可靠IP數據傳輸的研究

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任公司，北京 100000；3.重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

TCP/IP的概念產生于上世紀70年代，并在上世紀80年代得到了迅速的完善和發展。在上世紀90年代，TCP/IP協議已毫無爭議地確立了在數據通信協議中的主導地位。至今，TCP/IP協議已經是數據通信標準的代名詞，是唯一可以通達世界范圍內Internet聯接的通信協議，也是任何數據用戶終端最先支持的協議標準。隨著網絡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協議正在成為“唯一”的選擇，所謂“Everything Over IP”。

隨著計算機網絡技術的發展，整個社會都發生了質的改變。各項技術不斷涌出，衛星網絡、云計算、大數據相繼出現，人們對互聯網業務的需求也在不斷增加，以互聯網為代表的計算機行業在各個領域中都得到了廣泛的應用，改變了人們的工作方式和生活方式?，F代社會的發展已經離不開網絡，互聯網、大數據滲透在社會的各個角落，隨之而來的是網絡數據傳輸的可靠性得到了人們的重視。從IP協議的角度出發，分析IP協議與因特網可靠性之間存在的聯系，探究其中存在的問題，并提出對應的策略。

IP協議為面向無連接且不可靠的傳輸數據，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據傳輸。IP的傳輸方式是盡力而為的逐跳轉發，IP傳輸不能保證數據能到達目的地。IP數據的可靠傳輸一般是依靠數據終端之間建立TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）連接，利用TCP的滑動窗口和數據重傳機制來實現。

1 可靠傳輸數據的既有成果

解決UDP非連接類業務（包括視頻、話音等實時數據流）的可靠傳輸一般依靠3類技術：

1.1 鏈路聚合

鏈路聚合技術在2000年IEEE802.3ad完成標準化，后由802.1AX標準對該技術的模型、操作、控制協議以及管理進行全面規范。該技術可以將數據終端設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

相關技術為MSTP（Multi-Service Transport Platform，多業務傳送平臺）和PTN（Packet Transport Network，分組傳送網）。MSTP設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務數據，網管模塊通過鏈路層的管理信息可及時發現工作光纖鏈路通斷情況并及時（50 ms以內）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），利用標簽轉發的方式建立隧道通路，正常情況下在工作路徑上傳輸業務數據，當工作路徑故障時（50 ms以內）迅速切換到備份路徑[3]。

1.3 鏈路備份

如ATM（異步傳輸模式）系統的APS（自動轉換保護）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，實現鏈路備份[4]。

分析此3類技術，技術1是基于單設備級，技術2是基于物理鏈路層級，都未實現跨越三層網絡來實現網間的可靠數據傳輸。技術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協議實現路徑切換。該技術必須依賴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，例如MPLS（多協議標簽交換）來實現備份路徑，MPLS的標簽交換與IP數據的依靠路由表（最長掩碼匹配）交換也有本質的區別。

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

2 初步設想

2.1 設計要求

針對現有三層交換機的架構，形成如下的設計要求：

（1）基本要求：不改變現有設備的硬件狀態，僅依靠更改三層交換機的軟件（含業務板FPGA程序）來實現業務備份傳輸。

（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，擴大業務傳輸的距離。

2.2 數據復制位置的選擇

數據需要復制后通過無線信道備份傳輸。在數據源的3個地方可以進行數據復制。

（1）業務單元：業務數據進入三層交換機的第一塊單元板，需要業務單元FPGA增加讀寫操作，能完成線速轉發，不影響傳輸性能。

（2）交換單元：業務數據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雜，該資源被占用后影響數據功能調試。

（3）主控單元：以軟件轉發的方式進行備份傳輸，傳輸時延指標將低于硬件轉發的方式，同時因為要在內核態處理數據，增加了操作系統的不穩定性。

分析數據在中繼節點進行復制的可行性。可以利用交換網絡“COPY to CPU”的功能將轉發數據復制給主控單元CPU，如果主控CPU將此數據進行備份傳輸，那么經過多少個中繼節點，目的節點就會收到多少個復制的數據。即同一份數據在無線信道被多次發送，會超出無線信道的容量，也會超出終端節點冗余緩存的容量。

2.3 數據傳輸目的選擇

如果節點之間無法直接形成無線鄰居關系就需要無線信道具有ADHOC網絡的中繼功能，便于三層交換機選擇備份數據僅經過一次無線信道進行傳輸，直接到達目的節點。

2.4 冗余處理

備份傳輸將產生多余的數據，需要在三層交換機內部進行冗余數據處理。冗余數據出現在業務單元。如圖1所示，業務單元可能收到兩份同樣的數據，一份來自有線接口，一份來自無線接口。兩份數據經過交換網絡的三層轉發后都將進入業務單元的FPGA進行處理。判斷是否為同一個業務數據的依據是五元組：IP序號、IP協議類型、源IP地址、目的IP地址、UDP目的端口號。業務單元的FPGA根據五元組在緩存中進行檢索，如果未匹配，該數據包可傳輸到上位機，同時緩存該五元組。如果匹配則不處理該數據。

圖1 業務單元處理冗余數據

2.5 緩存大小的設定

數據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，當從無線信道收到數據后業務單元FPGA需要查找緩存空間判斷是否收到過數據，此段時間有線信道收到的數據個數n即為基本的緩存空間大小。

緩存大小的設定需要考慮兩個因素：單位時間內數據業務的發送頻次、無線信道傳輸一跳業務經過的時間。緩存大小的公式設定：單位時間內數據業務的發送頻次*無線信道傳輸一跳業務經過的時間。

假如全網每秒業務傳輸320次，無線信道傳輸一跳經過的時間是600 ms，即全網環境下公式計算結果為：320次/s*600 ms=192次?？紤]到留足保護空間，防止緩存溢出，一般取公式計算結果的3倍大小作為最終的緩存大小設定，即192*3=576。

因為業務報文五元組中的關鍵字段是IP報頭中的序號，該字段占用2個字節共65 535的大小。如果緩存大小取得太大，會導致當序號翻轉時被業務單元的FPGA誤認為重復報文，因此緩存大小的最佳取值區間為576~6 500，占到IP序號的1/10以下。

3 數據亂序異常分析

如圖2所示，當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，前面經過無線信道傳輸的數據包可能后于后面經過有線信道傳輸的數據包，導致數據亂序。亂序數據需要終端處理，否則將直接丟棄。

圖2 亂序原因分析

4 執行方案

4.1 上行數據

數據除了正常的三層交換流程之外，需要在業務單元的FPGA復制一份，在以太網幀“類型”字段的前面加入4字節的“VLAN標簽”字段，將VLAN標簽賦值為0×8100 00FF。如圖3所示，在交換網絡側配置交換策略，對此VLAN接口的數據進行二層轉發到無線接口。

圖3 單播業務上行執行方案

4.2 下行數據

下行數據需要在業務單元的FPGA進行冗余處理，處理方法如前文所述，取出數據的五元組作為索引進行查表，如果是新數據則對外發送并留存；如果查表成功，說明是已有數據，直接丟棄即可。

5 時間性能分析

數據經過有線信道傳輸，需要在目的節點的業務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，處理一個數據包預計會增加530個時鐘周期。業務單元板如果采用66 MHz時鐘，即增加530*15.2 ns=8 056 ns。即數據經過冗余處理需要增加8μs。

6 結束語

通過這些方法的組合可以在無線信道一跳可達的范圍內部署IP三層交換網絡，使得IP數據可以通過無線信道進行備份傳輸達到可靠傳輸的目的，當有線信道路由變化時不會影響無線信道的IP數據傳輸，從而保證了IP數據的可達性可以不依賴于路由協議指定的路徑。有線信道和無線信道互為備份關系，從而提高了整個IP數據傳輸系統的可靠性。