1、西 南 交 通 大 学研 究 生 学 位 论 文专 业 计算机应用技术 SUPANET 中数据流适配层协议的研究基于角色的访问控制的研究Classified Index: TP393.09 U.D.C: 618.14Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisRESEARCH ON STREAM ADAPTATION PROTOCOL IN SINGLE PHYSICAL LAYER USER PLATFORM ARCHITECTUREMay.2005 Grade: 2003 Candidate: Liang Wei Academic De
2、gree Applied for: Master Major: Computer ApplicationSupervisor: Dou Jun西南交通大学硕士研究生学位论文 第 I 页摘 要密集波分复用技术为将电视网、电话网和传统计算机网络合并为一个数字化、分组化的集成的网络提供了高速通信条件，而现有的 Internet的三层/两层的用户数据传输平面的传输效率低下、难以对未来不同服务质量的应用数据流提供服务质量保障，在这种背景下，作者所在的实验室提出了单物理层用户数据传输平面的体系结构（SUPA） 。该全新的网络体系结构，利用带外信令控制技术，将服务质量保证体系的控制点的协议层次降低到物理层，
3、并简化用户数据传输平面为单层平面。本论文研究的主题是单物理层用户数据传输平面体系结构（SUPA）的应用数据流适配层（SAL）及其适配协议，其重点是为不同的服务质量需求的应用数据流提供适当的数据封装格式，从而实现应用数据流适配层在高层用户数据与物理帧之间进行适配，不必象传统数据网络中对用户数据进行层层封装，而是将高层的用户数据直接封装成物理帧，通过交换的虚线路（VL） ，在物理层实现对用户数据的高速交换，从而提高用户数据的传输效率。在全新的网络体系结构 SUPA 中，作者首先对未来网络中的众多应用数据做了较深入的分析和比较，将高层应用数据分为恒定比特率数据流、可变比特率数据流和恒定/可变比特率的
4、非实时数据流。又利用分层概念，将应用数据流适配层（SAL）分成两个子层（汇聚子层和拆装子层） ，提出并设计了 3 种面向“三网合一”需求的全新的应用数据流适配协议（SAL1、SAL2 和 SAL3） 。这 3 种适配协议分别适配高层 3 类不同服务质量需求的应用数据。其中，SAL1 用于适配恒定比特率的实时数据流（第 1 类） ，作者利用了这类数据对于瞬时的数据错不敏感，特别设计了零功能的汇聚子层（即只需完成数据分割或重组） ，从而满足该类数据在传输时要求尽可能小的传输时延抖动的需要；SAL2 用于适配可变比特率的实时数据流（第2 类） ，SAL2 允许不同的 SAL2 连接复用一条虚线路的设
5、计更加充分适应短用户数据的传输需要，使得用户数据的传输效率得到大大提高，而且 SAL2 仅仅对头部信息的差错控制使得在低误码率的网络环境里数据传输的实时性得到更好的保证；SAL3 用于适配恒定 /变长比特率的非实时数据流（第 3 类） ，SAL3 在功能上的设计与 IP 网络的紧密联系，为Internet 向 SUPANET 的过渡提供有力支持。同时，为了适配传输速率变西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II 页化很大的数据业务，在 SAL3 中定义了两种业务传送工作模式，即成块传输模式（适用于实时性要求不高的场合）和管道传输模式（适用于具有低时延要求的低速数据传输） 。最后，本论文还利用 O
6、PNET 网络仿真软件建立一个简化的 SUPA网络拓扑结构，对 3 种适配协议进行端到端时延的仿真，仿真实验结果表明 3 种适配协议基本满足高层 3 类应用数据传输对实时性的要求。关键字 SUPA；SAL；三网合一；带外信令控制西南交通大学硕士研究生学位论文 第 III 页ABSTRACTThe background of the work presented in this dissertation is the SUPANET (Single physical layer User-Platform (U-platform) Architecture NETwork) introduced
7、 by Sichuan Network Communication Key Laboratory (SC-Netcom Lab) to meet the needs of QoS for future merged networks. The SUPANET simplifies the user-data transfer platform (U-platform) into a single physical layer, which can greatly improve efficiency as well as QoS provisioning for user data in th
8、e U-platform while remains interoperable with existing Internet. This dissertation focuses on adaptation issues between user traffic and the basic data units (i.e. EPF - Ethernet-like Physical Frame) of the SUPANET with regard to QoS requirements (throughput, transit delay, jitter, data loss rate, e
9、tc.), data formats and lengths in the U-platform of SUPA. In order to provide a systematic approach towards adaptation functions, this thesis defines 2-sublayer architecture for the SAL, SAR (Segmentation And Reassembly) sublayer at the bottom and CS (Convergence Sublayer) at the top.In view of appl
10、ication traffic can be classified into three groups on the basis of nature of application traffic:CBR-T (Constant Bit Rate Time critical) data flow、 VBR-T (Variable Bit Rate Time critical) data flow and C/VBR-N (Constant/Variable Bit Rate Non-time critical) data flow, three adaptation protocols have
11、 been defined in the authors work, they are: A. SAL1 for CBR-T to ensure high data rate, low latency and jittersB. SAL2 for VBR-T to with less critical constraints on traffic delivery but with minimal error checking facility.C. SAL3 for C/VBR-N with an emphasis on reliable data delivery. Because CBR
12、-T data flow requests transfers delay and jitter as little as possible, SAL1segments user data and encapsulates Physical Frame, appending nothing for user data. The reason for definition of SAL1 is that the Bit Error Rate has been reduced to 10-1010-12 with continuous improvement in communication te
13、chnique and CBR-T data flow is not sensitive to instantaneous data error. Due to the transfers less delay and reliability requirements of such streams, SAL2 PDU provides length and CRC fields to satisfy requirements of transfer. C/VBR-N data flow, which is non-time 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页critical and
14、 the bit rates span from a few Kbps through hundreds of Kbps, is adapted by SAL3. SAL3 PDU provides many fields, such as Header Error Control (HEC), sequence number and offset of data packet. Finally, to validate three SAL protocols, emulation of end-to-end delay with these three protocols has been
15、carried out with the simulation tool OPNET, which has shown quite a good approximation to anticipation. The authors work has provided a frame work concerning adaptation issues in SUPANET, although further refinement is needed in the future.KEYWORD: SUPA；SAL；Merged Network；Outband signaling control西南
16、交通大学硕士研究生学位论文 第 V 页目 录摘 要 .IABSTRACT.III第 1章 绪论.11.1 引言 .11.2 本论文的学术背景及理论 .21.2.1 三网合一的大趋势.21.2.2 现有的服务质量保障机制.61.2.3 现有的网络体系结构.81.2.4 密集波分复用技术 DWDM 概述 .111.3 本论文研究课题的来源及主要研究内容 .121.4 本论文的组织安排 .13第 2章 SUPA 网络体系结构 .142.1 带外信令控制技术 .142.2 SUPA 的协议层次模型和接口 .142.3 SUPANET 的 SUPA 模式下的工作过程 .16第 3章 异步传输模式适配层简
17、介.183.1 ATM 适配层的 业务分类 .183.2 ATM 适配层的结构 .203.3 AAL 的 5 类协议 .213.4 AAL 协议的比较 .24第 4章 应用数据流适配层.254.1 未来“三网合一”网络的应用数据 .254.1.1 应用数据的分类.254.1.2 应用数据的传输要求.274.1.3 音频/视频数据流压缩技术 .28西南交通大学硕士研究生学位论文 第 VI 页4.2 应用数据流适配层 SAL 的分层结构 .304.2.1 SAL 分层结构的必要性 .304.2.2 SAL 的分层结构 .314.2.4 SAL 类型 .334.3 应用数据流适配层 SAL 协议 .
18、344.3.1 SAL1 对 CBR-T 数据流的适配 .344.3.2 SAL2 对 VBR-T 数据流的适配 .364.3.3 SAL3 对 C/VBR-N 数据流的适配 .394.4 小结 .42第 5章 适配层 SAL 的仿真 .445.1 OPNET 网络仿真软件概述 .445.2 MODELER 的仿真流程 .455.3 SUPANET 的 3 类 SAL 协议的仿真模型设计 .475.3.1 SUPA 环境的网络拓扑模型设计 .475.3.2 各个节点模型设计.485.3.3 SAL 进程模块和工作流程 .515.3.4 SAL 进程的 PDU 格式模型设计 .545.4 3 类
19、 SAL 协议的端到端时延仿真结果 .555.4.1 仿真统计量的设计.555.4.2 仿真结果.57结 论.60致 谢.62参 考 文 献.63攻读硕士学位期间发表的论文.67附录 SAL 进程仿真的功能函数 .68西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 页第 1章 绪论1.1 引言Internet 是 20 世纪 70 年代末期出现的网络体系结构和技术。其实质是开放的、互连的网络系统，通过高速骨干网将许多广域网（WAN）和局域网（LAN）连接起来。现在的 Internet 是在 ARPANET（美国国防部高级研究计划管理局（ARPA）建立的广域网）的基础上逐步发展起来的。为实现网络互连，美
20、国国防部通信局和 ARPA 在 1980 年研制成功了 TCP/IP 协议，从 1983 年起，要求与 ARPANET 相连的主机都采用TCP/IP 协议 11。随着 Internet 的起飞和快速普及， TCP/IP 协议广为流传，已成为一种事实上的开放系统互连的体系结构标准。TCP/IP 是一种实现网络互连的重要协议，它分为四层：网络接口层、互连网层、传输层（TCP）和网络应用层。互连网层和传输层是网络互连的桥梁和可靠性的保证；网络接口层则能灵活地支持多种物理层和链路层协议；网络应用层除了原有的一些网络层协议外，很容易接纳其他应用层协议，既适应于广域网，也能嵌入局域网，实现网络互连。从体系
21、结构上看，Internet 的 5 层结构比 OSI/RM 的 7 层结构简单，也没有 OSI/RM 中复杂的 “服务”定义；从网络技术上看，Internet 在网络层采用了无连接、无用户数据检错功能的 IP 协议， 虽不可靠，但使用简单。以单个报文（Message ）/分组（Packet ）为基础根据网络拥塞情况独立选择路径，可以缓解网络拥塞。为了保证数据的正确传输，IP 之上采用了端到端的具有 “检错重传”功能和“错序重组”的面向连接的传输控制协议 TCP。所有数据都通过3 层的 IP 网络平台加上 TCP 协议的“端到端”检错后重传方式满足应用的需求，确保了对于文本和实时性要求不高的多媒
22、体数据的传输 12。Internet 以其简单的 5 层结构和网络层采用简单的无连接协议为特点独树一帜，并成为当今网络的主流体系结构。Internet 在全球的成功，使人们开始设想能否利用 Internet 技术将传统的有线电视网络、电话交换网络和计算机网络 3 个独立的网络合并为一个分组化、数字化的综合业务网络。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2 页1.2 本论文的学术背景及理论Internet 是在用户数据传输速率较低（Kbps数十 Kbps） 、通信线路误码率较高（10 -610 -5）的背景下，为以传输文本数据为主的网络应用环境而设计的，解决数据传输正确性问题是当时的网络的主要关心
23、的内容之一。随着 Internet 应用的日益广泛，人们对传输音频和视频数据流更有兴趣，使得多媒体数据在网络应用的比重越来越大，而音、视像数据对网络传输的服务质量的要求与文本数据的传输要求有较大的区别，尽管它们对传输内容的正确性要求低于文本数据，但在传输速率（Data Rate） 、传输时延（Transit Delay）和传输数据抖动（ jitter）方面的要求则远高于文本数据。而此时以 IP 为基础的 Internet 提供的尽其所能（Best Effort）的服务质量已经难以满足许多应用对传输服务质量的需求，特别是面对现代实时数据（话音和视像）的传输和未来电话网、电视网、传统计算机网络“三
24、网合一”的发展趋势，在 Internet 中如何提供服务质量能够得到保证的技术，便成为学界和业界共同关心的问题 11。 1.2.1 三网合一的大趋势目前，许多家庭同时在使用三种网络：电信电话网、有线电视网和计算机网络。电信电话网的历史最为悠久，已有 100 多年，它是世界上规模最大、覆盖面最广、管理最完善的网络。它的特点是以语音为最主要的传输对象。电信电话网以电话网为基础逐步发展起来，目前到户主要是双绞线，通过交换机与骨干网相连。电话网是最早实现数字化的网络，其传输方式逐步向光纤到户发展，传输协议从准同步体系（PDH）到同步体系（SDH） ，最终到异步传送模式，但由于发展的不平衡，尚不能做到全
25、网传输和交换的数字化。而作为一种全双向、对称流量的结构，尽管有非对称用户环路（ADSL）和高速用户环路（VDSL）等方式，速率可达几 Mbps 到几十 Mbps，但整个网络的传输能力受到双绞线原传输容量这一瓶颈的限制。有线电视网也有几十年的历史，它以区域为界，以电视信号为最主要的传输对象。有线电视数字化为信息交换提供了一种前所末有的广阔前景。其点到面的广播特点及相应的协议为数字电视广播和数字声音广播提供了廉价的平台。由于其带宽较宽，广播电视系统的数字化和双向化更容易将不同的业务综合在一起。计算机网络出现的最晚，但发展的速度最为迅速，它以数字化信息为最主要的传输对象。计算机网络的初期主要是局域网，远程网是在国际互连网大规模发展后才迅速进入平常百姓家庭的，其数据交换主要是基于 TCPIP 协议的 IP
