（通信与信息系统专业论文）eos芯片的设计及fpga验证.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：氢庭矗 日 期：塑塞：墨：蛰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛庭盗导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘 近年来，随着i n t e r n e t 技术的发展和宽带接入网建设的深入，数据业务流量飞 速增长，已经成为电信市场的主体之一。然而，纯粹的m 网络还达不到公用传输 网的可靠性要求且其建设耗资巨大。e o s ( e t h e m e to v e l s d h ) 技术的出现，实现 了数据业务在s d h 网络中的高效传输，最大程度地利用了现有的网络资源。 本文提出了一种切实可行的、经济有效的高集成度e o s 芯片的解决方案并对 其进行了f p g a 验证。首先，分析了e o s 芯片涉及的关键技术，并在此基础上提 出了e o s 芯片的总体设计方案，完成了功能定义和模块划分。然后，详细阐述了 e o s 芯片中1 0 0 m b s 以太网业务映射解映射部分和1 0 0 0 m b s 以太网业务映射解 映射部分的设计及时序仿真。最后，介绍了e o s 芯片的f p g a 实现与板级调试并 给出了测试结果。测试结果表明该e o s 芯片实现了以太网数据业务与传统p d h 业 务到s d h 传输网的映射解映射功能，同时具备性能监视能力。 本文采用自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，通过r t l 级v e r i l o g 硬件描述 语言编程完成芯片的设计。在x i l i n xi s e9 1 i 集成开发环境中完成设计的输入、功 能仿真、逻辑综合、静态时序分析、动态时序验证以及f p g a 下载配置。采用m e n t o r g r a p h i c s 公司的m o d e l s i m 进行功能仿真和时序仿真，采用s y n p l i c i t y 公司的 s y n p l i f yp r o8 1 完成设计的逻辑综合与静态时序分析。综合考虑设计规模和各厂家 f p g a 器件的性能与价格，选用x i l i n x 公司s p a r t a n 3 e 系列的x c 3 s 5 0 0 e 4 f g 3 2 0 c 器件完成了该e o s 芯片的f p g a 实现。将物理实现生成的下载文件写入到f p g a 的e 2 p r o m 之后，采用x i l i n xs p a r t a n 3 es t a r t e rk i t 开发板环境对芯片进行板级调 试，进而测试该e o s 芯片的性能。 本文的主要贡献在于给出了一种功能完备的e o s 芯片的详细设计方案，解决 了e o s 芯片设计中的诸多技术难题，对并行自同步净负荷扰码解扰码电路、m i i 接口电路、g f p 封装解封装电路、超级块生成解释电路进行了独创性的设计与实 现。同时，文章提出了e o s 芯片的两种板级调试方案。 关键词te t h e r n e to v e rs d h ：同步数字体系；虚级联；通用成帧规程；链路容量调 整机制；现场可编程门阵列 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dt h ef u r t h e re x t e n s i o no fb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r k s d a t at r a f f i ch a sb e c o m eo n eo ft h ed o m i n a n t 仃a 伍ct y p e si n t e l e c o m m u n i c a t i o nm a r k e ti nr e c e n ty e a r s u n l u c k y ，t h ep u r ei pn e t w o r kw i t hh u g e c o n s t r u c t i v ec o s t sc a nn o tm e e tt h ep u b l i ct e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c er e q u i r e m e n t s e m e r g i n ge o s ( e t h e m e to v e rs d h ) t e c h n o l o g yi sc a p a b l eo fh a n d l i n gv a r i o u sd a t a t r a f f i co ns d hn e t w o r ke f f i c i e n t l y , a n df u r t h e s ts a v e st h ee x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c e s af e a s i b l ea n de f f e c t i v ei n t e g r a t e de o sf a c i l i t ys o l u t i o n w i t hi t sf p g ap h y s i c a l v e r i f i c a t i o n ，i sp r o p o s e di n t h i st h e s i s f i r s t l y , f e a t u r e so fe o sa n dk e yt e c h n o l o g i e s i n v o l v e di ne o s c h i pa r ed e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l yag e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft h e e o sc h i pi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ef u n c t i o nd e f i n i t i o na n dm o d u l ep a r t i t i o n t h e nt h e d e s i g ns c h e m ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o nw i t ht i m i n gf o rlo o m b p se t h e m e tt r a f f i c m a p p i n g d e m a p p i n gs e c t i o na n d10 0 0 m b p s e t h e m e tt r a f f i cm a p p i n g d e m a p p i n gs e c t i o n a r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ef p g ai m p l e m e n t a t i o n , b o a r d - l e v e ld e b u g g i n g a n dt e s t i n go ft h i se o s c h i pa r ep r e s e n t e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i se o sc h i pi s c a p a b l eo fp r o v i d i n gs i m u l t a n e o u st r a n s m i s s i o na b i l i t yo fd a t at r a f f i ca n dv o i c et r a f f i c o v e rs d ha n dp e r f o r m a n c em o n i t o r i n ga b i l i t y t h et o p - d o w nd e s i g nm e t h o d o l o g ya n dr t l l e v e lv e r i l o gh d la r ea d o p t e di n t h i st h e s i s b a s e do nx i l i n xi s e9 1ii n t e g r a t e de n v i r o n m e n t , f u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ， l o g i cs y n t h e s i s ，s t a i ct i m i n ga n a l y s i s ，d y n a m i ct i m i n gs i m u l a t i o nw i t ht i m i n ga n df p g a p r o g r a m m i n go ft h ed e s i g na r ec o m p l e t e d u s em e n t o rg r a p h i c sm o d e l s i mt op e r f o r m f u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n dd y n a m i cs i m u l a t i o nw i t l lt i m i n g s i m i l a r l y , u s es y n p l i c i t y s y n p l i f yp r o8 1 t op e r f o r ml o g i cs y n t h e s i sa n ds t a i et i m i n ga n a l y s i s c o n s i d e r i n gt h e d e s i g ns c a l e ，p e r f o r m a n c ea n dp r i c eo fd i v e r s i f i e df p g ad e v i c e s ，x i l i n xs p a r t a n - 3 e s e r i e sf p g ad e v i c ex c 3 s 5 0 0 e - 4 f g 3 2 0 ci sc h o s e nf o ri m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l e d e s i g n a f t e rd o w n l o a d i n g t h ec r e a t e dp r o g r a m m i n gf i l ei n t of p g ae 2 p r o m ，t h ee o s c h i pi sd e b u g g e di nx i l i n xs p a r t a n - 3 es t a r t e rk i tb o a r de n v i r o n m e n t ，t h ep e r f o r m a n c e t e s t i n go f t h i se o s c h i pi sc a r r i e dt h r o u g h t h e n t h em a i nm e r i t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ：af e a s i b l ed e s i g ns c h e m eo fe t h e r n e t o v e rs d h c h i pi ss u b m i t t e di nd e t a i l ag o o dm a n yo fd i f f i c u l t i e si ne o sc h i pd e s i g n ， s u c ha sp a r a l l e ls c r a m b l e r , p a r a l l e ld e s c r a m b l e r , g f pe n c a p s u l a t i n ga n dd e c a p s u l a t i n g c i r c u i t ，s u p e r b l o c kg e n e r a t i o na n di n t e r p r e t a t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d o w i n gt ot h ea u t h o r so w nb a t t l e a d d i t i o n a l l y , t w ot y p e so fb o a r d l e v e ld e b u g g i n g m e t h o da r ep u tf o r w a r di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：e o s ，s d h ，g f p , v c a t l c a s ，f p g a 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 随着社会的进步和i n t e r a c t 技术的发展，数据业务流量迅速增长，高速专线互 连、数据中心互连、宽带虚拟专网( p n ) 、视频点播和电子商务等新兴业务不断 涌现。目前，虽然从业务收入上来讲数据业务还不及语音业务，但就业务量而言， 数据业务的已经超过了语音业务，成为电信市场的主体之一。电信运营商通过多 种途径来提供数据业务的传输，各种新技术和组网方式层出不穷。 作为口业务主要载体的以太网具有简单高效、价格低廉和扩展性好等优势， 近年来取得了突飞猛进的发展。在局域网的建设中，有8 0 以上采用的是以太网 技术。但是，以太网覆盖面积小，远距离连接还需追加巨额投资，对t d m 业务和 q o s 支持能力弱，安全性保护能力差，无法提供故障定位和性能监视手段，达不 到作为公用电信网的可靠性要求。而当今通信网的主干网络s d h 数字传输网具有 映射方式灵活、开销字节丰富、运行安全稳定、自愈和恢复能力强等优点，成为 以太网数据远距离传输的必然选择。但是传统的s d h 技术是针对语音业务制定的， 在传输带宽可变的数据业务时显得力不从心。 为了实现数据业务的高效传输，同时保证对传统t d m 业务的支持，现阶段比 较可行的方案是采取多技术集成，在s d h 技术上增加对以太网数据业务的支持能 力，从而结合以太网技术和s d h 技术的各自优点k 1 。在此背景下，e o s ( e t h e r n e t o v e rs d h ) 技术应运而生。 e o s 技术不是现有以太网技术和s d h 技术的简单堆积，而是在这些技术基础 上的创新，在提供多业务传输能力的同时，提高了网络带宽的利用率和带宽调整 的灵活性。从成本上来说，e o s 技术最大限度的利用了现有的s d h 电信传输网， 避免了因建设新网络而追加的巨额投资；从安全性上来说，e o s 技术继承了s d h 传输技术的高安全性，同时提供了远程维护管理功能；从传输效率上来说，e o s 技术集合了g f p 技术、虚级联技术和l c a s 技术的各自优点，提高了封装效率和 网络带宽的利用率，增强了传输带宽配置的灵活性。 e o s 技术涉及多层电信和网络协议，对设备的工作频率、集成度和可靠性要 求较高，因此e o s 设备的设计难度比较大。目前，国内厂商的e o s 设备的关键核 心芯片多数依赖于进口，不但价格昂贵，而且不一定完全适用，往往需要再增加 外围电路加以完善。因此，e o s 芯片的自行研发，对于打破国外价格垄断和提高 我国在通信领域的竞争能力都具有十分重要的意义。 1 2 课题的提出 随着市场需求的扩大和集成电路制造技术的发展，各大电信设备供应商针对 不同的应用需求，不断推出e o s 技术相关芯片。微电子技术的迅速发展，使得原 山东大学硕士学位论文 先由多个i c 组成的电子系统有可能集成在单个芯片上，构成片上系统( s o c ，s y s t e m o nac h i p ) 。s o c 将信号的采集、处理和输出等部分集成在一起，构成一个具有某 种应用目的的电子系统芯片。，显著提高了系统的可靠性、缩小了设备体积、降 低了生产成本，从而提高了产品的市场竞争力。而目前许多厂商推出的e o s 产品， 是将不同公司的以太网映射解映射芯片、s d h 复用解复用芯片和s d h 开销生成 处理芯片等多个i c 组合为一个系统，调试和升级困难、产品成本高、开发周期长。 鉴于此，本文基于对e o s 技术的研究与分析，提出了一种e o s 芯片的设计与 调试方案，并对其进行了f p g a 验证。该e o s 芯片集成了以太网接口、以太网业 务映射解映射和s d h 虚级联处理等功能，支持以太网数据业务和传统p d h s d h 业务的传输，主要面向城域网和专用网市场，提供8 路1 0 0 m b s 以太网接口、1 路 1 0 0 0 m b s 以太网接口和4 1 路e 1 接口，支持1 5 5 m b s 的标准s d h 电信总线。 设计中，严格遵守r r u t 的相关建议，提高了芯片的横向兼容性，保证该e o s 芯片能与其他厂家的相关芯片互通；同时，注重系统的可扩展性( 纵向兼容性) ， 以便于逐渐完善、升级该e o s 芯片。 1 3 论文的内容安排 本文基于对e o s 技术的分析，完整地介绍了e o s 芯片的设计、实现与调试， 并给出了测试结果，具体内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了e o s 芯片产生的技术背景、研发意义及其国内外 研究现状。 第二章概述了e o s 技术，分析了e o s 芯片涉及的关键技术，主要包括以太网 技术、s d h 技术、虚级联技术、链路容量调整机制技术和通用成帧规程技术。 第三章给出了e o s 芯片的功能模型、总体设计方案和设计流程，按照自顶向 下的设计方法，对e o s 芯片进行了功能定义和模块划分。 第四章介绍了e o s 芯片中1 0 0 m b s 以太网业务映射解映射部分的设计，详细 地阐述了并行c r c 、并行扰码解扰码、1 0 0 m b s 以太网接口、g f p 封装解封装、 低阶虚级联处理和c p u 接口等模块的设计方案，并给出了时序仿真结果。 第五章详细介绍了1 0 0 0 m b s 以太网业务映射解映射部分中1 0 0 0 m b s 以太网 接口、超级块生成解释以及高阶虚级联处理等模块的设计与时序仿真结果。 第六章给出了e o s 芯片的f p g a 实现、板级调试方案和测试结果，并讨论了 芯片的f p g a 实现中亚稳态问题的产生与处理。 结束语部分对整个工作进行了总结，并提出了需要进一步解决的问题。 4 山东大学硕士学位论文 第二章e o s 技术综述 2 1e o s 技术定位 e o s 技术通过对现有s d h 技术的功能扩充，将数据业务以v c 虚级联等方式 映射进不同的s d h 时隙，从而实现了一个p 数据包多交换广域网，支持数据业务 和语音业务的混合传输。e o s 技术将以太网二层甚至三层的交换灵活性与现有 s d h 网络的大容量、高速率和低成本等优势相结合，提高了网络的可扩展性和可 靠性。在提供了诸如虚拟专网( v p n ) 和视频点播等增值服务的同时，避免了因 提供新业务而再去建设新网络的大量重复投资。 通过在以太网设备( 网桥、交换机、路由器等) 与s d h 设备( 分插复用器等) 之间增加一个e o s 芯片来构成e o s 技术的网络环境，如图2 1 。 图2 1e o s 网络环境( 单客户) 对于1 0 0 m b s 以太网业务的传输，要求以太网设备支持二层交换功能，多个 以太网物理接口可复用成一路以太网业务端口；而对于1 0 0 0 m b s 以太网业务， 为了降低传输延时，以太网数据不经过二层交换就封装映射入s d h 通道，实现 1 0 0 0 m b s 以太网业务的透明传输。e o s 芯片可以看成是对s d h 设备的功能扩展， 主要完成以太网数据的封装解封装、映射解映射和虚级联处理，同时支持传统 p d h s d h 业务的接入和恢复，从而实现了数据业务和语音业务的混合传输。s d h 设备主要完成s d h 净负荷和通道开销( p o h ) 字节的映射解映射、虚容器的交叉 连接以及复用段开销( m s o h ) 和再生段开销( r s o h ) 的生成与处理。物理层通 过s d h 通道组成环形拓扑，以太网各业务端口共享s d h 通道带宽。在这种方式 下，不需要为以太网业务端口之间进行s d h 通道的点对点配置，而是为每个以太 网业务端口配置唯一的端口号( c h a n n e li d ) ，共享同一个s d h 通道带宽，每个 s d h 节点只需要在左右两个方向上完成以太网帧与s d h 帧的映射解映射，从而 实现以太网数据的点到多点的传输。 目前，有三种链路层适配协议可以完成以太网业务数据的封装，分别是点到 点高级数据链路控制协议( p p p h d l c ) 、基于s d h 的链路接入规程( l a p s ) 和 通用成帧规程( g f p ) 。通过对上述三种封装协议的比较，采用g f p 进行以太网数 山东大学硕士学位论文 据的封装。由此，可以描述出e o s 技术的协议栈模型，如图2 - 2 。该协议栈模型 中，数据链路层包括l l c 、m a c 和g f p 三个子层，物理层为s d h 传输网制。 应用层 表示层 会话层 传输层 ， ， ， ， 网络层 ， ， ， 数据链路层 ， ， 物理层 i p v 钔p v 6 l l c m a c g f p s d h c w d m ，d w d m 光纤 图2 - 2e o s 技术协议栈模型 2 2e o s 芯片涉及的关键技术 2 2 1 以太网技术 2 2 1 1 以太网技术的发展 2 0 世纪7 0 年代，哈佛大学的r 0 b e r tm e t c a l f 首先提出了以太网的概念，并在 美国施乐公司帕洛阿尔托研究中心( p a r c ) 的a l t o 计算机中进行了实际测试， 建立了第一个以太网，称为a l t oa l o h a 系统“。以太网概念的提出和应用的成 功引起了许多公司和研究人员的关注，开始了对以太网规范进行标准化的工作。 1 9 8 0 年，美国d e c 公司、i n t e l 公司和x e r o x 公司发布了以太网版本l 规范， 描述了如何在同轴电缆上使用基带传输实现1 0 m b s 以太网，又于1 9 8 2 年发布了 经过改进的以太网版本2 ，也称为d i x 以太网。与此同时，i e e e 建立了8 0 2 委员 会，研究和制定局域网及城域网标准，并于1 9 8 1 年制定了i e e e8 0 2 3 以太网标准， 该标准随后被美国国家标准学会( a n s i ) 和国际标准化组织( i s o ) 采纳。d i x 帧格式与早期的8 0 2 3 帧格式基本相同，只是在帧头中两字节字段的使用上有所差 异，所幸在1 9 9 8 年的以太网标准更新版中，i e e e8 0 2 3 委员会把d i x 帧格式收编 为一种可接受的方式，d i x 帧格式成为以太网正式标准的一部分。 标准化极大的促进了以太网技术的发展，先后出现了许多类型的以太网。不 同类型的以太网拥有各自不同的传输速率、传输介质、传输距离和拓扑结构。根 据传输速率，当今的以太网主要有1 0 m b s 、1 0 0 m b s 、1 0 0 0 m b s 几种。早期的1 0 m b s 以太网主要以同轴电缆作为传输介质，其中应用比较广泛的是粗缆基带 ( 1 0 b a s e 5 ) 以太网和细缆基带( 1 0 b a s e 2 ) 以太网。后来又出现了使用非屏蔽 双绞线( u t p ) 实现的1 0 m b s 以太网，主要有使用两对双绞线的1 0 b a s e t 和使 用四对双绞线的1 0 b a s e t 4 。1 0 0 m b s 以太网称为快速以太网，传输速率的提高 导致冲突域最大直径的减小，因此1 0 0 m b s 以太网中各站点间的最大距离必须缩 6 山东大学硕士学位论文 减。快速以太网可以运行在双绞线和光纤上，典型的应用有使用两对双绞线的 1 0 0 b a s e t x 和使用光纤介质的1 0 0 b a s e f x ，其信道编码均采用4 b 5 b 编码。 随着以太网技术的发展，如今1 0 0 0 m b s 以太网技术已经获得了成功的应用，主要 运行在光纤介质上，信道编码采用8 b 1 0 b 编码。 2 2 1 2 以太网m a c 参数和帧格式 早期的以太网l a n 运行在同轴电缆上，并使用基带信号，任何时刻只能有一 帧在基带同轴介质上传输。为此制定了载波多路访问冲突检测( c s m c d ) 协议 来实现介质访问控制。虽然以太网的传输介质早已经大量采用双绞线和光纤，支 持全双工操作而不再需要c s m a c d ，以太网的传输速率也大幅提高，但是针对早 期以太网制定的以太网m a c 参数却沿用至今，这在极大程度上支持了后向兼容。 当需要提高网络性能时，可以在保持原有网段稳定运行的基础上升级或添加基于 更新技术的网段。 使用c s m a c d 协议访问介质时，站点时刻侦听介质，在介质空闲时间超过 帧间隙后才可以发送帧，同时继续侦听以检测是否存在引起其信号混淆的的并发 传输。如果检测到冲突，继续发送一组拥挤位以保证其他站点都能发现冲突。卷 入冲突的站点等待一个称为时隙的时间后重新发送，如果重发帧再次遇到冲突， 则等待时间加倍。这种加倍一直持续到第x 个冲突，将x 称为退却限制，站点在 放弃发送前尝试发送的最大次数称为尝试限制，这种等待发送随机长时间的计算 方法称为缩短二进制指数退却算法h 1 。1 0 m b s 、1 0 0 m b s 和1 0 0 0 m b s 以太网的主 要m a c 参数如表2 1 。 表2 - 1 以太网主要m a c 参数 参数1 0 m b s 以太网1 0 0 m b s 以太网1 0 0 0 m b s 以太网 帧间隙 1 2 字节时间1 2 字节时间1 2 字节时间 时隙6 4 字节时间6 4 字节时间5 1 2 字节时间 退却限制1 0 1 0l o 尝试限制 1 61 61 6 拥挤位4 字节4 字节4 字节 最大帧长度 1 5 1 8 字节1 5 1 8 字节1 5 1 8 字节 ( 不含v l a n 头) 最小帧长度 6 4 字节6 4 字节6 4 字节 需要注意的是，实际中的1 0 0 0 m b s 以太网都是以全双工方式工作的，如果在 1 0 0 0 m b s 以太网中使用c s m a c d ，6 4 字节的帧长度不足以保证在冲突域内检测 到冲突，因此需要在帧尾部添加扩展字节以保证帧长度达到5 1 2 字节。然后，传 输4 4 8 个扩展字节会导致带宽的浪费，同时考虑到在大数据量的业务传输中需要 传输许多最大尺寸的帧，为了提高传输效率，1 0 0 0 m b s 以太网支持长度可达9 0 1 8 个字节的特大帧。 7 山东大学硕士学位论文 如图2 3 ，m a c 帧包括1 4 字节的m a c 帧头、信息字段和帧校验序列三个部 分。m a c 帧头包括目的m a c 地址、源m a c 地址和类型长度字段。在d i x 帧中， 类型长度字段表示该帧携带的协议数据类型；在8 0 2 3 帧中，该字段表示信息字 段的长度。发送m a c 帧之前先发送7 个字节的前导字段( p r e a m b l e ) 和1 个字节 帧起始定界符( s f d ，s t a r tf r a m ed e l i m i t e r ) 。其中，前导字段用于时钟同步，而 帧起始定界符用于引出一个新帧。 前导字段( 7 字节) 1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 帧起始定界符 1 0 1 0 1 0 l l m a c 帧头( 1 4 字节) 信息 ( 最大1 5 0 0 字节) 填充字节( 需要时) 帧校验序列( 4 字节) 图2 - 3m a c 帧格式 2 2 2 同步数字体系( s d h ) 技术 2 2 2 1s d h 技术的产生与发展 在s d h 出现以前，广泛使用的数字复接技术是准同步数字体系( p d h ) 旧。， 但光纤通信技术的发展和电信新业务的不断涌现对传输网的可靠性和灵活性提出 了更高的要求，p d h 逐渐暴露出其固有的缺陷。为此，美国贝尔通信研究所提出 了一套分等级的传输网技术光同步网( s o n e t ) 。1 9 8 8 年国际电报电话咨询委员 会( c c r r t ) 接受了s o n e t 的概念并将其更名为同步数字体系( s d h ，s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ) 。s d h 传输网由大容量光纤连接的分插复用设备( a d m ) 和数 字交叉连接设备( d x c ) 组成，具有高度的灵活性和网络自愈能力。相比p d h ， s d h 的优势体现在以下几个方面： ( 1 ) 标准化的接口 s d h 体制对网络节点接口( n n i ) 进行了统一规范，规范内容包括数字信号 速率等级、帧结构、复用方式、线路接口和监控管理等。线路接口( 光接口) 采 用世界统一的标准规范，线路编码仅对信号进行扰码，不进行冗余码的插入。接 口的标准化使得s d h 设备容易实现多厂家互连。 ( 2 ) 简单的复接、分接方式 低速s d h 信号以字节间插的方式复用进高速s d h 信号的帧结构中，低速信 竺兰m竺竺搠 釜一 薰 山东大学硕士学位论文 号在高速信号中的位置是固定的、有规律性的，从而可以直接从高速信号中分接 出低速支路信号，节省了大量的复接分接设备，减少了信号损伤。 ( 3 ) 丰富的运行、管理和维护( o a m ) 开销字节 s d h 信号中提供了丰富的用于运行、管理和维护的开销字节，加强了网络监 控功能，降低了通信设备的维护费用，同时增强了网络自愈和业务恢复能力。 ( 4 ) 兼容性强 s d h 技术具有很强的前向兼容性和后向兼容性。克服了p d h 技术诸多缺陷的 同时，保证了与原有大量p d h 网络的兼容。s d h 传输网还可以用来传输a t m 、 f d d i 等其他体制的数字信号业务。 随着数据业务量的快速增长，电信网已经从原来单一的电话网发展成为集数 据业务和语音业务为一体的综合性信息网。而作为主干通信网的s d h 传输网是针 对语音和电路交换业务设计的，对于突发性数据业务的传输效率不高。面对挑战， s d h 技术展示了顽强的生命力。虚级联技术的出现丰富了s d h 的接口类型，很好 的解决了带宽适配问题，而g f p 技术的应用极大的提高了封装效率。同时，使用 l c a s 技术可以在不中断业务的情况下对已分配带宽进行调整，从而进一步提高了 传输效率。新一代的s d h 技术与其他技术相融合，增加了多种协议数据透明传送、 细颗粒度映射和带宽管理功能，必将具有更为广阔的应用前景。 2 2 2 2s d h n 的帧结构 i t u tg 7 0 7 建议中规定s t m - n 是以字节为单位的矩形块状帧，按照从左至 右、从上至下的顺序发送。n 的取值为l 、4 、1 6 、6 4 、，表示该帧由n 个s t m 1 帧通过字节间插复用而成。对于各种等级的s d h 帧，帧周期均为1 2 5 u s 。帧周 期的恒定，使得从高速s d h 信号中直接分接出低速支路信号成为可能。如图2 - 4 ， s t m - n 的帧结构中包括段开销( s o h ) 、信息净负荷( p a y l o a d ) 和管理单元指针 ( a u p t r ) 三个部分。 9 r s o h a u p t r p a y l o a d m s o h 一 2 7 0 x n 7 - 图2 - 4s d hs t m - n 帧格式 段开销是用作网络运行、管理和维护( o a m ) 的开销字节，包括再生段开销 ( r s o h ) 和复用段开销( m s o h ) 。再生段开销监控s t m - n 整体的传输性能，而 复用段开销监控的是s t m - n 中每个基本传输单元s t m 1 的传输性能。信息净负 9 山东大学硕士学位论文 荷中存放该s t m - n 帧传送的信息字节。s d h 支持指针调整技术，信息净负荷在 s t m n 中的相对位置是可以浮动的。管理单元指针位于s t m n 帧第四行的第一 列到第9 x n 列，共9 x n 个字节，用来指示信息净负荷的第一个字节在s t m - n 帧中的位置，接收端据此正确地提取出信息净负荷州。 2 2 3 虚级联( v c a t ) 技术 不同类型的数据业务对传输带宽的要求是不同的，即使是同一数据业务，其 所需传输带宽也可能随时问而变化，这就要求传输网可以动态调整传输通道的容 量，以提高带宽的利用率。s d h 中虚容器的容量都是固定的，不适合直接用来传 输数据业务。为此，i t u tg 7 0 7 建议定义了相邻级联( c o n t i g u o u sc o n c a t e n a t i o n ) 和虚级联( v i r t u a lc o n c a t e n a t i o n ) 技术。虚容器相邻级联和虚级联技术为s d h 传 输网提供了一种更加灵活的通道容量组织方式，通过将若干个虚容器相级联，可 以提供不同大小的通道带宽，从而能够更好地适配可变带宽的数据业务，提高通 道带宽的利用率。 2 2 3 1 相邻级联与虚级联技术原理 相邻级联和虚级联是s d h 的重要特性之一，在s d h 网络中传输容量大于单 个虚容器容量的业务时所采用的方法就是级联。级联是一种组合过程，通过把 多个虚容器组合起来，使得这些经过组合的虚容器可以作为一个仍然保持比特序 列完整性的单个容器来使用。容器v c n 的级联就是将若干个v c - n 的容量组合在 一起，形成一个较大的容器，以此来传输大于v c n 容量的业务信号。 相邻级联和虚级联的工作方式不同。对于高阶虚容器v c - 4 ，相邻级联是将同 一个s t m - n 中相邻的v c - 4 级联成为v c - 4 x c ，作为一个整体通道来传输业务信 号；而虚级联是将同一个s t m - n 中相邻不相邻的v c - 4 或者是分布在不同s t m n 中的v c 一4 级联在一起，形成一个逻辑上连续的v c - 4 x v 通道来传输业务信号， 各v c 4 可能通过同一路由，也可能通过不同路由在线路上传输。类似的，对于低 阶虚容器v c 1 2 ，相邻级联是将同一个s t m 1 中相邻的v c 一1 2 级联成为一个 v c 1 2 x c 来传输业务信号，而虚级联是将同一个s t m 1 中相邻不相邻的v c 1 2 或者是分布在不同s t m 1 中的v c 1 2 级联成一个逻辑上连续的v c 1 2 x v 来传输 业务信号。相比相邻级联，虚级联的通道容量配置方式更灵活，更有利于提高传 输带宽的利用率。 采用低阶虚容器级联可以得到小颗粒的带宽调节，通道带宽的浪费少，但是 级联后得到的最大传输带宽也较小u “。v c 1 2 x v 的带宽调整粒度为2 0 4 8 m b i t s ， 级联所得的最大传输带宽为2 0 4 8 m b i t s x 6 4 = 1 3 1 0 7 2 m b i t s 。相反，采用高阶虚 容器级联得到的带宽调整粒度和可能造成的带宽浪费较大，但其支持的最大传输 带宽也比较大，适合应用于1 0 0 0 m b s 以太网等高速率业务信号的传输。 由于虚级联中每个v c 1 1 的传输路径有可能不同，各v c n 之间可能出现传输 l o 山东大学硕士学位论文 时延差。在极端情况下，可能出现序列号偏后的v c 1 1 比序列号偏前的v c - n 先到 达接收端的情况，给客户业务信号的恢复带来困难。先要在接收端对分接出的支 路信号进行重新排序，才能恢复出原始的业务信号。 相邻级联和虚级联的另一个重要区别是对于传输网设备要求的不同。相邻级 联要求传输通道上的所有节点都要支持相邻级联功能，而虚级联只要求源节点和 目的节点具有虚级联处理功能即可，中间节点不需要支持虚级联处理功能。 在交叉连接设备中，还不可避免地会出现相邻级联与虚级联互通的应用需求。 也就是说，有时j 下在传送的v c n x c 需要变成v c n x v 才能继续传送，反之，有 时正在传送的v c 。n x v 需要变成v c n x c 才能继续传送u “。所以v c n 的相邻级 联和虚级联必须能够相互转换，才能实现它们之间的互通。 2 2 3 2 虚级联技术的优势 虚级联的最大优势在于它可以拆分整个传输带宽，将业务信号分装在独立的 虚容器中通过s d h 网络传输，在目的节点再重新合成相邻带宽以重组大容量业务 信号。针对不同的传输带宽需求，采用虚级联技术可以灵活的配置通道带宽，以 很小的颗粒度来为数据业务提供大小合适的传输通道，减少了带宽的浪费。虚级 联中每个v c n 的传输路径是各自独立的，如果物理链路有一个传输路径意外中 断，其他路径中v c n 的传输将不会受到影响，只要能使用其他正常路径继续传输 故障路径对应的v c - n ，该业务信号的传输便可以完全恢复，从而显著增强了传输 网的可靠性和生存能力。同时，v c - n 的多路径传输有助于s d h 传输网节点的负 载均衡，使业务流量可以充分利用光纤环网上的空余带宽，消除带宽瓶颈，缓解 传输拥塞。 虚级联技术的另一个优势是对s d h 设备要求低，只要求源节点和目的节点具 有虚级联处理功能，因而采用虚级联技术可以大大简化对现有s d h 网络设备改造 的复杂性。通过将相邻级联业务转换成为虚级联业务，可以实现相邻级联业务在 现有s d h 设备上的传输“。 2 2 4 链路容量调整机制( l c a s ) 技术 虚级联技术极大的提高了s d h 对数据业务的承载效率，但是数据业务所需的 传输带宽具有时变性，为了保证传输的可靠性，需要根据业务信号的峰值流量来 配置虚级联中v c _ n 的个数。但是，实际业务信号流量低于峰值流量时，就会产生 可观的带宽浪费。另外，如果虚级联中某个v c - n 对应的传输路径发生中断，目的 节点将无法接收到所有的支路信号，从而可能导致整个业务信号传输的失效。为 此，r r u t ( 2 7 0 4 2 “中定义了链路容量调整机制( l c a s ，l i n kc a p a c i t y a d j u s t m e n t s c h e m e ) 技术。在l c a s 技术的支持下，s d h 传输网可以在不中断业务的情况下 实现链路容量的动态调节。另外，l c a s 技术还提供了一种容错机制来处理发生故 障的虚级联传输路径，增强了s d h 传输网的健壮性。 山东大学硕士学位论文 2 2 4 il c a s 技术原理 l c a s 技术是一种建立在虚级联技术基础上的调节机制，通过动态地增加或者 减少虚级联中v c n 的个数来调整传输带宽。同时l c a s 还具有自动清除故障虚级 联传输路径并增加正常传输路径的功能。因此，l c a s 技术可以被看作是对虚级联 技术的功能扩展，进一步提高了带宽利用率和业务传输的可靠性。 l c a s 实际上是一个双向协议，在传输业务信号的同时，虚级联链路收发两 端实时地交换控制信息，以保证链路容量调整过程中源端和宿端的容量变化保持 同步。l c a s 定义了一个控制分组来携带这些控制信息。控制分组描述了虚级联的 链路状态，保证链路容量发生变化时链路的收发两端能够及时动作以保持同步。 与虚级联技术相类似，l c a s 也是通过定义s d h 帧结构中的空闲开销字段来实现 的，但l c a s 技术是在虚级联技术的基础上实现更为复杂的控制功能，因此需要 占用更多的s d h 开销字段。对应于高阶虚级联和低阶虚级联，l c a s 分别使用高 阶虚容器通道开销的h 4 字节和低阶虚容器通道开销的k 4 字节。相对于虚级联技 术，l c a s 除了定义了复帧指示( m f i ) 和序列号( s q ) 之外还定义了其他5 个字 段，以携带链路容量调整控制信息u 。 低阶虚级联对应的l c a s 控制分组由同一通道中到达的3 2 个v c 1 2 复帧中 的k 4 字节的b i t2 ( “ ) 构成，共4 个字节，如图2 5 。 1s6111 21 51 61 72 02 12 22 9 3 03 2 组标识重排序确认 图2 5 低阶虚级联中l c a s 控制分组k 4 复帧结构 l c a s 控制分组的前1 1 个比特分别用作复帧指示( 5 个比特) 和序列指示( 6 个比特) ，该部分的定义与虚级联中的定义相同。复帧指示用作帧计数，使用3 2 个v c 1 2 复帧传输一个控制分组，每发送一个控制分组，m f i 值递增l 。每个