 塞而丢弃已经在环上运行的业务，所以只要光纤或节点不出现故障，环上的业 务都最终会被传送到目的节点，只是不同等级的业务，带宽分配方式有所不同。 m a c 层数据请求允许数据选择传输所需的环。如果所选择的环不能工作或 者客户层没有指定该环，m a c 层将自动选择一个单向环，在目的站点，m a c 层数 据指示可以确定所接收的p d u 所占用的环。m a c 控制原语描述了m a c 层客户请求 的控制信息，或者通过m a c 层业务接口传送到m a c 层客户的控制信息，这些信息 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 包括站点配置，拥塞状态，发送状态和网络拓扑等。控制原语可以提供从m a c 层 客户到m a c 子层传输s d u 的流量控制，对于a 类和b 类业务只有发送和不发送指 示；对于c 类业务还有一个用于指示业务帧到达站点的跳数的值，当该值等于 环上的站点数时，就意味着这是一个不限制发送的指示，而一个较低的值则意 味着m a c 层能保证该c 类业务帧的传输。这种方法提供了c 类业务进入m a c 子层的 选择性流量控制。 1 4 弹性分组环中的通用帧结构 r p r 协议的基本数据单元是数据帧，8 0 2 1 7m a c 帧在以太网8 0 2 3 系列帧结 构的基础上做了改进，且继承了i e e e8 0 2 5 令牌环平i j f d d i 环的特征，它具有环 网的特性( 如有t t l ) ，并且针对环单播和多播特点做了改进，详细定义了应 用r p rm a c 的数据通信系统的帧结构。 r p r 帧的最大长度是9 6 2 5 字节，数据帧的格式类似于阻太网帧，首先是两 个帧头，后接目的地址和源地址( 都是6 字节长) ，然后是2 字节的协议类型和2 字节的帧头循环冗余校验( c r c ) 和不定长的负载，最后是帧校验。根据性质的 不同，r p r 帧可以分为数据帧，控制帧和管理帧，控制帧和管理帧具有最高的 优先级，能保证对整个网络进行及时有效地控制和管理：数据帧根据业务等级 的不同也具有不同的优先级，从而实现了媒介访问的公平性。 帧头中设置了t t i 。( t i m et ol i v e ) 字段和p r i ( p r i o r i t y ) 字段，当帧每通过 一个节点时，其t t l 值便减少1 ，当帧头的t t l 值为零或帧到达目的节点时便 将其丢弃掉，这样可以防止帧的死循环而造成的系统资源的浪费。帧头中设 置p r t 字段可以为不同的业务和用户数据提供不同的等级服务。帧头c r c 可 以满足电信运营的需要，帧效验在帧头和用户数据部分分别进行，当传送的 是无保护类等级用户数据时，只对帧头进行效验，否则需要对帧头和数据部分 分别进行效验。另p t r p r 也属于广播型网络，个数据包可以到达环上所有的 节点，这意味着多种适用于广播型网络的技术能够继续适用于r p r ，如地址解 析协议( a r p ) 、生成树协议( 8 0 2 1 d ) 和三层协议等。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章弹性分组环网中的运作机制 2 1 弹性分组环网之基本特征 所谓弹性分组环( r p r ) 网络是一种基于包交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) 的环 状网络，它是以r p r 协议作为技术支撑，以光纤作为共享传输介质，且能够 在光纤上直接承载视频、数据和语音等多种业务的网络。以往的城域环网以 s o n e t 环网和e t h e m e t 环网为代表，而这两种环网都有其不足之处。s o n e t 环网采用基于电路交换的拓扑结构以及点到点的通信机制，尽管能在带宽分 配上满足一定的公平性要求，但带宽资源的利用率不高，且带宽分配的粒度 粗糙，拓扑结构的实现复杂。而e t h e r n e t 环网相比于s o n e t 环网能获得更高 的带宽利用率，但公平性得不到满足。而r p r 则有效地克服了这些缺点，它 将e t h e r n e t 环网的简单性，经济性，灵活性与s o n e t 环网的高效性，可靠性 有机地结合起来，因此成了构建城域环网的最佳途径。 图3r p r 网络模型 r p r 网络的结构相当简单，如图3 所示，环网上每个r p r 节点均有上行和 下行两个邻接节点，每个节点被赋以一个唯一的逻辑m a c 地址( 一共可标识 2 5 4 个节点) ，所有节点都可以基于其逻辑m a c 地址进行快速的二层交换。一 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 个r p r 环即构成一个虚拟的分布式第二层交换机，极大地简化了原来由s i ) h 、 以太网交换机、i p 路由器或a t m 所构成的复杂网络。从网络拓扑来看，r p r 网络是一种双环结构的环网，双环包括两个反向传输的内外单环，般来说， 外环沿顺时针方向传输数据，而内环沿逆时针方向传输数据。由于双环可以 同时进行数据的传送，因而使环网的可用带宽比s o n e t 环网增加了一倍，当 在某个环上传输数据的同时在另一个环上传递其相应的控制信息，从而有效 地利用了环网上的资源，提高了系统的效率与光纤带宽的利用率。 与以往的环网不同的是，r p r 不需要采用令牌( t o k e n ) 机制【1 】一 5 0 9 】，各 个r p r 节点的数据发送不是由是否得到了令牌来决定，而是由节点根据当前 网络的负载情况以及其它节点的反馈信息来决定自己的发送速率。当数据包 达到目的节点后，目的节点可以将数据包从环上剥离( 吸收) ，而无须使其回 到源节点，这样便有效地实现了空间复用( s p a t i a l r e u s e ) 2 0 一【2 5 】，使得环网 上有多个节点成多段同时传输数据，而不会互相影响，充分利用了整个环路 的带宽，提高了系统的吞吐率。此外，r p r 网络还能够支持统计复用与业务级 别，不同业务，如语音业务，数据业务能在同一带宽上传送，且能为不同业 务流按不同的优先级来动态地分配带宽。良好的保护与自愈机制是r p r 环网 中回弹性诹e s i l i e n 0 的突出表现，当环网上某处的链路或某个节点发生故障时， r p r 节点会自动快速的实现还回，从而保证了高的可靠性。自动拓扑识别机 制能使r p r 节点清楚的知道环网上的每段光纤链路的状态与各个节点的权值 以及环网状态的变化。总的来说，相比于其它城域网技术，r p r 是一种既能 满足不同业务需求，且能优化城域网中数据传输的首选技术。 2 2 弹性分组环网中节点的体系结构 r p r 网络中的节点具有一定的体系结构，如图4 所示。首先r p r 节点中 包含有一系列的速率调控器( 不同的公平算法调控器个数可能不一样) ，这些 速率调控器主要用于调整由该节点所产生的，且将进入环网中的数据流的速 率，每个调控器对应一个目的节点。当下游的某条链路发生拥塞时，源端节 硕士学位论文 m a s t e r s1 h e s i s 图4r p r 节点的体系结构 点便通过速率调控器来调整( 降低) 相应的数据流的发送速率。其次在节点 通过设置字节( 包1 计数器用以测量流过该节点的数据流的速率以及该节点自 己产生的数据包的速率，这些测量参数将用于公平算法中。最后在节点中设 罱了两类缓存区，分别用来存放由该节点来传递以及该节点自身所产生的数 据流，前者称为传递缓存区，后者称为发送缓存区。根据传递缓存区个数的 不同，处理器将采取不同的方式进行处理：当传递缓存区为单缓存区时，处 理器将对传递数据流采取严格优先的调度方式，即传递数据流在任何时候都 可以比发送数据流获得优先处理；当传递缓存区为双缓存区时，其中的一个 用于存放传递数据流中的高优先