一種多體制融合交換的網絡設備實現方法

劉素桃

(1. 通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室, 河北 石家莊 050081;2.中國電子科技集團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)是一種承載綜合業務信息、效率高和控制靈活的信息傳輸方式。其以定長分組交換與傳輸、豐富的業務適配功能和完善的調度策略為承載綜合業務提供了精確的QoS保障[1-2]。ATM技術體制已在多型網絡設備應用并廣泛裝備，是上一代專網設備主要采用的技術體制。

隨著網絡技術的發展，以太網作為一種標準化程度高、傳輸帶寬大和性價比高的網絡通信技術已經得到越來越廣泛的應用[3]。隨著以太網的傳輸速率由最初的10 Mbps發展為目前的上百吉比特，應用領域和范圍得到了大大拓展，以太網承載與交換也呈高速發展態勢[4-5]。基于以太網的二三層交換架構實現設備開發成為發展趨勢[6]。

ATM體制622 Mbit/s的交換容量已無法滿足千兆數據業務的需求，IP技術體制對于話音采用VoIP技術，存在話音時延大、抖動大和傳輸不可靠問題。

本文提出專網中將以太網作為統一承載，按照業務特性進行多體制分級、融合交換。

1 技術體制

1.1 ATM/AAL2交換技術

ATM是建立在電路交換和分組交換基礎上的一種面向連接的快速分組交換技術，兼備了電路交換實時性、服務質量好和分組交換靈活性好的優點，因此能實現較高速、高吞吐量和高服務質量的信息交換，提供靈活的帶寬分配。適應于千兆速率以下的業務交換應用。ATM技術在帶寬分配、統計復用、優先級排隊和多信道廣播等方面具有比傳統交換技術更高的靈活性，因特網的主干網及軍用網絡、衛星網絡等均采用ATM技術[7-9]。信元格式符合ITU-T I.361標準，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：虛通路標識，8 bit。

VCI：虛通道標識，16 bit，標識虛通路中的虛通道，VPI/VCI一起標識一個虛連接。

PT：凈荷類型，3 bit，用于指示本信元為用戶數據或OAM信元等。

CLP：信元丟失優先級，1 bit，用于擁塞控制。

HEC：信頭差錯控制，8 bit，用于進行信元定界和檢測信頭錯誤。

凈荷：固定長度凈荷，48 Byte。ATM交換設備通過AAL0，AAL2，AAL5等不同適配方式實現不同類型業務的統一定長信元適配。

AAL2交換是在ATM信元的48 Byte的凈荷中攜帶4個微信元，每個微信元由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：表示話路通道號，取值范圍1～63。

UUI：表示編碼類型及帶內信令。

OFFSET：固定為0。

1.2 以太網/IP交換技術

以太網是基于變長幀交換的網絡，是一種無連接的二層交換網絡。三層交換也稱為IP交換[11]，其接口基本都是以太網接口，數據速率支持千兆、萬兆到百吉比特接口，二層/三層交換技術已在互聯網、骨干網廣泛應用，實現了基于變長幀、不同VLAN、不同網段之間數據報文的高速轉發，適合于以太網、IP數據報文交換。以太網的幀結構符合IEEE802.3標準，標準以太網幀結構[12]如圖3所示。IP數據報文格式首部[13]如圖4所示，在以太網幀中，IP數據包首部緊跟著以太網幀首部，同時以太網幀首部中的協議類型值設置為0x800。IP首部固定長度為20 Byte，是所有IP數據報必須具有的。

圖4 IP首部格式Fig.4 IP header format

圖3 標準以太網幀結構Fig.3 Standard Ethernet frame structure

各字段含義：

目的MAC地址：接收以太網幀的設備地址，6 Byte長度。

源MAC地址：發送以太網幀的設備地址，6 Byte長度。

以太網幀類型：該字段用于標識數據字段中包含的高層協議類型，2 Byte長度。

數據字段：數據字段最小長度必須為46 Byte，以保證以太網幀長至少為64 Byte，最大長度為1 500 Byte。

FCS：幀錯誤檢測編碼，包括地址字段、類型、數據字段的循環冗余校驗(CRC)碼。用于檢測幀在傳輸過程中是否發生了錯誤。

各字段含義：

版本：目前常用的協議版本是IPv4，即版本號為4。

首部長度：指IP首部字段占多少個字，包括選項字段。首部最長為60 Byte。不含選項字段的IP首部長度是20 Byte，首部長度字段的值是5。

服務類型(TOS)：該字段包括一個3 bit(高3位)優先級子字段，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、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。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。現在大多數的TCP/IP實現都不支持TOS特性。

2 融合交換技術

2.1 設計思路

專網中主要的接口有A接口、STM-1 ATM/POS光接口、電臺接口、模擬接口、E1接口和10/100/1 000 Mbit以太網接口，這些接口中承載的主要有話音、信令、協議、IP逐跳數據和IP數據。

話音業務對實時性要求較高，對時延敏感；信令、協議對可靠性要求較高；數據業務要求大帶寬，對時延不敏感。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，能夠保證傳輸時延；以太網/IP交換體制是無連接的分組交換，具有較大的帶寬，能夠支持千兆速率數據的無阻塞交換。

結合上述分析，在專網中話音業務采用ATM/AAL2交換，數據業務采用以太網/IP交換，IP逐跳數據采用ATM/以太網/IP融合交換，充分利用不同技術優勢，實現網絡的高效傳輸與網絡的互聯互通。

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

設計2套以太網總線，其中以太網總線1采用ATM over Ethernet(簡稱AoE)，AoE幀格式如圖6所示。將ATM信元封裝到以太網幀中傳輸，借助于主流的以太網總線，設計專有的承載ATM信元幀格式，實現ATM多種虛通道的統一承載與交換，大大提高了逐跳數據的吞吐量。以太網總線2采用標準的以太網幀格式，實現數據業務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幀字段說明：

標志：有無信元指示。

反壓指示：各個PHYID緩存隊列擁塞狀態反壓指示。

序列號[7∶2]：總線傳輸幀序號，用于監視總線傳輸質量。

優先級字段[1∶0]：指示幀中承載信元的優先級，支持4級嚴格優先級。

PHY-ID字段：指示幀中承載信元的PHY通道號標識，擴展到64個通道(上一代設備支持32個)。

2.3 數據流程

各種業務分級融合處理數據流程如圖7所示。

圖7 業務處理流程Fig.7 Flow diagram of traffic processing

① 將各種接口收到的信息經過業務分類提取，提取到的話音經過AAL2適配后通過以太網總線1按照AoE幀格式承載進入ATM/AAL2綜合交換處理，按照呼叫信令建立的鏈路發送到相應的業務接口；

② 提取到的信令、協議經過AAL5適配后通過以太網總線1按照AoE幀格式承載進入ATM交換，按照預留建立的通道發送到協議控制單元進行相應的信令及協議處理；

③ 提取到的數據業務封裝為標準的以太網幀后進入以太網總線2直接進入以太網/IP交換處理，按照路由管理表實現數據的高速交換與轉發。話音、信令和協議進行ATM/AAL2交換處理，數據業務進行以太網/IP交換，實現按照業務特性的分級交換；

④ IP逐跳數據是在ATM信元中承載的IP數據，其信元頭為VPI=0/VCI=31的IP數據，將中繼接口提取到的IP數據，經過ATM交換后進入AoE解適配處理模塊進行適配處理，轉換為以太網幀并按照規則打上特定的VLAN-ID后進入以太網/IP交換進行數據的快速轉發，通過ATM與以太網/IP融合交換實現IP逐跳數據的高速轉發。

AoE適配/解適配幀結構格式如圖8所示，以太網幀中封裝VLAN幀[14]。

圖8 AoE適配/解適配幀結構Fig.8 AoE adaptation/deadaptation frame structure

3 優點

3.1 話音業務

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實現采用的是SIP/RTP協議[15]，其在以太網幀中的固定幀頭開銷為60 Byte，AoE采用ATM/AAL2交換，其在以太網幀中的固定幀頭開銷為20 Byte，專網中常用的話音編解碼有G729、PCM、CVSD，對于不同編碼在2種體制下的有效凈荷和開銷特性分別如表1、表2所示。

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

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

通過表中數據對比，可以看出：

① 采用ATM/AAL2交換技術與VoIP(IP/RTP)技術相比，有如下優勢：

ATM/AAL2交換技術體制與編解碼模式無關，傳輸效率在G729編碼模式時開銷小，利用ATM的分組定長交換、實時可靠傳輸，保證話音業務的時延小、抖動小，在網絡擁塞時通過ATM的優先級能夠保證話音的可靠傳輸，若支持SIP話機，僅在話音接入點中增加SIP服務器及相關協議即可。

② VoIP采用UDP協議，缺乏擁塞控制策略，當出現網絡擁塞時會導致話音丟包、時延增大、是不可靠傳輸[16]。傳輸效率與編解碼模式有關，G.729編解碼模式的開銷達60%，傳輸效率較低，帶寬浪費較大。

因此話音業務選用ATM/AAL2交換具有更大的優勢。

3.2 IP逐跳數據

IP逐跳數據采用了ATM交換與/以太網/IP融合交換的硬件轉發，與上一代采用CPU進行逐跳數據轉發相比，能夠實現STM-1 ATM接口的線速轉發，原有采用CPU進行逐跳數據處理，受CPU處理能力及包長的影響，需要CPU完成IP包的封裝、解封裝，CPU中斷及COPY數據處理，對于小包測試的性能僅為2 Mbit。采用了該體制后轉發性能與包長無關，性能提升約70倍。

4 結束語

本文詳細闡述了一種多體制融合交換的網絡設備實現方法。此項技術可較好地解決專網中基于以太網統一承載按業務分級與融合交換(ATM/AAL2交換、以太網/IP交換)的設備實現。對網絡路由交換及控制類設備的設計及兼容多種新舊網絡體制，實現網絡互聯互通及設備的升級換代具有較好的借鑒意義。