SONET/SDH传输网络中的信息控制操作

2019-11-03 09:01:31

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供稿：网友

　　Eric Eden，PMC-Sierra 公司产品营销高级工程师

　　简介

　　光纤技术的进步和电子处理速度的提高为建立前所未有的大容量网络创造了条件。由于网络运营商充分利用了这一进步的性能，将若干用户的数据汇集起来通过各光纤进行传输，，因此一条大容量通路的断开将在较大范围内带来影响，从而造成主要金融、医疗和基础设施服务的中断。为避免发生这种中断，设计网络时必须采用容错或自愈的方式。

　　同步光纤网/同步数字架构（ SONET/SDH）标准在全世界已被通讯业界广泛认同。其成功的主要原因在于，内置了对自动保护切换（APS）技术的支持，增强了网络抗破坏能力。这项功能使智能化电路得以成功开发，从而在工作通道失效的情况下自动选择保护通道。

　　为减少客户通信中断的现象，SONET/SDH标准定义了严格的切换完成时间。对于较小的系统，为符合这些标准限制所占用的处理带宽是适中的。但是，对于较大的系统，例如那些连接了若干密集波分多路复用（DWDM）光纤的系统，单根光纤的断开就可能造成数以千计的客户数据流切换到它们的保护通路上。这样一来，此时所需的突发性处理带宽即使对于最为强大的微处理器来说也会造成负荷过大的情况。

　　在本文中，我们将探讨在成帧器和交叉连接硅芯片设备方面所取得的一些具有关键性的进步，这些进步有望解决保护切换技术中处理带宽的问题，并在降低成本的同时显著提高SONET/SDH传输设备的灵活性。这些新技术主要集中在如何利用在成帧器至光纤串行通讯系统链路中未用到的SONET/SDH传输开销字节的位置。对这些字节位置的应用将大幅压缩设备架构，通过在切换后的通信流中携带内控制数据，从而将传统的控制面板压缩到数据面板中。这样可减去典型的软件占主导的行为，改为硬件编码操作，从而保证了系统的性能，大幅减少了平台的复杂性。这些简化特性将在定义下一代插分多路复用器和交叉连接平台中起到关键性的作用，并为其演进提供便利条件。

　　现有的保护措施

　　目前的自动保护切换（APS）措施趋向于依赖软件，因此受到速度的限制。例如，在图1中，成帧器监测源光纤的报警和故障（高误码率）。在检测到某个错误时，就将其中断发往与成帧器安装在同一接线卡上的伴随微处理器。微处理器内的软件将过滤这些状态报告，然后将总结报告发送至切换光纤。位于接线卡和切换光纤之间的通道通常是一个标准的处理器通道，例如以太网，并配有根据软件定位的通信协议。在这个切换光纤处，另一个微处理器用于终接所有接线卡上的通讯通道。在较大型的系统中，接线卡的数量太多，会造成沉重的处理负担并对通讯通道有很高的带宽要求。在所有的状态报告都已被处理完后，微处理器将一份新的配置设定值下载到切换光纤设备中，完成自动保护切换（APS）的操作。很明显，由于要在软件中完成如此之多的处理工作，自动保护切换操作的最快执行速度将会受到严重的限制。

　　而使问题更加复杂的是，这些节点均要求终接若干数量的光纤，但却没有对所采用的自动保护切换（APS）架构的组成形式做出任何限制。某些光纤可能是属于SONET（同步光纤）环路的组成部分，而其它部分可能属于1:N 线性自动保护切换系统。这些光纤上的通讯数据可能会与其它光纤发生交叉连接或者在本地的接入模块上终接。由于存在这些额外的下一代通信技术要求，采用该控制模式将不足以支持保护操作。

图1：控制面板连接系统

　　说明：在传统式的插分多路复用器 (ADM)（包括多服务提供平台和光纤交叉连接设备）中，位于接线卡内的SDH/SONET成帧器设备向同一位置的处理器报告状态信息和错误情况。这一处理器与中央控制处理器进行通讯，中央处理器则一般通过以太网通讯渠道控制保护操作。

　　保护措施的演进

　　为了简化保护操作，通常采用的步骤是通过在数据链路中携带信息来完成接线卡与中央处理点之间的通讯。串行通讯链路用于连接从成帧器设备至光纤交叉连接设备之间的通讯流量，并拥有表现为未经使用附加字节的未用带宽。传统形式下通过控制面板传输的、具有相同状态和错误情况的编码信息，可以有效地通过系统链接中的未用字节进行通讯，并在光纤设备处集中进行收集。这种方式被称为"数据面板信息保护切换"，而且为加以区别，我们把采用传统控制面板收集状态信息的系统称为"控制面板保护切换"。

图2：　支持集成通讯通道和集中化处理

　　在这些网络要素中，SONET开销位/SDH部分开销字节（每个STS-1为3列，每列9个字节，而每个STM-1为9列，每列9个字节）没有必要拥有与指定的标准定义功能相同的光纤链路功能。这些开销位可以用于携带保护切换的状态信息。而数量庞大的未经使用的TOH/SOH字节也可作为很好的后备选择。对处于入口数据流量中的所有STS-1数据流都要采用相同的字节。这就将字节位置的可能性限制于在主STS－1和其它STS-1中那些未定义功能的位置上。如果一个字节的使用出现了冲突，可解决冲突的策略是将这些入口字节映射到新的携带位置，然后在出口成帧器处将它们复原到原来的位置，或者采用在中央附加位处理中终接其在此携带位置上的应用。这就产生了两个合理的选择，B2字节位置和J0/Z0字节位置。B2位置在每个STS-1数据流中均可使用，而且该字节位置在许多系统的网络要素中并未用到，因此可作为成帧器和光纤之间未经使用的带宽。J0/Z0位置可以用于入口的J0字节的重新映射，或者在接线卡上端接J0时使用。值得注意的是，保护和恢复功能以外的其他附加功能也会占用系统内传输附加位上未曾使用的字节。例如，在传输附加位的未用和未定义的字节中可以拥有足够的带宽用于支持以太网控制通道。

　　就像控制面板保护切换一样，具备信息能力的系统中的成帧器设备用于监测和报告通过标准定义的报警和故障。在理想状态下，成帧器是可以编程的，并能够根据光纤接口和内置通路的具体情况产生适当的信息，从而帮助保护子系统很容易地识别出保护双绞线通路或环路的相对状态。在这种情况下，处理器的干涉或监察是不必要的。换句话说，成帧器只需支持对系统附加位的存取，由此本地处理器可以检索相关的状态，生成并格式化信息，同时将信息插入光纤的附加区域内。

　　如果保护状态信息是附加在每个STS-1/AU-3数据流中，那么其内容可以是相当简单的，只需要单纯的状态信息。来自同一通路的每个STS-1/AU-3数据流可以通过编程而采用与同一入口光纤内每个STS-1数据流相同的信息，这是由于它们的状态是一致的。信息可以简单至一个字节，用0至255间的严重性等级数值来表明状态，较大的数字代表较差的状况。例如，在信号失效条件下（SF），由于误码率10-8 的作用，此时被编程输入到信息中的数值将比信号退化的条件下更高。而一条等于SF代码指示的通路有可能引发一次转换，以响应误码率为10-8的保护双绞接通路的指示。

　　一旦信息产生，即被通过数据链路传输到光纤器件中进行终接和解读。在光纤器件中析取信息具有一定的优势，因为它是所有通信量的中心点。光纤随后将这些信息送至一个中央保护引擎。对于下一代架构来说，支持这一存取是一项关键的因素。

　　保护决策功能可以通过采用现场可编程门阵列(FPGA)的硬件或者采用处理器软件来完成。现场可编程门阵列(FPGA)解决方案较为可取，因为它能够提供更高的潜在性能。因此，在以下讨论中，这种方式将作为一项假设的前提。现场可编程门阵列（FPGA）在不与软件发生交互操作的情况下执行保护切换功能，对软件不存在实时要求。其目的在于，保证保护切换的确定性和可扩展性。现场可编程门阵列（FPGA）在完成析取信息时的基本决策步骤会在下面予以介绍。

　　系统的预提供可以识别出哪一个通路或环路与保护相关，其中可能包括1:N架构和网格体系结构，以及双绞线线性和环路保护方案。来自保护相关通路的信息将会被进行比较，最小值代表通路的最佳状态。在这一比较功能中还可能包括对输入信息的过滤，以缓解切换决策的滞后现象，并增加切换决策的稳定性。在定义切换决策的灵敏度（例如"等待响应"参数）时，要按照系统实际连接的状况加以考虑，因为两个要素不会对相同的状态同时作出反应。

　　一旦通讯源所发生的改变得到确定，在要求实施保护的情况下，保护子系统可以对交叉连接设备的连接内存做出适当的改变。在单阶光纤中，这点较为容易实现。这是由于单阶光纤对现有通路的重新配置没有要求，而且光纤与开关源相互独立。在这一点上，多级光纤就失去了优势，因为它需要进行重新配置才能完成新的通讯选择。这种重新配置造成了时间上的损失，因为需要对每一个受到影响的STS数据流完成连接设定运算，而这种计算在许多通路同时失败时，就会变得难以负荷从而限制了性能。所以，只有单级光纤才能达到充分的保护切换，从而实现数据面板信息保护切换的全部优势。

　　为了实现具备信息功能的系统，光纤必须支持传输附加位存取功能，才能析取信息。对于环路保护方案，通讯的头端必须通过自动保护切换（APS）通道的K字节协同将通信流量桥接。而性能更强大的系统还要求K1和K2字节的析取和重新插入功能。这种K字节的交互操作还可能以硬件的形式执行，以进一步降低软件资源的负荷。

　　实现数据面板信息保护切换的范例

　　图3所示为由SONET/SDH成帧器（例如PMC-Sierra公司的 ARROW 芯片）在监测到一个或多个报警信号后，所生成的一条信息通路。这些报警和故障状态均根据用户的编程设定归入到G2i信息（字节）中。在G2i信息中由ARROW成帧器创建的信息是一个可编程设定的单字节值，可根据任一报警或故障来设定。G2i信息在系统侧传输附加字节中的位置也是可以编程设定的。这条信息和任何其它字节一样均由TSE设备从所有的链路中析取出来，并由现场可编程门阵列（FPGA）进行处理。每一个提供保护的通路都要将G2i信息中的数值进行简单的比较，从中挑选最佳的通路。这项决定可能导致对TSE连接内存的改变，而这一内存通过微处理器的存取端口（由寄存器控制）进行通讯。K1和K2字节也显示为在进行头端桥接的状态中析取出来的保护机制。

图3：数据面板信息保护切换的范例

　　

　　下一代的同步光纤网/同步数字架构（ SONET/SDH）传输设备要求开发能够对系统进行感测的功能，使插分多路复用器（ADM）和优化设备具有更多的灵活性、可伸展性和更高的性价比。对于交叉连接的网络要素，传输开销位存取功能（包括析取和插入）提供了增强设备的保护和恢复服务所需的能力。采用单阶光纤将更进一步地增强这些方面的优势，对线性和环路保护架构都能达到完全支持自动保护切换措施的目的。

　　成帧器的信息生成功能有利于保护切换的高级集成。能够对接线和通路进行全面监测并能够合成优先信息的设备，将大幅减少接线卡的处理量以及由此产生的将这些状态传达到保护决策设备的相关成本。而误码率监测功能能够释放处理器的循环，这些循环此前用于SONET/SDH 的操作中，用来执行系统管理和统计数据收集工作。在不支持信息生成的情况下，到达光纤通信的传输附加位的路径会很充足，从而使现有的设计在未来得到进一步验证。

　　网络要素的分区功能（成帧器和光纤）之间的更加集成和一致的操作，将直接导致功能更为强大、更为灵活、可扩展性更好和更经济的设备及SONET/SDH网络。这里提出的策略能够完成更高级的保护切换次数、具有较强的扩展性，结构也更为简单，更易于设计。结合了下一代成帧器和交叉连接开关要素的未来传输设备将在不影响性能的前提下，显著降低成本。

摘自赛迪网

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