化繁为简:提升NGI服务质量

下一代互联网(NGI)对高速高效的交换和服务质量保障提出了很高的要求，传统的网络体系结构中数据链路层已逐渐失去了存在的意义。将物理层和数据链路层化繁为简，形成单物理层传输结构，能有效提升ngi服务质量。

“三网合一”的NGI

有关NGI的讨论，可以追溯至上世纪九十年代中期IPv6的出现。此后，人们便普遍地把以IPv6为基础的网络视为NGI。美国政府支持的NGI项目、IETF基于IPv4网络进行IPv6包装试验（Encapsulation）的项目6-bone、美国和欧洲合作的大型IPv6试验网Moonv6，以及目前中国下一代Internet (CNGI)项目都属于这一类活动。上述NGI活动的基点是在现有的Internet体系结构中用IPv6取代IPv4，探讨从IPv4向IPv6的平滑过渡技术与实践。尽管相关研究工作在一定程度上也涉及服务质量保证问题和网络安全问题，但始终是在现有的Internet体系结构框架内的活动。事实上，新的研究工作表明必须重新审视并简化传统Internet的体系结构才能适应未来“三网合一”的需要。

近年来，光纤通信中的密集波分复用(DWDM)技术的发展，已经把单波长的数据传输率提高到40/80 Gbps，很快将达到160 Gbps，进而将单根光纤的数据传输率提高到Tbps (1012 bps) 数量级。这一传输能力意味着单根光纤能够同时传输1562.5万路未压缩的普通话路(64Kbps/路)、7142套未压缩的有线电视节目(140Mbps/套)，或者1000套未压缩的高清晰度电视(1.04Gbps/套)。换言之，单根光纤的传输能力把当今计算机网络的干线吞吐率（如10Gbps）提高了两个数量级，已经足以支持大、中城市的总话路数和有线电视节目传输的需要。这就使人们开始考虑能否将传统由物理上独立的三种网络（有线电视网络、电话交换网络和计算机网络）提供的服务集成到单个物理网络中，即通常所说的“三网合一”。

由于在过去的30多年中，Internet在全球获得了广泛的应用并取得极大的成功，实际上形成了“一切通过IP” (Everything Over IP) 的网络互联格局，因此，人们自然地把未来实现综合业务数字网或“三网合一”的希望寄托于Internet技术。

资源预留难解“高效之渴”

高速、高效交换与服务质量保障给Internet带来了巨大挑战。

Internet是在通信线路数据传输速率较低（几Kbps至数十Kbps）、误码率较高（10－5～10－6）、以传输文本数据为主的应用背景下出现的技术，因此，其体系结构必然打上了这一历史的烙印。在以文本数据传输为主的低速网络交换环境中，Internet通信子网（Sub-network）的用户数据传输与交换平台的“三层结构”（物理层、数据链路层、网络层）并未显现出明显的不足。但是，随着网络干线速率的提高（从Kbps提高到Gbps数量级，并正迈向Tbps）以及多媒体数据在Internet应用数据中所占比重的增加，三层用户数据传输与交换平台以及IP的无连接服务方式明显地表现出处理效率低下、不适应高速交换需要的缺点，并且难以保障实时音、视数据流的服务质量。

音、视频数据流对网络传输与交换的服务质量要求与文本数据的要求有很大的区别: 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(Data Rate)和传输数据抖动(jitter)等方面的要求则远高于文本数据。例如，典型MPEG-II压缩的影像节目的传输速率为1.4 Mbps，可容忍的端到端的传输时延变化（抖动）为5～10毫秒，而可容忍的分组丢失率为0.1%; VoIP可容忍的抖动为40ms，分组丢失率为4％。由于实时性要求较高，比特错或分组丢失很难用端到端重传的方式来弥补。而文本数据通常没有固定的传输速率要求，可容忍秒级、甚至数十秒级的时延和抖动，只是对文本内容正确性的要求相对较高。但是，由于文本数据的实时性要求低，即使在误码率较高的通信环境中也可以采用端到端检错（比特错或丢失）重传的方式来满足内容正确性的要求。

过去的10多年来，Internet学界和工业界一直试图通过在IP层之上预留所需要的资源的方式，为单个数据流提供所谓的“集成服务”(Integrated Service)，或为一类数据流提供所谓的“区分服务”(Differentiated Service)来改进Internet的服务质量。然而，由于多数可量化的服务质量参数本质上是物理层通信性能的度量值，在Internet的多层用户数据传输与交换的IP平台上进行资源预留，在IP层除了预留缓存并利用数据链路层和物理层提供的服务质量保障机制外，尚不能直接控制相关服务质量参数值。

不幸的是，Internet中的主流数据链路层协议并不具备足够的服务质量支持机制。例如: 点到点协议（PPP）只能够为网络层提供一个共享的数据链路信道，对数据服务也未定义任何优先级别; 无连接Ethernet MAC协议，尽管后来增加了8级数据优先级别，但并未界定应当由谁来和如何确定优先级别。即使数据链路层具有相关的机制，最终还是取决于物理层是否具备控制相关参数的机制。这就是为什么迄今为止，基于资源预留的集成服务与区分服务都收效甚微，最多只能在轻负载情况下部分地改进服务质量的原因。

MPLS: 并非万精油

MPLS在服务质量保障问题上与IP面临同样困难。

IETF借用了综合业务数字网（B-ISDN）和帧中继所采用的 “带外信令控制”(Out-band Signaling) 的思想，在CISCO公司提出的Tag Switching的基础上制订了多协议标签交换（MPLS - Multi-Protocol Label Switching）技术文本。MPLS将Internet的网络层及高层功能限制于通信子网的“信控、管理平台”（Signaling & Management platform, 简称S&M平台）内，即传输控制信息（与呼叫、路径有关信息）和管理信息的协议平台，以保持与Internet的互通，而将用户数据的传输与交换平台（User-data transfer & switching platform, 简称U平台）简化为增强型的两层结构（数据链路层之上增加标签交换子层），在一定程度上提高了交换效率。MPLS为用户提供面向连接的服务，其S&M平台利用Internet中的IP寻址和路径信息交换协议，为一对或多对用户间的数据流建立一条端到端的（独享或共享）通路; 这条通路将被映射为U平台上的标签交换通路（LSP － Label Switched Path），由节点间的标签（Label）来标识。

MPLS隐含了“标签子层之下的数据链路层具备提供类似于区分服务的传输与交换能力”的假定并将该能力划分为多个“前传等效类”（FEC－Forward Equivalence Class），认为只要将标签与FEC挂钩，即可给该标签交换通路（LSP）上的数据流提供相应类别的服务。

迄今为止， MPLS在ATM+SDH通信子网之上应用相当成功。事实上，即使没有MPLS，ATM+SDH本身已经具有良好服务质量保障机制，因此，这一成功很难归功于MPLS。而如果将MPLS应用于点到点协议（PPP）和园区网中使用率高于95％的Ethernet MAC之上，由于数据链路层和物理层都不具备相应的服务质量保障机制，除非首先改进数据链路层的服务之来年国保障支持机制，否则效果很难达到预期的目的。以服务质量参数吞吐率（Throughput）为例，在ATM之上应用MPLS之时，标签被映射为ATM信元头中的虚通路标识符（VPI）和/或虚电路标识符（VCI）; 由于其物理层的SDH(同步数字体系结构)采用时分复用（TDM）技术，只要为该VPI/VCI标识的数据流分配足够的时槽（Timeslot）数，对应的标签所标识的数据流就能够获得要求的数据吞吐率。

事实上，在ATM之上实现MPLS时，是将标签映射为ATM信元中的VPI或VCI。从这种意义上讲，ATM之上的MPLS子层既未增加任何新的服务特征，又在一定程度上增加了节点的处理强度，降低了效率。至于其他服务质量参数，如传输时延、抖动和数据丢失率等，主要取决于交换节点采用的交换机制、仲裁机制与队列调度算法，而与是否采用MPLS并无直接的关系。从这种意义上讲，MPLS本身并不具备改善服务质量保障的能力，它所面临的难点与Internet中IP层之上的资源预留和集成/区分服务没有本质的区别。

IETF和ITU试图将MPLS进一步推广为通用的交换机制，覆盖包括分组交换、波长交换在内的物理通信子网，以屏蔽各类通信子网的差异，这就是通用MPLS (GMPLS)。可以预见，针对不同实际通信子网交换机制，由于服务质量保障措施以及传输与交换粒度的差异，GMPLS在服务质量的保障问题上将面对更为严峻的挑战。

从上面简单的讨论可以看出: MPLS在服务质量保障问题上，除了对用户数据平台有所简化外，由于MPLS自身并无直接控制服务质量的机制，必须依靠现有数据链路层和物理层的服务质量保障机制，因此，它在服务质量保障方面所面对的问题与IP在Internet的三层U平台上解决相关问题的难度几乎相同。

数据链路层: 能否简化？

Internet的IP与标签子层均不具备直接控制许多表征物理层性能的服务质量参数的能力，而只能利用数据链路层和物理层提供的支撑机制间接地控制。这就给人们提出一个问题: 能否对U平台进一步简化以直接获得控制服务质量参数能力，以便提供服务质量能够得到保障的、高效的传输与交换服务？

ISO的开放式系统互联参考模型（OSI/RM）设置数据链路层的初衷是: 首先，在通信误码率较高的历史条件下，为了避免因传输错误而重传整个文件，通过分帧减少重传的数据量; 其次，以帧为基础为网络层的多个用户提供对物理传输信道进行复用的机制。采用两层U平台交换结构时，数据链路层“以帧为基础”实现对物理信道的复用，并在交换节点内以帧为基础进行交换。

对现有的多种通信子网的分析还表明: 许多网络中,“分帧”的功能不但出现在数据链路层中，而且也出现在物理层中。例如: ADLS、PDH和SDH都定义了物理帧的格式，并利用物理帧作为复用与解复用的手段向上提供服务。在数据链路层和物理层中分别定义帧造成功能上的重复，由于各层定义帧的出发点不同，造成帧的格式和大小不同，因而不得不在层间进行格式适配（分割与重组）。不难想象: 如果将两层的重复的“分帧”功能合并，就有可能免除在层间不同帧之间进行适配的需要，从而提高数据传输与交换效率。

另一个支持不设独立的数据链路层的理由是: 现代光纤通信技术的误码率比传统电话线的10－6降低了6个数量级（10-12）。而少量的比特出错和少量的数据丢失对实时音、视频数据流的影响较小，因此，按照传统的数据链路层逐级（Hop-by-hop）或端到端检错后重传已经没有必要，OSI/RM中数据链路层的检错重传功能的重要性已经大大降低。事实上，帧中继就是在低误码率的通信条件下放弃数据链路层逐级检错后重传的典型代表。除了文本文件传输中还需要采用TCP检错后进行远程端到端重传外，对音、视频数据流端到端检错重传已经完全失去了实际价值（注: 光波在光纤中的传输速度为20万公里/秒，传输500公里在光纤中的时延为2.5ms,即使不考虑节点处理传输时延，仅正向传输加反向检错通知的双向传输时延即为5ms，超出了实时视像数据容许的传输时延）。对文本数据的传输，在光通信环境中不再逐级检错而仅保留端到端检错重传功既能够满足正确性要求较高场合的需要，也有利于减少节点上的检错处理时延。

从上面的分析可以看出: 光通信环境中对实时音、视频数据的传输的“检错”已经不再重要，因此在未来以光通信为主题的骨干网体系结构中，设置独立的数据链路层的价值已不复存在。如果将数据链路层的“分帧”和对物理信道的复用机制融于物理层之中并进一步将物理层的复用机制与交换机制相结合，就有可能将OSI/RM中下两层合并为单层的用户数据传输与交换平台，而服务质量保障问题也就直接简化为物理层的问题了。

网络底三层“瘦身”

要构建单物理层用户数据传输与交换平台必须将分帧、信道复用与交换功能融于同一协议层次之中。为了适应不同类别（实时音、视频数据流与正确性要求较高的非实时文本数据）的传输服务质量的需要，必须在该平台中嵌入不同服务质量保障机制，以便根据不同服务质量的需求提供不同的服务。该平台必须是高效的交换平台，能够适应数十、甚至上百Gbps的单波长速率的传输与交换的需要。

对恒速率（CBR，Constant Bit Rate）数据，例如未压缩的实时电视节目流，该平台必须具备确保需要的吞吐率的机制，实践表明时分复用技术是在高速信道中提供多粒度复用机制的有效手段; 为了满足实时音、视频数据在传输时延、抖动等方面的要求，交换节点的性能参数必须具有确定性（Deterministic）。对于变速率（VBR，Variable Bit Rate）的实时性数据，在服务提供上应当具有更大的灵活性，以满足承诺的可变速率范围。因此，对多个数据流在界定的传输能力内采用统计复用是一种可行的选择。对于以文本数据为代表的可用速率（ABR，Available Bit Rate）的数据流，类似目前Internet的“尽其所能”的服务方式仍然是一种可用的选择。换言之，下一代Internet的网络体系结构需要一个功能灵活、高效、服务质量能够得到保障的单物理层用户数据传输与交换平台。

ITU目前有关自动交换光网(ASON －Automated Switching Optical Network) 和自动同步光传输网络 (ASTN - Automated Synchronous optic Transport Network)是基于波长交换的标准。由于目前波长速率可高达80 Gbps或160Gbps, 波长交换的粒度太粗，缺少波长速率内的向下复用机制，只能统计复用波长传输能力。

SDH技术是在单光纤、单波长环境中，具有多粒度的时分复用功能的物理层通信技术，可靠性高，但自身结构较为复杂（从上到下由直接提供用户典型业务的电路子层、支持不同电路层的通路子层和负责节点间信息传输和与介质传输功能的传输子层组成），应用于密集波分复用环境中成本较高。此外，其物理帧时槽的“净荷部分”为261字节，与目前95％以上的用户域网采用的以太网MAC帧（最大长度1530字节）接口，需要装拆适配。

光突发数据交换（OBS－Optical Burst Switching）技术曾经受到学术界广泛重视，但是由于光域中缺少处理能力和缓存能力，数据丢失与信道利用率之间的矛盾较难克服。即使采用带外信令控制思想在专用波长信道上经光电转化，利用电控方式提前将需要的输入、输出波长接通，在确保任一时刻相应的输出波长可用方面仍然不能得到保障，因此，仍可能造成突发数据的丢失。如果在传输突发数据前事先建立一条端到端的波长通路，则信道利用率可能大大下降。相关计算表明，在40Gbps的波长速率条件下，端到端传输距离为500公里时，采用事先建立波长通路的方法，即使不考虑该通路成功建设的概率，信道利用率可能降低至8％。

EPFTS与SUPANET

西南交通大学四川省网络通信技术重点实验室从2000年开始着手研究下一代Internet的体系结构，即单物理层用户数据传输平面体系结构网络SUPA(Single physical layer User-data transfer & switching Platform Architecture)及其关键交换技术――面向以太网的“物理帧时槽”交换 (EPFTS - Ethernet-oriented Physical Frame Timeslot Switching）技术。SUPANET的服务质量保障体系由U平台与S&M平台的相关机制共同组成。

1．S&M平台的服务质量保障机制

SUPANET为用户提供两类面向连接的服务：永久虚线路（PVL－ Permanent Virtual Line）服务和交换虚线路（SVL－ Switched Virtual Line）服务。前者类似于电视广播服务或电话热线服务，不需要经过连接建立过程即可直接传输数据；后者需要经历建立连接阶段、数据传输阶段和连接拆除三个阶段来完成。其S&M平台的服务质量保障机制包括服务质量协商机制、基于服务质量的波长路由协议、呼叫请求入网控制协议和流量监控与交换协议。

2. U平台的服务质量保障机制

S&M平台的服务质量保障机制是与服务质量相关的宏观调控机制，但用户数据的传输与交换服务质量的保障还必须直接依靠各种服务质量保障机制来具体实现。该平台的服务质量保障机制包括：

与吞吐率相关的服务质量保障机制

配额（Quota）机制

对不同数据流的配额机制用于限制单个输出波长上不同服务质量需求的数据流的总吞吐率，其控制算法与策略属于信控、管理平台的机制，服务质量协商阶段将利用该类数据的剩余配额（Residual Quota）是否满足请求的数据吞吐率作为路径选择的依据之一。

用户数据入网控制（UAC－User-data Admission Control）

QoSNP协商结果将包括三个参数（承诺的平均数据传输率CIR、承诺的突发数据率CBR和额外的突发数据率EBR）、相关输出端口的网络拥塞状态字（NCSW－Network Congestion Status Word）和准许入网速率。

与传输时延、抖动等服务质量相关的机制

决定单个节点时延、抖动的因素主要取决于交换机的交换结构、仲裁调度机制、排队机制、端口/波长速率与数量以及多端口外部数据到达速率及分布规律。SUPANET的用户数据平台引入了多输入单输出复用直传结构（NISO-MEFS），因此，对每个NISO-MEFS的数据排队与仲裁调度问题得到简化，对传输时延及其变化（即抖动）的控制相对容易。

作者介绍

黄华 (hszeng@home.swjtu.省略），英国伦敦大学计算机科学博士，现任西南交通大学信息科学与技术学院教授、博士生导师，计算机应用与信息系统研究所所长，四川省网络通信技术重点实验室主任。

他为英国NPL设计的网关被载入大英图书馆出版的“The Legacy of Tuning”一书; 他提出的穿越测试法(Transverse Test Method)被国际标准化组织ISO在ISO/IEC JTC IS 9646中作为网络中继系统（路由器）的两种标准测试方法之一。