微波帧头压缩技术白皮书

摘  要：随着3G网络大规模的应用和LTE部署的临近，大带宽的需求普遍应用于网络的各个层级，网络IP化将是不可逆转的趋势。微波作为移动回传的主力应用，在调制模式和频率资源限制的条件下，如何做到带宽迅速提升成为业界的挑战和关注。IP微波帧头压缩技术在此时应运而生，其通过将微波中传输的以太网数据帧中重复传递而不发生变化的内容在微波发送端用短字节替代，从而大幅度提升微波传输的有效字节，提升单载波的IP业务传送能力，在短字节时吞吐量提升最高可至每载波1Gb/s水平(业界最高普遍为400Mb/s左右每载波),很好地减轻了运营商所面临数据业务迅速增长所带来的压力。 本文就华为IP微波帧头压缩技术如何实现带宽的提升及其应用价值为读者阐述。

前言

随着3G网络大规模的应用和LTE部署的临近，移动回传网络也向IP化演进，IP数据业务的迅猛增长，使数据业务在当前移动网络中的流量占比越来越高，加上数据业务动态可扩展性强，对传输网络的动态可扩展性也提出了较高的要求。传统微波的承载能力不能满足带宽需求的增长速度，如何快速提升数据吞吐量是微波行业普遍关注的课题。

目前业界用于解决微波带宽问题的主流应用有XPIC（交叉极化干扰抵消）技术、 AM(自适应调制技术)、以及空口LAG和高调（1024QAM）等技术。华为在拥有了这些提升带宽的微波技术后，再次发力，实现了IP微波的帧头压缩技术，进一步推进了微波承载带宽提升的速度。其通过将微波中传输的以太网数据帧中重复传递而不发生变化的内容在微波发送端用短字节替代，在接收端将相应的内容恢复，从而大幅度提升单载波的IP业务传送能力。业界微波每载波的容量最大为400Mb/s左右，在使用IP微波帧头压缩技术的情况下，短字节时最高可提升至每载波1Gb/s水平。其对带宽传输效率的提升，很好地减轻了运营商所面临数据业务迅速增长所带来的压力。

技术和方案介绍

2.1以太帧头压缩的实现原理

在普通的以太网业务的点到点的业务传送过程中，对于同一条数据流，存在大量重复传输的封装字节，如MAC地址、Type域、VLAN标签，IP/UDP头中的地址和类型等，而这些封装字节在传输的过程中是不发生变化的。目前数据业务大多采用主流的802.3以太网帧，其结构如图2-1所示：

图2-1. 802.3以太帧结构

微波帧头压缩技术将以太业务根据头格式中地址/类型/标签等字段区分为不同的业务流，具有相同字段的报文定义为一个流，这些相同字段被称为关键字。在业务发送端，压缩算法将这些关键字映射为流对应的一个上下文ID号，在业务接收端，再将ID号还原为对应的字段，这样就实现了头的压缩传送。

以二层以太头压缩为例，了解压缩实现过程，如图3-2所示：  

注：N表示链路封装头字节长度，与包长有关;M表示压缩ID的长度，值恒定。

压缩过程分为3个过程：

压缩学习：在发送端动态识别要压缩的字段，分配压缩ID，然后跟接收端协商，确保收到后，才会对报文进行压缩。采用类似于RFC1533的协商机制，原因在于微波处于传送层面，一旦出错误压缩造成收端无法识别，会连续解压出错；同时通过空口传递可能会出错，因此使用握手同步压缩可以保证一旦对报文压缩，解压缩端一定不会解析错误。

压缩生效过程：压缩学习完成后，压缩端对报文进行压缩，MAC地址和Type域等字节被压缩，检索压缩同步表，用对应的固定指示字节替代；解压缩端解压缩，报文根据指示字节检索压缩同步表，按照相同原则恢复MAC地址和Type域等。替代字节和被压缩部分需要有固定的对应关系，这些对应关系被记录在压缩同步表，存在并同步于收发两端，使得发端的压缩替代策略和收端的恢复策略保持一致。压缩同步表中，对应关系的建立需要通过握手机制保证 ，要求过程中业务流处于稳定传输状态，在经历握手确认信息同步以后，压缩和压缩恢复功能才能工作。

压缩老化过程（和2同时进行）：压缩表学习到以后，如果在一段时间内如果该类业务不再发送，则释放该压缩表。

关键技术

依托强大的研发实力，华为公司经过深入探索和研究，通过以下几项关键技术的应用，可以取得目前业界领先的数据压缩效率。

采用类似于RFC1533的协商机制，收发两端进行参数协商，从而保障压缩过程的可靠；

与业界目前仅能够对以太帧头中的二层头压缩相比，华为IP微波还能够提供对以太帧头的L2和L3头进行压缩，深度越深，被压缩掉的字节就越多。

下面就深度压缩技术进行介绍。

我们知道以太帧的格式是固定的，而且帧格式的内容层层封装。华为IP微波具有进行不同深度以太帧头压缩的能力,按照深度由浅至深包括有:MAC压缩、MAC+VLAN/MPLS压缩、IPv4 & UDP压缩以及IPv6头压缩。压缩的深度越深，被压缩的内容越多,数据传送效率提升越高。我们以三层压缩IPv6报文方案为例。

3.1空口报文L3压缩技术方案——IPv6

图3-1. IPv6报文帧压缩过程（带颜色字节将被处理）

1、首先经过压缩学习后，对IPv6报文中的以下字段进行压缩处理：  IPv6报文版本（Version）、流量类型（Traffic Class）、流标记(Flow Label），下一报头(Next Header)、源地址（Source Address）和目的地址（Destination Address），总共37字节 。

2、再用2个字节的压缩头代替被压缩的字节，增加4字节链路封装头后发送到对端。

3、经过压缩生效过程后，按照363M空口容量计算，进行L2+L3（IPv6）+UDP压缩，吞吐量可以达到1G。

3.2微波压缩特性

双压缩引擎：ETH和IP双引擎，可根据应用场景灵活选择。

压缩范围：

ETH:支持DA_SA/VLAN/MPLS多种组合。最大支持压缩22个字节。

IP：支持IPv4/IPv6/UDP多种组合。可选择加速模式，整个头全部压缩。最大支持48个字节。

压缩流数目：

ETH：支持256条流。

IP：支持128条流。

自动进行压缩学习：通过对业务流自动解析，动态学习新的条目。

自动释放不活的压缩条目：老化功能释放不活的压缩条目，动态利用压缩资源。

应用/Aplications

那么，华为IP微波的帧头压缩技术到底对网络带宽的提升有多大？根据从移动基站热点地区捕获的IP数据包长整理出以下模型，如图4-1所示：

图4-2 移动基站报文流量模型

依据以上模型，华为IP微波对各种包长下的吞吐量提升比和各种包长的占比综合考虑帧头压缩技术对整个移动网络带宽流量的提升效果，整理出以下数据：

在50M/256QAM条件下，空口物理容量为362.09Mb/s时，综合IP吞吐量可以提升至640.39Mb/s.

随着网络不断发展，IPv6格式报文会逐渐占据网络主导，对于IPv6封装的报文，帧头压缩技术能够提供更高的平均流量提升比，预计比例如表4-2所示：

预设条件：

报文长度在IPv4基础上增加20（IPv6报文头40字节，IPv4报文头20字节）

仍参考当前移动基站部署下的数据流量模型百分比

在50M/256QAM条件下，空口物理容量为362.09Mb/s时，综合IP吞吐量能力可以提升至677.79Mb/s.

在实际的移动网络运行中，还存在通讯网络在某一段时间内的热点情况，例如：重大节日或者大型聚会等，人口在某一地区密集聚集，大量通信数据导致区域基站和网络的流量突发，热点地区存在大量的语音视频业务突发的传送需要得到保证。此时，帧头压缩技术对视频和语音突发短包的优化能力对降低网络负载将会起到明显的缓解作用。

结论/Conclution

华为IP微波通过帧头压缩技术对数据报文的深度压缩，利用有限的带宽传输更多价值数据，等效大幅度提升IP网络的平均带宽。

给客户带来的价值主要体现在：

提升链路IP传送能力和效率，在传输等容量的数据业务时，降低上行物理带宽需求，也就降低了客户的建网中每Mbit投资成本

有效节约了频谱资源，降低投资成本，提升收益；

在各种调制模式下都可以使用，客户不一定需要通过更高调方式来提升带宽，在传输距离等网络规划上可以有更多余量。

带宽的动态扩展能力强，在热点地区突发语音和视频短包流时，业务保障效果明显。

缩略语表/Acronyms and Abbreviations

参考文献/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)