可靠IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?/h1>

2022-05-17 07:57:02顏浩洋王建兵

科技創(chuàng)新與應(yīng)用訂閱 2022年13期 收藏

關(guān)鍵詞：備份路由鏈路

謝 明，崔 丹，瞿 輝，顏浩洋，王建兵

（1.中國人民解放軍第93216部隊，北京 100085；2.北京航天晨信科技有限責(zé)任公司，北京 100000；3.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

TCP/IP的概念產(chǎn)生于上世紀70年代，并在上世紀80年代得到了迅速的完善和發(fā)展。在上世紀90年代，TCP/IP協(xié)議已毫無爭議地確立了在數(shù)據(jù)通信協(xié)議中的主導(dǎo)地位。至今，TCP/IP協(xié)議已經(jīng)是數(shù)據(jù)通信標(biāo)準的代名詞，是唯一可以通達世界范圍內(nèi)Internet聯(lián)接的通信協(xié)議，也是任何數(shù)據(jù)用戶終端最先支持的協(xié)議標(biāo)準。隨著網(wǎng)絡(luò)通信容量的不斷增加和計算機信息處理能力的不斷提高，TCP/IP協(xié)議正在成為“唯一”的選擇，所謂“Everything Over IP”。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，整個社會都發(fā)生了質(zhì)的改變。各項技術(shù)不斷涌出，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、云計算、大數(shù)據(jù)相繼出現(xiàn)，人們對互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求也在不斷增加，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機行業(yè)在各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，改變了人們的工作方式和生活方式?，F(xiàn)代社會的發(fā)展已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)滲透在社會的各個角落，隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅巳藗兊闹匾?。從IP協(xié)議的角度出發(fā)，分析IP協(xié)議與因特網(wǎng)可靠性之間存在的聯(lián)系，探究其中存在的問題，并提出對應(yīng)的策略。

IP協(xié)議為面向無連接且不可靠的傳輸數(shù)據(jù)，提供一種從源端到目的端的方法，按照用戶的要求為用戶提供從源端機到目的機的數(shù)據(jù)傳輸。IP的傳輸方式是盡力而為的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，IP傳輸不能保證數(shù)據(jù)能到達目的地。IP數(shù)據(jù)的可靠傳輸一般是依靠數(shù)據(jù)終端之間建立TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）連接，利用TCP的滑動窗口和數(shù)據(jù)重傳機制來實現(xiàn)。

1 可靠傳輸數(shù)據(jù)的既有成果

解決UDP非連接類業(yè)務(wù)（包括視頻、話音等實時數(shù)據(jù)流）的可靠傳輸一般依靠3類技術(shù)：

1.1 鏈路聚合

鏈路聚合技術(shù)在2000年IEEE802.3ad完成標(biāo)準化，后由802.1AX標(biāo)準對該技術(shù)的模型、操作、控制協(xié)議以及管理進行全面規(guī)范。該技術(shù)可以將數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的多條全雙工點到點鏈路聚合起來形成一個鏈路聚合組（LAG）。上層功能模塊則可以將鏈路聚合組當(dāng)成一條邏輯鏈路使用，從而達到平滑擴展鏈路帶寬的目的，同時LAG組的物理鏈路之間互為備份提高了鏈路可靠性[1]。

1.2 路徑備份

相關(guān)技術(shù)為MSTP（Multi-Service Transport Platform，多業(yè)務(wù)傳送平臺）和PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)）。MSTP設(shè)備間具有工作光纖和備用光纖兩條通路，正常情況下在工作光纖傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，網(wǎng)管模塊通過鏈路層的管理信息可及時發(fā)現(xiàn)工作光纖鏈路通斷情況并及時（50 ms以內(nèi)）切換到備用光纖[2]。PTN利用路由方法計算出源到目的的兩條路徑（工作路徑和備份路徑），利用標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)的方式建立隧道通路，正常情況下在工作路徑上傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，當(dāng)工作路徑故障時（50 ms以內(nèi)）迅速切換到備份路徑[3]。

1.3 鏈路備份

如ATM（異步傳輸模式）系統(tǒng)的APS（自動轉(zhuǎn)換保護）備份，通過配置保護鏈路，提供工作鏈路和保護鏈路的故障檢測和倒換機制，實現(xiàn)鏈路備份[4]。

分析此3類技術(shù)，技術(shù)1是基于單設(shè)備級，技術(shù)2是基于物理鏈路層級，都未實現(xiàn)跨越三層網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)網(wǎng)間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。技術(shù)3是依靠ATM（異步傳輸模式）的特殊性，建立從源到目的的兩條端到端鏈路，依靠APS協(xié)議實現(xiàn)路徑切換。該技術(shù)必須依賴ATM（異步傳輸模式）有連接的特性，對于無連接的IP傳輸需要疊加更多的技術(shù)，例如MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）來實現(xiàn)備份路徑，MPLS的標(biāo)簽交換與IP數(shù)據(jù)的依靠路由表（最長掩碼匹配）交換也有本質(zhì)的區(qū)別。

除了上述的3種技術(shù)之外，因為SDN（Software Define Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的興起，有了更多的方法可以實現(xiàn)可靠IP數(shù)據(jù)傳輸。例如通過獲取鏈路延遲，并在鏈路下游交換機利用時序數(shù)據(jù)預(yù)測進行故障檢測，同時基于備用路徑預(yù)先規(guī)劃與故障信息廣播的快速重路由方法來實現(xiàn)故障恢復(fù)[5]。SDN控制器計算路徑時也必須依賴SPF（最短路徑優(yōu)先）算法進行路徑計算，不能脫離路由協(xié)議或者路由算法單獨形成備份路徑的IP數(shù)據(jù)傳輸。

2 初步設(shè)想

2.1 設(shè)計要求

針對現(xiàn)有三層交換機的架構(gòu)，形成如下的設(shè)計要求：

（1）基本要求：不改變現(xiàn)有設(shè)備的硬件狀態(tài)，僅依靠更改三層交換機的軟件（含業(yè)務(wù)板FPGA程序）來實現(xiàn)業(yè)務(wù)備份傳輸。

（2）路由要求：不改變路由機制及處理流程。

（3）信道要求：無線信道作為備份鏈路，擴大業(yè)務(wù)傳輸?shù)木嚯x。

2.2 數(shù)據(jù)復(fù)制位置的選擇

數(shù)據(jù)需要復(fù)制后通過無線信道備份傳輸。在數(shù)據(jù)源的3個地方可以進行數(shù)據(jù)復(fù)制。

（1）業(yè)務(wù)單元：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進入三層交換機的第一塊單元板，需要業(yè)務(wù)單元FPGA增加讀寫操作，能完成線速轉(zhuǎn)發(fā)，不影響傳輸性能。

（2）交換單元：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行交換及路由的單元板，需要利用交換單元的鏡像功能，使用鏡像功能配置復(fù)雜，該資源被占用后影響數(shù)據(jù)功能調(diào)試。

（3）主控單元：以軟件轉(zhuǎn)發(fā)的方式進行備份傳輸，傳輸時延指標(biāo)將低于硬件轉(zhuǎn)發(fā)的方式，同時因為要在內(nèi)核態(tài)處理數(shù)據(jù)，增加了操作系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

分析數(shù)據(jù)在中繼節(jié)點進行復(fù)制的可行性?？梢岳媒粨Q網(wǎng)絡(luò)“COPY to CPU”的功能將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)復(fù)制給主控單元CPU，如果主控CPU將此數(shù)據(jù)進行備份傳輸，那么經(jīng)過多少個中繼節(jié)點，目的節(jié)點就會收到多少個復(fù)制的數(shù)據(jù)。即同一份數(shù)據(jù)在無線信道被多次發(fā)送，會超出無線信道的容量，也會超出終端節(jié)點冗余緩存的容量。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸目的選擇

如果節(jié)點之間無法直接形成無線鄰居關(guān)系就需要無線信道具有ADHOC網(wǎng)絡(luò)的中繼功能，便于三層交換機選擇備份數(shù)據(jù)僅經(jīng)過一次無線信道進行傳輸，直接到達目的節(jié)點。

2.4 冗余處理

備份傳輸將產(chǎn)生多余的數(shù)據(jù)，需要在三層交換機內(nèi)部進行冗余數(shù)據(jù)處理。冗余數(shù)據(jù)出現(xiàn)在業(yè)務(wù)單元。如圖1所示，業(yè)務(wù)單元可能收到兩份同樣的數(shù)據(jù)，一份來自有線接口，一份來自無線接口。兩份數(shù)據(jù)經(jīng)過交換網(wǎng)絡(luò)的三層轉(zhuǎn)發(fā)后都將進入業(yè)務(wù)單元的FPGA進行處理。判斷是否為同一個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的依據(jù)是五元組：IP序號、IP協(xié)議類型、源IP地址、目的IP地址、UDP目的端口號。業(yè)務(wù)單元的FPGA根據(jù)五元組在緩存中進行檢索，如果未匹配，該數(shù)據(jù)包可傳輸?shù)缴衔粰C，同時緩存該五元組。如果匹配則不處理該數(shù)據(jù)。

圖1 業(yè)務(wù)單元處理冗余數(shù)據(jù)

2.5 緩存大小的設(shè)定

數(shù)據(jù)從源頭排隊進行傳輸，有線信道傳輸速度快，無線信道傳輸速度慢，當(dāng)從無線信道收到數(shù)據(jù)后業(yè)務(wù)單元FPGA需要查找緩存空間判斷是否收到過數(shù)據(jù)，此段時間有線信道收到的數(shù)據(jù)個數(shù)n即為基本的緩存空間大小。

緩存大小的設(shè)定需要考慮兩個因素：單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送頻次、無線信道傳輸一跳業(yè)務(wù)經(jīng)過的時間。緩存大小的公式設(shè)定：單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送頻次*無線信道傳輸一跳業(yè)務(wù)經(jīng)過的時間。

假如全網(wǎng)每秒業(yè)務(wù)傳輸320次，無線信道傳輸一跳經(jīng)過的時間是600 ms，即全網(wǎng)環(huán)境下公式計算結(jié)果為：320次/s*600 ms=192次?？紤]到留足保護空間，防止緩存溢出，一般取公式計算結(jié)果的3倍大小作為最終的緩存大小設(shè)定，即192*3=576。

因為業(yè)務(wù)報文五元組中的關(guān)鍵字段是IP報頭中的序號，該字段占用2個字節(jié)共65 535的大小。如果緩存大小取得太大，會導(dǎo)致當(dāng)序號翻轉(zhuǎn)時被業(yè)務(wù)單元的FPGA誤認為重復(fù)報文，因此緩存大小的最佳取值區(qū)間為576~6 500，占到IP序號的1/10以下。

3 數(shù)據(jù)亂序異常分析

如圖2所示，當(dāng)無線信道路由切換到有線信道路由時，因為此時路由是無縫切換，前面經(jīng)過無線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可能后于后面經(jīng)過有線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)亂序。亂序數(shù)據(jù)需要終端處理，否則將直接丟棄。

圖2 亂序原因分析

4 執(zhí)行方案

4.1 上行數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)除了正常的三層交換流程之外，需要在業(yè)務(wù)單元的FPGA復(fù)制一份，在以太網(wǎng)幀“類型”字段的前面加入4字節(jié)的“VLAN標(biāo)簽”字段，將VLAN標(biāo)簽賦值為0×8100 00FF。如圖3所示，在交換網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置交換策略，對此VLAN接口的數(shù)據(jù)進行二層轉(zhuǎn)發(fā)到無線接口。

圖3 單播業(yè)務(wù)上行執(zhí)行方案

4.2 下行數(shù)據(jù)

下行數(shù)據(jù)需要在業(yè)務(wù)單元的FPGA進行冗余處理，處理方法如前文所述，取出數(shù)據(jù)的五元組作為索引進行查表，如果是新數(shù)據(jù)則對外發(fā)送并留存；如果查表成功，說明是已有數(shù)據(jù)，直接丟棄即可。

5 時間性能分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過有線信道傳輸，需要在目的節(jié)點的業(yè)務(wù)單元進行一次去冗余的查表處理。分析進行一次去冗余查表處理需要的時間。

檢索一次需要512個時鐘周期，加上讀取信息的時間，處理一個數(shù)據(jù)包預(yù)計會增加530個時鐘周期。業(yè)務(wù)單元板如果采用66 MHz時鐘，即增加530*15.2 ns=8 056 ns。即數(shù)據(jù)經(jīng)過冗余處理需要增加8μs。

6 結(jié)束語

通過這些方法的組合可以在無線信道一跳可達的范圍內(nèi)部署IP三層交換網(wǎng)絡(luò)，使得IP數(shù)據(jù)可以通過無線信道進行備份傳輸達到可靠傳輸?shù)哪康?，?dāng)有線信道路由變化時不會影響無線信道的IP數(shù)據(jù)傳輸，從而保證了IP數(shù)據(jù)的可達性可以不依賴于路由協(xié)議指定的路徑。有線信道和無線信道互為備份關(guān)系，從而提高了整個IP數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性。

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