（通信与信息系统专业论文）类以太网物理帧时槽交换技术研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 现有i p 网存在着用户数据传输平台层次结构复杂、传输效率低下和服 务质量较难得到保障的缺点，难以适应高速综合业务数据网络传输服务的需 要。虽然在i p 网络上提出了q o s 保证机制( 如集成服务、区分服务、m p l s 等) ，但是这些技术目前还不是很成功。因此，四川i 省网络通信技术实验室 着手研究下一代i n t e r n e t 的体系结构，提出了“单物理层用户数据传输平 台体系结构网络”( 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 rp l a t f o r m a r c h i t e c t u r en e t w o r k ，s u p a n e t ) 。 本文主要研究s u p a n e t 用户数据传输平台的新型交换技术一类以太网物 理帧时槽交换( e p f t s ) ，本文较全面地研究了e p f t s 交换技术及其关键技术。 e p f t s 交换提高了用户数据平台的效率，同时提供了足够的q o s 保证机制。 本文通过对现有交换机的基本组成结构和交换技术的分析，指出了未来 高速多端口交换面临的挑战以及为改进交换机性能值得研究的潜在问题。为 了深入分析交换机的组织结构，本文以带外信令思想分析了交换机，同时给 出了交换机的概念模型，为了进一步分析影响交换机性能的要素，本文将交 换机抽象为“管道模型”，并进一步给出了一种新的交换技术一半步超前交 换技术( h a lf - s t e pf o r w a r ds w it c h i n g ，h f s ) 。 队列与调度不仅存在于交换机的输入与输出单元，同时也存在于多级交 换矩阵中。本文分析了交换机的3 种队列模型：输出队列交换机、输入队列 交换机和混合输入输出队列交换机，并分析了每种队列模型的典型调度算法 的优缺点，针对各种调度算法的不足，本文提出或者改进了3 种调度算法。 查表操作是影响交换机性能的另一因素，本文分析了各种典型的查表算 法，针对e p f 帧( e t h e r n e t l i k ep h y s i c a lf r a m e ) 的索引字段定长的特点， 本文提出了e p f t s 查表的硬件实现方法，同时根据b u r s t 特性，提出了b u r s t 的快速查表方法。 本文的主要贡献表现在： 1 用形象化的“虚拟串接管道概念模型”描述交换机路由器内部组织 结构，这有助于分析现有交换机路由器内部组织中的瓶颈。首次全诬地研 究了e p f t s ，初步确立了e p f t s 的基本框架。研究内容包括：e p f 帧格式的 定义、e p f t s 服务质量控制机制、队列调度机制等。 2 提出或者改进了3 种队列调度算法。针对输出队列( 0 q ，o u t p u tq u e u e ) 第1 l 页西南交通大学博士研究生学位论文 交换机的调度算法，为了保证高优先级业务b u r s t 的连续、低时延、低抖动 地传输，本文提出了b r w r r 调度算法；本文提出的i d w r r 调度算法是对d w r r 调度算法进行了扩展，能够更好地为各类优先级业务提供q o s 保证；针对组 合输入输出队列( c i o q ，c o m b i n e di n p u t & o u t p u tq u e u e ) ，本文提出“基 于交换矩阵缓存”的c i o q 调度算法，并分析了该算法在加速比为3 时，可 以与o q 交换机一样保证用户的q o s 要求。 3 根据e p f t s 查表中的索引v l i i 定长的特点，提出了e p f t s 查表的硬 件实现方法，同时根据b u r s t 特点，提出了b u r s t 的快速查表方法。查表算 法的查表时间短且固定，能够适应未来高速交换的需要。 4 提出一种新的交换技术一半步超前交换( h f s ，h a l f - s t e pf o r w a r d s w i t c h i n g ) 。通过改进e p f t s 交换机的结构，将传统交换机在输入端口集中 式处理一定程度上变为分布式处理，从而降低了输入端口的阻塞，提高交换 机性能。 关键词：单物理层用户数据传输平台，类以太网物理帧时槽交换技术，半步 超前交换，光突发交换技术 西南交通大学博士研究生学位论文第| lj 页 a b s t r a c t i pn e t w o r kc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h s p e e di n t e g r a t e ds e r v i c e s ， b e c a u s ei pn e t w o r kh a st o om a n yl a y e r si nu s e r - d a t ap l a n et ob ee f f i c i e n ta n di s d i f f i c u l tt og u a r a n t e eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a l t h o u g hs e v e r a lq o sg u a r a n t e e m e c h a n i s m s ，s u c ha sd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，i n t e g r a t e ds e r v i c e ，a n dm p l sa r e p r o p o s e db a s e do ni pn e t w o r k s of a rt h e y a r en o ts os u c c e s s f u l t h i sh a s s p u r r e dt h ea c t i v i t yo fd e v e l o p i n gt h es u p a n e tf s i n g l eu s e rd a t ap l a t f o r m a r c h i t e c t u r en e t w o r k ) a ts i c h u a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sk e y l a b o r a t o r y t h i st h e s i si sd e d i c a t e dt oah o v e ls w i t c h i n gt e c h n i q u ei nt h eu s e r d a t a t r a n s f e rp l a t f o r mi nt h es u p a n e t ，c a l l e dt h ee t h e r n e t l i k ep h y s i c a lf r a m e t i m e s l o ts w i t c h i n g ( e p f t s ) ac o m p r e h e n s i v es t u d yo ne p f t sa n di t s k e y t e c h n i q u e s i s p r o v i d e di n t h i sd i s s e r t a t i o n e p f t sp r o v i d e sah i g he f f i c i e n t s w i t c h i n gp l a t f o r mw i t he n o u g hm e c h a n i s m sf o rp r o v i d i n gr e q u i r e dq o s t h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t e dw i t hac o m p r e h e n s i v es t u d yo ns w i t c h i n gt e c h n i q u e s a n ds w i t c h e st o a n a l y z et h ec h a l l e n g e sf a c e dw i t hf u t u r eh i g h s p e e ds w i t c h e s a n dk e yt e c h n i q u e sn e e d e df o rf u r t h e rs t u d y ac o n c e p tm o d e lf o rs w i t c h e sw i t h t h eo u t b a n ds i g n a l i n gc o n c e p ti si n t r o d u c e dt oe n a b l ea ni n d e p t hu n d e r s t a n d i n g o ft h ei n t e r n a lo r g a n i z a t i o no fas w i t c h t op i nd o w nt h ek e yp o i n t si nas w i t c h ， w h i c hc o u l di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fas w i t c h ，av i r t u a lc o n c a t e n a t e d - p i p e m o d e li si n t r o d u c e d ，w h i c hh a sl e dt oan o v e ls w i t c h i n gc o n c e p tc a l l e dh a l f - s t e p f o r w a r ds w i t c h i n g ( h f s ) q u e u i n g i s s u e sa n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e ng i v e nah i g hp r i o r i t yi n a u t h o r ss t u d yo fs w i t c h i n gt e c h n i q u e sc o n s i d e r i n gt h a tt h e ya r ei m p o r t a n tn o t o n l yi ni n p u ta n do u t p u tu n i t s ，b u ta l s oi ns w i t c hf a b r i cf o ra r b i t r a t i o n s t h r e e s w i t c hm o d e l s ，i e o u t p u tq u e u es w i t c h ，i n p u tq u e u es w i t c ha n dc o m b i n e d i n p u t & o u t p u ts w i t c h a r ea n a l y z e d ，i nv i e wo ft h ed i s a d v a n g e so ft h et y p i c a l s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，t h r e en e w i m p r o v e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d t a b l el o o k i n g - u pc a na l s oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fas w i t c h t h et y p i c a l t a b l el o o k i n g u pa l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d t a b l el o o k i n g u pa l g o r i t h mb a s e do n h a r d w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h ef i xl e n g t ho fi n d e xf i e l di ne p f t sa n df a s t 第lv 页西南交通大学博士研究生学位论文 l o o k i n g u pa l g o r i g h mf o rb u r s ti sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ec h i e fc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ea r c h i t e c t u r e o fs w i t c h r o u t e ri s a n a l y s e db y “v i r t u a l c o n c a t e n a t e d p i p em o d e l ”，w h i c h i s h e l p f u l t of i n dt h eb o t t l e n e c k so f s w i t c h r o u t e r f o rt h ef i r s tt i m e ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t e dw i t hac o m p r e h e n s i v e s t u d yo nt h ee p f t st e c h n i q u e sa n dt h ef r a m e w o r ko fe p f t si sg i v e n ，w h i c h i n c l u d e st h ed e f i n i t i o no ft h ee p ff r a m ef o r m a t ，q o sg u a r a n t e em e c h a n i s m ， q u e u es c h e d u l i n ga n dh a l f - s t e pf o r w a r ds w i t c h i n gi ne p f t s s e c o n d ，t h r e en e w i m p r o v e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e np r o p o s e dt o c o p e w i t hd i f f e r e n t a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s an o v e lb o r r o w r e t u r n w e i g h t e dr o u n dr o b i n ( b r w r r ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oe n s u r e t h a tt h er e q u i r e dq o sc a nb es a t i s f i e di nc a s eo fb u r s t i n g a ni m p r o v e dd w r r ( i d w r r ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sr e c o m m e n d e dt oc o p ew i t hq o sp r o b l e m s w i t hl o w e rp r i o r i t i e s f o rt h e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m so ft h ec i o q ( c o m b i n e d i n p u t & o u t p u tq u e u e ) s w i t c ha r c h i t e c t u r e ，an e ws c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o nb u f f e r e dc r o s s b a ri sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n di ti sc o n c l u d e dt h a tt h e c i o qs w i t c hc a nm i m i ct h a to qs w i t c hi ft h es p e e d u pf a c t o ri sn ol e s st h a n3 i nt h i ss c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h i r d ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ft a b l el o o k i n g u pi sg i v e na c c o r d i n gt ot h e f i x e dl e n g t ho f t h ei n d e xo f v l i ii ne p f t s a n daf a s tl o o k i n g u pa l g o r i g h mf o r b u r s ti sp r o p o s e d l o o k i n g u pt i m ei ss h o r ta n dl e n g t h f i x e de n o u g ht om e e tt h e r e q u i r e m e no fh i g h s p e e ds w i t c h i n g f o u r t h - an e ws w i t c h i n gt e c h n i q u ec a l l e dh a l f - s t e pf o r w a r ds w i t c h i n g ( h f s ) i sp r o p o s e d h f sc a l lc h a n g et h ec e n t r a l i z e dp r o c e s s i n gi ni n p u tp o r t so f c o n v e n t i o n a ls w i t c h e st od i s t r i b u t i o n a l l yp r o c e s s i n g ，w h i c hc a nr e d u c et h eb l o c k i ni n p u tp o r t sa n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f s w i t e h e s k e y w o r d s ：s i n g l e u s e rd a t ap l a n ea r c h i t e c t u r e n e t w o r k s ( s u p a n e t ) ， e t h e r n e t l i k e p h y s i c a l f r a m et i m e - s l o t s w i t c h i n g ( e p f t s ) ， h a l f - s t e pf o r w a r ds w i t c h ( h f s ) ，o p t i cb u r s ts w i t c h ( o b s ) 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书 2 不保密回，适用本授权书 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：醉竖秒 h 期：z ，d 步年j - 月y 日 指导教师签名： 日期：加吐年似月砂日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。本文的主要创新点有以下4 个方面： 1 第2 章2 3 2 7 节用形象化的“虚拟串接管道概念模型”描述交换 机路由器内部组织结构，这有助于分析现有交换机路由器内部组织中的瓶 颈。首次全面地研究了e p f t s ，初步确立了e p f t s 的基本框架。研究内容包 括：e p f 帧格式的定义、e p f t s 服务质量控制机制、队列调度机制、半步超 前交换技术( h f s ) 等。 2 第4 章提出或改进了3 种调度算法。首先，为了保证高优先级的突发 数据块( b u r s t ) 的连续、低时延、低抖动地传输与交换，4 2 5 节提出了 b o r r o w r e t u r n - w r r 调度算法；其次，4 2 6 节对d w r r 调度算法进行了扩 展，提出i m p r o v e dd w r r ( i d w r r ) 调度算法，以更好地为各类优先级业务提 供q o s 保证；最后，4 4 2 节针对c i o q 交换机的结构，提出了基于交换矩 阵缓存的调度算法，并分析了该算法在加速比为3 时，该调度算法在保证用 户服务质量方面可以达到输出队列交换机的效果。 3 第5 章5 2 1 节针对e p f t s 查表中的索引字段定长的特点，提出了 e p f t s 查表的硬件实现方法，同时5 2 2 节根据b u r s t 特点，提出了b u r s t 内各帧的快速查表方法。 4 第6 章6 2 节给出了一种新的交换技术一半步超前交换( h a l f - s t e p f o r w a r ds w i t c h i n g ，h f s ) 。由于传统路由器和交换机7 0 以上的处理功能 集中在输入端口，由第2 章的“管道模型”可知，输入端口是交换结构中造 成时延最大的瓶颈部分。半步超前交换技术充分利用面向连接协议的特点， 在输入单元不查表直接进行交换，而将下一节点的交换字段的更新移至输出 单元，从而减少输入单元的负荷，平滑串接管道的管径，提高了交换机的性 白b ilc ,o 学位论文作者签名：许鏊乏j 日期：肋o e 年f2 ，月2 ，日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 现有ln t e r n e t 技术概述 1 1 1 现有ln t e r n e t 存在的问题 现有的i n t e r n e t 的三层用户数据传输平台对用户数据传输效率低，实 施服务质量控制困难，不适合在未来的高速多媒体网络提供集成的数据传输 服务，也不能实现“三网合一”的目标。 i n t e r n e t 在全球的成功，使人们把以i p 为基础的i n t e r n e t 技术视为未 来网络技术的基础，于是，“i po v e re v e r y t h i n g ”和“e v e r y t h i n go v e ri p ” 成为当前网络互联的主要手段。但是，i n t e r n e t 的体系结构是在2 0 世纪7 0 和8 0 年代发展起来的，当时的通信现状是：线路通信速率较低( k b p s 数量 级) 、线路传输误码率较高( 1 0 一l o “) ，因此，解决数据传输正确性问题是 当时网络的主要关心的内容之一。为了保证数据的正确传输，在i p 之上， 增加了端到端的具有“检错重传”功能和“错序重组”的面向连接的t c p 协议。i n t e r n e t 和开放式系统互联参考模型( o s i r m ) 都采用三层通信子网 结构和5 层或7 层的端系统结构。在三层通信子网结构中，数据链路层主要 解决对数据分帧和按帧检错重传的问题；而网络层则主要解决全网内地址标 识和路径选择的问题。 i n t e r n e t 在网络层采用无连接的i p 协议，虽不可靠，但使用简单；以 单个报文( m e s s a g e ) 分组( p a c k e t ) 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。随着i n t e r n e t 的应用日益广泛，多媒体应用数据 在i n t e r n e t 中所占的比例越来越大。多媒体实时数据对传输服务的要求与 文本数据传输刚好相反：它要求传输速率高、传输时延小、传输抖动( j i t t e r ) 小，另一方面，它对少量的数据丢失或内容错误的敏感程度相对较低。因此， 它对传输服务质量的要求也与文本数据传输的要求有很大的不同。i n t e r n e t 作为以传输文本数据为主的网络技术，在实践中已经表现出难以适应多媒体 网络应用传输与交换的需要，因此，它所提供的服务被广泛地称为“尽力而 为”( b e s te f f o r t ) 服务。 i n t e r n e t 学界和工业界针对i n t e r n e t 缺少服务质量保证体系这一缺点， 提出了各种解决方法，试图解决服务质量保证的问题。目前i e t f 的典型的 技术是“i n t e g r a t e ds e r v i c e ”( i n t e s e r v ) “和“d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ” 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 ( d i f f s e r v ) ”。尽管两种技术试图通过对单个数据流或同类数据流迸行 资源预留的方式来提高对服务质量提供更好的保证，但由于下述原因只能按 照统计规律，在负载不太重时提供一定服务质量保证： i n t e r n e t 的3 层用户数据平台效率低，不利于高速交换； i n t e s e r v 和d i f f s e r v 都试图在i p 层进行资源预留来分配和控制传 输资源。由于服务质量参数本质上是物理层传输参数，而在i p 层实施服务 质量控制由于缺少直接控制物理层传输资源的能力( 三层结构对物理资源的 控制能力可以看作是三级级联的多队列控制和调度效果的综合) ；间接控制 也必须依赖于下两层的支持，而许多现有的数据链路层和物理层协议和接口 并不具备支持服务质量保障的机制，仅在i p 层实施服务质量控制，实际上 缺少真正控制物理传输资源的能力，因而在i p 层难以履行对用户承诺的服 务质量的保证。 应当特别指出的是：目前全球较热的以i p v 6 为基础的i n t e r n e t ，被称 为下一代的i n t e r n e t ( n g i n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 。美国政府支 持的n g i 项目”1 、i e t f 的基于i p v 4 网络进行i p v 6 包装试验 ( e n c a p s u l a t i o n ) 项目6 - b o n e ”1 、美国和欧洲合作的大型i p v 6 试验网 m o o n y 6 ”1 ，以及拟在2 0 0 5 年底完成的中国下一代i n t e r n e t ( c n g i ) ”1 项目都 属于这一类活动。而所有这些n g i 活动的基点都是“在现有的i n t e r n e t 的 体系结构之上，如何拓宽服务范围和尽可能地提高服务质量”，而没有触及 i n t e r n e t 的体系结构是否满足未来实现“三网合一”后服务质量的保障需 要。因此，无论现有的i n t e r n e t 还是n g i 在能否适应未来“三网合一”后 服务质量的保障需要上，存在同样的问题。 1 1 2 两层结构的用户数据传输平台网络存在的问题 多年以来人们就一直在探索用带外信令控制的思想，将用户数据传输平 台的层次结构简化的技术。b i s d n 、帧中继( f r f r a m er e l a y ) 和近年出 现的多协议标签交换技术( m p l s m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 都属 于这类研究成果，将用户数据传输平台简化为两层。但是，上述技术在解决 高效交换与服务质量保障问题上存在着不同程度的问题。 1 1 2 1b l s d n 首先将用户数据传输平台简化为两层结构 2 0 世纪九十年代，国际电信联盟( i t u ) 提出了一系列宽带综合业务数字 网络( b - i s d n ) 的建议( r e c o m m e n d a t i o n ) 。1 。b r 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 字节固定长的信元( e e l l ) 为基础的数据复用与交换技 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 术，为多媒体数据提供永久虚电路( p v c ) 和交换虚电路( s v c ) 服务。 b - i s d n 与i n t e r n e t 相比的优点包括： 通信子网中协议数据单元( 信元) 的传输与交换效率较高，固定长 信元交换容易用硬件实现高效交换。 o 通信子网提供的面向连接的服务不存在i p 无连接服务中常见的分 组间错序的问题。 对用户数据流服务质量( q o s ) 的保障可直接依托物理层的时分复用 ( t d m ) 机制( 例如s d h ) 。只要能够为单个用户连接分配足够的时槽( t i m e s l o t ) 就可以保证要求的传输速率；端到端的传输时延和抖动( i i t t e r ) 等参数， 则由端到端通路上所有a t m 交换机的实际性能参数确定。因此，在传输速率 保证上比i n t e r n e t 好。 b - i s d n 存在以下问题： 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 复杂的协议栈，比i n t e r n e t 协议栈复杂，也较难为i n t e r n e t 界认同。与 i n t e r n e t 的互联较复杂。 oa 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，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 5 1 字节) 之间接口也需 要分段和重组。 5 字节的a t m 信元头与4 8 字节净荷相比，对用户数据运载效率较低 ( 9 0 ) 。 1 1 2 2 多协议标签交换和通用多协议标签交换 与b - i s d n 类似，m p l s “”1 也采用带外信令控制的思想。一方面，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，又将用户数据传输平台简化为面向 连接的、增强的两层平台，从而使用户数据的传输效率比三层的i n t e r n e t 高。在现有的数据链路层服务之上增加标签交换子层，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 字节的地址字段被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。 但是，由于其标签子层仍然依赖于现有的数据链路层协议，因此，当标 签子层直接利用a t m 信元子层或帧中继服务时，标签子层承诺的服务质量较 容易利用该两种协议提供的服务质量保障机制以及物理层的t d m ( 如 s d h p d h ) 实现；而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， 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 对标签子层的支持则较弱，相应的支持程度在很大程度上还取决于物理层对 服务质量保障的支持程度。因此，尽管m p l s 提出了将标签( l a b e l ) 与前传 等价类( f e c f o r w a r de q u i v a l e n c ec l a s s ) 挂钩，即将用户的服务归于 类似于d i f f s e r v 的“服务类”来提供服务，由于m p l s 并未定义任何数据链 路层协议，因此m p l s 最终提供的服务质量在很大程度上取决于下层，特别 是物理层的服务保障机制。考虑到服务质量实质上最终表现为物理层传输质 量参数，如t h r o u g h p u t 、t r a n s i td e l a y 、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，如果物理层缺少相应的支持，也很难确 保用户数据的服务质量。 因此，尽管m p l s 对i n t e r n e t 体系结构有所简化，更适合面向数据流的 网络应用。但是，由于它仍然依赖于现有的数据链路层和物理层对服务质量 保障的支持机制，并未完全解决好服务质量保障问题。 g m p l s “3 1 ”进一步将m p l s 推广为包括光纤交换( f i b e r s w i t c h e d ) 、波 长交换( l a m b d a s w i t c h e d ) 、时槽交换( t i m e s 1 0 t t e ds w i t c h i n g ) 和分组 帧交换在内的各种物理层通信子网的通用子层，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非常困难，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，与标签挂钩的前传等效类( 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，由于该类交换网 中缺少服务质量保障机制，服务质量的保障难以实现( 否则s d i t 就没有必要 采用t d m 技术来解决复用问题了) 。 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 t h r o u g h p u t 、t r a n s i td e l a y 、j i t t e r ，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， 也很难确保用户数据的服务质量。事实上，即使数据链路层采用支持多个虚 连接的a t m 信元交换或帧中继( f r ) 技术，如果物理层不采用t d m ( 如s d h p d h ) 技术，使数据链路层能够为单条虚连接分配足够的时槽( t i m e s l o t ) ，应用 数据流要求的服务质量也很难得到保障。换言之，能否提供可保障的服务质 量的关键还在于物理层。 因此，目前关于m p l s 和g m p l s 交换技术的研究，由于依赖于现有的数 据链路层和物理层技术，并没有解决好服务质量保障问题。 1 2s u p a n e t 和e p f t s 的提出 光纤通信技术的迅速发展，特别是密集波分复用( d w d m d e n s e 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 w a v e l e n g t hd l v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的发展，使单波长光波上的数据 传输率远高于过去单根光纤的传输速率，达到了4 0 g b p s ，并很快将达到 8 0 g b p s ，单根光纤上的数据传输率达到了l o ”数量级。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。i n t e r n e t 在全球的广泛应用和成功使人们自然地 把基于d w d m 构建未来综合业务数字网络的期望寄托于i n t e r n e t 技术。 但是，作为未来高速网络的基础，则还需要具备向下细分以适应大量数 据的复用和在网络中转接中继的需要，特别是具备像s d h 那样的能够模拟电 路交换方式的机制，以满足像电视信号这类具备恒定的高速数据流的传输需 要。换言之，现有基于d w d m 的多种交换技术还不具备支持服务质量保障的 机制，不具备支持将应用系统需要的服务质量的需求映射为物理层的传输能 力，因而不能提供真正的服务质量保证。 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，四川i 省网络通信技术实验室以 城域网为对象的“三维以太城域网体系结构”的预研工作的初步成果，并获 得国家自然科学基金的支持( 三维以太城域网体系结构研究，项目批准 号：6 0 3 7 2 0 6 5 ) 。后来进步研究发现：当d w d m 技术将单根光纤的数据传 输能力提高到1 0 , 2 b p s 数量级，传输误码率降低到i o 一1 2 jo s i r m 和i n t e r n e t 中将节点间传输的功能划分为数据链路层和物理层的必要性已不复存在。因 此，用户数据传输平台有可能简化为单层平台，以提高平台传输效率和改进 服务质量。这就是我们提出“单物理层用户数据传输平台的网 络”一一s u p a n e t ( s i n g l eu s e r d a t a t r a n s f e rp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e n e t w o r k ) 的背景。 在s u p a n e t 体系结构中，用户数据传输平台对服务质量保障的关键在于 物理层具备多粒度的复用机制( m u l t i g r a n u l a rm u l t i p l e x i n gm e c h a n i s m ) 。 多层用户数据传输平台不利于数据传输效率，不利于对用户数据的传输提供 服务质量的保障。分析表明：o s i r m 中的数据链路层和物理层都是逐段 ( h o p b y h o p ) 的传输技术，其主要差别仅在于前者以帧( f r a m e ) 为基础 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 进行传输，而后者以二进制位流为基础。事实上，许多通信技术早已打破这 一界限。例如：p d h 、s d h 、a d s l 中都引入了物理帧的概念，尽管其初衷与 数据链路层引入帧有所不同。物理帧的出现使人们开始质询o s i r m 中需要 独立的数据链路层和物理层的必要性。两层的功能的合并，加上对服务质量 保障的支持机制( 即多粒度的复用机制) ，显然可以改善目前i n t e r n e t 和 m p l s 必须分别依赖于下两层协议的状况。于是，问题的症结就在于目前的 物理层技术是否具备这一特点，特别是面对未来骨干网的主流通信技术 d w d i ，是否具备多粒度的复用机制( g r a n u l a rm u l t i p l e x i n gm e c h a n i s m ) 。 而对现有的基于光纤的交换技术的分析表明，这些技术都不适应单物理 层用户数据传输平台的需要。i t u 的工作以光纤交换( f i b e rs w i t c h i n g ) 和 波长交换( l a m b d as w i t c h i n g ) 为主，缺少多粒度能够适应不同速率的应用数 据流向下复用和交换的需要：在多波长环境中直接利用s d h 技术实现单波长 内的向下复用又存在成本较高和向计算机网络典型帧和分组提供服务时需 要分段与重组等不利因素：而学界对d w d m 交换技术研究，如：光突发数据 交换( b u r s ts w i t c h i n g ) ，为了避免在电域内进行交换，采用全光域内数据 传输方式，由于光域内缺少缓存和处理能力，难以解决好服务质量保障与信 道利用率之间的严重矛盾。由此可见，需要提出新的交换技术来构建单物理 层用户数据传输平台，这就是e p f t s 提出的背景。 e p f t s 的提出是基于以下因素的考虑： e t h e r n e t 已经成为9 5 以上的用户网络的支撑技术，并正进入城域 网和广域网的领域。选用e t h e r n e t 的m a c 帧格式作为物理帧格式有利于与 用户网络的互联，同时可避免数据链路层帧与物理帧之间的分段和重组。 s d h 采用时分复用技术( t d m ) 对服务质量提供了良好的保障手段； 但其物理帧( 时槽) 的考虑仅出自通信需要，不太适应现代计算机网络中最 有前景的e t h e r n e t 的帧长。 s d h 采用同步传输与交换技术，随着通信速率的提高，时钟频率也 大大提高，同步传输要求对全网时钟进行同步的难度将大大增加，因而宜采 用以物理帧为基础的异步传输和交换。 1 3 本文的主要贡献及内容安排 本文的第l 到6