本科生讲义-宽带光传送网.ppt

光传送网,涂晓东,提纲,PDH、SDH概述SDH帧结构SDH基本的复用和映射结构SDH中的指针SDH网络的主要设备SDH网络保护与恢复面向IP业务的光传送网技术,PDH、SDH概述,光传送网：采用光纤作为媒介在各个地点之间传递用户信息的网络，属于OSI结构中的物理层。可以认为光传送网的输入和输出都是各种速率等级的串行比特流。TDM业务：TimeDivisionMultiplexing,电路交换类业务，主要指由低速的话音业务经多路复用而成的各种速率等级。光传送网技术体制主要有：PDH，SDH，RPR，ASON等。,PDH、SDH概述-PDH,数字技术的发展，特别是数字集成电路的出现，为在电信网中实现数字时分复用（TDM）技术创造了条件，它将每个模拟话路变换为64kb/s数字话路，为进一步提高链路容量，多个64kb/s信道又以字节为单位作进一步交错复接。将30个独立的64kbs信道与两个用于信息控制的信道一起形成一个32个数字信道“帧结构”，复接后比特率是2.048Mb/s。将4个2Mb/s信道以比特交错方式复接为8Mb/s信号流，接着扩展到34Mb/s、140Mb/s及565Mb/s，形成一个完整比特速率系列。在复接过程中，支路信息可来自不同设备，有各自的主时钟。为复接方便规定各信道比特流之间的异步范围，即规定了各主时钟之间允许偏离标称值范围。这种对比特率偏差的约束,就是所称的准同步工作，相应的比特系列称为异步数字系列（PDH:plesiochronousdigitalhierarchy)。,将基群信息流(速率为2Mb/s)进一步复接为高次群（25次群:对应为8Mb/s565Mb/s）信息流的复接方法是逐次实现的。例如若将一路64kb/s数字信号复接到一个五次群高速码流中，要经过基群、25次群五次复接才能实现，这其中要四次加入辅助比特信息。高次群复接采用逐比特异步复接的方法。在异步复接中，规定各支路信息流速率有相同的标称值，而实际值允许在一定容差范围之内变化。这是一种准同步复接，其复接过程也要通过两步实现：首失采用正码速调整的办法，将各支路信息变换为相互同步的数字信号码流（其速率、相位达到确定值）。然后将各支路信息以及相关辅助信息逐比特同步交错复接，形成一个复接高速信息流。,4个2M复接成8M,对二次群复接来说,基群和二次群的标称值为2048kHz和8448kHz,容差分别为50ppm和30ppm,即速率分别为2048kHz102.4Hz和8448kHz253.44Hz。为了能将4个基群复接,可首先将每个基群的速率调整到(8448kHz253.44Hz)的1/4,因调整后的速率高于调整前的速率,故称之为正码速调整。,4个2M复接成8M,思考题:画出8M分接成4个2M的框图,越细越好。并详细描述框图中各部分功能。详细叙述在此过程中有关的帧结构。思考题：2M数据流的时钟提取是如何完成的？,PDH存在如下缺陷：1。有三种不同体制。分别是欧洲（中国）体制，日本体制，美国体制。不同体制之间的衔接比较麻烦。2。现在的PDH体制中只有1.5Mbit/s和2Mbit/s速率的信号包括日本系列6.3Mbit/s速率的信号是同步的，其他速率的信号都是异步的需要通过码速的调整来匹配和容纳时钟的差异。由于PDH采用异步复用方式，那么就导致当低速信号复用到高速信号时其在高速信号的帧结构中的位置没规律性和固定性，也就是说在高速信号中不能确认低速信号的位置。而这一点正是能否从高速信号中直接分/插出低速信号的关键所在。3。由于PDH信号运行维护工作的开销字节少，这对完成传输网的分层管理性能监控业务的实时调度传输带宽的控制告警的分析定位是很不利的。4。由于没有统一的网管接口，这就使你买一套某厂家的设备就需买一套该厂家的网管系统容易形成网络的七国八制的局面，不利于形成统一的电信管理网。,从140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号示意图,从图中看出在将140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号过程中使用了大量的背靠背设备。通过三级解复用设备从140Mbit/s的信号中分出2Mbit/s低速信号，再通过三级复用设备将2Mbit/s的低速信号复用到140Mbit/s信号中。一个140Mbit/s信号可复用进64个2Mbit/s信号。若在此处仅仅从140Mbit/s信号中上下一个2Mbit/s的信号也需要全套的三级复用和解复用设备，这样不仅增加了设备的体积成本功耗还增加了设备的复杂性降低了设备的可靠性。,由于低速信号分/插到高速信号要通过层层的复用和解复用过程，这样就会使信号在复用/解复用过程中产生的损伤加大，使传输性能劣化。在大容量传输时此种缺点是不能容忍的。这也就是为什么PDH体制传输信号的速率没有更进一步提高的原因。由于以上这种种缺陷使PDH传输体制越来越不适应传输网的发展于是美国贝尔实验室首先提出了用一整套分等级的标准数字传递结构组成的同步网络SONET体制，CCITT于1988年接受了SONET概念并重命名为同步数字体系SDH，使其成为不仅适用于光纤传输也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。,PDH、SDH概述-SDH的优势,（1）统一了PDH的三大体系标准SDH采用G.707、G.708、G.709世界性的统一网络接口（NNI）和G.957光接口标准，使SDH能支持现有的PDH，便于顺利地从PDH向SDH过渡，体现了后向兼容性，及不同厂家的设备可以中途交会，实现横向兼容。ITUT巳规定的同步传送模块（STM）第一级STM1的速率为155.52MbS，第N级STMN可按字节同步复接获得（N=1、4、16），目前采用下列四种：STMl：速率为155.52MbSSTM4：速率为622.08MbSSTM16：速率为2488.32MbSSTM64：速率为9953.28MbS,（2）复用方式由于低速SDH信号是以字节间插方式复用进高速SDH信号的帧结构中的，这样就使低速SDH信号在高速SDH信号的帧中的位置是固定的非常有规律性的，也就是说是可预见的，这样就能从高速SDH信号例如2.5Gbit/sSTM-16中直接分/插出低速SDH信号例如155Mbit/sSTM-1，这样就简化了信号的复接和分接，使SDH体制特别适合于高速大容量的光纤通信系统。另外由于采用了同步复用方式和灵活的映射结构可将PDH低速支路信号例如2Mbit/s复用进SDH信号的帧中去，这样使低速支路信号在STM-N帧中的位置也是很规律的，很容易计算出来，于是可以从STM-N信号中直接分/插出低速支路信号。注意此处不同于前面所说的从高速SDH信号中直接分插出低速SDH信号。此处是指从SDH信号中直接分/插出低速支路信号例如2Mbit/s、34Mbit/s与140Mbit/s等低速信号，使业务的上下更加简便，节省了大量的复接/分接设备，增加了可靠性。,SDH与PDH复分接流程比较,（3）网络运行、管理和维护能力强SDH帧结构中安排了丰富的开销比特增加了维护管理通道，加强了网管功能。SDH的不足之处在于：频带利用率不如传统的PDH。以2.048MbS为例，PDH的139.264MbS可以收容64个2.048Mb/s系统，而SDH的155.52Mb/s却只能收容63个2.048Mb/s。频率利用率从PDH的94下降到83,SDH帧结构,术语说明：接口容器C是一种信息结构，主要完成速率调整等适配，针对常用的准同步数字体系信号速率，规定了5种标准容器。由标准容器出来的数字流加上通道开销构成虚容器(VC)。VC出来的数字流加上指针等开销就构成管理单元（AU)或支路单元（TU）。多个AU经单字节间插构成AUG,多个TU经单字节间插构成TUG。SDH采用块状帧结构，以字节为单位。STM-1的帧结构如图所示，由270列和9行8比特字节构成，帧长度为270X9=2430个字节，相当干270X9X8=19440比特，用时间表示即为125us（帧周期），其比特速率155.52Mb/s。帧结构中字节的传送是从左至右按行传送的。STM1的帧结构分为段开销（SOH）、管理单元指针（AU-PTR）和信息净负荷区三大部分。,（1）段开销（SOH）所谓段开销是指STM帧结构中为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须的附加字节，主要是供网络运行、管理、维护和性能监视使用的字节。段开销分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）。其中A1和A2为帧定位字节，用来识别帧的起始位置。,（2）信息净负荷（Payload）信息净负荷区由9行261列（10270列）共9X261=2349个字节构成，它是帧结构中存放各种信息（含信码流字节和通道开销POH）容量的地方。通道开销的功能包括通道性能监视、告警状态指示，用于维护目的信号及复用结构指示，它与传送的信码流配套使用。（3）管理单元指针（AU-PTR）AU指针就是一种指示符，其值定义为虚容器相对于支持它的传送实体的帧参考点的帧偏移。AU指针主要用来指示信息净负荷的第一个字节在STMN帧内的准确位置。指针处理是SDH所采用的数字调整方式，在帧结构中通过所设置的指针值变化来进行字节调整，以适应输入信码流的速率和相位的变化。,STMN的帧结构如图所示，它与STMl有相同的块状结构，行数一样，列数增加N倍，帧周期仍为125us，速率为155.52Mb/s的N倍。PDH体制采用条状结构，以比特为单位，各次群帧的比特和帧周期均不相同。如基于2.048Mb/s速率（欧洲）系列，一次群帧周期为125us，256bit；二次群帧周期为100us,848bit.,基本复用映射结构,如图，标称速率为2048kbS的信号先进入C-12作适配处理再加上VC12的通道开销（POH）便组成了VC-12（2.240MbS）。TU12指针（PTR）用来指明VC12相对TU12的相位。经速率调整和相位对准后的TU-12速率为2.304Mb/s，3个TU12经均匀的单字节问插构成TUG2（速率为3X2.304Mb/s）。7个TUG2经同样的单字节间插组成TUG3（加上塞入字节后速率达49.536Mb/s。再由3个TUG3经单字节间插并加上高阶POH和塞入宇节后构成VC4净负荷，速率为150.336Mb/s，再加上576kb/s的AU4指针（PTR）就组成了AU4，速率为150.912Mb/s。单个AU4直接进入AUG，N个AUG通过单字节间插并加上段开销便得到了STMN信号。当N=1时，一个AUG加上容量为4.608Mb/s的段开销即为STM-1的标称速率155.520Mb/s。,SDH中的指针,SDH中的指针类似软件中的指针，其作用有三条：第一，当网络处于同步工作状态时，用来进行同步信号间的相位校准；第二，当网络失去同步时用作频率和相位校准；第三，用来容纳网络中的抖动和漂移。设置AU指针可以为VC在AU帧内的定位提供一种灵活和动态的方法。这意味着VC-n可以在AU-n帧内“浮动”，因而AU指针不仅能够容纳VC和SOH在相位上的差别，而且能够容纳帧速率上的差异。,AU指针,在分给AU指针使用的H1、H2和H3字节中，H1和H2是结合使用的，可以看作1个码字，如下图所示，主要用来指示VC-n开始的那个字节的位置。其中码字的最后10个比特携带具体指针值。H3字节用于VC帧速率调整，负调整时可携带额外的VC字节。AU-4指针值的有效范围为0（261X9/3-1），即0782。这个数值显示了指针与VC-4第1个字节间的偏移。需要注意，在计算指针和VC开始字节的偏移时，AU指针字节是不计在内的。,AU指针的作用-正常状态,当AU-4和VC-4的帧速率相同时，指针确定了VC-4在AU-4帧内的起始位置。如下，当H1和H2中的10比特指针值为2时，表示VC-4是从当前AU-4指针的最后一个H3字节后的第7个字节算起，到下一个AU-4指针的最后一个H3字节后的第6个字节结束。,AU指针的作用-频率调整,如果AU-4与VC-4的帧速率不同，即有频率偏移，则指针值将按照需要增加或减少，同时还伴随有相应的正调整字节或负调整字节的出现或变化。当频率偏移较大，需要连续多次指针调整操作时，相邻两次的操作必须至少分开3帧，即每个第4帧才能进行指针调整操作，两次操作之间的指针值保持为常数不变。当VC-4的帧速率比AU-4的帧速率慢时，此时可以在VC-4前插入3个填充伪信息的空闲字节（即正调整字节），由于插入正调整字节，实际VC在时间上向后推移。因而用来指示下一个VC-4帧的起始位置的指针值要增加1。进行这一操作的指示是将指针码字的5个增加比特（I比特），即第7、9、11、13和15比特反转。此后，下一个AU-4的指针值将增加1。,AU指针的作用-频率调整,当VC-4的帧速率比AU-4的帧速率快时，此时可以利用AU-4指针区的3个H3字节来存放实际VC信息（负调整字节）。由于VC信息的起始几个字节存入了AU指针区，实际VC在时间上向前移动了3个字节。因而用来指示下一个VC-4帧的起始位置的指针值要减1。进行这一操作的指示是将指针码字的5个减少比特（D比特），即第8、10、12、14和16比特反转。此后，下一个AU-4的指针值将减1。,思考题,假设STM-1帧中的指针值一直为0，一个2M数据流C12在其中的位置怎么计算？即C12一帧的第一个byte的位置？第二个byte的位置？第三个byte的位置？如何用数字电路实现2M插入到STM-1帧？如何实现从STM-1帧中取出2M？查询有关资料，就SDH中的指针的作用展开论述。假设AU-4的帧速率（8k/s)保持不变，VC-4的帧速率的变化范围是多少？,学生提问,低速信号插入到高速信号帧结构中，不会使高速信号丢失原有的信息吗？进一步延伸的问题：高速信号帧结构中如何表示那些位置是空的？VC-4的起始位置为什么3个Byte、3个Byte地变化？,SDH网络的主要设备,分为终端复用器，分插复用器，数字交叉连接器。终端复用器TM主要任务是将低速支路电信号和155Mb/s电信号纳入STMl帧结构，并经电光转换为STMl光线路信号,其逆过程正好相反。分插复用器ADM具有灵活分出和插入任意支路信号的能力。数字交叉连接器DXC是一种具有一个或多个ITUT建议G.702（64kbS、2Mb/s,34MbS、140MbS）或G.707（STM1、STM4、STM16、STM-62)定义的信号速率端口并至少可以对任何端口信号速率和或子速率信号）同另外端口信号速率（和或子速率信号）间实现可控连接和再连的设备。,SDH终端复用器,SDH分插复用器,DXC的简化结构,DXC的核心部分是交叉连接矩阵,参与交叉连接的速率一般低于或等于接入速率,两速率之间的转换需要由复用和解复用功能来完成。每个输入信号被解复用成m个并行的交叉连接信号。然后,内部的交叉连接网采用空分交换技术，按照预先存放的或动态计算的交叉连接图对这些交叉连接通道进行重新安排,再利用复用功能将这些重新安排后的信号复用成高速信号输出。,终端复用器、分插复用器是DXC的特例。可以用1:M解复用器、M:1复用器、交叉连接矩阵这三种模块构成任意的SDH设备。因此，芯片厂家只需开发这三种芯片即可。,按端口速率和交叉连接速率的不同,DXC可有各种配置形式,通常用DXCx/y表示,其中x表示接入端口数据流的最高速率级别,y表示参与交叉连接的最低速率级别。数字x=0表示64kbit/s电路速率;数字x=1、2、3、4分别表示PDH体制中的14次群速率,4也代表SDH体制中的STM-1等级;数字5和6表示SDH体制中的STM-4和STM-16等级。例如,DXC4/1表示接入端口的最高速率为140Mbit/s或155Mbit/s,交叉连接的最低速率为一次群信号,也就是说,允许1、2、3、4次群和STM-1信号在设备中进行交叉连接。,交叉连接矩阵是DXC的核心，有两种常用的矩阵类型，平方矩阵和CLOS矩阵。,平方矩阵,CLOS矩阵,Clos相对平方矩阵的优点,Clos的开关数？平方矩阵开关数？Clos开关数低于平方矩阵开关数的条件？Clos的其它优点,点到点应用,线性应用,环形网应用,SDH网络设备举例,华为SDH设备-Optix2500+,1.设备情况,Optix2500+是华为公司出品的SDH骨干网传输设备，最高支持2.5Gbps的传输速率。本实验室有三台Optix2500+。1号机柜的单板：PQ1板一块，SD1板一块，SL4板两块，XCS板一块，SCC板一块。2号机柜的单板：PD1板一块，SD1板一块，SL4板两块，XCS板一块，SCC板一块。3号机柜的单板：PD1板一块，SD1板一块，SL4板两块，XCS板一块，SCC板一块。,单板功能简介（1）PQ1板：完成63路E1信号（2048kbit/s准同步信号）到VC-4的映射和复用，完成VC-4到63路E1信号的解映射和解复用。（2）PD1板：完成32路E1信号（2048kbit/s准同步信号）到VC-4的映射和复用，完成VC-4到32路E1信号的解映射和解复用。（3）SD1板：SD1板是2路STM-1光接口板（DualSTM-1OpticalInterfaceUnit）。SD1单板在接收方向，把光路来的STM-1级别的光信号转换成电信号（O/E转换），并进行解复用和实现开销字节的提取；在发送方向，把VC-4的信号进行开销插入和复用，经电/光转换（E/O）成STM-1光信号发送出去。,（4）SL4板：SL4板是单路STM-4光接口板（STM-4OpticalInterfaceUnit）。SL4单板在接收方向，把光路来的STM-4级别的光信号转换成电信号（O/E转换），并进行解复用和实现开销字节的提取；在发送方向，把4路VC-4的信号进行开销插入和复用，经电/光转换（E/O）成STM-4光信号发送出去。（5）XCS板：XCS板是交叉连接与时钟处理板（CrossConnection/ClockIntegratedCard）。,（6）SCC板：SCC板是系统控制及通信板（SystemControl而LAPS协议则规定了三种地址:全局地址为0 xFF,个别地址分别为0 x04(IPv4)和0 x06(IPv6)。(2)PPP/HDLC协议利用PPP协议域对多协议进行封装;而LAPS协议则将PPP/HDLC中不分配作它用的地址域改为SAPIs(服务访问点)标识符来进行多协议封装。例如当SAPIs为0 x04时,表示携带的是基于IPv4协议的业务,0 x0C为Ethernet业务。为了与PPP/HDLC兼容,当携带的业务类型为PPP/HDLC时,SAPIs的值为0 xFF。(3)在PPP/HDLC帧的传送过程中,对短的信息域必须进行填充;而LAPS帧不需要进行填充。(4)对于FCS校验域,PPP/HDLC为32bit或16bit,依具体情况而定;而LAPS则直接为32bit.从以上比较可以发现,LAPS协议比PPP/HDLC更加简单方便,封装效率更高。,协议,PPP/HDLC和LAPS都采用基于标志字节的帧定界方案,因此无法从本质上改变由此而带来的诸多缺点。Lucent公司提出的SDL协议则采用了一种全新的方案,可以完全消除采用帧定界方案的HDLC协议族的诸多缺点,可使链路速率达到2.5Gbit/s以上。,SDL帧结构,(1)净荷长度指示域该字段长度为16bit,用来指示SDL帧信息域内承载的IP数据报的长度。(2)CRC校验域该字段长度为16bit。它为SDL帧头(即长度指示域和CRC校验域)提供校验保护。(3)QoS指示域该字段长度为32bit,用于支持QoS保障和复用功能,其编码和结构尚未确定。(4)信息域该字段长度可变,用于承载用户的IP数据报。(5)FCS校验域为SDL帧提供帧校验保护。,从SDL的帧格式可以看出,它的主要特点是不再使用HDLC协议族通过标志字节进行帧定界的方法,而是在帧头放置16bit的净荷长度指示符。这样当接收端收到一个SDL帧后,只要根据长度指示符标出的信息域内净荷的实际长度,就可以直接将SDL帧承载的净荷提取出来,从而避免了HDLC协议族操作时由于逐字节查找标志字节所需的大量时间,也避免了由于字节填充/去填充所带来的复杂操作和带宽浪费,因而大大加快了IP数据报的处理速度。通过在QoS指示域内加入QoS信息,则可为IP数据报提供较强的QoS保障,改善了传统IP数据传输时QoS保障差的缺点。另外,由于MPLS技术已经日益成为新的网络传输技术,SDL帧的QoS字段也可以放置32bit的MPLS标签,使得SDL帧不需任何修改就可以适用于MPLS技术。,SDL帧的定界方式有两种:一种是使用POH(通道开销)中的H4字节作为指针；另一种是使用头部CRC捕获方法。当接收端确定了第一个SDL帧后,后继的SDL帧的定界可以通过SDL帧中的净荷长度指示域来完成。当没有信息用于链路传输时，就传送多个空闲的SDL帧头以保持同步,并将净荷长度指示域设置为缺省值，帧头CRC校验域设置为约定的相应值。由于SDL帧承载的IP包是变长的，每一个帧头的CRC校验值也就相应的不一样，因此如果帧头CRC校验值无效，就表明净荷长度指示域也是无效，此时采用与ATMHEC(HeaderErrorControl,头部差错控制)一样的纠错机制进行搜索，直到获得连续的所需数目的有效的SDL帧头CRC校验值为止。SDL协议实现方法更加简单，封装效率高，完全没有了HDLC协议族的诸多缺点,可使链路速率达到2.5Gbit/s以上，并且可以提供一定程度的QoS保障，因此是一种最有前途的IPoverSDH映射协议。,思考题,查询有关资料，详细论述SDL帧采用头部CRC定界的方法。查询有关资料，详细论述以太网overSDH技术，包括帧结构等。以太网的帧能否直接映射进SDH的帧结构中传输？,我国的SDH网络结构,参观完电子科大-华为联合实验室后的问题讨论,整个网络架构IP业务的接入这种方式的缺点,弹性分组环,城域网是连接接入网和广域骨干网的枢纽。数据业务的快速增长要求城域网具有良好的扩容能力、服务质量和可靠性。利用现有的SDH