摘? 要: 在包交換網(wǎng)絡(luò)" title="交換網(wǎng)絡(luò)">交換網(wǎng)絡(luò)上仿真E1業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)用戶交換機(jī)PBX與包交換網(wǎng)絡(luò)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(shù),。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(shí)現(xiàn),并提供了一種網(wǎng)絡(luò)模型和仿真結(jié)果,。

　　關(guān)鍵詞: 虛擬局域網(wǎng)VLAN? 服務(wù)質(zhì)量QoS? IP電話VoIP? 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA? 用戶交換機(jī)PBX

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　　更多更好的服務(wù)和更低的費(fèi)用是促使電話網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng),、多媒體網(wǎng)相互融合趨向統(tǒng)一的深刻動(dòng)因,而光纖的巨大帶寬和第三層交換的強(qiáng)大交換能力則為此提供了技術(shù)上的可能,。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度看,IP over Fiber將是未來網(wǎng)絡(luò)的骨干;從提供業(yè)務(wù)的角度看,整合在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)上的各種新舊業(yè)務(wù)將是人們能夠享受到的結(jié)果。

　　目前,電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)正演變?yōu)橐粋€(gè)語音與數(shù)據(jù)集成的網(wǎng)絡(luò),。其中,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈爆炸性增長(zhǎng),語音業(yè)務(wù)" title="語音業(yè)務(wù)">語音業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)相比之下并不明顯,。可以想象,這種集成網(wǎng)絡(luò)中必然會(huì)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主,?？梢?將電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)融合,把語音業(yè)務(wù)融入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的洪流,已是大勢(shì)所趨。但是,占較小比重的語音業(yè)務(wù)卻要求有比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(wù)匯入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(guān)。在網(wǎng)關(guān)處從電話交換機(jī)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(jiǎn)單的分組語音解決方案,。其優(yōu)點(diǎn)是:

　　(1)省去IP電話網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)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(wù);

　　(3)提供高質(zhì)量的語音。

　　達(dá)到上述目標(biāo)需要網(wǎng)絡(luò)提供足夠的帶寬——E1速率為2Mbps,。這在當(dāng)前的廣域IP網(wǎng)上是不可能實(shí)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(dāng)前,受現(xiàn)有硬件條件的限制,局限于在局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)這種技術(shù),希望能夠?yàn)樵摷夹g(shù)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(duì)其延時(shí)、抖動(dòng)等性能進(jìn)行了分析,。

1 成幀方案

　　以太網(wǎng)中將傳輸兩種數(shù)據(jù):計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和E1數(shù)據(jù),。E1數(shù)據(jù)采用與計(jì)算機(jī)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(gè)字節(jié)設(shè)為時(shí)戳,收端可根據(jù)時(shí)戳對(duì)E1包排序,判斷是否丟包。包結(jié)構(gòu)如表1所示,。

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　　在包交換網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行電路仿真,為減小延時(shí)必須對(duì)語音包采取優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā),。而傳統(tǒng)的交換芯片" title="交換芯片">交換芯片對(duì)所有以太網(wǎng)包的轉(zhuǎn)發(fā)都是盡力而為,一視同仁。這種情況下E1包很有可能因?yàn)閿?shù)據(jù)包的突發(fā)而造成很大延時(shí),甚至因?yàn)榫彺骊?duì)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(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級(jí),可以為優(yōu)先級(jí)高的包提供優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)以保證QoS,。鑒于支持802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的交換芯片已經(jīng)出現(xiàn),在以太網(wǎng)上仿真電路業(yè)務(wù)的QoS是可以預(yù)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(shè)定高的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí),即優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)E1包以保證收端恢復(fù)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(jí)高,。為適應(yīng)這一要求,E1數(shù)據(jù)在被封裝成上述結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)包后還要加入4字節(jié)的標(biāo)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(biāo)簽的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下:

　　采用定長(zhǎng)發(fā)包的方式,。以太網(wǎng)包中E1數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度定為N×32bytes,正好是N個(gè)E1幀,。N值要適當(dāng)選取,因?yàn)榘L(zhǎng)則延時(shí)太大,太短則開銷所占比重太大。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度正好是E1幀的整數(shù)倍,這樣即使丟掉一個(gè)包,收端的E1幀定位也不會(huì)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(gè)E1包。

2 適配電路

　　適配電路的功能是實(shí)現(xiàn)PBX與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(shí)加入時(shí)戳(鑒于時(shí)戳的重要性,其自身帶有校驗(yàn)比特),在接收E1包時(shí)根據(jù)時(shí)戳標(biāo)記的順序存儲(chǔ)E1數(shù)據(jù)。

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　　這樣一個(gè)適配節(jié)點(diǎn)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(shè)置,。為實(shí)現(xiàn)上述的VLAN網(wǎng)絡(luò),將交換芯片設(shè)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(jí)高;接E1包端口時(shí),或者與非VLAN的傳統(tǒng)以太網(wǎng)相接時(shí),入端口時(shí)加入標(biāo)簽,出端口時(shí)去掉標(biāo)簽;每個(gè)交換端口輸出隊(duì)列分為兩個(gè),一個(gè)具有高的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí),另一個(gè)具有較低的優(yōu)先級(jí)。只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列發(fā)送完后才發(fā)送低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列,但是如果高優(yōu)先級(jí)的包到達(dá)時(shí)低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中有一個(gè)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(jí)的包,。

　　這樣的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了E1與普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的集成傳輸,。圖3是這種網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子。

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4 網(wǎng)絡(luò)性能仿真與適配功能測(cè)試

　　對(duì)于在包交換網(wǎng)絡(luò)上傳輸E1業(yè)務(wù),減小延時(shí)和時(shí)鐘提取是主要問題,。二者與收到E1包的延時(shí)抖動(dòng)密切相關(guān),而E1包抖動(dòng)主要取決于在交換機(jī)中的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)所造成的延時(shí),。以下分析只考慮E1包的這種延時(shí)。

　　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(dòng)而設(shè)置,越大越能容納大的抖動(dòng),。但是緩存的增大會(huì)線性地增大語音延時(shí),。所以應(yīng)該在容納包抖動(dòng)的情況下盡量減小緩存。如果是一個(gè)不具有優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò),那么在E1包到達(dá)交換機(jī)時(shí),可能有多個(gè)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(shí)比沒有阻塞時(shí)增大了,。

　　E1包前面所有包總長(zhǎng)度/100Mbps這個(gè)值是沒有上限的,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)會(huì)使E1包產(chǎn)生很大的抖動(dòng)甚至被丟棄,。這種情況的后果,一是因?yàn)橐哟笫斩司彌_區(qū)(如果緩沖區(qū)不夠大可能會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間收不到數(shù)據(jù)而發(fā)生讀空導(dǎo)致錯(cuò)誤)而導(dǎo)致E1端延時(shí)增大,二是給收端定時(shí)恢復(fù)造成了很大困難,。而在優(yōu)先發(fā)送E1包的網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)E1包到達(dá)一個(gè)交換機(jī)時(shí),延時(shí)是可以預(yù)測(cè)的——由存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致的延時(shí)分為三部分:

????①E1包自身的存儲(chǔ)導(dǎo)致的延時(shí),約為32byte×N×8bit/byte/100Mbps=N×0.00256ms;

　　②低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中當(dāng)前正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包造成的延時(shí),最大" title="最大">最大為(以太網(wǎng)最大包長(zhǎng)為1518字節(jié))1518byte×8 bit/byte/100Mbps 0.12ms;

　?、鄹邇?yōu)先級(jí)隊(duì)列中排在該E1包之前的來自其它端口的E1包導(dǎo)致的延時(shí),設(shè)該網(wǎng)絡(luò)中共有K對(duì)端口發(fā)送E1,。由于網(wǎng)絡(luò)中E1業(yè)務(wù)只占少數(shù),所以K值一般較小。那么最多有(K-1)個(gè)E1包阻塞在該E1包之前,所以造成的最大延時(shí)為(K-1)×①=(K-1)×N×0.00256ms,。

　　最壞的情況是,一個(gè)E1包每經(jīng)過一個(gè)交換機(jī)就恰好有一個(gè)1518字節(jié)的數(shù)據(jù)包剛開始發(fā)送,并且在高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中還有(K-1)個(gè)E1包在等待。于是該E1包經(jīng)過M個(gè)交換機(jī)后總的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)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(shí),。在M不太大的情況下,這樣的延時(shí)和抖動(dòng)是可以接受的,。圖4是對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果,取M=4,K=1,N=4,網(wǎng)絡(luò)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(jié)果看,在有VLAN的情況下結(jié)果與預(yù)先的估算吻合,而在沒有VLAN的情況下E1包的端延時(shí)顯著增大,。

　　為了保證實(shí)時(shí)E1業(yè)務(wù)的質(zhì)量,除了要在網(wǎng)絡(luò)中盡可能減小E1包延時(shí)外,還要保證在網(wǎng)關(guān)處對(duì)串行E1碼流進(jìn)行正確的封裝和復(fù)原。這部分功能由適配電路完成,。為測(cè)試這一功能,采用百兆點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸一路E1,設(shè)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(cè)得:①發(fā)出的E1包全部通過交換機(jī);②收端還原出的HDB3 E1數(shù)據(jù)72h無誤碼;③E1輸出抖動(dòng)在G.823的抖動(dòng)/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(shí)恢復(fù)等功能,。

　　本文分析了分組語音的技術(shù)背景和在包網(wǎng)絡(luò)上仿真E1的應(yīng)用前景,提出了一種在VLAN上分優(yōu)先級(jí)傳送語音業(yè)務(wù)E1和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的方案。網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果顯示該方案可以利用現(xiàn)有硬件實(shí)現(xiàn)有QoS保證的分組E1業(yè)務(wù);相關(guān)產(chǎn)品的適配電路已完成設(shè)計(jì)和調(diào)試,。

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參考文獻(xiàn)

1 IEEE Std 802.1Q-1998,IEEE Standards for Local and?Metropolitan Area Networks： Virtual Bridged Local Area

? Networks.

2 (美) Scott Keagy著,李真文譯.語音與數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò).北京:電子工業(yè)出版社, 2002

3 Alj,T., Gregoire, J.-C. Admission control and bandwidth?management for VLANs,High Performance Switching and?Routing. 2001 IEEE Workshop on, 2001

4 Marina Smith. Virtual LANs. a guide to construction, operation, and utilization. Beijing： Tsinghua University Press,?2000(originally published. New York. McGraw-Hill, c1998)

5 John Roese. Switched LAN＇s.implementation, operation,?maintenance.Beijing： Tsinghua university Press, 2000 (originally published： New York ：McGraw-Hill, 1999)

6 張 磊. VoIP 語音技術(shù)及應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000

7 沈鑫剡. 交換式以太網(wǎng)原理,、技術(shù)及實(shí)現(xiàn).北京:人民郵電出版社, 1999