摘 要：隨著3G網絡大規模的應用和LTE部署的臨近，大帶寬的需求普遍應用于網絡的各個層級，網絡IP化將是不可逆轉的趨勢。微波作為移動回傳的主力應用，在調制模式和頻率資源限制的條件下，如何做到帶寬迅速提升成為業界的挑戰和關注。IP微波幀頭壓縮技術在此時應運而生，其通過將微波中傳輸的以太網數據幀中重復傳遞而不發生變化的內容在微波發送端用短字節替代，從而大幅度提升微波傳輸的有效字節，提升單載波的IP業務傳送能力，在短字節時吞吐量提升最高可至每載波1Gb/s水平(業界最高普遍為400Mb/s左右每載波),很好地減輕了運營商所面臨數據業務迅速增長所帶來的壓力。 本文就華為IP微波幀頭壓縮技術如何實現帶寬的提升及其應用價值為讀者闡述。
前言
隨著3G網絡大規模的應用和LTE部署的臨近，移動回傳網絡也向IP化演進，IP數據業務的迅猛增長，使數據業務在當前移動網絡中的流量占比越來越高，加上數據業務動態可擴展性強，對傳輸網絡的動態可擴展性也提出了較高的要求。傳統微波的承載能力不能滿足帶寬需求的增長速度，如何快速提升數據吞吐量是微波行業普遍關注的課題。
目前業界用于解決微波帶寬問題的主流應用有XPIC（交叉極化干擾抵消）技術、 AM(自適應調制技術)、以及空口LAG和高調（1024QAM）等技術。華為在擁有了這些提升帶寬的微波技術后，再次發力，實現了IP微波的幀頭壓縮技術，進一步推進了微波承載帶寬提升的速度。其通過將微波中傳輸的以太網數據幀中重復傳遞而不發生變化的內容在微波發送端用短字節替代，在接收端將相應的內容恢復，從而大幅度提升單載波的IP業務傳送能力。業界微波每載波的容量最大為400Mb/s左右，在使用IP微波幀頭壓縮技術的情況下，短字節時最高可提升至每載波1Gb/s水平。其對帶寬傳輸效率的提升，很好地減輕了運營商所面臨數據業務迅速增長所帶來的壓力。
技術和方案介紹
2.1以太幀頭壓縮的實現原理
在普通的以太網業務的點到點的業務傳送過程中，對于同一條數據流，存在大量重復傳輸的封裝字節，如MAC地址、Type域、VLAN標簽，IP/UDP頭中的地址和類型等，而這些封裝字節在傳輸的過程中是不發生變化的。目前數據業務大多采用主流的802.3以太網幀，其結構如圖2-1所示：
圖2-1. 802.3以太幀結構
微波幀頭壓縮技術將以太業務根據頭格式中地址/類型/標簽等字段區分為不同的業務流，具有相同字段的報文定義為一個流，這些相同字段被稱為關鍵字。在業務發送端，壓縮算法將這些關鍵字映射為流對應的一個上下文ID號，在業務接收端，再將ID號還原為對應的字段，這樣就實現了頭的壓縮傳送。
以二層以太頭壓縮為例，了解壓縮實現過程，如圖3-2所示：
注：N表示鏈路封裝頭字節長度，與包長有關;M表示壓縮ID的長度，值恒定。
壓縮過程分為3個過程：
壓縮學習：在發送端動態識別要壓縮的字段，分配壓縮ID，然后跟接收端協商，確保收到后，才會對報文進行壓縮。采用類似于RFC1533的協商機制，原因在于微波處于傳送層面，一旦出錯誤壓縮造成收端無法識別，會連續解壓出錯；同時通過空口傳遞可能會出錯，因此使用握手同步壓縮可以保證一旦對報文壓縮，解壓縮端一定不會解析錯誤。
壓縮生效過程：壓縮學習完成后，壓縮端對報文進行壓縮，MAC地址和Type域等字節被壓縮，檢索壓縮同步表，用對應的固定指示字節替代；解壓縮端解壓縮，報文根據指示字節檢索壓縮同步表，按照相同原則恢復MAC地址和Type域等。替代字節和被壓縮部分需要有固定的對應關系，這些對應關系被記錄在壓縮同步表，存在并同步于收發兩端，使得發端的壓縮替代策略和收端的恢復策略保持一致。壓縮同步表中，對應關系的建立需要通過握手機制保證 ，要求過程中業務流處于穩定傳輸狀態，在經歷握手確認信息同步以后，壓縮和壓縮恢復功能才能工作。
壓縮老化過程（和2同時進行）：壓縮表學習到以后，如果在一段時間內如果該類業務不再發送，則釋放該壓縮表。
關鍵技術
依托強大的研發實力，華為公司經過深入探索和研究，通過以下幾項關鍵技術的應用，可以取得目前業界領先的數據壓縮效率。
采用類似于RFC1533的協商機制，收發兩端進行參數協商，從而保障壓縮過程的可靠；
與業界目前僅能夠對以太幀頭中的二層頭壓縮相比，華為IP微波還能夠提供對以太幀頭的L2和L3頭進行壓縮，深度越深，被壓縮掉的字節就越多。
下面就深度壓縮技術進行介紹。
我們知道以太幀的格式是固定的，而且幀格式的內容層層封裝。華為IP微波具有進行不同深度以太幀頭壓縮的能力,按照深度由淺至深包括有:MAC壓縮、MAC+VLAN/MPLS壓縮、IPv4 & UDP壓縮以及IPv6頭壓縮。壓縮的深度越深，被壓縮的內容越多,數據傳送效率提升越高。我們以三層壓縮IPv6報文方案為例。
3.1空口報文L3壓縮技術方案——IPv6
圖3-1. IPv6報文幀壓縮過程（帶顏色字節將被處理）
1、首先經過壓縮學習后，對IPv6報文中的以下字段進行壓縮處理： IPv6報文版本（Version）、流量類型（Traffic Class）、流標記(Flow Label），下一報頭(Next Header)、源地址（Source Address）和目的地址（Destination Address），總共37字節 。
2、再用2個字節的壓縮頭代替被壓縮的字節，增加4字節鏈路封裝頭后發送到對端。
3、經過壓縮生效過程后，按照363M空口容量計算，進行L2+L3（IPv6）+UDP壓縮，吞吐量可以達到1G。
3.2微波壓縮特性
雙壓縮引擎：ETH和IP雙引擎，可根據應用場景靈活選擇。
壓縮范圍：
ETH:支持DA_SA/VLAN/MPLS多種組合。最大支持壓縮22個字節。
IP：支持IPv4/IPv6/UDP多種組合。可選擇加速模式，整個頭全部壓縮。最大支持48個字節。
壓縮流數目：
ETH：支持256條流。
IP：支持128條流。
自動進行壓縮學習：通過對業務流自動解析，動態學習新的條目。
自動釋放不活的壓縮條目：老化功能釋放不活的壓縮條目，動態利用壓縮資源。
應用/Aplications
那么，華為IP微波的幀頭壓縮技術到底對網絡帶寬的提升有多大？根據從移動基站熱點地區捕獲的IP數據包長整理出以下模型，如圖4-1所示：
圖4-2 移動基站報文流量模型
依據以上模型，華為IP微波對各種包長下的吞吐量提升比和各種包長的占比綜合考慮幀頭壓縮技術對整個移動網絡帶寬流量的提升效果，整理出以下數據：
在50M/256QAM條件下，空口物理容量為362.09Mb/s時，綜合IP吞吐量可以提升至640.39Mb/s.
隨著網絡不斷發展，IPv6格式報文會逐漸占據網絡主導，對于IPv6封裝的報文，幀頭壓縮技術能夠提供更高的平均流量提升比，預計比例如表4-2所示：
預設條件：
報文長度在IPv4基礎上增加20（IPv6報文頭40字節，IPv4報文頭20字節）
仍參考當前移動基站部署下的數據流量模型百分比
在50M/256QAM條件下，空口物理容量為362.09Mb/s時，綜合IP吞吐量能力可以提升至677.79Mb/s.
在實際的移動網絡運行中，還存在通訊網絡在某一段時間內的熱點情況，例如：重大節日或者大型聚會等，人口在某一地區密集聚集，大量通信數據導致區域基站和網絡的流量突發，熱點地區存在大量的語音視頻業務突發的傳送需要得到保證。此時，幀頭壓縮技術對視頻和語音突發短包的優化能力對降低網絡負載將會起到明顯的緩解作用。
結論/Conclution
華為IP微波通過幀頭壓縮技術對數據報文的深度壓縮，利用有限的帶寬傳輸更多價值數據，等效大幅度提升IP網絡的平均帶寬。
給客戶帶來的價值主要體現在：
提升鏈路IP傳送能力和效率，在傳輸等容量的數據業務時，降低上行物理帶寬需求，也就降低了客戶的建網中每Mbit投資成本
有效節約了頻譜資源，降低投資成本，提升收益；
在各種調制模式下都可以使用，客戶不一定需要通過更高調方式來提升帶寬，在傳輸距離等網絡規劃上可以有更多余量。
帶寬的動態擴展能力強，在熱點地區突發語音和視頻短包流時，業務保障效果明顯。
縮略語表/Acronyms and Abbreviations
參考文獻/Reference
1. Network Working Group M. DegermarkRequest for Comments: 2507 Lulea University of Technology/SICSCategory: Standards Track B. Nordgren Lulea University of Technology/Telia Research AB S. Pink Lulea University of Technology/SICS. RFC 2507(IPHC)
2. Network Working Group S. CasnerRequest for Comments: 2508 Cisco SystemsCategory: Standards Track V. Jacobson Cisco Systems. RFC 2508(CRTP)
