【硕士论文】基于分组交换网络仿真TDM电路技术的研究与设计.pdf

燕山大学 硕士学位论文 基于分组交换网络仿真tdm电路技术的研究与设计 姓名：柏林 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：卢辉斌 20040401 摘 要 i 摘 要 本课题介绍了基于分组交换网络仿真 tdm 电路的方法随着通信网 络向下一代网络的演进以 ip 技术为核心的网络成为主流如何保护原有 的 tdm 设备成为人们关注的重要方面因此对本课题的研究与设计具 有广阔的前景 目前语音基本还是通过 tdm 网络来承载这属于电路交换范畴分 组交换网络无处不在是网络发展的必然趋势这就导致 tdm 业务向 ip 网络过渡不过分组网络属于分组交换范畴二者在结合中必然面临系列 问题需要一种技术将它们有机地融合在一起 本文从当前网络发展的背景出发首先介绍了基于分组交换网络仿真 tdm 的原理 两种仿真技术的差异 然后又分析了如信令处理 延时抖动 时钟恢复网络同步以及丢包补偿等关键问题最后通过对网关系统的设 计和调试实际分析了包载荷与带宽之间的关系时钟同步的关键因素 丢包的影响等几个重要方面并建立了相应的参考模型同时利用计算机 命令行或者图形化界面两种方式实现对设备的配置与测试 由于随着网络的发展技术上还处于不断完善的阶段因此还需要对此 进行进一步的研究同时设备还需要一个功能完善和技术改进的过程尽 管如此还是取得了一定的成果完成了产品的研发并已经在市场上开 始应用 关键词 tdmopsncesopsntdmoip信令同步时钟恢复机制 延时丢包 燕山大学工学硕士学位论文 ii abstract in this paper, a method of tdm circuit emulation service based on packet switched network is introduced. along with the evolution of the communication networks, that is transiting to the next network. the internet protocol technology is turning into the core of networks. how to protect traditional tdm devices has been importance attentive aspect. so the system discussion and design has a wide application future. because voice is carried out through tdm network, it belongs to the category of circuit switch. packet switching networks exist everywhere and it is the inevitable trend. it results in that tdm traffic transits to ip network. but packet network belongs to packet switch category, the combine of these two will consequentially face a series of problems. that needs a technology to combine two tdm and ip. in this paper, by analyzing the current network development trend, first, introduced basic theory of circuit emulation service over packet switched network, and difference of two circuit emulation technologies. then analyzed some problems of signaling processing, delay and jitter, clock recovery mechanism, network timing and packet loss compensating, etc. in the end, it analyzes the relation between the packet load and bandwidth, the key element of the synchronization, the effect of the packet loss ect. it also sets up the corresponding model. by designing and testing the system, the configuring and the supervising are realized in using cli and gui at the same time. because this technology is consummating moment along with the development of network it needs to go to study in deeply, and the device needs to a progress of function perfected and technology improved. however, some achievements have been gained, and accomplished designing and testing of the system, and beginning to be application in the market. keywords tdmopsn; cesopsn; tdmoip; signaling; delay; timing; clock keywords recovery mechanism; packet loss 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 本课题的背景 目前通信网络发展日新月异基于快速以太网和网际协议(internet protocol ip)框架下的网络是通信领域发展的新趋势1伴随互联网业务的 飞速增长ip 网络容量不断增加全球范围内 ip 网络的数据业务量已超 过电话网络 随着全球范围内数据流量的激增以及未来网络中 ip 技术地位 的日渐明晰未来网络的主体架构必定是基于 ip 框架也就是说 ip 将是 无所不在的2电信运营商也在寻找能够通过这些网络提供语音和出租线 路等增值服务的途径就许多应用而言由于 ip 业务的价格已低于传统时 分复用(time division multiplexingtdm)业务的价格如何在向下一代分 组网络平稳演进的同时支持传统的 tdm 业务和其它基于电路的业务 吸引了越来越多的人把目光重点放在以 ip 技术为基础的研究上同时企 业也希望一方面能够将他们的语音和数据业务集中在一起又能够保留原 有传统设备的投资(如用户小交换机tdm 设备等)3 随着 ip 和吉比特以太网交换成本的迅速降低 以太网正向在城域网中 的垄断地位的同步数字体系(synchronous digital hierarchysdh)发出挑 战在光缆网上直接建造吉比特以太网正在成为城域网主流当前的发展 趋势是将以太网与波分复用技术结合在光缆网上直接架构成宽带 ip 城域 网4 对于以太城域网而言 最困难的问题就是如何在面向无连接的 ip 网上 提供端到端的连接仿真 tdm 电路目前基于电路的业务(如 64 kbps e1/t1 和 e3/t3)仍然由 tdm 网络承载许多运营商都面临如何利用一个 统一的通信基础网络平台综合多种业务的问题5一种最普通的过渡方 案是在现有的电路上传送分组(ip over tdm)但这种方案对于有效载荷为 ip 业务的网络而言并不是最有效率的也不容易升级另一种普遍采用 的过渡方案是在分组交换网络上传送基于电路的业务voip(voice over ip) 就是采用这种方案的技术 基于上述一些情况一种能够在分组交换网络中传送所有基于电路业 燕山大学工学硕士学位论文 2 务的技术tdmopsn(tdm over packet switched networktdmopsn) 技术应运而生其方法是在数据包中插入同步比特流加上 ip 首部送入 ip 网传输数据包通过 ip 网转发到终点后在终点重建同步时钟除去 首部提供同步的比特流当然 ip 网必须对传输的数据流给以服务质量 (quality of service qos)保证 用户接口基于标准租用专线(e1/t1e3/t3) 网络接口是低成本 10/100 base-t 以太网可以配置 qos 选件虚拟局域 网(virtual local area networkvlan)用于第二层优先级(802.1d)服务类 型(type of servicetos)用于 ip 层优先级确定用户数据报协议(user datagram protocoludp)端口用于第四层优先级补偿包延时变化这种系 统具有外部时钟或自适应时钟再生处理延时很低可扩展有冗余备份 和管理及诊断功能该技术既能支持 tdm 类型的业务比 sdh 网提供的 e1 和异步传输模式(asynchronous transfer modeatm)都要便宜也可支 持其它类型的传统数据业务话音质量与现存基于电路的网络所提供的相 当而且所有信令特点都将保留 参与竞争的本地电话公司也可以利用 tdmopsn 技术的优点扩展其市 场范围可简单和经济有效地建立更多的业务提供点提供更多的业务 传统的本地电话公司可批发传输电路给新的运营商使其能用 tdmopsn 经济有效地在光纤或无线链路上延伸 e1/t1 电路 在吸取无线和光纤数据网络的优点的同时在各设备间用 tdmopsn 延伸 e1/t1 电路可以使新的运营商获得更多的收入另外运营商还可 把数据业务与一些专线业务捆绑在一起 1.2 两种技术融合中存在的问题 一方面想利用 ip 网络的廉价和无处不在等优势 同时另一方面又想在 下一代基于 ip 技术的网络中保护原有的投资 进而获得电路交换所特有的 高品质二者在结合中固然要解决很多关键性问题6从两种技术的自身 特点出发能更为清晰地发现所要面临的问题 传统的 tdm 网络具有很高的确定性源设备每隔 125 微秒把一个或 多个字节通过具有相应带宽的信道传送到目的设备整个连接的过程中 信息通过 tdm 网络所产生的电路延时是可以事先计算出来的并且时延 很小定时信息与数据一起传送tdm 时钟能够接受的抖动和漂移也是经 第 1 章 绪 论 3 过严格定义的此外利用其结构上的特点可以根据不同的用户需要来 提供丰富的信令协议 对于分组交换网络而言由于可以共享带宽因此要比 tdm 网络更 加有效同时这种共享导致分组交换网络带有先天的不确定性不同的分 组进入到网络中并进行传输必须要相互竞争带宽和交换机 路由器端口 这就导致了包延迟变量和丢包源设备以固定间隔将分组放置到网络中 但网络不能保证这些分组以同样的间隔同样的顺序到达目的设备甚至 不能保证是否到达此外ip 网络是专门为传输数据而设计的并不支持 tdm 相关的信令 如果说将 tdm 服务集成到基于 ip 的网络中还有新的方法的话那就 是针对语音和信令的处理设计者可以采用一个具有创新机制的架构来取 代 tdm 网络和用户终端设备显然这种办法不能给运营商和设备供应 商提供一个更容易最有效节省成本的途径相反运用 tdmopsn 技术 可以保留用户终端设备和协议的完整性正因为如此需要正视 ip 网络中 一些固有的问题比如丢包乱序到达延时以及同步等问题 1.3 国内外研究情况 基于 ip 或多协议标记交换(multiprotocol label switchmpls)网络7 传输 tdm(tdm over ip tdmoip)的几种方案在过去几年中就已经提出来 但是大多的争论是在两个阵营间进行的8其中一个阵营也就是最早提 出这个概念的并不是国际标准化组织而是以色列著名的通信设备制造商 rad 公司9他们目前已经在自己的产品中加以实现当然rad 公司也 已将tdmoip注册为自己公司的商标这个阵营称之为 tdmoip 阵营 它前期在标准化组织中支持 anavi(rad 公司首席工程师的名字)草案目 前国际电子工程工作组织(internet engineering task forceietf)10下的端 到端虚拟线路仿真(pseudo wire emulation edge to edgepwe3)11工作组 已经正式推出第一个草案版本 提出 cesopsn 技术的 axerra 公司是由 离开 rad 公司的 r&d 人员建立的而 cesopsn 阵营支持 vainshtein(该 公司提议者名字)草案现也已经由 ietf pwe3 推出第一个正式草案版本 从本质上讲 两种技术实际上都是要在分组交换网络上仿真 tdm 当然在 具体实现的方法和采用的技术上有所差别 燕山大学工学硕士学位论文 4 实际上目前 pwe3 工作组将这个技术分解为三部分分别叫做分组网 上仿真非结构化的 tdm(structure-agnostic tdm over packetsatop)12 分组网上仿真结构化的 tdm 电路(circuit emulation service over packet switched networkcesopsn)13和 tdmoip14如图 1-1 所示文把这些 在分组交换网络上仿真电路业务的技术统称为 tdmopsn satop 是一个在虚拟线路上传送非结构化 tdm 的协议satop 完全 不考虑 tdm 比特流中存在的任何结构比如 e1/t1 帧15或 gsm 信道 因此 satop 对传送非结构化的 tdm 数据是一个理想选择也适合那些不 需要解释或者使用单个时隙的结构化 tdm特别是 satop 对低丢包率的 分组交换网络以及那些不要求辨别时隙也不干涉 tdm 信令的应用来说是 一种可供选择的技术 当要明确保护 tdm 结构的时候可以通过三种概念截然不同的方法 实现它们分别是结构锁定结构指示结构重组结构锁定保证分组 中包含一个完整的或多个 tdm 结构结构指示允许分组中包含任意的基 于结构化的分段并使用指针指示出一个结构开始的位置在结构重组过 程中在入口处抽取单个时隙重新编组到达出口时从接收的数据中重 新组装出原始结构 图 1-1 psn 上仿真 tdm 的三种方法示意图 fig.1-1 schematic representation of three methods of tdmopsn 三种保护 tdm 结构的方法都有各自优点 结构锁定在 cesopsn 中有 描述而 tdmoip 则明确规定结构指示和结构重组的方法结构指示用在 不要求动态分配信道的场合 并用在要求同已有的基于 atm适应层 1(atm adaption layer 1aal1)电路仿真系统互相作用的场合结构重组用在希 望动态分配信道并要求同已有的基于 aal2 环路仿真的场合 国内在这方面的研究还处于相对落后的阶段国外现已经推出集成芯 psn上的 tdm仿真 结构锁定 结构重组 非结构化 结构化 satop cesopsn tdmoip 结构指示 第 1 章 绪 论 5 片如 rad 公司同 transwitch 公司合作推出基于 tdmoip 技术的芯 片redux 公司同 axerra 公司推出的基于 cesopsn 技术的芯片 zarlink 公司推出基于 cesopsn 技术的芯片等等本文将对前两种技术 加以论述同时针对 cesopsn 技术进行设计实现 1.4 本文主要完成的工作 通过查阅国内外文献及相关技术标准和草案对 tdmopsn 技术进行 深入系统的分析由于紧跟目前 ietf 的最新进展其技术成果具有很高 的理论价值和实用价值 本文对 tdmopsn 技术的关键问题如信令延时同步和丢包等都做 了细致的分析和阐述并通过对网关系统的设计和调试实际分析了包载 荷与带宽之间的关系 时钟同步的关键因素丢包的影响等几个重要方面 并建立相应模型同时利用计算机命令行或者图形化界面两种方式实现对 设备的配置与监测为进一步的研究提供了有利的理论基础和实践知识 1.5 本文的结构 本文共分 4 个部分 (1)第 1 章对 tdmopsn 技术背景面临的问题以及国内外研究情况进 行了介绍并就目前的国际上最新进展情况提出本次课题的研究任务同 时对本论文结构进行了安排 (2)第 2 章针对 tdmopsn 技术的相关基本理论进行阐述 (3)第 3 章分析了 tdmopsn 技术在实现过程中面临的几个重要问题 (4)第 4 章根据前三章的理论知识 阐述了 tdmopsn 网关的设计过程 以及测试方法 文中最后部分对全文进行了总结 燕山大学工学硕士学位论文 6 第 2 章 基本原理 2.1 参考模型 2.1.1 网络介绍 分组交换网络上仿真 tdm 的过程如图 2-1 所示从 tdm 到分组交换 网方向设备从用户侧接收 e/t1e3/t3或者信令串行比特流并把 它们转换成 ip 或 mpls 分组通过以太网接口发送出去 从 psn 到 tdm 方 向接收 ip 或 mpls 分组再把它们还原成 tdm 帧重新生成定时信号 并将其发送到 tdm 网络上 图 2-1 通信流程示意图 fig.2-1 schematic representation of communication flow 2.1.2 协议堆栈参考模型 把分组交换网络上提供的各种仿真服务统称为虚拟线路(pseudo wire pw)16本文的 pw 就专指提供 tdm 服务的虚拟线路通过 pw 在用户 设备之间提供点到点的虚拟连接来仿真实际的物理连接协议数据单元 (protocol data unitpdu)17封装后被送到网关设备上然后送到 psn 网 络上到达对端后网关设备去掉封装重新恢复载荷并恢复原始时钟 以本地格式发送给目的用户设备 如图 2-2 所示载荷封装相当于应用层协议虚拟线路解复用相当于 网络层协议左半部分可以看到协议堆栈与 ip 网络协议的对应关系右半 部分可以看到协议堆栈与 mpls 协议的对应关系如果实际使用 ip 协议 那么两侧的协议就都是基于 ip 的 tdm to psn n64 k e3/t3 e1/t1 网关 tdm to psn 分组交换网 e3/t3 e1/t1 网关 n64 k 第 2 章 基本原理 7 图 2-2 协议堆栈参考模型 fig.2-2 protocol stack reference model 在运营商设备侧或者在用户设备侧既可作为 tdm 连接电路 (attachment circuitac)的截止点也可以作为 tdm pw 的发起点因此 把连接 tdm 和 psn 之间的功能设备称之为网关设备网关可以放在 运营商处或者用户处也可以归运营商或者用户所有 2.1.3 点到点虚拟线路网络参考模型 图 2-3 网络参考模型 fig.2-3 network reference model 如图 2-3 所示这里把用户设备(customer edge)用 ce 表示把仿真用 仿真服务 psn 隧道 虚拟线路 分组网络 tdm有效载荷 有效载荷封装 pw解复用器 数据链路层 物理层 psn层 tdm有效载荷 有效载荷封装 pw解复用器 数据链路层 物理层 rtp l2tp/mpls 数据链路层 物理层 ip 原始载荷 frag,len,seq 载荷类型标志 pw 标签 数据链路层 物理层 mpls 标签 原始载荷 psn层 ce1 网关设备1 用户设备1 本地服务本地服务 用户设备2 pw 末端服务 pw 末端服务 仿真服务 虚拟线路-pw psn隧道 ce2 pe1pe2 网关设备2 燕山大学工学硕士学位论文 8 的网关设备(provider edge)用 pe 表示给两端用户设备提供的连接服务称 之为仿真服务这里的虚拟线路就是指信息从进入网关设备到达对端后 通过网关设备离开这条实际不存在的线路而两台网关设备之间通过 psn 的连接称之为 psn 隧道18psn 隧道用于给虚拟线路提供数据通路 为了保障用户设备在分组交换网络上通信需求两端的网关设备需要 提供一对或更多的虚拟线路虚拟线路上的通信对核心网络来说是不可见 的 而核心网络对用户设备也是透明的 比特流数据或者 tdm 帧通过 tdm 连接电路再经过必要的封装后经由 psn 隧道穿过底层网络网关设备对 虚拟线路的 pdu 执行必要的封装和解封装操作 还有处理虚拟线路服务所 要求的其它一些功能比如排序或者定时 2.2 分组网上仿真非结构化的 tdm 2.2.1 引言 satop是一种在分组交换网络上仿真 tdm 比特流(e1/t1 e3/t3)的一 种方法19它只是针对那些非结构化 tdm 数据的传输情况这个协议并 不考虑那些可能包含一些信令在内的任何结构特别是标准 tdm 成帧结 构这个仿真方法也适合应用在网关设备不需要中断 tdm 数据或者不涉 及存在 tdm 信令的场合 2.2.2 仿真服务 这个规范描述了下列一些端到端的 tdm仿真服务20e1(2048 kbit/s) t1(1544 kbit/s)e3(34368 kbit/s)t3(44736 kbit/s) 用于这些服务的仿真协议不取决于连接电路交付到网关设备中的方 法例如对于一个 e1 连接电路而言就下列情况都会以同样方法进行处 理不管它是否通过铜线21交付到网关设备是否在一个 e3 电路22里进 行多路复用是否映射到 sdh 电路的一个虚容器中24或者用非结构化的 atm-ces(atm circuit emulation service)23穿越 atm 网络任何用在网 关设备和用户设备之间专用的运载层终止点都要通过适当的本地服务 处理(native service processingnsp)来执行 第 2 章 基本原理 9 2.2.3 satop 封装层 satop 分组的基本格式如图 2-4 图 2-4 基本 satop 分组格式 fig.2-4 basic satop packet format (1)psn 和复用层首部 对于一个特定的虚拟线路来说 对于一对网关 之间的虚拟线路而言整个 satop 包的尺寸要服从线路最大传输单元 (maximum transmission unitmtu)用 ip 版本 4(ip version 4ipv4) psn 实现 satop时必须对 ipv4 数据报做出不分片的标记24 (2)satop 封装首部 satop 封装首部一定包含 satop 控制字段(4 字 节)同时也可以包含一个固定的实时传输协议(real-time transfers protocolrtp)首部25如果 rtp 首部包括在首部里在 ipv4/ipv6 psn 的情况下要相应放在控制字段前在 mpls psn 情况下要放在其后参见 图 2-5 和图 2-6对于 satop 提供的仿真服务而言ipv4/ipv6 psn 可以用 udp 提供复用机制 在mpls psn 应用中通过 pw标签方式提供复用机制 图 2-5 面向 ipv4/ipv6 psn 的 satop 分组格式 fig.2-5 satop packet format for an ipv4/ipv6 psn 图 2-6 面向 mpls psn 的 satop 分组格式 fig.2-6 satop packet format for an mpls psn (3)控制字段的结构和用法 satop 控制字段的用法包括以下几个方 面检测丢包或乱序在 psn 和连接电路之间区分由于仿真服务中断产生 0 31 psn和复用层 首部 satop 封装首部 分组的tdm数据 ( 有效载荷) 0 31 udp/ip首部 satop 控制字段 固定的rtp首部 ( 可选) 分组的tdm数据 ( 有效载荷) 0 31 mpls标签栈 satop 控制字段 固定的rtp首部 ( 可选) 分组的tdm数据 ( 有效载荷) 燕山大学工学硕士学位论文 10 的问题通过终止传输无效数据方式保护 psn 带宽从 pw 发起端到 pw 终止端发送告警指示信号(alarm indication signalais)26 satop控制字段结构如图2-7所示 0 0 0 0 l r rsv frg 长度 序列号 图 2-7 satop 控制字段结构 fig.2-7 structure of the satop control word 比特 03 必须设置为 0l 表示本地同步失败(1 比特)如果设置为 1 表示由于物理层传输中有错误而使有效载荷中的 tdm 数据无效这个比 特能用来标识物理层信号丢失告警(loss of singallos)并触发远端 ais 当 l 设置为 1 时为了保护带宽省掉包中的有效载荷一旦设置如果错 误得到校正l 位必须清除r 表示接收远端失败(1 比特)设置 r 位表示 本地设备处于丢包状态有就是说丢掉了预先配置好的连续包的数目一 旦本地设备脱离丢包状态也就是收到了预先配置好的连续包的数目时 必须清除该位rsv(reserved保留)和 frg(fragmentation分片)(6 到 10 比特)必须设置为 0 长度(10 到 15 比特)如果 satop 数据报尺寸小于 64 字节用来表示其 长度(定义成 satop 首部与载荷尺寸之和)否则必须设置为 0当长度域 设置为 0 时要先假定好 satop有效载荷要配置的尺寸如果实际包的尺 寸和这个长度不一致 一定要考虑包是畸形的情形 序列号提供一般的 pw 序列号功能并允许丢包检测 (4)rtp 首部的运用 当使用 rtp 首部时satop 需要用固定的 rtp 首部区域其中包括 p(padding填充)x(header extension首部扩展) cc(csrc count 记数)以及设置为 0 的 m(marker标记)27 pt(payload type载荷类型)域按如下规则定义 一个 pt值必须按照对应每个 pw 方向上的动态值范围分配 对于 pw 两个方向可以再使用同一个 pt 值也可以在不同的 pw 之 间再使用tdm 到 psn 方向上pw 发起端的网关必须把 rtp 首部中 pt 域设置为指定值psn 到 tdm 方向上pw 终结端的网关可以检测变形 的包 序列号用来提供一般 pw 序列号功能也用来检测丢包生成的序列 号要与 rfc3550 标准中的规则一致而且必须等于 satop 控制字中的序 第 2 章 基本原理 11 列号 时间戳用于在网络上传递同步信息 它们的值按照 rfc3550 建立的规 则产生用做产生时间戳的时钟频率必须是一个 8 khz 的整数倍所有的 satop操作必须支持 8 khz 时钟如果两端协商好 也可以使用其它 8 khz 整数倍的频率ssrc(synchronization source同步源)rtp 首部中同步 源的值可以用来监测错误的连接 rtp 首部至少与于下列时间戳发生模式关联使用 绝对模式如图 2-8 所示发起端的时间戳用于时钟恢复从输入的 tdm 电路中得信息提供给对端网关用做时钟恢复28因而时间戳与序 列号关联紧密所有支持 rtp 的 satop的操作必须支持这个模式 图 2-8 带自适应时钟的电路仿真 fig.2-8 ces with adaptive clocking 差别模式 如图 2-9 所示 连接 pw 的 pe 设备接入同一高质量同步源 这个同步源用于时间戳生成支持这个模式的可选的 图 2-9 带微分时钟的电路仿真 fig.2-9 ces with differential clocking 在 satop 虚拟线中 rtp 首部的用法以及其所有联合选项(时间戳时钟 载荷 提取 时钟 载荷 e1e1 psn 时钟源 私有参考时钟 add 用户设备1用户设备2 时钟源 tdm to packet 差异 网关设备1网关设备2 用户设备1 网关设备1 载荷 外时钟 载荷 e1e1 psn 时钟源 时钟源 tdm to packet 用户设备2 网关设备2 燕山大学工学硕士学位论文 12 频率 时间戳模式 精选的 pt和 ssrc 值)一定要在 pw 建立时两个 satop 网关设备之间取得一致 2.2.4 satop 有效载荷层 为了有效处理 psn 中的丢包情况对那些以来自连接电路的 tdm 数 据为有效载荷的所有包而言satop要求给定的 satop pw 上传送的所有 包的数目固定包载荷尺寸一定要在 pw 配置期间定义好对于两个方向 上的 pw 来说也一定是相同的而且要 pw 的生存时间保持不变对 ce 范围的内部操作功能(inter working functioniwf)和 psn 范围的 iwf 进 行 pw 设置时一定保证 satop 包载荷尺寸一致(下面定义的默认载荷尺寸 值保证了这样的协定是可能的) satop 使用下面 tdm 数据分组的顺序 (1)载荷字节顺序与它们在连接电路上的顺序相对应 (2)来自连接电路的连续比特填充每个载荷字节按照从最高有效比特 到最低有效比特的顺序 所有的 satop实现必须能支持下列载荷尺寸 (1)e1256 字节 (2)t1192 字节 (3)e3 和 t31024 字节 图 2-10 给出了 satop有效载荷格式需要注意以下几点 图 2-10 satop 有效载荷格式 fig.2-10 satop payload format (1)无论选择什么样的尺寸satop 都不对 tdm 定义好的底层结构进 行调整(字节帧或者复帧的调整) (2)当satop 控制字段的l 比特设置时 satop包可以忽略无效的 tdm 数据以便保护 psn 带宽 有效载荷32nfas e1 f ch 1 ch 3 ch 2 ch 31 首 部 bitsbitsbitsbitsbitsbits 首 部 fas e1e1 ces iwf 第 2 章 基本原理 13 (3)载荷是多个信元时可以与非结构化的 atm-ces 关联使用 (4)对于按字节排列的 t1而言 为了方便处理 需要把193比特的 tdm 数据填充到 200 比特也就是 25 个字节这里就不在详细介绍 2.2.5 satop 操作 用 satop 进行端到端的 tdm 仿真服务的唯一可能情况就是两个 pw 连接电路是同样类型的(e1/t1e3/t3) 对于 tdm 到 psn 方向而言一旦 pw 建立该方向上的操作如下 tdm 数据用每个包中配置的载荷字节数目封装序列号标记时间戳(如 果使用 rtp 首部)插入到 satop 首部中 satop 复用层以及 psn 首部也依 次封装在服务数据上最终分组通过 psn 进行传输 对于 psn 到 tdm 方向而言satop 应该包括一个缓冲器将收到的 satop 包的有效载荷输出到本地 tdm 连接电路之前存储在里面缓冲器 尺寸可以本地配置允许根据 psn 特定包延时变量进行调节在这个方向 上用控制字的序列号检测丢失的和乱序的包如果使用了 rtp 首部rtp 序列号可以用做同样目的同时可以重新对乱序的包进行排序不能重排 的乱序的包必须丢弃并作为丢失处理 收到的 satop包的有效载荷有 l 比 特设置的标记即使它没有被忽略也应该用等价数目的全 1模式取代 每个丢失的 satop包的有效载荷必须用等值的置换数据数目取代置 换数据的内容是特殊执行的也是本地配置的默认情况下所有的 satop 实现必须支持全 1模式产生作为置换数据一条 pw 建立之前和拆除 之后对应 tdm 连接电路必须终止全 1模式28 一旦 pw 已经建立对于 tdm 连接电路除了继续将已有的全 1模 式用完外该方向上开始接收 satop包并把它们的有效载荷存储在抖动 缓冲器中这个中间状态会维持到一个预先配置的 tdm 数据数目(通常是 抖动缓冲器的一半)已经接收连续的 satop 分组或者到一个预先配置的 中间状态计时器到期为止 一旦配置好的的 tdm 数据数目被接收进入正常操作状态在这种 状态下连续接收 satop数据包并把有效载荷存储在抖动缓冲器中根据要 求的时钟用完抖动缓冲器中的内容在这个状态下 ce 范围内执行时钟恢 复可以检测 pw 故障可以将 pw 完成检测的数据进行集中 燕山大学工学硕士学位论文 14 如果检测到配置好的连续的包的丢失或者如果要求的 tdm 数据数目 被接收之前中间状态计时器到期它进入它的包丢失状态而这个状态 本地 psn 范围 satop 处理应该用设置 r 比特来标记每一个包的方式进行 传送一旦配置好的连续 satop数目已经被接收将离开这个状态转到正 常状态此方向上 satop 必须提供一个对 ce 有效的 tdm 数据的指示 这可以通过传输实现或者通过产生本地 ais 指示实现 对于 satop 故障处理而言除了上面在 psn 到 tdm 方向上定义的包 丢失情形外它可以检测下面要提到的故障故障状态的鉴定标准是从正 常操作状态到适当的故障状态时触发传输并且告警可以报告给管理系统 并随后清除 当故障状态持续一段事先配置好的时间量(典型值 2.5 秒)才告 警而且在没有发现相应错误之后为了配合第二个配置好的时间量(典型 值 10 秒)必须清除 (1)漂移的包psn 和复用层可以检测到漂移的包用 rtp 时rtp 首部的 ssrc 域也可以用做这个目的漂移的包必须被 ce 范围丢弃并且 对它们的检测不必影响丢包检测机制 (2)畸形的包通过预先设计好的包尺寸(考虑 l 比特值)和实际从 psn 和复用层推断的包尺寸不匹配来检测畸形的包 (3)过多的丢包率通过计算超过一个可配置的次数的平均丢包率和用 一个预先配置的极限来比较检测过多的丢包率 (4)缓冲器溢出在正常操作状态下当 ce 范围 iwf 的抖动缓冲器不能 重新容纳到达的 satop包时就检测到了缓冲器溢出 (5)远端包丢失远端包丢失通过接收包的 r 比特设置指示出来 2.3 分组网上仿真结构化的 tdm 电路 2.3.1 引言 本节描述的是一种在分组交换网络(psn)上仿真成帧(nds0)tdm 信 号的方法29可以把这种方法看作是对非结构化的 tdm 比特流仿真 (satop)情形的一个补充 nds0 的仿真电路能够为分组交换网络节约带宽并支持 ds0 梳理 以及分布式交叉连接在与标准的 tdm 映射相结合的过程中针对在分 第 2 章 基本原理 15 组交换网络中丢包带来的影响这种方法提高了用户设备的恢复能力并 能用于传输非结构化的 t1 比特流 2.3.2 一般和特殊要求 为了应对下列限制cesopsn 协议的设计已经把这些限制考虑进去 (1)每个包中 tdm 数据数量固定属于一条给定的 cesopsn 虚拟线 上所有的包必须传送同样数量的 tdm 数据这个必要条件保障在丢包时 通过传送一个同样数量的替代tdm 数据包来补偿 (2)固定的端到端的延时不管仿真服务的比特率如何cesopsn 应 该在任意一对网关设备之间提供同样的端到端的延时 (3)打包的反应时间范围所有 cesopsn 的执行应该支持分组打包反 应时间范围在 1-5毫秒 要实现的cesopsn 能支持对打包反应时间的配置 必须允许用间隔 125 微秒的粒度这个参数进行配置 2.3.3 仿真服务 一般情况下在相应的物理线路上传输结构化的 tdm 业务时提供 仿真的网关设备包括作为成帧器的本地服务处理(nsp)单元及转发器30 nsp 也可以担当数字交叉连接的角色从多个同步的中继上产生结构 化的 tdm 服务因而这样的服务可以包含更多的时隙这些时隙既能 在任意单独中继上传送或者不可以来自任意的一条单独中继支持结构 化的服务或者不带随路信令(channel-associated signalingcas)的 nxds0 服务的参考 pe结构见图 2-11 在 nds0 服务的情况下连接电路是 e1电路束也是按照 g.704 成 帧的方法进行裁剪e1 成帧器还要支持其它一些功能特殊的 ac 输入状 态检测如 aisrai(remote alarm indication远端告警指示)有外部 请求条件下强制输出 ac 到一个特殊状态抽取或插入特殊 ds0 信道内的 用户设备状态信号 对于 tdm 到 psn 方向而言主要通过成帧器和转发器对输入的比特 流进行处理 (1)成帧器 检测帧序列信号(frame alignment signalfas)并将输入 的比特流分隔成 ds0 信道检测特殊的 ac 状态(aisrai 等) 如果必要 燕山大学工学硕士学位论文 16 图 2-11 网关参考结构 fig.2-11 reference structure of gateway 提取每个单独 ds0 信道的信令信号 (2)转发器 产生一个或更多的 nds0 电路束把每一个这样的电路 束中接收的数据发送到各自 cesopsn iwf 场合的 psn 边界方向 如必要 发送当前电路束中 ds0 服务的 ce 应用状态及 ac 状态指示数据到网关 (3)网关处理 把接收的数据 应用状态信号及 ac 状态信号封装到 pw pdu 中并将处理后的包发送到 psn 对于 psn 到 tdm 方向而言 网关从 psn 上接收 pw pdu 提取 tdm 数据连接电路状态及用户设备的应用状态信号并通过转发器转发出去 成帧器接受一个或者多个可能带信令 nds0 电路束数据 加上正确的 fas 后产生单独的帧 对结构化的 tdm 服务进行如下分类 (1)基于 nds0 的服务 主要有以下三方面的要求 首先必须在端到端的仿真中保留和这个服务相关联的结构(帧)即 n 个字节的排列所有这些字节属于同一中继 e1/t1 帧(假设 nsp 产生的 服务是从几个同步的 e1 中继上进行数字交叉连接所有的字节属于由这 些服务的公共帧时钟脉冲所定义的帧)而且字节内包含束中 ds0 信道(时 隙)的数据电路每秒产生 8000 帧 其次 通过使用对 cas 的信令解释以及在专用的信令包中传递用户设 备的应用这个服务能随意扩展到支持 cas 信令 pe 设备 转发器 连接电路 状态 nds0 tdm数据 用户应用状态 连接电路命令 最多一个pw iwf场合(强制输出 ac上的状态) nds0 tdm数据 用户应用状态 e1/t1 ac pw场合 nds0 tdm数据 e1/t1 ac pw场合 第 2 章 基本原理 17 最后必须支持 n=5 1 ms(相应包载荷尺寸 8n 个字节)可以参考支持打包反应 时间是 23 和 5 ms (2)14 (长途质量) mos3.75 (可以接受) mos3.5 (可以容忍) 零插值 0.05% 0.1% 0.4% 前取样 0.25% 0.75% 2% 线性插值 0.75% 3% 8% 统计增强插值 2% 6.5% 14% 当面向非结构化的 tdm 传输时 对于 pw 上的 tdm 包丢失处理唯一 选择就是不管什么时候包丢都生成告警指示信号(ais)这导致固定值插 入对包丢失有极低的忍受度 面向结构化的传输方法可以使用帧重放来增加感觉的语音质量 并有额外的好处是 cas 信令完整性得到保证 线性和统计增强插值法只能用在面向结构化的 tdm 传输这个规则 不包括非成帧传输和非面向字节传输(包括一些传输 t1 链路的方法)此 外复杂的封装限制了需要抽取的采样也阻碍了这些方法的运用 3.2 时钟同步 通常 tdm 网络按照等级方式进行同步划分在网络的某个点总是至 少有一个精确的原始参考时钟精确到 10-11这个节点提供一级时钟(基 准时钟)一级节点给二级节点提供参考时钟二级节点再给三级节点提供 参考时钟这种分层的时间同步对整个网络正常工作至关重要不推荐使 第 3 章 关键问题分析 29 用小于四级精度的时钟标准 网络中的包到达目的地时会有一定的延迟如图 3-2 所示这个随机 部分也叫抖动当在包网络上进行电路仿真的时候假设有合适的时间参 考对所有的进来的数据可以用一个抖动缓冲器来消除这种随机性困难 在于最初的 tdm 时间参考信息没有通过包交换网络散布而且无法知道 抖动缓存器记录下来的数据的精确速率 图 3-2 抖动示意图 fig.3-2 schematic representation of jitter 一般情况下有两种方法解决这个问题一种是提供一个完全不依赖于 psn 的时间信息另一种则是必须通过 psn 传递同步信息 理论上在电话网络中集成 tdmopsn 有两种不同的层次当两端的 tdmopsn 设备可以从它们连接的中央局得到时间参考信号时由于 tdmopsn 设备可以从相连的 tdm 网络上获取精确时间 因此不需要通过 ip 网络传送时间rtp 首部可以忽略 如果给所有的 tdmopsn 设备提供独立时钟标准如原子钟或者 gps 接收机这样就减轻了对分组网络的同步信息需求不过这个方法造价昂 贵另一种可能就是用一个同步时钟分配网络并行在 psn 上但是这个方 法需要同时使用和维护两个独立网络 通常最好的选择就是尽量从特定的 tdmopsn 通信中恢复时钟源设 备自己提供时钟并按照这个时钟所决定的固定速率来生成比特位这就 使时钟恢复成为可能不过这些比特位在经过包延迟随机处理等过程后 才到达接收端因此时钟恢复的工作是通过一个平均的处理过程来消 除随机包延迟变量(packet delay variablepdv)带来的影响并获取原始 比特流的平均速率锁相环路(pll)可以很适合这个工作 因为它能锁定在 平均比特速率上再生一个近似原始比特率的时钟信号通过 rtp 给每个 包增加一个序列号和时间戳通过增加了可观的开销来补足时间尺寸 pbx e1/t1 网关 ip网络 e1/t1 pbx 网关 到达时间 不固定 燕山大学工学硕士学位论文 30 如图 3-3 所示常规的时钟恢复方法是根据接收端的抖动缓冲器水平 面来调整本地时钟为了能说明这个机制的操作过程假设某一没有 pdv 的瞬间本地时钟初始频率比源时钟更低输入到抖动缓冲器的比特速度 要比它清空的速度更快填充水平面开始上升不断增加的本地时钟频率 检测到这个变化并给予补偿 图 3-3 抖动缓冲器的运用 fig.3-3 use of jitter buffer 当 pdv 和某个时钟差异一起出现时 抖动缓冲器水平面在很长一段时 间内不再平稳地上升或下降直到波动超出它的平均水平通过 pll35