为适应未来而设计的SONET/SDH

2019-11-03 09:02:35

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供稿：网友

　　Greg Wynans，PMC-Sierra公司服务供应商部

　　在最初部署语音通信时，SONET/SDH 就已在当今服务供应商网络的部署中发挥了重要作用，其将语音、视频及数据在强大可靠的单个传输机制上进行了完美组合。然而，当今部署的众多设备架构均无法充分进行扩展来满足未来不断增长的数据需求。此外，随着网络节点数量不断呈指数增长，配置并管理这些网络正变得日趋复杂。在当今注重低成本的服务供应商环境中，电信运营商正在寻求削减资金及运营支出的方法。他们需要对其现有 SONET/SDH 基础设施进行无缝扩展，以便不断提高容量，同时还能轻松提供并维持各种业务。

　　三种关键技术的提高将使服务供应商在保留语音收入的同时，还能轻松对其现有 SONET/SDH 基础设施进行调整并扩展到以数据为中心的未来世界。第一，新的交换结构技术可向现有及新型平台--容量可达160 G、320 G、640 G以及更高--提供无缝的在服务可扩展性（in-service scalability），而无需从根本上更改架构。第二，对多播服务及更灵活端口布局不断增长的需求已增加了连接供应软件的复杂性；众多系统厂商正在寻求简化并增强供应软件的方法，因此可提高整个网络性能。最后，SONET/SDH 系统中的端口卡与交换结构之间的标准接口将促进 ASSP 与 ASIC 厂商之间的互操作性，使系统设计人员能够灵活地添加使用标准接口的独特服务，同时简化系统管理。

　　分层架构（sliced architecture）可提供出众的可扩展性

　　SONET/SDH 交换系统一般采用两种交换架构中的一种：单级或多级。使用单级架构通常会创建较小型的疏导结构（grooming fabric）。就特定技术类型而言，单级架构一般固定在带宽中，如果不升至多级架构，则无法对其进行扩展。由于只有一个交换元素，因此该系统可轻松进行实施。另一方面，多级结构一般基于时间、空间、时间的三级架构，可在物理限制中轻松进行扩展。虽然该方法能够满足带宽的可扩展性要求，但需要更多的器件数、更高的功率，而且还会增加软件复杂性。例如，利用一个结构元素来设计的 SONET/SDH 系统可提供 160G 的交换容量。若要将该结构扩展到 640 G需要12个这样的交换元素（在三列中有四个器件）。即，交换结构的系统成本和功率会增加12倍，而在累积容量中一般仅增加4倍。

　　另一种方案是采用分层架构。分层架构可从一个单元素架构开始进行线性扩展，从而显著降低了构建可与其多级结构相媲美的大型结构所需的器件数。本质上，分层架构可在单级中的多个并行交换元素间分布数据路径，每一元素均以亚粒度级（sub-granular level）疏通流量。例如，在上述的扩展问题中，我们希望将交换结构的汇集容量从 160 G增加到 640 G。进一步来说，如果每个线路卡与结构卡之间有四个数据链接，则我们希望的上述情况一般便会实现（每个链接将以 622Mbit/s 或 2488Mbit/s 的速度运行）。在分层架构中，线路卡的每一数据字节均可在四个数据链接间进行扩展，因此第一个链接可承载比特（bits）1和比特2，第二个链接可承载比特3和比特4，依此类推。后续时隙中的后续字节可以相似的方式进行分配。由于每个链接上可放置每个字节的两个位，因此这被称为双位分层。这样，四个结构元素一次可两位两位地交换数据，以便在出口线路卡（egress line card）处进行重新装配。采用这种分层技术，该架构仅通过利用四个结构元素便可线性扩展到 640 G，而一个三级非分层架构将至少需要12个。

　　在该架构中有着许多重要的发现。首先，每个结构元素均为来往于通用端口／时隙的交换数据。因此，每个交换元素可执行相同任务，还可共享通用矩阵配置。第二，每个线路卡必须能够标记通过多个数据接口的数据，并可在出口线路卡处重新组合该数据。第三，该结构元素自身必须能够以子粒度级进行寻址与交换。尽管这确实增加了元素自身设计的复杂性，但总体吞吐量与字节可寻址元素是相同的，即只增加交换粒度；双位分层元素（功率与大小）的物理特性与字节可寻址元素类似。最后，在升级过程中不改变基础架构：由于可并行处理数据，因此整个元素组可作为单个器件。

　　快速而灵活的服务提供

　　交换架构设计中要解决的最大问题之一是如何防止阻塞。当输入端口／时隙没有被连接到所要求的输出端口／时隙时，即使端口此时可用，也会出现阻塞。在双播流量（bicast traffic）极为普通（例如针对环应用）的SONET/SDH 系统中，这一问题尤为严重。对诸如视频等多播服务与日俱增的要求进一步加剧了这一问题的严重性。交换结构阻塞性能分三类：阻塞、可重排无阻塞以及严格无阻塞。在严格无阻塞结构中，对所有的连接都可进行配置，而不必考虑其中配置连接的顺序。在可重排无阻塞结构中，某些连接可能被阻塞，但始终有可能对现有连接进行重排以提供交换资源。在阻塞结构中，重排可能会减少一些阻塞问题，但不可能解决所有可能的连接。对于上述类别的每一种，阻塞行为对特定类型的流量而言都是特定的。例如，就双播流量而言，结构可能是可重排无阻塞的，但对于多播来说可能是阻塞的。

　　在单个元素结构中，通过使用共享核心内存元素可轻松解决阻塞问题。在内存元素中，每个输出端口／时隙均可同时访问所有的输出端口／时隙，因此其属于针对所有流量形式的严格无阻塞类型。共享内存元素还具有其它优势，即配置起来极其简单，您只需针对每个输出端口／时隙配置源端口／时隙即可，这极大地降低了软件的复杂性。但是，正如上述所讨论的，对单个元素结构进行扩展非常困难。在多级结构中，很难在实践中对阻塞或无阻塞性能进行验证。即使单个结构元素自身属于严格无阻塞类型，这也不必作为整体扩展到该结构中。过去，通过将端口布局限制、多播限制、连接重排以及内部结构加速等进行完美结合，SONET/SDH 系统设计人员已创建了实用的多级结构实施。随着潜在连接数目的不断增长，基于数据的 SONET/SDH 系统需要消除这种限制。

　　分层架构的一个重要属性是交换元素组整体可作为单个元素。这与多级方法不同，如果每个单独元素自身是一个 160G 的共享内存元素，则该组将作为容量为 640G 的单个共享内存元素。分层架构具有能够将单芯片内存元素向更高容量、多芯片架构扩展的优势，同时保持配置的简易性以及单芯片设计的任意多播功能。这在软件复杂性方面将实现显著的节约，同时也将实现更快、更确定的供应时间。供应时间可降低至通过微处理器接口在新配置中载入所消耗的时间。

　　标准接口可简化系统开发与管理

　　可将 SONET/SDH 网络元素分成四个基本功能平面：数据、控制、定时及开销。尽管其中大部分主要应用于数据平面，但当网络元素扩展到更大容量时，其它功能平面也必须进行扩展。例如，众多 SONET/SDH 系统采用由基于单个线路卡的微处理器（可与中央处理器硬连接）组成的控制器组合。微控制器可处理本地配置和中断处理，并可向中央处理器报道统计数据及事件。中央处理器在网络元素层上依次执行配置管理及异常处理。随着数据平面汇集容量的不断增加，对控制器复杂性的需求也日益增加。通常，控制器本身缺乏复杂性，需要进行扩充。相似的分析适用于 SONET/SDH 开销的 DCC 字节中的信号发送。当端口数量增加时，信号发送系统的负担便会加重，应需要进行重新设计。众多系统设计人员将此作为把每个功能平面集成到一个通用接口的良机，其它功能子系统可共享该通用接口，就如同各种 PC 的功能子系统共享一个通用共享总线一样。这种动机隐藏在扩展的 SONET/SDH 串行接口或 ESSI 中。ESSI 可定义用于 SONET/SDH 系统的信号发送标准，并可将控制、定时及开销管理集成到通用物理接口中。

　　OIF TDM 到 5 级结构接口 (TFI-5) 的超集 ESSI 可定义三个功能层：帧、传输及路径。帧层可定义如 SONET/SDH 成帧器与交换结构之间串行线路的物理操作。与 SONET/SDH 中的段层相似，帧层仅存在于物理端点间，例如从成帧器上的发送端到交换元素上的接收端。电信号信令、成帧、加扰、链接错误监控及帧同步均嵌入在帧层中。帧层的用途是为网络元素各组件间的物理互操作性提供参考点。目前，ESSI 帧层可定义以 622.08 Mbit/s 和 2488.32 Mbit/s 速率运行的串行链接。ESSI 帧层可与广泛的串行技术兼容，包括 CML 和 LVDS。ESSI 传输层可定义基于 ESSI 的系统间的字节透明度，并可直接对应系统中的 STS-N 接口。逻辑层可针对每个客户机信号进行定义，并可从入口定位器／映射器扩展到出口定位器／映射器。ESSI 传输层的所有组件均可未终结地通过交换矩阵，包括开销。如果使用交给矩阵分层模式，则还可在传输层对该模式进行定义。这表明传输层可在多个物理链接上进行定义，一般为2的幂次方。ESSI 路径层包括 H1-H3 指针字节、整个 STS-N 有效负载及相关的路径开销。针对路径识别、设备状态及路径状态可对其它字节进行定义。

　　可将 ESSI 中的多个开销字节定义为通用端口，其可用于实施针对其它功能子系统的专有信号发送 (PRoprietary signaling)。由于基于 ESSI 的器件允许访问 ESSI 开销，因此在帧层源与汇点（成帧器与交换结构）处可提取并插入传输开销。这些技术的应用范围包括DCC 字节的集中采集、处理及生成，或控制器综合通道的实施。从较小 CPE 设备到大型 MSPP 及 DXC，这种方法在设计及管理 SONET/SDH 网络元素方面提供了更大的灵活性，同时保留标准接口，以允许未来的扩充。

　　随着系统容量不断增加以迎合日益增长的带宽要求，采用分层内存架构的新型交换技术正将这些系统变得更加经济高效。扩展的 SONET/SDH 串行接口标准化或 ESSI将进一步降低系统的成本及复杂性，从而将多个功能子系统集中到一个物理子系统中。采用这些关键技术的多业务供应平台 (MSPP) 将提供史无前例的在服务可扩展性、动态服务供应及更高的网络可管理性。新一代疏导架构将使 SONET/SDH 系统容量可从小型光纤接入及边缘网络升级到大型城域光纤核心网络，从而简化了配置、管理及保护切换所需的软件。

摘自赛迪网

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