一种多体制融合交换的网络设备实现方法

刘素桃

(1. 通信网信息传输与分发技术重点实验室, 河北 石家庄 050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)是一种承载综合业务信息、效率高和控制灵活的信息传输方式。其以定长分组交换与传输、丰富的业务适配功能和完善的调度策略为承载综合业务提供了精确的QoS保障[1-2]。ATM技术体制已在多型网络设备应用并广泛装备，是上一代专网设备主要采用的技术体制。

随着网络技术的发展，以太网作为一种标准化程度高、传输带宽大和性价比高的网络通信技术已经得到越来越广泛的应用[3]。随着以太网的传输速率由最初的10 Mbps发展为目前的上百吉比特，应用领域和范围得到了大大拓展，以太网承载与交换也呈高速发展态势[4-5]。基于以太网的二三层交换架构实现设备开发成为发展趋势[6]。

ATM体制622 Mbit/s的交换容量已无法满足千兆数据业务的需求，IP技术体制对于话音采用VoIP技术，存在话音时延大、抖动大和传输不可靠问题。

本文提出专网中将以太网作为统一承载，按照业务特性进行多体制分级、融合交换。

1 技术体制

1.1 ATM/AAL2交换技术

ATM是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术，兼备了电路交换实时性、服务质量好和分组交换灵活性好的优点，因此能实现较高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换，提供灵活的带宽分配。适应于千兆速率以下的业务交换应用。ATM技术在带宽分配、统计复用、优先级排队和多信道广播等方面具有比传统交换技术更高的灵活性，因特网的主干网及军用网络、卫星网络等均采用ATM技术[7-9]。信元格式符合ITU-T I.361标准，ATM信元格式[10]如图1所示。

图1 ATM信元格式Fig.1 ATM cell format

各字段含义：

GFC：一般流量控制，4 bit，只用于UNI接口，目前保留。

VPI：虚通路标识，8 bit。

VCI：虚通道标识，16 bit，标识虚通路中的虚通道，VPI/VCI一起标识一个虚连接。

PT：净荷类型，3 bit，用于指示本信元为用户数据或OAM信元等。

CLP：信元丢失优先级，1 bit，用于拥塞控制。

HEC：信头差错控制，8 bit，用于进行信元定界和检测信头错误。

净荷：固定长度净荷，48 Byte。ATM交换设备通过AAL0，AAL2，AAL5等不同适配方式实现不同类型业务的统一定长信元适配。

AAL2交换是在ATM信元的48 Byte的净荷中携带4个微信元，每个微信元由2 Byte的微信元头和10 Byte的净荷组成，AAL2微信元格式如图2所示。

图2 AAL2微信元格式Fig.2 AAL2 microcell format

各字段含义：

CID：表示话路通道号，取值范围1～63。

UUI：表示编码类型及带内信令。

OFFSET：固定为0。

1.2 以太网/IP交换技术

以太网是基于变长帧交换的网络，是一种无连接的二层交换网络。三层交换也称为IP交换[11]，其接口基本都是以太网接口，数据速率支持千兆、万兆到百吉比特接口，二层/三层交换技术已在互联网、骨干网广泛应用，实现了基于变长帧、不同VLAN、不同网段之间数据报文的高速转发，适合于以太网、IP数据报文交换。以太网的帧结构符合IEEE802.3标准，标准以太网帧结构[12]如图3所示。IP数据报文格式首部[13]如图4所示，在以太网帧中，IP数据包首部紧跟着以太网帧首部，同时以太网帧首部中的协议类型值设置为0x800。IP首部固定长度为20 Byte，是所有IP数据报必须具有的。

图4 IP首部格式Fig.4 IP header format

图3 标准以太网帧结构Fig.3 Standard Ethernet frame structure

各字段含义：

目的MAC地址：接收以太网帧的设备地址，6 Byte长度。

源MAC地址：发送以太网帧的设备地址，6 Byte长度。

以太网帧类型：该字段用于标识数据字段中包含的高层协议类型，2 Byte长度。

数据字段：数据字段最小长度必须为46 Byte，以保证以太网帧长至少为64 Byte，最大长度为1 500 Byte。

FCS：帧错误检测编码，包括地址字段、类型、数据字段的循环冗余校验(CRC)码。用于检测帧在传输过程中是否发生了错误。

各字段含义：

版本：目前常用的协议版本是IPv4，即版本号为4。

首部长度：指IP首部字段占多少个字，包括选项字段。首部最长为60 Byte。不含选项字段的IP首部长度是20 Byte，首部长度字段的值是5。

服务类型(TOS)：该字段包括一个3 bit(高3位)优先级子字段，4 bit(中间4位)的TOS(Type of Service)子字段和1位未用位(必须置0)。4位的TOS分别代表：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4位中只能置其中1位为1。如果所有4位均为0，代表是一般服务。现在大多数的TCP/IP实现都不支持TOS特性。

2 融合交换技术

2.1 设计思路

专网中主要的接口有A接口、STM-1 ATM/POS光接口、电台接口、模拟接口、E1接口和10/100/1 000 Mbit以太网接口，这些接口中承载的主要有话音、信令、协议、IP逐跳数据和IP数据。

话音业务对实时性要求较高，对时延敏感；信令、协议对可靠性要求较高；数据业务要求大带宽，对时延不敏感。ATM/AAL2交换体制是面向连接的分组交换，具有高可靠的QoS，是可靠传输，能够保证传输时延；以太网/IP交换体制是无连接的分组交换，具有较大的带宽，能够支持千兆速率数据的无阻塞交换。

结合上述分析，在专网中话音业务采用ATM/AAL2交换，数据业务采用以太网/IP交换，IP逐跳数据采用ATM/以太网/IP融合交换，充分利用不同技术优势，实现网络的高效传输与网络的互联互通。

2.2 融合交换分层模型

多体制融合交换分层模型框图如图5所示。

图5 多体制融合交换分层模型Fig.5 Multi-system integrated switching hierarchical model

设计2套以太网总线，其中以太网总线1采用ATM over Ethernet(简称AoE)，AoE帧格式如图6所示。将ATM信元封装到以太网帧中传输，借助于主流的以太网总线，设计专有的承载ATM信元帧格式，实现ATM多种虚通道的统一承载与交换，大大提高了逐跳数据的吞吐量。以太网总线2采用标准的以太网帧格式，实现数据业务大带宽承载与高效交换。

图6 AoE帧格式Fig.6 Format of ATM over Ethernet frame

AoE帧字段说明：

标志：有无信元指示。

反压指示：各个PHYID缓存队列拥塞状态反压指示。

序列号[7∶2]：总线传输帧序号，用于监视总线传输质量。

优先级字段[1∶0]：指示帧中承载信元的优先级，支持4级严格优先级。

PHY-ID字段：指示帧中承载信元的PHY通道号标识，扩展到64个通道(上一代设备支持32个)。

2.3 数据流程

各种业务分级融合处理数据流程如图7所示。

图7 业务处理流程Fig.7 Flow diagram of traffic processing

① 将各种接口收到的信息经过业务分类提取，提取到的话音经过AAL2适配后通过以太网总线1按照AoE帧格式承载进入ATM/AAL2综合交换处理，按照呼叫信令建立的链路发送到相应的业务接口；

② 提取到的信令、协议经过AAL5适配后通过以太网总线1按照AoE帧格式承载进入ATM交换，按照预留建立的通道发送到协议控制单元进行相应的信令及协议处理；

③ 提取到的数据业务封装为标准的以太网帧后进入以太网总线2直接进入以太网/IP交换处理，按照路由管理表实现数据的高速交换与转发。话音、信令和协议进行ATM/AAL2交换处理，数据业务进行以太网/IP交换，实现按照业务特性的分级交换；

④ IP逐跳数据是在ATM信元中承载的IP数据，其信元头为VPI=0/VCI=31的IP数据，将中继接口提取到的IP数据，经过ATM交换后进入AoE解适配处理模块进行适配处理，转换为以太网帧并按照规则打上特定的VLAN-ID后进入以太网/IP交换进行数据的快速转发，通过ATM与以太网/IP融合交换实现IP逐跳数据的高速转发。

AoE适配/解适配帧结构格式如图8所示，以太网帧中封装VLAN帧[14]。

图8 AoE适配/解适配帧结构Fig.8 AoE adaptation/deadaptation frame structure

3 优点

3.1 话音业务

VoIP、AoE帧头格式如图9所示。

图9 VoIP与AoE帧头格式Fig.9 VoIP and AoE frame header structure

VoIP实现采用的是SIP/RTP协议[15]，其在以太网帧中的固定帧头开销为60 Byte，AoE采用ATM/AAL2交换，其在以太网帧中的固定帧头开销为20 Byte，专网中常用的话音编解码有G729、PCM、CVSD，对于不同编码在2种体制下的有效净荷和开销特性分别如表1、表2所示。

表1 IP/以太网交换(VoIP承载)话音特性Tab.1 IP/Ethernet switching (VoIP carrying) voice characteristics

表2 ATM/AAL2交换(AoE承载)话音特性Tab.2 ATM/AAL2 switching (AoE carrying) voice characteristics

通过表中数据对比，可以看出：

① 采用ATM/AAL2交换技术与VoIP(IP/RTP)技术相比，有如下优势：

ATM/AAL2交换技术体制与编解码模式无关，传输效率在G729编码模式时开销小，利用ATM的分组定长交换、实时可靠传输，保证话音业务的时延小、抖动小，在网络拥塞时通过ATM的优先级能够保证话音的可靠传输，若支持SIP话机，仅在话音接入点中增加SIP服务器及相关协议即可。

② VoIP采用UDP协议，缺乏拥塞控制策略，当出现网络拥塞时会导致话音丢包、时延增大、是不可靠传输[16]。传输效率与编解码模式有关，G.729编解码模式的开销达60%，传输效率较低，带宽浪费较大。

因此话音业务选用ATM/AAL2交换具有更大的优势。

3.2 IP逐跳数据

IP逐跳数据采用了ATM交换与/以太网/IP融合交换的硬件转发，与上一代采用CPU进行逐跳数据转发相比，能够实现STM-1 ATM接口的线速转发，原有采用CPU进行逐跳数据处理，受CPU处理能力及包长的影响，需要CPU完成IP包的封装、解封装，CPU中断及COPY数据处理，对于小包测试的性能仅为2 Mbit。采用了该体制后转发性能与包长无关，性能提升约70倍。

4 结束语

本文详细阐述了一种多体制融合交换的网络设备实现方法。此项技术可较好地解决专网中基于以太网统一承载按业务分级与融合交换(ATM/AAL2交换、以太网/IP交换)的设备实现。对网络路由交换及控制类设备的设计及兼容多种新旧网络体制，实现网络互联互通及设备的升级换代具有较好的借鉴意义。