CN1233899A - 简化的数据链路 - Google Patents

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穆拉利·克里什纳斯瓦米
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Abstract

一种可以在非常高速传输系统,如SONET中实现的简化数据链路协议根据QoS考虑处理从IP装置接收的数据报,并且在它再次被一个传输系统,如SONET发射机拢频之前扰频数据报,以确保用户数据的模式不匹配于传输扰频模式。数据链路协议扰频器还应用一种新型的同步设计。我们还使用一种指针系统以识别帧中数据报的单元来去除标记和处理用户数据的需要以确保它不包含边界标记。

Description

简化的数据链路
本发明涉及在一个高速数据链路，例如一个SONET设施上数据的传输，尤其涉及一种管理从使用因特网协议(IP)的网络部分接收的数据报的传输的协议或者在这样一种链路上类似的协议。
光学系统使用二进制线路编码用于数字传输，并且扰频将被传送的数据以确保逻辑“1”和“0”的随机分布来保持线路同步。这种扰频还确保所谓的伪随机、非随机序列频率分量从传送的数据流中去除以作为一种改进传输信噪比的方式。
众所周知，在一个相当长的时间量，如2.31μs内缺少输入逻辑“1”(或“0”)会导致接收机失去这种同步。一些数据系统，如一个同步光学网络(SONET)通过产生一个逻辑“1”和“0”的特定的模式并且将逻辑模式与用户的位流相结合来处理这个问题，使得这种“1”和“0”的适当混合在传输介质上传送。这种与用户的位流相结合的特定的模式称为扰频。在该介质的另一端，接收机将传送的位流与特定的模式相结合以恢复用户的数据。尤其是特定的模式在发射机产生并且提供到“异或”逻辑电路的一个输入端，同时用户数据提供到该电路的另一个输入端。异或逻辑的输出传送到一个目的接收机，该接收机检测形成输入数据的输入“1”和“0”并且提供输入数据到另一个“异或”逻辑电路以恢复用户数据。当在发射机缺少发送的用户数据时，则“异或”逻辑输出传送到接收机的前述模式，该接收机为了精确地检测形成模式的输入“1”和“0”使用这个输入数据以保持所需的同步。类似地，接收机在检测的输入数据和前述的特定模式之间完成异或，并且输出一个提供给异或逻辑的两个输入端相同的“1”和“0”的信号模式的结果的“0”流。这样，每当缺少传送的用户数据时，有足够的数据流被传送到接收机以允许接收机保持所需的同步来精确地检测输入“1”和“0”。
缺点如下面详细描述的，这种同步可能被破坏，即使在SONET中使用这种扰频，它可能发生在当用户的包大于扰频器周期时。
例如，一个用户不当心或者其他的原因会在用户的数据报中插入扰频器模式，并且如果这样的位与扰频器模式一致，则异或逻辑将输出一个会导致系统宣布信号丢失或者计时丢失的“0”流。
在以前的数据系统，例如执行公知的HDLC协议的SONET系统中，数据报或者包含用户数据的数据包的边界通过如图1所示具有一个预定模式的首部和尾部标记标明，其中标记10和12定义包11的开始和结束。这样的系统识别出用户数据会包含定义一个标记的一系列“1”和“0”--这会导致接收机碰到这样一种不正确的标记来错误地推断出输入数据报/包在该点结束。接收机还可能错误地推断出随后的数据属于下一个数据报/包。
为了处理这个问题，以前的系统检查用户数据的每个字节并且通过在字节上添加假比特来改变每个类似于一个标记的用户字节为一个所谓的用户标记13(UFLG)。同样接收机去除增加的位。可以理解检查用户数据的每个字节来确定是否它类似于一个边界标记的任务的确是系统资源的浪费。另外，当以非常高的数据率，例如2.5Gbps的数据率完成这种检查时是非常困难的。
另外，数据系统，特别是经过因特网传送和接收的数据系统通常并不提供区分不同的数据服务的装置，使得对于包括例如表征视频、音频、声音等等数据的多媒体通讯的数据的传输可以在服务质量(QoS)的基础上设计。多半地，因特网同样处理与不同的服务有关的数据。
我们建议前面使用我们称为简化的数据链路协议，它基于QoS考虑处理数据报并且在它被一个传输系统，如SONET发射机再次扰频之前扰频数据报，以确保用户数据的模式不匹配于传输扰频模式。我们还使用识别帧中数据报的位置的指针系统，以去除标记和处理用户数据的需要以确保它不包含边界标记。
由下面的权利要求书、详细描述和附图中可以理解本发明的这些和其他方面。
图1说明了以前数据系统描述传送数据报和包的边界的方式；
图2是一个实施本发明原理的简化的数据链路发射机系统的方框图；
图3是SONET(STS-1)同步输送信号级1的布局；
图4说明了一个用于建立具有多个STS帧的同步有效负载包络的另一种布置；
图5是一个实施本发明原理的简化数据链路接收机系统的方框图；
图6是图2的帧有效负载扰频器的方框图；
图7说明了图2的帧有效负载扰频器插入一个SONET帧的路径额外开销部分中的去扰频编码的格式；以及
图8是图5的帧有效负载去扰频器的方框图。
图2所示的简化数据链路(SDL)包括S-处理器110，它提供一个接口用于从因特网设施105，如一个IP网关(路由器)、计算机等等接收数据报，并且确定输入数据报的大小(即字节数)。如果数据报根据所谓的IP型式Ⅳ协议形成，S-处理器可以通过(a)计数形成输入数据报的每个字节，或者(b)检查用于这种信息的数据报标题做到这一点。例如IP型式Ⅳ协议包括数据报标题中数据报的大小。如果是这种情况，则S-处理器110可以简单地询问数据报标题。随后S-处理器110经过路径111提供一个表示数据报大小的值到额外开销发生器135，如下面解释的该发生器135添加该值和其他信息到附加的数据报标题。输入数据报随后馈给QoS处理器115，它确定应该符合输入数据报的优先等级。QoS处理器115存储与数据缓冲器120-1中最高质量等级有关的数据报；并且在数据缓冲器120-2中存储与下一个最高优先等级有关的数据报，等等。QoS处理器115可以用一些不同的方式确定这种优先的等级。例如，如果如上面提到的，根据IP型式Ⅳ协议形成数据报，则数据报标题包含表示与数据报有关的服务类型的数据。如果是这种情况，则数据报标题可以包含QoS特性。使用识别的服务类型或者QoS特性的QoS处理器115确定与数据报有关的优先等级并且存储数据报在缓冲器120-1到120-N中的适当的一个。注意缓冲器120-1到120-N中一个或多个可以是直接从路径到输出处理器125，如缓冲器120-1中虚线表示的-意味着数据报不存储在缓冲器中而是直接经过缓冲器到输出处理器125。
缓冲器120-1到120-N中每一个包括一个根据优先权类型，用于调度访问输出处理器125的调度处理器(未示出)。这样，例如如果一些缓冲器同时争用访问输出处理器125，则与最高优先等级有关的缓冲器被允许这种访问。特别地，如果每个争用处理器确定有一个较高优先权的缓冲器也在争用访问处理器125，它就取消它的争用。这样，输出处理器125接收来自赢得这种争用的缓冲器120-i的数据报，并且将它接收的数据报转送到常规的CRC发生器130。另一种情况，处理器125可以根据一些其他QoS调度策略接收来自缓冲器120-i的数据报。
输出处理器125还经过路径126转送表示符合数据报的QoS的值到额外开销发生器135。可以例如是一个常规高速处理器/计算机的CRC发生器130通过形成数据报的内容产生一个常规CRC编码并且经过路径131提供CRC到额外开销发生器135，同时也经过路径132提供数据报到额外开销发生器。额外开销发生器135依次地根据本发明的一个方面添加它分别经过路径111、126和131接收的信息到数据报标题。随后它提供产生的数据报到帧有效负载扰频器140。
如上面论述的，不管使用的扰频器电路的情况，前述的同步处理可能被破坏。如所述的，当用户的包大于扰频器周期并且当用户数据的模式匹配于扰频模式时破坏可能发生。也如上面论述的，对于用户可能在用户的数据报中插入扰频器模式并且如果这些位与扰频器模式一致，则扰频器电路会输出一个将导致传输系统宣布信号丢失或者计时丢失的“0”(或所有“1”)的流。
我们通过使用另一个具有在用户的数据流和SONET扰频器之间非常大周期的扰频器来处理这个问题。特别地，在数据报提供到用于确保同步的设置/复位扰频器500之前，我们扰频被SDL处理器100处理的形成数据报的位。以这种方式，形成数据包的位被扰频两次，因此很不可能使得扰频模式会匹配于设置-复位扰频器500使用的扰频组合的帧的扰频器模式，即使数据报包含那种扰频器模式。因此如下面详细论述的，帧有效负载扰频器扰频它从额外开销发生器135接收的形成数据报的位并且输出结果到常规SONET300帧组合器，以及以下面论述的方式提供用于扰频包括标题的数据报位的编码到常规SONET路径额外开销处理器200。
简要地参照图3，包含九行90个八位字节的SONET帧350由包括有效负载(数据报)310、路径额外开销(POH)字节320、线路额外开销字节330和部分额外开销字节340的四个部分形成。特别地，开始的三列包含输送额外开销，其分为27个八位字节使得9个八位字节分配用于部分额外开销340而18个八位字节分配用于线路额外开销。其他包括路径额外开销的87列包含整个有效负载(也称为同步有效负载包络(SPE))。帧组合器300和POH处理器200一起操作从而组合要在光网络(由图2中光路径501表示)上传送的下一帧的整个有效负载。很可能帧的有效负载可以由包括部分数据报的一个或多个数据报组成。即部分数据报包括在经过光网络传送的前一帧中并且数据报的剩余部分包括在正被组合的当前帧中，其中这种剩余部分将开始当前帧的有效负载。随后下一个数据报将被添加到该剩余部分。为了区别SPE中一个新的数据报的开始，指针可以包括在指向新的数据报第一个字节的POH中，其中数据报的标题包括由S-处理器110确定形成的数据报的字节的数量(大小)。这样，帧的接收机可以确定SPE中的第一个新的数据报的位置和形成数据报的数据字节的数量。如果SPE包含两个新的数据报，一个紧跟着另一个，则接收机可以容易地由与第一个数据报有关的位置和大小信息确定SPE中第二个数据报的位置。
这样，帧组合器300以描述的方式组合它从扰频器140接收的数据报为SPE。这样做时，如果数据报是被组合的帧中的第一个新的数据报则它提供数据报的位置到POH处理器200。POH处理器200包括在POH额外开销中位置与其他路径信息并且提供POH额外开销到组合器300用于插入在组合的帧中。类似地，帧组合器300和常规的输送额外开销(TOH)处理器400相互配合以形成帧的输送额外开销部分。如上面论述的，这样组合器300和处理器400分别地提供帧有效负载和帧的输送额外开销部分到1×1MUX 350,MUX 350逐行输出帧的最后型式到常规设置-复位扰频器500，然后扰频用于同步目的的信息。随后扰频器500经过用于传输的光网络501转送扰频的结果到接收机600。
图4说明了应用本发明原理的系统的另一个实施例，其中一些STS帧形成为一个STS N有效负载，并且其中每一帧组合器300-i前面是一个简单的数据链路处理器(图4中未示出)。
经过光网络501传送的图2发射机的SPE的接收器的接收机如图5所示。接收机包括常规设置/复位去扰频器610，其去扰频已经由设置/复位扰频器500(图2)扰频的数据。来自设置/复位扰频器610的输出提供给去多路复用器620，如果输入信号是一个所谓连续的信号则它可以是一个1×1的去多路复用器。否则Mux620可以是一个1×N去多路复用器，它将来自去扰频器610的输入数据流去多路复用为多个形成输入数据流的独立的数据流。作为这种去多路复用的结果，输送的额外开销信号提供给TOH处理器615并且附加的有效负载提供给常规的接口处理器/帧去组合器电路625。TOH处理器615去掉来自输送额外开销字节的数据报指针值并且提供该值到电路625。电路625随后去除形成SPE部分(如图3所示)的路径额外开销(POH)字节并且提供路径额外开销字节到常规的POH处理器630。处理器630特别地以下面论述的方式从路径额外开销去除扰频器编码并且提供编码到SDL接收机处理器700的帧有效负载去扰频器705。去扰频器705使用接收的编码去扰频有效负载以恢复额外开销发生器135(图2)提供给帧有效负载扰频器140的数据报。随后去扰频器705提供去扰频的有效负载到SDL捕获处理器710，该处理器同步由CRC发生器130(图2)在数据报上产生的SDL额外开销CRC值。处理器710完成这一点，使得相信是数据报上产生的CRC的值将等于发生器130CRC值。如果这样的CRC值不相等，则处理器710移动包括希望是数据报的边界(或窗口)一位并且重新计算CRC。如果重新计算的CRC等于发生器130CRC，则处理器710推断出新的边界包括了数据报。如果不是，则处理器710再次移动边界一位并且再次重新计算CRC。处理器710继续这个过程直到它计算的CRC等于在POH中接收的CRC。当这种情况发生时，则处理器710知道这个边界，并且因此能够检验长度字节的值。处理器710随后提供数据报到SDL额外开销处理器720，其去除大小和QoS字节并且分别提供这些值到路径715和717。处理器710还提供数据报到类似于QoS处理器115(图2)操作的QoS处理器720。
特别地(类似于结合图2已经论述的),QoS处理器720还确定应该符合它从处理器715接收的数据报的优先等级，其中这种优先权是基于它经过路径717接收的QoS值。类似地，QoS处理器720存储与数据缓冲器725-1中最高质量等级有关的数据报；存储与数据缓冲器725-2中下一个最高优先等级有关的数据报，等等。类似地，缓冲器725-1到725-N中一个或多个可以如缓冲器725-1中虚线表示的是直接通过路径到输出处理器730--意味着数据报不存储在缓冲器中，而是直接经过缓冲器到输出处理器730。
缓冲器725-1到725-N中的每一个还包括一个根据优先权类型争用，访问输出处理器730的调度处理器(未示出)。例如，如果一些缓冲器争用访问输出处理器730，则与最高优先等级有关的缓冲器被允许这种访问。特别地，如果每个争用处理器确定一个较高优先权的缓冲器也争用访问处理器730则它去除它自己的争用。这样，输出处理器730接收来自赢得这种争用的缓冲器725-i的数据报，并且将它接收的数据报转送到提供SDL接收机700和一些其他因特网设施，例如一个因特网路由器之间接口的常规的接口缓冲器635。另一种情况，处理器730可以根据一些其他的QoS调度策略接收来自缓冲器725-i的数据报。
在发射机SDL处理器中使用的帧有效负载扰频器的方框图如图6所示。帧有效负载扰频器800包括包含一个移位寄存器的扰频器部分810，移位寄存器的操作由下面多项式表征：
1+X2+X19+X21+X40
多项式函数由从多个寄存器815-1到815-40形成的移位寄存器在扰频器810中实现，多个寄存器815-1到815-40由一个系统时钟信号(未示出)驱动，连同加法器电路820-1到820-3一起在寄存器815-1(也如位a0所示)的输出端816产生一个逻辑“1”和“0”的随机和连续的模式。逻辑“1”和“0”的随机、连续的流经过路径816的延伸送给异或(Ex Or)逻辑电路830的一个输入端。要被扰频的数据(位)经过路径825提供给异或逻辑电路830的另一个输入端。异或的扰频结果随后提供到路径831。在图2中，输入路径825从额外开销发生器135延伸并且输出路径831连接到帧组合器300的一个输入端。应该注意扰频器810在启动时使用一个其中至少一位必须是逻辑“1”(非“0”)的40位数据字被初始化。
为了将接收机600(图5)中的去扰频器电路705与发射机中的扰频器810同步，扰频器800预测(这里也称为“设计”)未来发射机扰频器810的状态(即扰频器编码)将是一些预定数量的字节并且提供该预测/确定到接收机，使得SDL接收机可以被正确地与发射机同步并且正确地去扰频接收的扰频有效负载。这样一个确定被周期性地传送到接收机SDL。因此，这样无论何时这种同步被破坏，接收机可以快速恢复与发射机的同步。
因为SONET帧(特别是路径额外开销)具有一个有限数量的，可以用于传送前述预测/确定的，其包括例如五个数据字节的不使用的数据字节，在一个实施例中预测的去扰频编码在两个连续帧上传送。这样，接收机可能不同步最多为两帧。(可以理解如果适当数量的字节位置可以获得，去扰频编码能够在一个帧上传送。在这种情况下，接收机可能不同步为一帧)。尤其是，路径额外开销的所谓的H4、Z3和Z4字节用于输送预测状态到接收机，其中在五个字节状态上产生的CRC编码也在这些路径额外开销字节中的一个中发送。
用于扰频/去扰频编码的说明的格式如图7所示并且包括字段70-1到70-5。字段70-1包含一个启动/开始位，该位设置为逻辑“1”，后面跟随为包含扰频编码的23位(状态)的字段70-2。字段70-1和70-2包括被插入在第一个传送帧的路径额外开销的前述字段中的三个字节。字段70-3包含一个结束位并且跟随着包含五个字节编码的剩余位的字段70-4。在五个字节编码上产生的CRC插入在字段70-5中。由字段70-3到70-5形成的三个数据字节插入到被插入在第二个连续传送帧的路径额外开销的H4、Z3和Z4字节中。POH处理器630(图5)在两个帧上组合五个字节编码并且产生它自己的CRC，同时将该CRC与它在路径额外开销中接收的CRC比较。
如果比较为正(通过)并且由五个字节表征的设计状态匹配于接收机中的当前状态，则POH处理器忽略新接收的设计状态，它允许去扰频器705使用当前编码或状态继续它的去扰频。类似地，如果比较是负(失败)，则POH处理器630忽略新接收的状态，它再次允许去扰频器705使用当前编码或状态继续它的去扰频。同时，如果比较在三个连续的周期上通过，并且设计的发射机状态不匹配于在去扰频器705的当前状态，则POH处理器630提供最新的发射机设计状态到去扰频器705，去扰频器705随后使用该状态来去扰频新接收的数据报有效负载。
返回到图6，五个字节预测状态通过访问表840-1到840-5的每一个中的单元产生，表840-1到840-5中的每一个可能由例如一组具有256个单元，每个单元具有40位(5个字节)的存储器形成。在本发明的说明实施例中，表5提供最高有效的数据，而表1提供最低有效数据。用于访问最高有效表840-1的地址由扰频器810输出的最高有效位，即位a39到a32形成，用于访问下一个有效表840-2的地址由扰频器810输出的下一组有效位，即位a31到a24形成，等等。访问表输出的最高有效位通过异或逻辑处理器860并且该结果被作为去扰频编码的位b39输出。类似地，表输出的下一个最高有效位也通过异或逻辑处理器610并且该结果被作为编码字的位b38输出，等等。来自位b39到b0的设计编码字随后提供给POH处理器200(图1)。
存储在每个表中的数据可以使用一个类似于扰频器810的扰频器脱机产生。特别地，同时参照表840-5，通过分别插入这些位(11111111)的逻辑值到寄存器815-40至813-33以及“0”到脱机扰频器的其他寄存器中的每一个并且同步导频器到设计的状态而产生由位a39到a32形成的最高有效地址访问的单元中插入的入口。在预测/设计状态的寄存器815-40到815-1的内容被随后插入在表5的单元地址11111111。形成表5中地址11111110的下一个有效地址的位的逻辑值随后被分别地加载到寄存器815-40到815-33，其他的寄存器中为零。然后脱机扰频器810同步到设计的状态并且寄存器815-40到815-1的内容在表5的单元11111110插入。这种处理继续用于表5的剩余地址单元中的每一个。一种类似的过程用于产生表4的入口。特别地，同时参照表840-4，通过分别插入这些位(11111111)的逻辑值到寄存器815-32至815-25以及“0”到脱机扰频器的其他寄存器中每一个并且同步导频器到设计的状态而产生由位a31到a24形成的最高有效地址访问的单元中插入的入口。在预测/设计状态的寄存器815-40到815-1的内容被随后插入在表4的单元地址11111111。形成表4的地址11111110的下一个有效地址的位的逻辑值随后被分别地加载到寄存器815-32到815-25，其他的寄存器中为零。然后脱机扰频器同步到设计的状态并且寄存器815-40到815-1的内容插入在表4的单元11111110中。这种处理继续用于表4(840-2)的剩余地址单元中的每一个。
为了以描述的方式填充这些表，前述的过程还应用于表3、2和1。其他的方式可以用于确定设计的状态。例如，发射机可以使用并行运行的两个扰频器使得一个扰频器将在当前位上操作而第二个扰频器将在设计点在第一个扰频器的前面操作。如另一个例子，一个单个扰频器能够在设计点运行使得在当前位和设计位之间的扰频器的输出存储在缓冲器中用于异或输出。
如前所述，如同图8所见，去扰频器705的构造类似于扰频器810，并且因此类似地操作。特别地，由图8所见，POH处理器630经过路径706提供给去扰频器705形成的编码字的位被分别地加载到寄存器b39到b0。扰频器705提供编码字到它从接口处理器625接收的有效负载并且经过异或逻辑电路输出去扰频的结果到SDL捕获处理器710。
前面只不过说明了本发明的原理。在本领域的那些技术人员将能够设计不同的装置，尽管这里没有清楚地展示或描述，然而应用这些原理的实施例是包括在本发明的精神和范围内的。

Claims (5)

1．一种设备，用于根据简化的数据链路协议处理从因特网设施接收的数据报并且提供处理的数据报到同步光网络设备用于经过光路径的传输，所述数据报由特定数量的数据字节形成并且与一种预定的服务质量有关，所述设备包括：
一个简化的数据链路处理器，它接收来自因特网的数据报，分配一个大小值给数据报，大小值由作为形成数据报的数据字节的数量的函数确定，并且转送该数据报用于存储在缓冲器中，其中缓冲器被作为指示分配到数据报的优先等级的服务质量指示的函数选择并且其中选择的缓冲器的内容被随后以与分配的优先等级相应的等级处理，简化的数据链路处理器包括：
第一设备，它在数据报上产生循环冗余码(CRC)并且在数据报的标题部分插入CRC、服务质量指示和大小值，以及随后提供生成的数据报到第二设备，
第二设备，它是可操作的用于接收形成生成的数据报的数据位并且根据一个特定的编码扰频数据报的位并且随后提供扰频的结果到同步光网络设备，同步光网络设备包括一个帧组合器，其组合扰频的结果和路径额外开销信息到有效负载，以及一个扰频器电路，其随后扰频有效负载与有关的输送额外开销信息并且作为一帧数据输出该扰频的结果到一个光路径。
2．如权利要求1所述的简化的数据链路设备，其中第二个设备扰频处理由多项式1+X2+X19+X21+X40表征。
3．如权利要求1所述的简化的数据链路设备，其中同步光网络设备还包括一个路径额外开销处理器，其产生作为有效负载部分包含的路径额外开销信息，路径额外开销信息包括被第二个设备使用的作为特定编码的函数得到的去扰频编码来扰频数据报。
4．如权利要求1所述的简化的数据链路设备，其中同步光网络设备还包括一个路径额外开销处理器，其产生被作为有效负载部分包含的路径额外开销信息，路径额外开销信息包括被第二个设备使用的作为特定编码的函数得到的去扰频编码的第一部分来扰频数据报，并且其中包含在输出到光路径的下一个随后的帧中的路径额外开销信息包括第二设备去扰频编码的第二部分。
5．一种设备，用于处理从因特网设施接收的数据报并且提供处理的数据报到以一个非常高的数据率在网络上传送数据的设施，所述设备包括：
第一扰频器，用于扰频以当前的扰频编码开始的数据报位以形成一个扰频的数据报并且用于确定设计去扰频编码，该去扰频编码通过预定数量的位接续当前编码和可操作用于在接收机去扰频数据报，并且用于包括在扰频的数据报传输到接收机中的设计去扰频编码，以及
在接收机，接收扰频的数据报和形成设计的去扰频编码为扰频编码并且使扰频的数据报去扰频。
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