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uspanet中数据流适配层协议的研究本科毕业设计

西南交通大学

研究生学位论文

SUPANET中数据流适配层协议的研究

基于角色的访问控制的研究

专业计算机应用技术

ClassifiedIndex:

TP393.09

U.D.C:

618.14

SouthwestJiaotongUniversity

MasterDegreeThesis

ResearchonSTREAMADAPTATIONPROTOCOLINSINGLEphysicallayerUserPlatformArchitecture

Grade:

2003

Candidate:

LiangWei

AcademicDegreeAppliedfor:

Master

Major:

ComputerApplication

Supervisor:

DouJun

May.2005

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Internet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（SUPA）。

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（SUPA）的应用数据流适配层（SAL）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（VL），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SUPA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（SAL）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（SAL1、SAL2和SAL3）。

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，SAL1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；SAL2用于适配可变比特率的实时数据流（第2类），SAL2允许不同的SAL2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SAL2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；SAL3用于适配恒定/变长比特率的非实时数据流（第3类），SAL3在功能上的设计与IP网络的紧密联系，为Internet向SUPANET的过渡提供有力支持。

同时，为了适配传输速率变化很大的数据业务，在SAL3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）。

最后，本论文还利用OPNET网络仿真软件建立一个简化的SUPA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SUPA；SAL；三网合一；带外信令控制

ABSTRACT

ThebackgroundoftheworkpresentedinthisdissertationistheSUPANET（SinglephysicallayerUser-Platform（U-platform）ArchitectureNETwork）introducedbySichuanNetworkCommunicationKeyLaboratory（SC-NetcomLab）tomeettheneedsofQoSforfuturemergednetworks.TheSUPANETsimplifiestheuser-datatransferplatform（U-platform）intoasinglephysicallayer,whichcangreatlyimproveefficiencyaswellasQoSprovisioningforuserdataintheU-platformwhileremainsinteroperablewithexistingInternet.

Thisdissertationfocusesonadaptationissuesbetweenusertrafficandthebasicdataunits（i.e.EPF-Ethernet-likePhysicalFrame）oftheSUPANETwithregardtoQoSrequirements（throughput,transitdelay,jitter,datalossrate,etc.）,dataformatsandlengthsintheU-platformofSUPA.Inordertoprovideasystematicapproachtowardsadaptationfunctions,thisthesisdefines2-sublayerarchitecturefortheSAL,SAR（SegmentationAndReassembly）sublayeratthebottomandCS（ConvergenceSublayer）atthetop.

Inviewofapplicationtrafficcanbeclassifiedintothreegroupsonthebasisofnatureofapplicationtraffic:

CBR-T（ConstantBitRateTimecritical）dataflow、VBR-T（VariableBitRateTimecritical）dataflowandC/VBR-N（Constant/VariableBitRateNon-timecritical）dataflow,threeadaptationprotocolshavebeendefinedintheauthor’swork,theyare:

A.SAL1forCBR-Ttoensurehighdatarate,lowlatencyandjitters

B.SAL2forVBR-Ttowithlesscriticalconstraintsontrafficdeliverybutwithminimalerrorcheckingfacility.

C.SAL3forC/VBR-Nwithanemphasisonreliabledatadelivery.

BecauseCBR-Tdataflowrequeststransfersdelayandjitteraslittleaspossible,SAL1segmentsuserdataandencapsulatesPhysicalFrame,appendingnothingforuserdata.ThereasonfordefinitionofSAL1isthattheBitErrorRatehasbeenreducedto10-10~10-12withcontinuousimprovementincommunicationtechniqueandCBR-Tdataflowisnotsensitivetoinstantaneousdataerror.Duetothetransfer’slessdelayandreliabilityrequirementsofsuchstreams,SAL2PDUprovideslengthandCRCfieldstosatisfyrequirementsoftransfer.C/VBR-Ndataflow,whichisnon-timecriticalandthebitratesspanfromafewKbpsthroughhundredsofKbps,isadaptedbySAL3.SAL3PDUprovidesmanyfields,suchasHeaderErrorControl（HEC）,sequencenumberandoffsetofdatapacket.

Finally,tovalidatethreeSALprotocols,emulationofend-to-enddelaywiththesethreeprotocolshasbeencarriedoutwiththesimulationtool–OPNET,whichhasshownquiteagoodapproximationtoanticipation.Theauthor’sworkhasprovidedaframeworkconcerningadaptationissuesinSUPANET,althoughfurtherrefinementisneededinthefuture.

KEYWORD:

SUPA；SAL；MergedNetwork；Outbandsignalingcontrol

第1章绪论

1.1引言

Internet是20世纪70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（WAN）和局域网（LAN）连接起来。

现在的Internet是在ARPANET（美国国防部高级研究计划管理局（ARPA）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ARPA在1980年研制成功了TCP/IP协议，从1983年起，要求与ARPANET相连的主机都采用TCP/IP协议[11]。

随着Internet的起飞和快速普及，TCP/IP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。

TCP/IP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（TCP）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，Internet的5层结构比OSI/RM的7层结构简单，也没有OSI/RM中复杂的“服务”定义；从网络技术上看，Internet在网络层采用了无连接、无用户数据检错功能的IP协议，虽不可靠，但使用简单。

以单个报文（Message）/分组（Packet）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，IP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TCP。

所有数据都通过3层的IP网络平台加上TCP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[12]。

Internet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。

Internet在全球的成功，使人们开始设想能否利用Internet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。

1.2本论文的学术背景及理论

Internet是在用户数据传输速率较低（Kbps～数十Kbps）、通信线路误码率较高（10-6～10-5）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Internet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（DataRate）、传输时延（TransitDelay）和传输数据抖动（jitter）方面的要求则远高于文本数据。

而此时以IP为基础的Internet提供的尽其所能（BestEffort）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Internet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[11]。

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100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（PDH）到同步体系（SDH），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（ADSL）和高速用户环路（VDSL）等方式，速率可达几Mbps到几十Mbps，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TCP／IP协议的IP包交换。

它目前主要依赖于电信网，因此同样受到带宽的限制，但其互连网协议（IP）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1997年，北美电信市场上的数据通信量首次超过了语音通信量[15]。

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Internet网的最有效的方式之一，也在抢占计算机网络的市场。

而Internet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CCITT在80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ISDN的发展缓慢，并未像人们预期的那样一统通信市场。

进入90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。

因此"三网合一"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：

1、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（DWDM）技术已经成熟并走向商品化。

现在，以光纤为媒介、以DWDM＋SDH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4×2.5Gbit／s传输能力的WDM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160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DWDM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DWDM＋SDH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QoS，还有许多问题需要解决。

例如：

如何保证语音和视频信息的QoS；如何以一种统一的数据格式传输各种信息；如何与传统的PSTN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DWDM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。

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ATM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QoS，交换速度高于150Mbit／s。

自90年代初以来，ATM一直被认为是未来网络的主流交换技术，现在ATM交换机已经商品化，并在许多电信宽带网担当骨干交换机。

1997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IP骨干传输网就采用IP＋DWDM＋路由交换机的模式（如中国网通）。

但无论是ATM交换机，还是新一代的路由交换机，在交换速度、网络吞吐量、QoS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ATM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QoS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HFC（混合光纤同轴网）接入网技术和基于铜线的xDSL技术。

HFC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。

HFC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HFC的缺点在于：

HFC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，HFC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HFC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。

xDSL是各种类型数字用户线的总称，包括ADSL，HDSL，RADSL，VDSL，SDSL，IDSL等。

其中ADSL技术是目前最诱人的。

ADSL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，并且它的传输速率和距离相互制约；另外ADSL的终端设备价格过高，一般用户难以接受，这里引用文献[12、15、16]。

1.2.2现有的服务质量保障机制

在传统的IP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[14]。

服务质量QoS（QulityofService）包括多方面的的指标：

稳定数据吞吐率（Throughput）、在一定期间允许的最大突发数据的吞吐率（Max.BurstDataRate）、最大传输时延（Max.TransferDelay）、数据传输正确性（DataCorrectness）等，对实时性数据的传输还包括“恒速性”要求、数据传输的防抖动性指标等等。

Internet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IP层之上增加的服务质量保障技术，如资源预留协议（RSVP—Res