毕业设计（论文）-弹性分组环中流量控制的HDL实现

PAGE1.题目：弹性分组环中流量控制的HDL实现指导教师建议成绩：评阅教师建议成绩：答辩小组建议成绩：答辩委员会意见：最终成绩：主管教学副院长或答辩委员会主席签字：年月日中文摘要随着城域网中数据业务的增长，网络流量呈现出明显的自相似性和突出性，传统基于固定带宽分配模式的网络技术已经很少适应。弹性分组环具有稳定网络流量的功能，被认为是能满足这一业务需要的一种新型城域网。带宽瓶颈流量不稳定越来越是城域网发展的主要问题。然而，弹性分组环吸收了千兆以太网经济性，SDH对延时和抖动有严格的限制，严格的同步和50ms环保护和恢复等特征，并具有空间复用，带宽动态分配，支持业务级别等特点，使其成为光网络上传输数据包的一种优化技术。它加快了整个弹性分组环系统的传输速度解决了瓶颈问题。本文主要研究下面几个内容：1.分析城域网现状及几种新技术。将城域网中的SDH、以太网、WDM和RPR等主要技术进行比较和总结。2.讨论了弹性分组环的关键技术，叙述了弹性分组环的技术及优势。3.重点研究了RPRMAC层数据通路协议。4.对HDL设计方法进行介绍。随着IEEE802.17协议标准的更新和出台，预计弹性分组环技术将以其各个方面的优势，在新的一代城域网的建设中得到广泛应用。关键词：弹性分组环城域网RPRMACHDLAbstractAsthedevelopmentofdatastreamintheMAN,thedatafluxintheMANhasbecomeself-kindredandparoxysmal,asaresult,thetraditionnetworktechnicdoesn’tsatisfythedemandofnewservers.RPRcanleveloffthedataflux,andbeconsideredtoanewnetworktechnicthatcansatisfythisdemand.BottleneckofbandwidthandinstabilityoftraffichavebecomethemainproblemofMetropolitanAreaNetworks.However,RPRhasthecharacteristicsofeconomicalofGBEthernet,esvrienceoftime-delayandtwitter,reliabletimingand50msringprotectandrecoveriesinSDH,spacemultiplexing,dynamicdistributionofbandwidth,supportthelevelsofservices.SoRPRbecomestheoptimizedtechnologyofdatatransmittinginthepresentopticalnetwork.Italsoacceleratesthetransmissionspeedofthewholenetworksystemandovercomestheproblemofthebottleneck.Thisthesisemphasizethebelowsection:AnalyzedseveralnewtechnologiesoftheMAN.ItdiscussesthedifferenceofSDH,Ethernet,WDMandRPRtechnology,thendrawsaconclusion.EmphasizeontheRPRtechnology,analyzedthefeatureandtheadvantageoftheRPRtechnology.EmphasizeontheMAClaydataaccessproxyoftheRPRtechnology.GivesintroductiontoHDL.ItcanbepredictedthatRPRtechnologywillbewidelyappliedinthenewMANconstructionalongwithapprovalofIEEE802.17standardprotocol.Keywords：RPRMANRPRMACHDL北京交通大学毕业设计（论文）目录TOC\o"1-3"\h\z第一章绪论 11.1引言 11.2RPR的提出与发展背景 11.3研究本课题的意义 31.4本课题研究的相关内容及本人所做的工作 4第二章城域网的发展概况 62.1城域网的现状 62.2城域网的结构 72.3城域网的特征 92.4城域网面临的问题 102.5弹性分组环多业务传送平台 112.6结论 12第三章弹性分组环技术 133.1弹性分组环概论 133.2弹性分组环的产生 143.3弹性分组环技术的介绍 163.4弹性分组环的主要特点 203.4.1分组式ADM体系 203.4.2空间重用技术 213.4.3物理层的媒质独立性 223.4.4拓扑自动识别 223.4.5带宽公平机制和拥塞控制机制 223.4.6典型应用 233.5结论 23第四章RPR数据流量控制的实现 244.1RPR的协议参考模型 244.2RPR的业务类型 254.2.1RPRMAC服务 254.2.2RPR业务分类 264.3RPR的帧结构 284.3.1RPR帧的概述 284.3.2RPR的数据帧格式 284.4介质访问控制数据流量流量控制的研究方案 324.4.1环的选择 344.4.2RPRMAC数据通道 354.4.3速率控制和数据通道的收发操作 364.4.4RPR公平性算法 414.4.5公平性算法相关的变量的计算 434.5结论 46第五章 调试仿真 475.1ModelSim的介绍 475.2ModelSim代码调试及步骤 475.3Synplify/SynplifyPro简介 515.3Synplify/SynplifyPro的操作使用及模块仿真图 525.4结论 58第六章结论 59参考文献 60致谢 62附录1：外文翻译 63原文 63译文 72附录2：部分程序源代码 81北京交通大学毕业设计（论文）第90页PAGE90第一章绪论1.1引言众所周知，Internet的出现曾经引起社会生活各个方面发生重大的变化。近年来IP、Ethernet等数据业务迅猛发展，从提供Internet接入到基于IP的虚拟专用网络、IP电话、多媒体应用、电子商务等服务都要求有一个覆盖范围广、提供高速宽带、便捷服务的数据网络。从全球电信业发展来看，网络业务从以话音业务为主发展到以数据业务为主也是大势所趋。从应用上说，因为城市具有经济发达、工业产业区集中、人口密集、覆盖地域紧凑、信息交流旺盛等特点，近两年来，信息化建设发展得非常快，政府上网、企业上网、家庭上网等一系列工程的启动使得我们对城域网的要求越来越高。“城市信息港”已成为一个城市建设的基础设施之一，是每个现代化城市的重要标志。城域网主体也正在发生变化。与骨干网相比，城域网具有业务种类多，业务调度转接多，业务流量变化大的特点，起应用的技术也是呈多样化。1.2RPR的提出与发展背景市场的需求推动人们去研究、寻找新的技术。SDH和ATM技术成功地应用于城域网，但是其技术复杂、价格昂贵；以太网技术在局域网中得到了广泛应用，走的是低价、简单的技术路线，但是缺乏有效的QoS、网络恢复与保护和网管机制，不能满足城域网的可靠性和扩展性方面的要求。人们于是很自然地想到了在城域范围内构建新的环形拓扑结构，通过传输类似以太网结构的分组来提供各种增强型业务，在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济的WAN/MAN解决方案。RPR即是在这样的背景下提出的，很快受到了多个国际化标准组织、研究机构和网络设备厂商的重视。2000年1月，Cisco、Nortel、Luminous、Dynarc等公司成立了弹性分组数据环联盟，致力于对电信届进行的RPR介绍和推广，侧重于不同厂商产品间互通标准的制定工作。IEEE也在2000年初开始了RPR的论证，随后正式成立IEEE802.17弹性分组数据环工作组，负责RPR有关基本协议的标准化工作，预计到2002年初产生第一个RPR协议标准草案。IETF也于2000年12月成立了IPoRPR工作组，研究RPR如何与IP协议族和MPLS相结合，并制定多厂家互通标准。由于国际上还未形成RPR标准，还有许多问题未达成一致意见，在这RPR标准化草案的推荐期和讨论期内，也正是国内通信设备厂家和研究机构参与世界级先进技术的研究，在国际竞争中争得自己的一席之地的一次机会。目前RPR协议的标准化目标的大致轮廓已经形成，各界已就几个方面的问题达成共识。概括下来有如下几点：灵活性：可有效地传送语音、数据（包括IP突发业务）、图像等多种类型的业务；支持业务等级协定（SLA），提供多等级、可靠的QoS服务；支持L2和L3功能；具有拓扑自动识别功能，支持动态的网络拓扑更新。可靠性：具有完善的网络性能监测、错误定位等网管功能；应能够检测出比特传输错误并具有一定的纠错能力。即要求在帧结构的头部开销和扩展开销中含有校验位。支持50ms环保护恢复功能，当光纤中断时提供可靠的业务保护，并对高优先级的业务优先保护。网络拓扑自动更新时不影响或尽量减少对在线业务的影响。具有防止分组死循环的机制。兼容性：能够承载IP、SDH、TDM、ATM、以太网等多种协议的业务。具有T1/E1、DS3/E3、OC-3、OC-12、PoS、10/100BT、GBE等多种速率端口。应能兼容多种物理传输媒质，在是否应该兼容多种物理拓扑结构的问题上还未有一致性的意见。可扩展性：能够方便地扩展网络规模，增加传输线路、传输带宽或插入新的网络节点。将来出现新的业务、协议或物理层规范时可以平滑地升级。1.3研究本课题的意义近年来，互联网的业务量以每年翻一番的速率高速增长，远远超过网络中传统的话音业务量。在互联网接入用户数的激增、大量基于web的多媒体新业务的产生以及用户终端计算机功能的升级等因素的驱动下，预计互联网业务量将继续以指数式增长，并将成为网络流量中的主要部分。另一方面，网络的发展也不平衡。在骨干网中，由于光缆的大量铺设，骨干网络的容量已大大提高，每比特的传输成本也大大降低。与此同时，局域网与接入网的容量也正不断提高，目前几十兆与上百兆以太网接口已配置到桌面，千兆以太网正成为局域网的主流，10G以太网技术己经出现，各种接入网技术的应用正使宽带互联网接入千家万户。相比之下，城域网(MAN)技术的发展相对滞后，正成为整个网络通信的瓶颈。目前城域网主要采用的仍是面向同步时分复用的SDH技术，它面临着双重压力，即采用新技术的骨干网与局域网容量激增带来的非常迫切的扩容压力和如何高速、有效与低价地承载正成为网络主流的互联网业务。IP领域很早就意识到了环形网络结构的价值，并己在这方面作了大量努力，提出了像令牌环和FDDI(光纤分布数字接口)这样的解决方案，但这些方案却无法满足IP流量和带宽增长的要求，也无法满足在拥塞情况下维持高的带宽利用率和转发量、保证结点间业务平衡、从结点或传输媒体故障中迅速恢复、可即插即用等IP传输发展的要求.因此，像令牌环和FDDI这样的环形网并不适用于城域网。服务提供商和企业需要一种扩展性好、能够健壮地应用在城域网之上、以千兆的速率传输IP分组的技术。正是在这样的背景下，弹性分组环(RPR,ResilientPacketRing)技术应运而生。2000年11月正式成立了IEEE's802.17弹性分组环工作组(RPRWG)，希望开发一个RPR(ResilientPacketRings)MAC标准，优化在LAN、MAN和WAN拓扑环上数据包的传输。1.4本课题研究的相关内容及本人所做的工作对城域网现状的分析研究，并对其现实问题提出解决的方法。引出弹性分组环在城域网建设中的优势，提出并分析弹性分组环的关键技术，并对弹性分组环中的流量控制技术进行研究，用硬件描述语言（VHDL或Verilog）建立起硬件实现模型，通过HDL语言（VHDL或Verilog），描述该流量控制算法；通过EDA的软件工具，实现该设计的HDL描述以及综合工作等。对现有城域网的特点进行了分析，对新近提出的一些城域网的建设技术原理进行了分析并总结了它们之间的优缺点，从而提出一个全新的技术——弹性分组环。通过对国内外弹性分组环发展现状的了解，其高的带宽利用率，介质接入的公平性以及良好的拥塞机制，使弹性分组环成为新一代带宽MAN最佳技术之一。做的具体工作为：1.分析了城域网的概念、分类、现状、结构、特征和面临的问题，提出弹性分组环在城域网建设中的重要作用。2．阐述了弹性分组环技术的基本概念，RPR技术的产生过程，其所涉及到的技术内容，分析了弹性分组环的几大特点以及RPR与SDH、以太网的比较分析。3.通过对RPR协议参考模型，业务类型的阐述，RPR帧结构的研究，得出自己对RPR中数据流量控制方案。对介质访问控制数据通道中的环的选择、RPRMAC数据通道的原理进行了研究。对速率控制原理和数据通道的收发操作、公平算法等做了详细的解释。4.对EDA仿真调试软件ModelSim和综合软件工具Synplify/SynplifyPro的介绍，并应用其对流量控制中的FIFO和整形器等模块用综合软件工具Synplify/SynplifyPro将自己所设计的模块仿真出来。作为一种满足下一代带宽IP城域网要求的新一代光纤环城域网，弹性分组环以其己有的技术先进、网络可靠、服务快捷，投资有效等应用优势，在将来的城域网建设中一定会成为各界关注的焦点。第二章城域网的发展概况2.1城域网的现状一般来说，城域网是基于宽带技术，以电信网的可靠性、可扩充性为基础，在城市的范围内汇聚宽、窄带用户的接入，面向满足集团用户、个人用户对各种带宽多媒体业务需要的综合宽带网络，是电信网络的重要组成部分，向上与骨干网络互联。其中包括的设备有：路由器、软交换设备、媒体网关、宽带接入服务器，、IP电话、IP电话网关、RADIUS协议设备、SNMP协议设备、2层交换机、3层交换机、ATM交换机等。从三网融合发展角度来看，城域网有两个突出特点：第一，全业务；第二，公用网。城域网与广域网或长途网的主要区别首先是容量，广域网或长途网要求很高的容量，而城域网只需要中等的容量就可以了；其次是城域网覆盖面积小，广域网或长途网一般的传输距离都可达数千公里；再有是他们支持的客户层信号也不同，广域网或长途网现今只支持SDH，将来可能主要支持SDH和以太网，而城域网需要支持各种客户层信号，而且要能够很快地提供客户层信号所需要的带宽；最后是容许的成本不同，广域网或长途网的高容量可由成千上万的大量客户共享，因而可以容许较高的成本，而城域网则不行，特别是城域网的成本关键是节点而不是线路。目前，宽带城域网可以向用户提供的业务内容有：。高速上网。 。信息点播，包括视频点播、音频点播、多媒体信息点播、信息放送等。。信息广播，包括CATV、HDTV、高质量音频广播、数据广播等。。Internet业务，包括WWW、电子邮件，新闻服务、文件传送、远程登录等。。远程计算与事务处理，例如软件共享、远程CAD、远程数据处理、联机服务等。。电子商务、会议电视、可视电话、IP电话、IP传真、监测控制、多媒体信息服务等。。计算机远程通信与控制、线路租赁等。。VPN。。IDC。。虚拟现实。总之，城域网是高度竞争和开放的网络环境，受用户和应用驱动，基本特征是业务类型多样化，业务流向流量的不确定性。因而各种不同背景的技术在此碰撞交融，往往在复杂的融合过程中产生新的衍生体。多样化将是城域网有别于长途网的重要特点，而丰富的应用是城域网能持续发展的原动力。2.2城域网的结构由于城域网的概念是在计算机局域网、电信传送网和Internet得到很大发展，并将IPovereverything和everythingoverIP提到研究日程以后提出的，因此一开始就对城域网提出了高速、综合业务、宽带、光纤连接和适用于传送IP业务等较高的建网条件。图2-1示出目前城域网典型的组成结构。可供城域网选择的底层宽带技术有以下几种：�SDH技术：SDH是面向话音的时分传输设备，在城域范围内一般组成单环或多环互联结构，可提供50ms环保护功能。SDH设备的接口速率从E1到STM-64，具有可靠的延时与抖动保障机制，完善的协议适配机制和强大的网管能力。SDH的客户层可以是话音、ATM虚电路或是通过PPP直接映射入SDH虚容器中的IP分组（PoS方式）。ATM技术：采用短信元传输方式和面向连接的交换技术，支持各种速率的传输端口和物理层设备，其特点是快速的分组处理和大容量的交换能力，能够减少分组通过交换节点的时延和保障服务质量。SDH和ATM的共同缺点是设备结构复杂，价格昂贵，初期组网投资成本高。以太网技术在局域网中广泛采用，是大多数商业机构和社会团体的内部组网和接入Internet所采用的方式。有10M/100M/1000M等几种形式，10G以太网也即将出现。基于以太网的L2/L3交换设备具有成本低。组网灵活等优点。其缺点是在可靠性和扩展性等方面不能满足电信级运营商的要求，缺乏行之有效的网络恢复与保护、带宽控制和拓扑更新机制。动态分组传输技术（DPT）Cisco提出的高端路由器互联的传输方案，点到点之间采用PoS分装模式。实际上Cisco是把DPT作为RPR的一种方案提出的，它也具有环保护机制，支持带宽动态分配的空间重利用协议（SRP），提供相对严格的服务等级分类。DPT与RPR相比，二者在性能、服务和价格方面有很大的不同，前者更适于与高端路由器结合，用于大型城域网的骨干层和国家/省级骨干网。弹性分组数据环技术（RPR）全新结构的、G比特IPover光纤的核心网解决方案，后面将详细介绍RPR的帧结构、技术特点等。图2-1城域网的组成结构2.3城域网的特征从历史上看,城域网(MAN)最初产生于局域网互连和数据新业务发展的需要,在1990年发展成为IEEE所规范的一种覆盖城域范围的特定新型计算机网络,正式形成并成为分布式排队总线(DQDB)的IEEE802.6标准。以后随着形式的变化逐渐发展成为各类不同背景新兴运营商的区域性多业务通信网,传统电信运营商也开始在其相应的局间中继网范围大量建设类似的多业务区域性通信网。近来城域网已经成为社会和业界关注的热点和竞争点。其基本特征有：一、城域网是一种主要面向企事业用户的,最大可覆盖城市及其郊区范围的,可提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网,实际是一种带有某些广域网特点的本地应用型公用网。二、城域网有别于局域网。主要区别首先是网络性质不同,局域网是企事业专用网,而城域网是面向公用网应用和多用户环境的；其次是传输距离的扩张,典型局域网的传输距离为数公里,而城域网范围可扩展到50--150公里三、城域网有别于广域网。与广域网的主要区别首先是容量,广域网要求很高的容量,而城域网只需中等容量即可；其次是覆盖距离的缩小,典型的广域网的传输距离可达数千公里；再有是支持的客户信号不同,广域网目前只支持SDH,将来预计也只有SDH和以太网,而城域网需要支持各种客户层信号,而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽；最后是容许的成本不同,广域网的高容量可由成千上万的大量客户共享,因而可以容许较高的成本,而城域网不同。2.4城域网面临的问题城域网面临的首要问题是带宽“瓶颈”。在其用户侧，由于低成本千兆比以太网的出现和发展，局域网的速率上了一个大台阶；在其长途网侧，由于DWDM技术的发展，传输容量扩展了几个数量级。因而使得中间的城域网/接入网成为全网的带宽“瓶颈”。

城域网面临的另一个问题是其仍然存在多个重叠的网络。首先，目前多数电信运营公司通过SDH和电路交换机提供语声和专线业务，通过SDH和分离的帧中继、ATM和IP网提供各种数据业务，造成分离的网络和网络技术需要分离的网管系统和人员、不同的网络配置和计费系统甚至不同的终端。而出于惯性思维、组织架构的限制，以及每次升级的初始成本考虑，这种分离的网络发展模式仍在继续。但从整体和长远看，随着网络规模越来越大，无论初始成本还是运行成本都将快速增加，业务提供也将更加费时耗力。其次，通过不同的接入技术和线路获取不同的业务，用户不仅麻烦，而且使用费高。再次，企业用户正从简单的原始带宽连接要求转向更加个性化的业务剪裁要求以适应特定的应用，使得网络需要支持复杂的2层和3层功能，因而单一业务模式将会减少收入且无法锁定用户。最后，目前城域网底层多数采用传统SDH作传送平台，在传送突发数据业务时，利用为电话业务设计的固定带宽的SDH进行数据传送不仅效率低下，而且改变带宽往往意味着改变物理接口甚至改变了业务类型。使企业事业用户改变业务时常常不得不重新设计和重新建设网络。目前，城域网不仅成为电信网的容量“瓶颈”，而且也成为电信网进一步全面发展的“瓶颈”。2.5弹性分组环多业务传送平台为了将以太网扩展到电信级的核心网，需要解决以太网固有的一系列问题，RPR就是解决方案之一。这是一种基于以太网或SDH的分组交换机制，属于中间层增强技术，采用一种新的MAC层和共享接入方式，将IP包通过新的MAC层送入1层数据帧内或裸光纤上，无须进行包的拆分重组，提高了交换处理能力，改进了性能和灵活性。RPR既可以工作在1层的SDH和千兆以太网上，也可以直接工作在裸光纤上作为路由器的线路接口板。早期的独立RPR设备架构在以太网上，目前的趋势是架构在SDH上，成为新一代MSTP的内嵌功能，从而可以充分利用两者的优势。RPR简化了数据包处理过程，不必像以太网那样让业务流在网络中的每一个节点进行IP包的拆分重组，实施排队、整形和处理，而可以将非落地IP包直接前转，明显提高了交换处理能力，较适合分组业务；RPR又能确保电路交换业务和专线业务的服务质量(能做到50ms的保护倒换时间)；RPR具有自动拓扑发现能力，可以自动识别任何2层拓扑变化，增强了自愈能力，支持即插即用，避免了人工配置带来的耗时费力易出错的毛病；RPR可以有效支持两纤双向环拓扑结构，可以在环的两个方向上动态地统计复用各种业务，同时还能按每个用户每种业务为基础保留带宽和服务质量，从而最大限度地利用光纤的带宽，简化网络配置和运行，加快业务部署；RPR还具有较好的带宽公平机制和拥塞控制机制。

弹性分组环的最大特点是采用了一个嵌入控制层，从而可以提供很多新的功能。从成本上看，RPR成本介于SDH和千兆以太网技术之间，数据接口越多，其成本越接近千兆以太网，反之则趋近SDH。总的看，该技术最适合数据业务量占主导，而TDM业务量也需要可靠有效支持的应用场合。2.6结论鉴于RPR具有很好的汇聚特性和优化的数据接入能力，因此最适合于城域网的接入层应用，特别是以太网业务带宽需求占绝对优势的场合。对电信网的容量“瓶颈”的解决是一个很不错的选择。随着数据业务日益成为业务的主体，其应用范围将逐渐的扩大，适合于新建网络中的应用。2000年底批准成立了802.17RPR工作小组，其任务就是为局域网、城域网和广域网准备一套新的物理层和链路层的协议，具备带宽的共享性和可扩展性，空间的复用性以及容错性。目的是为了满足建设城域网和广域网对成本、性能和维护管理的需要。弹性分组环将以其自身的优势在未来的城域网建设中一定很得到很好的应用。第三章弹性分组环技术3.1弹性分组环概论随着宽带接入网建设的进一步深入，数据业务在整个通信网中所占比例呈迅猛发展的趋势。SDH技术以其运行稳定、QoS有保证和开销字节丰富等优点在宽带接入中得到大规模应用，但是不容忽视的是其点对点固定连接的特性浪费了大量的闲置带宽资源。现有以太网技术以其组网简单方便和资源利用率高等优点也在宽带接入建设中得到较多应用，但是其系统可靠性和网络安全性并不能满足电信级运营网络的要求。当前已有多家厂家提出了各自的技术改进方案，且都能较好地融合SDH技术和以太网技术的优点，但是由于没有统一标准，不同厂家的设备不能互通，不利于其大规模应用。为了统一标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)针对宽带业务的特点成立了弹性分组环联盟和IEEE802-17标准工作组，其任务就是制定IEEE802-17标准。自2001年初建立以来，IEEE802-17工作组已经做了大量的工作并在标准制定过程中取得重大进展，迄今为止已有多个IEEE802-17标准草案待审批形成一个统一的标准。IEEE802-17标准的核心内容是在保留以太网基本特征的基础上加入SDH系统的保护倒换以及50ms内故障恢复等特性，取长补短，使RPR网成为一个高效率和高可靠性的电信级宽带接入承载网。虽然目前RPR的技术标准尽管在各个厂家的技术和设备接口都有所不同，但是技术原理都是相似的。例如：Cisco、Luminous公司分别发展出了DPT（动态分组传送）和RPT技术，它们都属于弹性分组环技术。弹性分组环技术都采用环状拓扑，双环结构。外环顺时针和内环逆时针同时双向传输数据，有的RPR技术支持各环分别传输各自的数据和控制信息，有的则支持各环传输另外一个反向环的控制信息。3.2弹性分组环的产生目前数据通信中大量地使用以太网技术，在众多网络协议的竞争中，它已经超越TokenRing、100VG-Anylan、FDDI和ATM等其他LAN体系。其发展也是一帆风顺，从10Mbps、100Mbps直到1000-Mbps，甚至10G以太网也将会在运营商网络中得到应用。以太网固有的带宽共享机制极大地提高了系统的资源利用率，当某一时段节点D不上下业务时，如图3-1所示，CE节点之间的上行带宽资源可以完全被节点E占用，避免了带宽资源的浪费。

由于以太网具有组网成本低廉、互连性好、升级容易、组网简便、技术支撑厂家多和技术发展快等优势，众多用户已经或准备采用以太网技术组网，运营商采用以太网技术把用户接入Internet可以实现网络的无缝连接，节约网络建设和运营成本。但是值得注意的是利用以太网技术实现宽带用户接入也有其缺陷，由于其常见组网方式为星形或树形方式，当上游某一节点发生故障时下游节点业务将中断与Internet的联系。例如图3-1中节点A停止工作后节点B、C、D和E都将不能连接到Internet，而这种情况在电信级网络中是绝对不允许发生的。即使采用生成树协议(STP)来实现冗余路由保护，但是发生故障时其启用冗余路由的故障恢复时间大于500ms，远高于SDH网络故障恢复50ms以内的级别。另外以太网的公平协议也存在难以克服的缺陷，如图3-1所示当所有节点到Internet都需要同样的带宽时，假设节点A的出口带宽为2Gb/s，则节点A可占用1Gb/s带宽，其他节点占用其余1Gb/s带宽。依此类推可知最终节点B占用的带宽为500Mb/s，节点C占用的带宽为250Mb/s，节点D和节点E占用的带宽均为125Mb/s。为了保证各个节点都具有相同的带宽，可以限制每个节点可以占用的带宽不超过400Mb/s，但是这样又背离了以太网带宽资源共享的原则，即当某一节点不需要这么大的带宽时其他节点不能占用它的闲置带宽资源。图3-1

SDH技术是目前最为成熟的传输网技术，它被大量地运用在现有网络中。其主要优点是接口统一，50ms级的故障恢复时间极大地提高了系统的可靠性。SDH网承载数据业务的方式主要是在数据设备中提供POS端口，采用PPP、LAPS或GFP协议封装数据业务。目前亦有在SDH设备中提供以太网10M/100M端口，把封装数据包的功能放到SDH设备中实现，主要是实现部分2层的功能，国内已制定相关的多业务传送平台(MSTP)标准。但是利用SDH系统接入数据业务也存在众所周知的缺点，IP帧结构映射入SDH的虚容器后加上段开销才形成SDH标准帧信号，因此带宽利用率并不高。另外SDH是针对TDM业务开发的技术，它只能提供固定的点对点连接，一旦配置好之后则不能动态改变各节点之间的带宽。对于多播应用，现有SDH设备的实现方法如图3-2所示，在节点A复制需要多播的业务，然后占用多份等量的带宽资源传送给其它节点。而且由于其固定连接的特性，改变通路组织必须要在网管上重新配置，因此这种多播应用并不常见。图3-2SDH设备的实现方法

从上述分析可知在承载数据业务时以太网技术效率最高，但是存在系统可靠性不高的缺点，SDH系统稳定可靠，但在组网灵活性和效率方面都存在较大缺陷。如何融合这两种技术的优点成为国内外众多科技工作者考虑的问题，正是在此基础上IEEE成立了IEEE802-17工作组和RPR联盟，准备制定在以太网技术基础上融合SDH技术的新标准，即IEEE802-17(或称之为RPR标准)。3.3弹性分组环技术的介绍不同于基于SDH技术的MSTP，RPR的核心基础是以太网技术，其处理的基本数据单元还是分组数据包。类似于光纤分布式数据接口(FDDI)的物理结构，RPR也是利用两根光纤或其他介质连接而成的双环结构（内环和外环），内环和外环上的信号传送方向相反。每台RPR节点设备都拥有一个MAC地址，同时拥有环中所有节点的网络拓扑表，网络建立初始通过拓扑发现协议建立该拓扑表。利用节点管理传输协议(SMT)支持节点的即插即用功能，就像在原有RPR环中增加一台新设备，则由新加入设备发起握手协商更新环中各设备所维护的网络拓扑表。目前已经确定RPR中线路口的最低传输速率为155Mb/s，可支持到10Gb/s。RPR正常工作时外环和内环分别以相反方向传输数据，如图3-3所示，根据所接收到的数据来决定下一步的操作。MAC层负责上下客户业务，若接收到线路口的数据包中目的地址是本节点时，则接收且从环中删除该数据包，否则直通。若是广播包时同样接收，并且继续转发该广播包至下一个节点，直到下一个节点为广播源为止。当发现下一个节点发生故障时执行环回操作，类似SDH系统中的复用段保护，此时变成单环结构，如图3-4所示。执行倒换的触发条件可以是自动的，如信号丢失、信号劣化等，也可以由操作者控制，如强制倒换和手动倒换。RPR中传送的数据包分不同等级，发生保护倒换时有可能某段带宽需求超出容量，此时低等级的业务包将被丢弃，优先保证高等级业务服务。节点设备处理数据如图3-5所示，等级不同的业务包将被装进不同的队列中等待处理。目前尚没有RPR标准的最后版本，标准提案中推荐的RPR帧格式如图3-6所示，其中最小分组长度为22字节，最大分组长度为9216字节。值得注意的是RPR与物理层（第一层）相对独立，所以它既可以利用SDH承载，亦可以利用1G比特或10G比特点对点以太网技术封装传送。图3-3RPR中数据包的流向图3-4RPR中环回操作后数据包的流图3-5RPR节点设备中数据包流向与路由器组成环网的方式不同，RPR设备只是在二层上处理数据，从而减少了分组包传送的跳数，进而降低了传送时延。依据公平算法，RPR中所有节点发送同等级数据包到某一节点可占用的带宽都是相同的，克服了前述以太网中上游节点占有带宽优先权的不公平性。对于多播业务，执行接收且转发操作，相比较SDH系统中点对点的多播操作所占用的带宽大为降低。由于RPR中各节点带宽是动态灵活分配的，且各节点占用带宽完全是共享方式，从根本上根除了SDH建网初期固定分配各节点之间带宽，网络不能快速适应需求变化的缺点。从上述的介绍可以得出结论，在充分保持以太网技术组网资源利用率高和灵活等优点的前提下，RPR加入了SDH系统的保护倒换技术，提高了原有以太网系统的可靠性。图3-6RPR帧格式3.4弹性分组环的主要特点3.4.1分组式ADM体系以太网交换机采用分组交换体系，业务流必须在源节点和目的节点之间的每一个中间节点进行排队、整形、处理，如图3-7。而RPR采用分组式ADM体系，每个节点的MAC实体实施三种功能：“提取”――从节点上提取用户预定的业务；“插入”――从节点插入用户业务；“直通”――直接把数据流从环路的一段向前传送到另一段上，如图3-8。所以RPR设备可以像SDHADM那样不用处理那些前传的数据流，系统的处理性能可大大提高。

图3-7以太网交换机链路

图3-8RPR的ADM环3.4.2空间重用技术空间重用（SPR，SpatialReuseProtocol）协议是RPR技术的一个关键组成部分。以前的数据环网技术，如FDDI或令牌环，采用的都是源剥离技术，即数据分组在环上绕行一周，在源端终结。而SPR采用目的地终结方式，数据分组在环上运行一段，到目的节点时即从环上卸下。这样，该分组没有经过的、目的节点至源节点之间的带宽还可以被利用，使得有多个节点成多段同时传送数据，而不会相互影响，充分利用了整个环路的带宽。3.4.3物理层的媒质独立性RPR是为环形拓扑结构构造的一个新型的MAC协议，这样做的好处是使它对第一层开放。所以，RPR环的技术能够适应任何标准的物理层帧结构，即可以采用各种媒质，包括一对光纤、一对自波分复用导出的波长、一个SDH可拆卸的STM-N电路以及其它双向连接媒质，加强了RPR环的兼容性。3.4.4拓扑自动识别在拓扑初始化阶段，每个节点从某个环或者双环发出拓扑发现控制帧，并在帧中加入本节点的MAC地址、环标识以及长度标识，沿环路传送，其它节点收到这个帧后会加入自己的属性，当源节点收到自己发出的拓扑查询消息时，便可了解到环路拓扑消息。当环路增加节点、减少节点、光纤中断、节点失效等事件发生时，相应节点都会被触发发出拓扑更新消息。当环路处于正常状态时，节点之间会以固定时间间隔发送Hello信息来判断环路状态是否正常。拓扑自动识别增加了环路的自愈能力，并且减少了人工配置所带来的人为错误。3.4.5带宽公平机制和拥塞控制机制由于环上的带宽是共享资源，极其容易被网络上的个别节点或个别用户过度使用造成网络瘫痪。RPR环通过执行公平算法来控制带宽的利用，把环上任意两个节点之间所有的带宽作为一个全局资源分配给用户。RPR每一个节点的MAC层一直观测紧靠它的链路的利用情况，然后把这个信息告知环上所有的节点。每一个节点可以据此向环上增加或减少发送的数据量，这可以使RPR环的带宽利用率比TDM网络提高3－4倍。3.4.6典型应用如图3-9，城市之间以传输干线相连，城域内可建设一个高速的RPR大环，内部分成许多小环，环与环之间从节点相连。图3-9弹性分组环典型应用3.5结论以弹性分组环技术为基础的城域网可以提供语音、专线业务、各种数据业务的支持，提供了三网合一的平台基础，它吸收了千兆以太网的经济性、SDH对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和50ms环保护和恢复等特性，并具有空间复用、带宽动态分配、支持业务级别等主要特点，使其成为当前光网络上传输数据包的一种优化技术，正得到业界的广泛关注和重视。对于电信网络运营者，尤其是不断涌现的新电信运营商来说，弹性分组数据环（RPR）技术以其各方面的优势提供了一个良好的IP城域网组网方案。虽然目前众多厂家产品都有着自己特点，相互之间存在兼容互通问题，但随着IEEE802.17协议标准的更新和出台，预计RPR技术将以其各方面的优势，在新一代城域网的建设中得到广泛应用。第四章RPR数据流量控制的实现4.1RPR的协议参考模型RPR的协议参考模型RPR是一种在环网结构上采用分组技术来传送数据、语音、图象等业务的链路层传送方案。它融合了以太网技术的经济性、灵活性、可扩展性等特点，同时吸收了SDH环网的50ms快速保护的优点，并解决了业务分类和资源预留等QoS保证问题，目标是在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济的MAN/WAN解决方案。RPR的分层模型和与之相关联的开放系统互联（OSI）参考模型如图4-1所示。RPR分层模型包括媒质接入控制（MAC）控制子层、MAC数据通道子层和协调子层，上下子层之间分别通过MAC服务接口和物理服务接口进行通信。MAC控制子层经由MAC服务接口向MAC客户层提供用来与一个或多数量的对等客户交换数据的服务原语，或在MAC层和MAC客户层之间传送本地控制信息。MAC控制子层负责控制数据通道子层、维护MAC状态、与其它MAC的MAC控制子层进行协调，并控制MAC与其客户层之间的数据传递。MAC数据子层为RPR环提供数据传送功能。图4-1MAC层经由物理服务接口在物理媒质之上发送和接受数据帧。物理协调子层提供了特定物理媒质无关接口（MII）之间的映射，与特定物理媒质类型相对应，具体分为以太网和SDH两种。4.2RPR的业务类型4.2.1RPRMAC服务RPR定义了4种类型的服务原语，以经由MAC服务接口向RPR客户层提供MAC服务，如图4-2所示，这四种原语分别是：.MA_CONTROL.request:MAC控制请求原语；客户向MAC控制子层发控制。.MA_CONTROL.indication:MAC控制指示原语；MAC控制子层向客户发控制。.MA_DATA.request:MAC数据请求原语；客户向MAC控制子层发数据。.MA_DATA.indication:MAC数据指示原语；MAC控制子层向客户发数据。图4-2MAC业务模型4.2.2RPR业务分类MAC层业务可以通过MAC层业务接口来描述，MAC层业务接口包括一系列原语。这些原语可以分为数据类型和控制类型。数据类型用于MAC层客户与对等层之间交换PDU（ProtocolDataUnit/协议数据单元）；控制原语用于MAC层客户在本地MAC实体间交换控制信息。原语还可以进一步为请求和指示。请求原语从MAC客户层发给MAC层实体；指示原语从MAC层实体发送给本地MAC层客户。MAC子层提供一个业务接口，它用于在MAC客户实体之间交换MAC客户PDU。这个MAC业务接口支持有三种业务类型：A类、B类、C类。A类业务提供了分配、保证数据速率，以及低端到端延迟和抖动的界限。这种业务类型有预留分配带宽的机制，能够保证延时，主要音频和视频流。已分配带宽对于RPR公平算法是不可见的。A类业务在环入口或在环上传输时，不受公平算法的约束。当A类业务沿着环传播时，它在每个节点通过主传送通路传送。B类业务提供了分配、保证数据速率，可选的附加数据速率。可选速率没有分配和保证，而在分配速率范围内的业务有端到端延迟和抖动的保证。B类与A类的相似在于承诺速率范围内的帧传输速率保证了有保证的延迟和抖动。虽然这个界限比A类帧要高，但对于公平算法，根据业务是否符合承诺速率，对业务有不同的处理。与将要叙述的C类业务相似之处在于：超过已分配速率范围的业务，要受到公平算法的约束，并在环上传输之前由MAC在RPR帧头的公平知识位标识出来。在一个单队列实现中，不论帧的公平指示是否被标识，B类业务通过主传输通道移动。在一个双队列实现中，不论帧的公平指示是否被标实，B类业务通过第二传输通道移动。C类业务具有公平调度，不保证带宽的业务，主要用来传送普通的IP业务。C类业务提供了一种尽力传送业务，它没有分配、承诺数据速率，也没有端到端延迟和抖动的界限。C类业务总是受公平算法的约束，并且在环上传送之前，由MAC在RPR帧头的公平指示位标示出来。在环的入口及在环上经过节点时，C类的帧作为RPR公平算法的一部分计算。在单个队列实现中，C类业务通过主传输通路移动。在一个双队列执行中，C类业务通过第二传输通路移动。4.3RPR的帧结构4.3.1RPR帧的概述RPR的基本数据单元是数据帧，它在这方面继承了IEEE802.5令牌环和FDDI环的特点，而不同于802.6DQDB环（基本数据单元是信元），也不同于使用TDM技术的SDH/SONET（基本数据单元是8位组）。IEEE802.17的MAC帧在802.3以太网帧结构的基础上做了一系列改进。首先，它具有环网特性，如支持TTL字段，并针对环单播和多播特点进行了改进。TTL字段表示该帧在网络中的生存时间，通常每经过一个节点相应数值减1，目的是防止发生以外情况时出现某个帧始终在环中循环传送。其次，增加了类型（sc）字段，用来表示RPR帧的服务类型，以支持RPR对具有不同服务类型的数据流的区分服务。IEEE802.17规范了4种类型的帧结构，分别是数据帧、控制帧（除公平帧或空闲帧外）、公平帧和空闲帧。4.3.2RPR的数据帧格式RPR数据帧的最小帧长为24字节。对于能够协商支持特大帧（jamboframe）的环，最大传送单位（MTU，MaximumTransferUnit）为9216字节；对于不能协商支持特大帧的环，MTU为1616字节，即等于最大以太网有效帧长度加RPR帧头部和尾部的长度。RPR数据帧的帧格式如图4-3所示：图4-3RPR数据帧格式以下简要介绍上图4-3中个字段的基本涵义。（1）ttl字段：这是一个8比特字段，它指定了希望数据帧在到达目的的节点之前覆盖的最大跳数。此字段提供了一种防止帧在环上出现死循环的机制。（2）baseControl字段：这是一个8比特字段，包括多个子字段，如图4-4。图4-4baseControl字段格式各子字段描述如下：。环标（ri）子字段：1比特，用来指示该帧最初在哪个环上传送，并取值情况如表4-1。数值字段名称描述0RINGLET-0在环0上发送1RINGLET-1在环1上发送表4-1环标（ri）子字段的取值及其涵义。公平指示（fe）子字段：1比特，用来标识该帧是否适用于RPR公平算法，取值为0表示该帧不适用于公平算法，而取值为1表示该帧适用于公平算法。此字段和sc子字段结合使用，其取值情况及其涵义如表3-4。。帧类型（ft）子字段：2比特，用来标识帧的类型，其取值及相应涵义如下表4-2。数值字段名称描述002FT-IDLE空闲帧012FT-CONTROL控制帧102FT-FAIRNESS公平帧112FT-DATA数据帧表4-2帧类型（ft）子字段的取值及其涵义。业务类型（sc）子字段：2比特，用来标识该帧的业务类型，其取值情况如表4-3。数值字段名称描述002CLASS-CC类业务012CLASS-BB类业务102CLASS-A0CLASSA，A1子类业务112CLASS-A1CLASSA，A0子类业务表4-3业务类型（sc）子字段的取值及其涵义此字段通常和公平指示字段结合使用，其取值情况及相应涵义如表4-4取值取值解释描述scfe业务类型是否适用于公平算法002—CLASS-C适用C类业务，随机分配带宽0120CLASS-B-CIR不适用具有保证信息速率的B类业务1CLASS-B-EIR适用具有超额信息速率的B类业务102—CLASS-A1不适用A类业务，带宽可回收使用112—CLASS-A0不适用A类业务，带宽保留表4-4业务类型（sc）子字段和公平指示（fe）子字段结合使用的取值及其涵义。环回指示（we）子字段：1比特，用来指明该帧在环回条件下是否适用环回，当取值为1时表示该帧适合于环回操作，取值为0时表示该帧不适合于环回操作。。奇偶校验（parity）子字段：1比特，用来对baseControl字段进行奇偶校验。对于公平帧，此子字段的设置原则为：保证在包括奇偶位在内的环控制字段中的1的个数为奇数；对于数据帧和控制帧，此位被保留以备将来所用，此时其数值始终设置为0，并在所有接收端被忽略（3）da字段：目的地址字段，6字节长，用来指示该帧将被传送的目的地址。它可以是环内的某一单一MAC地址，也可以是一组48比特MAC地址。（4）sa字段：源地址字段，6字节长，用来指示发送该帧的RPR节点。它可以是环内的某一单一MAC地址。（5）ttlBase字段：这是一个8比特字段，它设定了数据帧发送时ttl字段的初始值。（6）extendedControl字段：扩展控制字段，8比特，包含多个子字段（如图4-5），用来指示该帧是否为扩展数据帧，是否进行洪泛等。76543210EfFiPsSo保留图4-5extendedControl字段格式Ef子字段：1比特，用来指示该帧是否为扩展数据帧。取值为0时表示该帧使用基本的数据帧格式；取值为1时表示该帧使用扩展数据帧格式。Fi子字段：2比特，用来指示该帧是否被洪泛，如果是，应采用何种方式进行洪泛（即是单向洪泛还是双向洪泛）。另外，ps子字段用于协调采用不同保护模式的节点对数据帧的处理；so子字段用于指示该帧是否有严格的排序要求。（7）hec字段：头部差错检验字段，16比特，负责存储RPR帧头部的校验和信息。该字段的校验范围包括ttl、baseControl、da、sa、ttlBase和extendedControl字段。（8）daExtended字段：扩展目的地址字段，48比特，用来指示该帧的目的MAC地址。（9）saExtended字段：扩展源地址字段，48比特，用来指示该帧的源MAC地址。此字段携带的源地址通常是非本地节点的MAC地址。（10）protocolType字段：协议类型字段，16比特。当此字段的取值大于或等于1536时，表示可使用该字段标识MAC客户协议类型（类型描述）。当它小于1536时，此字段用来指示帧长度。（11）serviceDataUnit字段：这是一个长度可变的字段，用来充当来自客户的信息，即服务单元（SDU，ServiceDataUnit）。（12）fcs字段：这是一个32比特的帧校验序列字段，用来对RPR数据帧进行循环冗余校验（CRC）。它生成多项式是：CRC32=X+X+X+X+X+X+X+X+X+X+X+X+X+X+14.4介质访问控制数据流量流量控制的研究方案通过以上对弹性分组环的了解和认识，联系实际一些情况，可以得出一个具体的数据控制的方案。如图4-6所示。图4-6数据流量控制的方案图在上方案图中，通过读使能re_clk和写使能wr_clk共同控制环中的流量的读写，再通过64位存储器构成一个控制字节的FIFO（先进先出存储器），FIFO的输入、输出数据使用各自的数据总线：输入总线in_data和输出总线out_data。在进行FIFO的读写操作时，应该注意建立地址、数据和控制信号的先后顺序，一般情况下，在进行写操作时，先建立地址和数据，然后置写使能信号wr_clk，使其有效。在写使能信号保持一定时间的有效后，先复位写使能，再释放地址总线和数据总线。而读取FIFO时，则先建立地址，然后置读使能信号re_clk有效，在读使能信号维持一定时间有效后，复位读使能信号，同时读取数据总线上的值，然后再释放地址总线。信息流量通过FIFO后通过存储器RAM对其时序的调整构成Top_fifo_64bit，再通过流量监测反馈给调节器Shaper_control（调节器详细原理见4.4.3节中的分析），在调节器中产生Shaper_A/B/C三种（可见4.4.2节中的详细分析）直接作用于流量发送控制的控制信号，它与其他因素共同作用，产生控制客户层提交流量的流量控制指示信号，以控制、调节客户提交的各类流量速率的大小。对在此系统过程中所涉及到的数据接收、发送操作及公平算法等相关问题以下作详细解说。在下一章也有关于运用EDA综合软件工具对上方案图及其中的FIFO、RAM、Shaper_control和Top_fifo_64bit的仿真模块图。在总体的数据流量控制的方案得到之后，下面就要对其中涉及到与之相关的RPR的环的选择、数据通道流量控制的原理、流量速率控制等一系列的问题得进一步的分析。4.4.1环的选择环选择是MAC控制部件的功能模块之一，该功能仅在客户层需发送数据时被执行，并且该功能的执行优先于MAC层中向MAC层中向MAC层添加业务流量的任何其他动作的执行。环选择功能主要完成的工作是为了客户提交的数据分组的发送选择合适的环。这种选择应基于表征环的标识符（ringletID）、表示MAC保护类型的参数(MACProtection)、环网拓扑数据库和环网保护数据库。客户可以采用多种环选择方式来决定帧通过哪一个通路进行发送，这些环选择控制方式包括完全控制、无完全控制和部分控制。一旦环选择执行结束，根据环网拓扑数据库提供的信息，被发送帧的TTL参数应当被设置为被选定环中源节点位置与目的节点位置之间的距离。4.4.2RPRMAC数据通道RPRMAC层包括MAC数据通道和MAC控制两个部分。MAC数据通道主要功能是：允许对等的MAC客户通过MAC数据通道交换协议数据单元PDU；允许对等的实体交换控制帧。RPRMAC层内的数据流出处理，通常包括环选择、速率控制、接收操作和发送操作，以及MAC控制等。MAC层转发那些并非由本节点产生或终结于本节点的帧。每个RPR节点均有一个或两个传送队列，以缓存在该节点向环网发送业务流量的时间段内到达的来自上游节点的直通流量（直通流量是指不是发往本节点仅流经本节点并向下游节点转发的流量）。MAC数据通道的基本结构见图4-7。图4-7MAC数据通道的基本结构如图3-7所示，客户可将需要RPR环网承载的业务帧有选择地标记为A类、B类、C类三种。A类流量由shA调节器进行速率限制，以防止客户流量的速率大小超过MAC层为该A类流量分配的带宽。一般情况下，MAC控制子层提交的流量被标记为A类流量，并有调节器shM负责调节。控制流量也能够被标记为B类或C类流量，直接由相应类型的流量调节器进行调节（如图4-7中虚线所示）。客户的B类流量由shB调节器或shC调节器进行速率控制，以将客户提交的B类流量限制在MAC层为该B类流量分配的带宽范围之内。同样，客户C类流量由shC调节器进行速率限制，以将C类客户流量的发送速率限制在它能够加权公平共享使用的剩余带宽范围内。客户C类流量和B类流量还需要进一步经shD调节器进行速率限制，通过抑制此类客户流量的发送以保证本节点需要向下游节点发送的A类业务流量的发送速率。因此，只有当shB和shD调节器均允许通过时，在“有保证的信息速率”范围内B类流量才能够得到发送。同样，当shC和shD调节器同时使能时，属于“超额的信息速率”的B类流量才能够得到发送。MAC接收的客户流量将被存储在一个阶段队列（stagequeue）中，存储容量足够大的阶段队列能够保证流量的全速率传送，尽管MAC功能模块对用于限速的流量控制信息存在固有的响应时间。这里提到的用于限速的流量控制是通过MAC到客户的接口收发的。4.4.3速率控制和数据通道的收发操作节点向环网提交的所有流量的速率都应受到控制，以保证各类业务流量的QoS。速率控制功能也会对发送决策过程中对不同类型业务严格的优先等级控制功能产生影响，并共同作用以使每一类业务流量能够公平地获得被发送的机会。RPR标准中定义使用了较多类型的整形器，但绝大多数整形器的行为都可以使用一个采用了特定应用参数的通用算法来描述。这里的应用参数有两个，dDelta和uDelta，参数的作用是实现整形信用的调节，如图4-8所示。参数变量dDelta和uDelta的数值分别表示在每个修正间隔内，被发送帧的大小和信用增加的大小。从图4-8中可以看到，整形器的工作是通过信用(credit)的变化来调整和控制的。一般采用一种叫信贷值的方法。信贷值计数器在每个整形周期，以uDelta作累加；在发送一个数据帧后，信贷值计数器减dDelta。uDelta表示在一个整形周期内，客户允许向整形器发送数据的字节数；uDelta的设定主要基于和该整形器对应的客户业务速率dDelta表示当前所发送的数据帧的大小。当信贷值小于一个最大传输单元（MUTsize）时，整形器向客户发送的Send信号为0，禁止客户继续发送数据，整形器停止向Stage缓存发送数据；当信贷值到达一个上限时，信贷值计数器不再累加。图4-8整形器图4-9示意了MAC数据通道的接收操作的处理流程。图4-9接收操作流程由图4-9所示，RPRMAC数据通道接收数据的主要处理过程为：首先检查接收争，如果接收到的帧的CRC校验和预期的不一致，或是组播帧但源地址不合法，则说明该帧出错，丢弃出错帧；如帧未出错，则按正常流程继续处理。其次，如该帧为发往本地节点的控制帧，则将该帧拷贝到MAC控制子层；如该帧为发往本地节点的客户帧，则将该帧拷贝到本地RPR客户层；否则，进入下一步。第三步为凡有帧直通本节点，其timeToLive字段就减一。最后如不是经由本节点转发的帧，丢弃该帧，否则，将起发送至合适的转发队列。对于采用双队列设计的节点，A类流量存入PTQ，B类和C类流量存入STQ；否则，均存入PTQ。如新的接收帧可用，进入下一个处理过程。采用不同转发队列设计的节点，起发送数据的处理过程有一定区别。图4-10介绍了RPRMAC数据通道的数据发送操作。图4-10发送操作流程如图4-10所示，RPRMAC数据通道发送数据的主要工程为：首先检查PTQ是否具有足够的可用空间，有，转第二步；无转第四步。第二步：检查STQ是否具有足够的可用空间，有转第三补，无转第四步。第三步：检查有无处于可用状态的MAC控制帧需要发送。如无控制帧发送，转第四步；如有控制帧需要发送，则选择发送控制帧，结束本次处理过程，进入下一个循环。此处理步骤说明MAC控制帧的发送优先级通常大于客户提交的待发送帧。第四步：检查PTQ内有无可用状态的待转发帧，如有，选择发送，否则，转第五步。第五步：检查STQ剩余空闲容量，当剩余容量少于一个MTU时，选择STQ中的待发帧，清空STQ，以避免队列溢出；当STQ的剩余容量大于一个MTU时，表示STQ仍可继续缓存来自上游节点的流量。转第六步。第六步：检查阶段队列中有无处于可用状态的待发帧，如有，因为已经进行类分配带宽检查，转发该数据；否则，转第七步。第七步：检查STQ内有无可用状态的待转发帧，如有，选择发送。操作完成后进入下一循环。4.4.4RPR公平性算法在每一个更新周期（aging_interval），用于确定拥塞状况、拥塞位置及控制业务速率的值都要重新计算，这些值的计算都要用到新近收到的公平控制信息（FCM）。RPR环上的站点通过和数据流向相反的另一条环路向上游站点发送公平控制信息。如图4-11RPR公平帧的传递示意图。图4-11RPR公平帧的传递FCM有两种类型：单阻塞（singlechoke）FCM和多阻塞（multichoke）FCM。SC-FCM被一跳接一跳地在环上传递，它包含着某个站点的上游站点中最拥塞站点的本地公平速率（Local-fair-rate），该速率表示该拥塞站点当下公平性业务（B类带外及C类业务）的可用带宽。该信息向下游站点广播，再由下游站点公平性控制单元（FCU）进行环路公平性处理（限制本地插入的经过拥塞节点公平性业务）。该信息周期发送，其送周期称为广告周期；MC-FCM则是向环上广播，它包含该信息发送站点的本地公平速率（Local-fair-rate），该信息由FCU发给MAC客户用于处理虚拟地址队列（避免队头阻塞），而不是用于FCU的环路公平性处理。本地站点接收到FCM后，如果是M-FCM则送给MAC用户；如果是S-FCM则储存起来作环路公平性处理，即收到该FCM的站点用其来改变本地的allowed_rate_congested值，该值用于限制本地插入的经过该拥塞节点的公平性业务（FE）——B类带外及C类业务。在FCM的产生及发送过程中。首先：下游站点比本地站点更拥塞，则有如果下游拥塞是由上游造成的，则本地发送的FCM使用接收到的下游FCM中的Rcvd-fair-rate值（归一化的Local_fair_rate——归一化参数：local_weight，aging_coefficient，rate_coefficient），地址使用接收到的FCM的地址；如果下游拥塞不是由上游站点造成的，则本地发送的FCM使用Full-rate值（表示上游可以全速发送），地址使用本地地址。其次如果下游站点不比本地站点更拥塞，则有如果本地站点拥塞，则计算本地的Local-fair-rate值，经过归一化后，由FCM向上游站点发送，地址使用本地地址；如果本地站点无拥塞，则使用Full-rate值，由FCM向上游站点发送，地址使用本地地址。图4-12为RPR公平帧的传送示意图。图4-12RPR公平帧的传送4.4.5公平性算法相关的变量的计算和公平性算法相关的变量的计算有本地公平速率（Local-fair-rate）的计算、允许速率（allowed_rate）的计算和越塞允许速率（allowed_rate_congested）的计算。本地公平速率（Local-fair-rate）表示本地可供上游享用的环路非保留带宽，归一化后即为FCM中的Rcvd-fair-rate值。其原理图如4-13图4-13Local-fair-rate值的计算其步骤为：首先，如本地无拥塞，则本地公平速率为所有环路非预留带宽(unreserved_rate=Link_rate-reserved_rate)；其次，如本地首次进入拥塞态，则本地公平速率为加权公平地享用所有环路非保留带宽（local_fair_rate=unreserved_rate*local_weight/sum_weight）；再次如果本地前面已进入拥塞态，且如果前次调整后本站点的公平业务发送速率过低（add_rate+fw_rate<low_threshold），则逐步增加本地的Local-fair-rate，直到达到占用所有非预留带宽（unreserved_rate）；最后如果前面已进入拥塞态，且如果前次调整后本站点的公平业务发送速率仍然过高（add_rate+fw_rate>high_threshold），则逐步减小本地的Local-fair-rate，直到0。允许速率（allowed_rate）的计算用于限制本地插入的公平性业务（FE）。起过程为：首先初始化后，allowed_rate等于则本地业务可占用所有非预留带宽。其次如果本地发生拥塞，allowed_rate等于local_fair_rate；最后如果本地无拥塞，allowed_rate按照一定的量值递增，以提高本地公平业务的发送速率，直到达到占用所有非保留带宽。越塞允许速率（allowed_rate_congested）的计算用于限制本地插入的经过拥塞节点公平性业务（FE）。当收到的SC-FCM包含No-full-rate值时，则本地利用该值计算出本地的Allow-rate-congestion值；如收到的SC-FCM为full-rate值时，则逐步增加allowed_rate_congested的值，以提高本地经过拥塞节点的公平业务的发送速率，直到达到占用所有非保留带宽。拥塞的判决条件有两，一是环上从本地站点出来的实时非保留业务速率（lp_nr_xmit_rate）超过环路的非预留业务速率（unreserved_rate）。二是第二传递队列（STQ）的深度超过拥塞深度门限的下限，或者非A0业务速率超过拥塞速率门限的下限。对于双通过队列MAC，拥塞门限的设定基于STQ的占用情况；对于单队列MAC，门限的设定基于流经MAC的业务速率。拥塞门限有三个等级：一、下限（low_threshold）。如果超过下限，则表明站点接近拥塞，这时本站要向上游发送较小的公平速率。二、上限（high_threshold）。如果超过上限，则表明站点已经很拥塞，这时要禁止本地公平保证业务（FE）的发送。三、满限（full_threshold）。对于双通过队列MAC，如果STQ超过满限，则表明该STQ马上要满，这时STQ的业务要优先于其它所有业务发送，直到STQ低于满限。上限的设定要基于两原则：其一是如果上限设得太低，则会频繁地报告拥塞，反而会降低链路的利用率。其二是如果上限设得太高，则上限和满限的差别将会太小。这将会限制环的直径或可收回利用的A类业务的数量。4.5结论通过对RPR数据通道原理的系统认识和其中的帧结构的分析，得出了理论上对RPR数据流量控制的原理方案。在所的RPR数据流量方案中，主要就是由fifo和ram构成的Top_fifo_64bit模块和Shaper_control整形模块来实现数据通道中的流量控制，其方案的将在第五章运用综合工具SynplifyPro用通过ModelSim调试过的程序将其综合模块分别仿真出来给予验证。调试仿真本章主要介绍所用到的调试仿真的软件工具——ModelSim和综合软件工具Synplify/SynplifyPro的使用及一些相关的调试结果。对上一章的一些理论性的结果进行一些验证。5.1ModelSim的介绍ModelSim是业界最优秀的HDL语言仿真器，它提供最友好的调试环境，是唯一的单内核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。是作FPGA/ASIC设计的RTL级和门级电路仿真的首选，它采用直接优化的编译技术、Tcl/Tk技术、和单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段。全面支持VHDL和Verilog语言的IEEE标准，支持C/C++功能调用和调试。这里对ModelSim代码仿真的简单介绍。5.2ModelSim代码调试及步骤在完成一个设计的代码编写工作之后，可以直接对代码进行仿真，检测源代码是否符合功能要求。这时，仿真的对象为HDL代码，比较直观，速度比较快，可以进行与软件相类似的多种手段的调试。在设计的最初阶段发现问题，可以节省大量的精力。其代码调试的步骤如下：1．建立工程：在ModelSim中建立Project。如图5-1所示，点击FileNewProject，得到CreataProject的弹出窗口，如图5-2所示。在ProjectName栏中填写你的项目名字，建议和你的顶层文件名字一致。ProjectLocation是你的工作目录，你可通过Brose按钮来选择或改变。DdfaultLibraryName可以采用工具默认的work。图5-1图5-22．给工程加入文件：ModelSim会自动弹出AddItemstotheproject窗口，如图5-3所示。选择CreateNewFile后，根据相应提示编写程序。图5-33．编译：编译（包括源代码和库文件的编译）。编译可点击ComplileComplileAll来完成。4．装载文件：如图5-4，点击SimulateSimulate…后，如图5-5所示