（电路与系统专业论文）eos中虚级联及lcas功能的芯片设计与fpga实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 技术的持续发展和宽带接入网建设的不断深入，数据业 务流量飞速增长，已经成为电信市场的主体之一。但是，纯i p 网络尚达不 到公用传输网的可靠性要求，且建设耗资巨大。因此，人们提出基于同步 数字体系( s d h ) 下传输以太网数据( e t h e r n e to v e rs d h e o s ) 的解决方 案，被业界称之为e o s 技术。e o s 技术的出现，较好的实现了数据业务在 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。 通常，e o s 技术中采用虚级联( v i r t u a lc o n c a t e n a t i o n v c a t ) 和链路 容量调整( l i n kc a p a c i t ya d j u s t m e n ts c h e m e s l c a s ) 技术来解决两个问题： 其一，虚级联技术为以太网数据传输开辟大小合适的s d h 通道，解决了 以太网和s d h 净荷速率的不匹配，并增加s d h 传送网的通道颗粒，提高 了s d h 网络带宽利用率；其二，基于虚级联的l c a s ，则可以根据数据带 宽的实时变化来动态地分配带宽资源，有效地提高s d h 链路的利用率。 基于对虚级联和l c a s 的分析研究，作者提出了一种切实可行、经济 有效的实现e o s 系统中虚级联和l c a s 集成化设计方案。在此基础上，进 行了功能定义及模块划分，进而完成虚级联和l c a s 功能的芯片级设计和 f p g a 实现。 首先，文章介绍了e o s 系统中s d h 、虚级联及l c a s 等技术的细节。 随后，又详细地介绍了芯片中虚级联技术的实现、l c a s 状态机、时钟使 能控制模块、开销处理等部分的设计，并使用v e r i l o gh d l 的可综合子集 实现了各部分的r t l 级硬件描述，并按照功能要求编写测试平台给出了仿 真结果。文章介绍了作者采用的f p g a 实现流程，并实现了基于f p g a 环 境下的综合、布局规划、布局布线流程。最后，在以上f p g a 设计实现的 基础上，分析了设计中的亚稳态问题，给出了解决亚稳态问题的技术措施。 本文采用自项向下( t o p d o w n ) 的设计方法，通过r t l 级v e r i l o gh d l 完成了芯片的硬件描述。在x i l i n xi s e9 “集成开发环境中完成了设计的 输入、功能仿真、逻辑综合、布局规划、布局布线及f p g a 下载配置。采 用m e n t o rg r a p h i c si n c 的m o d e l s i m 进行仿真，采用s y n p l i c i t yi n c 的 s y n p l i f yp r o8 1 完成设计综合， i s e9 1 i 提供了m o d e l s i m 和s y n p l i f y 的 山东大学硕士学位论文 软件接口，可在i s e9 1 i 中予以直接启动。用i s e9 1 i 自带的布局规划器 和f p g a 底层编辑器分别完成布局规划和布局布线。综合考虑该项设计的 规模及各供应商f p g a 器件的性价比，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 n3 es t a r t e rk i t 开发板进行芯片实现。 本文的主要贡献为：给出了该芯片完整的设计方案，完成了e o s 系统 中虚级联与l c a s 的集成化设计；完成了s d r a m 控制器、异步f i f o 、 c r c 、时钟使能控制等电路模块的设计实现；作者较好地解决了设计中的 亚稳态问题。 关键词：基于s d h 的以太网传输业务；同步数字体系；虚级联；链路容 量调整机制 u 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g ya n db i s d n ，d a t a p a c k e to p e r a t i o ng r o w sf a s t e rt h a ne v e r ，b e c o m i n gt h em a i no p e r a t i o no f t e l e c o mm a r k e t h o w e v e r ，t h ei pn e t w o r ki sn o ta b l et op r o v i d ea l o n et h e r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n to ft h ep u b l i ct r a n s m i s s i o nn e t w o r k a n di ta l s ot a k e st o o m u c hc o s t a sar e s u l t ，p e o p l eb r o u g h tf o r w a r dak i n do fs o l u t i o nt h a t t r a n s m i t se t h e r n e to p e r a t i o no v e rs d h ，c a l l e de t h e r n e to v e rs d h ，e o sf o r s h o r t t h eb i r t ho fe o st e c h n o l o g ym a k e sf u l lu s eo fc u r r e n tn e t w o r k r e s o u r c e sa n da c h i e v e se f f i c i e n tt r a n s m i s s i o no fd a t a o p e r a t i o no v e rs d h n e t w o r k u s u a l l y , e o st e c h n o l o g ya p p l i e sv i r t u a lc o n c a t e n a t i o n ( v c a t ) a n dl i n k c a p a c i t ya d j u s t m e n ts c h e m e s ( l c a s ) t os e t t l et w op r o b l e m s ：o n ei st h a t v c a tt e c h n o l o g yp r o v i d e st h ee t h e r n e td a t at r a n s m i s s i o naf i ts d hc h a n n e l t os e t t l et h ed a t ar a t em i s m a t c hb e t w e e ne t h e r n e ta n ds d h p a y l o a d i ta l s o i n c r e a s e st h ec h a n n e lg r a n u l e sa n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t i oo fs d hn e t w o r k t h e o t h e ro n ei st h a tl c a st e c h n o l o g y , b a s e do nv c 峨c a na d j u s tb a n d w i d t hr e s o u r c e s d y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt or e a lt i m ec h a n g eo f t h ed a t ab a n d w i d t ha n di n c r e a s et h e u t i l i z a t i o nr a t i oo fs d hn e t w o r ke f f i c i e n t l y a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h e so nv c a ta n dl c a s ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e sa f e a s i b l e ，e c o n o m i ca n de f f i c i e n tw a yt oi m p l e m e n tt h ei n t e g r a t e dd e s i g no f v c a ta n dl c a si ne o s s y s t e m f 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 na r e t a k e na n dt h ec h i pd e s i g na n df p g ai m p l e m e n t a t i o no fv c a ta n dl c a si s a c c o m p l i s h e d f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st e c h n o l o g yd e t a i l so fs d h ，v c a ta n d l c a si ne o ss y s t e m t h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i lt h ed e s i g no fv c a t , l c a sf s m ，c l o c k e n a b l e c o n t r o lm o d u l ea n dp o h p r o c e s s i n gm o d u l e a n d t h e p a p e rc o m p l e t e s t h er t lh a r d w a r e d e s c r i p t i o n o f e a c h p a r tb y s y n t h e s i z a b l es u b s e to fv e r i l o gh d l t h et e s t b e n c h e sa r ew r i t t e na c c o r d i n gt o f u n c t i o nr e q u e s ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r t h e i l l 山东大学硕士学位论文 p a p e ri n t r o d u c e s f p g ai m p l e m e n t a t i o nf l o wa n dc o m p l e t e st h e d e s i g n f o l l o w i n gt h ef l o w s y n t h e s i s ，f l o o r p l a na n dp a ra r ei m p l e m e n t e di nt h e f p g ad e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h em e t a s t a b i l i t y p r o b l e ma n dp r o v i d e so n es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m 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 e a 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 l s i m u l a t i o n ，l o g i c s y n t h e s i s ，f l o o r p l a n ，p a r a 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 o p e r f o r mf 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 ht 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 ys y n p l i f yp r o8 1t op e r f o r ms y n t h e s i s i s e9 1i p r o v i d e s s o f t w a r ei n t e r f a c e s ，w h i c hc a nb es t a r t e di ni s e9 1i u s ef l o o r p l a n n e ra n d f p g ae d i t o rw h i c ha r ep r o v i d e db yi s e9 1it op e r f o r mf l o o r p l a na n dp a r r e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h ed e s i g ns c a l e ，p e r f o r m a n c e a n d p r i c e o f d i v e r s i f i e df p g a d e v i c e s ，x i l i n xs p a r t a n 一3 e s e r i e sf p g ad e v i c e x c 3s 5 0 0 e 一4 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 ed e s i g n a f t e r d o w n l o a d i n gt 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 ec h i pi s i m p l e m e n t e di nx i l i n xs p a r t a n 一3 es t a r t e rk i tb o a r d t h em a i nm e r i t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w ：ac o m p l e t ed e s i g ns o l u t i o ni s p r o v i d e da n dt h ei n t e g r a t e dd e s i g no fv c a ta n dl c a si ne o ss y s t e mi s a c h i e v e d s e v e r a lc i r c u i tm o d u l e s ，s u c ha ss d r a mc o n t r o l l e r , a s y n c h r o n o u s f i f o ，c r c ，c l o c k e n a b l ec o n t r o l l e ra r ei m p l e m e n t e d a n dt h em e t a s t a b i l i t y p r o b l e mi ss e t t l e dp r o p e r l y k e yw o r d s ：e t h e r n e to v e rs d h ，s d h ，v i r t u a lc o n c a t e n a t i o n ，l c a s i v 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，均已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： 凌硷 e t 期：丝! 旦，监! 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：套企导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1e o s 技术的产生 随着社会的进步和i n t e r n e 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( v p n ) 、视频点播和电子商 务等新兴业务不断涌现。目前，就业务量而言，数据业务已经超过了语音 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i p 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，e o s ( e t h e r n e to v e rs d h ) 技术应运而生【2 1 。 e o s 的含义是“基于s d h 的以太网业务传输”。e o s 是一种新涌现的 宽带数据传输技术，随着lg b i t s 以太网技术的成熟以及l0 g b i t s 以太网 标准的问世，以太网技术正由局域网技术扩展为城域网( m a n ) 和广域网 ( w a n ) 技术【3 1 。e o s 技术是在l a p s g f p 协议的基础上，将以太网帧映 射到s d h 的负荷中。该技术可以有效地将不同局域网通过s d h 的互联转 化为一个虚拟的通道，以实现“透明的局域网服务 。 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 山东大学硕士学位论文 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 等技术的各自优点，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 1 2 虚级联和l c a s 功能的引入 虚级联和l c a s 的出现解决了e o s 中由于以太网和s d h 净荷速率不 匹配造成的传输带宽浪费的问题。采用虚级联技术可为以太网数据传输开 辟大小合适的s d h 通道，可以增加s d h 传送网的通道颗粒，提高s d h 网 络带宽的利用率；再配合l c a s ，就可以根据数据带宽变化动念地分配带 宽资源。 虚级联技术为传送网提供了一种更加灵活的通道容量组织方式，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，从而更好地满足 数据业务的传输。s d h 标准容器速率和部分常见数据业务的实际速率以及 带宽利用率见表l ，i 。由表可见虚级联的最大优点是承载多业务( 主要是数 据业务) 时提高了传输系统的带宽利用率【4 1 。 虚级联技术极大的提高了s d h 对数据业务的承载效率，但是仍然存 在以下两个方面的不足：由于数据业务流量具有不均衡的特点，使得网管 必须以峰值业务带宽去配置虚级联组，在客户业务带宽需求降低时仍以峰 值业务带宽传送客户业务，造成带宽的浪费；另外当虚级联组中的一个成 员失效时，会导致整个虚级联组的中断或失效。 2 山东大学硕士学位论文 表1 1 级联带宽利用率的比较 业务类型比特速率不采用v c 的带宽利用率采用v c 的带宽利用率 以太网 1 0 m b i t s v c - 3 ( 2 0 0 0 )v c - 1 2 - 5 v ( 9 2 ) 快速以太网l o o m k 以 v c - 4 ( 6 7 )v c - 3 - 2 v ( 1 0 0 0 o ) 千兆以太网1 0 0 0 m b i t s v c - 4 - 1 6 c ( 4 2 )v c 4 - 7 v ( 9 5 ) 低速删2 5 m b i t s v c - 3 ( 5 0 哟v c - 1 2 - 1 2 v ( 9 6 ) 光纤信道2 0 0 m b i t s v c 4 k ( 3 3 )v c 4 - 7 v ( 9 5 ) 光纤信道1 0 0 0 m b i t s v c 4 - 1 6 c ( 4 2 )v c - 4 - 7 v ( 9 5 ) e s c o n2 0 0 m b i t s v c 4 4 c ( 3 3 )v c - 4 - 7 v ( 9 5 呦 为了满足最终用户对传输带宽的容量需求，在虚级联情况下提供无损 伤的链路带宽容量调整机制，i t u t g 7 0 4 2 定义了链路容量自动调整机制 l c a s ，适用于s d h 链路容量动态调节。通过l c a s 实现在不中断业务的 情况下动态调整虚容器容量，同时避免了单个成员的失效导致整个虚级联 组中断，从而满足最终用户需求。 其实在开发虚级联的同时，也在开发动态更改虚级联带宽的功能。在 s d h 开销内交换发送的信息，以便更改由虚级联组使用的从属成员的数 目。从属成员的数目可增可减，由此引发虚级联组带宽的更改，且不会丢 失数据。更改带宽的能力使设计者可进一步设计数据网络，并提供新型服 务。l c a s 可对己分配的带宽进行进一步调整，如果初始带宽分配只是用 于平均流量而非峰值带宽，而平均带宽在一段时间后会有所更改，此时可 修改带宽分配以反映该更改，这种可调性可在客户需要时用于提供带宽。 l c a s 对于容错和故障保护也很有用，因为该协议具有从虚级联组清除故 障链路的能力。 以s d h 为例：如果承载数据业务的虚级联组( v c g ) 中的一些v c 通道 发生故障或出现告警指示信号( a i s ) 时，可以利用s d h 的通道开销h 4 和 k 4 字节的控制字段进行握手协议处理，将这些v c 成员暂时删除，从而自 动地降低承载带宽。保证所承载的数据业务无损伤；如果告警消失或故障 恢复，所承载的数据业务则恢复到应有的带宽。 山东大学硕士学位论文 虽然l c a s 的进程无须网管系统的干预，但l c a s 不能自动发起业务 容量请求，即v c g 的带宽需求仍需网管系统指定，这在一定程度上降低 了l c a s 的智能化程度。 1 2 本论文完成的工作 论文的任务是研究s d h 同步数字体系及相关的i t u t 建议g 7 0 7 和国 家通信行业标准光同步传送网技术体制、同步数字体系上传送以太网 帧的技术规范；着重研究虚级联和l c a s 协议，完成它们的模块设计并 进行功能仿真。 论文工作分为四个阶段： 第一阶段：掌握i c 设计开发流程及相关开发工具的使用。在这阶段 主要学习了v e r i l o g 硬件描述语言和自顶向下的编码风格；了解了大规模 集成电路开发流程、x i l i n x 公司的f p g a 的器件结构、熟练使用多种e d a 软件。 第二阶段：研究s d h 传输网技术；分析e o s 中的虚级联技术和l c a s 技术实现方案。在此阶段主要是了解相关的i t u t 建议g 7 0 7 和光同步 传送网技术体制、同步数字体系上传送以太网帧的技术规范；着重研 究了l c a s 的规范g 7 0 4 2 。 第三阶段：讨论了实现e o s 中虚级联和l c a s 功能的芯片的设计方案， 并进行了模块划分，完成了各模块的设计及功能仿真。 第四阶段：最后完成了f p g a 实现及亚稳态问题的分析和解决，f p g a 实现包括综合、用x i l i n x 公司的布局规划器进行的布局规划和用f p g a 底 层编辑器进行的布局布线。 1 3 论文内容安排 本文基于对e o s 中虚级联、l c a s 技术的分析，完整地介绍了e o s 系 统中实现虚级联和l c a s 技术的芯片的设计和实现，具体内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了e o s 技术的产生背景和虚级联和l c a s 功 能的引入，及本文完成的工作。 第二章概述了分析了本设计涉及的关键技术，主要包括s d h 技术、 4 山东大学硕士学位论文 e o s 、虚级联技术和l c a s 技术。 第三章给出了芯片的功能模型和总体设计方案，按照自顶向下的设计 方法，对芯片进行了功能定义和模块划分。 第四章详细介绍了芯片中虚级联技术的实现、l c a s 状态机及时钟使 能控制及开销处理等部分的设计，并给出了各部分关键模块的仿真结果。 第五章讲了芯片的f p g a 实现流程并进行了f p g a 的实现，最后讨论 了芯片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，并提出需要进一步解决的问题。 5 山东大学硕士学位论文 第二章关键技术综述 2 1s d h 技术 2 1 1s d h 技术的产生与发展 s d h 出现前，广泛使用的数字复接技术是准同步数字体系( p d h ) 【5 1 ， 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，在新的要求下，p d h 逐渐显露出它的诸多局限性和 不足。而s d h 作为一种结合了高速大容量光纤传输技术和智能网络技术 的新体制，逐渐得到广泛应用【6 1 ，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。 7 山东大学硕士学位论文 s d h 作为传输网，相当于o s i 网络分层协议中的最底层一一物理层， 它为网络运营者提供了灵活、可靠的搭建多种网络的传输平台。基于s d h 技术的m s t p ，通过与以太网技术和a t m 技术相结合，实现多种业务在 s d h 系统中的传输7 】【引。 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 现很好的解决了带宽适配问题。同时，使用l c a s 技术可以在不中断业务 的情况下对己分配带宽进行调整，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。 2 1 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 9 1 。n 的取值为1 、4 、16 、6 4 、，表 示该帧由n 个s t m 一1 帧通过字节问插复用而成【1 0 】。对于各种等级的s d h 帧，帧周期均为l2 5 u s 。帧周期的恒定，使得可直接从高速s d h 信号中分 接出低速支路信号。s t m n 的帧结构如图2 1 所示。 9 r s o h a u p t r p a y l o a d m s o h 图2 1 s d hs t m n 帧格式 如图2 1 所示，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。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 8 山东大学硕士学位论文 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 l 的传输性能。信息净负荷 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 n 列，共9 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】。 2 1 3s d h 的复用解复用步骤 各种信号装入s d h 帧结构的净负荷区都需要经过映射、定位和复用 三个步骤【12 1 。 映射相当于一个信号打包的过程，是指在s d h 网络边界处使各种支 路信号适配进虚容器的过程，其实质是使各种支路信号和相应的虚容器同 步。具体操作时，先将各种速率等级的支路信号装入相应的接口容器c n ， 由容器c n 对来自不同方向因而频率和相位可能略有差异的支路信号进行 容差调整，适配为具有标准速率的信号。我国定义c 1 2 对应速率是 2 0 4 8 m b i t s ，c 3 对应速率是3 4 3 6 8 m b i t s ，c 4 对应速率是1 3 9 2 6 4 m b i t s 。 由标准容器出来的数字流加上通道开销p o h 后就构成了虚容器( v c - n ) ， 这个过程就是映射。 映射方式可分为异步映射和同步映射两种方式。当支路时钟与容器或 虚容器的时钟相互独立时，采用异步映射方式；当映射信号具有块状帧结 构并与网络同步时，可采用同步映射。 定位即加入调整指针，以记录数据信息v c n 在相应的a u 或t u 帧的 起点位置，使信息码流在相应的帧中灵活动念的定位，因此可以校正支路 信号频差和实现相位校准。由v c n 出来的数字流加上频偏移信息( 指针) ， 再进入管理单元a u 1 3 或支路单元t u n ，这其中的适配过程，也就是复用 结构中的定位效准过程。 复用是一种将多个低阶通道信号适配进高阶通道或多个高阶通道信 号适配进复用段的过程。s d h 的复用包括两种情况；一种是低阶的s d h 信号复用成高阶s d h 信号；另一种是低速支路信号( 例如2 m b i t s ， 3 4 m b i t s ，1 4 0 m b i t s ) 复用成s d h 信号s t m n 。 9 山东大学硕士学位论文 i t u tr e c g 7 0 7 y 13 2 2 规定了一整套完整的复用结构，通过这些路 线可将p d h 的3 个系列的数字信号以多种方法复用成s t m n 信号1 3 1 。 i t u t 规定的复用路线如图2 2 所示。 指针处理 复用 i一 定位校准 - _ 一 映射 图2 2g 7 0 7 复j j 映射结构 从图2 10 中可以看到此复用结构包括了一些基本的复用单元：c 一容 器、v c 一虚容器、t u 一支路单元、t u g 一支路单元组、a u 一管理单元、 a u g 一管理单元组，这些复用单元的下标表示与此复用单元相应的信号级 别。在图中从一个有效负荷到s t m n 的复用路线不是唯一的，有多条路 线，也就是说有多种复用方法。例如如图2 。10 所示，2 0 4 8 m b i t s 的信号 有两条复用路线，也就是说可用两种方法复用成s t m n 信号【1 4 】。 e o s 芯片中的s d h 功能是指s d h 处理部分应满足y d t1 0 2 2 1 9 9 9 s d h 节点功能要求和y d n0 9 9 19 9 8 光同步传输网技术体制( 修 订) 中对s d h 节点基本功能要求的规定。同时，s d h 帧结构和v c 映射 部分还需要满足i t u tg 7 0 7 建议中对低阶虚级联和高阶虚级联业务的规 定，并提供虚级联条件下v c 通道的交叉连接功能f 1 5 】【l6 1 。 2 2e o s 系统 2 2 1e o s 系统概述 e o s 系统提供了以太网在s d h s o n e t 光通信系统上传输i p 业务的一 种解决方案。e o s 技术通过对现有s d h 技术的功能扩充，将数据业务以虚 级联等方式映射进不同的s d h 时隙，从而实现了一个i 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。它是工作 l o 山东大学硕士掌1 立论文 于数据链路层和i p 层的设备，因而同时具备第二层的交换和第三层的路由 功能。 e o s 是目前倡导的“电信级光以太网解决方案 的重要组成部分。所 谓“电信级光以太网解决方案 是将光网络的巨大容量、可靠性与以太网 的简便性及可扩展性有机地结合起来，使传统的以太网突破带宽的瓶颈。 电信级光以太网能对用户的服务、应用及配置等选项进行分类、储存和控 制，因而能向用户提供具有实在意义的个性化网络体验，同时也可为营运 商带来管理的便利和营运的收益。 2 2 2e o s 体系结构 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 设备构成e o s 技术的网络环境，如图2 3 所示。 图2 - 3e o s 在综合业务接入网中的应用 e o s 设备可以看成是对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、映射解映射及虚级联和l c a s 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 山东大学硕士学1 立论文 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。本设计提到的e o s 设备综合了上面提到的e o s 和s d h 部分的功能， 也就是既完成以太网数据的封装解封装、映射解映射和虚级联和l c a s 处理，又完成s d h 净负荷和通道开销( p o h ) 字节的映射解映射、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，是对s d h 设备的拓展。 如图2 4 所示为e o s 技术的协议栈模型，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。 图2 4e o s 技术协议栈模型 2 3 虚级联技术 i t u tg 7 0 7 中定义了相邻级联和虚级联。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c n 的业务时所采用的方 法就是级联【1 7 】。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。从传输网层网络的角度看，级联属于通道层功能。级联功能既 有高阶通道级联，也有低阶通道级联。级联功能又可以分为相邻级联和虚 级联两种形式，相邻级联在整个传送过程中保持着相邻的带宽；而虚级联 则将整个的带宽进行拆分，形成独立的虚容器进入网络，在通道级联终接 点之间传送，在终接点处再合成相邻的带宽，重组携带的净荷。 1 2 山东大学硕士学位论文 利用虚容器相邻级联和虚级联技术可对以太网带宽与s d h 虚通道进 行速率适配，从而实现对传输带宽的灵活配置，尤其是虚级联技术能够支 持对传输带宽的充分利用。 2 3 1 相邻级联与虚级联技术原理 相邻级联与虚级联技术可以被看成是把多个小的容器级联起来并组 装成为一个比较大的容器来传输业务数据的一种技术。c n 的级联就是将 x 个c n 的容量拼在一起，形成一个大的容器来满足大于c n 的大容量业 务信号的传输要求。下面以v c 4 的级联为例说明相邻级联与虚级联的不 同之处：相邻级联是在同一个s t m n 中，利用相邻的c 4 级联成为 v c 一4 x c ，成为一个整体结构进行传输；而虚级联是将分布在同一s t m n 中的相邻不相邻v c 4 或分布在不同s t m n 中的v c 4 ( 可能同一路由， 也可能不同路由) 按级联的方法，形成一个虚拟的大结构v c 4 x v ，利用 其进行业务信号传输。这种技术可以级联从v c 12 到v c 4 等不同速率的 容器。用小的容器级联可以得到非常小颗粒的带宽调节，相应的级联后的 最大带宽通常也较小【1 8 】。例如v c 12 一x v 的级联，它的带宽调整粒度为 2 0 4 8 m b i t s ，其所能提供的最大带宽只能到6 3 2 0 4 8 m b i t s = l2 9 0 2 4 m b i t s 。 相邻级联和虚级联的一个重要区别是对于传送网的设备要求不同，对 于相邻级联，要求传送通道上的所有节点均要支持相邻级联功能；而对于 虚级联，只要求源节点和目的节点具有级联功能即可，中间节点可以不支 持级联功能。因而采用虚级联技术可以大大简化对现有s d h 网络进行设 备改造的复杂性。 在网络互联中，还不可避免地会出现需要v c n 的相邻级联和虚级联 互通的情况，也就是说，有时正在传送的v c n x c 需要变成v c n x v 才 能继续传送【1 9 1 。反之，有时正在传送的v c 1 1 x v 需要变成v c n x c 才能 继续传送，所以v c n 的相邻级联和虚级联必须能相互转换，才能实现它 们之间的互通【2 0 1 。 2 3 2 高阶虚容器( v c 一4 ) 的相邻级联与虚级联 v c 4 的相邻级联技术提出的