混合数据传输提高光网络带宽利用率

网络数据传输流量的增加要求更高的数据带宽,但由于多种协议的存在降低了带宽使用的效率,混合数据传输技术可以帮助SONET/SDH传输网络更有效地发挥光纤的容量。本文将分析光网络存在的问题,并阐述解决光网络带宽利用率的混合数据传输技术。

在光传输领域中存在着许多相互竞争的新技术。虽然纯粹的光分组交换可以提供最佳的分组交换功能,但在普通光传输和交换基础设施中,密集波分复用(DWDM)和光交叉连接(OXC)技术的应用已经取得了很大的进展。而数据传输协议,尤其是那些支持多业务的协议,是限制光纤设备效率的一个因素。

现在需要的是一种能允许IP、ATM、TDM和原始数据流本地协议传输的与有效载荷无关的高效数传协议,这种协议将提供一种统一的基于多协议标记交换(MPLS)的链路层,它具有与有效载荷无关的控制和数据面,可创建具有可扩展性的多服务光传输平台。这样的方案应该在SONET/SDH和DWDM配置上,在环形网、网状网(mesh network)与多业务光通道以及分组交换的任意组合下运行。

光纤应用现状

随着基于数据包的应用不断增加,SONET/SDH网络的同步帧结构上的统计复用突发数据包导致了带宽的浪费。但是,尽管SONET/SDH网络传输数据包的效率低,由于其容错能力、网络监控能力、经过检验的技术、和大量铺设的基础设施,以及在运营商中的普及性使其很受欢迎。

在讨论光传输网络的一种与服务无关的数据链路层之前,先了解当前光网络(包括SONET/SDH和全光传输网络)中存在的问题具有重要意义。

首先,SONET/SDH网络的虚拟支路(VT)在管理准同步数字体系(PDH)信道(如T1/T3)时通常是有效的,但虚拟支路时隙的同步定长组帧不适合传输突发性变长的、统计性的复用数据包。因此,光网络是通过SONET/SDH发展而来的,对于不同的应用,它在网络边缘有更大的级联有效载荷区域。多环网络的核心是一个时分复用(TDM)结构的SONET/SDH环,用来将所有的边缘网络互联成一个巨大的环网。

即使对于能够容许延迟的数据流,由于采用唯一的通道信号标记(PSL)值来识别整个有效载荷的数据类型,这限制了SONET/SDH中的传输效率。当使用全部有效载荷区域时,这个区域只能发送一种类型的数据。充分利用SONET/SDH的有效带宽的方法之一是将其划分为多个低速信道,对于不同类型的数据使用不同的信道,这样就使网络设施针对多服务传输实现了最优化。打包数据通过虚拟支路(VT)信道进行发送,或通过较低速率的SONET/SDH信道进行发送。

但是,LAN和SONET/SDH网络的带宽并不匹配。主流的以太网带宽分别为10Mb、100Mb、1Gb和10Gb,而SONET/SDH的带宽是1.5 Mb (T1)、45 Mb(3)、51.84 Mb (STS-1)、155.52 Mb (OC-3)、622.08 Mb (OC-12)、2.488 Gb (OC-48)等。因此,在划分成信道时,可能有很大一部分带宽未被使用。例如,当10Mb LAN通过51 Mb OC-1链路进行发送,或1Gb LAN被迫通过2.4 Gb的OC-48信道进行发送时,带宽的浪费将非常严重。

利用工作区避免带宽浪费

可以利用工作区(workaround)来避免这种带宽浪费。10Mb的以太网数据有时通过反向复用组合7个虚拟支路1.5Mb信道,以较细的粒度来进行发送,从而使其它虚拟支路可以传输PDH数据,参见图1。同时,更高带宽的以太网数据包可以通过一种叫做虚拟级联的技术进行发送。这种技术通过在硬件上级联多个低级信道来组成一个更高带宽的虚拟信道。这样,系统在发送数据时就不必将数据包序列化并使用专门的外部硬件来进行恢复。

但是,数据包在本质上是突发性的,而且在数据包数据链路上平均带宽使用率较低。因此,分配固定的带宽来传输长度变化的突发性数据包常常会导致带宽利用率低。

对于SONET上的数据包(POS), IETF标准和SONET/SDH传输协议采用了一种全数据方法(all-data approach),使用点对点协议(PPP)来连接网络上的两个端点,以管理链路和发送数据。但是,使用PPP时,提供的整个有效载荷容量必须在每个节点终结。

POS主要用于在规定的链路上发送IP,由于PPP带宽管理方面的限制,SONET/SDH上提供的带宽有时负担过重(但永远不可能完全使用)或低于预期从而导致传输阻塞。如果使用多个POS链路,有可能某个链路上的信息达到饱和而其它链路的利用率却不高,因为PPP无法根据传输模式来调节链路带宽。

在基于以太网的空间复用协议中,SONET/SDH网络被作为共享介质,介质存取控制(MAC)负责访问环路节点。有效载荷区域放置了类似以太网的数据包,数据包将在环路中传输,直到被目的节点清除。目的节点清除数据包后释放了空间,使带宽可以重复利用。而在传统的SONET/SDH网络中,一个信息帧必须在整个环路内不断传输,直到被发送节点清除为止。

新成立的IEEE环形网络研究小组(802.17 RPR,研究弹性数据包环路)已被授权为环形网络定义一种使用或不使用SONET/SDH成帧技术的高效MAC层。目前的POS和基于以太网的协议主要是以IP为中心的,不支持其它服务。而且,这些协议主要用于处理通常在单个域内的环形网络上的操作,还需要其它的支持才能在连接多种服务的广域光网状网络中传输。

光传输网络

随着光联网协议特别是MPLS取得进展,现在已经开发出了几种不同的光传输网络模型。这些模型通常包括一个光纤网络或组成网状结构的波长,由不同位置的节点提供网络内的交换。在这种结构中越来越多的节点基于光交叉连接(OXC)设备,该设备能实现端口之间的波长交换,有时还进行波长转换。在这些波长中,有一个波长贯穿在光-电-光(OEO)的变换过程中,并被用于建立从一个节点到另一个节点的链路控制信道。

OXC帮助建立网状网络,这种网络可由提供商进行管理,用来连接不同的服务(参见图2)。当网络交换以光的形式进行时,这条光路在核心网络的内部可以拥有很高的带宽。

尽管光链路的带宽几乎没有限制,但数据传输协议限制仍然阻碍了在单个链路上进行多协议类型传输,这使得带宽使用效率低,并迫使对于不同的协议必须规定和使用不同的路径。G.709等数字封装技术允许混合不同类型的服务,更好地利用链路容量。但是,G.709光传输网络(OTN)数字封装器(Wrapper)的复杂特性是限制它广泛应用的一个重要因素。

无论光传输网络中使用的网络基础设施属于什么类型(SONET/SDH或DWDM),数据传输才是限制有效利用光纤容量的制约因素。DWDM的使用增加了每条光纤中的波长数量,但考虑到在许多不同位置需要互连的服务数量,这些波长可能仍然不够用。通过使用光交换,带宽的可扩展性几乎变得没有限制。当服务分配完时,各个链路中可能还有大量的剩余带宽。

混合数据传输

新的混合数据传输(HDT)协议提供了需要的解决方案。该协议是对所有数据类型的统一传输协议,因此在任何网络结构中,都可以使用单一控制 (如基于IP/MPLS)来发送任何本地数据类型,而且多种数据类型可以在同一路径上发送。HDT协议允许通过一条链路进行本地数据传输,无论是在SONET/SDH上还是直接通过光纤。它同样提供了一种纯粹基于MPLS的光传输网络(OTN)框架,支持对跨越多个运营商网络进行无缝管理的可堆叠的OAM。

对于传输IP、ATM、帧中继以及原始字节流的本地数据包,HDT规定了统一的包头,它们的大小和位结构相同,与数据类型无关。明确的包头参数使得数据包可以通过SONET/SDH或光纤数据结构在点对点和环形网络上进行传输,不必对数据包的结构进行任何修改,从而在长距离网络上提供了一种统一的传输途径。这样,为两个端点之间的特定带宽建立的单一路径可以用来发送所有类型的数据(参见图3),无需建立新的路径就可以利用所有的规定带宽。

作为一种数据链路的MPLS

为了建立一种可用的与服务无关的数据链路,设计人员必须注意到光网络常常形成非广播多路访问(NBMA)域。与以太网网络不同,在光网络中,来自一个节点的输出光纤通常终结在一个特定节点的特定输入端口。根据数据包的内容,目的节点可以将这个数据包转发到它的一个输出端口。

因此,如果利用MPLS在光网络中建立一条端对端路径,光纤另一端的一个节点通常将属于为在路径上传输数据而建立的标记交换路径(LSP)。由于该节点是光纤上接收数据包的唯一节点,因此不需要额外的数据链路参数来寻址这个节点。只有在需要访问许多节点中的一个节点时,才需要对这个节点进行寻址。类似地,当某个节点选择了一个输出端口并在该光纤上发送数据,在该输出光纤的另一端也无需对这个节点进行寻址,因为另一端的节点通常是接收数据的唯一节点。

因此,一旦MPLS控制数据包确定了一个数据流的LSP,就没有必要在光网络上使用以太网MAC地址、帧中继数据链路链接识别码(DLCI),或ATM虚拟通路识别码/虚拟信道识别码(VPI/VCI)等数据链路参数。这些数据链路参数只在它们各自的网络中才需要,而在提供广域传输服务的光网络中则不再需要。如果数据包被发送到了以太网、帧中继和ATM网络之内,仍然需要传统的数据链路地址。

使用这种方法进行光传输网络互联的与服务无关的数据链接层包括以下主要参数:

1. 一个识别有效载荷类型(如IP、ATM、帧中继、NxDS0、T1或原始字节流)的有效载荷包头。对于ATM,可以在有效载荷区域内放入一个或多个ATM信元。

2. 一个防止L2层数据包在光环路中无限循环的存在时间(time-to-live,TTL)参数。

3. 服务级别(CoS)位允许对光网络上的有效载荷实行基于级别的处理,这提供了对不同类型的有效载荷进行区别处理的统一方法。

4. 包头内的位允许附加MPLS标记、操作、维护和规定(OAM)字节,或者将这些都添加给L2、L3层有效载荷外部的有效载荷包头。

用户的数据与一个标记数据包类型并提供有关数据包处理的其它信息的HDT包头封装在一起(参见图4)。有效载荷包含了需要传输的实际数据包。这个用户数据是以其本来形式给出的,可以是以太网、ATM、PPP、帧中继、T1/T3、NxDS0、原始字节流等等之中的任何一种。

HDT还支持在有效载荷外部的包头区域中选择传输MPLS标记或OAM字节,这些字段是否存在是通过包头位来指示的。有效载荷数据结尾的有效载荷循环冗余检测(CRC)是可选的字段(包头中的某些数据位指示有效载荷CRC的有无)。需要注意的是,许多类型的有效载荷数据内部已经包含了有效载荷CRC(例如以太网、ATM、帧中继和使用高阶数据链路控制[HDLC]的PPP)。

由于现在单个LSP就可以传输多种类型的信息(通过有效载荷标识来识别各种信息类型),因此需要的LSP减少了,这使得资源预留协议(RSVP)刷新和状态信息也相应减少,使得大型网络的可扩展性更好。

控制数据包使用本地的L2层数据包进行发送,正适合网络类型的需要。当LSP通过使用CR-LDP、RSP-TE或任何其它方法建立起来后,任意类型(或多种类型)的数据包都可在数据容器内进行发送。中间节点交换数据包时不必查看有L2层有效载荷的内容来了解MPLS标记。这简化了光传输网络中的节点,否则它必须结合复杂的L2层数据链路寻址逻辑才能进行数据包交换。不需要特殊的硬件MAC来支持这种功能,因为在将本地有效载荷传输给标准硬件之前一个简单的组帧器/解帧器将执行这些处理操作。

在传统的以太网网络上,包头可以作为L2层和L3层字段之间的填充包头,从而使这些帧可以在以太网上进行传输。

由于MPLS使用在一种与协议无关的传输中,标准的基于MPLS的故障恢复方法可以应用于一种或多种服务,其主要优点是备用通道所需的LSP较少。例如,所有高优先级IP、ATM、帧中继和其它信道可以使用一种高带宽LSP(在高速备用线路上),而其它低优先级(不同类型的)数据包可以使用低速LSP链路。出现故障时,所有高优先级数据将使用高速LSP而其它数据将使用低速LSP。RSVP会话只需为备用路由管理少数LSP,而不必为不同类型的服务建立和维护多个LSP。

光网络传输的其它问题

HDT具有其它一些有吸引力的特性。与SONET/SDH不同,它的数据包具有对带内全链路监控的固有可选功能。不过,这些OAM字节无需每次都进行发送,可以只在需要的时候与数据包一起发送,使得在正常传输流量时有更多的带宽可用。在SONET/SDH和非SONET/SDH结构的混合网络上,包头字段中嵌入的OAM字节可以在SONET/SDH和非SONET/SDH网络上传输,以便提供运营商之间的端对端OAM操作。

在SONET/SDH网络上,OAM信息必须起始和终止于同一类型或相似类型的网络。与此不同,OAM字节通过在混合网络类型的长距离链路上提供集成OAM功能来进行发送。对嵌套包头的支持允许服务提供商跨越不同的提供商域,其中每个中间域都可以在一条端对端路径上拥有自己的OAM支持。

由于MPLS这样的协议在每个节点都改变标记值和TTL参数,在以太网、POS和帧中继等传统协议下,有效载荷CRC必须针对整个有效载荷进行重新计算。不过,这样做存在风险,因为在中间节点上可能隐藏着对有效载荷的破坏。在节点链上,当某个节点在它的输入端口接收到一个好的数据包但有效载荷在其硬件中被破坏时,如果当前节点重新计算有效载荷的CRC,那么对于下一个节点这个错误就有可能被掩盖起来。更糟糕的是,如果节点链上有许多节点,终端站点将永远不会知道是哪一个中间节点破坏了有效载荷。

一个理想的解决方案是在输入时检查CRC,而不要在数据包输出端口重新计算CRC。单独的包头CRC只保护包头字节(包括MPLS标记和OAM字节),使有效载荷CRC不经修改地进行端对端发送。所有中间节点都在输入时检查有效载荷CRC,但不在输出端口进行重新计算。

一个高效的基于MPLS的多服务数据链路层可以创建一个高度优化的光传输网络,该网络能提供与服务无关的网状和环状网络连接。这将帮助提供商建设不以可能运行在其上的传统协议类型为基础,而是纯粹以网络结构和带宽需求为基础,能够提供简便规划、平滑升级和具有可扩展性的光网络。

作者:

Pankaj K. Jha

首席设计师

Cypress半导体公司数据通信部

Email: pkj@