CN1707988A - 以太网帧传输的带宽优化 - Google Patents

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Abstract

描述了一种方法，用于在电信网络中优化以太网帧在具有不同延迟的不同连接上的传输，以避免接收队列的溢出。所述方法包括测量所述连接的延迟、收集所述延迟值、定义有效值范围、将该延迟值与所定义的范围进行比较，并通过延迟值在所述定义范围内的连接承载所述以太网帧。

Description

以太网帧传输的带宽优化
技术领域
本发明涉及电信领域，并特别涉及通过SDH/SONET/OTN网络传输以太网帧。本发明更特别涉及优化以太网帧的传输的方法，所述太网帧是通过具有不同延迟的几个连接在两个网络单元之间被承载的。
背景技术
如同国际电信联盟(ITU)在ITU-T G.7041/Y1303(12/2001)中所定义的，以太网帧是根据封装成GFP(通用成帧规程，Generic FrameProcedure)帧在电信网络中被承载的。参考图1，GFP帧包括承载所述以太网帧(不具有前导(Preamble)和起始帧分界符(Start of FrameDelimiter))和报头域的有效负载域。某些域是强制性的并用实线表示，其它域是可选的并用虚线表示。以太网帧具有可变的长度，并因此封装以太网帧的GFP帧具有可变的长度。所述GFP报头中的PLI(有效负载长度标识，Payload Length Indicator)域包括代表该GFP有效负载域中的字节数的数字。如果没有要承载的以太网帧(没有客户数据)，则PLI＝0并且所述GFP帧仅包括所述报头域：这是空闲控制帧。每个域的字节数在左边显示；所述有效负载域具有可变的长度，并包括了从0(空闲控制帧)到65535个字节。所述GFP帧随后被承载至同步数字层次结构(SDH)网络的虚容器(VC)、同步光网络(SONET)的虚拟支流(virtual tributary)或者光传输网络(OTN)的光信道。
欧洲专利1339198公开了一种方法，其定义了“分组级联(packetconcatenation)”，用于在将所述GFP帧映射到VC中的SDH网络中优化不同连接上的以太网帧的传输；所述方法的优点是更好的带宽利用以及对连接失败的更好保护。根据所述解决方案，通过沿着不同路由的若干连接，从第一网络单元到第二网络单元承载所述以太网帧；每个连接承载也是不同类型的VC(例如通过第一连接的VC4和通过第二连接的VC12)。根据所述GFP帧的大小(其还取决于所述以太网帧的大小)和所述VC(VC4、VC3、VC12)的大小，一个GFP帧被映射为一个VC中并且每个VC可包括不止一个的GFP帧。被选择用来承载GFP帧的VC是基于一帧接一帧的，即其既不涉及最后的选择，也不涉及所接收的帧的状态。需要不同的路由来保护业务并提供最大的带宽。参考图2，在所述GFP帧中需要所述报头域的分组级联域来管理所述分组级联映射。由于每个连接沿着不同的路由，因此所述连接可具有不同的延迟。所述GFP帧的分组级联域包括了帧标识符(图2中的FRAME_ID)，该帧标识符在发送侧被分配并在接收侧被详细阐述，以便在所述接收侧恢复所述传输侧的相同顺序。另外，在所述接收侧需要针对每个连接的队列，以便存储由具有最高延迟的连接所承载的、被映射到VC中的GFP帧。所述连接的不同延迟的原因可能是静态参数和动态参数，所述静态参数例如是网络的不同物理路由和不同的带宽，所述动态参数例如是连接的业务拥塞。如果某个连接与其它连接相比具有较大的延迟，则可能出现具有最小延迟的连接的一个或者多个队列的溢出。可选地，所定义的时间周期(超时)等待最慢的连接，并且如果在所述定义周期内没有接收到帧，则将丢弃其它连接的队列中所存储的帧。两种情况都发生了帧的丢失。
避免队列溢出的可能的解决方案是执行流控制，如欧洲专利1339185中所描述的：当所述队列填充到达危险水平时，所述接收侧在GFP帧中分配比特，以通知所述传输侧停止帧的传输。根据所述解决方案，不再丢失数据，但由于如果对许多具有较大延迟的连接停止传输将显著地减小带宽，因而降低了服务质量。
发明内容
如上所述，由于已知的和标准化的解决方案的缺点和不足，本发明的主要目的是提供一种方法，以避免存储帧的接收队列的溢出，所述帧通过具有不同延迟值的不同连接来承载；根据本发明的方法达到了所述目的。基本思想是测量连接的延迟、收集被测量的延迟值、定义延迟有效值的范围以及通过具有定义范围内延迟的连接来发送所述帧。由于该解决方案防止填充到所述危险值之上，因此其允许避免所述队列溢出。
相关的优点是自动恢复所述连接的最大可用带宽；通过根据本发明的方法而达到了所述优点。另一个目的是根据延迟优化或带宽优化来定义延迟的有效值范围；这通过根据本发明的方法被达到。
附图说明
图1和图2涉及现有技术；
图1概略地示出了根据ITU-TG.7041/Y.1303(12/2001)的GFP帧；
图2概略地示出了根据分组级联的GFP帧；
图3示出了实现所发明的方法的两个网络单元，以及前向和后向连接上的GFP帧的报头域中的比特，用来测量该前向连接的延迟并指出该连接的状态；
图4更详细地示出了图3的网络单元A的发射机。
具体实施方式
图3示出了第一优选实施例，其包括两个网络单元NEA和NEB，实现了本发明的方法；每个网络单元包括用于发送所述帧的发射机(TXA和TXB)和用于接收所述帧的接收机(RXA和RXB)，还包括微处理器。NEA和NEB是两个终端网络单元，即连接终端处的网络单元，而中间的网络单元能被放置在NEA和NEB之间：这样，将连接划分成连接段，每段连接了两个网络单元。从NEA到NEB提供了沿着不同路由的至少两个前向连接，并且通常与从NEB到NEA的连接数量(双向连接)相同。根据封装成GFP帧以及按照分组级联映射到SDH网络的VC中，以太网帧通过从NEA到NEB和从NEB到NEA的连接被传送。GFP帧包括报头域，该报头域在所述分组级联域中包括若干比特用来管理连接延迟的计算。所述GFP帧始终包括所述报头域以持续监控所述连接延迟，并且还包括有效负载域以承载所述以太网帧(通常是客户数据)。利用所述报头域的两个比特实现了前向连接的延迟计算：图3中以REQ_A表示的第一比特是在所述前向连接上的GFP帧的报头域中的，并且图3中以ANSW_A表示的第二比特是在相应的后向连接(后缀A用来表示在网络单元A实现了本发明)上的GFP帧的报头域中的。所述第一比特是向NEB传输的请求，其表示了该前向连接的延迟计算，例如将第一比特设置为“1”；同时在NEA激活了例如计时器以测量所述前向连接的延迟。当NEB接收到所述请求，所述第二比特作为对该请求的响应通过相应的后向连接被传输到NEA，例如设置该第二比特为“1”；用于响应的后向连接通常与用于请求的前向连接在相同的路由上。当NEA接收到响应，所述计时器停止：该计时器的值表示了该前向和后向连接的延迟的总和。将该值除以2来计算所述前向连接的延迟：这表示该前向连接的平均延迟。为从NEA到NEB的每个前向连接进行相同的测量，例如根据轮询机制，在NEA利用微处理器进行该延迟测量，即周期性地(例如每20毫秒)激活对随后的前向连接的测量。当所有所述前向连接的延迟值可用时，该微处理器周期性地(例如每5秒)将所述值与所定义的有效值范围比较。如果前向连接的延迟值超出该范围，则从NEA到NEB传输的以太网帧不能被映射到该前向连接的GFP帧的有效负载域中，该前向连接所承载的GFP帧仅包括所述报头域。由于仅仅从承载所述以太网帧的前向连接除去了很少的连接，因此传输帧的可用带宽仅减小了很小的值。由于与所述被除去的前向连接对应的后向连接通常沿着相同的路由，因此也需要从承载所述以太网帧的后向连接除去相应的后向连接，这是因为该后向连接的延迟很可能超出所述范围。在所述前向连接的帧的报头域中分配了第三比特，图3中以STATUS_A表示，以指出该连接的状态，从而通知NEB该前向连接的延迟值超出了所述范围以及NEA已经除去了所述前向连接上以太网帧的传输；当NEA接收到表示所述请求的响应的第二比特时，分配所述第三比特，例如设置该第三比特为“1”。当NEB接收到被设置为“1”的第三比特时，相应的后向连接也从承载所述以太网帧的后向连接被除去，并且随后的以太网帧不被映射到该后向连接上的GFP帧的有效负载域中，以使相应的后向连接承载仅包括所述报头域的GFP帧。
需要延迟超出所述范围的连接上的仅包括报头域的GFP帧，来持续地监控该连接的延迟，以便当先前超出所述范围的实际延迟值在该范围内时，自动恢复该连接上的以太网帧的传输。这样，NEA恢复了所述连接上的包括以太网帧的GFP帧的传输并发送STATUS_A＝“0”，以通知NEB所述前向连接状态的改变。当NE接收到该指示时，也在相应的后向连接上恢复包括以太网帧的GFP帧的传输。
NEB也能够向NEA发送请求以从后向连接除去以太网帧的传输，并且因此NEA将除去相应的前向连接上的以太网帧的传输。这样，NEB向NEA发送在所述后向连接上的GFP帧中分配第一比特(如图3中REQ_B所表示的)的请求；NEA通过在相应的前向连接上的GFP帧中分配第二比特(如图3中ANSW_B所表示的)来响应该请求。最后，NEB向NEA分配第三比特(如图3中STATUS_B所表示)，以指出所述后向连接的延迟值超出了所述范围，并且NEA已经除去了该后向连接上的以太网帧的传输，以便NEA能够除去相应前向连接上的传输。
根据延迟优化或带宽优化定义了延迟的有效值范围。在第一种情况中，延迟的最小值被当作下限，而预定最大值被当作上限。该最大值取决于所述接收侧队列的大小：大的队列能够存储很多帧，并因此能接受较大的最大值。该最大值也取决于所述连接的比特速率。例如，承载VC12的连接的最大值是41毫秒，而承载VC3的是3.6毫秒：VC12的情况下，延迟为50毫秒的连接将承载仅包括所述报头域的GFP帧；当该延迟变的小于或等于41毫秒时，所述连接将承载还包括所述有效负载域的GFP帧。所述解决方案简单但是没有使带宽优化：在第二种情况下，计算所述范围以便具有最大可用带宽来承载所述以太网帧。根据与所述第一种情况的最大值的相同考虑来计算该范围的宽度。例如，假设承载VC12的6个连接具有以下延迟值：5毫秒、30毫秒、40毫秒、45毫秒、50毫秒、55毫秒。根据延迟优化，所述范围包括在5毫秒(延迟的最小值)和41毫秒(VC12的预定最大值)之间：该范围包括值为5毫秒、30毫秒和40毫秒的3个连接，并且传输以太网帧的可用带宽是3个VC12。在带宽优化中，在范围宽度为36毫秒(41-5＝36)的相同条件下进行比较，该范围被移动(如同窗口)以包括最大数量的连接。简单的算法第一步可以是分配下限为延迟的最小值(5毫秒)以及上限为该下限和预定值(该范围的宽度，例子中为36毫秒)之和：这个包括在5毫秒和41毫秒之间的范围包括了延迟值为5、30和40毫秒的3个连接。第二步中，大于最小延迟值的第一延迟值被分配为下限，即30毫秒被分配为下限，并且该下限和所述范围宽度之和被分配为上限：这个包括在30毫秒和66毫秒之间的范围包括了延迟值为30、40、45、50和55毫秒的5个连接。可以针对每个被测量的延迟值迭代所述算法。包括在30毫秒和66毫秒之间的范围包括了最大数量的连接(5)，且带宽是5个VC12，大于根据延迟优化的3个VC12。当所述连接承载例如VC4和VC12的不同的VC时，带宽优化使用了相同的方法。VC4的带宽是VC12的带宽的63倍，并且承载VC4的连接优于一个或多个承载VC12的连接。
在第一优选实施例中，第一帧是以太网帧，第二帧是GFP帧并且GFP帧被映射到SDH网络的VC中。不同类型的所述第一帧和不同类型的所述第二帧能够使用相同的方法。另外，能够在不同于SDH的网络中承载该第二帧。例如，GFP映射被用来封装具有可变长度的帧，如快速(fast)以太网、吉比特以太网、10吉比特以太网和IP，或者固定长度的帧，如光纤通道、Escon和Ficon，并且GFP帧也能够映射到SONET网络的一个虚拟支流中或者OTN网络的一个光信道中。
在第二优选实施例中，前向连接的延迟能够利用该前向连接上的GFP帧的报头域中的时间标记标签来计算。在所述解决方案中，NEA和NEB与公共时间参考同步；该公共时间参考可以是主网络单元或网络管理系统在该网络中分布的时钟。NEA发送包括例如所述GFP帧传输的日期和时间的时间标记标签。与NEA同步的NEB具有实际日期和时间的信息，并能够将该信息与从NEA接收的GFP帧的报头域中的标签进行比较：该差别表示所述前向连接的延迟。在该第二实施例中，NEB分配所述状态比特(STATUS_B)来通知NEA该连接的延迟值超出了所述范围，并且同时NEB除去了该连接上的以太网帧的传输。当NEA接收到所述第三比特的指示，其也除去相应的相反方向连接上的以太网帧的传输。
可以在例如装/卸多路复用器(ADM)的网络单元上有利地实现所述方法，该网络单元包括如下硬件设备：专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器或者存储器。图4更详细地示出了图3的发射机TXA；如图4所示，所述微处理器(uP)可以在与该发射机相同的块中，或者也可以是与该发射机连接的不同的设备。例如在所述第一种情况中，一个FPGA可以包括嵌入式微处理器和实现该发射机(通常还有接收机的)功能的数字逻辑。
以太网帧从例如以太网交换机的至少一个以太网接口被接收，并由于以太网业务的突发性而需要被存储在存储器中。所述存储器可以是具有一个输入和一个输出的FIFO(先进先出)。该存储器的输出与交换设备的输入相连接，该交换设备能够向所述输出之一转发所存储的以太网帧，每个前向连接具有一个输出。所述交换设备具有受控于所述微处理器的第二输入CTRL：取决于所述前向连接的延迟值，该微处理器负责选择传输所述被存储的以太网帧的输出。所述被存储的以太网帧仅仅被转发到涉及延迟值在所述范围内的连接的交换设备的输出。该交换设备的每个输出被连接到GFP映射器(mapper)的第一输入，该GFP映射器负责建立所述GFP帧、添加所述报头域并且向所述输出(OUT)发送包括该报头域的GFP帧和有效负载域中的以太网帧，或者向该输出发送仅包括所述报头域的GFP帧：所述第一种情况是针对涉及延迟在所述范围内的连接的GFP映射器，而第二种情况是针对涉及延迟超出所述范围的连接的GFP映射器。每个GFP映射器具有受控于所述微处理器的第二输入(SEL)，用来选择要发送的GFP帧，和受控于所述微处理器第三输入(STATUS)，用来设置所述比特STATUS_A以指出所述前向连接的状态(在所述范围内或者超出所述范围)。所述GFP映射器的输出与SDH映射器的输入相连接，根据分组级联将所述GFP帧映射到所述VC4中。如果利用所述报头域中的两个比特(REQ_A、ANSW_A)来执行延迟的计算，则该网络单元包括如计时器t1...tN的计数装置以执行对所述前向连接的延迟的测量；该计时器与所述微处理器相连接，该微处理器负责当所涉及的连接的请求(REQ_A)被发送时激活计时器、当接收到相应的后向连接的响应(ANSW_A)时停止该计时器、收集该前向连接的计时器的值并且将所述值与预定范围相比较。最后需要存储器来存储所述范围的下限和上限。
在优选的实施例中，可以通过一个或多个VHDL处理器或者C例行程序/任务(C routine/task)、通过或者结合软件程序来实现所述方法，所述软件程序例如是映射到ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)中的超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)，或者在微处理器上运行C语言。在微处理器上运行的所述软件程序因而包括例如第一任务和第二任务，所述第一任务根据第一轮询机制收集被测量的延迟值，将该被测量的延迟值与所述定义范围进行比较，并且选择被测量的延迟值在所述范围内的前向连接和被测量的延迟值超出所述范围的前向连接，所述第二任务根据第二轮询机制测量所述前向连接的延迟。

Claims (15)

1.一种在电信网络中承载数字信号帧的方法，
-每个帧是被封装成第二帧(GFP帧)的第一帧(以太网帧)，该第二帧包括报头域和可选的有效负载域，该第一帧映射到所述有效负载域中；
-所述第二帧通过至少两个沿着不同路由的前向连接，从第一网络单元(NEA)被承载至第二网络单元(NEB)，并且通过至少两个沿着不同路由的后向连接从所述第二网络单元(NEB)被承载至所述第一网络单元(NEA)；
所述方法包括测量所述前向连接的延迟，其特征在于，收集所述延迟的值，将该值与定义的有效值范围相比较，并通过延迟值在所述范围内的前向连接承载包括报头域和具有被封装的第一帧的有效负载域的第二帧，并且通过延迟值超出所述范围的前向连接承载仅包括报头域的第二帧，所述报头域承载信息以对所述前向连接的延迟进行测量。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，持续地测量所述前向连接的延迟，将至少第一比特(REQ_A)分配给该前向连接上的第二帧的报头域，用来指示所述前向连接的延迟的计算请求，将至少第二比特(ANSW_B)分配给相应的后向连接上的第二帧的报头域，用来指示对该请求的响应，当发送所述请求时激活对所述前向连接的延迟的测量，以及当接收到所述响应时停止该测量。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，将至少第三比特(STATUS_A)分配给所述前向连接上的第二帧的每个报头域，用来指示该连接的状态，并且取决于所述状态，通过对应于延迟值在所述范围内的前向连接的后向连接来承载所述第二帧，该第二帧包括具有被封装的第一帧的有效负载域，或者通过对应于延迟值超出所述范围的前向连接的后向连接来承载仅包括报头域的所述第二帧。
4.根据权利要求2的方法，其特征还在于，通过这样的前向连接，承载包括报头域和有效负载域的所述第二帧，在所述前向连接中先前超出了所述范围的实际延迟现在在所述范围内。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述范围的下限是所述被测量的前向连接的延迟的最小值，并且该范围的上限是预定的最大值。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，为所述范围的上限分配所述下限和预定值之和，从所述被测量的延迟来计算所述下限，以具有最大数量的、延迟值在所述范围内的前向连接。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述第二帧是通用成帧规程帧。
8.根据权利要求1或7的方法，其中，所述第一帧是以太网帧。
9.根据权利要求1或7的方法，其中，所述连接承载SDH网络的虚容器、SONET网络的虚拟支流或者OTN网络的光信道，并且每个第二帧分别被映射到一个虚容器、一个虚拟支流或者一个光信道中。
10.电信网络中通过不同的连接承载数字信号的帧，
-所述帧是封装了第一帧(以太网帧)的第二帧(GFP帧)，该第二帧包括报头域和可选的有效负载域，所述第一帧被映射到该有效负载域中；
-所述第二帧通过沿着不同路由的至少两个前向连接，从第一网络单元(NEA)被传送到第二网络单元(NEB)，并且通过沿着不同路由的至少两个后向连接，从所述第二网络单元(NEB)被传送到所述第一网络单元(NEA)；
其特征在于，所述报头域承载了至少第三比特(STATUS_A)，以指出所述前向连接的延迟值是在预定范围内还是超出了该预定范围。
11.根据权利要求10的帧，其特征在于，所述报头域承载了用于测量所述前向连接的延迟的信息，在所述前向连接上承载的所述第二帧的报头域包括用来指示该前向连接的延迟计算请求的至少第一比特(REQ_A)，在相应的后向连接上的所述第二帧的报头域包括用来指示对所述请求的响应的至少第二比特(ANSW_A)。
12.包括适于实现根据权利要求1的方法的硬件装置的网络单元，所述装置包括：
-存储所述第一帧的存储装置(以太网帧存储器)，具有至少一个用来接收该第一帧的输入以及一个用来发送被存储的第一帧的输出；
-交换装置，其具有从所述存储装置的输出接收所述被存储的第一帧的第一输入(1)、针对每个前向连接的输出(O1，ON)以及用来选择该输出的第二输入(CTRL)，该交换装置根据所述第二输入值，向一个输出(O1，ON)转发所述输入；
-用于每个前向连接的若干发射机(GFP映射器#1，#N)，每个发射机具有与所述交换装置的一个输出相连接的第一输入(IN)、通过所述前向连接来发送所述第二帧的输出(OUT)、选择所述输入(IN)的传输或者选择仅包括所述报头域的第二帧的传输的第二输入(SEL)，以及分配指示所述连接状态的至少第三比特(STATUS_A)的第三输入(STATUS)；
-微处理器(uP)，其被连接到所述交换装置的输入(CTRL)以及所述发射机的第二(SEL)和第三(STATUS)输入，该微处理器控制所述交换装置以向延迟值在所述范围内的前向连接的发射机转发所述第一帧，并控制延迟值超出所述范围的前向连接的发射机。
13.根据权利要求12的网络单元，所述装置包括：
-对所述前向连接的延迟进行测量的计数装置(t1，tN)；
-与所述微处理器相连接的存储器(MEM)，其存储所述范围的下限(LB)和上限(UB)；
-与所述计数装置相连接的微处理器(uP)，其激活、停止、收集所述延迟的测量并将该延迟值与所述范围进行比较。
14.包括软件程序代码装置的软件程序，该软件程序代码装置适于当所述程序在硬件(uP)上运行时，执行根据权利要求1的方法的部分步骤，所述程序包括第一任务，该第一任务用来选择延迟值在所述范围内的前向连接以及延迟值超出所述范围的前向连接。
15.根据权利要求14的软件程序，该程序包括：
-第二任务，其根据第二轮询机制测量所述前向连接的延迟；
-所述第一任务，其还根据第一轮询机制收集所述延迟值，并且将该延迟值与所述范围进行比较。
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