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SDH多業務平臺引領城域網的發展
2012/6/12

摘 要 首先介紹了傳統SDH的缺陷和開發下一代SDH標準的必要性,然后簡要介紹了幾個主要新標準的特征和應用,最后重點講述了SDH多業務平臺傳統SDH的沿革和最新發展。

關鍵詞 SDH多業務平臺

1 傳統SDH的缺陷和角色的變化

容量更大和成本更低的WDM系統的出現和發展,使SDH在長途網中的地位正發生歷史性的變化。除了在長途網中容量需求不太大的地區繼續作為承載技術外,SDH的角色開始向網絡邊緣轉移。鑒于網絡邊緣復雜的客戶層信號特點,SDH必須從純傳送網轉變為傳送網和業務網一體化的多業務平臺,稱為融合的SDH多業務平臺。其次,為了有效地支持動態的IP業務,多業務傳送平臺需要最終能實現快速自動業務指配功能。這兩方面的要求導致必然要開發下一代SDH設備。

開始,SDH多業務平臺只是簡單地在現有SDH設備上實施數據業務的固定封裝和透傳,進而能提供更有效的二層交換和本地匯聚功能。然而,傳統SDH網的帶寬指配是通過集中網管系統來實現的,無法適應大容量IP業務動態和不可預測的特性。其次,在原來的SDH復用結構中,4倍的帶寬增量對于數據業務的最優配置顯得太大。最后,在典型的城域網中,所有層,包括SDH層、ATM層和IP層都是分離的網絡,只能靠人工方式使層間資源得以配置和利用。這些缺陷促使下一代SDH設備除了必須實現已經標準化的VC虛級聯功能外,還需要實現一系列新的功能。為此,ITU開發了一系列下一代SDH標準,即集成通用組幀程序(GFP),鏈路容量調節方案(LCAS)和自動交換光網絡(ASON)標準。

2 集成通用組幀程序

CFP是一種可以透明地將各種數據信號封裝進現有網絡的開放的通用的標準信號適配映射技術。CFP可以在同一傳送通路內支持幀映射和透明傳輸兩種傳送模式共存。幀映射模式(GFP-F)可以將客戶信號幀完全地映射進一個可變長度的GFP幀,支持包顆粒級別的速率適配和復用,以便實現虛容器級別的流量工程和匯聚,最適合于以太網/MAC或I腫PP等沒有固定長度的幀映射。這種映射模式是在收到一個完整的數據幀后再處理,因此需要有緩存和MAC(媒體接入控制),目前僅用于以太網,不太適合視頻和存儲業務傳送。   

透明傳輸(GFP-T)模式完全不同,可以用透明映射的方式及時處理而不必等待整個幀的到達。這種映射方式適合處理視頻信號這樣的實時業務以及光纖通路,ESCON、FICON等具有固定幀長的塊狀編碼信號格式的存儲域(SAN)業務。一個通用映射標準GFP可以替代眾多不同和專用的映射方法,可以適用于任何客戶信號。此外,GFP不限于映射到傳統的VC,而且可用于更大容量的帶寬管道,從2.5 Gbit/s直至40Gbit/s。

GFP采用類似ATM的自同步定幀技術,簡單靈活,開銷低,帶寬利用率高,標準化程度高,有利于多廠商設備互聯互通,可以支持各種網絡拓撲,能夠對用戶數據實施統計復用,可以更有效地防止誤碼引起的錯幀,GFP還有QoS機制,對應的傳輸層也不限定于SDH,可以是OTN或其他字節同步的物理通道。此外,利用簡化任意字節塊每次的處理過程,GFP降低了對數據鏈路映射和去映射過程的處理要求。利用現代光通信的低誤碼特性,GFP還進一步降低了接收機的復雜性、設備尺寸和成本,使GFP特別適合于高速傳輸鏈路應用。最后,利用GFP的線性擴展頭中的標記空間可以和MPLS集成為一體,利用MPLS來加強GFP,提供端到端的運維、保護和業務復用能力。

由于GFP幀頭有足夠的空間來提供端到端OAM&P信息和業務特征,因此有人希望將其開發成為一種類似ATM的獨立聯網層,彌補客戶層信號缺乏電信級端到端OAM&P、保護和業務復用能力的弱點,利用GFP來統一實施這些功能。然而,多數人仍然傾向于堅持網絡架構的扁平化原則,不希望出現一個新的聯網層,不希望GFP走ATM全能全才的老路,將GFP僅僅作為一種通用的適配映射技術,而將業務功能增強的角色留給MPLS來完成。利用MPLS來同時管理數據流和GFP,完成傳輸層和數據層的融合。

GFP的演進步驟首先是新一代MSTP的接口映射方案,然后擴展到接入層,進入城域核心交換層,最后進入包交換層。從長遠看,它會代替packet over SDH。

3  鏈路容量調節方案

LCAS定義了一種靈活、動態、無損改變傳送網虛級聯信號帶寬的方法,以便自動適應有效業務帶寬,特別是像以太網這樣的帶寬動態變化的數據業務帶寬需求。具體實現方法是定義一個虛級聯組(VCG),利用SDH預留的開銷字節來傳遞控制信息,通過網管系統在該VCG內動態實時地調整VC數目,從而快速適應上層業務帶寬的需求。另外,當鏈路出現某些段落失效或進行修復時,通過LCAS協議可以將某些失效資源刪除或重新恢復。

相對傳統網管指配VC的方式而言,采用LCAS的最大優點在于有效凈負荷可以自動映射到可用的VC上,不僅避免了復雜的人工電路交叉連接配置,提高了帶寬指配速度,對業務無損傷,而且當系統部分虛容器出現失效故障時,可以利用LCAS標準命令集沿不同通道重構VCG,具有軟保護模式或容錯機制。這種機制可以幫助啟用在傳統SDH網中空閑的保護容量,提高帶寬資源利用率。進而,還可以有目的地將業務量分解成幾部分由不同保護特性的通道發送,各部分業務量具有不同的可用性級別,占用較少的保護資源,從而實現更加經濟有效的共享保護機制。簡言之,LCAS不需重疊的二層機制來提供帶寬控制而直接實施按需指配帶寬,為SDH提供了端到端的動態帶寬調整機制,以適應業務帶寬變化的需要,可以在保證服務質量的前提下明顯提高網絡利用率。

理論上,LCAS可以和GMPLS結合提供動態運行。但實際上,當前LCAS仍然主要靠標準命令集對虛級聯進行修改,盡管簡化了網管,但并不提供真正的動態運行。人們擔憂LCAS像ATM SVC一樣,由于動態運行的復雜性而發展不起來,寧愿將其作為一個長遠發展路標,而不是基本要求。

4  自動交換光網絡

自動交換光網絡(ASON)是一種能夠自動完成網絡連接的新型網絡概念,利用獨立的ASON控制面通過各種傳送網(包括SDH或OTN)來實施自動連接管理。這種具有獨立控制面的光網絡俗稱為智能光傳送網,簡稱智能光網絡。ASON吸取了IP網智能化的經驗,沿用在IP網中行之有效的選路和信令協議加以改進,以適應光網絡的應用需要,有效解決了IP層與光網絡層的融合問題,代表了下一代光網絡的發展方向。

在網絡中引入ASON的主要好處有:允許將網絡資源動態地分配給路由;具有可擴展的信令能力集;快速的業務提供和拓展;降低維護管理運營費用;光層的快速業務恢復能力;減少了用于新技術配置管理的運行支持系統軟件的需要,只需維護一個動態數據庫;還可以引入新的業務類型,諸如按需帶寬業務、波長批發、波長出租、分級的帶寬業務、動態波長分配租用業務、帶寬交易、動態路由分配、光層虛擬專用網(VPN)等,使傳統的傳送網向業務網方向演進。

若下一代的SDH多業務平臺能將上述VC級聯、GFP、LCAS中3種標準功能集成在一起,再配合核心ASON的自動選路和指配功能,則不僅能大大增強自身靈活有效支持數據業務的能力,而且可以將核心智能光網絡的智能擴展到網絡邊緣,增強整個網絡的智能范圍。

SDH多業務平臺

從原理上看,SDH是傳送層技術,并不清楚所承載的凈負荷內容,因此傳統SDH技術難以有效處理數據傳送要求。然而,面對電信業務的加速數據化和IP化以及多樣化的業務環境,SDH正在不斷改進,以便有效處理各種重要數據業務。理論上SDH可以根據通道開銷字節得知凈負荷內容的類型,據此可以開發出將不同數據業務映射進SDH虛容器的新方法,從而產生SDH多業務平臺的概念。

SDH多業務平臺不僅在端口密度和集成度上有大幅度提高,而且能夠在SDH設施上支持多種數據業務的傳送和終結,實施數據業務透傳或二層交換和本地匯聚功能。其中點到點透傳方式直接將數據映射封裝到預先分配的SDH虛容器中傳送,簡單;減少了POS口,成本低;具有較好的用戶帶寬保證和安全隔離功能,適合有較高QoS要求的數據租線業務和核心層應用。但帶寬利用率較低,網絡硬件資源消耗較大,缺乏靈活性。而二層交換和匯聚方式用戶在端口處以多點到單點匯聚方式進入網絡,具有帶寬共享、端口匯聚能力,通過虛擬局域網(VLAN)方式還可以實現用戶隔離和速率限制,利用SDH環或快速生成樹保護實現二層以太網業務保護和環上的帶寬共享,節省網絡資源和端口。然而,二層交換競爭帶寬的特性,使得在網絡擁塞特別是以太環網應用中難以確保用戶實際帶寬,安全性稍差。帶有二層交換和匯聚功能的SDH多業務平臺可以明顯減少節點的業務端口,降低網絡成本,減輕三層交換機/路由器負擔,組網靈活,適合于匯聚層和接入層應用以及對安全性要求較低的用戶及其瀏覽和視頻點播類業務。當然,數據業務還可以進一步利用集成的路由器功能在三層上處理,此時可以享受更加豐富靈活的數據聯網功能,關鍵是路由匯聚,可以減少核心路由器的復雜性,但增加了三層傳送的復雜性。因此,支持簡化的三層功能的做法也成為一種可選的折衷方式。

SDH多業務平臺的出發點是充分利用人們所信賴的SDH技術,特別是其保護恢復能力、確保的延時性能和強大的網管能力,加以改進以適應多業務應用,支持二層乃至三層的數據智能;舅悸肥菍⒍喾N不同業務直接或經過處理后再通過VC級聯等方式映射進不同的SDH時隙,而將SDH設備與二層乃至三層分組設備在物理上集成為一個實體,構成業務層和傳送層一體化的下一代SDH節點,稱為融合的SDH多業務節點,定位于網絡邊緣。

SDH多業務平臺的出現不僅減少了大量獨立的業務節點和傳送節點設備,簡化了節點結構,降低了設備成本,減少了機架數、機房占地、功耗和架間互連,簡化了電路指配,加快了業務提供速度,改進了網絡擴展性,節省了運營維護和培訓成本,還可以支持各種數據業務,特別是集成了以太網、幀中繼、ATM、存儲域網(SAN)乃至IP選路功能后,可以通過統計復用和超額訂購業務來提高TDM通路的帶寬利用率和減少局端設備的端口數,使現有SDH基礎設施最佳化。另外,SDH多業務平臺可以為任何端口提供一層、二層乃至三層業務的任意結合而不管物理接口類型是什么。隨著網絡中數據業務流量的增加,SDH多業務平臺正從簡單的支持數據業務的透傳方式
向更加靈活有效支持數據業務的新一代系統演進和發展。最新的發展是支持GFP、LCAS、RPR和ASON標準。

這種方案的主要缺點是基于同步工作,抖動要求嚴,設備成本較高。其次,這種方案難以靈活地生成業務。再有,采用SDH固定幀長和時隙來支持突發性數據業務的帶寬效率較低,目前數據業務功能也還不夠靈活豐富。最后,要同時管理多個面向連接和無連接的網比較困難,管理成本仍偏高。從長遠看,當數據業務成為網絡的絕對主導業務類型后,這種解決方案不是一種最有效的方法。

6 內嵌RPR功能的SDH多業務平臺

為了將以太網擴展到電信級的核心網,需要解決以太網固有的一系列問題,IEEE 802.17彈性分組環(RPR)就是解決方案之一。這是一種二層協議,獨立于下面的一層技術和上面的三層技術,屬于中間層增強技術,采用一種新的MAC層和共享接入方式,將IP包通過新的MAC層送入一層數據幀內或裸光纖上,無需進行包的拆分重組,提高了交換處理能力,改進了性能和靈活性。RPR不是一種獨立的結構,它既可以工作在一層的SDH或Gbit/s以太網上,也可以直接工作在裸光纖上作為路由器的線路接口板。早期的獨立RPR設備主要架構在以太網上,目前的趨勢是架構在SDH上,成為新一代MSTP的內嵌智能層功能,從而可以充分利用兩者的優勢。若底層采用SDH幀
格式,可以分別將TDM業務和數據業務映射進不同的SDH時隙,對質量要求高的TDM業務繼續沿用SDH環保護,而對于質量要求不太高的數據業務可以不參與SDH環保護,提高了帶寬利用率。

RPR簡化了數據包處理過程,不必像以太網那樣讓業務流在網絡中的每一個節點進行IP包的拆分重組,實施排隊、整形和處理,而可以將非落地IP包直接前轉,明顯提高了交換處理能力,對分組業務最佳。另一方面,RPR又能確保電路交換業務和專線業務的服務質量,可以在二層上實現50 ms的保護倒換時間,因此允許按不同業務為基礎運行,無需為保護預留帶寬。RPR具有自動拓撲發現能力,采用一種類似OSPF但工作在二層的觸發式協議,可以自動識別任何二層拓撲的變化,增強了自愈能力,支持即插即用,避免了人工配置帶來的耗時費力易出錯的毛病。RPR可以有效支持兩纖雙向環拓撲,可以在環的兩個方向上動態地統計復用各種業務,同時還能按每個用戶每種業務為基礎保留帶寬和服務質量,從而最大限度地利用光纖的帶寬,簡化網絡配置和運行,加快業務部署。RPR還具有較好的帶寬公平機制和擁塞控制機制。最后,RPR可以在環上支持大約250個節點,遠遠超越了各種傳統SDH環的節點數限制。

RPR的最大特點是采用了一個內嵌控制層,從而可以提供很多新的功能。RPR方式可以利用幾乎100%的網絡容量來傳遞確保質量的實時TDM業務,倒換時間可以控制在50 ms之內,這在分組解決方案中是很特殊的。而以太網交換機平均只有40%的網絡容量可以用來傳遞確保質量的業務。從成本上看,RPR成本介于SDH和Gbit/s太網技術之間,數據接口越多,其成本越接近Gbit/s以太網,反之則趨近SDH?偟目,這類技術最適合數據業務量占主導,而TDM業務量也需要可靠有效支持的應用場合。

鑒于RPR具有很好的匯聚特性和優化的數據接入能力,最適合于城域網的接入層應用,特別是以太網業務帶寬需求占絕對優勢的場合。然而,RPR需要新增一個MAC層,系統復雜性和成本將增加。其次,由于RPR沒有跨環標準,RPR信息無法跨環傳遞,獨立組大網的能力較弱,無法實現復雜的網絡拓撲,不能提供端到端業務。然而若利用與MPLS相結合的方法,可以使跨環業務流配置成同一個MPLS標記交換通道,從而實現多個RPR環業務的互通。利用MPLS還能提供基于全網的流量工程、實現空間重用和帶寬保證,使得應用范圍擴展到網狀網等復雜的拓撲,進一步加強了MS97支持數據靈活聯網的能力。最后,RPR使用共享接入方法,擴展性受限。

7  發展前景

總的看,新一代SDH多業務平臺的出現和發展不僅成功地延長了SDH的技術壽命,而且提供了一個融合的簡化的網絡邊緣,可以更靈活有效地支持分組數據業務,增強業務拓展能力,保護已有投資,降低網絡成本和投資風險,有助于實現從電路交換網向分組網過渡和最終向融合網方向發展?梢钥吹,SDH多業務平臺正在引領城域網的發展。特別是近來中國電信集團公司組織的下一代SDH多業務平臺的多廠商互聯互通測試的成功,標志著下一代SDH多業務平臺技術的基本成熟和大規模商用的價值?梢韵嘈,隨著網絡中IP業務的繼續快速增長,我國寬帶業務的迅速崛起和第三代移動通信業務的商用在即,構筑動態、靈活、高帶寬的城域網將成為網絡發展下一步的必然要求,而下一代SDH多業務平臺將會發揮無可替代的中心作用,這將是一個重大的市場機遇。

韋樂平:現任國家863計劃信息技術領域專家委員會委員,信息產業部通信科學技術委員會副主任,中國通信學會常務理事兼信息通信網絡委員會主任和光通信委員會副主任,中國電信集團公司總工程師兼北京研究院院長,已發表100余篇論文和8本著作。

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