光通信

摘要：光学网络技术的发展正推动整个网络向可支持更多业务的“全光”网络前进。在未来的传输基础设施中，服务供应商必须能够支持业务的快速增长，同时还要使成本保持尽可能低。在高速传输网络结构方面存在许多成帧技术和标准。其中，G.709是可为大多数通用传输协议提供全面的性能监控增强功能的主要标准。本文讨论的是向超越SONET/SDH的光学传输网络的演化，也包括了对与实施G.709兼容帧结构的数字封装（Digital Wrapping）设备的光学网络和优化结构相关的行业标准的讨论。本文还涉及并讨论了可无缝集成任意业务（包括TDM、IP、ATM和SDH/SONET）的下一代网络结构。

简介
下一代网络需要高效率的传输和性能监控能力，以及最高的可用性和生存性。SONET/SDH网络作为高速主干网络已有很长时间了。WDM和DWDM发展了SONET/SDH，提高了业务传输能力。数字封装（Digital Wrapper）技术则提供了一种协议无关（独立于协议）的传输机制，可为光学传输网络（OTN）提供有效的管理机制和强大的纠错能力。

传统传输机制
　　SONET/SDH技术已经作为传输网络的成熟标准被接受。传统上，用于高速传输的主干都是基于SONET/SDH技术的，因为SONET/SDH技术本身具有生存性和性能优势。自愈性双向环架构提供了优异的可用性和错误监控能力，而“分插式”（Add-Drop）结构也提供了足够的网络管理功能和快速业务调度能力。
 

　SDH/SONET 基础和业务映射
　　同步光学网络（SONET）和同步数字体系（SDH）（分别是ANSI和ITU-T标准）是为了互连来自不同供应商的光学传输设备而开发的标准。在SONET 标准中，基础信号称为同步传输信号一级（STS-1），其速率为51.84 Mb/s。更高级信号则是STS-1信号速率的整数倍，从而构成STS-N信号，其中N=1，3，12，24，192和768。一个STS-N信号是由N个字节交织的STS-1信号组成的。相应于第一STS-N信号的光学信号称为OC-N（N级光学载波）。SDH体系的帧和信号称为N级同步传输模块（STM-N），其中N=1，4，16，64和256。下表详细列出了SONET和SDH的位速率。

表1 SDH和SONET简介

　　SONET/SDH 是基于时分多路复用（TDM）的一种技术。SDH/SONET帧结构基于几个构建模块的同步字节多路复用。这些同步复用单元是固定字节数的结构，采用字节交织到或映射到其它帧，最终构成STM-N/STS-N帧（图1）。对于TDM传输，虚容器（VC）或虚支路（VT）是基本的构建模块。一个VC/VT映射一个净荷（payload），净荷可以是任意PDH（赝同步数字体系）信号和其它任何低阶同步复用单元。
 

图3详细描述了传统IP通过ATM再到SDH/SONET（Classical IP over ATM over SDH/SONET）的映射。首先，一个IP数据报被利用多种协议逻辑链路控制和子网附加点（SNAP）封装方法封装到一个ATM适配层5（AAL5）。然后，生成的AAL5公共部分会聚子层协议数据单元（CPCSPDU）被分割为48字节的ATM信元净荷。最后，ATM信元被映射到SONET/SDH。

　　虽然ATM支持高级流量工程、灵活的路由和更好的物理带宽调度以及多种业务集成，但ATM映射本身就增加了18%～25%的带宽开销，而SDH/SONET还需要约4%的开销。

　　IP直接映射到SONET（IP directly over SONET）的解决方案提供了更强壮的传输、通道级故障和性能管理及保护切换，以及更高的带宽效率。IP over SONET技术包括Packet over SONET/SDH（POS）和Ethernet over SONET/SDH。标准的Packet Over SONET/SDH映射采用PPP（点到点协议）/HDLC（高级数据链路控制协议）。IP数据报被封装到PPP分组，PPP分组提供了多种协议封装、错误控制和链路初始化等功能。PPP分组然后利用HDLC协议成帧，以提供分组分界和错误控制。图4示出的是IP over SONET/SDH.。

光学传输网络（OTN）
　　SONET/SDH网络的主要缺点是它们是针对TDM业务而优化的。协议缺少有效的管理除基于TDM技术的传统语音业务以外的其它业务的功能。大多数高速传输主干都是基于SDH/SONET环结构的。在SONET/SDH环中，对一个环上可以设置的结点数量有限制。也有另一类型的SONET/SDH终端设备可以用来实现点到点应用。但这一技术需要在点到点网络中铺设多条光纤以提高带宽。SONET/SDH网络的生存能力由保护电路保证。保护电路虽然提供了时间很短的优异故障恢复能力，但也消耗了可观的带宽。带宽干线不灵活，整个环必须运行同一速率。更重要的是，在每一SONET/SDH结点都需要进行光-电-光转换，这进一步增加了设备的复杂性。因此，在管理支持大带宽光学网络方面，SONET/SDH网络有内在的局限。
 

　　所有这些都要求发展一种全光网络结构。光学传输网络（OTN）通常被定义为具有高级特性，如光学信道路由、交换、监控、生存性的光学网络，并且能够以无与伦比的带宽粒度（最大可扩展到每光学信道数十Gbps）灵活地、可扩展和可*地传输范围广泛的客户信号。在全功能光学传输网络中，传输网络功能将从SONET/SDH网络转向光学传输网络，并补充服务层特性以满足广泛的基础设备和特定服务要求。

　　WDM和DWDM
　　走向光学传输网络的第一步是波分复用（WDM）。WDM是一种用来在单个光纤中建立多个独立光学信道的技术。图5示出了多个独立光学信道如何复用到一根光纤中，然后又如何从光纤中分离出各路信号。

　　所有的WDM器件都是无源的和可逆的，因此任何特定的器件既可用来完成复用功能，也可用来完成解复用功能。SONET帧信号可以映射到WDM设备，从而提高已铺设光纤的容量，并可以保持SONET结构，因为光信道层对SONET层是透明的。现有SONET业务可继续运作，就像它是运行在光纤上的唯一业务，而新业务可以添加到新的波长上，并不会影响现有的业务。密集波分复用（DWDM）是指可支持大量信道的系统。通常的WDM系统中，每个光信号可工作在高达2.5Gbps或10Gbps速度，可支持32至64个信道。

数字封装
　　“数字封装”技术是一种为每一个光学信道提供管理和智能特性的解决方案。通过在光学信道中增加一个数字信封（envelope or wrapper），可以为每个光学信道提供非侵入式监控和管理。利用光电转换的机会，在客户波长上增加一部分数字开销带宽，这样有关客户信号的管理和控制信号就可以与信号本身一起通过网络传输。
 

数字封装技术在封装原始信号时不会破坏信号本身的位速率、格式或时序。光学网络可以支持传输几乎任意客户协议，并可支持客户端接口，如SONET/SDH、千兆以太网（GbE）、ATM、帧中继和因特网协议。光学信道开销（Och-OH）是在传输客户信号的光学信道的带宽内传输的。

　　数字封装技术采用了高效率的错误校正算法——前向纠错（FEC）机制，FEC可以检测和纠正光学链路中遇到的任何错误。数字封装技术中采用的FEC是通过对整个光学信道位流插入里德-所罗门码进行工作的。在链路的终接端，封装被从客户信号上剥离下来，而里德-所罗门解码器则检测并纠正链路上的位错。里德-所罗门算法可以很高的成功率在链路的接收端重故中藕拧＠肍EC，高级光学系统还可以独立报告任何给定的光学信道检测到的错误率和能够纠正过来的位错率。

数字封装标准：ITU-T G.709　　业界接受的“数字封装”标准是ITU-T G.709，该标准定义了光学传输体系内的光学网络节点接口（ONNI）。它详细定义了n阶光学传输模块（OTM-n）、OTM-n结构、开销的功能以及映射和复用客户信号的格式。下面几节详细介绍了这一标准的部分内容。

　　G.709定义的ONNI互连结点包括域间接口（IrDI）和域内接口（IaDI）。IrDI是不同管理域ITN间的边界，这些管理域可能是多个网络运营商所拥有和管理的。IaDI是特定管理域内部的互连接口，它在单个供应商的子网内。图7示出了不同的域。

　　OTN子层
　　OTN的结构和层与SONET/SDH的通道、线路和段子层的概念类似。虽然G.709标准将层的概念扩展到光学通道层以下（OMS和OTS层），但数字封装主要存在于Och层。G.709标准还提供了一种选择，其中没有OMS或OTS层，只有一个单一的信道通过光缆上不采用DWDM结构的单个光学信道传输。

　　光学信道（Och）子层
　　光学信道又可分成三种结构。光学信道净荷单元是映射来的客户信号及相应的开销；光学数据单元用于净荷单元的通道层连接；光学传输单元用于段层连接的错误纠正。

　　光学信道净荷单元（OPUk）

光学信道净荷单元包括客户信号净荷和将客户信号映射到净荷单元所需要的开销。任意类型的客户信号都可封装到净荷单元，最常见的如SDH/SONET、ATM、以太网、IP等。
　　净荷单元头包含一个称为净荷结构标志（PSI）的结构，用于标识所嵌入业务的类型，与映射的类型有关，开销中的其它位含义有所不同。

　　光学信道数据单元（ODU）
　　ODU包括OPUk和提供通道层连接监控功能的相关开销。开销包含专用于端到端数据单元通道的部分和用于六级串连监控（Tandem Connection Monitoring）的部分。

　　ODU开销包含用于维护信号（MS）的字节，用来指示端到端光学信道的连续性，如告警指示（AIS）、开路指示（OCI）或锁定（LCK）。

　　PM（通道监控）开销提供连接监控和管理功能。TTI（路径跟踪标识）允许网络管理员验证光学信道的连接性。反向缺陷指示（BDI）允许电信商将故障定位于特定的光学传输段。位交织奇偶校验（BIP-8）为ODU通道层提供了位错性能监控。

　　为了允许电信商监控跨越多个光学网络的通道，TCM域允许同时存在通道监控功能的几个实例。当ODU连接跨越多个网络时，TCM域1-6可堆叠或嵌套，从而允许ODU连接可在服务供应商网络间实现端到端监控。当ODU跨越一个光学网络时，填写下一个TCM域字段，并通过TCM/TOS域指定该字段为栈顶（TOS）。这样就允许在跨越多个管理域的连接上实现服务供应商可视性和连接监控。