实现下一代SONET/SDH新业务关键技术

2019-11-03 19:15:51

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供稿：网友

许志海刘伟平黄红斌郑力明
（广州暨南大学电子工程系广州 510632）　　摘要　　本文首先分析了SONET/SDH的现状，由此引出下一代SONET/SDH的新业务——DoS，接着指出几种现有的ip over SDH的缺点，在此基础上介绍实现DoS的关键技术——GFP、VC、LCAS，最后分析讨论了这些新技术相对于现有技术的优势。

　　关键词　　DoS 通用成帧规程虚级联链路容量调整方案

1 引言

　　目前各发达国家的骨干网基本上都是采用SONET/SDH传输体制，仅美国投入运营的就至少有100 000个SONET环，世界其余地区的总和是美国的两倍。在中国，省级以上骨干网90%是采用SDH，SDH设备在未来三年里仍将以40%～50%的速度高速增长，据美国著名市场调查公司KMI预计全球SONET/SDH设备到2006年市场将会达到180亿美元。然而作为SDH的主要业务的传统语音业务增长缓慢，相反随着Internet的高速发展,全球范围内的IP数据业务量呈指数增长。因而如何利用现有庞大的SONET/SDH网络高效而经济地传输数据业务,成为SONET/SDH面对的首要问题。现有的SONET/SDH系统最初是为传输固定速率的语音而设计的，因而具有固定的速率等级难以扩展，不适宜IP环境的开销等缺点。现有SONET/SDH系统的不足和市场的巨大需求推动SONET/SDH的技术不断向前发展，出现了一系列的新技术，这些新技术将促进现有的庞大的SDH系统的改造，使之逐渐过渡到新一代的SONET/SDH系统——下一代SONET/SDH（Next Generation SDH）。下一代SONET/SDH的一个重要目标就是实现各种类型的数据在SONET/SDH上的灵活和可靠地传输——Data over SONET/SDH (DoS)。DoS是一种传输机制，其提供一种方式使各种数据接口（如Ethernet、Fiber Channel、ESCON/FICON等）高效地接入SONET/SDH，DoS对现在广泛用于WAN的吉比特以太网尤为支持。DoS的实现主要使用了下面三项关键技术：GFP（通用成帧规程）、VC（虚级联）、LCAS（链路容量调整方案）。

2 几种传统的IP over SDH的分析比较

图1 声音、数据、视频、SAN基于SDH的传输体系

　　图1给出了下一代SDH多业务传输体系，既有传统的语音服务，又可以传输视频，同时它最大的特点是支持各种数据接口，真正实现多业务的传输。图中虚线部分为现有的几种IP over SDH方案：IP over ATM over SDH、IP /LAPS/SDH、IP/PPP/HDLC/SDH。IP over ATM可以充分利用ATM速度快、容量大、多业务支持能力强,以及IP简单、灵活、易扩充和统一性强的优点,然而IP over ATM的网络体系复杂、传输效率低、开销损失大（25%～30%），而且ATM设备比较昂贵，因此无法满足IP业务发展的要求。

　　下面对IP/PPP/HDLC/SDH和IP /LAPS/SDH作一简单分析比较。PPP/HDLC协议是IETF定义的IP over SDH链路层映射协议，它是将IP数据报通过PPP (点对点)协议进行分组,然后使用HDLC (高级数据链路控制)协议根据RFC1662规范对PPP分组进行定界装帧,构成一个HDLC，最后将其映射到SDH虚容器中,再加上相应的SDH开销置入STM-N帧中。LAPS(Link access PRocedure SDH,SDH上的链路接入协议)是ITU-T X.85/Y.1321定义的采用IP/LAPS/SDH结构的IP over SDH协议,它提供数据链路服务及协议规范,LAPS与PPP/HDLC类似，但它是把以太网的MAC帧直接封装到LAPS帧的数据区，故其比PPP/HDLC简单、效率高。

　　使用PPP/HDLC由于要对每个字节进行帧头标志0x7E的查找，这使它很难达到SDH骨干网上的2.5 Gbit/s、10 Gbit/s的速率。而且为防止信息域中出现与标志字节相同的字节而采取的字节填充方式,把信息域中的0x7E编码为0x7D0x5E，这样增加了操作的复杂性,降低了处理速度,也导致带宽需求的增加（当最坏的情形，即数据域全是0x7E，则带宽会增加50％），同时也容易导致帧的定位错误。虽然LAPS的封装效率比PPP/HDLC高，但是它也是采用帧头标志定位，从而无法从根本上解决由此带来的诸多缺点。

　　显然现有的各种IP over SDH都具有各自无法克服的缺点，然而从图1可以看出下一代的SDH的各种业务都可以通过GFP进行封装后在SDH上传输，使用GFP一方面可以克服ATM开销大的缺点，同时它还能避免LAPS（PPP/HDLC）采用帧标志定位带来的一系列缺点，另一方面它又能提供各种数据接口，使SDH能提供各种业务。因此GFP为下一代SDH新业务DoS的最关键技术。

3 DoS的关键技术

　　DoS的关键技术包括：GFP、VC、LCAS。GFP实现对各种数据帧的有效封装，VC和LCAS则是对带宽和链路的调整，使之适应数据的高效高速的传输。

3.1 GFP简介

　　GFP（Generic Framing Procedure, 通用成帧规程）是一种新型的数据链路成帧协议,主要针对基于位同步传输信道的块状编码或面向分组的数据流。一方面，GFP采用灵活的帧封装以支持固定或可变长度的数据，GFP能对可变长度的用户PDU（Protocol Data Unit,协议数据单元）进行全封装，免去对数据的拆分、重组及对帧的填充，简化了系统的操作，提高了系统的处理速度和稳定度；另一方面，GFP不像HDLC以特定字符填充帧头来确定帧边界，GFP使用以HEC（Head Error Check,帧头错误检验）为基础的自描述技术，通过两字节当前帧的净负荷长度和两字节的帧头错误检验来确定帧的边界，因此克服了靠帧标志定位带来的种种缺点，进一步加快了处理速度，适应下一代SDH高速的要求。同时GFP通过其特有的两种传输模式：Frame-Mapped GFP和Transparent-Mapped GFP来提供多种业务的接口。Frame-Mapped GFP（帧映射的GFP）主要是面向分组交换的，用作传输IP协议、多协议标记交换（MPLS）和以太网的数据流。Transparent-Mapped GFP（透明映射的GFP），主要是实现对时延敏感的SAN网（Storage Area Network，存储区域网）的线路码的高效和透明地传输，它面对的是Fiber Channel（光纤通道）、FICON和ESCON接口的数据流。

　　（1）GFP帧结构

　　 GFP的帧结构如图2所示，包括GFP帧头（也称帧头核，Core Header）和GFP净负荷区（GFP Payload Area）两部分。其中GFP净负荷区包括：净负荷头（Payload Header）、净负荷信息域（Payload Information）和净负荷的帧检验序列（Payload FCS）三部分，而净负荷头包括：净负荷类型（Payload Type）、净负荷类型的HEC（Type HEC）和GFP的扩展头（Extension Header）三部分。

　　 GFP帧头包括帧长度标识（PLI ，Payload Length Indicator）和帧头错误检验（Core HEC）。PLI为2个字节，标明帧的净负荷的长度，帧头错误检验也为2个字节，它采用CRC-16的检错方法给帧头提供保护。这是GFP一大特点，它通过计算接收到数据的帧头错误检验值与数据本身比较来实现帧的定位，通过PLI知道帧的长度，这样就可迅速、直接地把净负荷从GFP帧中提取出来，从而避免了HDLC协议的需要大量时间的繁琐操作。

　　净负荷类型为2个字节，标明GFP净负荷信息的内容和格式。它包括净负荷类型标识（PTI）、净负荷FCS标识（PFI）、扩展帧头标识(EXI)和用户净负荷标识（UPI）。PTI为3bit，标明该GFP帧为客户数据帧还是客户管理帧；PFI为1bit，标明有没有净负荷的FCS；EXI为4bit，标明采用哪种扩展帧头：空扩展帧头、线性扩展帧头还是环扩展帧头；UPI为8bit，标明GFP净负荷中的数据类型等。从UPI字节可以看出GFP是支持多种数据类型的，如Ethernet、IP、Fiber Channel、FICON、ESCON等，这也是GFP的一大特点。

　　净负荷类型的HEC为2个字节，采用CRC-16给净负荷类型提供保护。

　　 GFP的扩展头为0~60字节，有三种类型：空扩展头、线性扩展头和环扩展头，由EXI来设定。空扩展头，此时扩展头为0字节，GFP帧的净负荷为单一类型；线性扩展头，用以支持多客户通过点到点结构来共享GFP帧的净负荷；环扩展头，用以支持多客户通过环结构来共享GFP帧的净负荷，其与IEEE 802.17 RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组数据环）的MAC类似。由此可见，GFP提供一个灵活的扩展帧头以适应多样的传输机制，这就为SDH提供灵活广泛的应用，是HDLC所无法比拟的。

　　净负荷的帧检验序列，其为4个字节，采用CRC-32来保护净负荷的完整。其为可选的，当PFI为1时，则其存在，否则不存在。

图2 GFP的帧结构

　　（2）两种GFP帧的封装格式

GFP有两种用户数据的封装格式，一种是帧映射的GFP（GFP-F）,另一种是透明映射的GFP（GFP-T）。两者的主要区别在GFP的净负荷区（GFP Payload），GFP-F把以太网的MAC帧、IP数据报等类型数据完整地封装进它的净负荷区，不用对数据帧进行拆分和重组，同时，GFP-F支持多路复用，以充分利用SDH的带宽；而GFP-T则主要用作传输对时延要求非常严格的8B/10B块状编码的用户信号（如Fiber Channel、FICON和ESCON等），需要对这些块状编码信号处理后再放进GFP帧中。GFP-T帧结构与GFP-F类似，但它的处理过程比GFP-F复杂得多。第一步，用户数据的解码，将用户的8B/10B线路码的数据信息由10bit的字符转换成原始的8bit数据值；第二步，把解码后的数据映射到64bit/65bit块中，其中包括1位标志位，如果其值为1则标明这个65bit块全为数据码，若为0则表示至少有1个字节的控制码；第三步，把8个65bit的块合成一个(536，520)的超级块，同时把各个标志位按顺序放在超级块的尾部，然后产生一个CRC-16检验码放在其后以保证超级块的完整性。把N个超级块合在一起，加上帧头和净负荷头，就形成了一个GFP-T帧。

　　（3）GFP帧的同步

　　GFP帧要实现两项非常重要的功能：捕获GFP帧头以及保持帧同步。帧同步情况分为同步状态、预同步状态和搜索状态。由预同步状态到同步状态所需的有效帧头数目N可以由使用者配置。搜索状态为链路链接初始化或GFP接收器接收失败时的基本状态。接收器使用当前的4字节数据来搜索下一帧，如果计算出的Core HEC值与数据域中的Core HEC值相同，则接收器暂时进入预同步状态，否则，它移到下一位/字节继续进行搜索。预同步状态时，根据PLI能够确定帧的边界,当连续N个GFP帧被正确检测到，则进入同步状态。同步状态为一个规则的操作状态，它检查PLI值，确定Core HEC值，提取帧的PDU，然后到下一帧，如此循环，各状态之间的转移如图3所示。

图3 各状态之间的转移

3.2 VC和LCAS

　　级联可以分为相邻级联和虚级联（Virtual Concatenation，VC），相邻级联是在同一个STM-N中,利用相邻的VC-4级联成为VC-4-Xc,成为一个整体结构进行传输；而虚级联是将分布在不同STM-N中的VC-4/VC-3等(可能同一路由,也可能不同路由)按级联的方法,形成一个虚拟的大结构VC-4-Xv/VC-3-Xv进行传输，也就是把几个小的信道按数据传输所需带宽的要求合成一个大的信道来传输用户数据，因而具有很强的灵活性，能克服相邻级联由带宽分段带来的缺点，充分利用系统的带宽，同时由于能对带宽灵活分配，所以它使SDH能高效率地传输各种接口（速率）的信号。SDH设备使用相邻级联涉及大量设备硬件改动，而采用虚级联方式只需在两端增加具备虚级联功能的设备即可，对网络影响很小，故能很好地处理各种业务数据带宽的分配，提高网络带宽的利用率。例如，客户要传输1Gbit/s的以太网数据，由于传统的SDH具有固定的速率等级，故其只能使用16个VC-4 (16×150Mbit/s＝2.4Gbit/s)，即一个2.5Gbit/s的信道来传输，可见带宽的利用率非常低，只有42％，若使用虚级联技术则可以把7个VC-4级联起来（共1.05Gbit/s）用于传输这1Gbit/s的数据，可见带宽的利用率非常高，达到95％。表1用具体的数据来说明使用虚级联来提高网络带宽的利用率情况。由表1可以看出，使用虚级联后，带宽的利用率提高一倍以上，可见虚级联大大提高了SDH带宽的利用率。同时，利用虚级联技术可以很灵活地分配带宽，使各种不同的信号在同一个信道上传输。

表1 SDH是否使用虚级联其带宽利用率比较

　　 LCAS（Link Capacity Adjustment Scheme,链路容量调整方案）提供了一种虚级联链路首端和末端的适配功能，可用来增加或减少SDH网中采用虚级联构成的虚容器的容量大小。当某一虚容器发生故障时，采用链路容量调整方案可以自动降低容量，虚容器故障恢复时自动增加容量。虽然虚级联在终端预先划分好链路的带宽，但是有时虚级联的净负荷要求动态地改变，这时就要使用LCAS 来动态地实现，它提供一个调整的握手机制，通过在VC两端交换信令信息，动态地实现供选择的无错虚级联信道。例如，要传输一个吉比特以太网信号，虽然名义上它的带宽是1Gbit/s，但是它平均速率一般只有200~300Mbit/s，若使用虚级联分配1Gbit/s的带宽给这个吉比特以太网信号则平均浪费70％的带宽，若直接使用VC-4-2v来提供300Mbit/s的带宽，则这时终端设备需提供足够的缓存来防止瞬时的信号速率超过这个带宽。显然这两种方法都存在不足，LCAS正好能弥补这个不足。LCAS监控虚级联的流量，若发现流量增加，它会根据流量动态地增加虚容器的数目，可由VC-4-2v增加到VC-4-7v，这样既能充分利用带宽又不增加设备的复杂性。因此，LCAS使虚级联的使用更加灵活，使SDH能高效、灵活、迅速地分配带宽，提高带宽的利用率，实现各种数据在SDH上高效、高速、可靠的传输。

4 结束语

　　 GFP、VC、LCAS是开发下一代SDH/SONET新业务DoS的关键技术，GFP克服了ATM开销大，VC能灵活地分配网络带宽，充分地利用带宽资源，而LCAS则是对VC的有效加强，动态、无错地实现网络带宽的分配。因此，基于这几项技术能很好地实现DoS（Data over SDH/SONET），满足未来大量高速的IP数据的传输，同时又为SDH/SONET提供丰富的业务接口，充分利用现有庞大的SDH/SONET资源。

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----《电信科学》