硕士学位论文-基于SDH的多业务传送平台的硬件系统实现.pdf

独创性 ( 或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名1 甲 a i日期: 二 n n fi 、 3 、 “ 7 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅;学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密范围， 在- 里年解密后适用本授权书。 本 人 签 名 :1。 习日 期 : 导 师 签 名 : 川 、气日 79j 乙 o o h .， z ? 2 尹 衬 多 乞 卜子侧 一 北京邮电大学硕士学位论文 基干s d 日 的多业务传送平台的硬件系统实现 摘要 飞 城域网的发展动力， 源于大量的端用户需要高带宽的接入手段以享 受各种信息服务，以及已建成大容量骨干网而缺乏业务这两个方面。在 技术上宽带城域网有两个特点，一是采用 e p为核心技术，二是技术的 多样性。 传统s d h( 同步数字体系) 光传输系统主要针对话音业务优化， 不具备面对 e p为主流的网络所需要的扩展性和灵活性。同时，在可以 预见的未来，面向时分复用业务的 s d h传输体制将继续存在。数据业 务的高速增长使得业务提供商和运营商正在寻求一种方案，以帮助其从 现有的静态的时分复用过渡到动态 i p业务网时代。城域网必须充分考 虑具体业务特点、 接入用户需求、已 有设施条件和网络分布环境， 采用 最为经济有效的结构和组网技术。m s t p ( m u l t i - s e r v i c e t r a n s p o r t p l a t f o r m多业务传送平台 ) 标准在继承现有s d h网 络投资基础上，明 确 了向未来智能光网络的演进道路。 本文在研究 ms t ?中应用的关键技术基础上，重点阐述了城域 ms t p 实验系统的硬件实现。文中首先简要说明了 城域网发展现状， 介 绍了ms t p的概念及发展过程; 然后分别对ms t p中应用的关键技术如 e o s ( 基于s d h的以 太网 映 射 ) 、 时 钟同 步技术 和智能交 叉技术 进行了 理 论 分 析， 这 也是m s t p 硬 件系 统实 现的 理论 基础; 接 着介绍了 系统的 整 体结构和各单板功能，其中重点对数字交叉连接卡的研制作了说明，并 介绍数据同步和定时两种关键的板间关系; 接下来介绍了系统的联调过 程，分析了系统的不稳定性因素; 最后，本文介绍了基于状态转移表的 自 动保护倒换协议的硬件实现方法。 关键词:城域网同步数字体系多业务传送平台智能交叉连接 自 动保护倒换 一 北京邮电大学硕士学位论文 hardwar e i mp l e me nt at i on of ms t p s ys t e m b as e d on s dh abs t ract b e c a u s e o f t h e h i g h l y i n c r e a s e d d e m a n d o f b r o a d b a n d a c c e s s a n d t h e m a t u r e o f t h e l o n g - h a u l b a c k b o n e n e t w o r k s , t h e c u r r e n t m e t r o a r e a n e t w o r k s c a n n o l o n g e r m e e t t h e r e q u i r e m e n t s s u c h a s g r o o m i n g a n d a g g r e g a t i n g . t e c h n i c a l l y , t h e m a n h a s t w o f e a t u r e s , o n e i s b ase d o n 巩t h e o t h e r i s m u l t i - s e r v i c e . t h e tr a d i t i o n a l s d h s y s t e m i s o p t i m i z e d f o r t h e v o i c e c o m m u n i c a t i o n , i t c a n t a d a p t t h e i p s e r v i c e fl e x i b l y . me a n w h i l e , t h e c u r r e n t t i m e - d i v i s i o n - o r i e n t e d s d h s y s t e m w i l l s t i l l e x i s t i n t h e n e a r f u t u r e . t h e h i g h l y i n c r e as e d d e m a n d o f d a t a s e r v i c e u r g e d t h e s e r v i c e p r o v i d e r a w e l l a s t h e n e t w o r k o p e r a t o r t o s e a r c h a w a y t o p r o g r e s s t o w a r d s t h e d y n a m i c i p s e r v i c e t i m e . t h e ma n s h o u l d b e b u i l d in t h e m o s t e c o n o m i c a l w a y w i t h t h e f u l l y c o n s i d e r a t i o n t h e f e a t u r e s o f t h e s p e c i f i c s e r v i c e , t h e d e m a n d o f t h e c u s t o m e r s a n d t h e a l r e a d y - e x i s t e d s y s t e m s . t h e s d h - b a s e d m s t p ( m u l t i - s e r v i c e t r a n s p o rt p l a t f o r m ) a d o p t t h e p r e s e n t s d h s y s t e m a n d b e c o m e t h e ma i n s tr e a m c h o i c e o f me t r o n e t wo r k i n t h e f u t u r e . b as e d o n t h e r e l e v a n t r e s e a r c h o f ms t p k e y t e c h n o l o g i e s a n d t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f i t s i n t e l l i g e n t f u n c t i o n s , t h i s t h e s i s m a i n l y f o c u s e s o n t h e h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e ms t p s y s t e m . i n t h i s t h e s i s , t h e p r e s e n t d e v e l o p m e n t o f t h e ma n i s b r i e fl y a n a l y z e d f i r s t l y , a l o n g w i t h t h e s t r u c t u r e a n d d e v e l o p m e n t o f ms t p ; t h e n t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f ms t p , s u c h a s e o s r e l a t e d t e c h n o l o g i e s , t h e s y n c h r o n i z a t i o n o f t h e c l o c k a n d t h e i n t e l l i g e n t c r o s s c o n n e c t t e c h n o l o g y a r e s e p a r a t e l y d i s c u s s e d . m o r e o v e r , i n t r o d u c e t h e s t r u c t u r e o f t h e h a r d wa r e o f ms t p a n d t h e f u n c t i o n o f e a c h b o a r d i n s e r t e d o n t h e s y s t e m , t h e d e v e l o p m e n t o f t h e h a r d w a r e o f c r o s s c o n n e c t b o a r d i s m a i n l y d i s c u s s e d i n t h i s p a rt , t h e r e l a t i o n s h i p s o f t h e i n t e r b o a r d s s u c h a s d a t a s y n c h r o n i z a t i o n a n d t i m i n g a r e a l s o a n a l y z e d ; t h e c o u r s e o f t h e h a r d w a r e d e b u g g i n g o f t h e w h o l e s y s t e m i s t h e n d i s c u s s e d , t h e f a c t o r s a ff e c t t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m a r e a n a l y z e d ; i n t h e e n d o f t h i s t h e s i s l a y s tr e s s o n i n tr o d u c i n g t h e h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e a p s p r o t o c o l wi t h a me t h o d b a s e d o n s t a t e tr a n s i t i o n t a b l e . k e y wo r d s : me tr o o p t i c a l n e t w o r k s d h m u l t i - s e r v i c e t r a n s p o rt p l a t f o r m .r，l， 氮 .胜.lllllesles.es一111. 一 北京邮电大学硕士学位论文 d i g i t a l c r o s s c o n n e c ta u t o m a t i c p r o t e c t i o n s w i t c h i n g 北京邮电大学硕士学位论文 第一章 绪论 以因特网为核心的数据业务迅猛发展，以电话业务为主要服务对象的传统电信 网络的带宽很快被耗尽，网络的带宽化成为电信网络发展的现实要求和必然趋势。 在一个大城市如何发展城域宽带网是当今的热点课题。本章简要说明了城域网发展 现状，介绍了ms t p的概念及发展过程 1 i 2! .台 .j 二 二 刁 传统s d h光传输系统主要针对话音业务优化，不具备面对i p为主流的网络所 需要的扩展性和灵活性。 同时， 在可以预见的未来， 面向时分复用业务的s d h传输 体制将继续存在。 数据业务的高速增长使得业务提供商和运营商正在寻求一种方案， 以帮助其从现有的静态的时分复用过渡到动态i p 业务网时代。 多业务运营商需要综合业务传送网。按业务分割的多体制传输网络的叠加并存 提高了网络的建设成本，增加了维护难度，更重要的是限制了未来业务员运营的发 展空间。传输网不仅是基础网而且是业务资源，带宽将成为紧俏的资源。可运营商 的传输网是未来智能光网络的最基本特征。 技术选择是城域传输网建设的最大风险。 ms t p 标准在继承现有s d h网络投资基础上， 明确了向未来智能光网络的演进道路。 多业务传送平台是城域网的基础电信平台，是城域网网络运营的基础。传送网 已经由传统的配套网演化成为一种具有核心地位的业务网。高效的、稳固的、可扩 展的综合业务基础传输平台是城域网建设的重点。 综合考虑技术的先进性、 成熟性、 实用性， 基于s d h的多业务传送平台城域传送技术以良 好的继承性、 可扩展性和可 管理性，成为城域传输网建设的首选技术之一。 本论文将重点研究与基于 s d h的ms t p相关的各种问题。在本章中，首先介 绍了ms t p 技术的发展状况和现有的多业务接入技术， 然后讨论ms t p 的发展方向， 最后介绍论文的主要内容与组织结构。 一 北京邮电大学硕士学位论文 1 . 2 . 多业务传送平台概述 1 . 2 . 1 . 城域网技术发展现状 传送网可横向分割为核心网、城域网和接入网三大部分，随着波分复用技术和 高速以太网技术的发展，使得骨千网的容量和本地局域网的带宽呈几何级数增长， 网络容量的瓶颈转移到城域网上，特别是电子商务、企业事业单位的多种业务、局 域网互联、高速数据的传送、上网浏览、视频点播及视频会议等新旧业务的大量需 求， 更加促进了 城域网的发展il l . 城域网是个高度竞争和开放的网络，其业务类型多样化，业务流向流量具不确 定性，它不仅是传统广域网与局域网的桥接区，也是底层接入网与上层业务网的融 合区， 还是传统电 信网与数据网的交叉融合地带。因 而，各种不同背景的技术在此 碰撞交融， 其解决方案概括起来主要有五类:以s d h为基础的ms t p 多业务平台、 基于以太网的城域解决方案、以a t iv 1 ( 异步传输模式)为基础的多业务平台方案、 以r p r( 弹性分组环) 为基础的城域解决方案和以wd m为基础的城域多业务平台。 各种技术方案都有其特定的应用场合，具体的选择以 及发展的速度和规模最终还得 取决于应用。 基于s d h的.ms t p多业务平台 以s d h为基础的多业务平台的出发点是充分利用市场所熟悉和信任的s d h技 术，特别是其保护恢复能力和确保的延时性能，加以改造以适应多业务应用，支持 层2 和/ 或层3的数据智能。基本思路是将多种不同业务通过v c( 虚容器)级联等 方式映射进不同的s d h时隙，而s d h设备与层2 、层3 乃至于层4 分组设备在物 理上集成为一个实体。结果是减少了 机架数、机房占 地、功耗和机架间连线，简化 了电路指配，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护和培训成 本，还可以 提供诸如虚拟专网 ( v p n )或视频广播等新的增值业务。特别是集成了 i p 选路、 以 太网、 帧中继或a t m后， 可以通过统计复用和超额订购业务来提高t d m 通路的带宽利用率和减少局端设备的端口 数，使现有s d h基础设施最佳化。最后， s d h多业务节点还可以方便地完成协议终结和转换功能， 使运营者可以 在网络边缘 提供多种不同业务，而同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议。 总的 看， s d h多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务量特 别是以t d m业务量为主的混合型业务量。 不仅适合缺乏网络基础设施的新运营者， 应用于局间或p o p( 运营商网络接入点)间，乃至大企事业用户驻地而且即便对 一 北京邮电大学硕士学位论文 于已 敷设了大量s d h网的运营商，以s d h为基础的多业务平台可以更有效地支持 分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。这种技术方案兼有综合 性价比 和技术成熟度的优势， 应该是多数运营商较为现实的可持续发展的选择。本 章将在下一节对ms t p 进行详细的介绍和分析。 基于以太网的城域解决方案 以太网是一种成本廉价 全球已得到极其广泛的应用 技术简单、扩展性能优异的面向数据分组的技术，在 随着城域范围内越来越多的业务起始或终结于以太网 帧格式，基于以太网技术来构建多业务城域网无疑将省去其他方案所必需的网络边 界处的格式变换，降低网络的复杂性和成本。 然而， 城域以 太网 技术还有些问 题鱼待 解决， 如缺少 端到端的q o s ( 服务质量) 保障机制、 保护机制不完善、 性能监测和操作管理维护 ( o a m) 能力较弱、资源利 用率不高等。 其中， 如何提供端到端的q o s 是其能否在城域网中得到应用所面临的 最大难题。 城域以太网多业务平台最适合i p业务量占据绝对主导的网络应用场合， 也可以 在i p 业务量足够大的中、小城市作为独立的i p 城域网应用，还可以在i p业务量很 大的大、 中城市作为i p 城域网的汇聚和接入层应用。 随着网络中数据业务量的日 益 增加，以太网多业务平台在城域网中的应用前景将会越来越明朗。 基于a t m的多业务平台方案一。t 应该肯定的是， a t m技术是一种非常完美的技术， 整个构架在设计时就已经考 虑得十分周到，目 前为止的分组交换技术中，还没有哪一种能够提供比a t m 更强 的交换能力、更强的流量控制功能。a t m可以为不同的业务建立不同种类的通道， 满足不同的q o s 要求，带宽可控制、安全性高、 延时 很小。 但遗憾的是，为了技术上的 “ 完美”付出了很多的代价:整个系统过于复杂， 传输效率较低，设备价格居高不下，维护运营的成本很高;对于很短的包，用于建 立链路的时间远远高于传输数据包的时间;在低速率应用使问题不大，但到了高速 率数据传输时问题就显得比较严重了，使得在高业务量下表现不很理想。另外，城 域网的较理想组网结构是环状的，而a t m并不支持环状组网。 总 的 来 讲， a t m是 一 种 非 常 好的 技 术 ， 但目 前由 于i p 技 禾 的 大 量 使 用 ， 使 得 它在应用上没有获得意想的成功。对于已经铺设了大容量核心 a t m 网络而需要将 网络扩展至边缘层次的大型网络运营公司， a t m v p ( v i r t u a l p a s s ) 环仍不失为一种 可选择 的 解决方案。 但是， 对于 近期i p 业务量 可能 大幅 度持续 上升、 网 络规模需要 大幅度扩展的情况下，以 a t m 为基础的多业务平台并不是一种常用的方式，因为 一 北京邮电大学硕士学位论文 当业务量迅速增加时为满足业务量需求而进行 a t m 网络建设时，无异于重新铺设 一个a t m骨干网络，而这对于电信运营商来说是很不划算的。 基于i_ p 7 的城域解决方案 r p r是一种新型的网络结构和技术， 是为了实现面向 数据分组优化的城域网的 要求而设计的。r p r标准定义的 m a c( 媒体访问控制)层可以独立于物理层，运 行在以太网、 s d h等物理层介质之上， 节点间的链路甚至可以通过wd m技术进行 扩容。r p r技术综合i p的智能、以太网的经济性、动态带宽分配和s d h对时延和 抖动的严格保障及 5 0 m s的保护和恢复等特性，利用统计的空间复用机制，提供动 态带宽分配，支持业务分类 ( c o s ) o 然而， 国际上至今仍未形成最终的r p r技术标准， 致使各种专有产品的互联互 通存在问 题。其次，r p r技术着重在数据分组的处理能力上做文章，对t d m业务 的支持力度仍不够，在当前 t d m业务仍为电信业务收入主体的情况下，发展速度 和规模将会受到限 制。 此外， 由 于r p r 没有跨环 标准， 独立组建大型网 络的能 力较 弱，必须与其它技术结合使用。 r p r技术适合于数据业务量占主导、同时要求为t d m业务提供有效支持的应 用场合。 鉴于r p r具有很好的汇聚特性和优化的数据接入能力， 因此适于应用在城 域网的接入层，特别是以太网业务带宽需求占绝对优势的场合。 基于wd m的城域多业务平台 通常来说，网 络扩容的 方式归结 起来大致有 两种: 提高单板的电 处理速率与采 用wd m技术。随着技术的进展和业务的发展， wd m技术正从长途传输领域向 城 域网领域扩展。 wd m 技术的应用允许网络运营者向 用户提供透明的以 波长为基础的业务，客 户 信 号 可 采 用 任 何 协 议 和 格 式 而 不 受 限 于s d h 技 术 模 式 。 同 时 ， 系 统 可以 通 过 简 单 地增加波长的方式迅速提供新的 业务， 而不会影响到原有的工作波长， 从而极大增 强了网络的扩展性和市场竞争力。 为降低城域wd m系统的成本， 粗波分复用 ( c wd m) 技术的开发与应用逐渐 得到重视。 c w d m系统 具有较宽的通道间隔和可 用波长范围， 对激光器和滤波器的 要求也有所放宽，避免了d wd m系统所面临的技术难题，所以成本较低。尤为重 要的是，c wd m系统还可以利用d wd m技术进行在线容量升级。 但就目 前而言， 网络边缘的用户对波长通道的应用和需求毕竟有限。 城域wd m 多业务平台将主要适用于光纤资源短缺的城域网或大型城域网的核心层乃至未来的 汇聚和接入层。c wd m系统则有望成为中短距离传输市场极具竞争力的选择。 一 北京邮电大学硕士学位论文 综上所述，ms t p适合于以t d m业务为主、数据业务为辅的应用环境，理所 当然成为当前运营商的主流选择; 城域以太网多业务平台在未来i p业务绝对主导的 形势下将可能成为主要解决方案;以 a t m 为基础的多业务平台适合于铺设了大容 量核心a t m 网络而需要将网络扩展至边缘层次的应用;r p r多业务平台在网络边 缘有应用上的优势; wd m多业务平台将在核心和汇聚层扮演主要角色， 基于wd m 技术组建城域网则是未来的发展方向。 1 . 2 .2 . 基于s d h的多业务传送平台的结构与发展状况 用于建设多业务传送网络的 任何新型网 元设备， 必须能够支持现有的 s d h功 能，并具有数据整合能力。与此同时，这些网元也必须支持由t d m向i p的过渡。 多业务平台的数据业务处理能力是重要的。但同时还必须考虑到与原有设备的 兼容。因此，应将传统的a d m的传输功能与数字交叉连接器集成在一起，可以显 著的减少机架数量、占地面积和耗电量，从而减少维护成本。业务的整合必须在多 种业务接口上实现， 而且必须包括a t m， 帧中继和以太网信号， 尤其是以太网接口， 因它作为一种廉价的互连接口，其数量在持续的增长。统计复用使业务提供商能够 充分利用数据业务的突发性对网络施加超量负荷，使平均业务流几乎能够占用全部 可用的带宽。综合以上考虑， 儿.么厂 一 - 一 一 通用的多业务传送设备的结构组成如图1 - 1 : s t m- n 门 gf p / p p p / l ap s h d l c目 a t m映射 以太网2 层 交换 以太网 透传 a t m统计复用 和信元交换 p d h / s d h 传统接口， p o s( 级眺啡骊联可恶厂 e t h e rn e t 接口、 a t m - u n i 接口 图1 一 1 多业务传送设备结构组成框图 滋 m s t p 技术的 发 展主要体 现在 对数据 业务的 支持 上。 随 着a t m应用逐 渐减少 一 北京邮电大学硕士学位论文 对以太网业务的支持能力就成为ms t p 技术革新的主要标志。 在电信网络的发展和 技术进步的驱动下， ms t 卫正经历着从支持以 太网透传功能的第一代 ms t p 、支持 二层交换功能的第二代m s t p 到提供以 太网 业务q o s 支持的 第三代ms t p 的发展历 程 12 113 1a 第一代ms t p以支持以太网透传为主要特征， 包括以太网ma c帧、 v l a n( 虚 拟局域网) 标记的透明传送。以太网业务透传功能是指来自以太网接口的信号不经 过二层交换， 直接进行协议封装和速率适配后， 映射到s d h的虚容器中， 然后通过 s d h设备进行点到点传送。 第一 代m s t p只是在s d h设备上增加 支持以 太网 业务处理的 板卡，仅解决了 数据业务在ms t p中“ 传起来”的问 题。 通过点到点方式向高层数据网提供固定的 带宽，无法实现业务通道间的带宽共享和统计复用，势必导致资源消耗严重。尚不 能提供差分q o s 保证、 流量控制、 统计复用和带宽 共享，以 太网 透传业务保护完全 依赖于s d h提供的物理层保护，而没有以 太网业务层的保护。 第二代ms t p以 支持以 太网二层交换为主要特征。以 太网二层交换功能是指在 一个或多个用户以 太网接口与一个或多个独立的基于 s d h虚容器的点到点通道之 间， 实现基于以 太网链路层的数据包交换。 第二代ms t ?保证以太网业务的透明性， 以太网数据帧的封装采用g f p / l a p s c s d h上的链路接入规程)或p p p( 点到点) 协议; 传输链路带宽可配置，数据帧的映 射采用虚容器通道的相邻级联/ 虚级联或 m l - p p p( 多 链路点到点) 协议来保证数据帧在 传输过程中的 完整性。 第二代m s t p 相对于第一代ms t p 的 优势主要在多用户/ 业务的带宽共享和隔离 方面有所改进，包括基于 8 0 2 . 3 x的流量控制、用户隔离与 v l a n 划分以及基于 s t p / r s t p的业务层保护等。 但是，第二代ms t p仍存在很明 显的缺陷:二层交换 适合于星型网络，在环形物理拓扑中交换效率较低;二层交换是面向无连接的，尚 不能 提供良 好的q o s 支持; 有限的v l a n地址空间 还将束缚其在核心节点的 扩展 能力，无法适应大型城域网应用环境;基于s t p / r s t p( 生成树/ 快速生成树)的业 务层保 护 速 度太慢， 无法满 足电 信运 营级要 求; 带宽 共享 是对本地接口 而言的， 不 具备全局的意义。 第一 代和第二 代m s t p 设备不能为以 太网 业务提供良 好的q o s 就是因 为 现有以 太网技术是无连接的， 尚 无足够的q o s 处理能力。 支持， 归根结底 随着网络中数据 业务份量的 加大和对q o s 要求的增加， 势必推动ms t p 向 更加灵活有效的第三代演 进和发展。 第三代m s t p 技术以 支持以 太网 业务的q o s 为 特色。 第三代m s t ? 将在以 太网 和s d h之间引入智能的中间 适配层如m p l s( 多协议标签交换) 技术， 并结合多种 一 北京邮电大学硕士学位论文 先进技术来提高设备的 数据处理与q o s 支持能力。 通过g f p 协议完成以 太网 帧到 s d h虚容器的封装映射，同时利用虚级联和l c a s( 链路容量调整方案)技术增强 虚容器带宽分配的灵活性和效率。这种设备目 前仍处于研发和测试阶段。 1 . 3 . 本文的主要内容和结构 本文作者在致力于城域网研究的学习期间，参加了“ 智能城域光网络的研究” 课 题组， 并参与了国家8 6 3 项目 “ 多粒度光交换技术与系统应用” 。 主要工作包括ms t p 整体硬件系统的联合调试和交叉卡单板的设计与实现。 实验室研制的ms t p硬件平台实现了s t m- 1 速率下 l o m / 1 0 0 m/ 1 0 0 0 m 以 太网 业务的接入。本文阐述了硬件系统的整体结构、各单板间的协同工作关系和系统功 能的整体调试和实现。 作者的主要工作包括: 协助完成ms t p 硬件平台中交叉卡p c b 板的设计与实现; 交又卡专用芯片的基本寄存器配置和可编程逻辑器件的功能定义; 系统中各单板间相互关系的研究，系统功能的部分及整体实现。 此外，本文作者对环形光网络中的自 动保护倒换技术进行了较为深入的学习研 究，在对a p s( 自 动保护倒换)协议的抽象化处理基础上，完成了协议执行过程的 软件模拟和协议的硬件语言描述。 本文各章具体内容如下: 第一章对城域网的 各相关 技术作简 要介绍， 同 时 简要阐 述了 基于s d h的多 业务 传送平台技术的发展状况，这部分是整篇文章的背景介绍，为后续文章的展开奠定 、 基础。 以 太网业务的高效稳定接入取决于相关技术的采用。 第二章简要介绍了s d h系 统中的定时理论， 从理论上分析了ms t p 平台 采用的主要技术: 智能交叉技术、 e o s 相关技术。 第三章详细说明了ms t p 设备的组成结构， 各单板功能及相互关系。着重分析 了 各单板间的定时关系、数据流向关系以 及数据同步关系。 第四章阐述了硬件系统整体功能实现的调试方法和对系统功能的测试。具体介 绍了各单板芯片关键寄存器的配置，预期功能的实现程度，指出了该硬件系统的部 分不足之处。 第五章 研究分析了a p s 技术的 硬件描 述语言 实 现。 分析了自 动保护 倒换协议的 基本内 容，介绍了 用 “ 状态转移表”实现的协议内 容抽象方法，提出了 基于 f p g a 叙 f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y 可 编 程 逻 辑门 阵 列) 的a p s 协 议的 硬 件 实 现 途 径。 一 北京邮电大学硕士学位论文 第二章 m s t p 系统主要技术理论分析 ms t p系统的功能实现取决于相关技术的采用。本章阐述了ms t p系统的各种 技术的理论基础。 分析了s d h系统中的定时理论， 以太网业务接入的主要技术: 通 用成帧规程，虚级联和链路容量调整方案。并结合未来的自 动交换光网络，对交叉 连接功能的智能化和具体应用进行了分析。 2 . 1 e o s技术 2 . 1 . 1 通用成帧规程 g f p的出 现源于9 0 年代后期数据业务的 发展，它的最初想法是作为一种用于 在密集波分复用 ( d w d m) 系统中传送数据业务的解决方案，由于现有的传送网内 存在着各类不同的传送技术，迫切需要一种标准化业务映射机制能够兼容所有的传 送方案，因此g f p很快被应用到s d h , o t n甚至物理光纤的数据传输过程中。 g f p 作为一种新的通信标准， 在数据传输效率和所提供的网络功能方面有了 很 大改进， 其主要特点 包括: .具备低延迟 ( l o w l a t e n c y ) 的传输与处 理能力， 适合高速广域网的应用 ( 如 存储区域网络s a n): .支持可用于宽带传送的业务适配协议; .提供高效的q o s 保 证机 制，能 够将 物 理 层或 逻辑链路层的 信号映射到 字节 同步的信道中; .具 备客户 端管理能 力， 支持基本的 客 户 端控制功能 14 1 0 g f p 采用的是基于头校验 ( h e c - b a s e d ) 和自描绘 ( s e l f - d e l i n e a l e )技术。为t 容纳可变长度的p d u -, g f p 在帧头中提供净荷长度标志。 同时帧长指示标志还可用 于数据帧边界定位的处理过程，该过程对于数据链路同步非常重要。g f p 基本上由 .通用部分和特定客户部分组成， 通用部分适用于所有通过g f p 适配的流量， 它提供 p d u描绘、 扰码、 数据链路同步、多客户复用和独立于客户的性能监测; 特定用户 部分因客户信号不同 而方法各异， 主要包括客户p d u的映射、 特定客户的性能监测 和操作、管理和维护等。 一 北京邮电大学硕士学位论文 客户数据帧 核心包头 净荷区 净荷类型m s b 净荷类型l s b 类型字段m s b 类型字段l s b 扩展头部 0 - 6 0 字节 ( 可选) 一 口 口 一 口 -一口 口口 口 字节传 送顺序 一 一 一 一 一 一 奋， 、 、 _ 位传送顺序 净荷头 净荷数据 帧检验序列字 段f c s可选) 口 - 一 口- 一j口 客户控制帧 s b : 最高有效位 p t i : 净荷类型标志 e x i : 扩展头标志 l s b : 最低有效位 p f i : 净荷区f c s 标志 u p i : 用户净荷类型标志c i o :信道标志 图2 一 1 g f p 帧结构示意图 g f p帧有g f p 用户帧 ( c d f ) 和g f p 控制帧 ( c mf )两种基本类型。g f p 用 户帧提供g f p的基本净荷传送机制，由核心帧头和净荷区两部分组成; g f p 控制帧 为g f p 提供基本链路控制机制。 g f p 核心帧头长度为4 b y t e ， 包括两个字段: ( 1 ) p l i ， 它 是p d u 长 度 标 志 符 ， 用 于 指 示 净 荷 区 字 节 数 ， 当p l i 取 值。 - 3 时 ， 用 于g f p 控制帧; ( 2 ) c h e c ，它是核心帧头差错校验字段，包含 1 个c r c - 1 6 校验序列， 以 保 证 核 心 帧 头 的 完 整 性 f$ 1 2 3 1 a 净荷区包括g f p 帧中核心帧头后面的所有字节， 长度为46 5 5 3 5 可变， 用于传 递客户 层特定协 议信息。 净荷由3 个字段组 成:( 1 ) p a y l o a d h e a d e r ( 净 荷头部) : 长 度可变 ( 4 - 6 4 b y t e )， 支持数据 链路管理 过程， 与高 层特定用户信号有关， 其中 包含类型字段和类型头校验字段两个强制字段， 同时还有1 个可选扩展头字段; ( 2 ) p a y l o a d i n f o r m a t i o n( 净荷信息字段):包含成帧的 p d u ，长度可变，客户层用户/ 控 制 信息p d u总 是 作为字 节对 齐的 数据 流 传 送到g f p净 荷区;( 3 ) p a y l o a d f c s ( 帧 校验序列) : 通常 长度为4 b y t e 包含1 个c r c - 3 2 校验序列， 用于保护g f p 净荷区的信息。 g f p 帧结构如图2 -1 所示12 2 1 u 总 之 ， g f p 是 第 一 个 能 够 将 各 类 数 据 信 号 有 效 映 射 到s d h / s o n e t 帧的 协 议 标 准 ， 从 而 实 现了 多 业 务 的 支 持 能 力 ， 将 数 据 业 务 的 传 输 统 一 到s d h / s o n e t 体 系 中 。 一 北京邮电大学硕十学位论文 2 . 1 .2 虚级联 s d h提供的虚容器类型为十分有限、难以 满足分组数据业务对带宽的需求。 而 虚级联通过逻辑的方式捆绑多个虚容器来提供各种不同规格的带宽，能够很好地解 决以 上问 题， 例如v c - 1 2 - 5 v 为5 个v c - 1 2 的 虚级联， 可以 提供l o m b p s 的带宽。 虚级联是一种反向复用技术，在 i t u - t g . 7 0 7规范中定义。虚级联技术有利于资源 的充分利用和负载均衡，能将多个物理流合并为单个逻辑流，实现传送层的链路汇 聚。通常来说，虚级联需要执行发送和接收两个方向上的功能:在发送方向，终端 设备将客户信号分装至若干个高阶或低阶容器中，使级联业务转化为可在现有网络 设备上传输的 虚级联业务; 在接收方向，将线路上传过来的虚级联业务重新组装为 级联业务， 获取原始的 客户信号18 1 。 虚级联有以 下优点: . 传输路径上只需要源和宿两点具备虚级联处理功能既可， 中间节点不需要具 有虚级联处理功能，这十分有助于提高组网的灵活性和在不具有级联功能的网 络上开展各种数据业务。 .虚级联组内每个成员可以独立传送， 支持多路径传送方式， 可以更好地利用 网络的带宽资源。可以使用 l c a s协议，动态调整虚级联内的成员数目，并避 免个别成员失效后出现业务传输完全中断。 .虚级联的颗粒度细， 带宽可扩展性好， 基本上能够为业务提供过大小合适的 传输管道。.二 . 虚级联加上l c a s 功能使得业务传输具有更高的生存性。 级联是将多个虚容器联合起来创建逻辑的业务传送实体，而合成的容量仍保留 比特序列的完整性， 其实质是虚容器的联合过程。原理上存在着相邻级联和虚级联 两种级联方式，二者的主要差别在于逻辑实体的传送方式不同。 虚级联允许任意数量的虚容器创建容量合适的传送层管道。 传输通道的源端设 备将级联带宽分割到多个标准容器 ( s d h高阶或低级通道)， 逻辑上采用虚级联组 v c g来表示。 由 于虚级联信号由 链路终端节点进行处理， 从而减少带宽资源的浪费 6 1 图2 - 2 给出了采用相邻级联与虚级联两种方式承载业务的带宽效率的对比。 一 北京邮电大学硕士学位论文 1 0 . 9 0 . 8 0 . 7 0 . 6 0 . 5 0 . 4 0 . 3 0 . 2 0 . 1 友 _ _ _ - e- 一亡尸 . 虚级联 相邻级联 了 一 一 、_ 享/ 并叹，长似架 l o m 1 0 0 m 2 0 0 m 3 0 0 m 1 0 0 0 m 图2 - 2 虚级联和相部级联的带宽利用率对比 虚级联的所有容器都具有各自的通道开销字节，不受限于相同的路由和传输通 道 ( 路由可以相同也可以不同)，仅需通道终端设备提供虚级联功能，对中间节点 无特殊要求。通过相邻级联实现业务需要传输通道上的所有节点都必须同时支持相 邻级联技术(9 1 ， 这样应用灵活性差， 利用率低。 采用虚级联方式只需在两端增加具 备虚级联功能的终端设备即可，对网络的影响最小。应用虚级联对网络运营商而言 可以有更大的灵活性。 相 邻级联 可能 无法提供精细的 净荷 粒度。 比 如 说， 能够承载某个异步1 0 0 0 m b p s 以太网业务的超高速率净荷仅有s t s - 4 8 c 。而采用虚级联则灵活得多。 传统s d h网络设备主要支持相邻级联模式， 而不具备虚级联功能。 在实际的网 终 互 联 过 程中 ， 必 须 实 现 相 邻 级 联 和 虚 级 联的 互 通 ， 关 键问 题 是 实 现 相 邻 级 联 和 虚 级联相互间的透明转换。 i t u - t g . 7 8 3 建议已经给出两种级联模式间v c - 4 级的互通 标准。 传送网的剩余容量仅传送彼此独立的t d m信道。 虚级联不仅提供管理v c g组 成通道的机制，而且还能补偿这些通道经过s o n e t / s d h网所产生的不同时延。这 样一来，虚级联克服了传统s o n e t / s d h系统的粗复用体系对带宽分配所产生的限 制。 虚级联可以无缝地工作于现有s d h设备。 虚级联只需终端节点能够识别和处理虚级联的业务信号， 特殊要求。它可以替代标准的相邻级联方式，后者仅支持4 n * 对网络中间节点并无 s t s - 3 c s ( s o ne t) 或是 4 n * v c - 4 ( s d h )的组合和复用。 使用虚级联，网络运营商能够把任意数量 ( x )的低阶 ( 像s d h中的v c - 1 2 s 和v c - 3 s 或s o n e t中的v t 1 . 5 s )或高阶 ( 像 s d h中的v c - 4 s 或s o n e t中的 s t s - 1 s / s t s - 3 c s ) 信道“ 捆绑” 在一起以 创建一个单 个的 虚级联组 ( v c g ) 信号 ( 像s d h中的v c - 1 2 - x v / v c - 3 - x v / v c - 4 - x v 或s o n e t 一 北京邮电大学硕_ 卜 学位论文 中的v t l . 5 - x v / s t s - 1 - x v / s t s - 3 c - x v ) 。 虚级联的一个重要特点就是构建v c g的 单 个传输通道可以在s o n e t / s d h网上独立地传送。只有位于传送网边缘 ( 典型实现 方式是线卡)的v c g源端/ 宿端设备需要支持此功能。 虚级联的容器类型相同，否则就是任意级联。然而，仅有虚级联还不能在业务 不中断的情况下为数据应用提供动态的带宽分配。链路容量调整方案l c a s 技术提 供该问题的解决办法。 借助l c a s 技术， 业务信道的带宽能够在任何时候进行调整， 而不影响链路上的其他业务。另外，不断执行连续性校验，故障链路被自 动清除， 待恢复正常后自 动重新添加。所有这些动作的完成都不受网络管理系统的干涉。 虚级联能够适当组合s d h管道以匹配期望的数据速率， 从而避免不必要的资源 浪费。虚级联允许根据需求更精细地调整。 2 . 1 .3 链路容量调整方案 为改善传统 s d h网络带宽利用率低下的状况， 虚级联与链路容量调整方案 l c a s 等技术应运而生。 虚级联可以灵活地进行s o n e t / s d h通道带宽的分配， l c a s 则能实现带宽的动态配置，有效支持虚级联。 虚 级 联 能 将 任 意 数 量j 虚 容 器 逻 辑 上 连 接 起 来 ， 根 据 业 务 的 速 率， 组 建 带 宽 容 量合适的字节同步比特流，从而克服了传统 s d h 网络创建大容器传送实体的局限 性， 增加了 业务带宽 定义的 灵活性， 提高了网 络带宽的 利用率。 虚级联技术仅要求 级联通道的终端设各具备虚级联功能，对网络中间节点透明