第六讲光传输的新技术.ppt

1、第六讲 光传输的新技术,第六讲 光传输的新技术,新一代SDH技术 光交换技术 IP光网络,1 新一代SDH技术,多业务传送平台MSTP（Multi-Service Transport Platform） SDH级联技术 链路容量调整机制LCAS（Link Capacity Adjustment Scheme） 通用成帧程序GFP（Generic Framing Procedure）,首次使网络的管理在大范围内可实现 对节点设备的管理是对网络管理的基础 为单个设备提供监视信息，PDH已经可以实现 SDH体制不仅提供了由D1D12字节构成的管理通道，为管理的联网打下基础，而且还规范了网络管理、网元

2、管理等一系列内容，促成网络管理逐步走向规范化，出现了远程管理和控制 在基于SDH的网络中，不论其节点数有多少、覆盖面有多大，只要在其中的一个指定的网元便可以了解整个网络的各再生段、各网元设备的工作状况和故障告警状态等信息,SDH体制的成功之处,概述,容器概念，出现在传输中的交换和交叉，并引发了传送网中的“隧道”、VPN等后来应用 既可以在完全的时钟同步下，又可以在准同步下工作远程的配置开创了网络的可控制性SDH可以通过管理界面实现对网络中任何节点设备的配置 成功地支持各种倒换保护，保证50ms的切换时间，也为网络恢复提供基础 相比于同期出现的其他技术在价格和性能之间有一个长时期都为运营商可接受

3、的调和,SDH体制的成功之处,传统SDH难以适应新的需求,传统的SDH技术主要指20世纪90年代的SDH产品，该产品中主要具备以下技术特点： 映射到SDH各种虚容器的接口主要为各种PDH口、SDH口，并规范了ATM信元到VC-4的映射方法 不同的业务映射到不同容器以后，没有对业务进行分级，整个SDH系统中每一个容器都是平等对待的，不能根据承载业务的类型、来源、付费水平等内容对容器设定不同的优先权 具有基于VC-4以及基于VC-12的交叉连接，但是其交叉容量还不够大 网络管理功能虽较为完全，但智能化程度还有待提高 例如配置过程中，操作人员必须通过人机界面逐点地对网络中的各节点进行配置,传统SDH

4、技术的不足,一、MSTP的引入 随着业务层的多样化，为满足不同用户日益增长的高宽带、多业务的要求，光传送网中出现了基于SDH的多业务平台（MSTP） 所谓SDH的多业务平台MSTP，指的是一种能够针对多种业务特点进行处理的传送网节点设备,1.1 多业务传送平台MSTP,二、MSTP的特点,同传统SDH相比，支持更多种类的物理接口，典型接口有：电路交换接口、光口、ATM、以太网接口（10/100Base-T）、DSL、GE、FR、E1/T1等 提供更多的光口和更大的交叉容量低成本地提升传输容量：MSTP系统提供了带宽容量从STM-1到STM-64、波长复用窗口从1310nm到1550nm的DWD

5、M平滑升级，实现了运营商的低成本扩容 简化网络结构，多协议处理支持 继承SDH高可靠性和自动保护恢复功能 网元的高度集成，有效带宽管理：MSTP集传统SDH中的ADM/DXC/DWDM等功能于一体，具有更细粒度的交换和交叉连接模块 整个平台处于统一的网络管理系统 由传统的SDH设备演进而来,三、MSTP的发展与演进,电信网络需求向传送网的映射过程推动了MSTP技术的不断进步，例如为实现对以太网的支持 MSTP先后经历了三个阶段： 透明传送的MSTP 支持二层交换的MSTP 支持以太网业务QoS的MSTP,透明传送的MSTP,MSTP以太网透明传送功能：将来自以太网接口的信号不经过二层交换，直接

6、映射到SDH的VC中，然后通过SDH设备进行点到点的传送 特点：保证以太网业务的透明性，包括以太网MAC帧、VLAN标记等的透明传送 缺点： 不提供以太网业务层保护，完全基于SDH提供的物理层保护，需要预留保护带宽 支持的业务带宽粒度受限于SDH的虚容器，最小为2Mb/s 不提供以太网QoS支持，无法满足不同业务的差异性应用 不提供多个业务流的统计复用和带宽共享，带宽利用率低 只提供物理层上的多用户隔离，不提供业务层（MAC层）上的多用户隔离，网络扩展能力差,支持二层交换的MSTP,MSTP以太网二层交换功能：在一个或多个用户以太网接口与一个或多个SDH虚容器的点对点链路之间，实现基于以太网链

7、路层的数据帧交换 第二层交换的MSTP主要在多用户/业务的带宽共享和隔离方面进行了一定的改善 缺点： 不提供以太网QoS支持，只能提供有限的CoS能力 业务层故障恢复时间较长，根据网络的规模不同，收敛时间可能要花几十秒，与SDH的50ms自愈时间相比，以太网的故障恢复时间太长，不适用于传送语音、视频数据,所提供的业务带宽粒度受限于VC，一般最小为2Mbit/s VLAN的4096地址空间使其在核心节点的扩展能力很受限制，不适合大型城域网的应用 节点处在环的不同位置时，难以实现业务的公平接入MAC地址的获取/维护影响了系统的性能 基于802.3x的流量控制只是针对点到点链路，不能提供端到端的流量

8、控制 多用户/业务的带宽共享是对本地接口而言，不能整个环的业务实现带宽共享,支持二层交换的MSTP,支持以太网业务QoS的MSTP,以上两种MSTP在支持以太网业务时，都不能提供良好的QoS保障 主要原因：现有的以太网技术是无连接的，不具备足够的QoS处理能力 为了能够真正将QoS引入以太网业务，需要在以太网和SDH之间引入一个智能适配层来处理以太网业务的QoS要求，在此思想下产生了一种新的MSTP 主要技术特征：引入了中间的智能适配层、GFP高速封装协议、虚级联和链路容量自动调整（LCAS）机制等技术，以支持多点到多点的连接、具有可扩展性、支持用户隔离和带宽共享、支持以太网业务QoS、阻塞控

9、制，公平接入以及提供业务层的环网保护等功能,目前在MSTP设备的生产中，大多数企业采用的策略是将二层MPLS作为智能适配层，同时使用分组环（Packet Ring）技术实现50ms时间内的保护倒换 优点：可以突破由于传统以太网4096个VLAN地址造成的网络用户数量的限制，实现有效用户区分和地址重用，即使在相同的VLAN ID的情况下，仍能够区分不同用户的业务流，适应在电信公网中的应用 实现以太网的多业务等级 MSTP系统不仅支持传统的尽力而为（Best effort）业务，而且能够支持保障/常规业务 保障带宽的业务具有严格的延时和抖动保障机制，其业务速率恒定，无论在从用户接口上环或者在经过某

10、个节点时都会被优先处理，几乎没有抖动和延迟,支持以太网业务QoS的MSTP,实现以太网业务公平性接入 MSTP系统克服传统以太网在网络发生阻塞时，不能保证业务公平接入的难题，可以在保证业务质量的基础上根据用户的最初约定来提供公平的带宽接入，实现端到端的流量控制 实现细微的带宽颗粒配置 MSTP系统除支持传统VC12/VC3/VC4业务基本颗粒外，还可以提供更灵活的带宽颗粒，实现100kbit/s的带宽颗粒，可以为用户提供更小颗粒带宽的业务租用 提供分组环保护 MSTP系统支持分组环保护，可以在不需要SDH层保护的情况下实现以太网分组环50ms时间内的业务保护，并提高了带宽的利用率,支持以太网业

11、务QoS的MSTP,1.2 SDH级联技术,随着多业务传输平台（MSTP）的规模应用，数据业务在传送网的承载能力已经成为考察传送网性能的一个重点 常用的SDH容器有VC-12、VC-3、VC-4等，如下表所示,级联技术的引入,各容器间大约以1：21：63的间隔分档，使得中间空档太多，因而许多业务在映射到SDH时找不到适当尺寸的容器 例如10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s等以太网业务都没有合适容量的容器 SDH容器的级联就是为解决此问题而设计的 级联就是将多个虚容器组合起来，作为一个保持比特序列完整性的单容器使用，以适当的颗粒实现不同颗粒尺寸要求的业务的传输,VC-n的级

12、联,级联用来将数个VC-n有效地组合成一个容量相当于数个VC-n容量之和的大虚容器 X个C-n级联成的容器记为C-n-Xc，相应地，C-n-Xc加上POH即构成VC-n-X 级联的应用： 例如：一个10Mbit/s的业务透传？ 采用一个VC-12适合于2Mbit/s，不够 用VC-3（34Mbit/s），太大 若采用VC-12-5c或VC-12-5v就很合适,级联的分类,级联可分为相邻级联和虚级联两种 标记方式： 相邻级联为VC-n-Xc，如VC-4-4c是四个VC-4的相邻级联； 虚级联为VC-n-Xv，如VC-4-4v是四个VC-4的虚级联 X表示级联的容器数目，n是VC-n的级别编码,1

13、.3 链路容量调整机制LCAS,LCAS是在ITU-T G.7042中定义的一种可以在不中断数据流的情况下动态调整虚级联个数的功能，对容量的大小进行调整，LCAS可以检测出传送的业务数字流实际需要多少带宽，动态调整与实际带宽需要相匹配，从而提高了网络带宽的利用率 数据以分组进行传输，业务具有突发特点： 在分组较少时，LCAS可以减少级联VC-n个数 如果分组较多时可以适当增加级联VC-n个数,LCAS举例,例：以4个VC-12级联的VC-12-4v传送10Mbit/s以太信号，如果其中一个VC-12失效，则此VC-12便不能再继续传送了，也就是有1/4的数据比特将被丢失 如果其中一个VC-12

14、失效，LCAS在检测出故障后，便通知发送端将信号重新依次安排在余下的三个VC-12中进行传送，虽然传送的带宽有所减少，但对数据业务而言，通信一般可继续进行,1.3 通用成帧程序GFP,在多种业务进入MSTP时，适配的问题便被提了出来，需要有一种简单的流量适配机制，将各种不同的物理和数据链路格式适配到同一传送网结构中 在GFP之前已经出现了一些针对数据的适配方式，且运用得较为成功。 例如： PPP协议+HDLC，进入映射，再复用到SDH。其中PPP是点对点协议，HDLC是高层数据链路控制协议。 LAPS+HDLC，进入映射，到SDH。其中链路接入协议-SDH（LAPS）比PPP更为优越。 GFP

15、提供了一种将高层客户信号适配到字节同步传送到网上的通用机制,适配机制的要求： 必须简单，以便实现在增大传送网速率时的平滑升级 必须具有较高的灵活性，以适应各种数据的传输需求,GFP的特点,优势：多协议适配能力和简单性，重点放在对各种不同协议的映射上，将OAM、保护倒换功能交给上层客户和底层传送网络完成，减少了IP层和光网之间的层数，更有效地利用了带宽 GFP还具有以下优点： 开销极小 具有健壮的帧描述机制 取消了分组/重装或帧填充 将适配过程和用户数据的差错处理分开，对损坏的净荷不作处理，保持了对客户数据的透明性,2 光交换技术,光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不

16、同的输出端。 光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成。,一、光交换的定义,目前光网络中的交换技术主要有两种： 光的电路交换OCS(Optical Circuit Switching) 光的分组交换OPS(Optical Packet Switching) 光电路交换可利用OADM，OXC等设备实现，光分组交换所涉及的关键技术有：光的分组交换（OPS）技术，光突发交换（OBS）技术，光标记交换（OLS）技术等。,二、光交换技术的分类,（一）光的电路交换OCS,根据交换对象的不同OCS又可以分为： 1.空分光交换 是在空间域上将光信号进行交换。主要的功能元件是空间光开关

17、。 2.时分光交换 在时间轴上将复用的光信号的时间位置从t1转换成另一时间位置t2 。主要的功能元件是光纤延迟线。 3.波分光交换 将波分复用信号中任一波长1变换成另一波长2 。主要的功能元件是波长转换器。 4. 光码分交换技术，将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。,1.空分光交换,22光开关,4个12光开关构成,基本的光纤型光开关的入端和出端各有两条光纤，可以完成平行和交叉两种连接状态。 有波导型，门型，机械型，热光开关等实现方案。,LiNbO3的方向耦合器构成,12光开关,2.时分光交换,目前的光时隙交换器都是由空间光开关和一组光纤延迟线构成。 光纤延迟线以

18、光信号在其中传输一个时隙时间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延迟线。,1,2,3,T,光开关,光开关,t1,t2tT,t1,t2tT,3.波分光交换,波分复用器,1, 2n,mz,波分复用器,OTU,OTU,OTU,2,1,n,m,z,先用波分解复用器件将波分信道空间分割开，对每一波长信道分别进行波长转换，然后再把它们复用起来输出。,4.码分光交换,首先给每个用户分配一个地址码。在发射端，要传输的数据信号先经过适当的调制，转换成相应的光域上的信号，然后再经过一个编码器进行扩频处理，标记上这个用户的地址信息，成为伪随机信号。编码器是在光域上进行工作的。扩频信

19、号通过光纤网络到达接收端后，通过解码器进行解码处理，恢复出光信号，再经过光电转换设备，得到电域上的数据信号。,单纯的点到点WDM系统缺乏足够的灵活性和可靠性，不能对业务数据进行有效保护，难以满足通信网络的要求，因而出现了以WDM技术为基础，加上OADM、OXC节点技术构成各种拓扑结构的光网络。 G.652光纤可使用的波长范围约为400nm，如果每个波长间隔0.8nm，则每根光纤只有500个波长可用，如果不进行波长光交换，波长作为WDM技术的资源是有限的。,为什么要进行波长光交换？,WDM光网络中的路由根据是否具有波长连续性，可以划分为波长路由和虚波长路由。波长路由是指构成某一光通道的各段链路都

20、使用相同的波长，反之是虚波长路由。 在波长路由中，存在波长连续性的制约，只有在两节点端到端的各段链路中都具有同一个空闲波长时，该通信路由才能建立。WDM系统每条光纤中复用的波长数是有限的，不可能达到波长数与节点对数的一一对应，当波长全部占用后，波长路由网络将遭受更大的阻塞。 如果在干线网的交叉点上引入光交叉连接 OXC和波长转换器，从而形成端到端之间的“虚波长”路由，只要各段链路分别具有空闲波长，就能建立通信路由。,波长路由和虚波长路由的概念,在图（a）所示的波长路由网络中，要实现节点之间的通信，需要3个波长，而在图（b）的虚波长路由网络中，由于中间节点能进行波长转换，实现波长重用，节点之间的

21、通信只需2个波长。,（a）波长路由 （b）虚波长路由,举一个简单例子,（二）光的分组交换（OPS）,基于波长选路的光网络没有摆脱电路交换方式的局限性，交换粒度太粗（波长级），如果用它来承载以IP包为代表的数据业务，则缺乏灵活性，对光学带宽利用效率低下。 未来的光网络要求支持多粒度的业务，其中小粒度的业务是运营商的主要业务，业务的多样性使得用户对带宽有不同的需求，OCS在光子层面的最小交换单元是整条波长通道上数Gb/s的流量，很难按照用户的需求灵活地进行带宽的动态分配和资源的统计复用，所以光分组交换应运而生。,网络根据对控制包头处理及交换粒度的不同，可分为：,光分组交换（OPS）技术 光突发交换

22、（OBS）技术 光标记分组交换（OLS）技术,1.光分组交换的分类,光分组交换（OPS）技术,以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。 在交换系统的输入接口完成光分组读取和同步功能，同时用光纤分束器将一小部分光功率分出送入控制单元，用于完成如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。 光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由，并解决输出端口竞争。最后输出接口通过输出同步和再生模块，降低光分组的相位抖动，同时完成光分组头的重写和光分组再生。,光突发交换（OBS）技术,特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作

23、为最小的交换单元。OBS克服了OPS目前实现困难的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，同时与OCS相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色,利用各种方法在光包上打上标记，即把光包的包头地址信号用各种方法打在光包上，这样在光交换节点上根据光标记来实现全光交换。,光标记分组交换（OLS）技术,2.光突发交换OBS (Optical Burst Switching)技术,光突发交换的基本思想是将分组数据信号和控制信号分开，后者用专用波长传输。其中分组数据信号采用全光交换的方式，以光开关作为交换的基本器件。而控制信号在

24、每一个节点都进行O-E-O的转换，在电域中对其进行处理，然后用电信号来控制光开关 在光突发交换OBS中交换的颗粒为“突发”（Burst），突发是由一些IP分组组成的超长IP分组，一般来自电的IP路由器，在时间域具有突发性 同时，在形成突发时，系统会生成一个突发控制分组（BCP）与之对应，在WDM系统中，通常用一个或数个波长专门为BCP组网，余下的波长用于传送突发数据,BCP在突发数据发送之前传出去，当BCP到达下一个节点时，首先将光信号变成电信号，并根据控制协议要求为该节点的光开关设置一个控制信号，在突发数据到达该节点时（根据设置的偏置时间）自动建立一个光通道，随后在对应的突发分组到来时便可以

25、直接穿过该节点，突发分组将不需再进行光电转换 在突发到达下一个节点时，BCP又预先为其设置了光通道，依此类推，直到到达突发数据的目的节点为止,OBS的应用实例,3 IP光网络,IP光网络概述 IP光网络的应用 光联网设备,3.1 IP光网络概述,最早以太网的传输媒质采用电缆线路，由于传输速率较高，传输距离无法延伸，只能构成局域网，光纤的出现使高速率IP信号可以从短距离的局域网向城域网、广域网发展成为可能。早在20世纪80年代，随着光纤分布数据接口（FDDI）标准的产生，光纤就应用到局域网中。 FDDI成本较高，继而发展了快速以太网和吉比特以太网，1998年6月由IEEE制定了标准IEEE802

26、.3z，定义了基本的吉比特以太网在光纤上的运行。迄今为止，基本接入端口速度为10M/100Mbps，而最终用户以1Mbps或10Mbps为单位来使用网络。,光纤以太网业务到目前为止它的使用只限于办公大楼或楼群内已敷设光纤的地方。 目前，光纤以太网可以实现10Mbps、100Mbps以及1Gbps等标准以太网速度，而GBE和10GBE打破了传统的LAN及MAN（100km）中光纤应用的界限，可以在WAN上发送以太网帧结构。 对于100BASE-T局域网，采用五类电缆所允许的网络直径近似为127m，而光纤扩展了网络直径，用光缆将局域网上的站点连接将使传输距离大大超过100m。 一对光纤调制解调器包

27、括光发射机和检测器以及用于连接的光缆，结构如图所示。,DFS-D10 2M光纤调制解调器的应用,使用光纤调制解调器的目的是扩展两个具有电接口设备间的传输距离。如果将2路或更多路的数据源聚集到一对光纤上，可以采用光纤复用器。 采用100BASE-FX标准的全双工传输方式，利用单模光纤可以扩展布线距离达200km，这使得局域网能够将以太网和快速以太网直接接入电信局，将传输安排到广域网WDM上传输。,IP在WDM上的适配,IP是网络层协议，WDM是物理层技术，IP业务要想在WDM网络中直接传输需要经过中间的数据链路层进行适配，从而构成了从IP到WDM的多层协议栈 几种主要的适配技术： IP over

28、 ATM IP over SDH/SONET IP over GE IP over WDM,IP over ATM基本原理 将IP数据包在ATM层封装为ATM信元，将数据以ATM信元的形式在信道中进行传输 IP over SDH基本原理 将IP数据包通过PPP协议，或其他一些数据链路层协议如LAPS直接映射到SDH/SONET帧，去除了中间的ATM层。,IP over GE基本原理 使用路由器中的千兆比特线路卡可以提供与SDH相当的容量，但花费只是SDH的六分之一左右 千兆比特以太网支持在IEEE 802.1Q和802.1P标准中所定义的一些服务等级，通过向“加贴标记”的包中加上优先级指示，可

29、在以太网上方便容易地实现分等级服务,IP over WDM的发展 ATM和SDH不是适配层最有效的选择，简化IP到WDM的适配过程是未来网络体系结构的发展趋势 IP与光网络的融合可以实现优势互补： 结合光层和IP层的路由功能，可以提供动态的波长路由 结合光层的保护功能和IP层的恢复功能，可以提供多种保护恢复方案，生存性 IP智能控制协议丰富，WDM技术提供巨大的带宽 IP over WDM的实现方式： MPLS 数字包封技术,1.在本地网LAN中的应用 LAN可以说是以太网应用最多的网络环境。校园网是典型的小型IP LAN，其硬件系统组成包括主机系统、传输介质、modem、网卡、Hub、wit

30、ch、路由器等。在计算机网络中常用的传输介质包括光缆、双绞线和同轴电缆等。 校园网分层布线采用树型结构。每个房间的计算机连接到本层楼的集线器或交换机，然后连接到本楼出口的交换机或路由器，再连接到校园网的通信网中，或者直接连接到骨干交换机或路由器，由此构成了校园网的混合结构。 通常网络拓扑的分层结构包括三个层次，即核心层、分布层和接入层。,3.2 IP光网络的应用,2.在城域网MAN中的应用 使用10GE光以太网的城域网和传统的电信城域网在组网结构上有着本质上的区别，它可以省去ATM、SDH等设备直接实现以太网长距离传送。,基于10GE的光以太城域网与传统电信城域网的组网比较,3.在广域网WAN

31、中的应用 高速GE能够为基于现有的SDH网络上分散连接的LAN或业务供应商POP的MAN之间提供低成本的业务。当前，光纤以太网真正走向广域网还面临许多复杂问题，但是以太网固有的种种优势，促进了各设备厂商、运营商和标准化机构努力解决这些问题。,3.3 光联网设备,光分插复用器OADM 光交叉连接设备OXC 光交换设备 光路由设备,光分插复用器OADM,基本原理 通过将传输光通路中的上下业务波长或直通波长进行光复用、解复用等处理实现业务提供的一种光通信技术 主要功能 从传输设备中有选择地下路（DROP）通往本地的光信号，同时上路（ADD）本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输,OADM的结构 解复用、分插控制滤波单元、复用单元等 解复用单元并不是将所有的波长都从来纤中进行解复用操作，OADM节点用解复用器分出需要下路的光波长（d），同时把要上路的波长（a）经过复用器复用到光纤上进行传输 由于OADM的波长通道之间没有交换功能，所以OADM比较适合于环形网络的组建,光交叉连接设备OXC,光交叉连接设备OXC是实现全光网络的核心器件 光交叉连接设备相当于一个具有多个标准的光纤接口模块，可以把输入端的任一光纤信号（或各波长信号）可控地连接