（计算机应用技术专业论文）supanet中数据流适配层协议的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 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i n t e m e t 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( s u l ) a ) 。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。 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( s u p a ) 的应用数据流适配层( s a l ) 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( v l ) ，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。 在全新的网络体系结构s u p a 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( s a l ) 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 ( s a l l 、s a l 2 和s a l 3 ) 。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。 其中，s a l l 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；s a l 2 用于适配可变比特率的实时数据流( 第 2 类) ，s a l 2 允许不同的s a l 2 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 s a l 2 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；s a l 3 用于适配恒定变长比特率的非实时数 据流( 第3 类) ，s a l 3 在功能上的设计与球网络的紧密联系，为i n t e m e t 向s u p a n e t 的过渡提供有力支持。同时，为了适配传输速率变化很大 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 的数据业务，在s a l 3 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) 。 r 。 最后，本论文还利用o p n e t 网络仿真软件建立一个简化的s u p a 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。 关键字s u p a ；s a l ；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1 i i 页 a b s l r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h ew o r kp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni s 血e s i 脱n e t ( n n g l ep h y s i c a ll a y e r u s e r - 一p l a t f o r m ( u - p l a t f o r m ) a r c h i t e c t u r e n e t w o r k 、i n t r o d u c e db ys i c h u a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nk e yl a b o r a t o r y ( s c - n e t c o ml a b ) t om e e tn l en e e d so fq o sf o rf u t u r em e r g e dn e t w o r k s n e s u p a n e ts i m p l i f i e st h eu s e r - d a t at r a n s f e rp l a t f o r mf l j p l a f f o r m ) i n t oas i n g l e p h y s i c a ll a y e r , w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v ee m c i e n c ya sw e l l a sq o s p r o v i s i o n i n gf o ru s e rd a t ai nt h eu p l a t f o r mw h i l er e m a i n si n t e r o p e r a b l ew i t h e x i s t i n gi n t e m e t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so na d a p t a t i o ni s s u e sb e t w e e nu s e rt r a f f i ca n d t h eb a s i cd a t au n i t s “e e p f e t h c r u e t - l i k ep h y s i c a if r a m e ) o f t h es i7 p a n e t w i t hr e g a r dt oq o sr e q u i r e m e n t s ( 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 , d a t al o s sr a t e ， e t c 、d a t af c l r m a t sa n d1 e n g t h si nt h eu - p l a t f o r l y lo fs u p a i no r d e rt op r o v i d e as y s t e m a t i ca p p r o a c ht o w a r d sa d a p t a t i o nf u n c t i o n s ，t h i st h e s i sd e f i n e s 2 - s u b l a y e ra r c h i t e c t u r ef o rt h es a l ，s a r ( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) s u b l a y e ra tt h eb o a o ma n dc s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) a tt h et o p i nv i e wo fa p p l i c a t i o nt r a f f i cc a l lb ec l a s s i f i e di n t ot h r e eg r o u p so nt h e b a s i so fn a t u r eo fa p p l i c a t i o nt r a f f i c ：c b r - t ( c o n s t a n tb i tr a t et i m ec r i t i c a l ) d a t af l o w 、v b r - t ( v a r i a b l eb i tr a t et i m ec f i t i c a i ) d a t af l o wa n dc v b r - n ( c o n s t a n t v a r i a b l eb i tr a t en o n t i m ec r i t i c a l ) d a t af l o w , t h r e ea d a p t a t i o n p r o t o c o l sh a v eb e e nd e f i n e di nt h ea u t h o r sw o r k ，t h e ya r e ： a s a l lf o rc b r tt oe n s u r eh i g hd a t ar a t e ，l o wl a t e n c ya n dj i t t e r s b s a l 2f o rv b r - tt ow i t hl e s sc r i t i c a lc o n s t r a i n t so nt r a f f i cd e l i v e r yb u t w i mm i n i m a le r r o rc h e c k i n gf a c i l i t y 。 c s a l 3f o rc v b r - nw i t ha ne m p h a s i so nr e l i a b l ed a t ad e l i v e r y b e c a n s ec b r - td a t af l o wr e q u e s t st r a n s f e r sd e l a ya n d i t t e ra sl i t t l ea s p o s s i b l e 、s a l l s e g m e n t su s e rd a t aa n de n c a p s u l a t e sp h y s i c a lf r a m e ， a p p e n d i n gn o t h i n gf o ru s e rd a t a t h er e a s o nf o rd e f i n i t i o no fs a l li st h a tt h e b i te r r o rr a t eh a sb e e nr e d u c e dt o 10 ”10 ”。w i t hc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t i nc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dc b r - td a t af l o wi sn o ts e n s i t i v et o i n s t a n t a n e o u sd a t ae r r o r d u et o 也et r a r t s f e r sl e s sd e l a ya n dr e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n t so f s u c hs t r c a m s s a l 2p d up r o v i d e sl e n g t ha n dc r c f i e l d st o s a t i s f yr e q u i r e m e n t so ft r a n s f e r c v b r nd a t af l o w , w h i c hi sn o n - t i m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 c r i t i c a la n dt h eb i tr a t e ss p a nf r o maf e wk b p st h r o u g hh u n d r e d so fk b p s ，i s a d a p t e db ys a l 3 s a l 3p d up r o v i d e sm a n yf i e l d s ，s u c ha sh e a d e re r r o r c o n t r o l ( h e c ) ，s e q u e n c en u m b e ra n do f f s e to fd a t ap a c k e t k e y w o r d ：s u p a ；s a l ；m e r g e dn e t w o r k ；o u t b a n ds i g n a l i n gc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 引言 第1 章绪论 i n t e m e t 是2 0 世纪7 0 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( w a n ) 和 局域网( l a n ) 连接起来。现在的i n t e r n e t 是在a r p a n e t ( 美国国防部 高级研究计划管理局( a r p a ) 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a r p a 在1 9 8 0 年研制成功了 t c p i p 协议，从1 9 8 3 年起，要求与a r p a n e t 相连的主机都采用t c p 1 p 协议j 。随着i n t e m e t 的起飞和快速普及，t c p i p 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。t c p i p 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( t c p ) 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。 从体系结构上看，i n t e m e t 的5 层结构比o s i r m 的7 层结构简单， 也没有o s r m 中复杂的“服务”定义；从网络技术上看，i n t e m e t 在网 络层采用了无连接、无用户数据检错功能的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。 为了保证数据的正确传输，口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t c p 。所有数据都通过3 层的i p 网络平台加上t c p 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 1 2 1 。i n t e r n e t 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。i n t e m e t 在全球的成功，使人们开始设想 能否利用i n t e m e t 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。 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 i n t e m e t 是在用户数据传输速率较低( k b p s 数十k b p s ) 、通信线路 误码率较高( 1 0 。6 1 0 4 ) 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i n t e m e t 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( d a t ar a t e ) 、传 输时延( t r a n s i td e l a y ) 和传输数据抖动( j i t t e r ) 方面的要求则远高于文 本数据。而此时以i p 为基础的i n t e m e t 提供的尽其所能( b e s te f r o r t ) 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i n t e r n e t 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【l ”。 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1 0 0 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( p d h ) 到同步体系 ( s d h ) ，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( a d s l ) 和高速用户环路( v d s l ) 等方式，速率可达几m b p s 到几十m b p s ，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才迅速进入平常百姓家庭的， 其数据交换主要是基于t c p i p 协议的i p 包交换。它目前主要依赖于电 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 信网，因此同样受到带宽的限制，但其互连网协议( i p ) 由于其灵活廉价 正在被其它网络采用。 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1 9 9 7 年，北美电信市场上的数据通信量首次超过了语音 通信量【”】。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i n t e m e t 网的最有效的方式之一，也 在抢占计算机网络的市场。而i n t e m e t 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。 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。 其实c c i t t 在8 0 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i s d n 的发展缓慢，并未像人们预期的那样一统通信市场。进入9 0 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。 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。 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。n n ”三网合 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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： l 、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。 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。 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。 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： 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( d w d m ) 技术已经成熟并走向商品化。现在，以光纤为媒介、 以d w d m + s d h 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 x 2 5 g b i t s 传输能力的w d m 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1 6 0 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d w d m 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。 但存在的问题是，较为成熟的d w d m + s d h 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q o s ， 还有许多问题需要解决。例如：如何保证语音和视频信息的q o s ；如何 以一种统一的数据格式传输各种信息：如何与传统的p s t n 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d w d m 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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a t m 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q o s ，交换速度高 于1 5 0 m b i t s 。自9 0 年代初以来，a t m 一直被认为是未来网络的主流交 换技术，现在a t m 交换机已经商品化，并在许多电信宽带网担当骨干交 换机。1 9 9 7 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i p 骨干传输网就采用p + d w d m + 路由交换机的模式( 如中国 网通) 。 但无论是a t m 交换机，还是新一代的路由交换机，在交换速度、网 络吞吐量、q o s 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a t m 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 q o s 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。 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h f c ( 混合光纤同轴网) 接 入网技术和基于铜线的x d s l 技术。 h f c 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。h f c 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h f c 的 缺点在于：i - i f c 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：由于采用树状拓 扑结构，h f c 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h f c 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。 x d s l 是各种类型数字用户线的总称，包括a d s l ，h d s l ，r a d s l ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 v d s l ，s d s l ，i d s l 等。其中a d s l 技术是目前最诱人的。a d s l 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，矛且它的传输速率和距离相互制约；另外a d s l 的终端设 备价格过高，一般用户难以接受，这里引用文献 1 2 、1 5 、1 6 。 1 2 2 现有的服务质量保障机制 在传统的口网络中，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 1 4 1 。 服务质量q o s ( q u m yo fs e r v i c e ) 包括多方面的的指标；稳定数据 吞吐率( t h r o u g h p u t ) 、在一定期间允许的最大突发数据的吞吐率( m a x b u r s td a t ar a t e ) 、最大传输时延( m a x t r a n s f e rd e l a y ) 、数据传输正确性 ( d a t ac o r r e c t n e s s ) 等，对实时性数据的传输还包括“厦速性”要求、数 据传输的防抖动性指标等等。 i n t e m e t 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i p 层之上增加的服务质量保障技术，如 资源预留协议( r s v p - - r e s o u r c er e s e r v a t i o ns e t u pp r o t o c 0 1 ) 、集成服务 ( i _ n t e s e r v - - i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 、区别服务( d i f f s e _ d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e ) ，来改进i n t e r n e t 的服务质量。 资源预留协议r s v p 是i n t e m e t 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i p 或传送层的u d p 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。r s v p 本质上借用了面向 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q o s 的要求，便可以较容易的解决服务 质量保证问题。注意到r s v p 本身不具备路径选择功能，它将利用i n t e m e t 中的路径选择协议( e g p 、r g p 、i g p ) ，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。r s v p 的p d u 只完成连接( 通路) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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i p 报文进行传输。作为端系统的计算机，将利用r s v p 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r s v p 向有关节点投递服务质量( q o s ) 请求，找寻并最终建立一条能 够支持q o s 请求的通路，这里引用文献 1 2 1 集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行 网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。资源预留协议 r s v p 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，r s v p 协议会向主机发回拒绝消息。集成服务能 够在i p 网上提供端到端的q o s 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n t e m e t 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l 川。 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( s l a ) ，根据s l a ，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p h b ) 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【l 。目前，区分服务是业界认同的i p 骨干网的q o s 解 决方案，但是由于标准还不够详尽，不同运营商的d i i t s e n ，网络之间的互 通还存在困难。 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 i n t e m e t 的服务质量。然而无论r s v p 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h t e m e t 服务 质量稍好的服务，也就是说它们都只能提供一个“b e t t e rb e ge 舶r ”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旅服务质量保证之外，在整个 i n t e m e t 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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i n t e s e r v 和d i f f s e r v 都试图在i p 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 1 4 、2 8 、2 9 】。 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o s 删，i n t e m e t 的5 层结构也已 经成功地发展和应用达2 0 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 1 2 】。 现有的i n t e m e t 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。 i n t e m e t 在网络层采用无连接无用户数据检错功能的坤协议，它为每个分 组( p a c k e t ) 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p 数据包进行路由就不 再是优点，而是一种负担。而且i n t e m e t 采用带内信令控制技术，控制管 理与用户数据都在3 层i p 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。 当人们逐渐意识到i n t e r n e t 中造成实时性要求较高的数据传输服务质 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 i s d n 和多协议标签交换g v 伊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 ) 为代 表，这里引用文献 1 1 】。 宽带综合业务数字网b i s d n 在i t u t 的1 3 2 1 建议中定义了b i s d n 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、a t m 层、a a l 层和高层。 协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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m 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o a m 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 1 6 、1 7 。 图1 - 1 。b i s d n 协议参考模型 实现b i s d n 的基础技术是a t m 。当然b i s d n 并不单单是a t m 厨， 而是a t m 作为一种传输模式在b i s d n 中的应用。进入b i s d n 的信息 流是一串串的信元流。信元是由5 个字节的“信头”和4 8 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。 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5 3 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 i s d n 的信控平面和管理平面的协议栈比i n t e m e t 协议栈复杂，且 信元的有效载荷比较小，对于大的数据包，如数据包要进行适配。 多协议标签交换m p l s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 m p l s 具有一种特殊的转发机制，它为进入网中的i p 数据包分配标 签，并通过对标签的交换来实现口数据包的转发。标签作为i p 包头在网 络中的替代品而存在，在网络内部m p l s 在数据包所经过的路径沿途通 过交换标签。( 而不是看口包头) 来实现转发；当数据包要退出m p l s 网 络时，数据包被解开封装，继续按照i p 包的路由方式到达目的地从传统 的i p 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m p l s 则不然，数据包虽然也沿 着i p 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 1 2 、5 6 1 。 m p l s 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( l a b e ls u b 1 a y e r ) 来取代i p 层，建立以标签( l a b e l ) 作为连接标识符，并与服务质量相联 系的m p l s 通路。m p l s 通路一旦确定，同一数据流在m p l s 网就可以 进行较高速率的传输。与传统i n t e m e t 相比，不必对每一个i p 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。m p l s 的体系结构对传统的三层通信子网结构是一种改进。然而m p l s 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m p l s 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 1 2 】。 b - i s d n 和m p l s 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。 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p d h 、s d h 、a d s l 和h d s l 都已经广泛地使用了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 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。 1 2 4 密集波分复用技术d w d m 概述 随着数据通信的迅速发展，特别是i n t e m e t 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 i s p 的i n t e m e t 骨干链路的带宽需求就增长一倍，比著名的c p u 性能进展 的摩尔定律( 约1 8 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( d w d m ) 、时分复用技术( t d m ) 以及空分复用技术( s d m ) 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4 0 g b 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1 1 “。 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： 1 、 充分利用光纤带宽资源，使单纤传输容量增加几倍至几十倍，大 量节约光纤，是现有光纤紧张的情况扩容最经济的方案。并且相对于t d m 方式来讲，扩容的技术难度大大减小。 2 、 波分复用通道各波长相互独立并对数据格式透明，可同时承载多 种格式的业务，如s d h 、p d h 、a t m 、i p 等，将来引入新业务极其方便。 3 、d w d m + e d f a 技术在长途骨干网应用时，可大大延长无电中继 距离，并且减少s d h 中继器的数目，降低成本。 4 、 波分复用技术是未来光网络的基石，它为光网络的交换恢复提供 波长路由。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 3 本论文研究课题的来源及主要研究内容 气四川省网络通信技术