CN1691666A - 多协议通用线路传输方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据传输技术，公开了一种多协议通用线路传输方法及其装置，使得在多种业务共存的高速率数据网络中，能够达到高带宽利用率，实现数据可靠异步传输，同时提供高效的网络管理功能。这种多协议通用线路传输方法及其装置采用了通用物理通道帧格式对多协议的各种业务数据进行封装，该通用物理通道帧格式能直接适配在快速以太网的物理层，帧字节利用率高，因而应用于线路传输中大大提高了带宽利用率，同时对OAM帧的支持提供了网络运行管理维护功能，而标签栈的结构支持了嵌套技术；多业务复用提供了对多业务数据网络的支持；对网络层次结构进行了简化，增强了对多协议业务的支持。

Description

多协议通用线路传输方法及其装置

技术领域

本发明涉及数据传输技术，特别涉及多协议数据的点到点传输技术。

背景技术

近几年来，公用数据通信网也获得巨大的发展，先后建立了分组数据网(X.25)、

数字数据网(Digital Data Networks，简称“DDN”)、综合业务数据网(Integrated Service Data Networks，简称“ISDN”)、帧中继(Frame Relay，简称“FR”)和异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，简称“ATM”)宽带数据网。公用数据网的整体水平显著提高，各类数据网用户增长迅猛，特别是国际互联网得到了长足的发展。

这诸多数据网络中采用的底层线路技术主要有同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy，简称“SDH”)、以太网等。SDH是从(Plesiochronous Digital Hierarchies，简称“PDH”)过渡而来的。PDH最早应用在市话中继等语音业务中，适用于点对点的传输，随着传输系统容量的迅速发展，更多的电路被集中到少数传输系统上，暴露出PDH技术的不足：逐级复用造成上下电路复杂而不灵活，预留开销很小，不利于网络运行管理和维护，使得PDH技术不适于同步网传输。而SDH技术是基于同步时分复用方式(Time Division Multiplex，简称“TDM”)，与PDH相比，SDH在宽带综合业务传输和网络运行管理方面有较大优势，更加适合现在宽带电信网络传输。而以太网技术主要应用在计算机局域网中，采用基于载波帧听和冲突监测技术的总线通信技术，实现数据的异步传输，方便于组网，成本低，但也存在不适用于高质量实时业务传输等缺点。

但在网络层，网际协议(Internet Protocol，简称“IP”)一直被看好，将成为未来数据网的主要网络层协议。

随着多种数据网络并存发展的态势，多种协议的数据交换网的发展成为焦点，最新发展起来的多种针对数据网络新需求的技术，特别是城域网中的如多协议标签交换(Multi Protocol Label Switching，简称“MPLS”)、光传输网(Optical Transport Networks，简称“OTN”)系列以及高容量的千兆以太网(Gigabyte Ethernet，简称“GE”)、弹性分组环(Resilient Packet Ring，简称“RPR”)等。总之，更多业务的综合传输，不同服务质量(Quality ofService，简称“QoS”)的提供，方便的网络运行管理维护机制，以及可靠的保护机制等，是下一代数据网络的发展方向。

MPLS是基于标记的IP路由选择方法，这些标记可以表示逐跳式或者显式路由，并指明QoS级别、虚拟专网(Virtual Private Networks，简称“VPN”)标志以及特定的传输方式等信息，MPLS采用简化的技术来完成第二、第三层的转换，因此加大了IP包的转发速度。

为适应新的数据网络需求，当前的线路传输技术主要有SDH/OTN、以太网等。SDH/OTN具有SDH本身所具备的操作管理维护(OperationAdministration Maintenance，简称“OAM”)功能，具有比较强的保护和恢复能力，可以在SDH的基础上实现各种业务的综合，可以按照波长根据发展需要进行扩容，缺点是各种业务信号在进入SDH后，缺乏像ATM那样的QoS保证，而且更致命的一点就是由于没有脱离SDH的TDM时隙交换方式，这使得SDH/OTN线路传输技术在多业务数据网中不能提供很高的带宽利用率。因为，由于多业务数据网中不同协议的实时性不同，复用中不可避免的会产生时隙空闲的情况，不能实现统计复用，这就限制了线路传输中的带宽资源利用率的提高，不利于下一代数据网络的发展。

以太网技术由于其简便特点在数据设备中被广泛采用。以太网的总线竞争机制基本实现了统计复用。随着数字处理技术的飞速发展，百兆、千兆、万兆等高速率以太网技术应运而生。百兆快速以太网的带宽作为城域骨干网还不够，而千兆以太网逐渐延伸到城域网的汇聚层，用作将小区用户汇聚到城域POP点，或者将汇聚层设备连接到骨干层。随着万兆以太网技术的出现，以太网技术在现在多业务高带宽数据网络中逐渐得到应用。

千兆、万兆以太网网络层主要分串行物理媒体层、物理介质相关子层(Physical Medium Dependent，简称“PMD”)、物理介质连接子层(PhysicalMedium Attachment，简称“PMA”)、广域网接口子层(Wide Area NetworkInterface Sublayer，简称“WIS”)、物理编码子层(Physical Coding Sublayer，简称“PCS”)、协调子层和媒体无关接口(Media Independent Interface，简称“MII”)，即千兆媒体无关接口(Gigabyte Media Independent Interface，简称“GMII”)和万兆媒体无关接口(10Gigabyte Media Independent Interface，简称“XGMII”)。

其中，PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。PMD是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上发送和接收信号。PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接口。和PCS子层的连接称为PMA服务接口。另外PMA子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐(定界)的符号定时时钟。WIS子层是可选的物理子层，可用在PMA与PCS之间，产生适配的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。PCS子层位于协调子层(通过GMII)和PMA子层之间。PCS子层完成将经过完善定义的以太网媒体接入控制层(Media Access Control，简称“MAC”)功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。PCS子层和上层RS/MAC的接口由XGMII提供，与下层PMA接口使用PMA服务接口。协调子层的功能是将XGMII的通路数据和相关控制信号映射到原始协议标签服务(Protocol LabelService，简称“PLS”)接口定义(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10Gbit/s的MAC和物理层间的逻辑接口。XGMII和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质上。

千兆以太网接口基本应用在点到点线路，不再共享带宽。千兆以太网与传统低速以太网最大的相似之处在于采用相同的以太网帧结构。万兆以太网技术与千兆以太网类似，仍然保留了以太网帧结构。通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度。所以就其本质而言，10G以太网仍是以太网的一种类型。这种低效率的封装格式直接导致了以太网技术的低带宽利用率等缺点。

另外，由于以太网的原设计是面向局域网的，网络管理功能较弱，传输距离短并且其物理线路没有任何保护措施。当以太网作为广域网进行长距离、高速率传输时必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。在现在多业务交换数据网中，以太网技术还缺乏便捷高效的网络OAM功能。

可见，目前的线路传输技术不能很好的适应新型网络业务下的高带宽利用率和高效可靠的网络管理的要求。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：SDH/OTN的TDM方式不可避免的产生空闲时隙的浪费，不能实现统计复用；千兆、万兆以太网则由于封装格式的冗长性以及过于简单的网络管理功能，使得目前的线路传输技术均不能得到理想的带宽利用率和强大的网络运行管理维护的功能。

造成这种情况的主要原因在于，SDH/OTN沿用了SDH的时分复用机制，在多种不同业务的数据网络中，不能保证时隙的充分利用；千兆、万兆以太网采用了低速率总线型传统以太网的封装格式，浪费了传输资源，而且由于以太网原始针对局域网涉及的，管理能力弱，不能很好的支持多业务数据网络。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多协议通用线路传输方法及其装置，使得在多种业务共存的高速率数据网络中，能够达到高带宽利用率，实现数据可靠异步传输，同时提供高效的网络管理功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种多协议通用线路传输方法，包含以下步骤：

在发送端，将多个业务流复用在一个数据流上，并根据通用物理通道数据帧的帧格式进行成帧处理；所形成的所述通用物理通道数据帧通过以太网物理层在物理媒质上传输；

在接收端，经过所述以太网物理层从所述物理媒质中提取得到所述通用物理通道数据帧；根据所述通用物理通道数据帧的帧格式进行帧解析处理，并解复用得到多个所述业务流数据。

其中，所述通用物理通道数据帧按照码流发送顺序包含：可选的前导字段、可选的帧起始定界符字段、可选的协议指示符字段、可选的标签字段、净荷字段和帧校验序列字段；

其中，所述前导字段用于收发双方进行帧同步，所述帧起始定界符字段用于指示数据帧的开始，所述协议指示符字段用于指示所承载数据的协议类型，所述标签字段用于业务复用和鉴别，所述净荷字段用于承载协议数据，所述帧校验序列字段用于对数据帧进行检错纠错校验。

所述通用物理通道数据帧包含由连续的多个所述标签字段组成的标签栈，用于实现多协议嵌套传输。

所述标签字段包含标签标识、优先级、栈底、生存时间四个子字段；

其中，所述标签标识子字段用于标识多业务网络中的不同业务流；所述优先级子字段用于指示所承载业务流的优先级；所述栈底子字段用于指示本标签是否为所述标签栈的栈底；所述生存时间子字段用于指示该数据帧在网络中存活时间。

所述标签字段还用于指示网络操作管理维护信息帧。

所述前导字段长为7个字节，每个字节内容为二进制的“10101010”；

所述帧起始定界符字段长为1字节，内容为二进制的“10101011”。

所述协议指示符字段长为1字节，采用十六进制的“0x33”表示净荷为IPV4数据、“0x66”表示净荷为IPV6数据、“0x99”表示净荷为多协议标签交换马蒂尼草案业务数据。

本发明还提供了一种多协议通用线路传输装置，包含以太网接口模块、成帧模块和业务复用解复用模块，其中

所述以太网接口模块用于实现高速率以太网物理层的功能，完成对物理媒质的访问；

所述成帧模块用于对来自所述以太网接口模块的数据进行帧同步和帧定界处理，将来自所述业务复用解复用模块的数据流封装成帧后通过所述以太网接口模块发送；

所述业务复用解复用模块用于将来自所述成帧模块的数据流解复用为多个业务流，将多个待发的业务流复用在一个数据流上并发送到所述成帧模块。

其中，所述装置还包含多个高层处理模块，

每一个高层处理模块用于对一种协议的待发业务流数据计算并添加标签、类型指示和帧校验字段，并发送到所述业务复用解复用模块；

所述高层处理模块还用于对来自所述业务复用解复用模块的业务流进行帧校验，丢弃未通过校验的帧，并去除通过校验的帧中标签、类型指示和帧校验字段。

所述以太网接口模块包含物理编码子层处理子模块和物理介质连接子层、物理介质相关子层处理子模块，分别用于完成以太网物理层的物理编码子层、物理介质连接子层和物理介质相关子层的功能。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，采用了通用物理通道帧格式对多协议的各种业务数据进行封装，该通用物理通道帧格式能直接适配在快速以太网的物理层，帧字节利用率高，因而应用于线路传输中大大提高了带宽利用率，同时对OAM帧的支持提供了网络运行管理维护功能，而标签栈的结构支持了嵌套技术；多业务复用提供了对多业务数据网络的支持；对网络层次结构进行了简化，增强了对多协议业务的支持。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即高效的数据帧封装格式大大提高了网络资源利用率，合理的帧结构设计提供了便捷高效的网络运行管理维护功能，采用以太网物理层的功能实现了高速率数据传输，能够直接利用IP或MPLS进行组网，简化了网络层次，降低了实现成本。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的通用物理通道数据帧格式示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的多协议通用传输装置示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的多协议通用传输方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明根据多协议传输的特点，提出了多协议通用线路传输方法，采用高效的通用物理通道数据帧格式进行封装，通过前导码等字段直接适配在高速率以太网物理层，同时通过业务标签等字段实现了可靠的多业务复用，支持多协议数据网络传输和管理。本发明采用多协议通用线路传输方法实现一种新的线路传输装置--通用物理通道，使得多种不同协议的数据帧能够在异步线路中可靠高效的传输。

图1示出了根据本发明的一个实施例的通用物理通道数据帧格式。该通用物理通道数据帧格式的各个字段按照码流发送顺序分别为：前导字段(Preamble)、帧起始定界符字段(Start Frame Delimiter，简称“SFD”)、协议指示符字段(Protocol Indicator，简称“PI”)、标签字段(Label)、净荷字段(Payload)、帧校验序列字段(Frame Check Sequence，简称“FCS”)。

其中，前导字段长为7个字节，每个字节内容为二进制的“10101010”，用于接收方进行线路接收机时钟的提取，使其达到稳定状态。由于码流交替变化使得接收方可以方便的从电平或调制信号的变化中提取发送码率，用于接收同步。

帧起始定界符字段长为1字节，内容为二进制的“10101011”，用于指示数据帧的开始，可见帧起始定界符的前7位的设计与前导符一致，这样可以便于接收方在监测连续两个1来判断数据帧的开始。

协议指示符字段长为1字节，用于指示所承载数据所采用的协议，在本发明的一个实施例中采用十六进制的“0x33”表示净荷为IPV4数据、“0x66”表示净荷为IPV6数据、“0x99”表示净荷为MPLS马蒂尼草案(Draft-MARTINI)业务数据。

标签字段长为4字节，包含标签标识(Label ID)、优先级(Priority)、栈底(Bottom)、生存时间(TTL)四个子字段。其中标签标识子字段长为20位，用于标识多业务网络中的不同业务流。在本发明的一个较佳实施例中，采用特定的标签标识指示OAM帧，用于支持网络运行管理和维护，同时可以实现各种保护机制。优先级子字段长为3位，用于指示该业务流的优先级，实现了多业务数据网络中的不同QoS保证。栈底子字段长位1位，用于指示该标签是否为堆栈底部。生存时间子字段长为8位，用于指示该数据帧在网络中存活时间，在每个节点转发时，都会进行减操作。标签字段主要用于业务的复用和鉴别。在本发明的一个实施例中，对于单个通道的情况，省略标签字段。

在本发明的一个较佳实施例中，标签可以嵌套添加，构成多个标签，即图1中所示由连续多个标签字段组成一个标签栈，而只有栈底的标签字段的所述栈底子字段设为有效，该标签栈技术可以用于实现隧道传输。

净荷字段即为该数据帧所承载的业务数据，其长度不固定。

帧校验序列字段长为4个字节，整个数据帧的内容进行校验，即从对帧定界符字段之后的协议指示符字段开始到净荷字段，在本发明的一个实施例中，采用32位的循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，简称“CRC”)。

熟悉本领域的技术人员可以理解，上述帧格式描述中所采用的具体字段值以及长度等参数，如前导字段的长度、协议指示符的内容等，可以根据实际情况和系统需求设定；同样的，各个字段可以根据实际需要省略，比如前导码字段、帧起始定界符字段、协议指示符字段、标签字段等可以省略，能达到发明目的，而不影响本发明的实质和范围。

在本发明的一个实施例中，根据上述通用物理通道帧格式对多种协议进行封装，然后在高速率以太网物理线路上进行传输，传输装置需要完成成帧流程和以太网接口处理等功能。

图2示出了根据本发明的一个实施例的多协议通用传输装置的组成结构。由上而下包含高层处理模块、业务复用解复用模块、成帧模块、以太网接口模块以及传输介质。

其中，高层处理模块用于完成标签处理、类型指示、帧校验计算等功能。在发送端，按照配置，将一个有特定标签标识和特定优先级的标签字段添加到净荷字段前，根据收发双方的约定，添加协议指示符字段，然后对从协议指示符字段到净荷字段的所有字节进行CRC计算，以便接收端进行帧校验，保证数据在传送过程中的完整性，大大提高线路传输的可靠性。在接收端，对数据流进行FCS校验，校验出错则丢弃；然后将FCS和协议指示符去除；当下游不需要标签时，同时去掉标签。每个业务流对应一个高层处理模块。

业务复用解复用模块用于进行多个不同业务流复用在一条数据流上传输。在发送端，将多个业务流，按照一定的调度算法，比如根据WRR算法，合并为一条数据流；在接收端，将数据流，按照一定算法，比如根据标签标识符进行区分，提取出多条特定的业务流。

成帧模块用于进行帧同步和帧定界处理。在发送端，根据需要在复用后的数据流的数据包前按照约定加上SFD字段和前导字段，然后下发信号指示给以太网接口模块，使其开始发送一个数据包或者结束数据包的发送，即指示该帧的开始和结束。在接收端，根据约定删除SFD字段和前导字段，按照以太网接口模块的信号指示，接收一个数据帧，然后交给业务复用解复用模块。

以太网接口模块用于实现高速率以太网物理层的功能，完成对以太网物理媒质的访问。包含PCS处理子模块和PMA、PMD处理子模块。在发送端，PCS处理子模块将数据进行编码，同时根据所述成帧模块的信号指示，在码流中插入表示帧开始和结束的特殊控制码，并将编码之后的数据码组变为串行数据，交给PMA、PMD处理子模块处理，完成与物理介质相关的操作。在接收端，首先由PMA、PMD处理子模块从相应物理媒质中接收数据码流，并交由PCS处理子模块进行处理，PCS处理子模块从串行数据识别出码组，对数据进行解码，根据表示帧开始和结束的特殊控制码确定数据帧的起始和结束，并通过信号将帧起始和结束信息通知给后续的成帧模块。

可见，在多协议通用线路传输中，发送端首先由高层处理模块进行业务相关处理，然后由业务复用解复用模块将多个业务流复用到一个数据流上，经过成帧模块成帧之后，由以太网接口模块处理，在物理介质上传输；接收端则相反的先由以太网接口模块提取码流，再由成帧模块进行数据包提取，经过业务复用解复用模块解复用为多个业务流，最后传给高层进行相关处理。

在本发明的一个实施例中，采用IEEE 802.3所定义的100M、1000M物理层或者IEEE 802.3ae所定义的10G物理层，来实现物理层的传送。而封装功能与物理层之间采用IEEE 802.3所定义的MII、GMII接口，IEEE 802.3ae所定义的XGMII或XAUI进行通信。

图3示出了根据本发明的一个实施例的多协议通用传输方法流程图。

在步骤301中，在发送端根据前述通用物理通道帧格式进行成帧处理，并将多个业务流复用在一个数据流上。其中，由高层处理模块完成标签处理、类型指示、帧校验计算等功能，由业务复用解复用模块完成业务流复用功能，由成帧模块完成最终的封装。

接着进入步骤302，在发送端形成的通用物理通道数据帧通过以太网接口模块在物理媒质上传输。其中，以太网接口模块中PCS处理子模块和PMA、PMD处理子模块分别完成以太网物理层的PCS子层、PMA子层和PMD子层的功能。

接着进入步骤303，在接收端由以太网接口模块从媒质中提取得到通用物理通道数据帧。

接着进入步骤304，在接收端根据通用物理通道帧格式进行帧解析处理，并解复用得到多个业务流数据。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多协议通用线路传输方法，其特征在于，包含以下步骤：

在发送端，将多个业务流复用在一个数据流上，并根据通用物理通道数据帧的帧格式进行成帧处理；所形成的所述通用物理通道数据帧通过以太网物理层在物理媒质上传输；

在接收端，经过所述以太网物理层从所述物理媒质中提取得到所述通用物理通道数据帧；根据所述通用物理通道数据帧的帧格式进行帧解析处理，并解复用得到多个所述业务流数据。

2.根据权利要求1所述的多协议通用线路传输方法，其特征在于，所述通用物理通道数据帧按照码流发送顺序包含：可选的前导字段、可选的帧起始定界符字段、可选的协议指示符字段、可选的标签字段、净荷字段和帧校验序列字段；

其中，所述前导字段用于收发双方进行帧同步，所述帧起始定界符字段用于指示数据帧的开始，所述协议指示符字段用于指示所承载数据的协议类型，所述标签字段用于业务复用和鉴别，所述净荷字段用于承载协议数据，所述帧校验序列字段用于对数据帧进行检错纠错校验。

3.根据权利要求2所述的多协议通用线路传输方法，其特征在于，所述通用物理通道数据帧包含由连续的多个所述标签字段组成的标签栈，用于实现多协议嵌套传输。

4.根据权利要求3所述的多协议通用线路传输方法，其特征在于，所述标签字段包含标签标识、优先级、栈底、生存时间四个子字段；

其中，所述标签标识子字段用于标识多业务网络中的不同业务流；所述优先级子字段用于指示所承载业务流的优先级；所述栈底子字段用于指示本标签是否为所述标签栈的栈底；所述生存时间子字段用于指示该数据帧在网络中存活时间。

5.根据权利要求2所述的多协议通用线路传输方法，其特征在于，所述标签字段还用于指示网络操作管理维护信息帧。

6.根据权利要求2所述的多协议通用线路传输方法，其特征在于，所述前导字段长为7个字节，每个字节内容为二进制的“10101010”；

所述帧起始定界符字段长为1字节，内容为二进制的“10101011”。

7.根据权利要求2所述的多协议通用线路传输方法，其特征在于，所述协议指示符字段长为1字节，采用十六进制的“0x33”表示净荷为IPV4数据、“0x66”表示净荷为IPV6数据、“0x99”表示净荷为多协议标签交换马蒂尼草案业务数据。

8.一种多协议通用线路传输装置，其特征在于，包含以太网接口模块、成帧模块和业务复用解复用模块，其中

所述以太网接口模块用于实现高速率以太网物理层的功能，完成对物理媒质的访问；

所述成帧模块用于对来自所述以太网接口模块的数据进行帧同步和帧定界处理，将来自所述业务复用解复用模块的数据流封装成帧后通过所述以太网接口模块发送；

所述业务复用解复用模块用于将来自所述成帧模块的数据流解复用为多个业务流，将多个待发的业务流复用在一个数据流上并发送到所述成帧模块。

9.根据权利要求8所述的多协议通用线路传输装置，其特征在于，所述装置还包含多个高层处理模块，

每一个高层处理模块用于对一种协议的待发业务流数据计算并添加标签、类型指示和帧校验字段，并发送到所述业务复用解复用模块；

所述高层处理模块还用于对来自所述业务复用解复用模块的业务流进行帧校验，丢弃未通过校验的帧，并去除通过校验的帧中标签、类型指示和帧校验字段。

10.根据权利要求8或9所述的多协议通用线路传输装置，其特征在于，所述以太网接口模块包含物理编码子层处理子模块和物理介质连接子层、物理介质相关子层处理子模块，分别用于完成以太网物理层的物理编码子层、物理介质连接子层和物理介质相关子层的功能。

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