（计算机应用技术专业论文）基于supanet的故障恢复研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 i n t e r n e t 是上一世纪七十年代以文本数据传输为主的应用背景下 诞生的网络，因此对正确性要求高，对实时性要求低。但随着多媒体 网络应用数据流在i n t e r n e t 中的增加，使得i n t e r n e t 的“尽其所能” 的服务难以满足新数据流的服务质量的需求，成为i n t e r n e t 面临的一 大挑战。虽然i n t e r n e t 学界试图通过在i p 层上增加服务质量保障技 术，如资源预留协议、集成服务、区分服务，来改进i n t e r n e t 的服务 质量。但现有的i n t e r n e t 的三层数据传输平台用户数据传输效率低， 实旖服务质量控制困难。 针对现有网络体系结构在服务质量保障方面存在的不足，四川省 网络通信技术重点实验室提出了“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 g l ep h y s i c a ll a y e ru 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 o r ma r c h i t e c t u r e ) 网络( s u p a n e t ) 。s u p a 利用带外 信令控制思想将用户数据传输平台( u 平台) 与信控、管理平台( s & m 平台) 相分离，而利用面向以太网的物理帧时槽交换( e p f t s e t h e r n e t - o r i 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 h i n g ) 技术将用 户数据传输与交换平台( u - p l a t f o r m ) 简化为单物理层结构，将服务 质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。 s u p a 在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数( h o p ) 的 基于服务质量的波长路径选择( s h o r t e s tp a t h l a m b d aq o sr o u t i n g ， s p l q r ) 、呼叫入网控制( c a c ) 一系列服务质量保障措施和策略，与 用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现了s u p a n e t 的服务质 量保障。因为网络中的资源可能出现故障，所以为提高网络的可靠性 s u p a n e t 需要提供故障恢复能力。s u p a n e t 的故障恢复机制是采用保护 切换的方法，保护切换是一种可以在虚通路上的虚线路或节点出现故 障时，使其上传输的业务流经过很小的中断后能快速的从故障中得到 恢复的方法。在保护切换中，备份虚通路是故障发生之前预先建立的， 当虚通路出现故障时，数据会被在切换点从失效了的虚通路切换到备 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 份的虚通路上。 s u p a n e t 中基本的保护切换有四个步骤。首先，备份的虚通路必 须在故障发生前事先建立。第二，s u p a n e t 需要对故障进行检测。第 三，检测到故障的节点必须向切换节点通知故障信息。第四，切换节 点将业务流转发到备份虚通路上而不是原本的虚通路。 在进行理论研究的同时，本文利用o p n e t 网络仿真软件对受保护 的虚通路中的业务流进行了保护切换的仿真实验。建立了一个简化的 s u p a 网络模型，对切换处理过程中的数据丢失进行了仿真统计，仿真 结果基本符合保护切换的特征，验证了保护方法的可行性。 关键词：s u p a ：服务质量；故障恢复：保护切换；虚通路：o p n e t 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第1 1 1 页 a b s t r a c t i n t e r n e tw a sd e v e l o p e df o rt e x t o r i e n t e dn e t w o r ka p p l i c a t i o n si nt h e i9 7 0 s ，a n di t r e q u e s t s c o r r e c t n e s so fc o n t e s tw i t h o u tr e a l t i m e r e q u i r e m e n t b u tw i t h i n c r e a s e o fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nt r a f f i ci n i n t e r n e t ，t h e “b e s te f f o r t ”s e r v i c ep r o v i d e db yi n t e r n e td o e sn o ta b l et o s a t i s f yu s e r s d i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t sa n db e c o m eo n eo fc h a l l e n g e st o i n t e r n e t a l t h o u g ht h e i n t e r n e t c o m m u n i ta t t e m p t st o i m p r o v e t h e t e c h n o l o g yi nt h ei pl e v e lt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c e ，t h e ya r e r s v p 、i n t e g r a t e ds e r v i c e 、d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ea n de t c b u tt h el o w e f f i c i e n c y o ft h e e x i s t i n g3 - l a y e r s u s e r d a t as w i t c h i n gp l a t f o r mi s d i f f i c u l tt oi n s u r et h eq o so ft h es e r v i c e t os o l v e t h e s e p r o b l e m s ， s i c h u a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yk e yl a b o r a t o r y ，s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t yh a sd e f i n e da n e wn e t w o r ka r c h i t e c t u r ec a l l e ds u p a ( s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r d a t a t r a n s f e r & s w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ) t h e s u p as i m p l i f i e s u s e r d a t a t r a n s f e r & s w i t c h i n gp l a t f o r m ( u p l a t f o r m ) i n t o as i n g l e p h y s i c a ll a y e rp l a t f o r mb ya d o p t i n gt h eo u t b a n ds i g n a l i n gc o n c e p t t h e k e yt e c h n i q u ee n a b l i n g t h e s i n g l eu - p l a t f o r m i sc a l l e de p f t s ( e t h e r n e t o r i 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 h i n g ) ，a n dg u a r a n t e et h e q o so f t h ed a t a s u p ah a sd e f i n e das e to fm e c h a n i s m sb o t hi nt h es & m - p l a t f o r ma n d u p l a t f o r m i ns & m p l a t f o r mt h e ya r eq o sn e g o t i a t i o np r o t o c o l ( q o s n p ) ， q o s b a s e dl a m b d ar o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l ( ；l q o sr i p ) ，t r a f f i c m o n i t o r i n g & e x c h a n g ep r o t o c o l ( t m e p ) c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) ，a n dt o g e t h e rw i t ht h em e c h a n i s m i nu - p l a t f o r mt h e yg u a r a n t e et h e q o so fs u p a n e t ( n e t w o r ks u p p o r t ss u p a ) a ni m p o r t a n tc o m p o n e n t o f p r o v i d i n gq o s ，i st h ea b i l i t yt od os or e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y t om a k e s u p a n e tr e l i a b l et h e r ei sn e e df o rf a i l u r er e c o v e r ym e c a s i m si n s u p a n e t t h ef a i l u r er e c o v e r ym e c a s i mi ns u p a n e ti sp r o t e c t i o n s w i t c h i n g ，w h i c hi sam e t h o do fe n s u r i n gr e c o v e r yf r o ml i n ko rn o d e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 f a i l u r ew i t h o u td i s r u p t i o nt ot h ed a t at r a f f i c i np r o t e c t i o ns w i t c h i n g ，t h e b a c k u pv pi sp r e p r o v i s i o n e d ，w h e nt h ep r i m a r yp a t hi sf a i l e d ，d a t a t r a f f i c ei ss w i t c h e df r o mt h ef a i l e dv pt oab a c k u pv p t h eb a s i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n gc o n s i s t so ff o u rs t e p s f i r s t ，b a c k u p v pm u s tb ee s t a b l i s h e d s e c o n d t h es u p a n e tm u s tb ea b l et od e t e c tt h e f a i l u r e t h i r d ，n o d e st h a td e t e c tt h ef a i l u r em u s tn o t i f ys w i t c h i n gn o d ei n t h es u p a n e to ft h ef a i l u r e f o r t h i n s t e a do fs e n d i n gt r a f f i co nt h e p r i m a r yv ps w i t c h i n gn o d em u s ts e n dt r a f f i co nt h eb a c k u pv pi n s t e a d o p n e ti su s e dt os i m u l a t et h ep r o t e c t i o ni ns u p a n e tt ov a l i d a t e i t sa v a i l a b i l i t ya n de f f i c i e n c yb yc o n s t i t u t i n gas i m p l i f i e ds u p an e t w o r k t o p o l o g y s t r u c t u r ew h i l e d o i n gf u n d a m e n t a lr e s e a r c h t h e r e l e v a n t s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h ev a l i d i t yo fp r o t e c t i o ni ns u p an e t w o r k s w h i c hb a s i c a l l yc o m p l i e sw i t ht h ef e a t u r eo fr e s t o r a t i o np r o c e d u r e k e yw o r d s ：s u p a ；q u a l i t yo fs e r v i c e ；f a u l t r e s t o r a t i o n ；p r o t e c t i o n s w i t c h i n g ； v p ：v i r t u a lp a t h ；s i m u l a t i o nt o o lo p n e t ； 西南交道大学颈士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 本课题的研究的背景 本课题的研究大背景是四川省网络通信技术重点实验室关于下一 代i n t e r n e t 体系结构的研究工作。通信技术高速化和网络应用数据的 多媒体化传输使传统的i n t e r n e t 技术难以满足实时音、视频数据的传 输服务质量需求和网络高速化的要求。因此，实验室提出了单物理层 用户数据传输与交换平台体系结构( s u p a s i n g l ep h y s i c a ll a y e r u 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 o r ma r c h i t e c t u r e ) p - 6 】。s u p a 利用带外信令控制思想将用户数据传输平台( u 平台) 与信控、管理 平台( s & m 平台) 相分离，进而将u 平台简化为单物理层平台，将服 务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。 在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数( h o p ) 的基于服务质 量的波长路径选择( s h o r t e s tp a t h l a m b d aq o sr o u t i n g ，s p l q r ) 、 呼叫入网控制( c a c ) 一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的 内嵌的服务质量保障机制，共同实现单数据流和多数据流类服务质量 保障。基于网络中的任何资源都有可能发生故障这一状况，为保障用 户业务的服务质量，网络必须具各从故障中快速恢复的能力，使业务 尽量不受网络故障的影响。这就是本论文的研究对象一一基于s u p a n e t 的故障恢复研究。 1 1 1 三网合一的大趋势 光通信技术的快速发展特别是d w d m 技术将单根光纤的传输速率 提高到4 0 8 0 g b p s ，即将随着达到1 6 0 g b p s ，从而使单根光纤的传输能 力达到t b p s 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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) 。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，将有可能将传统的有 线电视网络、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 6 - 8 1 。 1 1 2 现有网络体系结构存在的问题 l 、因特网体系结构不适应综合业务数据嘲的需求 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，当初设计的 目的以传输文本数据为主，因此对正确性要求高，但实时性要求低。 而当时的低通信线路速率( k b p s m b p s ) 虽然能够满足其要求，但误 码率高( 1 0 - 5 1 0 6 ) ，必须在网络体系结构中设置数据链路层通过分 帧和检错重传来提高传输的正确性。因为i n t e r n e t 提供是一种“尽其 所能”的服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ，而且i n t e r n e t 的网络层采用 无连接的i p 协议，所以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检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，丽少量数 据丢失与误码影响相对较小) ，因此，难以保障语音、视频数据的服务 质量。 目前国内外对n g i 的研究大都局限于用i p v 6 取代i p v 4 问题。但 是，i p v 6 除了将地址长度改变为原来的4 倍，解决了地址匮乏的问题 和i p 结构有所简化，对i p 报头进行了部分改进外，在体系结构上没 有实质性的变化。因此，以i p v 6 为基础的i n t e r n e t 在服务质量保障 问题上与基于i p v 4 的i n t e r n e t 面对同样的困难。 2 、综合业务数字网络( b - i s d n ) b i s d n 采用带外信令控制( o u t b a n ds i g n a l i n g ) 技术，将网络 层排除在用户数据传输平台之外，在数据链路层提供了以5 3 字节固定 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 长的信元( c e l l ) 为基础的数据复用与交换技术，为多媒体数据提供 永久虚电路( p e r m a n e n tv i r t u a lc i r c u i t ，p v c ) 和交换虚电路 ( s w i t c h e d v i r t u a lc i r c u i t s v c ) 服务。 b i s d n 存在问题包括： 信控、管理平台使用通信网络中专用协议( 如7 号信令) 为基础 的协议栈，在大型网络上配置管理以及与i n t e r n e t 的互联都极为复 杂，较难被i n t e r n e t 界认同。 a t m 信元长度较短，其净荷部分( p a y l o a d ) 仅4 8 字节长( 有效 载荷率仅9 0 ) ，与用户网络中使用最广的数据链路层协议( p p p ， e t h e r n e tm a c ) 数据单元或网络层的i p 报文长度相比太短，需要进行 分段和重组进行适配。 a t m 信元( 5 3 字节) 与物理层s d h 净荷( 2 6 1 字节) 之间接口也 需要分段和重组。 3 多协议标签交换( m p l s ) 和通用多协议标签交换( g m p l s ) 与b - i s d n 类似，m p l s 也采用带外信令控制的思想。由于它将现 有的i n t e r n e t 协议栈保留在信控、管理平台上，并予以增强，从而保 证能够与现有i n t e r n e t 互联互通。另一方面，m p l s 并未定义任何数 据链路层协议，而试图在现有的数据链路层服务之上增加标签交换予 层，将用户数据传输平台变为通用的面向连接的两层传输平台。首先， 它不必处理相对复杂的i p 报头( 而代之以相对简单的标签) ，4 1 6 字 节的她址字段被2 0 比特的标签取代，可节省路径表空间，其传输效率 比三层的i n t e r n e t 高。其次，面向连接的服务更适应多媒体应用中流 传输的需要。 应当指出：m p l s 本身并未直接提供服务质量保障的机制，而只是 将标签( l a b e l ) 与它所依托的通信子网中的服务质量保障机制，即所 谓“前传等价类”( f o r w a r de q u i v a l e n c ec l a s s ，f e c ) 挂钩。换言 之，如果通信子网中具有提供服务质量保障的能力，m p l s 即能够提供 服务质量保障，反之，在服务质量的保障方面m p l s 并未增加任何新功 能。 事实上，目前的m p l s 主要依托a t m 信元子层或帧中继子网，由于 该两类网络本身提供了较好的服务质量保障机制，因此服务质量保障 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 问题较容易得到解决；当数据链路层为无连接m a c 或共享同一连接的 p p p 时，由于他们仅提供无连接或共享同一连接的服务，很难将标签 连接与数据链路层服务挂钩，因此对标签子层的支持则较弱，服务质 量较难得到保障。 g m p l s 进一步将m p l s 推广为包括光纤交换、波长交换、时槽交换 和分组帧交换在内的各种物理层通信子网的通用子层，由于上述网络 提供的服务质量的离散性，在混合网络环境下利用标签交换为不同用 户提供不同的服务质量就更为困难，对不同网络的管理问题也更为复 杂。极端情况如波长光纤交换，标签维系的前传等价类( f e c ) 只能 代表波长光纤传输总能力中“假想”的部分传输能力，因此，当g m p l s 跨越多种通信子网时，通路上服务质量的差异使端到端的服务质量的 难以得到保障。 因此，目前关于m p l s 和g m p l s 交换技术，并没有真正解决好服务 质量保障问题。 1 2s u p a 的提出 上一节讨论了目前主要的一些网络体系结构的特点和其所存在的 问题。进一步分析表明：服务质量实质上最终表现为物理层传输质量 参数，如吞吐速率( t h r o u g h p u t ) 、传输时延( t r a n s i td e l a y ) 、传输时 延抖动( j i t t e r ) 等，采用m p l s 即使数据链路层能很好地支持服务质量 保障( 如：a t m 信元服务) ，如果物理层缺少相应的支持，但也很难确 保用户数据的服务质量。因此，即使是采用a t m 信元交换或帧中继( f r ) 数据链路层技术，如果物理层采用t d m ( 如s d h p d h ) 技术，只要数据 链路层能够为一条虚连接分配足够的时槽( t i m e s l o t ) ，用户数据流要 求的数据吞吐率完全可以得到保障；反之，如果物理层不具备支持服 务质量保障的机制，即使是a t m 或f r 也难以保障应用数据流要求的服 务质量。换言之，能否提供良好的服务质量保障，问题的关键还在于 物理层。 基于上述分析，针对三网合一的发展趋势和现有网络体系结构不 能满足三网合一的网络的高速传输、交换和服务质量保证的现状，实 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 验室提出了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 g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r d a t at r a n s f e r s w i t c h i n gp 1 a t f o r m a r c h i t e c t u r e ) 。 1 3 国内外研究现状与本课题的研究意义 网络故障可能是链路故障( 如光纤断裂等) 或者节点故障( 如路 由器硬件或软件上的故障等) 是任何一个网络都必须面对的现实。然 而这在过去仅仅意味着确保在一个故障之后中重建网络的连通性，但 在当前的网络中则意味着，不但要重建网络的连通性，还要满足一定 的约束性和性能水平，以便不影响到业务流的服务质量9 1 。 将目前的网络按层次来分析，不同的层次采取着各自不同的故障 恢复技术。光( d w d m ) 层现在已经有能力提供动态的环或m e s h 的 重建功能。利用自动保护切换( a p s ) ，以及自愈环和m e s h 重建体系 结构，可以给同步数字层( s d h ) 提供生存性能力。s d h 层的生存性 机制主要包括自动保护倒换机制和自愈环。a t m 网络的自愈以v p 为 基础，目前受到广泛重视的是备份v p 自愈算法。采用i p 的动态路由 协议可以动态地发现可连接的处于工作状态的路由器，使得i p 路由可 以对网络的故障自适应。然而，i p 层的路由重建发生在一个路由收敛 周期之后，可能需要几秒钟或几分钟来完成。基于m p l s 的生存性策 略是指快速并完全地重建m p l s 网络中受故障影响的流量。故障可能是 由i p 层或者传输i p 流量的低层检测到的。通过在分组头上追加一个标 签栈，可以建立一系列标签交换路径( l s p ) ，利用l s p 作为保护路径， 可以实现业务的保护或恢复( 重路由) 。 而在s u p a n e t 中，可能某些原因导致某虚通路无效，从而影响到 此虚通路上业务流的服务质量。这些故障可能是d w d m 恢复机制无法 解决的高层故障，因此研究基于虚通路的故障恢复技术能为s u p a n e t 中业务流提供更细粒度保护，同时可以加速故障恢复速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 本论文的组织安排 本文主要是对单物理层用户数据传输平台体系结构的故障恢复的 研究。针对s u p a e t 中实时性要求高的业务流，分析可能的各种保障 业务流服务质量的故障恢复机制。提出了基于虚通路保护的故障恢复 方式，并以故障恢复的处理过程为顺序详细分析和描述了故障恢复各 个阶段的处理过程。 第二章主要介绍了单物理层用户数据传输平台体系结构s u p a ，分 别对s u p a 的协议层次模型、工作过程、接口以及“面向以太网帧时 槽交换”( e p f t s ) 技术进行了说明。 第三章归纳了现在网络故障恢复的研究现状，分析了现有故障恢 复技术的特点和其所存在的问题，为s u p a n e t 故障恢复的研究提供 了参考作用和借鉴价值。 第四章是论文的核心章节，首先分析了当s u p a n e t 中出现故障 时，而可能采取的各种方法的比较。通过分析，为保障s u p a n e t 中 较重要的业务流不受可能网络故障的影响，采用了基于虚通路保护的 方法。然后针对虚通路保护方法的整个过程和各个阶段进行详细的分 析和描述。 第五章中，介绍了本文作者进行s u p a n e t 中故障恢复研究在o p n e t m o d e l e r 平台上的设计和仿真。最后是全文总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章s u p a 技术框架 在第一章中对现有网络体系结构不能满足三网合一需求的分析和 s u p a 网络体系结构的提出的基础上，本章从分析带外信令控制技术入 手，详细说明了单物理层用户数据传输平面体系结构s u p a 的协议层 次模型、接口和工作模式。 2 1 基本术语 下面是s u p a 体系结构中的基本术语： s u p a ：单物理层用户数据传输与交换平台体系结( s i n g l ep h y s i c a ll a y e r uu 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 o r ma r c h i t e c t u r e ) 。 s u p a n e t ：采用s u p a 体系结构的网络被称为s u p a n e t 。 e p f t s ：面向以太网的物理帧时槽交换( e p f t s e t h e r n e t o r i e n t e d p h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ) h f s ：半步超前交换( h f s h a l f - s t e pf o r w a r ds w i t c h i n g ) ，为了进一 步改善s u p a n e t 中的“面向以太网的物理帧时槽交换” ( e p f t s ) 技术的单物理层用户数据传输与交换平台的服务质 量保障措施而提出的新思想。 q o s n p ：服务质量协商协议( q o sn e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) ，s u p a 的信控 管理平台一种信令协议，用于在s u p a 域内进行虚通路的建 立和服务质量的协商。 v l ：虚线路( v i r t u a l l i n e ) ，一条虚通路上两个交换节点之间的连接。 v l i ：虚线路标识( v i r t u a ll i n ei n d e x ) 用于标识虚线路。 v p ：虚通路( v i r t u a lp a t h ) 由若干个相邻虚线路连接而成，可以为端 到端的虚通路，也可以为节点到节点的虚通路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 带外信令控制技术 信令技术包括两种，即带内( i n b a n d ) 和带外( o u t b a n d ) 技术。 带内信令是指控制平面与数据平面共享同一物理媒质，例如利用s d h 复用段或再生段的d c c 通道，或者使用一个特定的波长通道作为控制 平面的数据通信网络。带内信令的优点是节省数据通信网络投资，但 是控制平面的风险与数据平面一样，安全性和可靠性较差1 0 】。 带外信令，即控制平面和数据平面不在同一物理媒质。由于带外 信令其采用独立于用户信息通路的信令通路，具有信令传递速度快， 可靠性高，保证安全性，便于提供多种补充业务及某些特殊功能( 如 支持智能网，网络管理应用) 等特点，正被广泛使用。 s i j p a 是采用带外信令的方式。一般可以将s u p a n e t 分成用户数据 平台和信控管理平台。其中信控管理平台主要包括管理平台支持服务 质量协商、最少跳数( h o p ) 的基于服务质量的波长路径选择( s h o r t e s t p a t h l a m b d aq o sr o u t i n g ，s p l q r ) 、呼叫入网控制( c a c ) 一系列 服务质量保障措施和策略。用户传输平台是只有物理层的单层平台， 负责用户数据的转发 2 - 5 】。 2 3s u p a 的协议层次模型和接口 s u p a 体系结构利用带外信令控制技术，将网络的通信子网的用户 平面由传统的3 层传输平台迸一步简化为只有物理层的单层平面。因 为在s u p a 体系结构中物理层通信技术具备粒度可伸缩的向下复用的 机制，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，从而解决现有网络 体系结构中无法保证服务质量的难题。要实现该体系结构必须在物理 层实现对用户数据的高速交换和为不同的网络应用提供服务质量保障 提供必要的支撑机制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 s u p a 的体系结构是对原有通信子网的3 层传输平台的简化，但信 控平面和管理平面保留了原有的协议，这样有利于与i n t c r n e t 的互连， 也保护了以往的众多投资。采用s u p a 体系结构的网络被称为 s u p a n e t ，这里引用文献 8 。s u p a n e t 可以工作于两种模式：缺省 i n t e r n e t 模式和s u p a 模式。缺省模式与现有的i n t e r n c t 工作过程完全 相同，无需做进一步说明。图2 1 为工作于s u p a 模式下s u p a n e t 域 内的接口与协议层次结构示意图。图2 一l 为s u p a n e t 域内协议层次结 构及与外部互联的示意图。s u p a n e t 体系结构同时支持带内夕b 信令控 制技术，图2 - 1 中上半部分表示s u p a n e t 与传统i n t e r n e t 互联( 实际 上应与传统的i n t e r n e t 网、电话网和有线电视网互联) 和与支持 s u p a n e t 结构的增强型用户之间互联时所涉及的协议层次结构。当与 传统的i n t e r n 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 p a n e t 专用协议( 服务质量协商协议q o s n p ( 0 0 s n e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 、入网控制协议a c p 和流量监控与信息交换协 议t 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 i n t e r n 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 n e t 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 管理平面内的专用协议，分别完成服务质量协商、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。i n t e r n e t 的路径协议( r i p 、0 s p f 、b g p 等) 和简单网络管理协议s n m p 将以传 统方式工作，q o s n p 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，信令控制平面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虚通路( v p ， v i r t u a lp a t h ) 【1 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 i扣n i u 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 中的用户系统代表支持s u p a n e t 的计算机系统或与s u p a n e t 互联的接口部分。图2 1 的上半部分表示用户系统和s u p a n e t 节点的 信令控制与管理平面( s & mp l a t f o r m ) 中的协议层次结构，以及在用户 一网络接口( u n i ，u s e r n e t w o r ki n t e r f a c e ) 和网络一网络接口( n n i ， n e t w o r k n e t w o r ki n t e r f a c e ) 上的信息管理接口( u n i 。和n n is - ) 。图 2 - 1 的下半部分分别为支持s u p a n e t 结构的用户系统和s u p a n e t 节点 的用户数据传输平面的协议层次结构和接口关系。在s u p a n e t 域内， 用户数据传输平面被简化为单物理层，分为两个子层：“面向以太网物 理帧子层”( e p f s ， e t h e r n e t o r i e n tp h y s i c a lf r a m es u b l a y e r ) 和d w d m 子层，s u p a 节点利用“面向以太网物理帧时槽交换”技术 ( e p f t s p h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ) 实现在多个端。口间数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的高速转接l l ”。 工作于s u 队模式下的s u p a 端系统既可能是支持s u p a 的计算机 系统，也可能是s u p a 域与传统i n t e r n e t 设备互联网关中支持s u p a 接 口协议的软硬部件。这类网关能够为传统i n t e r a c 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”( 又称“装载服务” 或“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 f s( e p f s - e t h e r u e t o r i e n tp h y s i c a lf r a m es u b 1 a y e r ) 平台( 图2 1 中的e p f s 子层) 上进行的，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 l ) 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。 s u p a n e t 设备也可以工作于缺省i n t e r a e t 模式，此时，接口将按 带内信令方式工作。换言之，u n i 或n n i 的信控管理接口与用户数据 传输用接口将合并为一个接口。此时，图2 - 1 中下半部分不再参与数 据的交换，因此i 上半部的s u p a 专用协议( q o s n p 、t m e p 等) 将处 于不活动状态，所提供的服务也就退化为传统的i n t e r a c t 服务。为了使 s u p a 节点能自动识别用户希望使用的服务，i p 报头中的特殊字段来 标识( i p v 4 的t o s 和i p v 6 中的t r a 蚯cc l a s s ) 。 2 ，4s u p a 基本工作过程 s u p a n e t 为用户提供永久虚通路( p v p ，p e r m a n e n tv i r t u a lp a t h ) 和交换虚通路( s v p ，s w i t c hv i r t u a lp a t h ) 服务，s v p 的工作过程 可以分为3 个阶段，即通路建立阶段、数据传输阶段和通路拆除阶段。 在通路建立阶段，用户系统与s u p a n e t 节点之间通过服务质量协商协 议( o o s n p ) ，沿着i t e r n e t 路径信息交换协议( r i p 、0 s p f 、b 6 p 等) 产生的路径交换表( r o u t i n gt a b l e ) 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d w d m 端口存 在多个波长，因此一条虚线路( v l ， v i r t u a ll i f i e ) 实际使用哪一个 波长仍然需要根据各波长上的负荷进一步选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 数据传输结束后，任一方都可用连接结柬协议( c e p ，c o n n e c t i o n e n d i n gp r o t o c 0 1 ) 来结束虚通路上的通信。c e p 是边界路由器交换 机的用户一网络接口( u n i ) 上的局部协议。c e p 支持协商确认拆除通 路和单方面拆除通路两种模式，究竟采用哪种模式，在协商阶段确定。 前种模式的运作过程如下：由请求结束通信一方发出c e 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 。e n d i n g b i t ) 置“1 ”的e p f ，收到该帧的节点将把该连 接上的资源回归系统，直到另一端的边界路由器。在后一种模式下， 任何一方可以利用e - b i t 直接拆除通路。c e p 可以利用u d p t c p 来结 束虚通路。一对用户之间两个方向上虚通路的拆除过程将分别进行。 图2 1 中的u n i 和n n l 分别代表s u p a n e t 的边界路由器交换机与 用户之间和s u p a n e t 内部节点( s u p a 路由器) 间的接口，在信令控制、 管理平面的u n i n n i 接口被分别标注为u n i 。和n n i 。；而用户数据平 面的接口被分别标注为u n i 。和n n i 。 2 5 “面向以太网帧时槽交换”( e p f t s ) 技术 “面向以太网的物理帧对槽交换技术”( e p f t s ) 乱】是针对多层u 平台网络结构较难解决服务质量保障问题而提出的。e p f t s 是将用户 数据传输平台简化为基于d w d m 的单物理层传输平台和能够保证实 时性要求高的数据流传输服务质量的关键技术，是一个具有q o s 保障 机制、多粒度的物理层交换平台【2 们。 s u p a n e t 中，控制管理平台在服务质量协商并建立连接过程中， 将在两个e p f t s 相邻