（光学工程专业论文）弹性分组环关键技术研究.pdf

北 方交通大学硕十论文 中 文摘 翌 摘要 本文在分析城域网( ma n) 现状的基础上， 明确指出: 日前ma n 和城域 接入网已经 成为网 络从局域网( l a n ) 到广域网( w a n ) 跨越 的瓶颈。根据对下一代 ma n的要求，人们提出多种解决方案，通过 分析儿种解决方案明确指出弹性分组环 ( r p r ) 技术是宽带i p 城域网 最佳解决方案之一。 本文主要研究以下几方面内容: 1 分析了城域网的现状及几种新技术，重点阐述弹性分组环技 术; 2 ，在分析和研究r p r技术和发展后， 指出介质接入控制( ma c ) 协议是 r p r发展及标准化的重点:在研究和比较几种 ma c 的基 础上， 提出了自 己的 解决方案: 实现以太网的灵活接入站点 实现了s d h 帧高效的承载数据业务，采用国际上当前最 新的 p o s 核心芯片( p m 5 3 8 4 ) 通过改进的ma c算法实现 r p r基本的 m a c ，不仅大大 改善了网络的公平性，同时也提高了网络的吞吐率，降 低了数据端到端的传输时延 进一步完成了站点ma c层的硬件电路设计与调试工作， 从实 际上证明了我们提出的方案和电路实现都是切实可行的。 作为满足下一代宽带 i p城域网要求的新一代光纤环城域网， i e e e 8 0 2 . 1 7 工 作组规划的r p r具有非 常优良 的 性能。 该技术 还处于 早期研究与 探索 阶段， 相 关的m a c 和p r y 还需进一 步的 标准化， 成 为国内外城域网研究的热点。 本文的探讨和研究将对r p r 及城域网的 设计和研究有一定的参考价值。 关键词:弹性分组环，城域网， 1 p , m a c ， 公平性， s d h , p o s , 以太网 宋 经 作 者、 勿 全文公 布导解同念 北方交通大学硕士论文英文摘要 on t h e ( ma n ) , b a s i c o f a n a l w e ab s t r a c t y z i n g t h e s t a t u s o f me t r o p o l it a n a r e a n e t w o r k t o t h e c o n c l u s i o n t h a t ma n a n d me t r o - a c c e s s - n e t wo r k s h a v e b e c a me t h e b a n d wi d t h b o t t l e n e c k b e t we e n l o c a l a r e a n e t w o 戍( l a n ) a n d w i d e a r e a n e t w o r k ( w a n ) . m a n y s o l u t io n s h a v e b e e n b r o u g h t f o r w a r d t o m e e t t h e r e q u e s t o f t h e n e x t g e n e r a t i o n ma n ; a m o n g w h i c h r e s i l i e n t p a c k e t r i n g ( r p r ) i s t h e b e s t . i n t h i s a rt i c l e , w e s t u d y t h e s e a s p e c t s a s f o l l o w . 1 . a n a l y z i n g s t a t u s o f m a n a n d t h e n e w t e c h n o l o g i e s , e s p e c i a l l y rp r. 2 . a ft e r a n a l y z i n g r p r t e c h n o l o g y a n d p r o g r e s s , w e c o m e c o n c l u s i o n t h a t t e c h n o l o g y a n d mac i s t h e mo s t i m p o rt a n t s o l u t i o n p a r t o f t o t h e rp r p r o g r e s s ; we g i v e o u r o n t h e b a s e o f s t u d y i n g r p r ma c ; we c a n a c h i e v e a s f o l l o w . e t h e m e t c a n a c c e s s t h e s t a t i o n s fl e x i b l y ; s d h c a n t r a n s p o r t i p p a c k a g e e ff e c t i v e l y ; w e a l s o p u t f o r w a r d a n i m p r o v e d a r i t h m e t i c , w h i c h c a n i m p r o v e ma c f a i rn e s s a n d t h r o u g h p u t a n d r e d u c e t r a n s m i t t i me - d e f e r me n t : we a l s o d e s i g n a n d t e s t r p r s t a t i o n s o n t h e b a s e o f a n a l y z i n g ma c t h e o r y ; a n d p r o v e t h a t o u r s o l u t i o n i s c o r re c t a n d f e a s i b l e . r p r p r o g r a m m e d b y t h e g ro u p o f i e e e 8 0 2 . 1 7 i s o n e o f t h e n e x t g e n e r a t i o n o p t i c a l f i b e r r i n g m a n a n d i t p r o c e s s e s f i n e p e r f o r m a n c e . t h o u g h t h e r p r t e c h n o l o g y h a s g o o d p e r f o r m a n c e ; ma c a n d p h y a r e s t i l l r e q u i r e d t o b e s t a n d a r d i z e d . s o r p r b e c a m e t h e e m p h a s e s o f m a n s s t u d y i n t h e w h o l e w o r l d . t h e s t u d y o f r p r i n t h i s p a p e r c a n p r o v id e m u c h g o o d r e f e r e n c e t o r p r a n d ma n s s t u d y a n d d e s i g n . k e y w o r d s : ma n, r e s i l i e n t p a c k e t r i n g , i p , ma c , f a i rn e s s , s dh, p os , e t h e me t 北方交通大学硕 1: 论文 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 城域网的现状 目 前，城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。在用户侧，以太网 ( e t h e m e t ) 因其简单性、 易扩展性及其高的性价比， 在局域网 ( l a n) 中己占主导地位，且传输速率正以 每三到五年十倍的速度增长。同时， 在 广域网( w a n ) 方面，由 于密 集波分复用( d w d m ) 技术的 发展， 骨 干网传输速率已达到t b it l s 。 而中间的城域网和接入网成为全网的带宽 瓶颈。其次是城域网存在多重重叠。一方面，目 前多数运营公司通过 s d h和电路交换机提供语声和专线业务， 而通过s d h和分离的帧中继、 a t m和i p 网提供数据业务， 分离的网络和网络技术往往需要分离的网 管系统和人员以及不同的配置和计费系统，导致高设备成本和高运行 成本以 及费时耗力的业务提供。另一方面， 用户必须通过不同的接入技 术和线路获取不同的业务，不仅麻烦，而且费用高。另外，目前城域 网底层多数采用 s d h作传送平台，利用基于t d m专线的s d h 固定带 宽来传送突发数据业务时不仅效率低下，且改变带宽往往意味着改变 物理接口。这样企事业用户需要改变业务时经常不得不重新设计和重 新建设网络。 对下一代城域网的 基本要求可以总结为 d ii z i . 希望采用单一公共平台支持多协议多业务，中间层最少; 目前应该有效支持从电路交换网向分组网的过渡.来应该对 i p 数据业务传送最佳; 希望网络的链路容量和节点数可以不受限制扩展; 具有光的透明性，应各种现有和将来可能出现的协议和业务; 具有拓扑灵活性，快速扩展业务; 可以为业务提供快速的服务; 北方交通人学硕 : 论义 第一; . 绪论 有集成的、 标准的、易用的网管系统; 支持以传统语音业务为代表的实时业务; 价格低 包括初建和维护) 。 f 6tlj 等级化数据业务 小于5 a m s 的恢复时间 业务会聚和统计夏用 带宽 l a n 的经济性 可扩展 图1 . 1未来城域网必须满足业务、操作、管理等多方面的要求 1 . 1 . 1 解决问 题的思路 针对上面所述的城域网现存的问题及对下一代城域网的基本要 求，提出以下解决思路: 建立良好的ma n首先需要有一个价格合理、 扩展性好的解决方案 来适应不断膨胀的i p 流量和光纤带宽的增长;其次要能够对各种不同 的i p 业务进行优化，以最少的中间层在分组网上传输i p 业务;同时， 还必须支持现有的传统语音业务， 因为这仍是运营商的重要收入来源: 且还 应该 在达到 可 接受的q o s 保证时降 低系统的 复杂 性和费 用。 1 .2 弹性分组环 ( r e s i l i e n t p a c k e t r i n g ) 的 提出 i p 数据业务的快速发展促使以太网局域网飞速发展、这就需要一 个高速的m a n或w a n把它们连接起来， 很多厂商提出了i p o v e r a t m 或i p o v e r s d h的方案， 利用的协议有m p o a和p o s ， 但是它们都有一 北方交通人学硕 论文 第一章绪论 个缺点， 就是当 第2 层的 服务进入第1 层的w a n结构时， 它们的带宽 是静态分配的， 这样带宽的利用率不高。 以太网i p 数据采用尽力传送的机制，是现在广泛采用的局域网技 术， 具有很好的 扩展性， 很适应现在的突发性数据业务， 但是它没有 q o s 保 障， 保 护 倒 换的 能力 也 很差。 s d h设 备具 有 小于5 0 m s 的 倒 换 时 间， 有多 种保护方式， 具有良 好的q o s ， 但是s d h采用的是固定 传送 带宽， 传送i p 数据业务的效率不高， 造成很大的浪费， s d h对数据业 务的传送不是最佳的选择。服务提供商和企业需要一种扩展性好、能 够健壮地应用在城域网和广域网上、以千兆的速度传输i p 信息包的技 术。 为了解决上述ma n存在的问题， 在不降低网络性能和可靠性的前 提下提供更加经济的m a n解决方案。 2 0 0 0 年1 1 月， i e e e 8 0 2 . 1 7 工 作 组正 式 成 立， 提出 了 弹 性分 组环r p r ( r e s il ie n t p a c k e t r in g ) 的 概念， 其目 标为开发一个r p r标准， 优化在m a n拓扑环上数据包的传输。 该技术结合i p的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和 可靠性。利用空间重利用技术、统计复用和保护环提高了带宽的利用 率;充分简化了网络层次，消除了网络功能上的重复性，使得协议开 销最小;同时还支持业务分级 ( s l a )以及即插即用等特性， 实现了节 点对网络资源的公平利用。该技术打破了l a n与w a n的接入瓶颈， 将ma n转变为快速、 简单、 可靠、 能及时提供丰富增值业务的宽带网 络， 为运行商、网络服务提供商提供了一种全新、 有效的ma n和城域 接入网解决方案。而目前由于国际上还未形成统一标准，还有许多问 题未达成一致意见， 预计到2 0 0 3 年制定出 最终协议标准1 3 - 5 1 1 . 3 本课题的提出及目的意义 i e e e 8 0 2 . 1 7 r p r网络完成的功能仍然是o s i 参考模型七层协议的 下 两层技术， 它包括: 物理层 ( p h y ) 技术， 和数据链路层技术6 1 。 其 中， p h y可采用e t h e r n e t 的物理层技术，s d h或wd m技术，因此对 上层是透明的，但应该增加向上触发拓扑自 动识别模块、和执行保护 北方交 通人 学硕i s 论文第一章绪论 倒换等功能， 而数据链路层的m a c与数据链路控制技术 ( ma c控制技 术 ) 是r p r 最 主 要， 也 是 最基 本的 功 能， 是 标 准 化 组 织 研究 的 重 点 。 前 者主要内 容是数据在介质上传输的接入控制， 而后者主要包括流量控 制、 业务等级支持 ( s l a ) 、 拓扑自 动识别， 和发布保护倒换命令等功 9 旨 。 1 .3 . 1 课题的提出 为了跟踪网络技术的最新发展， 我们开展了r p r 的研究工作， 并出 于如下考虑: 背景之一: r p r 现在成为全球城域网 研究的热点。 i e e e 8 0 2 . 1 7 协议 到 2 0 0 3 年底才能最 终完成， r p r 技术还不够成熟， 许多方面工作需要进 一步完善。且r p r 定义新的 m a c 协议，m a c 是研究的重点之重。 背景之二:由 于现在整个电信行业的不景气， 各大网 络运营商采 取相应的措施。并 不再盲目的急于扩容，而是在现有的网络基础上更 加高效的利用现有的网络资源。 背景之三: 数据业务近jl年得到迅猛的发展，而现有的城域网大 多数采用s d h 网: 基于 “ 专线的t d m s d h 网直接承载数据业务带宽 的利用率很低。 在整个电信行业的不景气的 情况下，如何利用现有的 网络资源适应i n t e r n e t 急剧增长的业务需求以及解决随之而来的网络拥 塞、时延和服务质量等问 题，成为目 前研究和发展的热点。 背 景 之四 : 在 l a n 中 ， 以 太网 成 为 主 力 军。 如 何 把以 太网( i o m b p s , i o m b p s , i g b p s ) 更 有效的 汇 接 到 城域网 呢? 根据以上的背景及实验室的条件和研究周期，主要研究r p r协议 中的ma c层部分: 介质接入控制、 动志带宽分配、 空间重利用和第二 层拥塞控制。 1 . 3 .2 课题的目的意义 北方交通大 学硕 卜 论文 第一章绪论 首先: 在整个电 信行业的不景气的 状况下，能给出了 很好的解决 方案即 在现有的网络上进行改造， 进一步提高带宽和其它现有的网络 资源的利用率;且可以平滑地升级。 第二 : 通过一种特别简单的方式实 现r p r 基本的m a c : 针对不 同 的 节 点 实 现 灵 活 的 带 宽 分 配 ， 提 高 吞 吐 量 ， 降 低 端 到 端 的 传 输 时 延 ; 针对不同的节点公平的享用网络资源;实现空间重利用，大大的 提高带宽的利用率;通过介质接入控制算法实现了第二层有效的拥 塞控制。 第三:实现了s d h帧高效的承载数据业务:实现了以 太网有效的 接入s d h网;采用国际上当前最新的p o s 核心芯片( p m 5 3 8 4 ) ，完成用 s d h同步净荷承载i p 数据包， 为p o s 设计和芯片应用技术积累了宝贵 的经验。 1 . 3 .3 课题的技术要求 在能完成课题所要求实现的功能下，课题的实现技术条件如下: 网络结构:单环环型，不存在保护环; 线路带宽: s t m - 1 , 1 5 5 m b p s ; 站点数:3 个; 节点 最大 接入 速率: 1 0 0 m b p s ， 全 双工快速以 太网 接入; 映射方式:采用 p o s 的p p p / h d l c映射的方式。 1 .3 . 4要解决的基本问 题 所要解决的问题概括如下: 物理层 站点ma c 与p h y 接口， 映射方式: 采用p o s 的p p p / h d l c 映射的 方式; 网络拓扑结构:单环环型; 北方交通大学硕卜 论文第一章绪论 以太网p h y 的接入等。 ( d m a c 层协议设计 _上 层业务模型: 接入控制协议、 动态带宽分配; 透明的传输上层业务 ( 如i p 数据报文) ; 公平接入算法; 空间再利用的实现; 第二层拥塞控制等。 性能评估 端到端的传输时延; 吞吐量; 传输时延抖动; 吞吐量及报文丢失率等。 1 . 4 本人所做的工作 我所做的工作是分析现有城域网的特点，对新提出和发展的城域 网技术原理性的研究和分析各种技术的优缺点，提出弹性分组环是满 足新一代宽带m a n最佳技术之一; 跟踪国内外r r p最新发展设计并 制作带宽利用率高、 介质接入公平的节点设备。在电信业处于低谷时， 对研究r p r协议中的m a c层部分具有特别重要的意义，并有一定的 创新性。我具体做了以下工作: 1 )分析了城域网的概念、分类和结构，并比较了提出和发展面向 城域网新技术的性能、优缺点等;在此基础上重点阐述了 弹性 分组环技术，强调了弹性分组环是满足新一代宽带 m a n最佳 技术之一; 2 )参与总体方案的制定;参与原理框图的实施;采用国际上当前 最新的p o s 核心芯片( p m 5 3 8 4 ) ， 它具有单片集成、 把i p 分组根 据r f c 1 6 6 2 规范插入到p p p 协议帧中的信息段; 然后再山s d h 北方交通大学硕 卜 论文第一章结论 通道层的业务适配器把封装后的i p 数据包映射到s d h的同 步 净荷中， 然后向下， 经过s d h传输层和段层， 加上相应的开销， 把数据装入s d h帧净荷中，最后到达光层，在光纤中传输; 3 )设计快速以太网接口、 控制部分、 电源部分及p o s 接口部分等; 并 参 与 其 他 部 分 的 设 计 ; 控 制 部 分 采 用 了a t m e l 公 司 基 于a v r 增强性能、r i s c 结构、 低功耗的a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机;对高速器 件在线路板上的互连进行了分析和研究， 提出了应注意的事项， 在此基础上，设计和制作了高速电路板; 4 )完成软件部分编程， 包括以太网p h y接口芯片( l x t 9 7 2 a ) 和 p o s 接口 芯片( p m 5 3 8 4 ) 初始化设置及介质公平介入控制算发 程序; 5 )制定了系统的合理调试方案;对电路板进行了调试:自 行编制 了相应的测试软件。 本论文是按照层层细化的结构来阐述的。第二章介绍了城域网的 有关内容及新的进展;第三章对弹性分组环技术做了概述性的介绍， 主要讲述弹性分组环关键技术有关内容;第四章为系统的总体方案设 计;第五章是本论文的重点，详细论述了所设计系统硬件设计原理、 组成以及设计要点;第六章为系统的软件部分;第七章是系统的调试 部分: 第八章对课题的设计作了总结，提出了改进方案。 北方交通大学硕 卜 论文 第二章城域网概述 第二章城域网概述 本章将主要介绍了 城域网的概念、 特点以及发展， 重点介绍新提出和 发展的重要技术。 2 . 1 城域网的发展及宽带城域网的提出 城域网的概念实际上是来源于计算机网络， 局域网( l a n) 、 城域网 ( ma n) 和广域网 ( wa n)。而电信网的划分为核心网和接入网，或长 途网和本地网 ( 本地网又包含中继网和接入网) 。 如果对比两个网络， 城 域网所对应的应该是电信网中的本地网， 但现在业界所谈的 “ 宽带城域网” 却不是计算机网络中城域网的概念，也不是单纯电信网中的本地网的概 念。宽带城域网实际上是传统电 信与i p 网络融合的典型概念。 从业务增长上看，全球电话用户的年增长率为6 % 左右，而数据业务 的年增长率为2 5 % - 3 5 %， 远高于电话业务， 特别是i p 业务， 新的摩尔定 律表明: 因特网用户每9 个月翻一番， 带宽每6 个月翻一番。 预计在未来 十年内， 包括中国电 信网在内的世界主要网络的数据业务都将超过电 话业 务。从业务发展的地域上看，在发达城市的电话普及率已 在5 0 %以上， 其增长速度开始减慢， 而个人计算机的普及使因特网业务:拨号上网、 e - m a i l ,图 文浏览己 成为用户最直接的需求， 而宽带且有质量保证的多 媒体业务是商业用户和高级消费群体所需要的。 欠发达地区主要还是基于 电话的窄带业务。 从现实信息网络的基础设施看， 毫无疑问基于电路的和 t d m的交换节点和传输设备占有绝对的份额。 宽带城域网就在这样的背景下出 现了。 它的主要目 标是要在发达地区 的城市面向用户和潜在用户， 建设一个具有宽带接入与传送能力的网 络， 支持业务网络提供现实应用的业务和将来发展的业务， 特别是能够迎合数 据业务的要求。 从网络结构上讲，宽带城域网既不是城市本地网也不是 城市接入网。 首先它的重心不是在业务节点上， 其次它的功能又不止是接 北方交通大学硕一 1: 论文第二章城域网概述 入网的传输、复用、交叉连接，比如i p 接入的鉴权、路由、计费、安全 控制等， 而多业务的 综合接入( 面对多种业务节点s n i ) 其接入承载能力 会依业务复用的位置不同而不同。 2 .2 宽 带 城域网的 业务分 析 宽带城域网主要有两大用户群:智能化信息小区和商用写字楼。 这两 者的业务与服务要求不尽相同 ( 见表2 . 1 )。同时，业务提供和运营者也 有所不同， 商用写字楼的业务主要是由电信运营商提供的， 包括企业跨区 域的虚拟专用网( v p n)口 商业用户对服务的质量保证、 信息和网络的安 全性有很高的要求。 而智能化信息小区随着社区建设和物业管理水平的提 高， 相当 一些业务是由 物业管理商或者是与物业合作的 应用服务商( a s p ) 提供的。 比如远程医疗与保健、 社区电 子商务、 电子管家、 社区信息服务 甚至视频节目 点播 ( v o d ) 等，信息化的网络为物业管理商提供了增值 服务的网络平台。 ，!胜万，1.ee、.月1，1干1，1忆ee.1.1刁es.!teslee 智能化信息小区商用写字楼 一廊匹衅卜阳一1工严! 厂、厂| 业 务 需 求 * 一 is d n , 高 速 上 社 区 信 息 服 务 、 物 i p o t s , is d n 、 数 据 通 信 理 远 程 抄 表 、 住 ( d d n , f r , ip ) , 图 象 s 等)、视频节目通信 ( 会议电视等) 服务质量 数据和图像通信要承诺 质量保证 北方交通人学硕 卜 论义 第止章城域网 概述 要求高 信箱安全要求高 。 注 : 以 业 务 接 入 方 式 分 类 ， 米 考 虑 表2 . 1不同的用户业务比 较 2 .3面向宽带城域网新技术 在绪论部分简单分析了 城域网的现状及下一代城域网的要求， 为了 解 决 城域网现存的问题及满足对下一代城域网的要求， 最近提出 和发展了 几 种新的技术:g b i t 以太网，基于标签的光突发交换 ( l o b s )及弹性分组 环 r p r ) 。每种技术都有优点和缺点，下面介绍各种技术并分析各种技 术的优缺点。 2 . 3 . 1 g b i t以太网12 117 1 事实上， 以 太网并不是一种纯粹的新技术， 而是一种 “ 老的新技术” ， 主要用于企事业网络。 采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是 己 有巨大的网络基础和长期的经验知识、 目 前所有流行的操作系统和应用 也都是与以太网兼容的、 性能价格比好、 初始成本和运营成本均较低、 扩 展性好、容易安装开通以及高可靠性等。以太网接入采用异步工作方式， 很适于处理i p 突发数据流， 技术己有重要变化和突破( l a n交换， 星形布 线， 大容量m a c地址存储等) ， 与传统的以 太网相比 ， 其面貌已 大为改观。 特别是从共享媒质转向了 枢纽或星型结构并采用 l a n交换后， 在相当程 度上实现了计算机间的信息隔离。 更重要的是使以 太网从此转向全双工传 输， 消除了 链路带宽的竞争和潜在的碰撞机会。由于采用专 用的无碰撞全 双工光纤连接， 还可以 使以 太网的传输距离也大为 扩展。 近来以太网最重要的动向是向城域网乃至广域网的扩展。 1 0 ! 七 方交通人学硕 i : 论文第二章城域网概述 从技术上看， 以 太网是一种很简单的 解决 方案， 只需要最少量的规划、 设 计 和 测 试工 作。 应用多 年 ， 为 用 户熟 悉 ， 业 务 指 配时间 可以 减 少 到 几 个小 时 或 儿 天。 其次 ， 以 太网 是 标 准技 术 ， 互 换 互 操 作 性 好，具 有 广 泛的 软 硬 件 支 持 了成 本 低。 有 人预 测 ，在城 域网 和 广 域网 上 ， 以 太网 成本 可 能 只 有s d h和 a t m的2 5 % 和1 0 % 0 最 后 ， 以 太 网 是 与 媒 体 无 关 的 承 载 技 术 ，可 以 透 明 地 与铜线对、 电 缆和各 种光纤等不同 传输媒体接口 ， 避免了 重新布线的 成本。 从结构上看， 以 太网正以前所未有的端到端解决方案面目 出 现， 消去 了 其他解决方案所必不可少的网络边界处的格式变换， 减少了网络的复杂 性。 其次 ， 以 太网 是具 有很好扩 展性的 解决方案 ， 其速率可以 从l o m b i t/ s , 1 0 0 m b i t / s , 1 g m b i t / s 一直扩展到l o g m b i t / s o 从管理上看， 由 于同 样的系统可以 应用在网络的各个层面上， 因此， 网 络管理可以 大大简化。此外， 由 于很多用户己 经熟悉了以 太网， 因此培训工 作简化， 新业务可以 拓展得更快。 近来， l o g m b it / s 以 太网的出 现和发展使 以太网技术能在基本保持传统以太网帧结构的基础上使容量又有了大幅 度提升。 而且还能与现有的s d h网在1 0 g m b i t / s 速率上实现互操作， 在历 史上首次提供了跨越局域网、城域网和广域网的统一的开放的标准平台。 然而， 原来以 太网是用于局域网的， q o s 不是个问题， 当 试图 扩展应用 到公 用电 信网 时需 要提供随 用户而异的q o s ， 而目 前以 太网 还 没有 机制 能保证端到端性能， 无法提供实时业务所需要的q o s 和多用户共享节点和 网 络所必需的计费统计能力。 其次， 以 太网原来是为局域网企事业用户内 部应用设计的 ， 缺乏安全机制保证。即 便有需求也是由高层协议来处理。 当 扩展到m a n和w a n以 后， 上述利用高 层协议的处理方法就无法接受了 ， 需要开发新的安全机制。第三， 以太网主要用于小型局域网 络坏境， 网 管能 力很弱沮. 目 前只有网 元级的 管理系统。 而在公 用电 信网中 ， 必须有效地运 行和维护大规模的地理分散的网络， 需要有很强的o a m 带宽建立后无需目 的端的 确认， 时延小; 突 发数据流直接通过中间的交换节点， 而分组交换必须在每一个中间节点上 进行存储转发操作。 另外， 光突发交换可设置突发数据流与控制分组之间的偏置时间 ( 即 数据流的 等待时间) ， 也就是在传输过程中 可以 根据链路的实际状况用电 子处理方式对突发数据流相对于控制分组的时延作调整， 因而控制分组和 数据流都不需要执行光同步和光存储， 而且可以 执行q o s 功能。 可以 看 出， 这种突发交换技术充分发挥了现有的光子技术和电 子技术的特长， 实 比 方交通人学硕 卜 论文第二章城域网概述 现 成 本 相 对较 低、 非 常 适 合于 在 承 载未 来的 具 有高 突发 性 数 据业 务的 局 域 网 中 应用; 超大容量的 光突发 数 据流交 换技术同 样可用于构 建骨干网 和 城 域网。 基于标签的光突发交换技术与多协议波长交换技术在吸收 m p l s标 签 交 换 技 术 方 面 的 基 本 思 路 是 一 致 的 ， 所 不 同 的 主 要 是 基 于 标 签 的 光 突 发 交换使控制信道和数据交换信道分离， 标签信息在控制包中; 而且这时在 波长 信道上所承载的数据是由多 个i p 包组成的突发数据流而不是单个数 据包。在基于标签的光突发交换网络中， 每一个控制包/ 分组由控制信息 和标签构成， 并作为一个普通的i p 包在运行了l d p 而预先建立起来的一 个基于标签的光突发交换通路上被传送，该通路就类似于标签交换通路. 在基于标签的光突发交换入口 节点将多个i p包组装成突发数据流， 然后 该突发数据流就在由节点对控制包中的标签进行处理后建立起来的相应 波长通道上传输。 在数据流的整个转发过程中， 都无需进行任何电子操作 而完全在光域上执行，其它的标签操作均类似于多协议波长交换实现方 案。 在基于标签的光突发交换中 每一个突发 数据流对应一个标签， 在每一 个交换节点上都对标签信息、 波长号、 偏置时间等控制信息执行电处理操 作，因此不同标签交换通路上的突发数据流无需进行光/ 电 / 光变换就完全 可以进行业务整合。 光突发交换的技术难点是寻找合适的带宽接入控制协 议， 即控制分组与突发数据流之间的协调问题， 也就是拆除一次通信连接 的时机问题。目前主要采用以下三种方式:r f d该方式由控制分组中的 偏置时间来决定目 前带宽所预留时间的长短， 到时立即拆除连接， 其优点 是无信令开销、 易实现带宽资源的动态分配、 资源利用率高， 基于该方法 的一个杰出的具有代表性的协议是j e t协议;另一种是t a c ，该协议是 先发送控制分组来预留带宽， 当发送完突发数据流后再发送用于释放连接 北方交通人学硕 1: 论文 第二章城域网 概述 的 分 组 来 拆除 连 接; 还 有一 种 协 议 是i b t ， 该 方式 是 在 突发 数 据流 之 后 紧 跟 着i b t 标识， 整 个过程是由 控制分 组来预留 带宽，由i b t 标识来 拆除 连 接， 因 此最 大的 技术挑战 是i b t 标识的 全光再生技术。 2 . 3 . 3 弹性分组环 ( r p r ) 3 1 6 1 1 1 0 1 r p r ( r e s i l ie n t p a c k e t r i n g s ) 是由i e e e 8 0 2 . 1 7 t - 作组正在开发的一 个标准，以 优化在m a n拓扑环上数据包的 传输。 该技术结合i p的智能 化、 以 太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性。 利用空间重利用 技术、 统计复用和保护环提高了 带宽的 利用率; 充分简化了网络层次， 消 除了网络功能上的重复性，使得协议开销最小;同时还支持业务分级 ( s l a)以及即插即用等特性，实现了节点对网络资源的公平利用。 网络拓扑基于两个反向传输的环，相邻节点通过一对光纤、一对自 wd m链路分插出的波长、一个s o n e t / s d h可拆卸o c - n电路以及其它 双向 连接媒介连接并可采用 wd m 进行扩容。以 该拓扑结构为基础，每 个r p r节点支持两个环端口:一个支持与左边邻近节点的连接， 另一个 支持与右边节点的连接，节点仅需掌握两个端口的光路状态。r p r的内 环和外环都做为工作通道来传送r p r协议封装的数据帧和控制帧。控制 帧与数据帧在相反的环上传输。从网络结构可以看出， r p r支持单播、 多播和广播传输， 因此更利于数据业务的传送。 此外， 当发现节点网元或 光纤传输失效时， r p r执行快速自 动保护倒换机制， 数据会在5 0 m s 内 转 换到无故障的通道， 这样就提高了网络的健壮性。 r p r的 基本 结构是 一 个缓存器 插入环( r e g i s t e r i n s e rt i o n r i n g ) ， 在 任 何一个节点都存在三个缓存器， 即发送缓存器， 接收缓存器和转发缓存器。 到达节点的帧如果通过地址匹配认为是目的地是本地， 则把帧接收到本地 接收缓存器， 如果目 的地不是本地， 则通过转发缓存1 一7 发出。 而本节 点要发送的帧则通过发送缓存器发送。 在单播传输情况下， r p r支持空 北方交通大学硕士论文第二章城域网概述 间 重 利 用 协 议， 即 不同 用 户间 的 数 据 帧 可以 经由 环 上 不同 的 路 径同 时 在环 中 传输， 这是由于所传输的数据帧是在目 的节点而不是象f d d i 那样在源 节点剥离开网络。 通过结合第二层简单的交换技术和现代光网络设备传输能力、 带宽有 效 性 和 低 的 协 议 开 销 等 性 能 ， r p r 体 现 出 很 多 优 点 。 总 结 如 下 : 1 、带宽利用率高: 与 传统的s d h相比， r p r通过统计复用技术、 空间重新利用技术及 暗光纤的利用大大提高了带宽的利用效率; 2 、快速而稳健的自愈能力: r p r可以 提供在故障出 现后5 0 m s 时间内的自 动保护倒换，为用户提 供了9 9 .9 9 9 % 的 服务时间。 此外， 业务流的 优先级机制确保了 优先级高的 业务流能够得到适当的处理以 满足实时性业务的需求。 3 、为业务提供服务简单快捷: r p r可以实现在不同 节点上不同的业务分布式接入。 分布式接入、 快 速保护倒换和网络服务功能的自 动重建为节点的快速插入和删除提供了 即插即用机制。 此外， r p r 的 数据 通 信 速率可 达1 - 1 0 g b p s ; r p r网 络支持s l a . 可满足用户对服务等级的 严格要求， 支持端到端的 传输服务等级: 充分简 化了网络层次， 消除了功能上的重复性; 易管理和操作， 对资源和流量都 采用分布式的方式进行管理，管理信息丰富; r p r还可以 及时提供新服 务和迅速对网络进行升级。 2 .3 .4结论 城域网应满足快速、 经济、 有效的为用户提供有q o s 保障的服务， 其建设即要保持与原有的网 络兼容， 也要考虑到业务接入的多 样性和网 络 的可持续演进。 本文在阐述三种新的 解决方案不难得出: g b i t 以 太网简 北方交通大学硕士论文第二章城域网 概述 单、 经 济 等 优点， 但q o s 和网 管 需 进 一 步 解 决 才 更 适合 于m a n . l o b s 的 带 宽 高 、 协 议 开 销 少， 不 过 成 本 高 和 技 术 的 不 成 熟目 前 还 不 能 大 量 用 于 m a n . r p r 是 应下一 代m a n的 要求 而设计的。 r p r由 于 其 集i p 的 智能 化、 以 太 网 的 经济 性 和 光纤 环网 的 高 带 宽 效率 和 可 靠性 于 一 身， 随 着 标准 化 工 作 的 进 一 步 开 展 知 市 场 的 进 一 步 扩 大 ， r p r 必 将 成 为 满 足 新 一 代 宽 带i p 城域网 所采用的最佳技术之一3 6 f 叭 北方交通火兰塑堡兰 第三章：弹性分组环技术 第三章：弹性分组环技术 3 1 概述 弹性分组环( r p r ) 是一种新的m a c 层协议，是为优化数据包的传输而 提出的。弹性分组数据传送r p t ( r e s i l i e n tp a c k e tt r a n s p o r t ) 是基于 r p r 环形结构的一种带空间复用的传输方式，是一种全新的千兆i p 直接 o v e r 光纤的技术。r p t 技术吸收了千兆以太网的经济性和s d h 对延时和 抖动严格保障、可靠的时钟、5 0 m s 环网保护特性和r p t 具有空间复用机 制，可同m p l s 相结合，简化i p 前传，同时具有第三层路由功能，基于 r p t 技术的设备可以承载具有突发性的i p 业务，同时支持传统语音传送。 r p r 标准d 1 0 描述到：r p r 是种双环结构、可以有效的支持数据传 输的、面向城域网的新技术。r p r 最多可支持2 5 5 个站点。不过，环中的 站点不超过6 4 个被认为是最佳设计。并覆盏范围可达2 0 0 0 公里”1 。 r p r 主要特点包括： 支持单播、多播和广播传输： 三种业务等级：低时延保障业务、有一定时延保障业务和尽力而传的 业务： 当节点或光纤环失效时，可提供5 0 m s 级的保护切换； 统计复用带宽； 空间重利用技术：允许多个站点在环上同时发送； 公平性：站点公平的利用网络资源； 多站点拥塞报告： 根据业务等级和拥塞情况进行流量控制； 支持即插即用操作： 操作、管理和运行简单； 采用分布式控制、管理体系。 r p r 网络分层参考模型仍然应该遵守开放式系统互连模型( o s i ) ， 并在此基础上进行适当的修改，以便适应r p r 的特殊需要。可以看出， p , 2 r 网络完成的功能仍然是7 层协议的下面两层技术它包括：物理层 ! ! 查銮望查兰雯圭笙l塑三至! 鲞丝坌望堑垄查 ( p h y ) 技术，和数据链路层技术。其中，p h y 可采用e t h e m e t 的物理 层技术，s d h 或w d m 技术，因此对上层是透明的，但应该增加向上触 发拓扑自动识别模块、和执行保护倒换等功能。而数据链路层的m a c 与 数据链路控制技术( m a c 控制技术) 是r p r 最主要，也是最基本的功能， 是标准化组织研究的摹点。前者主要内容是数据在介质上传输的接入控 制，而后者主要包括流量控制、业务等级支持( s l a ) 、拓扑自动识别、 和发布保护倒换命令等功能。 0 si 参考模型 r p r 协议栈模型 图3 1r p r 协议栈 3 2 r p r 关键技术简介 3 。2 。1 网络结构 r p r 网络结构简图如图3 2 所示，假设网络共六个节点( s o s 5 ) 。 图3 2r p r 网络结构 1 9 北方交通大学硕士论文 第三章：弹性分组环技术 双环结构： r p r 网络拓扑基于两个反向传输的环两个环被定义为r i n g l e t0 和 r i n g l e tl ，如图所示。相邻节点通过一对光纤、一对自1 i r 嘲链路分插出的波 长、一个s o n e t s d h 可拆卸o c n 电路以及其它双向连接媒介连接并可采用 w d m 进行扩容。r p r 草案d 1 o 规定同环中所有的连接必工作于相同的 速率，但是在时延方面可以不同。相邻节点的连接部分称为“s p a n ”，由 一对传输方向相反的链路组成。一系列相连续的s p a n 组成一个“d o m a i n ”。 上游、下游节点的定义是在确定的环上定义的，在r i n g l e to 上，数据先到 达节点y 再到达节点x ，则节点y 称为节点x 的上游节点。那么，在 r i n 西c t l 上。节点y 就是节点x 的下游节点。 以该拓扑结构为基础，每个r p r 节点支持两个环端口：一个支持与 左边邻近节点的连接，另一个支持与右边节点的连接，节点仅需掌握两 个端口的光路状态。r p r 的内环和外环都作为工作通道来传送r p r 协议封 装的数据帧和控制帧。控制帧与数据帧在不同的环上传输。从网络结构 可以看出，r p r 支持单播、多播和广播传输，因此更利于数据业务的传送。 节点结构： 图3 3r p r 节点结构 一个节点出一个m a c 实体和两个p h y 实体组成。每个p h y 实体通过 一“s p a n ”与相邻的节点连接。一个m a c 实体包括一个m a c 控制实体和 两个m a c 通道实体。每个m a c 通道实体与一个环相连。 弘, r i n g l e t1 接收向 2 0 北方交通大学硕士论文 第三章：弹性分组环技术 r i n g l e to 上发j 差的p h y 定义为“e a s tp h y ”，从r i n g l e to 接收 f i d n g l e t1 上发送的p h y 定义为“w e s tp h y ”。r i n g l e to 的m a c 通道从w e s tp h y 接 收帧，向e a s tp h y 发送帧。 3 2 2r p r 的m a c 帧格式 r p r 的m a c 层应该能无缝地嵌入i e e e 8 0 2 工程协议栈中，对下支持 8 0 2