SONET/SDH傳輸網絡中的信息控制操作

2019-11-03 09:01:31

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供稿：網友

　　Eric Eden，PMC-Sierra 公司產品營銷高級工程師

　　簡介

　　光纖技術的進步和電子處理速度的提高為建立前所未有的大容量網絡創造了條件。由于網絡運營商充分利用了這一進步的性能，將若干用戶的數據匯集起來通過各光纖進行傳輸，，因此一條大容量通路的斷開將在較大范圍內帶來影響，從而造成主要金融、醫療和基礎設施服務的中斷。為避免發生這種中斷，設計網絡時必須采用容錯或自愈的方式。

　　同步光纖網/同步數字架構（ SONET/SDH）標準在全世界已被通訊業界廣泛認同。其成功的主要原因在于，內置了對自動保護切換（APS）技術的支持，增強了網絡抗破壞能力。這項功能使智能化電路得以成功開發，從而在工作通道失效的情況下自動選擇保護通道。

　　為減少客戶通信中斷的現象，SONET/SDH標準定義了嚴格的切換完成時間。對于較小的系統，為符合這些標準限制所占用的處理帶寬是適中的。但是，對于較大的系統，例如那些連接了若干密集波分多路復用（DWDM）光纖的系統，單根光纖的斷開就可能造成數以千計的客戶數據流切換到它們的保護通路上。這樣一來，此時所需的突發性處理帶寬即使對于最為強大的微處理器來說也會造成負荷過大的情況。

　　在本文中，我們將探討在成幀器和交叉連接硅芯片設備方面所取得的一些具有關鍵性的進步，這些進步有望解決保護切換技術中處理帶寬的問題，并在降低成本的同時顯著提高SONET/SDH傳輸設備的靈活性。這些新技術主要集中在如何利用在成幀器至光纖串行通訊系統鏈路中未用到的SONET/SDH傳輸開銷字節的位置。對這些字節位置的應用將大幅壓縮設備架構，通過在切換后的通信流中攜帶內控制數據，從而將傳統的控制面板壓縮到數據面板中。這樣可減去典型的軟件占主導的行為，改為硬件編碼操作，從而保證了系統的性能，大幅減少了平臺的復雜性。這些簡化特性將在定義下一代插分多路復用器和交叉連接平臺中起到關鍵性的作用，并為其演進提供便利條件。

　　現有的保護措施

　　目前的自動保護切換（APS）措施趨向于依賴軟件，因此受到速度的限制。例如，在圖1中，成幀器監測源光纖的報警和故障（高誤碼率）。在檢測到某個錯誤時，就將其中斷發往與成幀器安裝在同一接線卡上的伴隨微處理器。微處理器內的軟件將過濾這些狀態報告，然后將總結報告發送至切換光纖。位于接線卡和切換光纖之間的通道通常是一個標準的處理器通道，例如以太網，并配有根據軟件定位的通信協議。在這個切換光纖處，另一個微處理器用于終接所有接線卡上的通訊通道。在較大型的系統中，接線卡的數量太多，會造成沉重的處理負擔并對通訊通道有很高的帶寬要求。在所有的狀態報告都已被處理完后，微處理器將一份新的配置設定值下載到切換光纖設備中，完成自動保護切換（APS）的操作。很明顯，由于要在軟件中完成如此之多的處理工作，自動保護切換操作的最快執行速度將會受到嚴重的限制。

　　而使問題更加復雜的是，這些節點均要求終接若干數量的光纖，但卻沒有對所采用的自動保護切換（APS）架構的組成形式做出任何限制。某些光纖可能是屬于SONET（同步光纖）環路的組成部分，而其它部分可能屬于1:N 線性自動保護切換系統。這些光纖上的通訊數據可能會與其它光纖發生交叉連接或者在本地的接入模塊上終接。由于存在這些額外的下一代通信技術要求，采用該控制模式將不足以支持保護操作。

圖1：控制面板連接系統

　　說明：在傳統式的插分多路復用器 (ADM)（包括多服務提供平臺和光纖交叉連接設備）中，位于接線卡內的SDH/SONET成幀器設備向同一位置的處理器報告狀態信息和錯誤情況。這一處理器與中央控制處理器進行通訊，中央處理器則一般通過以太網通訊渠道控制保護操作。

　　保護措施的演進

　　為了簡化保護操作，通常采用的步驟是通過在數據鏈路中攜帶信息來完成接線卡與中央處理點之間的通訊。串行通訊鏈路用于連接從成幀器設備至光纖交叉連接設備之間的通訊流量，并擁有表現為未經使用附加字節的未用帶寬。傳統形式下通過控制面板傳輸的、具有相同狀態和錯誤情況的編碼信息，可以有效地通過系統鏈接中的未用字節進行通訊，并在光纖設備處集中進行收集。這種方式被稱為"數據面板信息保護切換"，而且為加以區別，我們把采用傳統控制面板收集狀態信息的系統稱為"控制面板保護切換"。

圖2：　支持集成通訊通道和集中化處理

　　在這些網絡要素中，SONET開銷位/SDH部分開銷字節（每個STS-1為3列，每列9個字節，而每個STM-1為9列，每列9個字節）沒有必要擁有與指定的標準定義功能相同的光纖鏈路功能。這些開銷位可以用于攜帶保護切換的狀態信息。而數量龐大的未經使用的TOH/SOH字節也可作為很好的后備選擇。對處于入口數據流量中的所有STS-1數據流都要采用相同的字節。這就將字節位置的可能性限制于在主STS－1和其它STS-1中那些未定義功能的位置上。如果一個字節的使用出現了沖突，可解決沖突的策略是將這些入口字節映射到新的攜帶位置，然后在出口成幀器處將它們復原到原來的位置，或者采用在中央附加位處理中終接其在此攜帶位置上的應用。這就產生了兩個合理的選擇，B2字節位置和J0/Z0字節位置。B2位置在每個STS-1數據流中均可使用，而且該字節位置在許多系統的網絡要素中并未用到，因此可作為成幀器和光纖之間未經使用的帶寬。J0/Z0位置可以用于入口的J0字節的重新映射，或者在接線卡上端接J0時使用。值得注意的是，保護和恢復功能以外的其他附加功能也會占用系統內傳輸附加位上未曾使用的字節。例如，在傳輸附加位的未用和未定義的字節中可以擁有足夠的帶寬用于支持以太網控制通道。

　　就像控制面板保護切換一樣，具備信息能力的系統中的成幀器設備用于監測和報告通過標準定義的報警和故障。在理想狀態下，成幀器是可以編程的，并能夠根據光纖接口和內置通路的具體情況產生適當的信息，從而幫助保護子系統很容易地識別出保護雙絞線通路或環路的相對狀態。在這種情況下，處理器的干涉或監察是不必要的。換句話說，成幀器只需支持對系統附加位的存取，由此本地處理器可以檢索相關的狀態，生成并格式化信息，同時將信息插入光纖的附加區域內。

　　如果保護狀態信息是附加在每個STS-1/AU-3數據流中，那么其內容可以是相當簡單的，只需要單純的狀態信息。來自同一通路的每個STS-1/AU-3數據流可以通過編程而采用與同一入口光纖內每個STS-1數據流相同的信息，這是由于它們的狀態是一致的。信息可以簡單至一個字節，用0至255間的嚴重性等級數值來表明狀態，較大的數字代表較差的狀況。例如，在信號失效條件下（SF），由于誤碼率10-8 的作用，此時被編程輸入到信息中的數值將比信號退化的條件下更高。而一條等于SF代碼指示的通路有可能引發一次轉換，以響應誤碼率為10-8的保護雙絞接通路的指示。

　　一旦信息產生，即被通過數據鏈路傳輸到光纖器件中進行終接和解讀。在光纖器件中析取信息具有一定的優勢，因為它是所有通信量的中心點。光纖隨后將這些信息送至一個中央保護引擎。對于下一代架構來說，支持這一存取是一項關鍵的因素。

　　保護決策功能可以通過采用現場可編程門陣列(FPGA)的硬件或者采用處理器軟件來完成。現場可編程門陣列(FPGA)解決方案較為可取，因為它能夠提供更高的潛在性能。因此，在以下討論中，這種方式將作為一項假設的前提。現場可編程門陣列（FPGA）在不與軟件發生交互操作的情況下執行保護切換功能，對軟件不存在實時要求。其目的在于，保證保護切換的確定性和可擴展性。現場可編程門陣列（FPGA）在完成析取信息時的基本決策步驟會在下面予以介紹。

　　系統的預提供可以識別出哪一個通路或環路與保護相關，其中可能包括1:N架構和網格體系結構，以及雙絞線線性和環路保護方案。來自保護相關通路的信息將會被進行比較，最小值代表通路的最佳狀態。在這一比較功能中還可能包括對輸入信息的過濾，以緩解切換決策的滯后現象，并增加切換決策的穩定性。在定義切換決策的靈敏度（例如"等待響應"參數）時，要按照系統實際連接的狀況加以考慮，因為兩個要素不會對相同的狀態同時作出反應。

　　一旦通訊源所發生的改變得到確定，在要求實施保護的情況下，保護子系統可以對交叉連接設備的連接內存做出適當的改變。在單階光纖中，這點較為容易實現。這是由于單階光纖對現有通路的重新配置沒有要求，而且光纖與開關源相互獨立。在這一點上，多級光纖就失去了優勢，因為它需要進行重新配置才能完成新的通訊選擇。這種重新配置造成了時間上的損失，因為需要對每一個受到影響的STS數據流完成連接設定運算，而這種計算在許多通路同時失敗時，就會變得難以負荷從而限制了性能。所以，只有單級光纖才能達到充分的保護切換，從而實現數據面板信息保護切換的全部優勢。

　　為了實現具備信息功能的系統，光纖必須支持傳輸附加位存取功能，才能析取信息。對于環路保護方案，通訊的頭端必須通過自動保護切換（APS）通道的K字節協同將通信流量橋接。而性能更強大的系統還要求K1和K2字節的析取和重新插入功能。這種K字節的交互操作還可能以硬件的形式執行，以進一步降低軟件資源的負荷。

　　實現數據面板信息保護切換的范例

　　圖3所示為由SONET/SDH成幀器（例如PMC-Sierra公司的 ARROW 芯片）在監測到一個或多個報警信號后，所生成的一條信息通路。這些報警和故障狀態均根據用戶的編程設定歸入到G2i信息（字節）中。在G2i信息中由ARROW成幀器創建的信息是一個可編程設定的單字節值，可根據任一報警或故障來設定。G2i信息在系統側傳輸附加字節中的位置也是可以編程設定的。這條信息和任何其它字節一樣均由TSE設備從所有的鏈路中析取出來，并由現場可編程門陣列（FPGA）進行處理。每一個提供保護的通路都要將G2i信息中的數值進行簡單的比較，從中挑選最佳的通路。這項決定可能導致對TSE連接內存的改變，而這一內存通過微處理器的存取端口（由寄存器控制）進行通訊。K1和K2字節也顯示為在進行頭端橋接的狀態中析取出來的保護機制。

圖3：數據面板信息保護切換的范例

　　

　　下一代的同步光纖網/同步數字架構（ SONET/SDH）傳輸設備要求開發能夠對系統進行感測的功能，使插分多路復用器（ADM）和優化設備具有更多的靈活性、可伸展性和更高的性價比。對于交叉連接的網絡要素，傳輸開銷位存取功能（包括析取和插入）提供了增強設備的保護和恢復服務所需的能力。采用單階光纖將更進一步地增強這些方面的優勢，對線性和環路保護架構都能達到完全支持自動保護切換措施的目的。

　　成幀器的信息生成功能有利于保護切換的高級集成。能夠對接線和通路進行全面監測并能夠合成優先信息的設備，將大幅減少接線卡的處理量以及由此產生的將這些狀態傳達到保護決策設備的相關成本。而誤碼率監測功能能夠釋放處理器的循環，這些循環此前用于SONET/SDH 的操作中，用來執行系統管理和統計數據收集工作。在不支持信息生成的情況下，到達光纖通信的傳輸附加位的路徑會很充足，從而使現有的設計在未來得到進一步驗證。

　　網絡要素的分區功能（成幀器和光纖）之間的更加集成和一致的操作，將直接導致功能更為強大、更為靈活、可擴展性更好和更經濟的設備及SONET/SDH網絡。這里提出的策略能夠完成更高級的保護切換次數、具有較強的擴展性，結構也更為簡單，更易于設計。結合了下一代成幀器和交叉連接開關要素的未來傳輸設備將在不影響性能的前提下，顯著降低成本。

摘自賽迪網

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