CN1246013A - 一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装,针对现有技术:不支持低阶虚容器的应用、硬件转发部分处理开销太大、用于光的包交换代价太高、重发定时器的值没有明晰的定义和填充功能导致效率很低等不足加以改进,提出了SDH链路接入规程等技术,通过把Ipv4和Ipv6包头中的版本字段随原语作为参数映射到第2层来实现多协议的封装,用类似方法可支持包括英特网协议第四版和第六版在内的250多种协议。

Description

一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装

本发明涉及英特网的数据传送领域，它是一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装方法，主要用于核心交换路由器，边缘交换路由器，基于包交换的高低端交换机，用户端综合接入设备和与英特网有关的互连互通设备等。

现用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装，有“点对点协议”(英文缩写PPP)。在英特网工程任务组(英文缩写IETF)，把它规定为(代号)RFC1619(RFC是请求评论，英文RequestFor Comments)，它可以封装三十多种网络协议，含有用于英特网的”英特网协议第四版(英文IPV4)，这种协议适配方法通过MODEM上网是成功的，还有防火墙，但若用于同步光网络(英文缩写SONET)或同步数字体系(英文缩写SDH)上，就存在一些不足和缺陷。主要表现在：

(1)RFC1619的帧封装由点对点协议和高级同步数据链路规程两项完成，对上层协议的封装由PPP帧中的“协议字段(8/16比特)”完成；

(2)对于低阶虚容器(英文缩写LOVC)的应用，没有帧封装标准支持，导致IP over SDH不能用于英特网边缘接入；

(3)对于每秒2.5千兆比特及其以上速率，开发设备时硬件转发部分开销太大，用于“英特网协议(英文缩写IP)直接在波分复用光缆网(英文缩写IP over WDM)”上运行时，更是如此，因为RFC1619规定：推荐使用“链路控制协议(英文缩写LCP)”和魔数(英文表述为Magic Number)。这两项比较复杂；

(4)采用RFC1619时，因为PPP是需要建立连接的，重发定时器的默认值在PPP中定为3秒。对于高速链路，这种方法过于迟钝。对于具体工程应用，应要求支持从每秒2兆比特到每秒10000兆比特的速率范围全部(约差4032倍)。所以重发定时器的值应根据线路往返的时延确定。这些在RFC 1619中都没有作出规定，从而在不同厂家的设备互连时会出现不确定性；

(5)填充功能(英文表述为Padding Function)，PPP的信息字段一般要填充到最大接收单元(英文缩写MRU，在英特网上一般规定为1500字节)。对于一般的英特网数据包，如浏览器(英文表述为WWW)上网的应用(该种应用约占整个英特网应用的75％)，平均数据包长度是330字节，这样有平均约350％是在做无用功，效率很低。另外，这个填充字段在接收端还需要一个功能来区分哪些是信息字段，哪些是填充字段。这又增加了处理开销；

(6)链路控制协议(英文缩写LCP)的整个规程包括10种配置数据包(英文表述为configurationpacket)、16种状态事件(英文表述为Event)和12种动作(英文表述为Action)，把这些复杂的机理用于光的包交换(光---光)是很难实现的。即使做出来了，代价也太高。

本发明的目的是，针对现有帧封装技术存在的不足和缺陷加以改进，并提出和设计出适用于各种情况的一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装；本发明的构想是在英特网协议(英文缩写IP)和同步数字体系(英文缩写SDH)之间只保留面向字节的SDH链路接入规程(英文缩写LAPS)，用多服务访问点代替地址字段，实现多协议封装，可以支持从低阶虚容器到高阶虚容器(包括级联)的全部速率范围，也特别适合用到光的包交换接口，没有任何协议的不确定性，本构想不仅能解决新的设备开发和运营问题，而且为我国现有的上千亿元电信传输资源找到了一条非常好的出路。

本项发明的技术解决方案是，把Ipv4和Ipv6包头中的版本字段作为参数随原语从第3层映射到第2层(LAPS)实现多协议的封装，用SDH链路接入规程(LAPS)一项要素代替“点对点协议”(PPP)和“高级数据链规程”(HDLC)两项要素组帧，解决英特网协议(IP)和同步数字体系(SDH)之间的融合及适配的帧封装，该帧封装同时支持英特网协议第四版(Ipv4)和英特网协议第六版(Ipv6)。

其特征在于，把Ipv4和Ipv6包头中的版本字段(Version)作为参数随原语从第3层映射到第2层(LAPS)实现多协议的封装，在英特网协议第四版(Ipv4)和英特网协议第六版(Ipv6)包头中均为4个比特，映射到第2层后作为服务访问点标识符(SAPI)的低四位比特，保持其原来的顺序和值不变，服务访问点标识符(SAPI)的高四位比特填“0000”，再把这一SAPI值放入LAPS帧的地址字段的位置。经过这一变换，便完成了LAPS对其上的多协议封装。

其特征在于，用SDH链路接入规程(LAPS)一项要素代替“点对点协议”(PPP)和“高级数据链规程”(HDLC)两项要素组帧，具体方案如下，所有的LAPS帧均以二进制码“01111110”起始和终止，直接位于地址字段之前的标志是起始标志，紧跟在帧校验序列(FCS)之后的标志为终止标志，在某些应用中，终止标志也可以作为下一帧的起始标志，所有的收端应能够接收一个或多个连续的标志，在帧与帧之间以标志填充；地址字段由一个八位组组成，比特排列的顺序为最低位在最右边(即比特1)，最高位在最左边(即比特8)，地址字段作为服务访问点标识符(SAPI)使用，完成LAPS对所有上层协议的封装，在接收端，根据这个字段的值来确定是哪一种协议，当第3层有IP包要发送时，首先调用“DL-UNACK-DATA请求(用户数据，版本字段，DS码点或IPv4业务类型字段)”原语，用户数据，版本字段和DS码点分别对应于三种参数，即在第3层IP包中的整个协议数据单元(PDU)、“版本字段”(Version)和“细分业务(Differentiated Services)码点或IPv4业务类型字段(TOS)”，把随原语映射下来的“版本字段”作为LAPS的服务访问点标识符(SAPI)，对于Ipv4和Ipv6，地址字段的低四位分别为(二进制)：“0100”和“0110”，与Ipv4和Ipv6数据包头中的版本号对应，它们的高四位填二进制“0000”，在地址字段的规定中，十进制数“4”表示对基于Ipv4的业务的封装，“6”表示对基于Ipv6的业务的封装，“255”作为广播地址，十六进制数“0x7e”和“0x7d”已有规定，其它还有250个值留作将来使用；控制字段由一个八位组组成，其值为0x03，所有的帧均作为命令帧使用，探寻/终止比特设为0，其它值保留将来功能扩充时使用；信息字段紧跟在控制字段之后，由整数倍的八位组组成，当第3层有IP包要发送时，首先调用“DL-UNACK-DATA请求(用户数据，版本字段，DS码点或IPv4业务类型字段)”原语，用户数据，版本字段和DS码点分别对应于三种参数，即在第3层IP包中的整个协议数据单元(PDU)、“版本字段”(Version)和“细分业务(Differentiated Services)码点或IPv4业务类型字段(TOS)”，把随该原语映射下来的“整个协议数据单元”作为LAPS的“信息字段”，在接收端，第3层利用“DL-UNACK-DATA指示(用户数据)”原语接应第2层转来的“信息字段”作为第3层的PDU；每个帧的尾部包含一个32比特的帧校验序列，用来检查帧通过链路传输时可能产生的错误，FCS由发送方产生，其基本思想是通过对完全随机的待发送的比特流计算产生32比特的冗余码(即FCS)，附于帧的尾部，使得帧和FCS之间具有相关性，在接收端通过识别这种相关性是否被破坏，来检测出帧在传输过程中是否出现了差错，FCS生成多项式为：

G(x)＝x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1计算范围从一个帧的开始标志之后的第一个比特起，到FCS之前的最后一个比特止，总比特数为m，作为数据多项式Q(x)，其中需还原因透明性传输引起的转换(不应包括因透明性的需要而插入八位组)，FCS是一个32比特的序列，它的值是下列两个余数的模2和的反码，

----x^m*(x³¹+x³⁰+......+x²+x+1)/G(x)的余数

----x^32*Q(x)/G(x)的余数将上述过程产生的FCS加Q(x)之后发送出去，在接收端，把两个标志之间的全部比特序列称M(x)，按下式计算，[x^(m+32)*(x³¹+x³⁰+......+x²+x+1)+x^32*M(x)]/G(x)，其中m+32为M(x)序列的长度，如果M(x)＝Q(x)+FCS，则传输无差错，否则，就认为传输有差错：在帧结构中，每一八位组的比特排列顺序为水平显示，比特排列的顺序为最低位在最右边(即比特1)，最高位在最左边(即比特8)，多个八位组沿垂直方向排列，最上面的八位组编号为”1”，依次递增为“2”...“N”，在这一结构中，某一比特可以以(o，b)标识，o表示八位组的顺序编号，b表示在一个八位组内比特的顺序编号，在一个八位组内比特8最先发送，而在一个帧结构中，八位组的发送顺序为1，2...N(从小到大递增)，不过，FCS的4个字节是一个例外，具体说就是，FCS的第1个八位组的编号为1的比特是FCS长字的最高位，FCS的第4个八位组的编号为8的比特是FCS长字的最低位；LAPS的无效帧有以下几种：

1)由两个标志产生的不妥当的定界的帧，

2)两个标志的帧长小于6个八位组的帧，

3)包含有FCS错误的帧，

4)服务访问点标识符(SAPI)不匹配或收端不支持的帧，

5)包含有不确定的控制字段的帧，

6)以多于6个“1”结束的帧，无效帧将被丢弃，不通知发送方，也不产生任何动作；在发送端，LAPS帧映射到同步净荷封包(SPE)之前需用(x⁴³+1)多项式进行扰码，同样在收端，从SPE取出净荷之后要用(x⁴³+1)多项式进行解扰才能作为LAPS帧进行下一步处理，用(x⁴³+1)多项式进行扰码和解扰是必须的，高阶虚容器信号标记用十六进制数”18H”指示“已用(x⁴³+1)多项式进行扰码的LAPS”，低阶虚容器信号标记用二进制数”101”指示“已用(x⁴³+1)多项式进行扰码的LAPS”。

本发明的优点，相对于已有的RFC1619，具有以下创新：

(1)目前国外一些厂商按照英特网工程任务组(英文缩写IETF)提出的PPP over SONET/SDH(即RFC 1619，SONET是指北美的同步光网络)开发，就RFC 1619本身而言，链路层有PPP(点对点协议)和HDLC(高级数据链路规程)两种协议，比较复杂，把它用于每秒2.5千兆比特以上速率时硬件开销太大，相比之下本发明只采用一个LAPS要素，其难易程度与HDLC相当，省去了PPP中的复杂的“链路控制协议(英文缩写LCP)”和魔数(英文表述为Magic Number)机制，所用的协议适配之开销大大减小；

(2)RFC 1619目前尚不支持SDH的低阶虚容器，这样PPP over SONET/SDH的应用推广到Internet边缘层或靠近用户側的综合接入时没有标准支持，相比之下本发明对低阶虚容器完全能支持，既简单，又完整；

(3)采用RFC1619时，因为PPP是需要建立连接的，重发定时器的默认值在PPP中定为3秒。对于高速链路，过于迟钝，对于具体工程应用，应要求从每秒2兆比特到每秒10000兆比特的速率范围全部支持，所以重发定时器的值应根据线路往返的时延确定，这些在RFC 1619中都没有作出规定，从而在不同厂家的设备互连时可能会出现不确定性，相比之下本发明采用不确认式信息传送服务方式，不需要建立连接，也不需要使用重发定时器，不会出现任何对等实体之间通信的不确定性，从每秒2兆比特到每秒10000兆比特的速率范围的应用全部支持；

(4)关于填充功能的使用，PPP的信息字段一般要填充到最大接收单元(英文缩写MRU，在英特网上一般规定为1500字节)，对于一般的英特网数据包，如浏览器(英文表述为WWW)上网的应用(该种应用约占整个英特网应用的75％)，包长度是平均为330字节，这样平均有约350％是在做无用功，效率很低；另外，这个填充字段在接收端还需要一个功能来区分哪些是信息字段，哪些是填充字段，这又增加了处理开销，相比之下本发明与填充功能无关，对于任何英特网应用，没有这种无用功；

(5)LCP的整个规程包括10种配置数据包(英文表述为configuration packet)，16种状态事件(英文表述为Event)，12种动作(英文表述为Action)，把这些复杂的机理用于光的包交换(光---光)是很难实现的。即使做出来了，成本也太高。相比之下，本发明没有这些配置数据包，状态事件和动作，可以很容易地用于光的包交换(光---光)；

(6)本发明已考虑到目前正在使用的Ipv4和即将使用的Ipv6，用统一的LAPS机理来支持，具有很好的现实应用特点和将来的可扩展性；

通俗地说，本发明是以非常简炼的，快捷的和廉价的方式解决英特网到SDH电信传输的协议适配，用SDH链路接入规程一项要素代替“点对点协议(英文缩写PPP)和高级数据链规程(英文缩写HDLC)两项要素，来支持英特网协议第四版(英文缩写Ipv4)和英特网协议第六版(英文缩写Ipv6)在SDH上的应用。

图1，本发明所提出的构想示意图

图2，本发明所提出的LAPS的帧结构

图3，本发明所提出的用(x⁴³+1)多项式扰码和解扰的示意图

图4，本发明在全国IP over SDH核心层组网应用构想图

图5，本发明在省内IP over SDH核心层组网应用构想

下面，根据附图描述本发明的实施例。

本发明所提出的设想主要用于核心交换路由器，边缘交换路由器，基于包交换的高低端交换机，用户端综合接入设备和与英特网有关的互连互通设备等。本发明的应用框架见图1，即本发明所提出的构想示意图，其中在网络层采用英特网协议(IP)(包括Ipv4和IPv6)，链路层采用SDH链路接入规程(英文缩写LAPS)，物理层采用同步数字体系(SDH)，主要包括各类高阶和低阶虚容器。在这个框架中，第2层向第3层提供的服务访问点有两个，分别供基于IPV4的数据包和基于IPV6的数据包使用。它们的服务访问点标识符(SAPI)分别是十进制数”4”和”6”。在第3层IP包中的整个协议数据单元(英文缩写PDU)、“版本字段”(英文Version)、细分业务(英文DifferentiatedServices)码点或IPv4业务类型字段(英文缩写TOS)，在发送时作为原语的参数映射到第2层。在第2层，把映射下来的PDU作为LAPS的信息字段；把映射下来的版本字段作为服务访问点标识符(英文缩写SAPI)，并转为LAPS的地址字段；把映射下来的细分业务码点或IPv4业务类型字段作为一种依据，控制队列算法。在第2层采用不确认式信息传送服务(UITS)，它与第1层也通过相应的服务访问点用原语和参数交互。图2是本发明所提出的LAPS的帧结构，最上面的那个八位组为LAPS帧的开始标志，其值规定为二进制数“01111110”，紧接着是地址字段，一个八位组长，它的值即为Ipv4或Ipv6的帧格式的“版本字段”，操作时作为参数随“DL-UNACK-DATA请求”原语从网络层映射而来。图3是本发明所提出的用(x⁴³+1)多项式扰码和解扰的示意图，虚框中围起的部分是一个43比特移位寄存器，圆圈部分表示为一个异或逻缉电路，按图中的逻缉关系，从“扰码前的数据流输入”到“扰码后的数据流输出”即可完成扰码功能；从“扰码数据流输入”到“解扰后的数据流输出”即可完成解扰功能。也可以采用从D1到D43移位的移位寄存器，但相应的逻缉关系也应作调整。图4是本发明在全国IP over SDH核心层组网应用构想图，这个例子以目前中国8×8 SDH或波分复用(英文缩写WDM)干线传输网为现有资源举例，白色界面的计算机表示现有的传输网网管；在各个节点城市采用具有IP over SDH接口的核心交换路由器后，可以形成一个四通八达的包交换核心网，黑色界面的计算机表示即将布局的核心交换路由器网的网管。图5是本发明在省内IP over SDH核心层组网应用构想，其中黑圆圈表示基于IP over SDH设备的核心路由交换设备，小白圆圈表示基于IP over SDH设备的支线路由交换设备，REG为再生中继器，ADM为分插复用器，LAN为局域网；目前各省多半以SDH环型组网，这个例子以目前中国各省SDH环网或波分复用系统(英文缩写WDM)干线传输网为现有资源举例：在省内的各个地市节点城市采用具有IP over SDH接口的核心交换路由器后，可以形成一个在省内四通八达的包交换核心网。

Claims (3)

1.一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装，把Ipv4和Ipv6包头中的版本字段作为参数随原语从第3层映射到第2层(LAPS)实现多协议的封装，用SDH链路接入规程(LAPS)一项要素代替“点对点协议”(PPP)和“高级数据链规程”(HDLC)两项要素组帧，解决英特网协议(IP)和同步数字体系(SDH)之间的融合及适配的帧封装，该封装同时支持英特网协议第四版(Ipv4)和英特网协议第六版(Ipv6)。

2.根据权利要求1所述的一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装，其特征在于，把Ipv4和Ipv6包头中的版本字段(Version)作为参数随原语从第3层映射到第2层(LAPS)实现多协议的封装，在英特网协议第四版(Ipv4)和英特网协议第六版(Ipv6)包头中均为4个比特，映射到第2层后作为服务访问点标识符(SAPI)的低四位比特，保持其原来的顺序和值不变，服务访问点标识符(SAPI)的高四位比特填“0000”，再把这一SAPI值放入LAPS帧的地址字段的位置。经过这一变换，便完成了LAPS对其上的多协议封装。

3.根据权利要求1所述的一种用于英特网与同步数字体系融合的适配方法的帧封装，其特征在于，用SDH链路接入规程(LAPS)一项要素代替“点对点协议”(PPP)和“高级数据链规程”(HDLC)两项要素组帧，具体方式如下，所有的LAPS帧均以二进制码“01111110”起始和终止，直接位于地址字段之前的标志是起始标志，紧跟在帧校验序列(FCS)之后的标志为终止标志，在某些应用中，终止标志也可以作为下一帧的起始标志，所有的收端应能够接收一个或多个连续的标志，在帧与帧之间以标志填充；地址字段由一个八位组组成，比特排列的顺序为最低位在最右边，即比特1，最高位在最左边，即比特8，地址字段作为服务访问点标识符(SAPI)使用，完成LAPS对所有上层协议的封装，在接收端，根据这个字段的值来确定是哪一种协议，当第3层有IP包要发送时，首先调用“DL-UNACK-DATA请求(用户数据，版本字段，DS码点或IPv4业务类型字段)”原语，把随原语映射下来的“版本字段”作为LAPS的服务访问点标识符(SAPI)，对于Ipv4和Ipv6，地址字段的低四位分别为二进制：“0100”和“0110”，与Ipv4和Ipv6数据包头中的版本号对应，它们的高四位填二进制“0000”，在地址字段的规定中，十进制数“4”表示对基于Ipv4的业务的封装，“6”表示对基于Ipv6的业务的封装，“255”作为广播地址，十六进制数“0x7e”和“0x7d”已有特定用途，其它还有250个值留作将来使用；控制字段由一个八位组组成，其值为0x03，所有的帧均作为命令帧使用，探寻/终止比特设为0，其它值保留将来功能扩充时使用；信息字段紧跟在控制字段之后，由整数倍的八位组组成，当第3层有IP包要发送时，首先调用“DL-UNACK-DATA请求(用户数据，版本字段，DS码点或IPv4业务类型字段)”原语，用户数据，版本字段和DS码点分别对应于三种参数，即在第3层IP包中的整个协议数据单元(PDU)、“版本字段”(Version)和“细分业务(Differentiated Services)码点或IPv4业务类型字段(TOS)”，把随该原语映射下来的“整个协议数据单元”作为LAPS的“信息字段”，在接收端，第3层利用“DL-UNACK-DATA指示(用户数据)”原语接应第2层转来的“信息字段”作为第3层的PDU；每个帧的尾部包含一个32比特的帧校验序列，用来检查帧通过链路传输时可能产生的错误，FCS由发送方产生，其基本思想是通过对完全随机的待发送的比特流计算产生32比特的冗余码(即FCS)，附于帧的尾部，使得帧和FCS之间具有相关性，在接收端通过识别这种相关性是否被破坏，来检测出帧在传输过程中是否出现了差错，FCS生成多项式为：

G(x)＝x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1计算范围从一个帧的开始标志之后的第一个比特起，到FCS之前的最后一个比特止，总比特数为m，作为数据多项式Q(x)，其中需还原因透明性传输引起的转换(不应包括因透明性的需要而插入八位组)，FCS是一个32比特的序列，它的值是下列两个余数的模2和的反码，

----x^m*(x³¹+x³⁰+......+x²+x+1)/G(x)的余数

----x^32*Q(x)/G(x)的余数将上述过程产生的FCS加Q(x)之后发送出去，在接收端，把两个标志之间的全部比特序列称M(x)，按下式计算，[x^(m+32)*(x³¹+x³⁰+……+x²+x+1)+x^32*M(x)]/G(x)，其中m+32为M(x)序列的长度，如果M(x)＝Q(x)+FCS，则传输无差错，否则，就认为传输有差错；在帧结构中，每一八位组的比特排列顺序为水平显示，比特排列的顺序为最低位在最右边(即比特1)，最高位在最左边(即比特8)，多个八位组沿垂直方向排列，最上面的八位组编号为”1”，依次递增为“2”...“N”，在这一结构中，某一比特可以以(o，b)标识，o表示八位组的顺序编号，b表示在一个八位组内比特的顺序编号，在一个八位组内比特8最先发送，而在一个帧结构中，八位组的发送顺序为1，2...N(从小到大递增)，不过，FCS的4个字节是一个例外，具体说就是，FCS的第1个八位组的编号为1的比特是FCS长字的最高位，FCS的第4个八位组的编号为8的比特是FCS长字的最低位；LAPS的无效帧有以下几种：

1)由两个标志产生的不妥当的定界的帧，

2)两个标志的帧长小于6个八位组的帧，

3)包含有FCS错误的帧，

4)服务访问点标识符(SAPI)不匹配或收端不支持的帧，

5)包含有不确定的控制字段的帧，

6)以多于6个“1”结束的帧，无效帧将被丢弃，不通知发送方，也不产生任何动作；在发送端，LAPS帧映射到同步净荷封包(SPE)之前需用(x⁴³+1)多项式进行扰码，同样在收端，从SPE取出净荷之后要用(x⁴³+1)多项式进行解扰才能作为LAPS帧进行下一步处理，用(x⁴³+1)多项式进行扰码和解扰是必须的，高阶虚容器信号标记用十六进制数”18H”指示“已用(x⁴³+1)多项式进行扰码的LAPS”，低阶虚容器信号标记用二进制数”101”指示“已用(x⁴³+1)多项式进行扰码的LAPS”。

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