科考船光传输系统高速IP数据传输方法研究与实现

文 栾雁踪 江苏省江阴市广播电视集团江阴电视台

丁广 张建飞 中国卫星海上测控部

1 引言

科考船综合信息传输平台（以下简称传输平台）是一个以宽带光传输网为开放平台，为科考船测控、通信、航海、气象、动力、日常指挥训练应用提供多业务传送的综合信息网络，提供船内信息光传输及网络自愈保护功能，话音、低速数据及以太网等综合业务的接入功能，船内程控电话及数字中继功能，数字视频监控功能。传输平台承担科考船船内通信的主要任务，同时为岸船通信提供出口。针对科考船的使用需求，传输平台采用基于SDH的MSTP体制，实现全船业务信息的接入、交换及透明传输，并保证试验数据传输的实时性。

以太网IP业务是传输平台信息传输业务中重要的组成部分。以太网业务通过传输平台进行的传输主要才用EOS-PP点对点透传和ESR共享环两种方式。随着科考船试验数据网IP业务的迅速开展，以太网业务对传输平台带宽要求不断提高，这两种方式缺乏带宽动态调配能力，资源利用率低，网络扩展性差，业务开通速度慢。为解决上述问题，本文探讨RPR技术在科考船传输平台系统中的应用方式，通过内嵌RPR功能来提高传输平台对数据业务的带宽管理和保护能力，进一步提高科考船综合信息传输平台的传输效率，为科考船综合信息传输系统的试验IP网改造提供参考和依据。

2 科考船以太网业务

2.1 数据业务在传输网中的几种传输形式

在MSTP网络中，数据业务的传输有三种基本形式：点对点透传，L2汇聚传输，共享以太环或弹性分组环（RPR）。虽然他们都利用SDH技术来提供灵活的带宽，但他们之间有着本质的区别。

（1）点对点透传

这种方式是在SDH网络中，对数据业务提供点到点的透明传输。每个数据信号被映射到顶先分配的SDH容器中，即每个数据流独占一个带宽固定的物理层通道(VC、VCG)。信号映射的方式可以是PPP、GFP或LAPS。SDH传输层对数据业务提供SDH环保护。

这种传输方式使用简单、安全性好，主要的缺点是带宽浪费严重。为了保证业务传输质量，需要分配给每条数据通道很高的带宽以保证业务满负荷或接近满负荷传输时不丢失数据。但由于数据业务的突发性特点，在多数低业务负荷情况下，带宽不能被其他业务使用而白白浪费掉。这种固定带宽的传输，对每个数据客户都需要配置一个固定的物理层通道口(简称WAN口)，因此容易消耗大量的WAN口，网络硬件资源消耗比较大，网络提供业务的灵活性差，每开通一条数据业务需要手工配置一个物理通道，时间长、成本高。

（2）L2汇聚传输

这种传输方式是基于数据统计复用的原理。用户在端口处以多点到单点的以太网汇聚方式接入环网。这些用户的数据根据MAC地址和VLAN号进行交换和汇聚，根据用户的物理端口和VLAN ID做速率限制，根据802.1P协议，可以对VLAN ID设置优先级。汇聚后的数据流通过点对点透传至环网的终节点。这种方式可以使大量用户的数据在汇聚层汇聚，节省WAN口和网络资源，减轻了三层交换机/骨干路由器的负担。但L2汇聚的方法无法共享传送层整体的带宽资源，安全性相对稍低，因此适合对安全性要求较低的用户，如上网浏览、VOD客户等。

（3）基于生成树协议的以太网共享环

基于SDH技术的MSTP组网中最重要的拓扑结构是环形结构，MSTP支持的以太网带宽共享可以使承载于此MSTP环网上的多个以太网业务共用该SDH环网的若干时隙，形成以太网的环形组网。在由二层交换机/网桥构成的网络中，以太网的生成树算法STP（IEEE802.1d）用来生成源到宿的唯一路径，同时防止路径成环使得数据帧在环中无限循环（特别是广播帧的循环发送，以至形成广播风暴)。STP还支持在网络拓扑发生改变时，计算生成新的路径，以完成业务的恢复。

STP协议的思想十分简单，其目的就在于通过生成树算法SPA将网络构造成一棵自然树从而达到裁剪冗余环路的目的，同时实现链路备份和路径最优化。但STP实际应用于MSTP带来了环网带宽利用率低和收敛时间过长的问题，基于VLAN的STP和RSTP分别是STP在这两方面的改进。

造成STP收敛速度慢的原因是转换的中间状态过多，并且由于对网络拓扑变化的不确定而产生了大量的定时时延。为此在环形网络中指定一台用于集中管理的主交换机，网络中的其它交换机都及时将网络的拓扑变化信息尽快地传达给主交换机，主交换机根据收集到的网络拓扑信息来设置自己的状态，迅速恢复网络的正常工作，这样不仅可以省去STP中过多的中间状态，而且没有任何定时时延。这就是ESR技术的基本思想。ESR环网可达到与SDH环相媲美的毫秒级倒换速度。ESR让环形网络在物理层成环，MAC层通过ESR协议组成总线形拓扑，这种以太环网可以使网络中各节点共享环路的带宽，提高带宽利用率。

基于L2交换方式的共享型以太网环网，除了可以实现点对点的星型数据业务的透传和汇聚，更重要的是为数据业务增长打下了坚实的基础，随着各节点之间的业务流量增加，环网结构可将节点间的业务直接在环内处理，而不需要像星形网络结构那样用中心节点的交换机来处理大量的当地业务的返回。以太共享环网能灵活地支持用户数的增长，业务结构的改变，客户服务要求的变化(如QoS，CoS，带宽的增减等)。

（4）弹性分组环(RPR)

与以太共享环概念类似的另一种技术是弹性分组环(RPR)，RPR主要解决了数据环网上的空间复用、保护倒换、全网带宽共享等问题。虽然RPR的造价远高于基于二层交换的以太共享环，但它融合了千兆以太网(GE)的经济性、灵活性、可扩展性等特点，同时吸收了SDH环网50ms快速保护的优点，对城域网数据的高端用户仍有很大的吸引力。

2.2 传输平台以太网业务接入的实现方式

目前科考船传输平台以太网业务的接入主要有以下三种方式：

(1)点到点自适应接口模块(EOS-PP)

10/100M Ethernet点到点自适应接口模块(EOS-PP)的主要功能是提供以太网的业务接口，根据以太网的应用和对以太网业务需求的不同，可以采用点对点的应用和具有二层交换处理功能的应用。

对于不需要二层交换、仅需要点对点透传的应用场合，可以通过焊接不同的电阻，将二层交换机跳开。点对点的以太网传输方式用于局域网互联、独立终端与局域网的连接以及个别终端间的互联需求。

表1 科考船以太网带宽分配

(2)共享环方式自适应接口模块(EOS-SR)

10/100M Ethernet共享环方式自适应接口模块(EOSSR)主要功能是提供以太网的业务接口，主要应用在以太网环形组网的应用场合。

(3)弹性分组环接口模块 (FEOS-RPR)

弹性分组环方式自适应接口模块(EOS-RPR)主要功能是提供以太网的业务接口，主要应用在千兆以太网组网的应用场合，提供以太网的RPR。

2.3 各种接入方式对科考船数据业务的最佳适应性

科考船对传输平台以太网数据方面的需求主要来自于测控系统、气象系统、航海系统、船舶动力系统、指挥自动化系统以及通信综合网管系统等。下表是科考船各种业务所需带宽表。

科考船信息传输要求试验信息与生活信息相对独立，因此各信息业务对传输平台接入方式的要求是不同的。从上表应用模式一栏可以看出，科考船传输平台以太网应用模式主要可以分为四类：第一类为网络实时性和安全性要求很高，要求独占带宽的以太网点对点透传业务，如中心计算机数据；第二类为网络相对独立，通过传输平台进行局域网互连的业务，如气象局域网；第三类为公共数据信息组播业务，如GPS航行信息；第四类为以太网组网应用，如指挥自动化网等。

对于点对点透传和局域网互连两类业务，传输平台采用点到点自适应接口模块(EOS-PP)实现；对于数据组播业务，传输平台目前采用RS232/422/485数据接口模块（RS）的点对多点传输实现；对于以太网组网的应用，可以有两种方式供选择，一是共享环方式自适应接口模块(EOS-SR)，二是弹性分组环接口模块 (FEOS-RPR)。下面分析两种方案的优缺点。

对于共享环方式。由于对STP（或ESR）的支持使得MSTP可以组建包括环网在内的各种网络结构，并能够支持各以太网交换模块共享传输带宽，而无需为任何以太网端口间的互连配置点到点的通路，极大地简化了网络配置，形成了真正MSTP对二层数据网络的承载。但是，STP（或ESR）需要占用交换节点资源，当生成树中的网络拓扑结构变化时，将激活拓扑结构变化的BPDU产生，若应用视频点播、多媒体会议等流量较大的组播业务，以及网络自身所产生的数据，可能会在某一时刻造成局部的网络“塞车”，甚至成为形成组播风暴的诱因。所以在组建传输平台的接入层和汇聚层时，应综合考虑网络容量、业务类型、业务流向、业务质量要求等因素，以确定以太环网的机制和STP（ESR）系列技术的应用方式。

虽然RPR承载数据业务具有许多优势，但也应看到MSTP内置RPR技术除了目前的标准化问题外，以下因素也需慎重考虑：MSTP内置RPR增加了数据业务到物理层间的映射层级，增加了处理复杂性；业务开销比例进一步增大，成本增加；另外标准规范的RPR接口带宽最小为155M，且目前尚没有商用RPR到VC4/12的封装映射芯片，RPR的实现基于较大的带宽颗粒（如622M或更大)，灵活性不高，特别时需要进行带宽共享的接入层和汇聚层网络带宽容量一般不是很大，这样就大大限制了RPR内置于MSTP的应用。

综合上所述，科考船目前在指挥自动化网、视频监控、生活网、通信综合网管几个通过传输平台组网的网络应用中，只有视频监控系统采用了RPR技术，其它组网应用仍然采用ESR共享环。但可以预计，RPR作为一种技术发展方向，最终将取代共享环成为传输平台以太网组网的主要应用模式。

3 R P R技术在科考船应用设计

3.1 RPR技术特点

RPR（弹性分组环：Resilient Packet Ring）技术是为优化数据包传输而提出的一种新的MAC层协议。它既利用了SDH技术对延时和抖动性能严格保障、可靠的时钟以及SDH环网50ms快速保护的长处，又吸取了以太网技术的经济、灵活和扩展性好的优点。因此，它不仅能有效地支持环形拓扑结构和在光纤断开或连接失败时实现快速恢复，同时具备数据传输的高效、简单和低成本等典型以太网特性。SONET采用固定时隙分配技术来执行带宽分配和服务保护；以太网则依赖于以太网网桥或IP路由器来实现带宽分配管理和服务保证。这样，当使用SONET时，网络使用效率不高；当使用以太网交换机时，网络的服务质量又得不到保证。RPR采用了以缓存器插入环（BIR）为基础的优化的MAC协议来弥补这些缺陷，提供新一代接入网所要求的恢复能力、有保证的服务质量和管理能力。

3.2 科考船RPR技术应用方式选择

作为L2层上的新的MAC协议， RPR可以基于不同的物理层(L1层)，即可以有基于SDH/SONET的RPR和基于WAN/LAN PHY的RPR。

图1 RPR基本系统结构

基于SDH/SONET的RPR是从传统的SDH/SONET平台向数据和语音混合传输的平台扩展， 在SDH/SONET的传输管道上根据实际应用需要设定传输语音的VC通道和传输数据业务的RPR通道。传输语音的VC通道继承所有SDH的特性，其保护倒换遵从标准的SDH环保护方式，从而保证了语音传输的QoS； 而着眼于数据业务传输的RPR通道则遵循RPR的保护倒换方式，并在RPR环上节点的业务接入点进行公平控制， 拥塞处理， 以保证数据业务传输的QoS， 同时，在业务接入点还支持VLAN及UNI/NNI等相应功能，以保证LAN向MAN的无缝扩展。

基于WAN/LAN PHY的RPR则是在纯粹的数据平台上构造传输网络。这时该环上承载的所有业务均为数据业务，不存在专为语音设置的TDM通道。而基于WAN PHY的RPR和基于LAN PHY的RPR的主要在于WAN PHY提供了简化的SDH帧结构，这种简化的帧结构仅提供有关的SDH管理信息，而不提供SDH所能提供的其他的丰富信息和功能如保护倒换，时钟同步等。

从科考船各系统业务传输的信息类型来看，主要有语音、数据、以太网以及视频几个方面，传输平台为全船的业务信息提供透明的传输路由，传输平台不但要为科考船通信系统以外的测控系统、航海系统和气象系统提供以太网数据通道以及同步/异步数据通道，同时，作为通信系统的一部分，还需要为通信系统内的其它分系统提供各种业务传输通道，包括语音、数据通道（包括以太网数据、同步/异步数据以及E1等）以及视频图像的传输通道等；另一方面，传输平台作为船内生活电话交换的核心，提供程控电话交换功能。显然， 基于SDH/SONET的RPR可以使语音业务和数据业务的传输各得其所，既保证语音业务能以其固有的方式传输，同时又使数据业务的传输不再完全拘泥于SDH传输方式的种种局限，使传输通道的利用率大大提高，并通过新的MAC层协议将LAN延伸到MAN/WAN，将LAN的众多优点亦扩展到MAN/WAN。 相对于基于WAN/LAN PHY的RPR而言，基于SDH/SONET的RPR的带宽利用率可能略低(通过采用VCAT， LCAS等下一代SDH的关键技术，可进一步提高其带宽利用率)，但能充分保证语音业务传输的 QoS， 并与现有的网络设备和交换机直接对接， 因而更适于作为语音和数据混合传输的统一平台。基于SDH/SONET的RPR功能，用户可根据需要， 指定环路的传输管道中传输TDM的通道容量和传输分组数据业务的通道容量。

在一个物理环中，可根据需要，指定一个或多个RPR环，而语音业务和数据业务虽然走的同一个光纤(或波长)，但互不相干，从而可充分保证了语音业务的QoS。 TDM通道采用单向通道或双向复用段保护环，而数据通道则采用RPR方式，因而不再需要预留专用保护带宽。 两种通道按各自的机制进行保护倒换， 均能保证小于50ms的保护倒换时间。

3.3 采用RPR传输的工作流程

内嵌RPR的基于SDH的MSTP是从传统的SDH/SONET平台向承载数据和话音的多业务综合传送平台发展的产物，并且是新一代基于SDH的MSTP的主要技术特征之一，即在SDH的传输管道上根据实际应用需要设定传送TDM话音业务的VC通道和传送IP等数据业务的RPR通道（n×VC-X）带宽，其对以太网业务的处理工作流程如图3所示。

图3 基于SDH的RPR系统工作流程

3.4 应用实例

视频监控系统是科考船重要组成部分，数字视频传输的视频分系统包括视频前端设备、传输平台提供的视频压缩编码处理设备、传输平台提供的图像数据上传以及组播的以太网传输通道，视频业务数据流量大，对网络带宽要求较高，通过RPR技术的应用，提高了传输质量，对改善图像停顿，马赛克现象有较大改进。

3.5 传输平台传输试验IP网数据方式

根据以上分析， PP方式和ESR方式对高速IP业务支持性能不如RPR方式，采用RPR方式传输试验IP数据网数据时，传输方式如图4所示。

图4 传输平台传输试验IP网数据方式

要在传输平台SDH环上运行RPR虚拟环，需要解决两个问题。第一，RPR帧如何映射成SDH帧；第二，RPR的保护切换机制如何与SDH的保护切换机制协调工作。RPR帧采用通用帧处理程序（GFP）的封装方式，并且采用虚容器（VC）通道的虚级联映射到SDH帧中映射过程如图5所示。

图5 RPR帧映射到SDH帧

RPR环和SDH环都能够实现50ms的保护切换机制，当RPR运行在SDH环上时，因为它们具有相同的保护切换时间，当网络上有故障发生时，如果让它们同时进行保护切换，势必会带来一些问题。有两个解决方法：一是只允许一种保护机制工作；另一种方法是两个保护机制同时工作，给RPR的保护机制加一个延迟（hold-off）时间,让SDH的保护切换机制首先响应故障，只让RPR处理SDH不能处理的故障。

由于这种方案是构建在SDH上的，它并不能克服SDH固有的缺点。它相对于EoS的优点是它实现了带宽共享机制，能够让环中节点公平的共享带宽。这种方案另一个显著的优点就是随着数据业务的不断增长，只需在SDH网络中增加分配给RPR的带宽，而不需要更新设备，就可实现网络应用的扩展。

4 结束语

IP技术以接入灵活、使用方便、能屏蔽各种低层异构网络等优点，在世界范围内得到广泛应用。随着测控、测发等试验IP数据的增长，为适应未来试验任务的发展需求，简化信息传递关系，基地试验通信网络必然要向IP化方向发展。以SDH光传输网为基础的科考船综合信息系统在今后相当一段时间内将成为科考船通信基础设施，RPR等各种技术在其中的广泛应用将大大改善科考船综合信息传输系统的传输高速IP数据的性能。

[1]韦乐平.光同步数字传送网(修订本)[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[2]张晔.融合RPR功能的新一代MSTP[N].人民邮电报,2005.

[3]城域网新亮点:多业务传输平台(MSTP)[N].人民邮电报,2004.