作者：歐振猛  劉軍民  胡紹基  張光昭　

    摘要：本文首先針對(duì)以太網(wǎng)固有問(wèn)題，提出了IVS（智能虛交換）技術(shù)體系，然后闡述了IVS核心運(yùn)行機(jī)制，并對(duì)IVS系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，最后指出IVS是一種可用于城域范圍的新型傳送技術(shù)。

    1、引言

    根據(jù)Gannet2006年3月發(fā)布的2005年全球以太網(wǎng)交換機(jī)市場(chǎng)份額分析報(bào)告，以太網(wǎng)交換機(jī)的出貨量同比增加9%，銷(xiāo)售額方面同比增加7%，達(dá)12.9億美元，其中吉比特以太網(wǎng)交換占據(jù)了61%。同時(shí)，以太網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合已從局域網(wǎng)向城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)拓展，但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)主要存在5個(gè)問(wèn)題[1]：無(wú)故到端的QoS保障機(jī)制；保護(hù)機(jī)制不完善；性能監(jiān)測(cè)和內(nèi)在OAM能力薄弱；擴(kuò)展性和資源的利用方面不足；用戶(hù)的治理及安全性差。

    這些問(wèn)題在以太網(wǎng)應(yīng)用于城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)場(chǎng)合下顯得相對(duì)突出。如何解決這些問(wèn)題成為以太網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，國(guó)際各大標(biāo)準(zhǔn)組織（IEEE、ITU-T、MEF、IETF等）都進(jìn)行相關(guān)的研究。目前，主要的解決方案有：MPLSL2[2]，QinQ[3]，Vlan ID可路由的解決方案GOE[4]，MAC in MAC方案（這是一種類(lèi)似Q in Q的方案）。

    為了尋求解決方案，筆者于2001年提出VlanIDswitch概念[5]，主要解決了以太網(wǎng)應(yīng)用于城域網(wǎng)的“擴(kuò)展性和資源的利用方面不足”問(wèn)題，形成了第一代的虛交換（virtualswitch，VS）產(chǎn)品——ISN8850E，這是和華為公司合作的基于其寬帶接入服務(wù)器ISN 8850平臺(tái)的VS產(chǎn)品。由于第一代VS產(chǎn)品采用了Vlan ID switch集中處理和手工配置的方式，系統(tǒng)容量和應(yīng)用場(chǎng)合受到限制，因此于2002年開(kāi)始，從實(shí)際需求出發(fā)，筆者進(jìn)行了第二代智能虛交換（intelligent virtual switch，IVS）[6]的研究和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決了以太網(wǎng)存在的其他4個(gè)問(wèn)題。

    從總體上來(lái)說(shuō)，IVS的創(chuàng)新點(diǎn)在于：以VlanIDswitch取代原來(lái)VlanID bridge概念構(gòu)造新型轉(zhuǎn)發(fā)模式；在程控交換技術(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)之間尋求平衡，設(shè)計(jì)新型協(xié)議；引入用戶(hù)編號(hào)和集中治理概念，為IVS技術(shù)的大規(guī)模使用提供可能。

    2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    IVS采用了3層功能架構(gòu)：承載轉(zhuǎn)發(fā)層、連接控制層和業(yè)務(wù)控制層，具體如圖1所示。

    圖1  IVS體系模型結(jié)構(gòu)

    IVS承載轉(zhuǎn)發(fā)層由具備VlanIDswitch處理能力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體（datarelay entity，DRE）通過(guò)以太網(wǎng)高速連接組成，該層主要承擔(dān)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)。

    IVS連接控制層是由具備連接控制功能的網(wǎng)絡(luò)信令實(shí)體（networksignalingentity，NSE）通過(guò)資源保障互聯(lián)協(xié)議（resourcePRove interconnect protocol，RPip）連接組成，承擔(dān)端到端連接的資源預(yù)留、建立、維護(hù)、拆除以及呼叫記錄詳單（CDR）的生成等功能。該層是IVS體系中承上啟下的重要層面，向上通過(guò)資源保障互聯(lián)協(xié)議用戶(hù)接口部分（RPIP UNI）為業(yè)務(wù)控制層提供業(yè)務(wù)接口，向下通過(guò)公共開(kāi)放策略服務(wù)增強(qiáng)版協(xié)議（common open police service plus，COPS+）和承載轉(zhuǎn)發(fā)層形成控制下發(fā)接口。

    IVS業(yè)務(wù)控制層是由業(yè)務(wù)觸發(fā)功能實(shí)體（servicetriggerentity，STE）和業(yè)務(wù)控制登記實(shí)體（servicecontrol register，SCR）組成，SCR記錄了用戶(hù)數(shù)據(jù)，包含物理位置、邏輯標(biāo)識(shí)、用戶(hù)權(quán)限、認(rèn)證方式、接口能力等信息。當(dāng)業(yè)務(wù)觸發(fā)之后,STE訪(fǎng)問(wèn)SCR進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，得到必要的業(yè)務(wù)信息，然后指揮連接控制層來(lái)建立相關(guān)電路。

    OAM/治理層負(fù)責(zé)提供治理、監(jiān)視、維護(hù)、告警等網(wǎng)管功能，對(duì)包含承載轉(zhuǎn)發(fā)層、連接控制層和業(yè)務(wù)控制層在內(nèi)的各種功能部件，如DRE、NSE、STE和SCR等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)治理。

    3、運(yùn)行機(jī)制

    下面針對(duì)IVS的運(yùn)行機(jī)制主要從協(xié)議模型、轉(zhuǎn)發(fā)模式、編號(hào)機(jī)制和集中治理4個(gè)方面進(jìn)行闡述。

    3.1RPIP邏輯模型

    在IVS體系中，用戶(hù)信息主要存放在SCR里，當(dāng)用戶(hù)觸發(fā)鏈路建立請(qǐng)求時(shí)，SCR通過(guò)RPIPUNI信令通知NSE，NSE設(shè)備之間則通過(guò)RPIPNNI信令進(jìn)行路徑選擇，確定一條能夠滿(mǎn)足要求的鏈路邏輯信息，然后NSE將鏈路邏輯信息通過(guò)COPS+協(xié)議發(fā)到DRE上，DRE根據(jù)邏輯信息在設(shè)備上進(jìn)行資源預(yù)留和物理鏈路建立。RPIP分為UNI和NNI兩大類(lèi)型，邏輯模型如圖2所示。

    圖2  RPIP邏輯模型

    RPIPUNI協(xié)議是SCR與NSE之間的QoS協(xié)商接口，用戶(hù)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求需要通過(guò)靜態(tài)配置/業(yè)務(wù)信令向SCR發(fā)出業(yè)務(wù)申請(qǐng)，SCR收到業(yè)務(wù)申請(qǐng)后，判定用戶(hù)的業(yè)務(wù)權(quán)限和分析主叫/被叫的位置，確定本次業(yè)務(wù)流所需要的帶寬等QoS參數(shù)，業(yè)務(wù)控制層的SCR通過(guò)RPIPUNI向連接控制層的NSE發(fā)起連接路徑請(qǐng)求，申請(qǐng)相應(yīng)的資源和業(yè)務(wù)承載路徑，并實(shí)現(xiàn)修改、拆除、查詢(xún)已建立的業(yè)務(wù)連接的功能。

    RPIPNNI是NSE域之間的QoS協(xié)商接口，每個(gè)NSE域由1個(gè)主用NSE（必需）和1個(gè)備用NSE（可選）構(gòu)成。源NSE翻譯來(lái)自SCR的協(xié)議信息，假如該連接僅發(fā)生在源NSE所處的域內(nèi)，那么源NSE無(wú)需啟動(dòng)RPIPNNI協(xié)議，只需要通過(guò)雙向Dijistra算法在本域內(nèi)進(jìn)行路徑選擇，同時(shí)以用戶(hù)的QoS參數(shù)作為雙向Dijistra算法的約束條件，快速確定用戶(hù)連接路徑。假如連接需要跨越多個(gè)NSE域，那么源NSE則生成RPIPNNI格式，發(fā)給下一跳NSE，進(jìn)行連接分段建立。

    3.2轉(zhuǎn)發(fā)模式

    傳統(tǒng)以太網(wǎng)的VlanID長(zhǎng)度為12bit，總數(shù)為4094個(gè)（0和4095均為預(yù)留），采用VlanID bridge機(jī)制，Vlan ID資源為全局共享，這種運(yùn)行機(jī)制可適用于以太局域網(wǎng)，但應(yīng)用到以太城域網(wǎng)時(shí)，Vlan ID資源顯得不足。因此，筆者針對(duì)性提出了Vlan ID switch概念,將Vlan ID定義為局部有效，即采用三元組（設(shè)備號(hào)、端口號(hào)、Vlan ID）作為交換標(biāo)簽，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的每個(gè)端口上可以重復(fù)使用多達(dá)4094個(gè)Vlan ID值。

    在IVS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式中，有3個(gè)主要特點(diǎn)。

    ●保持以太網(wǎng)802.1Q幀格式。它無(wú)需進(jìn)行報(bào)文重新封裝，因而提高了數(shù)據(jù)的傳送效率，降低SAR（分段和重組）部件的成本。

    ●以三元組（設(shè)備號(hào)、端口號(hào)、VlanID）作為交換標(biāo)簽集中。集中體現(xiàn)了VlanIDswitch概念，突破4096個(gè)Vlan的限制，每一個(gè)端口可以有獨(dú)立的4094個(gè)Vlan ID來(lái)區(qū)分用戶(hù)，為大規(guī)模以太網(wǎng)接入提供了條件。

    ●面向連接方式。通過(guò)面向連接的方式為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)提供帶寬方面的保證。

    3.3編號(hào)機(jī)制

    IVS體系結(jié)構(gòu)中的編號(hào)機(jī)制是采用組合邏輯號(hào)碼和物理號(hào)碼的方式來(lái)表示一個(gè)用戶(hù)。其中邏輯號(hào)碼是體現(xiàn)用戶(hù)的惟一標(biāo)志，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行客戶(hù)關(guān)系治理，與用戶(hù)物理位置無(wú)關(guān)。物理號(hào)碼則體現(xiàn)用戶(hù)的實(shí)際位置特征，對(duì)用戶(hù)路由尋址。通過(guò)結(jié)合邏輯號(hào)碼和物理號(hào)碼，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)領(lǐng)域用戶(hù)一定程度上的號(hào)碼攜帶和位置漫游。

    對(duì)于邏輯號(hào)碼和物理號(hào)碼的具體編號(hào)，其中邏輯號(hào)碼是采用現(xiàn)行的E.164編號(hào)規(guī)則，而物理號(hào)碼則是根據(jù)用戶(hù)所在的位置（設(shè)備號(hào)、端口號(hào)、VlanID）進(jìn)行邏輯運(yùn)算得出。

    3.4集中治理

    IVS通過(guò)部署SCR對(duì)用戶(hù)信息進(jìn)行集中治理，同時(shí)通過(guò)E.164編號(hào)對(duì)用戶(hù)邏輯號(hào)碼進(jìn)行惟一標(biāo)識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)統(tǒng)一受理、用戶(hù)資料集中存放、快速索引用戶(hù)信息以及用戶(hù)移動(dòng)性部署等特點(diǎn)。

    當(dāng)用戶(hù)離開(kāi)原來(lái)DRE設(shè)備，重新連接到新的DRE設(shè)備上，用戶(hù)將啟動(dòng)位置更新流程，在SCR上重新注冊(cè)，形成新的簽約信息，這時(shí)用戶(hù)的邏輯號(hào)碼還是保持原來(lái)不變，但與之對(duì)應(yīng)的路由信息已經(jīng)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的移動(dòng)性。

    4、性能測(cè)試

    本次測(cè)試通過(guò)對(duì)IVS系統(tǒng)實(shí)際組網(wǎng)進(jìn)行功能測(cè)試和性能測(cè)試。功能測(cè)試主要包括基本網(wǎng)絡(luò)功能、用戶(hù)治理、專(zhuān)線(xiàn)治理、會(huì)話(huà)治理，資源治理以及網(wǎng)絡(luò)治理等。性能測(cè)試主要包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、系統(tǒng)連接數(shù)和保護(hù)倒換時(shí)間。

    4.1組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

    測(cè)試總體框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。在此測(cè)試環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)組織按照3層結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置。業(yè)務(wù)控制層主要由SCR構(gòu)成，連接控制層主要由NSE構(gòu)成，承載轉(zhuǎn)發(fā)層由DRE等設(shè)備組成。整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)置了1個(gè)SCR業(yè)務(wù)控制域，3個(gè)NSE連接控制域，SCR業(yè)務(wù)控制域由1臺(tái)SCR負(fù)責(zé)，NSE連接控制域由1臺(tái)NSE和若干DRE構(gòu)成。在本次測(cè)試中，承載通道、信令通道、控制通道均采用帶內(nèi)方式。

    圖3  IVS測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    4.2性能指標(biāo)測(cè)試

    功能測(cè)試方面包含91項(xiàng)，除了2項(xiàng)（DRE無(wú)法支持流量統(tǒng)計(jì)，NSE沒(méi)有真正網(wǎng)管）之外，全部通過(guò)測(cè)試，其中DRE無(wú)法支持流量統(tǒng)計(jì)是因?yàn)镈RE的內(nèi)置MIB（治理信息庫(kù)）還沒(méi)有進(jìn)行定義和開(kāi)發(fā)，NSE的圖形化網(wǎng)管沒(méi)有開(kāi)發(fā)完成，目前以命令行方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。限于篇幅，這里不展開(kāi)討論。性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

    表1  IVS系統(tǒng)性能指標(biāo)

    從測(cè)試情況來(lái)看，IVS能提供有帶寬和丟包率等QoS保障的準(zhǔn)連接專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)，可以對(duì)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道定義包含正向峰值帶寬、正向平均帶寬、正向最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、正向最大丟包率、反向峰值帶寬、反向平均帶寬、反向最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、反向最大丟包率等在內(nèi)的QoS參數(shù)，其中帶寬的最小顆粒度為100kbit/s，丟包率IPLR≤10-3，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道的QoS參數(shù)可以在線(xiàn)修改。具有鏈路備份和路由備份兩種業(yè)務(wù)保護(hù)措施，業(yè)務(wù)可靠性與傳統(tǒng)VLAN方式相比有了很大的提高。采用鏈路備份時(shí)故障中斷恢復(fù)時(shí)間小于50ms（實(shí)際測(cè)試為22ms），采用路由備份時(shí)故障中斷恢復(fù)時(shí)間小于2 s。

    從“863”驗(yàn)收組專(zhuān)家反饋意見(jiàn)來(lái)看，認(rèn)可了IVS支持點(diǎn)到點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，同時(shí)也普遍提到IVS系統(tǒng)沒(méi)有覆蓋點(diǎn)到多點(diǎn)、組播方式等方面的功能。IVS設(shè)計(jì)初衷是解決大網(wǎng)的實(shí)際需要，從廣州電信大網(wǎng)的專(zhuān)線(xiàn)需求來(lái)看，幾乎所有實(shí)際用戶(hù)的專(zhuān)線(xiàn)需求都是采用點(diǎn)到點(diǎn)方式，點(diǎn)到多點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合也是采用hub-to-spoke（中心端聚合的多個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)連接）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，組播方式幾乎沒(méi)有應(yīng)用。從國(guó)內(nèi)的情況來(lái)看，單純的點(diǎn)到多點(diǎn)和組播方式在可運(yùn)營(yíng)大網(wǎng)上幾乎沒(méi)有成功案例。因此，IVS設(shè)計(jì)思想主要以點(diǎn)到點(diǎn)連接為主。

    在QoS方面，目前只完成鏈路方面的帶寬保障，而在時(shí)延控制和丟包率控制方面還沒(méi)有完善的解決方案，這是由于目前業(yè)界在時(shí)延控制和丟包率控制方面并沒(méi)有成熟的技術(shù)，本次試驗(yàn)中的DRE設(shè)備數(shù)據(jù)接口的緩存不足以對(duì)于大量的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行時(shí)延平滑和丟包避免。

    因此，后續(xù)的工作將繼續(xù)評(píng)估點(diǎn)到多點(diǎn)和組播方式實(shí)現(xiàn)的必要性和可行性，同時(shí)集中完善RPIP協(xié)議機(jī)制，并結(jié)合引入流量整形器進(jìn)行時(shí)延和丟包率控制，進(jìn)一步完善IVS的QoS機(jī)制。在系統(tǒng)性能方面，將集中研究NSE域內(nèi)的路徑/資源治理算法。

    5、結(jié)束語(yǔ)

    從性能測(cè)試結(jié)果來(lái)看，IVS突破了傳統(tǒng)以太網(wǎng)適用的局域范圍，可以在城域網(wǎng)/廣域網(wǎng)范圍組建靈活的傳送網(wǎng)絡(luò)。

    IVS能夠在城域范圍內(nèi)提供具備端到端、面向連接、帶寬保障、保護(hù)倒換的可以和傳統(tǒng)SDH相媲美的通信專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)，可以成為城域網(wǎng)/廣域網(wǎng)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新型傳送技術(shù)之一。

    IVS在點(diǎn)到點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)傳輸方面融合多種先進(jìn)技術(shù)，有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)專(zhuān)線(xiàn)傳輸、城域純二層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和城域IP流量按需調(diào)度等方面。

    IVS技術(shù)是為解決點(diǎn)到點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)的需求提出的，有很好的針對(duì)性，但是在點(diǎn)到多點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)和組播方面明顯不足。因此，IVS從技術(shù)完整性方面來(lái)看，不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的技術(shù)體系，是一個(gè)子技術(shù)體系。另外，IVS的標(biāo)準(zhǔn)工作方面進(jìn)展極其緩慢，目前主要是合作廠(chǎng)家進(jìn)行開(kāi)發(fā)支撐，假如無(wú)法獲得標(biāo)準(zhǔn)方面的支持，IVS技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?huì)受阻。

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