導語：交換網(wǎng)絡仿真業(yè)務管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：在包交換網(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(shù)。提出了在百兆以太網(wǎng)上傳輸E1的一種整體解決方案，介紹了適配電路的FPGA實現(xiàn)，并提供了一種網(wǎng)絡模型和仿真結(jié)果。

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

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(shù)上的可能。從網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的角度看，IPoverFiber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(jié)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?？梢姡瑢㈦娫捑W(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(guān)。在網(wǎng)關(guān)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(guān)，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(shù)，希望能夠為該技術(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(shè)為時戳，收端可根據(jù)時戳對E1包排序，判斷是否丟包。包結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1包結(jié)構(gòu)

6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)4字節(jié)

目的地址源地址長度時戳E1數(shù)據(jù)FCS

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(zhuǎn)發(fā)。而傳統(tǒng)的交換芯片對所有以太網(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(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級，可以為優(yōu)先級高的包提供優(yōu)先轉(zhuǎn)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(shè)定高的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，即優(yōu)先轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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。

表2包結(jié)構(gòu)

6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)4字節(jié)

目的地址源地址VLAN協(xié)議IDVLAN標簽長度時截E1數(shù)據(jù)FCS

其中，2字節(jié)的VLAN標簽的詳細結(jié)構(gòu)如下：

3比特1比特12比行

優(yōu)先級CFIVLAN標識

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)。

這樣一個適配節(jié)點的系統(tǒng)框圖如圖2。

3交換與調(diào)度控制

交換芯片可以有多種不同的設(shè)置。為實現(xiàn)上述的VLAN網(wǎng)絡，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(zhuǎn)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。

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(guān)，而E1包抖動主要取決于在交換機中的存儲轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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；

②低優(yōu)先級隊列中當前正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包造成的延時，最大為（以太網(wǎng)最大包長為1518字節(jié)）1518byte×8bit／byte／100Mbps0．12ms；

③高優(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(shè)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(zhuǎn)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(jié)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。

從仿真結(jié)果看，在有VLAN的情況下結(jié)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(guān)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(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）測得：①發(fā)出的E1包全部通過交換機；②收端還原出的HDB3E1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(shù)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(jié)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(guān)產(chǎn)品的適配電路已完成設(shè)計和調(diào)試。