浙江大学校园网络中心  张挺

[摘要] 该文在介绍了当前远程教育的现状后，分析了目前用于远程教育基本手段的技术背景，最后提出了针对目前这种情况的一种主干网最新解决方案即动态分组交换技术。

[关键词] 远程教育 多媒体网络 动态分组传输DPT SRP 千兆位交换路由

随着网络时代的快速到来，网络教育将成为革新传统教育模式的重要动力。根据中国社会科学院的一项调查研究称，由于技术手段的快速发展以及在各行业的渗透和应用，网上教育将成为我国一种速度更快，传播空间更大，教学手段更加新颖的新型教育形式，它将与课堂教育、广播教育、电视教育一起构成多元化的现代教育体系。

我国现代远程教育工程的目标是建立一个开放式的教育网络，构建终身教育体系和社会化学习。为此，教育部在清华大学等几所高校试点的基础上，将这类学校的数额扩大到31所。我相信这才只是开头，随着网络经济的迅速发展和完善，远程教育将会更加如火如荼。

然而，从目前我国教育网络建设的实际发展情形来看，要构建真正意义上的网络教育体系，与国外的差距还不小。目前国内互联网提供商以“网校”或“教育频道”之类名义开设的有关教育方面的内容大多是静态的、局部的，真正的教学内容仍然相对匾乏。而许多网络大学的学习又都不是通过网上进行的，还需要在固定的时间到固定的教学点去上课，不能完成真正的网上教学服务。究其原因之一主要是由于目前我们国家的整个网络基础设施建设还未跟上现代教育发展的节奏，有限的带宽严重地制约了网络教育的进一步发展。因此建立一个真正高速的宽带基础主干网对于推动网络远程教育是十分必要的。

未来的远程教育模式应该是社会开放式的并且是交互式的，无论是学历教育，非学历教育甚至是属于技能培训的，任何人都可以坐在办公室里甚至轻松地坐在家里在他认为方便的时候泡上一杯咖啡后挑选他所感兴趣的课程进行学习，不懂的时候也可以及时地向老师提出疑问并在学生之间也能随时相互进行交流无论对方在那里，是否属于同一所学校。课后的作业及考试也可采取联机交互的方式来进行，当时做完当时就能知道自己今天做得如何。

首先让我们来看一下作为远程教育通常采用的几项手段的技术背景。进入20世纪90年代之后，由于对于声音、电视和数据流的多媒体网络应用的需求在不断地增加，因此也有不少的企业和机构加大了对此的开发和研究，近年来也不断有产品投入市场，用户也渴望得到服务质量好、服务费用低的产品，像电视会议、协同工作、远程教学、可视电话、视频点播VOD (video on demand)等等的多媒体网络应用都是非常受欢迎的应用。但由于多媒体的数据量大得惊人，尤其是声音和视频。为了克服数据传输通道带宽的限制，有效地在网上大量地传输数据流，有关企业和研究机构投入了大量的人力和物力来开发数据压缩和解压缩技术以及数据通信技术。目前MPEG-1和MPEG -2标准已经正式发布，并且得到广泛应用。例如，CD-交互系统，在网络上的数字声音广播、数字电视广播和影视点播等。表1是MPEG-1和-2的典型编码参数。

表 1

同时，国际电信联盟(ITU)还制定了许多多媒体通信的标准。其中，T.120, H.320, H.323和H.324标准组成了多媒体通信的核心技术标准。T.120是实时数据会议标准；H.320是综合业务数字网(ISDN)电视会议标准；H.323是局域网上的多媒体通信标准；H.324是公众交换电话网络上的多媒体通信标准。从上面我们可以看出即使采用了很好的压缩技术，传输多媒体数据所需要的带宽就目前而言仍然是巨大的。在目前要想实现真正的开放式教育就必须实现至少如MPEG-1一类的视频流能够畅通无阻的在网络中流动，基本无抖动和延迟。要实现这样的要求就必须为每个视频流分配至少1.5兆的带宽。假如使用MPEG-2的话带宽还需成倍地增加。这时我们可以假设即使采用IP多目传送方式的话有许多学生要想同时上不同的课的话也将有大量的数据流在主干上跑而且又不能有明显的延迟和抖动，随着课程数目的增加和学生人数的增加此类流量将急剧增加。也可设想在不久的将来如果采用个性化教育方式的话需要采用单目传送的方式来实现又需要多少带宽呢。同时中国目前的远程教育发展正处于发展期，受教育的学生的人数将会急剧增加远比国外就学的人要多的多。显然想要进行真正意义上的远程教育没有一个高带宽的并具有良好扩展性的传输平台做基础的话显然困难重重。
能成为一个良好的主干网基础设施应该符合起码以下几个基本条件：

随着流量的增长带宽也能跟着相应增长

在拥塞的情况下也能维持较高的带宽并能迅速适应并改变流量分布

在节点数量和距离方面都能符合大规模环形拓扑结构的要求

在主节点间应能保证各节点间的地位平等，避免产生某一节点产生黑洞吃掉大量带宽

在传输介质或节点失效时能迅速恢复其业务

加入某一个节点或去掉一个节点时尽量减少配置的需求

那么是否较好的方案可供选择呢？答案当然是有的。首先基于IP的数据网络似乎现在已是大家所公认的，目前世界电话业务年增长率仅为8%，数据通信业务增长率却超过100%，尤其是Internet业务，进入90年代中期以来一直以300%的速率在增长。由于TCP/IP已是事实上的标准，因此在网络层采用IP协议已无可非议。基于IP+路由的所有服务由于多年来的发展已进入到一个较为完善的阶段，有效的路由选择和非常丰富的应用服务功能可以说已到了一个相当高的境界，遗憾的是要想在当前的架构上让速度有进一步较大的提高就受到较多限制。所以最近提出的多协议标签交换技术（MPLS）等就是为了解决在有限的带宽内让那些真正想得到高质量服务的数据流能顺利通过，提高服务质量。因此增加总的可用带宽也就成了当前迫切需要解决的问题。

而光纤由于它的高质量、高带宽以及低成本也成为首选的物理介质。因此，目前真正的的焦点集中在数据链路层的实现。目前有几种方法已被用来或建议在光纤上传输高速IP业务，如图1所示图1

从图1可清楚看到随着网络技术的逐步发展目前人们已越来越倾向于层次的简单化了，从IP over ATM/SDH/Optical，IP over ATM/Optical 到IP over SDH/Optical一直到IP over fiber），省去了中间层次转换的复杂性，中间的层次越少就越能降低管理开销来最大化可用的传输带宽，同时也大大降低了网络规划、操作、错误检测以及网络恢复的复杂性，当然也能进一步减少基础建设费用。

综上所述目前Cisco公司推出了一种全新的数据传输技术DPT（Dynamic Packet Transport）解决方案。关键就是简洁性，它在继承了以往IP数据服务的优点以外又同时吸取了传统电信传输SONET/SDH的高带宽和良好的自愈能力的优点，将两者完美地结合起来，中间不再有其它多余的层次。为此还提出了一种新的MAC层的协议，称为空间重利用协议SRP（Spatial Reuse Protocol）和两种新的专有算法：

SRP公平算法The SRP fairness algorithm（SRP-fa）
智能保护切换Intelligent protection switching（IPS）
形成了费用便宜，性能优越的解决方案，被称为优化的动态分组传输技术。具体见图2，由图可见由于它是直接建立在光纤上因此传输效率极高，Cisco也将其称为IP over Optical。而传统的时分多路复用

图 2

SONET/SDH网络则以小型64Kbps信道的层次结构为基础，必须再使用ADM来转换成较大型的OC-12/STM-4或OC-48/STM-16管网

下面我们来看一下这项技术的一些优点，首先在物理层上采用的是双向光纤环绕回技术，分成内环和外环且绕行方向互为相反。在两个环上都能同时利用起来传输数据和控制信息，在数据传送上两者互为反向，并且数据和控制信号分开在两个环上分别传送。如果一组数据在一根光纤环的一个方向发送数据（下行），那么就在另一个光纤环的反向环路上发送控制分组（上行）。这样就巧妙地避免了当某一环路上数据量过大时影响控制信号的通行，同时也最大限度地利用了两根光纤。因此DPT技术既最大程度地利用了可用的带宽又保证了用于自愈等目的的控制信号的传送信道。不像SONET/SDH那样为了保证整个信道的正常运行要保留带宽的一半出来给控制信号使用。

在MAC层使用了一种SRP（Spatial Reuse Protocol）协议，这种协议和原先在其它环形拓扑结构中所使用的有所不同。在环形网中标记环是最普遍采用的介质访问控制，环中同时只有一个标记在循环中传送，原来无论在FDDI环还是令牌环网中当由源站节点发出一个Token时一直要沿着环形循环一周后回到原先发出这个Token的源站点时才能决定是否抛弃，这样使得带宽的利用率大为降低，发送的帧在发送源不卸下前总是绕环运行的。而SRP的特点则采用目的地卸下分组的方式，在目的地的节点上把分组从环上卸下，同时在环上其它段的全部带宽均仍可被利用。由于每个环上的节点都可以同时发送分组到环上，因而使环上的带宽利用率最高。如图3所示当DPT环在4，5，6及A路由器间的业务量很大时，与此同时，在1，2，3和B路由器间的业务流量仍可以不受影响地分开地正常运行。可以说，从此例中空间再利用技术方便地提供了二倍带宽的复用。

图3

使用了SRP-fa公平机制后每个在环上的节点都是公平，均可公平地分享带宽避免某个站点饿死并防止出现运行中断和时延过大等现象。SFR-fa 通过全局优化来控制送到环中的每个分组的速率不会使得某个节点持续地发送分组而其它节点呈现等待的现象，避免过度延迟现象，而本地优化又尽可能地使每个节点最大限度地利用空间重利用特性来使得局部地得到更大的带宽。由于以上的特性因此允许在分组环中能处理高达128个有高速接口的节点，使之具有良好的扩展性。

由于DPT在分组环中使用了SONET/SDH帧来封装数据因此它能透明地运行在所有的光纤传输体系中，比如裸光纤、WDM、SONET/SDH等，甚至还能在单膜光纤和多膜光纤之间混用。正由于这种特性还允许其运行在称为混合环境中，这大大提高了传输的灵活性和迁移性。即允许传统的传输设施能充分利用又能向新的DPT传输网逐渐转变。如光纤的距离太长时可加入IP再生器和SDH再生设备

在容错和错误恢复方面正如上面所说的那样DPT技术吸取了SONET/SDH的好的方面，如像SONET/SDH环那样提供了一系列的 主动的性能监测和快速的自愈能力（APS）。而DPT技术采用了一种被称为智能保护切换的技术（IPS），除了原有的那些基本特点外还具备了以下这些很好的特性

一，它的控制信号并不依赖于SDH的开销字节因此它可以运行在裸光纤或WDM这些非SDH基础上，非常灵活。

二，大家知道在Packet over SONET/SDH（POS）技术中传输用的SDH技术和上面所载IP服务是分开的，彼此是互不知道的。因此当下面的环结构有问题时SDH可以在50ms内侦测到问题并且恢复，但由于在上面跑的IP路由协议（RIP、OSPF、EGP等的收敛是需要相当长的时间，有时需要几分钟的时间。因此整个服务就会出现中断。而DPT技术是IP awareness的，在光纤环上跑的SDH帧是能够知道在它上面是什么样的协议。IPS不仅仅在第一层而在所有的三层都监视并处理发生的事件，因此整个服务恢复都将在50ms内完成。而且像FDDI环一样容错功能极好在光纤环多处出现故障时也能保证其一定的正常运行。

三，即插即用操作 不想其它技术那样，DPT尽量地减少了在一个DPT环中插入或去掉一个节点时所需的一些繁琐复杂人工配置操作，一切都是自动的过程。包括：全局唯一，永久地分配MAC地址，从环中快速地插入一个新节点和删除一个原有的节点，环上事件的自动自愈处理，拓扑自动发现和动态分组路径选择。

现在来看一看DPT技术对IP业务的支持。首先它能支持具有分组优先的特性，数据包将被分类并定位为高优先级和低优先级两种，那些需要低延迟、抖动控制并要求带宽保证的高优先级分组将得到优先的处理，而那些低优先级的分组则将采取尽力而为的方式传输。其次，DPT环支持IP组播技术，因而其增强性的服务包括多点信息传送和高质量的视频广播。第三，具有带宽的良好可扩展性—DPT环提供了能进行线速处理和带宽倍增能力的又大又宽的管道来将丢包和延迟减至最低，并能轻松地从低至OC-12c/STM-4扩展到OC-48c/STM-16乃至OC-192c/STM-64c。最后，DPT技术的MAC层能和大量的IP的COS（Class of Services）等协同工作来提供第三层的服务。

DPT还提供了一个全面，综合，基于SNMP的网络管理模式，其中包括DPT环中的分组交换和分组传送两大网络部件的管理，具有事件，告警，当前和历史的近端及远端性能监测信息。不像目前现有的网管系统，为管理路由器网络及传输网络的需求各自分开有自己的一套特有的网络管理系统，即麻烦又复杂。

在接入技术上DPT环通过环状体系结构即能对本地的访问接入汇聚又能对MAN/WAN联接提供很好的有层次的支持。现在很多学校都在当地有关部门的大力支持下建立了自己的城域网，因此只要在几个主要节点上放置了GSR千兆位交换路由机后充分利用DPT技术的上述优点后就能将现有的网络技术容纳进来，也可将有线电视网经千兆比交换路由器GSR接至主干网。DPT环集合了高带宽，线路速率处理，优先级排列，以及第三层IP CoS（服务等级）于一体，如能再加上多协议标签交换技术（MPLS），实时传输协议（RTP）和实时传输控制协议（RTCP）的支持，提供优质的实时业务，满足巨量话音和视频流并保证所需的时延和抖动控制的要求应能在相当长的时间不成问题。Cisco GSR的分布式交换和传送体系结构使用了纵横开关结构和独立线路卡，能自主地处理千兆位路由处理器的信息包发送。这种新型体系结构设计可实现速度的不断提高，国外目前已有OC-192速度的成功应用了。如此下去在各城市间如能实现各环网的相交话，那一个能满足急剧增长需求的全国性的远程教育网络基础设施就将为我国的开放性教育做出应有的贡献

参考文献

1 多媒体技术基础及应用 林福宗 （清华大学智能技术与系统国家重点实验室）
2 www.cisco.com