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_网络工程课题论文论文题目：sonet/sdh环：环带宽设计学院： 理 专业： 网络工程 班级： 08（1） 姓名： 杜学德 学号： 1887080106 sonet/sdh环：环带宽设计摘要 本文主要阐述了Ethernet over SONET/SDH系统的原理，在以太网与SONET/SDH融合中用到的主要技术LAPS、GFP,及sdh帧格式的原理的内容。 关键字：sonetsdh技术 sdh帧格式 sdh网元 拓扑目 录引言 4 1 、SONET/SDH技术的产生 42 、SONET/SDH帧格式 53 、 SDH网元 54 、SONET/SDH拓扑 6 5 、SONET/SDH体系结构 7 6 、SONET/SDH级联 97 、SONET/SDH链路容量调整 108 、GFP通用成帧程序 119 、SONET/SDH保护结构 12结论 17参考文献 引 言SONET是同步光纤网络的缩写，最初是在20世纪80年代由Bellcore提出的,第一批光网络从那之后开始出现。现在是一个ANSI的光纤传输系统标准。SONET定义接口的标准位于OSI七层模型结构的物理层，这个标准定义了接口速率的层次，并且允许数据以多种不同的速率进行多路复用。ITU改编SONET成SDH,后者变成了建造光通信网络的世界标准。SONET现在被认为是SDH的子集,但是术语“SONET/SDH”在北美很通用。由于SONET/SDH,面向铜线的数字体系延伸入光领域,尽管该体系是基于OC(光载波)的。 SONET/SDH核心将ATM信元映射成SONET或SDH帧格式传输到目的端，在数据接收时再提取为ATM信元。因为信元长度短而且固定，因此在每个网络节点交换时的延迟非常小。SONET的基本组成块结构为STS-151.84Mb/s信号，适合于装载1路DS-3信号。SONET体系达到STS-48，即48路STS-1信号，能够传输32256路语音信号，容量为2488 .32Mb/s,其中STS表示电信号接口，相应的光信号标准表示为OC-1、OC-2等。1 SONET/SDH技术的产生 SDH 是目前世界各国采用的最主要的传输技术，SDH 是针对准同步数字体系(Plesiochronous Digital Hierarchy,PDH)的一些缺陷而发展来的。在 PDH 体系中，由于存在相互独立的两大类或三种地区性标准，导致国际互通难以实现。 PDH体系由于主要是点对点连接的传输系统，缺乏网络拓扑的灵活性，同时也没有规范系统/网络自愈功能。同时仅有 1.544Mbit/s 和 2.048Mbit/s 的基群信号采用同步复用，其余高速等级信号都采用异步服用，这样需要逐级码速调整来实现复用和解复用。增加了设备的复杂性，使信号产生损伤。同时PDH体系中没有安排运用于网络运行管理和维护等开销比特。 美国Bell通信研究所针对PDH不足，提出了同步光网络(Synchronous Optical Network,SONET)的结构，后将SONET修订后成为同步数字体(SynchronousdigitalHierarchy,SDH). SONET和SDH之间有一些细微差别，主要是在基本的SDH和SONET帧格式中， SDH和SONET在STS-3信号等级以上本质相同。基本信号中SONET为STS-1而SDH为STM-12 SONET/SDH帧格式 STS-1为SONET的基本信号速率， SONET采用 125 微秒的帧长或帧速率 8000Hz 的帧速率。右图为STS-1的帧结构： 每个帧有 9 行 x90 列的八位组或字节，形成每帧总共 810 字节，这给 SONET 一个51.840Mbit/s 基的传输速率， 810总字节中有 27 个字节的专用开销，前 3 列构成传输开销，其中 9 字节用作段开销，18 字节用作线路开销，第 4 到 90 列包含同步净荷包(SPE)。其中有 STS-1路径开销，因为前 3 列式开销，实际数据速率为 50.112Mbit/s，而不是 51.840Mbit/s， 。更高线路速率可以通过同步服用较低线路速率来获得，有效重复次数为 1,3,12,48,192 STM-1是SDH 的基本信号速率，下图显示了STM-1帧结构：SDH也使用125微秒的帧长或帧速率 8000Hz 的帧速率。STM-1 帧由开销和一个虚容器(Virtual Container, VC)容量组成，每帧9 行x270 列的八位组或字节，建立每帧共2430字节，有81字节的专用段开销，前9列构成段开销，第 10 到 270 列构成 VC。VC 加上指针 H1，H2，H3 字节被称为管理单元(AU). 承载在 VC 容量中的是路径开销和容器， VC容量有自己的9行261列的帧结构，第一列为路径开销，净荷容器紧随其后， STM以连续字节方式传输，一行接一行，类似STS帧，它在传输之前立即拼接一确保下一行再生器有足够的时钟速率内容。再生器通过将线路分解成多段来扩展线路的最大距离和质量。3 SDH网元 SDH 是由一些基本网络单元(NE)组成，在光纤上可以进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络。SDH有 4种标准网元。 TM终端复用器 在线形网的端站，把PDH / SDH 支路信号复用成SDH线路信号，或反之。ADM分插复用器 ADM是一种特殊的复用器， 它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发， 一部分支路信号卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转发部分和本地支路信号的上送的部分合成输出REG 再生器 再生器设在中心局段，用于延长传输距离，和电缆中的中继器类似DXC 数字交叉连接设备：DXC 类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。同时兼有同步复用、分插、交叉连接、网络的自动恢复与保护等多项功能的SDH 设备。4 SONET/SDH拓扑 SONET/SDH可以由如上网元构成多种拓扑结构： 线形结构DM TM DM TM M M MT MT M5 SONET/SDH体系结构 SONET/SDH体系结构标示了3个不同的层，每一层都分别对应于SONET/SDH设备之间的一个通信级别。这些层从低到高依次为： 中继站段，称段层 多路复用段，称线路层路径层每一层都有自己的开销(报头)。SONET/SDH 帧的传输开销(TOH)主要有2部分，包括段开销(SOH)和线路开销(LOH).另外，指针表明整个帧的净荷中 SPE/虚拟容器的开始。 SPE/虚拟容器本身由 POH 和净荷组成，该净荷可以进一步细分为子元素， 或者多路复用结构， SONET高位和低位多路复用结构如下SDH高位多路复用结构如下图：SDH低位多路复用结构如下图：6 SONET/SDH级联 要以超出基本 STS-1/STM-1 信令的速度传输辅助信令，SPE/VC 可以进行级连。这种情况下，它们彼此之间的关系是实时固定的， 并且它们作为单个连接管道。级连包括连续标准级连和虚级级连。 连续标准SONET级连允许M STS-1信令在一个STS-N信令中串联，其中M=N,并且M=3,12,48,192,768.位数为4。这些M STS-1 的SPE可以进行级连，形成一个STS-Mc(其中C 代表Concatenated). 虚级连接(VCAT)是一种在 SONET/SDH 环上提高 TDM 带宽效率的措施，对于标准 SONET/SDH 级连，他们管道划分很粗略。不能适应实际带宽的需求。利用VCAT可以将许多较小的管道级连在一起，这些小管道可以组合在一起，形成一条更大的管道，以便每秒承载更多数据，虚级连在 SONET/SDH层(L1)上实现，这意味着每条不同的电路都捆绑在一起，对于网络上层表现为一条物理管道。虚级连使 nxSTS/STM 或nxVT/VC分组的一实现。 STM-256 OC-768/STS-768 39813.12如上表所示，虚级连在实现以太网在 SONET/SDH 传输(EOS)上，极大地节省了带宽。EOS 和 VCAT 仅在 SONET/SDH 基础设施的入口和出口实现。由于中间连路会引起差异延迟，接收端通常会有一个缓冲队列来对差异延迟进行补偿。7 SONET/SDH链路容量调整 链路容量调整方案(Link Capacity Adjustment Scheme,LCAS)可以不中断数据流调整网络带宽,旧的SDH/SONET 网络中调整用户带宽是一件相当繁琐的工作，需要网络提供足够大的备用带宽，在配置过程中要同时传送新的和旧的用户数据流，从而保证数据流的连续与完整. 在ITU-T G.7042 中定义了LCAS协议，这是一种在虚级联技术基础上的调节机制,技术仅仅规定了可以把不同的虚容器级联起来，但现实中数据流的带宽是实时变化的，如何在不中断数据流的情况下动态调整虚级联的个数就是LCAS 所涵盖的内容作为一种链路容量控制机制，LCAS通过增减虚级联组中级联的虚容器个数来调节净负载容量，在不影响当前数据流的情况下重新分配带宽，满足用户变化的带宽需求.除了具有在服务(in service)动态调整网络带宽的能力之外，LCAS 还提供以下功能： 1. 无需丢弃整个 VCG就可动态替换 VCG中失效的成员虚容器； 2. 允许单向控制 VCG容量，支持非对称带宽； 3. 支持 LCAS 功能的收发设备可与旧的不支持 LCAS 功能的收发设备直接互连； 4. 支持多种用户服务等级，通过虚级连技术和 LCAS 技术相结合，现有的 SDH 网络完全可以实现高效的数据业务传输，并随用户需求在服务动态调整线路带宽 LCAS对于容错和故障保护也很有用。因为该协议具有从VCG清除故障链路的能力，由于数据流在虚级联组中的从属终端上是八位字节的带状流。因此在某一从属终端出现错误而没有这样一种机制的情况下，整个数据流会在从属终端出现错误期间也出现错误。LCAS 协议提供了一种检测错误从属终端并自动从组中清除错误终端的机制，VCG在带宽变小时会终止运行，但它仍继续传输没有错误的数据。 8 GFP通用成帧程序 GFP在ITU标准G.7041中定义，它提供的成帧机制支持了多种数据流量类型向SONET/SDH帧的直接映射，使得类似以太网和光纤通道的协议具有了在现有的SONET/SDH 基础设施上远距离传输的灵活性。 GFP 帧由三个主要组件组成：核心头、载荷头和载荷区。核心头和载荷头构成了 GFP 头，而载荷区表示客户数据服务流量。载荷头提供了所携带内容的载荷类型信息(以太网、光纤通道等等)，而核心头携带的是GFP帧自身的大小信息。这些组件共同构成GFP 帧，该帧可被映射到T-Carrier/PDH通道，并最终通过SONET/SDH网络得以传输。每个头都包含头错误更正(HEC)计算信息，允许更正单独的错误；也就是说，在核心头或载荷头中出现的任何错误都可通过 HEC 潜在地进行更正。这就创建了一种非常健壮的映射方案，它确保 GFP 帧在网络间传输时不会丢失客户流量。 ITU标准定义了两种类型的GFP帧：帧GFP(GFP-F)和透明GFP(GFP-T)。GFP-F支持可变长度的帧数据(即包含可变长度的数据包)。此时一个客户帧(如一个以太网帧)被直接映射到一个 GFP-F 帧中。这时，在系统中需要有一个媒体访问控制器(MAC)来端接第 2 层协议。例如在以太网中，一个以太网 MAC 负责去除前导位和帧分界符，校验CRC，并将以太网帧交给GFP 端点进行封装。GFP-T 支持固定数据包长度和传输块编码(block-coded)固定速度流(如 Fibre Channel，Ethernet，或ESCON/SBCON)。这种模式下生成的是封装了块编码数据的 GFP 帧，其中包括映射为 64B65B 块编码的客户协议8B/10B数据和控制(符号)。 透明映射协议不需要在传输前缓冲整个客户帧。相反，数据和控制符号都是按顺序处理的。八个8B/10B 符号(加上一个标志位)组合为一个64B/65B 块编码。这一块编码同时包括数据字符和控制字符。 然后，八个64B/65B 块代码被组合为一个超级块(65字节数据+CRC16)。多个超级块被组合为GFP净荷，其中每个帧中的超级块数量依赖于具体的协议(对于千兆以太网为 95，对于光纤通道为 13)。GFP-T不需要MAC功能，因为它对于所传输的协议实际上是透明的。到底是选择GFP-F还是选择GFP-T依赖于具体的应用和系统要求。GFP-F保证只传输实际数据，因此提供了更高的带宽效率；同时GFP-T则传输包括数据、帧代码、前导位以及闲置位在内的所有信息。 GFP-F 在系统中引入更大的延迟，因为在传输前必须先接收完整的帧。同时根据系统具体情况，这也意味着可能需要使用外部存储器。GFP-T 不需要传输完整的帧，因此可达到更小的系统延迟。实际应用中，长距离传输会引入时延(由于传输介质的延迟)，因此需要在客户适配层增加额外的功能来保证满足协议的时延要求。被称为“spoofing”(电子欺骗)的这一功能对于有些客户协议来说非常关键，例如光纤通道协议。因为这些协议对于传输时延有非常严格的要求。 9 SONET/SDH保护结构 SONET/SDH 可以利用预先安排好的备用容量去保护主用容量。SDH 网的保护可分为二大类：路径保护与子网连接保护。?.路径保护对业务信号的传送路径进行保护，它既可以在复用段层进行，也可以在通道层进行。 线路系统的复用段保护(MSP)分为两种模式，1+1 和1:N. 1+1模式STM-N信号被连接在工作通路与保护通路上，两通路皆传送业务信号；收端择优选用。1:N模式N个工作通路共用一个保护通路，保护通路可传额外业务线路系统的复用段保护倒换要使用APS协议，倒换要在50ms时间内完成。 在 SONET/SDH 帧格式中，可以使用 K1，K2 两个字段实现自动保护倒转(APS)功能。首先，B 站检测出工作通路故障后，利用上行保护光纤发出K1字节，K1 字节中包含故障通路编号数。 然后 A 站收到 K1 字节后，完成下行工作光纤到保护光纤的桥接，并利用下行保护光纤送出 K1、K2 字节，其中K1字节作为倒换要求， K2字节作为证实。 然后 B 站收到 K2 字节后，经过对通道编号的确认后进行下行工作光纤到下行保护光纤的桥接，同时根据K1 字节的要求进行上行工作光纤和保护光纤的桥接。之后，利用上行保护光纤送出 K2 字节。最后 A 站收到 K2字节后，完成上行工作光纤和保护光纤的桥接。APS 完成。 环网的复用段保护环可分为二纤环与四纤环。 二纤环：环网由二根光纤组成，根据业务传送方向又可分单向保护环与双向保护环。四纤环：环网由四根光纤组成，二根主用光纤与二根备用光纤，备用光纤为主用光纤提供反方向保护；备用光纤可传送额外业务。通道保护环 业务保护以通道为基础(通道信号质量优劣)，通道保护一般采用 1+1 方式。通道环一般由二纤组成，根据业务传送方向又可分单向通道环与双向通道环。通道环的保护一般不使用APS 协议，倒换时间小于30ms。双纤单向通道保护环：其中一根纤用于传送业务信号，另一根用于传输相同的信号进行保护。当光缆出现故障时(如上右图)，则在节点A 和B进行倒转 单向通道保护环的特点： 优点：实现简单，不需使用APS协议，倒换速度最快(A-D-C-B B节点：把BD 业务从S2通道交叉到P2通道，并使其沿顺时针方向传输：B-C-D 双纤双向复用段保护环特点 优点:时隙的重复使用，增大了环的传输容量(可达k/2XSTM-N)；可利用保护通道传送额外业务。 缺点:使用桥接与倒换技术，技术比较复杂。因为需要使用 APS 协议，倒换速度较慢。当环的传输路径小于1200 km时，其保护倒换时间小于50ms；当环网的传输路径很长时，保护倒换时间可能会高达100200ms。四纤双向复用段保护环 ：它由四根光纤组成，二根业务光纤传送正常业务。二根保护光纤分别为二根业务光纤提供反方向保护：如A、B间光缆被切断，在A、B点执行环回功能。 A节点：把DB 业务从业务光纤环1回到保护光纤环1，并沿逆时针方向传输：DADCB B节点：把BD 业务从业务光纤环2回到保护光纤2，并沿顺时针方向传输：BCDAD 四纤双向复用段保护环特点： 优点:时隙可以重复使用，增大了环的传输容量(可达STM-N)；可以利用保护光纤传送额外业务；可抗多节点失效。 缺点:因为需要使用APS协议，倒换速度慢。当环网的长度小于1200km时，其保护倒换时间小于 50ms；当环网的长度大于 1 200 时，其保护倒换时间可能会高达 100200ms。技术复杂，节点成本高。 四纤双向复用段保护环对同步复用设备提出了更高的要求：一是设备必须具有 4 个光线路接口；二是必须是双系统设计，即不仅要具有 2 个系统的容量，而且要具有更强的交叉连接能力。 在各种自愈环中，最常用的是二纤单向通道保护环与二纤双向复用段保护环。 通道保护环(单向或双向)采用“双发选收”的方式，不需使用 APS 倒换协议，实现简单，倒换速度快，尤其适合用于业务量比较集中的应用场合，即各个节点皆和中心节点发生业务往来，而彼此之间的业务量较少，一般县局间的通信就属于此种情况。 二纤双向复用段保护环由于具有“时隙可以重复使用”的优点，所以特别适用于业务量分散型的应用场合，即环网中的各个节点之间，尤其是相邻节点之间的业务流量比较多，而且分布比较均匀的情况，一般局间通信就属于此种情况。 四纤双向复用段保护环具有