劉素桃

(1. 通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050081;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)是一種承載綜合業(yè)務(wù)信息、效率高和控制靈活的信息傳輸方式。其以定長(zhǎng)分組交換與傳輸、豐富的業(yè)務(wù)適配功能和完善的調(diào)度策略為承載綜合業(yè)務(wù)提供了精確的QoS保障[1-2]。ATM技術(shù)體制已在多型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用并廣泛裝備，是上一代專(zhuān)網(wǎng)設(shè)備主要采用的技術(shù)體制。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化程度高、傳輸帶寬大和性?xún)r(jià)比高的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3]。隨著以太網(wǎng)的傳輸速率由最初的10 Mbps發(fā)展為目前的上百吉比特，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍得到了大大拓展，以太網(wǎng)承載與交換也呈高速發(fā)展態(tài)勢(shì)[4-5]?；谝蕴W(wǎng)的二三層交換架構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)成為發(fā)展趨勢(shì)[6]。

ATM體制622 Mbit/s的交換容量已無(wú)法滿(mǎn)足千兆數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，IP技術(shù)體制對(duì)于話(huà)音采用VoIP技術(shù)，存在話(huà)音時(shí)延大、抖動(dòng)大和傳輸不可靠問(wèn)題。

本文提出專(zhuān)網(wǎng)中將以太網(wǎng)作為統(tǒng)一承載，按照業(yè)務(wù)特性進(jìn)行多體制分級(jí)、融合交換。

1 技術(shù)體制

1.1 ATM/AAL2交換技術(shù)

ATM是建立在電路交換和分組交換基礎(chǔ)上的一種面向連接的快速分組交換技術(shù)，兼?zhèn)淞穗娐方粨Q實(shí)時(shí)性、服務(wù)質(zhì)量好和分組交換靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，因此能實(shí)現(xiàn)較高速、高吞吐量和高服務(wù)質(zhì)量的信息交換，提供靈活的帶寬分配。適應(yīng)于千兆速率以下的業(yè)務(wù)交換應(yīng)用。ATM技術(shù)在帶寬分配、統(tǒng)計(jì)復(fù)用、優(yōu)先級(jí)排隊(duì)和多信道廣播等方面具有比傳統(tǒng)交換技術(shù)更高的靈活性，因特網(wǎng)的主干網(wǎng)及軍用網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等均采用ATM技術(shù)[7-9]。信元格式符合ITU-T I.361標(biāo)準(zhǔn)，ATM信元格式[10]如圖1所示。

圖1 ATM信元格式Fig.1 ATM cell format

各字段含義：

GFC：一般流量控制，4 bit，只用于UNI接口，目前保留。

VPI：虛通路標(biāo)識(shí)，8 bit。

VCI：虛通道標(biāo)識(shí)，16 bit，標(biāo)識(shí)虛通路中的虛通道，VPI/VCI一起標(biāo)識(shí)一個(gè)虛連接。

PT：凈荷類(lèi)型，3 bit，用于指示本信元為用戶(hù)數(shù)據(jù)或OAM信元等。

CLP：信元丟失優(yōu)先級(jí)，1 bit，用于擁塞控制。

HEC：信頭差錯(cuò)控制，8 bit，用于進(jìn)行信元定界和檢測(cè)信頭錯(cuò)誤。

凈荷：固定長(zhǎng)度凈荷，48 Byte。ATM交換設(shè)備通過(guò)AAL0，AAL2，AAL5等不同適配方式實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型業(yè)務(wù)的統(tǒng)一定長(zhǎng)信元適配。

AAL2交換是在ATM信元的48 Byte的凈荷中攜帶4個(gè)微信元，每個(gè)微信元由2 Byte的微信元頭和10 Byte的凈荷組成，AAL2微信元格式如圖2所示。

圖2 AAL2微信元格式Fig.2 AAL2 microcell format

各字段含義：

CID：表示話(huà)路通道號(hào)，取值范圍1～63。

UUI：表示編碼類(lèi)型及帶內(nèi)信令。

OFFSET：固定為0。

1.2 以太網(wǎng)/IP交換技術(shù)

以太網(wǎng)是基于變長(zhǎng)幀交換的網(wǎng)絡(luò)，是一種無(wú)連接的二層交換網(wǎng)絡(luò)。三層交換也稱(chēng)為IP交換[11]，其接口基本都是以太網(wǎng)接口，數(shù)據(jù)速率支持千兆、萬(wàn)兆到百吉比特接口，二層/三層交換技術(shù)已在互聯(lián)網(wǎng)、骨干網(wǎng)廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于變長(zhǎng)幀、不同VLAN、不同網(wǎng)段之間數(shù)據(jù)報(bào)文的高速轉(zhuǎn)發(fā)，適合于以太網(wǎng)、IP數(shù)據(jù)報(bào)文交換。以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)[12]如圖3所示。IP數(shù)據(jù)報(bào)文格式首部[13]如圖4所示，在以太網(wǎng)幀中，IP數(shù)據(jù)包首部緊跟著以太網(wǎng)幀首部，同時(shí)以太網(wǎng)幀首部中的協(xié)議類(lèi)型值設(shè)置為0x800。IP首部固定長(zhǎng)度為20 Byte，是所有IP數(shù)據(jù)報(bào)必須具有的。

圖4 IP首部格式Fig.4 IP header format

圖3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Standard Ethernet frame structure

各字段含義：

目的MAC地址：接收以太網(wǎng)幀的設(shè)備地址，6 Byte長(zhǎng)度。

源MAC地址：發(fā)送以太網(wǎng)幀的設(shè)備地址，6 Byte長(zhǎng)度。

以太網(wǎng)幀類(lèi)型：該字段用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)字段中包含的高層協(xié)議類(lèi)型，2 Byte長(zhǎng)度。

數(shù)據(jù)字段：數(shù)據(jù)字段最小長(zhǎng)度必須為46 Byte，以保證以太網(wǎng)幀長(zhǎng)至少為64 Byte，最大長(zhǎng)度為1 500 Byte。

FCS：幀錯(cuò)誤檢測(cè)編碼，包括地址字段、類(lèi)型、數(shù)據(jù)字段的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)碼。用于檢測(cè)幀在傳輸過(guò)程中是否發(fā)生了錯(cuò)誤。

各字段含義：

版本：目前常用的協(xié)議版本是IPv4，即版本號(hào)為4。

首部長(zhǎng)度：指IP首部字段占多少個(gè)字，包括選項(xiàng)字段。首部最長(zhǎng)為60 Byte。不含選項(xiàng)字段的IP首部長(zhǎng)度是20 Byte，首部長(zhǎng)度字段的值是5。

服務(wù)類(lèi)型(TOS)：該字段包括一個(gè)3 bit(高3位)優(yōu)先級(jí)子字段，4 bit(中間4位)的TOS(Type of Service)子字段和1位未用位(必須置0)。4位的TOS分別代表：最小延時(shí)、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。4位中只能置其中1位為1。如果所有4位均為0，代表是一般服務(wù)?，F(xiàn)在大多數(shù)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)都不支持TOS特性。

2 融合交換技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)思路

專(zhuān)網(wǎng)中主要的接口有A接口、STM-1 ATM/POS光接口、電臺(tái)接口、模擬接口、E1接口和10/100/1 000 Mbit以太網(wǎng)接口，這些接口中承載的主要有話(huà)音、信令、協(xié)議、IP逐跳數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)。

話(huà)音業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，對(duì)時(shí)延敏感；信令、協(xié)議對(duì)可靠性要求較高；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求大帶寬，對(duì)時(shí)延不敏感。ATM/AAL2交換體制是面向連接的分組交換，具有高可靠的QoS，是可靠傳輸，能夠保證傳輸時(shí)延；以太網(wǎng)/IP交換體制是無(wú)連接的分組交換，具有較大的帶寬，能夠支持千兆速率數(shù)據(jù)的無(wú)阻塞交換。

結(jié)合上述分析，在專(zhuān)網(wǎng)中話(huà)音業(yè)務(wù)采用ATM/AAL2交換，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用以太網(wǎng)/IP交換，IP逐跳數(shù)據(jù)采用ATM/以太網(wǎng)/IP融合交換，充分利用不同技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高效傳輸與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

2.2 融合交換分層模型

多體制融合交換分層模型框圖如圖5所示。

圖5 多體制融合交換分層模型Fig.5 Multi-system integrated switching hierarchical model

設(shè)計(jì)2套以太網(wǎng)總線，其中以太網(wǎng)總線1采用ATM over Ethernet(簡(jiǎn)稱(chēng)AoE)，AoE幀格式如圖6所示。將ATM信元封裝到以太網(wǎng)幀中傳輸，借助于主流的以太網(wǎng)總線，設(shè)計(jì)專(zhuān)有的承載ATM信元幀格式，實(shí)現(xiàn)ATM多種虛通道的統(tǒng)一承載與交換，大大提高了逐跳數(shù)據(jù)的吞吐量。以太網(wǎng)總線2采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大帶寬承載與高效交換。

圖6 AoE幀格式Fig.6 Format of ATM over Ethernet frame

AoE幀字段說(shuō)明：

標(biāo)志：有無(wú)信元指示。

反壓指示：各個(gè)PHYID緩存隊(duì)列擁塞狀態(tài)反壓指示。

序列號(hào)[7∶2]：總線傳輸幀序號(hào)，用于監(jiān)視總線傳輸質(zhì)量。

優(yōu)先級(jí)字段[1∶0]：指示幀中承載信元的優(yōu)先級(jí)，支持4級(jí)嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)。

PHY-ID字段：指示幀中承載信元的PHY通道號(hào)標(biāo)識(shí)，擴(kuò)展到64個(gè)通道(上一代設(shè)備支持32個(gè))。

2.3 數(shù)據(jù)流程

各種業(yè)務(wù)分級(jí)融合處理數(shù)據(jù)流程如圖7所示。

圖7 業(yè)務(wù)處理流程Fig.7 Flow diagram of traffic processing

① 將各種接口收到的信息經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)分類(lèi)提取，提取到的話(huà)音經(jīng)過(guò)AAL2適配后通過(guò)以太網(wǎng)總線1按照AoE幀格式承載進(jìn)入ATM/AAL2綜合交換處理，按照呼叫信令建立的鏈路發(fā)送到相應(yīng)的業(yè)務(wù)接口；

② 提取到的信令、協(xié)議經(jīng)過(guò)AAL5適配后通過(guò)以太網(wǎng)總線1按照AoE幀格式承載進(jìn)入ATM交換，按照預(yù)留建立的通道發(fā)送到協(xié)議控制單元進(jìn)行相應(yīng)的信令及協(xié)議處理；

③ 提取到的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)封裝為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀后進(jìn)入以太網(wǎng)總線2直接進(jìn)入以太網(wǎng)/IP交換處理，按照路由管理表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速交換與轉(zhuǎn)發(fā)。話(huà)音、信令和協(xié)議進(jìn)行ATM/AAL2交換處理，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行以太網(wǎng)/IP交換，實(shí)現(xiàn)按照業(yè)務(wù)特性的分級(jí)交換；

④ IP逐跳數(shù)據(jù)是在ATM信元中承載的IP數(shù)據(jù)，其信元頭為VPI=0/VCI=31的IP數(shù)據(jù)，將中繼接口提取到的IP數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)ATM交換后進(jìn)入AoE解適配處理模塊進(jìn)行適配處理，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀并按照規(guī)則打上特定的VLAN-ID后進(jìn)入以太網(wǎng)/IP交換進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)ATM與以太網(wǎng)/IP融合交換實(shí)現(xiàn)IP逐跳數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。

AoE適配/解適配幀結(jié)構(gòu)格式如圖8所示，以太網(wǎng)幀中封裝VLAN幀[14]。

圖8 AoE適配/解適配幀結(jié)構(gòu)Fig.8 AoE adaptation/deadaptation frame structure

3 優(yōu)點(diǎn)

3.1 話(huà)音業(yè)務(wù)

VoIP、AoE幀頭格式如圖9所示。

圖9 VoIP與AoE幀頭格式Fig.9 VoIP and AoE frame header structure

VoIP實(shí)現(xiàn)采用的是SIP/RTP協(xié)議[15]，其在以太網(wǎng)幀中的固定幀頭開(kāi)銷(xiāo)為60 Byte，AoE采用ATM/AAL2交換，其在以太網(wǎng)幀中的固定幀頭開(kāi)銷(xiāo)為20 Byte，專(zhuān)網(wǎng)中常用的話(huà)音編解碼有G729、PCM、CVSD，對(duì)于不同編碼在2種體制下的有效凈荷和開(kāi)銷(xiāo)特性分別如表1、表2所示。

表1 IP/以太網(wǎng)交換(VoIP承載)話(huà)音特性Tab.1 IP/Ethernet switching (VoIP carrying) voice characteristics

表2 ATM/AAL2交換(AoE承載)話(huà)音特性Tab.2 ATM/AAL2 switching (AoE carrying) voice characteristics

通過(guò)表中數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出：

① 采用ATM/AAL2交換技術(shù)與VoIP(IP/RTP)技術(shù)相比，有如下優(yōu)勢(shì)：

ATM/AAL2交換技術(shù)體制與編解碼模式無(wú)關(guān)，傳輸效率在G729編碼模式時(shí)開(kāi)銷(xiāo)小，利用ATM的分組定長(zhǎng)交換、實(shí)時(shí)可靠傳輸，保證話(huà)音業(yè)務(wù)的時(shí)延小、抖動(dòng)小，在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)通過(guò)ATM的優(yōu)先級(jí)能夠保證話(huà)音的可靠傳輸，若支持SIP話(huà)機(jī)，僅在話(huà)音接入點(diǎn)中增加SIP服務(wù)器及相關(guān)協(xié)議即可。

② VoIP采用UDP協(xié)議，缺乏擁塞控制策略，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)會(huì)導(dǎo)致話(huà)音丟包、時(shí)延增大、是不可靠傳輸[16]。傳輸效率與編解碼模式有關(guān)，G.729編解碼模式的開(kāi)銷(xiāo)達(dá)60%，傳輸效率較低，帶寬浪費(fèi)較大。

因此話(huà)音業(yè)務(wù)選用ATM/AAL2交換具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 IP逐跳數(shù)據(jù)

IP逐跳數(shù)據(jù)采用了ATM交換與/以太網(wǎng)/IP融合交換的硬件轉(zhuǎn)發(fā)，與上一代采用CPU進(jìn)行逐跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)STM-1 ATM接口的線速轉(zhuǎn)發(fā)，原有采用CPU進(jìn)行逐跳數(shù)據(jù)處理，受CPU處理能力及包長(zhǎng)的影響，需要CPU完成IP包的封裝、解封裝，CPU中斷及COPY數(shù)據(jù)處理，對(duì)于小包測(cè)試的性能僅為2 Mbit。采用了該體制后轉(zhuǎn)發(fā)性能與包長(zhǎng)無(wú)關(guān)，性能提升約70倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一種多體制融合交換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)方法。此項(xiàng)技術(shù)可較好地解決專(zhuān)網(wǎng)中基于以太網(wǎng)統(tǒng)一承載按業(yè)務(wù)分級(jí)與融合交換(ATM/AAL2交換、以太網(wǎng)/IP交換)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由交換及控制類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)及兼容多種新舊網(wǎng)絡(luò)體制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通及設(shè)備的升級(jí)換代具有較好的借鑒意義。