摘? 要: 在包交換網(wǎng)絡" title="交換網(wǎng)絡">交換網(wǎng)絡上仿真E1業(yè)務可以實現(xiàn)用戶交換機PBX與包交換網(wǎng)絡的無縫連接,并能提供高質(zhì)量的話音,是除VoIP之外的另一種分組語音技術。提出了在百兆以太網(wǎng)上傳輸E1的一種整體解決方案,介紹了適配" title="適配">適配電路的FPGA實現(xiàn),并提供了一種網(wǎng)絡模型和仿真結果。

　　關鍵詞: 虛擬局域網(wǎng)VLAN? 服務質(zhì)量QoS? IP電話VoIP? 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA? 用戶交換機PBX

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　　更多更好的服務和更低的費用是促使電話網(wǎng)、計算機網(wǎng)、多媒體網(wǎng)相互融合趨向統(tǒng)一的深刻動因,而光纖的巨大帶寬和第三層交換的強大交換能力則為此提供了技術上的可能。從網(wǎng)絡結構的角度看,IP over Fiber將是未來網(wǎng)絡的骨干;從提供業(yè)務的角度看,整合在統(tǒng)一網(wǎng)絡上的各種新舊業(yè)務將是人們能夠享受到的結果。

　　目前,電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)正演變?yōu)橐粋€語音與數(shù)據(jù)集成的網(wǎng)絡。其中,數(shù)據(jù)業(yè)務呈爆炸性增長,語音業(yè)務" title="語音業(yè)務">語音業(yè)務的增長相比之下并不明顯?？梢韵胂?這種集成網(wǎng)絡中必然會以數(shù)據(jù)業(yè)務為主?？梢?將電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)融合,把語音業(yè)務融入數(shù)據(jù)業(yè)務的洪流,已是大勢所趨。但是,占較小比重的語音業(yè)務卻要求有比數(shù)據(jù)業(yè)務更高的QoS保證。如何高質(zhì)量地傳送分組語音,是語音業(yè)務匯入數(shù)據(jù)業(yè)務過程中必須解決的問題。

　　目前的VoIP是一種比較流行的解決方案,E1接入IP網(wǎng)需要經(jīng)過IP電話網(wǎng)關。在網(wǎng)關處從電話交換機出來的E1數(shù)據(jù)被重新拆散,將其中的30路電話數(shù)據(jù)分別取出、壓縮、打包送到IP網(wǎng)上。盡管VoIP已經(jīng)得到大量推廣,但是在QoS和信令方面仍有問題需要解決。而把E1數(shù)據(jù)直接封裝成IP包傳送,則是一種直觀而簡單的分組語音解決方案。其優(yōu)點是:

　　(1)省去IP電話網(wǎng)關,實現(xiàn)IP網(wǎng)絡與傳統(tǒng)PBX的無縫連接;

　　(2)提供E1在分組網(wǎng)上的透明傳輸,因此仍舊支持傳統(tǒng)電話上的多種業(yè)務;

　　(3)提供高質(zhì)量的語音。

　　達到上述目標需要網(wǎng)絡提供足夠的帶寬——E1速率為2Mbps。這在當前的廣域IP網(wǎng)上是不可能實現(xiàn)的,下一代基于第三層交換的IP網(wǎng)將為此提供光明的前景。而當前,受現(xiàn)有硬件條件的限制,局限于在局域網(wǎng)中實現(xiàn)這種技術,希望能夠為該技術在未來新式IP網(wǎng)的推廣鋪路搭橋。

　　本文提出了在百兆以太網(wǎng)上傳輸E1的一種方案,并對其延時、抖動等性能進行了分析。

1 成幀方案

　　以太網(wǎng)中將傳輸兩種數(shù)據(jù):計算機數(shù)據(jù)和E1數(shù)據(jù)。E1數(shù)據(jù)采用與計算機數(shù)據(jù)類似的打包方式,即把E1數(shù)據(jù)放入以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)區(qū),數(shù)據(jù)區(qū)的第一個字節(jié)設為時戳,收端可根據(jù)時戳對E1包排序,判斷是否丟包。包結構如表1所示。

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　　在包交換網(wǎng)絡上進行電路仿真,為減小延時必須對語音包采取優(yōu)先轉發(fā)。而傳統(tǒng)的交換芯片" title="交換芯片">交換芯片對所有以太網(wǎng)包的轉發(fā)都是盡力而為,一視同仁。這種情況下E1包很有可能因為數(shù)據(jù)包的突發(fā)而造成很大延時,甚至因為緩存隊列已滿而遭丟棄,無法保證語音QoS。IEEE的802.1Q協(xié)議定義了VLAN和包轉發(fā)的優(yōu)先級,可以為優(yōu)先級高的包提供優(yōu)先轉發(fā)以保證QoS。鑒于支持802.1Q標準的交換芯片已經(jīng)出現(xiàn),在以太網(wǎng)上仿真電路業(yè)務的QoS是可以預見的并有一定保證的。本方案的基本思想就是用這樣的交換芯片搭建支持VLAN的以太網(wǎng),為E1包設定高的轉發(fā)優(yōu)先級,即優(yōu)先轉發(fā)E1包以保證收端恢復出來的E1流的QoS。其中E1包和數(shù)據(jù)包屬于不同的VLAN,前者優(yōu)先級高。為適應這一要求,E1數(shù)據(jù)在被封裝成上述結構的以太網(wǎng)包后還要加入4字節(jié)的標簽,形成802.1Q所定義的VLAN幀,如表2。

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　　其中,2字節(jié)的VLAN標簽的詳細結構如下:

　　采用定長發(fā)包的方式。以太網(wǎng)包中E1數(shù)據(jù)的長度定為N×32bytes,正好是N個E1幀。N值要適當選取,因為包太長則延時太大,太短則開銷所占比重太大。數(shù)據(jù)長度正好是E1幀的整數(shù)倍,這樣即使丟掉一個包,收端的E1幀定位也不會遭到破壞。E1經(jīng)過HDB3解碼、串并變換之后,緩存在FIFO中,存滿N×32字節(jié)后就向交換芯片的MII接口發(fā)送一個E1包。

2 適配電路

　　適配電路的功能是實現(xiàn)PBX與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接:將E1封裝為以太網(wǎng)包送入交換芯片的MII接口;從MII接口接收E1包,取出E1數(shù)據(jù),送到E1線路上。以上功能由FPGA完成,框圖如圖1。在封裝E1包時加入時戳(鑒于時戳的重要性,其自身帶有校驗比特),在接收E1包時根據(jù)時戳標記的順序存儲E1數(shù)據(jù)。

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　　這樣一個適配節(jié)點的系統(tǒng)框圖如圖2。

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3 交換與調(diào)度控制

　　交換芯片可以有多種不同的設置。為實現(xiàn)上述的VLAN網(wǎng)絡,將交換芯片設定在如下模式:所有E1包端口與其它以太網(wǎng)接口屬于不同的VLAN ,E1包端口優(yōu)先級高;接E1包端口時,或者與非VLAN的傳統(tǒng)以太網(wǎng)相接時,入端口時加入標簽,出端口時去掉標簽;每個交換端口輸出隊列分為兩個,一個具有高的轉發(fā)優(yōu)先級,另一個具有較低的優(yōu)先級。只有當高優(yōu)先級的隊列發(fā)送完后才發(fā)送低優(yōu)先級的隊列,但是如果高優(yōu)先級的包到達時低優(yōu)先級的隊列中有一個包正在發(fā)送,則等正在發(fā)送的包發(fā)送完后再發(fā)送高優(yōu)先級的包。

　　這樣的網(wǎng)絡實現(xiàn)了E1與普通數(shù)據(jù)業(yè)務的集成傳輸。圖3是這種網(wǎng)絡的一個例子。

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4 網(wǎng)絡性能仿真與適配功能測試

　　對于在包交換網(wǎng)絡上傳輸E1業(yè)務,減小延時和時鐘提取是主要問題。二者與收到E1包的延時抖動密切相關,而E1包抖動主要取決于在交換機中的存儲轉發(fā)所造成的延時。以下分析只考慮E1包的這種延時。

　　在接收端,E1包經(jīng)由交換芯片的MII接口輸出,在FPGA中將E1數(shù)據(jù)取出、緩存,再做并串變換、HDB3編碼,送到變壓器輸出。緩存為吸收包抖動而設置,越大越能容納大的抖動。但是緩存的增大會線性地增大語音延時。所以應該在容納包抖動的情況下盡量減小緩存。如果是一個不具有優(yōu)先級的網(wǎng)絡,那么在E1包到達交換機時,可能有多個數(shù)據(jù)包阻塞在E1包之前等待發(fā)送,這將使E1包的延時比沒有阻塞時增大了。

　　E1包前面所有包總長度/100Mbps這個值是沒有上限的,在網(wǎng)絡負載較重時會使E1包產(chǎn)生很大的抖動甚至被丟棄。這種情況的后果,一是因為要加大收端緩沖區(qū)(如果緩沖區(qū)不夠大可能會因為長時間收不到數(shù)據(jù)而發(fā)生讀空導致錯誤)而導致E1端延時增大,二是給收端定時恢復造成了很大困難。而在優(yōu)先發(fā)送E1包的網(wǎng)絡中,當E1包到達一個交換機時,延時是可以預測的——由存儲-轉發(fā)導致的延時分為三部分:

????①E1包自身的存儲導致的延時,約為32byte×N×8bit/byte/100Mbps=N×0.00256ms;

　?、诘蛢?yōu)先級隊列中當前正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包造成的延時,最大" title="最大">最大為(以太網(wǎng)最大包長為1518字節(jié))1518byte×8 bit/byte/100Mbps 0.12ms;

　?、鄹邇?yōu)先級隊列中排在該E1包之前的來自其它端口的E1包導致的延時,設該網(wǎng)絡中共有K對端口發(fā)送E1。由于網(wǎng)絡中E1業(yè)務只占少數(shù),所以K值一般較小。那么最多有(K-1)個E1包阻塞在該E1包之前,所以造成的最大延時為(K-1)×①=(K-1)×N×0.00256ms。

　　最壞的情況是,一個E1包每經(jīng)過一個交換機就恰好有一個1518字節(jié)的數(shù)據(jù)包剛開始發(fā)送,并且在高優(yōu)先級隊列中還有(K-1)個E1包在等待。于是該E1包經(jīng)過M個交換機后總的存儲-轉發(fā)延時為:

　　delay=M×(①+②最大+③最大)=M×(K×N×0.00256ms+0.12ms)

　　這就是收端E1包的最大延時。在M不太大的情況下,這樣的延時和抖動是可以接受的。圖4是對上述網(wǎng)絡的仿真結果,取M=4,K=1,N=4,網(wǎng)絡背景流量50Mbps。根據(jù)上述估算,可知:

　　delay=(4×0.00256ms+0.12ms)×4≈0.52ms。

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　　從仿真結果看,在有VLAN的情況下結果與預先的估算吻合,而在沒有VLAN的情況下E1包的端延時顯著增大。

　　為了保證實時E1業(yè)務的質(zhì)量,除了要在網(wǎng)絡中盡可能減小E1包延時外,還要保證在網(wǎng)關處對串行E1碼流進行正確的封裝和復原。這部分功能由適配電路完成。為測試這一功能,采用百兆點對點傳輸一路E1,設定E1傳輸碼型為HDB3碼,頻偏±50ppm,N取4即E1數(shù)據(jù)區(qū)為128字節(jié)。在這種情況下(氣溫、濕度、氣壓均為正常條件)測得:①發(fā)出的E1包全部通過交換機;②收端還原出的HDB3 E1數(shù)據(jù)72h無誤碼;③E1輸出抖動在G.823的抖動/漂移容限值模板之下。這表明適配電路正確完成了E1的發(fā)包、收包、定時恢復等功能。

　　本文分析了分組語音的技術背景和在包網(wǎng)絡上仿真E1的應用前景,提出了一種在VLAN上分優(yōu)先級傳送語音業(yè)務E1和數(shù)據(jù)業(yè)務的方案。網(wǎng)絡仿真結果顯示該方案可以利用現(xiàn)有硬件實現(xiàn)有QoS保證的分組E1業(yè)務;相關產(chǎn)品的適配電路已完成設計和調(diào)試。

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