MAC層協議之RPR技術與TDMoP同步機制

2019-11-04 12:05:14

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　　一、RPR的基本介紹
　　隨著數據業務的迅速膨脹，城域傳送網的數據處理能力成為大家關注的焦點。而無論是ip over ATM,IP over SDH，還是城域Ethernet，都有各自的不足之處。一種為優化IP數據包傳輸的新的MAC層協議彈性分組環RPR（Resilient Packet Transport）被提上議程，該技術以其技術的先進性、投資的有效性、性能的優越性、支持業務的多樣性，顯現出了其獨特的優勢。RPR技術一方面吸收了以太網技術的優點，如經濟、靈活和可擴展性；另一方面吸收了SDH的優點，如對延時和抖動性能嚴格保障、可靠的時鐘以及SDH環網50ms快速保護；同時提供與ATM等同的QoS。隨著IEEE 802.17標準的日益完善，RPR技術逐步走向成熟。基于RPR技術的產品已經問世，它是城域光網組網中許多商家優先選擇的技術。
　　
　　雖然數據業務的需求在不斷擴大，現在對于電信運營商來說語音通話仍然是很重要的一部分。由于RPR是一種融合多業務平臺的優秀技術，它不需要人們將現有網絡鏟除。通過RPR網絡的TDM服務電路仿真，電信運營商在提供新的可盈利的數據服務時，保證他們原有的語音通話服務，使電信公司可以保持現有TDM服務的高收入。TDM可以融合在RPR系統當中，也可以單獨的設備的形式面向用戶。
　　
　　二、TDM電路仿真（TDM Circuit Emulation）
　　TDM電路仿真是電路交換業務在網絡上透明傳輸所采納的機制。它用非凡的電路仿真頭來封裝TDM業務，并通過一定的機制來實現時鐘在包交換網上的傳輸。實現這種封裝功能的物理層器件一般稱為成幀器或映射器，它能直接和原有的TDM網絡連接。
　　
　　在“非結構化”的仿真中整個業務帶寬是仿真的，幀的結構或者叫比特數在入口處是不用計算的。比特流在目的端口進行封裝和解封裝，其仿真結構如下圖所示：
　　　 MAC層協議之RPR技術與TDMoP同步機制（圖一）

　　“結構化”仿真業務則設計為仿真點到點的E1/T1連接。幀結構維持不變，各自的流是可見的而且是按字節分配的，這樣的話就答應E1/T1流融入DS-0信道而發向不同的目的地。其電路仿真結構如下圖所示：
　　　 MAC層協議之RPR技術與TDMoP同步機制（圖二）

　　對于不同的系統而言，在設計電路仿真系統時還有一定的區別。對于RPR包交換網絡上的電路仿真（TDMoP）設計介紹如下：
　　
　　在RPR網絡中每個節點都可以有一個或多個TDM電路仿真支節點。TDM電路仿真是端到端的，它可以是半雙工點對點模式、全雙工點對點模式或者是半雙工點對多點模式。
　　
　　TDM-over-Packet(TDMoP)是一種使語音和租用電路服務（如：視頻、數據）在IP網上廉價傳輸的技術，它同時可以保持公共電話網（PSTN）的可靠性和服務質量。當包進入網絡的時候都要競爭帶寬和端口，這樣的話肯定會產生不確定的時延和丟包，發包源可能會周期性的把包發到網絡上，但是接收方就不能確保以同樣的周期從網上獲得這些包，甚至說，這些包可能不會全部達到接收方。那么這種情況下TDM所需要的信號就不能得到保證。
　　
　　一般來說要在IP網上傳輸TDM有兩種解決方法，一種是把TDM網絡和用戶終端設備完全替換為支持語音信令全新機制的架構。另外一種方法是保持用戶終端和協議不變，TDM數據從“隧道”傳過包交換網絡。很顯然，第二種方法無論對承載商還是設備制造商都比較輕易做到。對于RPR網絡，TDMoP網關的IPmux系列從TDM端口獲取數據流，然后把它們轉換封裝成IP包在網絡上傳輸。遠端的TDMoP網關負責將這些IP包解封裝回TDM業務流。
　　
　　三、封裝的實現
　?。?）TDMoP的實現
　　
　　TDMoP的最簡單的實現方法如下：通過附加適當的報頭，用IP包封裝每個T1或E1幀。一個T1幀由24個單字節的時隙和1個單獨比特的同步位共193比特組成。一個E1幀由完整的32個字節（256比特）組成，其中一個字節用來保持同步，一個字節傳統上為信令保留。在這兩種情形下，幀速率為8,000幀/秒。
　　
　　因為數據包提供分段，同步位/字節不必包括在內。因此對T1和E1的有效負載分別為24和31字節。對于可靠的面向連接的服務，假如使用TCP/IP協議，這需要20字節的TCP報頭，20字節的IP報頭，每個數據分組共需40字節。TCP提供了端到端的可靠連接，但這對話音分組用處不大，因為重傳的話音分組到達接收端時次序已亂，將被丟棄。更合理的選擇將是使用實時傳輸協議RTP，它的報頭至少12個字節，另加8字節的UDP報頭和IP的報頭，這與上面的開銷一致。其原理如圖1所示。
　　　 MAC層協議之RPR技術與TDMoP同步機制（圖三）

　　假如用40字節的額外開銷傳送24字節或31字節的有效負載的話是很浪費的，解決這一問題有兩個方法。
　　
　　第一種方法是報頭壓縮方案。把TCP和RTP的平均報頭減到只有3個字節，把開銷百分比降到8%~9%。雖然包頭開銷降低了，重組的報文去掉了TCP/IP和IP報頭的許多重要信息，一般很少采用這種方法。
　　
　　第二種方法是把多個幀在封裝前組成一個超級幀。例如，把8個T1（E1）幀合并成192（248）字節的負載，使得開銷百分比降到17%（14%）的合理程度。合并確實增加了一定的緩沖延遲，但每幀只有125微秒的持續時間，與VoIP系統相比這一延遲是可以忽略的。例如由8個連續幀組成的一個超級幀引入1毫秒的單向延遲，是用在VoIP中標準的16kbps低延遲編碼器的一半，大大低于具有15毫秒延遲的8kbps的編碼器。這是在實際設計中比較常用的一種方法。
　　
　?。?）TDMoP技術的同步問題
　　
　　TDMoP技術應用時所考慮的一個比較重要的問題就是時鐘同步。假如長時間的頻率不同步，就會造成網絡出口隊列要么為空要么溢出。
　　
　　在公用交換電話網及SONET/SDH網絡中，主時鐘的節點為從時鐘的節點提供時間參考信號。在網絡中通常至少存在一個非常準確的基準參考時鐘，精確到1/1011的量級。該節點按其精確性被稱為第一層，它為第二精確層提供參考時鐘，第二層為第三層節點提供參考時鐘。這種分層的時間同步對整個網絡正常工作致關重要。
　　
　　在IP網絡中的數據包以一個隨機的延遲到達目的地，該延遲稱作抖動。當在IP網絡上模擬TDM時，可通過使用緩沖區來克服抖動，緩沖區中對接收到的包排序，由于語音通信的實時性要求比較高，對丟失的包直接按空包處理。在這個緩沖過程中大多數情況下，原始的時間參考信息是不能提取出來的。因此需要采取必要的時鐘同步措施。
　　
　　一般采用的同步方法有四種：A、環上設有一個中心節點，這個節點周期性的廣播同步信令；B、環上的所有節點都由一個外部設備（比如GPS）提供時鐘信息;C 、在A和B都不易實現的時候，本地產生時鐘來進行調整恢復。D、還有一種，是通過計算平均包到達率推斷時鐘信息的，無論是數據包還是非凡的定時包都可以用于同步。
　　
　　對整個網絡來說當IP網絡不是全部采用專有的并且全部供TDMoP連接使用時，NTP時鐘和所需的TDM時鐘之間不會有連接。這個情況下時鐘同步解決方法是采用第二種，即使用如原子鐘或GPS接收器等為所有的TDMoP設備提供時間標準，來減輕IP網絡發送同步信息的負擔，如圖2所示。假如不能提供本地精確時間參考或其實現代價較大，也可以采用目的地重新生成同步本地時鐘進行恢復，如圖3所示。
　　 MAC層協議之RPR技術與TDMoP同步機制（圖四）

　　在采用本地同步的實現時，網路中傳輸的時鐘是動態變化的，也就是說會在一定的范圍內浮動，不會是固定的一個值（2.048MHZ）。那么還應該有一個動態跟蹤這個時鐘變化的機制，以達到動態調整本地時鐘的目的。比較簡單的方法是用閉環電路來實現的，通過比較緩沖區接收和發送出去的數據包的數目來調整電壓控制振蕩器的振蕩頻率，再根據這個頻率來調整發送包的速率，這樣不斷的比較就可以實現時鐘的動態跟蹤。這種方法在目前的設計中已經成功的實現了。
　　
　　四、結束語
　　RPR技術從一出現以來就倍受大家的關注，伴隨著802.17標準的敲定，基于該技術的產品不斷問世，解決了以前SDH和Ethernet 不能解決的問題，從而推動了城域光網的快速發展。TDMoP由于解決了VoIP的抖動時延等問題，在電信、移動都得到了大幅度應用。它將是語音傳輸中采用的主流技術。

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