SUPANET中数据流适配层协议的研究_研究生学位论文.doc

西西 南南 交交 通通 大大 学学 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 专 业 计算机应用技术 SUPANET 中数据流适配层协议的研究 基于角色的访问控制的研究 Classified Index TP393 09 U D C 618 14 Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis RESEARCH ON STREAM ADAPTATION PROTOCOL IN SINGLE PHYSICAL LAYER USER PLATFORM ARCHITECTURE矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 May 2005 Grade 2003 Candidate Liang Wei Academic Degree Applied for Master Major Computer Application Supervisor Dou Jun 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 I 页 摘 要 密集波分复用技术为将电视网 电话网和传统计算机网络合并为一 个数字化 分组化的集成的网络提供了高速通信条件 而现有的 Internet 的三层 两层的用户数据传输平面的传输效率低下 难以对未来不同服务 质量的应用数据流提供服务质量保障 在这种背景下 作者所在的实验 室提出了单物理层用户数据传输平面的体系结构 SUPA 该全新的网 络体系结构 利用带外信令控制技术 将服务质量保证体系的控制点的 协议层次降低到物理层 并简化用户数据传输平面为单层平面 残骛楼諍锩 瀨濟溆塹籟 本论文研究的主题是单物理层用户数据传输平面体系结构 SUPA 的应用数据流适配层 SAL 及其适配协议 其重点是为不同的服务质 量需求的应用数据流提供适当的数据封装格式 从而实现应用数据流适 配层在高层用户数据与物理帧之间进行适配 不必象传统数据网络中对 用户数据进行层层封装 而是将高层的用户数据直接封装成物理帧 通 过交换的虚线路 VL 在物理层实现对用户数据的高速交换 从而提 高用户数据的传输效率 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 在全新的网络体系结构 SUPA 中 作者首先对未来网络中的众多应 用数据做了较深入的分析和比较 将高层应用数据分为恒定比特率数据 流 可变比特率数据流和恒定 可变比特率的非实时数据流 又利用分层 概念 将应用数据流适配层 SAL 分成两个子层 汇聚子层和拆装子 层 提出并设计了 3 种面向 三网合一 需求的全新的应用数据流适配 协议 SAL1 SAL2 和 SAL3 这 3 种适配协议分别适配高层 3 类不同 服务质量需求的应用数据 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 其中 SAL1 用于适配恒定比特率的实时数据流 第 1 类 作者利 用了这类数据对于瞬时的数据错不敏感 特别设计了零功能的汇聚子层 即只需完成数据分割或重组 从而满足该类数据在传输时要求尽可能 小的传输时延抖动的需要 SAL2 用于适配可变比特率的实时数据流 第 2 类 SAL2 允许不同的 SAL2 连接复用一条虚线路的设计更加充分适 应短用户数据的传输需要 使得用户数据的传输效率得到大大提高 而 且 SAL2 仅仅对头部信息的差错控制使得在低误码率的网络环境里数据 传输的实时性得到更好的保证 SAL3 用于适配恒定 变长比特率的非实 时数据流 第 3 类 SAL3 在功能上的设计与 IP 网络的紧密联系 为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II 页 Internet 向 SUPANET 的过渡提供有力支持 同时 为了适配传输速率变 化很大的数据业务 在 SAL3 中定义了两种业务传送工作模式 即成块 传输模式 适用于实时性要求不高的场合 和管道传输模式 适用于具 有低时延要求的低速数据传输 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 最后 本论文还利用 OPNET 网络仿真软件建立一个简化的 SUPA 网络拓扑结构 对 3 种适配协议进行端到端时延的仿真 仿真实验结果 表明 3 种适配协议基本满足高层 3 类应用数据传输对实时性的要求 厦礴 恳蹒骈時盡继價骚 关键字 SUPA SAL 三网合一 带外信令控制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 III 页 ABSTRACT The background of the work presented in this dissertation is the SUPANET Single physical layer User Platform U platform Architecture NETwork introduced by Sichuan Network Communication Key Laboratory SC Netcom Lab to meet the needs of QoS for future merged networks The SUPANET simplifies the user data transfer platform U platform into a single physical layer which can greatly improve efficiency as well as QoS provisioning for user data in the U platform while remains interoperable with existing Internet 茕桢广鳓鯡选块网羈泪 This dissertation focuses on adaptation issues between user traffic and the basic data units i e EPF Ethernet like Physical Frame of the SUPANET with regard to QoS requirements throughput transit delay jitter data loss rate etc data formats and lengths in the U platform of SUPA In order to provide a systematic approach towards adaptation functions this thesis defines 2 sublayer architecture for the SAL SAR Segmentation And Reassembly sublayer at the bottom and CS Convergence Sublayer at the top 鹅娅尽損鹌惨歷茏 鴛賴 In view of application traffic can be classified into three groups on the basis of nature of application traffic CBR T Constant Bit Rate Time critical data flow VBR T Variable Bit Rate Time critical data flow and C VBR N Constant Variable Bit Rate Non time critical data flow three adaptation protocols have been defined in the author s work they are 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 A SAL1 for CBR T to ensure high data rate low latency and jitters預頌圣 鉉儐歲龈讶骅籴 B SAL2 for VBR T to with less critical constraints on traffic delivery but with minimal error checking facility 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 C SAL3 for C VBR N with an emphasis on reliable data delivery 铙誅卧 泻噦圣骋贶頂廡 Because CBR T data flow requests transfers delay and jitter as little as possible SAL1segments user data and encapsulates Physical Frame appending nothing for user data The reason for definition of SAL1 is that the Bit Error Rate has been reduced to 10 10 10 12 with continuous improvement in communication technique and CBR T data flow is not sensitive to instantaneous data error Due to the transfer s less delay and reliability 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页 requirements of such streams SAL2 PDU provides length and CRC fields to satisfy requirements of transfer C VBR N data flow which is non time critical and the bit rates span from a few Kbps through hundreds of Kbps is adapted by SAL3 SAL3 PDU provides many fields such as Header Error Control HEC sequence number and offset of data packet 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 Finally to validate three SAL protocols emulation of end to end delay with these three protocols has been carried out with the simulation tool OPNET which has shown quite a good approximation to anticipation The author s work has provided a frame work concerning adaptation issues in SUPANET although further refinement is needed in the future 贓熱俣阃歲匱阊邺镓 騷 KEYWORD SUPA SAL Merged Network Outband signaling control坛 摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 V 页 目 录 摘 要 I蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 ABSTRACT III買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 第 1 章 绪论 1綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 1 1 引言 1驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 1 2 本论文的学术背景及理论 2猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 1 2 1 三网合一的大趋势 2锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 1 2 2 现有的服务质量保障机制 6構氽頑黉碩饨荠龈话骛 1 2 3 现有的网络体系结构 8輒峄陽檉簖疖網儂號泶 1 2 4 密集波分复用技术 DWDM 概述 11尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 1 3 本论文研究课题的来源及主要研究内容 12识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 1 4 本论文的组织安排 13凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 第 2 章 SUPA 网络体系结构 14恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 2 1 带外信令控制技术 14鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 2 2 SUPA 的协议层次模型和接口 14硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 2 3 SUPANET 的 SUPA 模式下的工作过程 16阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 第 3 章 异步传输模式适配层简介 18氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 3 1 ATM 适配层的业务分类 18釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 3 2 ATM 适配层的结构 20怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 3 3 AAL 的 5 类协议 21谚辞調担鈧谄动禪泻類 3 4 AAL 协议的比较 24嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 第 4 章 应用数据流适配层 25熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 4 1 未来 三网合一 网络的应用数据 25鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 4 1 1 应用数据的分类 25纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 4 1 2 应用数据的传输要求 27颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 4 1 3 音频 视频数据流压缩技术 28濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 VI 页 4 2 应用数据流适配层 SAL 的分层结构 30銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 4 2 1 SAL 分层结构的必要性 30挤貼綬电麥结鈺贖哓类 4 2 2 SAL 的分层结构 31赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 4 2 4 SAL 类型 33塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 4 3 应用数据流适配层 SAL 协议 34裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 4 3 1 SAL1 对 CBR T 数据流的适配 34仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 4 3 2 SAL2 对 VBR T 数据流的适配 36绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 4 3 3 SAL3 对 C VBR N 数据流的适配 39骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 4 4 小结 42瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 第 5 章 适配层 SAL 的仿真 44鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 5 1 OPNET 网络仿真软件概述 44栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 5 2 MODELER的仿真流程 45辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 5 3 SUPANET 的 3 类 SAL 协议的仿真模型设计 47峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 5 3 1 SUPA 环境的网络拓扑模型设计 47詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 5 3 2 各个节点模型设计 48则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷 5 3 3 SAL 进程模块和工作流程 51胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 5 3 4 SAL 进程的 PDU 格式模型设计 54鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 5 4 3 类 SAL 协议的端到端时延仿真结果 55稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 5 4 1 仿真统计量的设计 55陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 5 4 2 仿真结果 57沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 结 论 60钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 致 谢 62懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮 参 考 文 献 63謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 攻读硕士学位期间发表的论文 67呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 附录 SAL 进程仿真的功能函数 68莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 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 引言 Internet 是 20 世纪 70 年代末期出现的网络体系结构和技术 其实质 是开放的 互连的网络系统 通过高速骨干网将许多广域网 WAN 和 局域网 LAN 连接起来 现在的 Internet 是在 ARPANET 美国国防部 高级研究计划管理局 ARPA 建立的广域网 的基础上逐步发展起来 的 为实现网络互连 美国国防部通信局和 ARPA 在 1980 年研制成功 了 TCP IP 协议 从 1983 年起 要求与 ARPANET 相连的主机都采用 TCP IP 协议 11 随着 Internet 的起飞和快速普及 TCP IP 协议广为流传 已成为一种事实上的开放系统互连的体系结构标准 TCP IP 是一种实现 网络互连的重要协议 它分为四层 网络接口层 互连网层 传输层 TCP 和网络应用层 互连网层和传输层是网络互连的桥梁和可靠性 的保证 网络接口层则能灵活地支持多种物理层和链路层协议 网络应 用层除了原有的一些网络层协议外 很容易接纳其他应用层协议 既适 应于广域网 也能嵌入局域网 实现网络互连 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 从体系结构上看 Internet 的 5 层结构比 OSI RM 的 7 层结构简单 也没有 OSI RM 中复杂的 服务 定义 从网络技术上看 Internet 在网 络层采用了无连接 无用户数据检错功能的 IP 协议 虽不可靠 但使用 简单 以单个报文 Message 分组 Packet 为基础根据网络拥塞情况 独立选择路径 可以缓解网络拥塞 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 为了保证数据的正确传输 IP 之上采用了端到端的具有 检错重传 功能和 错序重组 的面向连接的传输控制协议 TCP 所有数据都通过 3 层的 IP 网络平台加上 TCP 协议的 端到端 检错后重传方式满足应用 的需求 确保了对于文本和实时性要求不高的多媒体数据的传输 12 Internet 以其简单的 5 层结构和网络层采用简单的无连接协议为特点独树 一帜 并成为当今网络的主流体系结构 Internet 在全球的成功 使人们 开始设想能否利用 Internet 技术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 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2 页 1 2 本论文的学术背景及理论 Internet 是在用户数据传输速率较低 Kbps 数十 Kbps 通信线路 误码率较高 10 6 10 5 的背景下 为以传输文本数据为主的网络应用 环境而设计的 解决数据传输正确性问题是当时的网络的主要关心的内 容之一 随着 Internet 应用的日益广泛 人们对传输音频和视频数据流更 有兴趣 使得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 Data Rate 传输时延 Transit Delay 和传输数据抖动 jitter 方面的要求 则远高于文本数据 而此时以 IP 为基础的 Internet 提供的尽其所能 Best Effort 的服务质量已经难以满足许多应用对传输服务质量的需求 特别是面对现代实时数据 话音和视像 的传输和未来电话网 电视网 传统计算机网络 三网合一 的发展趋势 在 Internet 中如何提供服务质 量能够得到保证的技术 便成为学界和业界共同关心的问题 11 灭嗳骇諗 鋅猎輛觏馊藹 1 2 1 三网合一的大趋势 目前 许多家庭同时在使用三种网络 电信电话网 有线电视网和 计算机网络 电信电话网的历史最为悠久 已有 100 多年 它是世界上 规模最大 覆盖面最广 管理最完善的网络 它的特点是以语音为最主 要的传输对象 电信电话网以电话网为基础逐步发展起来 目前到户主 要是双绞线 通过交换机与骨干网相连 电话网是最早实现数字化的网 络 其传输方式逐步向光纤到户发展 传输协议从准同步体系 PDH 到同步体系 SDH 最终到异步传送模式 但由于发展的不平衡 尚不 能做到全网传输和交换的数字化 而作为一种全双向 对称流量的结构 尽管有非对称用户环路 ADSL 和高速用户环路 VDSL 等方式 速 率可达几 Mbps 到几十 Mbps 但整个网络的传输能力受到双绞线原传 输容量这一瓶颈的限制 有线电视网也有几十年的历史 它以区域为界 以电视信号为最主要的传输对象 有线电视数字化为信息交换提供了一 种前所末有的广阔前景 其点到面的广播特点及相应的协议为数字电视 广播和数字声音广播提供了廉价的平台 由于其带宽较宽 广播电视系 统的数字化和双向化更容易将不同的业务综合在一起 计算机网络出现 的最晚 但发展的速度最为迅速 它以数字化信息为最主要的传输对象 计算机网络的初期主要是局域网 远程网是在国际互连网大规模发展后 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 3 页 才迅速进入平常百姓家庭的 其数据交换主要是基于 TCP IP 协议的 IP 包交换 它目前主要依赖于电信网 因此同样受到带宽的限制 但其互 连网协议 IP 由于其灵活廉价正在被其它网络采用 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 这三个网络作为三大现代信息传输方式 经历数年的发展 已分别 在三个信息平台上建立起各自庞大的网络体系 扮演着不可或缺的角色 然而 三种网络截然分立的状况已经有了很大的变化 目前 这三个网 络正在发生相互影响 相互渗透 在电话网络上的数据传输业务正在以 惊人的速度发展 早在 1997 年 北美电信市场上的数据通信量首次超过 了语音通信量 15 因此电话网络已经成为计算机网络的最有力的竞争对 手 有线电缆上的 机顶盒 正在作为接入 Internet 网的最有效的方式之 一 也在抢占计算机网络的市场 而 Internet 的网上电话 网上可视电话 电传业务正在成为电信电话网相应业务的可怕竞争对手 攙閿频嵘陣澇諗谴隴 泸 目前 三种网络的竞争还非常剧烈 但是可以想象 随着数字技术 光通信技术 软件技术等的发展 电话网 有线电视网和计算机网络最 终将走向统一 形成以传输数字化数据为主的 同时包含电话机 电视 机和计算机等多个终端的新型网络 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 其实 CCITT 在 80 年代初就提出业务综合的概念 当时电信网是唯 一的全覆盖网络 它当然是支持所有信息业务的最佳选择 但由于各种 因素导致 ISDN 的发展缓慢 并未像人们预期的那样一统通信市场 进 入 90 年代 计算机互联网和有线电视网等具有不同模式的网络形态取得 了超乎寻常的发展 极大地影响着人们的工作和学习方式 而且每种网 络在技术进步的前提下都提出了业务综合的方式 于是就有了综合利用 网络资源来充分有效地提供信息服务的呼声 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 传统的电信网 以及新兴的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 任何一个基于现有技术的网络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 既有利于用户 也有利于运营商 从全世界范围来看 这也是现代通信和计算机网络发 展的大趋势 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 4 页 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 三网合一 是指在更深层次上指数据 音频 视频三种业务的融合 因而 这种网络体系应该具有以下几个特征 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 1 网络在物理层上是互通的 即一个网络的信号可以直接传递或 者经过组织 变换 传送到另个一个网络中去 并且通过另外的网络传 送到用户终端时 不改变信息的内容 也就是说 网络之间要互相透明 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 2 用户只需一个物理网络连接 就可以享用其他网络的资源或者 与其他网络上的用户通信 3 在应用层上 网络之间业务是相互渗透和交叉的 但又可以相 互独立 互不防碍 并且在各自的网络上可以像以往那样独立发展自己 的新业务 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 4 网络之间的协议兼容或者可以进行转换 这是因为各个网络都 有自己的协议 因此信息从一个网传送到另一个网时它应该满足所转向 网络的协议要求 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 目前来看三网合一正在成为势不可挡的历史大潮 可以说三网合一 是 迎接新世纪的根本性网络变革 当然 在 三网合一 的趋势中 有几个技术问题需要解决 镞锊过润启婭澗骆讕瀘 一 宽带传输的问题 骨干网传输的宽带化是三网合一的基础 光纤通信技术的发展使密 集波分复用 DWDM 技术已经成熟并走向商品化 现在 以光纤为媒 介 以 DWDM SDH 为主体的光纤网成了电信骨干传输网的主流 在 普通标准单模光纤上提供 4 2 5Gbit s 传输能力的 WDM 系统已经在国 内的许多主干线路上投入使用 据了解 能复用 160 路信号的波分复用 系统已在朗讯的贝尔实验室研制成功 所以从光纤通信具有的优点以及 未来技术的发展趋势来看 以 DWDM 为基础的光通信网络必将在整个 骨干网中占据主导地位 三网将在此基础上进行融合 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 但存在的问题是 较为成熟的 DWDM SDH 系统主要是针对语音 信号设计的 要能使信息量庞大的视频 音频等信息 尤其是实时性要 求很高的视频信息也能在该系统上快速 高效地传输 同时保证较好的 QoS 还有许多问题需要解决 例如 如何保证语音和视频信息的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5 页 QoS 如何以一种统一的数据格式传输各种信息 如何与传统的 PSTN 兼容 如何进行复杂 灵活的网络管理 如何保证技术实现的低成本等 如果这些问题不能很好地解决 以 DWDM 为基础的光纤骨干网所具有 的大容量 高带宽的优势就无从发挥 三网合一也就无从谈起 邁茑赚陉宾 呗擷鹪讼凑 二 宽带交换的问题 实践表明 网络交换机通常是造成网络阻塞的主要原因 宽带交换 机则是三网合一的关键 以信元交换 统计复用为特征的 ATM 对语音 图像 数据等都具有很好的适应能力 可以保证较好的 QoS 交换速度 高于 150Mbit s 自 90 年代初以来 ATM 一直被认为是未来网络的主 流交换技术 现在 ATM 交换机已经商品化 并在许多电信宽带网担当 骨干交换机 1997 年 新一代的路由交换机面世 它采用专用硬件而不 是软件来进行包处理 比传统路由器速度快几十倍 而且结构变化不大 目前许多新建的 IP 骨干传输网就采用 IP DWDM 路由交换机的模式 如中国网通 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 但无论是 ATM 交换机 还是新一代的路由交换机 在交换速度 网络吞吐量 QoS 等方面都远不能达到三网合一所需要的性能指标 单 以话音来说 像北京 上海 广州这样的汇接中心来往的话路是数以百 万计的 其信息的交换量之庞大可想而知 单纯依靠 ATM 交换机或路 由交换机是不可能胜任交换任务的 而三网融合后还需传输更大数据量 更高 QoS 要求的视频信息以及数据信息 这必然对骨干交换机提出更高 的要求 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭 三 宽带接入的问题 接入网是指从用户端到本地局端或网络节点的连接部分 它通常由 用户传输系统 复用设备 交叉连接设备等部分构成 负责将电信业务 透明地传送到用户 接入网问题又称为 最后一公里问题 也是三网合 一的主要难点 现阶段 宽带接入网技术主要有 HFC 混合光纤同轴网 接入网技术和基于铜线的 xDSL 技术 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 HFC 是基于有线电视网络接入技术的光纤 同轴电缆混合网 把光 缆敷设到小区 然后通过光电转换节点 利用有线电视的总线式同轴电 缆网连接到用户 提供综合电信业务的技术 HFC 网络可以提供的业务 有语音 数据传输 视频传输等 基本上综合了当今的新技术 但 HFC 的缺点在于 HFC 采用的是模拟频分多路复用技术 而主干网络一般都 采用数字技术 增加了同步 网管和信令等技术上的难度 由于采用树 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 6 页 状拓扑结构 HFC 的保密性能不够理想 上行带宽不足 同时易产生上 行信号的噪声积累 影响话音质量 现在绝大多数的 HFC 都是单向传输 的 若要同时传输话音 数据 图像等信息 必须将其改造成双向传输 信道 这需要大量投资 而在现阶段 过高的成本不能被绝大多数用户 所接受 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄 xDSL 是各种类型数字用户线的总称 包括 ADSL HDSL RADSL VDSL SDSL IDSL 等 其中 ADSL 技术是 目前最诱人的 ADSL 技术的优势是可充分利用现有的铜缆接入网资源 传输距离也相对较长 但铜缆接入网在提供宽带多媒体业务方面所提供 的带宽资源也不能达到三网合一的要求 并且它的传输速率和距离相互 制约 另外 ADSL 的终端设备价格过高 一般用户难以接受 这里引用 文献 12 15 16 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 1 2 2 现有的服务质量保障机制 在传统的 IP 网络中 所有的报文都被无区别的等同对待 每个路由 器尽最大努力将报文送达目的的 但对报文传送的可靠性 传送延迟等 不提供任何保证 可是 随着网络中语音 视频等实时业务的大量增加 对数据传输的服务质量提出了较高的要求 这里引用文献 14 穑釓虚绺滟 鳗絲懷紓泺 服务质量 QoS Qulity of Service 包括多方面的的指标 稳定数据 吞吐率 Throughput 在一定期间允许的最大突发数据的吞吐率 Max Burst Data Rate 最大传输时延 Max Transfer Delay 数据传输正确 性 Data Correctness 等 对实时性数据的传输还包括 恒速性 要求 数据传输的防抖动性指标等等 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 Internet 学界和工业界针对现有的网络体系结构缺少相应的服务质量 保障机制这一缺点 试图通过在 IP 层之上增加的服务质量保障技术 如 资源预留协议 RSVP Resource reservation setup Protocol 集成服务 InteServ Integrated Service 区别服务 DiffServ Differentiated Service 来改进 Internet 的服务质量 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 资源预留协议 RSVP 是 Internet 群体开始研究改善服务质量保证体系 措施中首先提出的 利用 IP 或传送层的 UDP 通过找寻一条至少在理论 上能够满足服务质量要求的传输路径 从而在数据流收发方之间建立数 据传输通路 并在该通路上的节点 路由器 内预留保证数据流传输所 需要的资源 以达到为通信双方提供要求的服务质量 RSVP 本质上借 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 7 页 用了面向连接的思路 保证了同一数据流走同样的路径 避免不同报文 因为路径不同而错序的问题 由此产生的另一个优点是 由于减少了可 能涉及的中间路由器的数量 因而在选择一条路径来满足预定的服务质 量要求的概率将更高 其次 如果能够利用路径选择协议 对于特定的 数据流找寻一条路径 其上的路由器都能满足用户 QoS 的要求 便可以 较容易的解决服务质量保证问题 注意到 RSVP 本身不具备路径选择功 能 它将利用 Internet 中的路径选择协议 EGP RGP IGP 通过与各 路由器的协商来完成通路的选择和在路由器内的资源预留 RSVP 的 PDU 只完成连接 通路 的建立 维护等方面的功能 通路一旦建立 数据流实际上是沿着建立的通路上仍然利用 IP 报文进行传输 作为端系 统的计算机 将利用 RSVP 为特定应用的数据流 向网络请求指定的服 务质量的传输服务 路由器将借用路由协议找寻能到达目的计算机的可 能路径 并沿着可能的路径 利用 RSVP 向有关节点投递服务质量 QoS 请求 找寻并最终建立一条能够支持 QoS 请求的通路 这里引 用文献 12 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 集成服务的基本思想是在传送数据之前 根据业务的 QoS 需求进行 网络资源预留 从而为该数据流提供端到端的 QoS 保证 资源预留协议 RSVP 是集成服务的核心 这是一种信令协议 用来通知网络节点预留 资源 如果资源预留失败 RSVP 协议会向主机发回拒绝消息 集成服 务能够在 IP 网上提供端到端的 QoS 保证 但是 集成服务对路由器的 要求很高 当网络中的数据流数量很大时 路由器的存储和处理能力会 遇到很大的压力 因此 集成服务可扩展性很差 难以在 Internet 核心网 络实施 目前业界普遍认为集成服务有可能会应用在网络的边缘上 12 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等 级 任何用户的数据流都可以自由进入网络 但是当网络出现拥塞时 级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权 区分服务只承诺相对的服务质量 而不对任何用户承诺具体的服务质量 指标 在区分服务机制下 用户和网络管理部门之间需要预先商定服务 等级合约 SLA 根据 SLA 用户的数据流被赋予一个特定的优先等级 当数据流通过网络时 路由器会采用相应的方式 称为每跳行为 PHB 来处理流内的分组 区分服务只包含有限数量的业务级别 状态信息的 数量少 因此实现简单 扩展性较好 它的不足之处是很难提供基于比 特流的端到端的质量保证 12 目前 区分服务是业界认同的 IP 骨干网的 QoS 解决方案 但是由于标准还不够详尽 不同运营商的 DiffServ 网络 之间的互通还存在困难 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 8 页 尽管集成服务 区别服务都是试图通过对单个数据流或同类数据流 进行资源预留的方式来提高对服务质量提供更好的保证 从而来改进 Internet 的服务质量 然而无论 RSVP 加集成服务 还是区别服务 到目 前为止充其量只能在局部范围内提供比 尽其所能 的传统 Internet 服务 质量稍好的服务 也就是说它们都只能提供一个 Better Best Effort 服 务 因为在全球范围内 多数网络还不具备支持大量实时数据流的网络 传输能力 所以除了在局部范围内有可能实施服务质量保证之外 在整 个 Internet 范围内全面实施服务质量保证体系还不具备条件 另外 集成 服务和区别服务对用户的服务质量保证的承诺具有概率统计特性 当资 源紧张时将采用不同的缓解策略或约束控制策略 甚至丢弃分组 上述 服务质量保证技术最多只能在轻负载情况下部分地改进所提供的服务质 量 都收效甚微 其真正的原因是 InteServ 和 DiffServ 都试图在 IP 层来 通过资源预留来控制传输资源的使用 但在数据链路层 特别是物理层 都缺少直接对服务质量进行控制的机制 因而从根本上都不能提供服务 质量的保证 这里引用文献 14 28 29 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 1 2 3 现有的网络体系结构 分层的网络体系结构的思想在网络技术的发展过程中有着重要的作 用 但是体系结构也在随着时间的推移和应用的变化不断地发生变化 由不同层的网络体系结构发展为 7 层的 OSI RM Internet 的 5 层结构也 已经成功地发展和应用达 20 多年 在以光纤为基础的高速网络的发展过 程中 目前已经出现了协议层次减少和层内子层增加的趋势 这里引用 文献 12 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫 现有的 Internet 网络体系结构采用了带内信令技术 就是数据运载网 或称为用户平面 与信令网合二为一 因而数据运载网具有典型的 3 层通信子网结构 从网络体系结构上看 传统通信子网的 3 层传输平台 也成为未来 三网合一 的网络中大量实时数据流传输服务质量保证的 障碍 Internet 在网络层采用无连接无用户数据检错功能的 IP 协议 它 为每个分组 Packet 独立选择路径 从而缓解网络拥塞 但在未来 三网合一 的网络中通信量主要是数据流 如果还对每一个 IP 数据包 进行路由就不再是优点 而是一种负担 而且 Internet 采用带内信令控制 技术 控制管理与用户数据都在 3 层 IP 平台上传输 效率低下 可见 传统通信子网的 3 层传输平台是不能满足未来 三网合一 对服务质量 保障的需要 齡践砚语蜗铸转絹攤濼 当人们逐渐意识到 Internet 中造成实时性要求较高的数据传输服务质 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 9 页 量难以保障的根本原因在于通信子网的 3 层传输平台 人们开始利用带 外信令控制技术对用户数据传输平面进行简化 其中以宽带综合业务数 字网 B ISDN 和多协议标签交换 MPLS Multi Protocol Label Switching 为代表 这里引用文献 11 绅薮疮颧訝标販繯轅赛 宽带综合业务数字网 B ISDN 在 ITU T 的 I 321 建议中定义了 B ISDN 协议参考模型 该模型为一 个立体模型 如下图 1 1 它包括三个面 用户面 控制面和管理面 而 在每个面中又是分层的 分为物理层 ATM 层 AAL 层和高层 饪箩狞屬 诺釙诬苧径凛 协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能 用户平面 采用分层结构 提供用户信息流的传送 同时也具有一 定的控制功能 如流量控制 差错控制等 控制平面 采用分层结构 完成呼叫控制和连接控制功能 利用信 令进行呼叫和连接的建立 监视和释放 管理平面 包括层管理和面管理 其中层管理采用分层结构 完成 与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能 如元信令 同时层管理 还处理与各层相关的 OAM 信息流 面管理不分层 它完成与整个系统 相关的管理功能 并对所有平面起协调作用 这里引用文献 16 17 烴 毙潜籬賢擔視蠶贲粵 实现 B ISDN 的基础技术是 ATM 当然 B ISDN 并不单单是 ATM 网 而是 ATM 作为一种传输模式在 B ISDN 中的应用 进入 B ISDN 的 图 1 1 B ISDN 协议参考模型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 10 页 信息流是一串串的信元流 信元是由 5 个字节的 信头 和 48 个字节的 负荷信息段两部分组成 载有来自用户信息的信元根据包含在信头中的 路由信息 目标地址和途经的地址信息 标签 标识符 选择接续的 路径运送信息 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键 为了实现网络层的寻址 选径等功能 信令网仍需要 3 层网络结构 但是 由于采用带外信令控制技术 使数据运载网与信令网分离 将用 户数据传输平面从传统的三层减少为两层 而且在数据链路层上以固定 53 字节的信元作为基本数据单元 从而可利用硬件实现高速交换 因此 获得了比传统的 3 层通信子网结构小的传输时延 提高用户数据传输效 率 但是 B ISDN 的信控平面和管理平面的协议栈比 Internet 协议栈复杂 且信元的有效载荷比较小 对于大的数据包 如 IP 数据包要进行适配 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞 多协议标签交换 MPLS MPLS 具有一种特殊的转发机制 它为进入网中的 IP 数据包分配标 签 并通过对标签的交换来实现 IP 数据包的转发 标签作为 IP 包头在 网络中的替代品而存在 在网络内部 MPLS 在数据包所经过的路径沿途 通过交换标签 而不是看 IP 包头 来实现转发 当数据包要退出 MPLS 网络时 数据包被解开封装 继续按照 IP 包的路由方式到达目的地从传 统的 IP 路由来看 每一台沿途的路由器都要检查包的目的地址 并且选 择一条合适的路径将数据包发送出去 而 MPLS 则不然 数据包虽然也 沿着 IP 路由所选择的同一条路径进行传送 但是它的数据包头在整条路 径上从始至终都没有被检查过 这里引用文献 12 56 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄 MPLS 也是利用带外信令控制技术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 Label Sub layer 来取代 IP 层 建立以标签 Label 作为连接标识符 并与服务质 量相联系的 MPLS 通路 MPLS 通路一旦确定 同一数据流在 MPLS 网 就可以进行较高速率的传输 与传统 Internet 相比 不必对每一个 IP 数 据包进行路由 用户数据的传输都不在网络层而在增强型的数据链路层 标签子层 上传输 因而对连续数据流的传输效率较高 传输时延较 小 MPLS 的体系结构对传统的三层通信子网结构是一种改进 然而 MPLS 在提供服务质量方面沿袭了集成服务 区别服务的概率统计特性 依靠数据链路层提供的服务 如果物理层不具备进一步向下复用的能力 那 MPLS 只能通过共享巨大的数据传输带宽来提供服务质量保证 这里 引用文献 12 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 11 页 B ISDN 和 MPLS 虽然提高了用户数据传输效率 也提出了保障服 务质量的机制 但服务质量的保证即取决于数据链路层提供的服务质量 保证机制 更取决于物理层的服务保障机制 其中物理层最终对服务质 量保障起到关键作用 可见上述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 从而不能满足 三网合一 的需要 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 另一方面 通信技术的发展也带来了网络体系结构的变化 首先 物理信道可靠性的提高使得数据链路层中检纠错功能的必要性降低 随 着通信技术的发展 物理信道的传输速率有了几个数量级的提高 传输 可靠性也有了数量级的提高 传输误码率大大降低了 使得过去数据链 路层协议中所采用的大量措施逐渐变得不再那么重要了 在近几年的高 速数据链路层协议中 许多功能已开始弱化 有一部分功能被转移到物 理层之中 这种物理层逐渐变 厚 数据链路层逐渐变 薄 的趋势成 为现代高速网络发展的一个方向 其次 原来 分帧 和 以帧为基础 进行数据传输 是数据链路层的主要功能之一 但是 事实上 现有的 许多物理层技术有许多物理层技术 如 PDH SDH ADSL 和 HDSL 都 已经广泛地使用了物理帧 如果能够将数据链路层帧与物理帧协调一致 数据链路层的相关功能就完全可以被取代 使未来的网络体系结构中数 据链路层与物理层两层合一 俦聹执償閏号燴鈿膽賾 1 2 4 密集波分复用技术 DWDM 概述 随着数据通信的迅速发展 特别是 Internet 业务量呈爆炸性增长 对 数据传输网带宽的需求越来越高 据有关专家预测 每 6 9 个月 主要 ISP 的 Internet 骨干链路的带宽需求就增长一倍 比著名的 CPU 性能进 展的摩尔定律 约 18 个月翻一倍 还要快 2 3 倍 而且至今没有减缓 的迹象 这种传输网信息容量需求的快速增长 带来的直接后果是所谓 的 光纤耗尽 的现象 即现有的光纤都用完了 在网络扩容的新技术中 密集波分复用技术 DWDM 时分复用技术 TDM 以及空分复用技 术 SDM 越来越引起了人们的重视 但是就网络的建设资金而言 光 纤通信系统的初期投资是非常巨大的 这主要是光缆线路的铺设费用很 高 因此利用现有的光缆系统进行有效的扩容就显得非常重要 而波分 复用技术和时分复用技术可以在不敷设新光缆的情况下 对通信网络进 行容量的扩展 所以近几年来发展非常迅速 但是 时分复用技术的发 展到 40Gb s 上已接近了硅和砷化镓的极限要求 并且传输设备的成本也 很高 光纤色散和极化模色散的影响也日益加重 因此波分复用技术以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 12 页 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 12 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜 波分复用技术的突出优点是能在一根光纤中同时传输多个不同波长 的光载波信号 它不仅充分利用了光纤的带宽资源 增加系统的传输容 量 而且还能提高系统的经济效益 波分复用技术的主要特点为 骥擯帜 褸饜兗椏長绛