Ethernet-over-PDH技術(shù)概要

摘要：摘要: Ethernet-over-PDH (EoPDH)是一組技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，用于在已建立的PDH電信網(wǎng)上傳輸本地以太網(wǎng)幀，這項(xiàng)技術(shù)可以讓運(yùn)營商充分利用由傳統(tǒng)PDH和SDH設(shè)備所組成的網(wǎng)絡(luò)，并提供新的以太網(wǎng)服務(wù)。此外，EoPDH也為網(wǎng)絡(luò)互通以及運(yùn)營商向以太網(wǎng)的逐步過渡鋪平了道路。本文將闡述EoPDH所使用的技術(shù)，包括G.7041定義的GFP幀封裝、G.7043定義的Ethernet-over-PDH幀映射、鏈路聚合、G.704定義的鏈路容量調(diào)整、Y.1731和Y.1730定義的管理消息傳遞、VLAN標(biāo)簽、QoS優(yōu)先級以及高層應(yīng)用等(如DHCP服務(wù)器和HTML用戶界面)。

在非以太網(wǎng)上傳輸以太網(wǎng)的技術(shù)已存在了很多年。為了實(shí)現(xiàn)一個看上去相當(dāng)簡單的任務(wù)，即：將距離為X的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B鏈接起來，往往需要開發(fā)眾多的技術(shù)、協(xié)議和設(shè)備。到目前為止，已經(jīng)有越來越多的方法可以實(shí)現(xiàn)這一簡單任務(wù)。從最早使用300波特率FSK調(diào)制解調(diào)器的計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)到今天先進(jìn)的Ethernet-over-SONET/SDH系統(tǒng)，這項(xiàng)工作目的基本上并無變化。但近些年各方面的努力已進(jìn)一步推動了解決此任務(wù)有關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，并使其迎合現(xiàn)今的需求。某些發(fā)展的“分支”技術(shù)已慘遭失敗，而另外一些則獲得全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，如DSL技術(shù)。我們?nèi)绾尾拍艽_定新興的分支技術(shù)可以持久生存下去？從“后見之明”來看，能夠歷久不衰的技術(shù)通常能夠在服務(wù)質(zhì)量、可靠性、可用帶寬、可擴(kuò)展性、互通性、易用性、設(shè)備成本以及運(yùn)營成本之間達(dá)到一種理想的平衡。而在任何一個方面表現(xiàn)欠佳的技術(shù)則不會被廣泛采用，最終消失或只在小范圍內(nèi)應(yīng)用。我們可以從這些方面著眼，對新興的Ethernet-over-PDH (EoPDH)技術(shù)進(jìn)行評估。

概括而言，EoPDH通過準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)傳輸技術(shù)將本地以太網(wǎng)幀在現(xiàn)有的電信銅纜基礎(chǔ)架構(gòu)上傳輸。EoPDH實(shí)際上集合了眾多的技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)，使運(yùn)營商可以充分利用其傳統(tǒng)PDH和SDH (同步數(shù)字體系)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)提供以太網(wǎng)服務(wù)。此外，EoPDH標(biāo)準(zhǔn)也為網(wǎng)絡(luò)互通以及運(yùn)營商向以太網(wǎng)的逐步過渡鋪平了道路。EoPDH中使用的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)包括：幀封裝、映射、鏈路聚合、鏈路容量調(diào)整及管理消息傳遞等。EoPDH設(shè)備的常見操作也包括為分離虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)標(biāo)記數(shù)據(jù)、用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級處理，以及大量的高層應(yīng)用(如DHCP服務(wù)器和HTML用戶界面)。

幀封裝的過程是將以太網(wǎng)幀以載荷的形式放在一個供非以太網(wǎng)傳輸?shù)妮o助格式內(nèi)部。封裝的主要目的是識別幀的起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)。此過程被稱為幀劃分。在實(shí)際的以太網(wǎng)絡(luò)中，幀分隔符和長度字段起到幀劃分的作用。封裝的另一個作用是將則間歇(“突發(fā)”)發(fā)生的以太網(wǎng)傳輸變?yōu)橐环N流暢的、連續(xù)數(shù)據(jù)流。在某些技術(shù)中，封裝還扮演著錯誤校驗(yàn)的角色：通過將幀校驗(yàn)序列(FCS)添加到各幀可實(shí)現(xiàn)錯誤校驗(yàn)。現(xiàn)有的封裝技術(shù)甚多，包括高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)、SDH鏈路訪問規(guī)范(LAPS/X.86)以及通用成幀規(guī)范(GFP)。雖然理論上任何一個封裝技術(shù)都可在EoPDH中應(yīng)用，但只有GFP最具應(yīng)用優(yōu)勢，并已成為一種廣受接納的封裝方式。大部分的EoPDH設(shè)備也支持HDLC和X.86封裝，這兩種技術(shù)與傳統(tǒng)系統(tǒng)之間的互通性甚佳。

ITU-T G.7041標(biāo)準(zhǔn)所定義的GFP利用信頭差錯控制(HEC)技術(shù)來進(jìn)行幀劃分。對于其它使用起始/停止標(biāo)記的封裝協(xié)議而言(如HDLC)，當(dāng)用戶數(shù)據(jù)中存在起始/停止標(biāo)記時通常會造成帶寬擴(kuò)展，必須使用更長的轉(zhuǎn)義序列予以替代。通過利用HEC幀劃分技術(shù)，GFP無需在數(shù)據(jù)流中進(jìn)行標(biāo)志置換。這使GFP可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且可預(yù)測的載荷吞吐量。對于需要向顧客保證吞吐量的運(yùn)營商而言，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。圖1顯示了映射后GFP幀(GFP-F)的幀格式，以及和HDLC幀的對比。請注意本地以太網(wǎng)的字節(jié)數(shù)和GFP-F封裝以太網(wǎng)的字節(jié)數(shù)是一樣的。這個小細(xì)節(jié)使速率的匹配更為簡單。一旦以太網(wǎng)幀被封裝到一個高層協(xié)議(用于進(jìn)行幀劃分)中，他們隨時可以被映射傳輸。


圖1. HDLC和GFP幀結(jié)構(gòu)對比

映射過程是將封裝后的以太網(wǎng)幀置于一個“容器”內(nèi)，以在鏈路上傳輸。不同的技術(shù)對這些容器有不同的命名。概括而言，容器的主要用途是對齊信息。一些容器也提供管理/信令通路以及鏈路質(zhì)量監(jiān)測功能。容器通常有著嚴(yán)格的格式定義，在預(yù)定位置進(jìn)行開銷監(jiān)測和業(yè)務(wù)管理。SDH容器的例子包括C-11、C-12和C-3?！案陕贰焙汀爸贰蓖ǔＲ灿脕碇窹DH容器。 PDH的例子則包括DS1、E1、DS3和E3成幀架構(gòu)。在大多數(shù)情況下，一個或多個低速率容器可以形成(“映射”)一個更高速率的容器。在SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)中，人們還定義了虛信道(VC)和支路單元，并提出一些基本容器以實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。

基本DS1和E1支路的幀格式見圖2。請注意每個幀均為成幀信息預(yù)留了位置。成幀位(或字節(jié))的目的是為接收節(jié)點(diǎn)提供對齊信息。結(jié)構(gòu)化的幀格式每125ms重復(fù)一次。24個DS1幀形成一個擴(kuò)展超級幀(ESF)。16個E1幀就是一個E1復(fù)幀。通過利用這些成幀信息，接收節(jié)點(diǎn)可以將接收的比特轉(zhuǎn)為單個時隙或信道。 在傳統(tǒng)電話技術(shù)中，每次時隙(或信道)只能承載單個電話呼叫的量化信息。當(dāng)傳輸成包數(shù)據(jù)時，所有的時隙都可作為一個單獨(dú)容器使用。


圖2. PDH幀格式范例

當(dāng)封裝后的以太網(wǎng)幀在PDH上傳輸時，以太網(wǎng)幀之間的時間被一個空號填充。當(dāng)GFP封裝幀在DS1或E1傳輸時，所傳輸?shù)男畔t按字節(jié)對齊。對齊方式要比DS3稍為復(fù)雜。ITU-T G.8040標(biāo)準(zhǔn)中對DS3鏈路定義了四字節(jié)對齊的規(guī)則。圖3所示的是一個GFP封裝的DS1以太網(wǎng)范例。請注意封裝后以太網(wǎng)幀的位置獨(dú)立于DS1成幀格式位(“F”)，并是按字節(jié)對齊的。雖然圖中并沒有承載信息，但在傳輸之前就已對承載信息應(yīng)用了X43+1置亂算法。類似的映射和置亂技術(shù)也被應(yīng)用于SDH運(yùn)輸容器中。ITU-T G.707標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)闡述了如何將以太網(wǎng)幀直接映射到SDH中。


圖3. GFP封裝的以太網(wǎng)幀被映射到DS1超級擴(kuò)展幀(ESF)

鏈路聚合是將兩個或兩個以上的物理鏈接整合成單個的虛鏈接的過程。鏈路聚合實(shí)際上是在多信號通道上分配數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化方法，將從不同通道上接收的信息與不同的等待時間對齊，然后將重新編譯數(shù)據(jù)，移交給高層的協(xié)議。 鏈路聚合并不是一門新技術(shù)。多鏈路幀中繼(MLFR)、多鏈路PPP (MLPPP)、多鏈路規(guī)范(X.25/X.75 MLP) Inverse Multiplexing over ATM (IMA)等均只是鏈路聚合技術(shù)。其中，IMA和MLFR的應(yīng)用范圍最廣。


圖4. 鏈路聚合應(yīng)用范例

鏈路聚合主要用于增加兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的帶寬(如圖4所示)，減緩向高吞吐量PDH或SDH支路的傳輸。某種形式的鏈路聚合，如第一公里以太網(wǎng)(EFM，見IEEE 802.3ah)，將多個DSL鏈路綁在一起，以提高給定距離內(nèi)的吞吐量，更為重要的是在給定吞吐量的基礎(chǔ)上有效增加服務(wù)距離。

現(xiàn)今的SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)所使用的主要鏈路聚合技術(shù)叫做虛級聯(lián)(VCAT)，在ITU-T G.707標(biāo)準(zhǔn)中定義。此標(biāo)準(zhǔn)利用現(xiàn)有開銷通道作為VCAT開銷。但是，當(dāng)將VCAT的理念應(yīng)用于PDH網(wǎng)絡(luò)時，現(xiàn)有的管理通道就不夠用了，需要給VCAT開銷分配一個新的空間。從圖5中可以看出DS1鏈接中VCAT開銷的位置。開銷字節(jié)占據(jù)了每個已串聯(lián)DS1超級擴(kuò)展幀的第一個時隙。


圖5. DS1的虛級聯(lián)(VCAT)開銷

由VCAT開銷字節(jié)創(chuàng)建的管理通道將用于傳送有關(guān)各個鏈接的信息。對于每個已傳輸?shù)腄S1超級擴(kuò)展幀或E1復(fù)幀，每個鏈接將被附上一個VCAT開銷字節(jié)。因此， DS1可用帶寬中的1/576將被用于VCAT開銷。

VCAT開銷的定義見圖6所示。圖中所顯示的16字節(jié)是一次一個字節(jié)地附在連續(xù)的16個DS1超級擴(kuò)展幀上進(jìn)行傳輸。每過48ms這些字節(jié)就會重復(fù)一次。

VCAT開銷字節(jié)的低字節(jié)包括復(fù)幀標(biāo)示符(MFI)，該標(biāo)示符用于將傳輸延遲時間不同的幀對齊。高字節(jié)包含一個唯一的控制符(復(fù)幀指示符的16個值都有)。該高字節(jié)叫做VLI，包含虛級聯(lián)和鏈路容量調(diào)整機(jī)制(LCAS)信息。


圖6. DS1/E1中的VCAT開銷字節(jié)定義

級聯(lián)的鏈接亦被稱之為虛級聯(lián)組(VCG)。虛級聯(lián)組的所有成員都有自己的VCAT開銷通道，如圖7所示。圖7也顯示了虛級聯(lián)組成員數(shù)據(jù)位置。ITU-T G.7043標(biāo)準(zhǔn)中闡述了完整的EoPDH鏈路聚合規(guī)范。


圖7. 四成員DS1虛級聯(lián)組數(shù)據(jù)分布

鏈路容量調(diào)整通過增加或刪除兩個節(jié)點(diǎn)間的邏輯鏈接來調(diào)整聚合吞吐量。當(dāng)添加或刪除虛級聯(lián)組的成員時，兩個端節(jié)點(diǎn)利用LCAS進(jìn)行協(xié)商。LCAS利用VCAT開銷通道執(zhí)行協(xié)商功能。 在LCAS的幫助下，虛級聯(lián)組的帶寬可以在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下得到增加。另外，有故障的鏈路將被自動刪除，以在最大程度上降低對業(yè)務(wù)的影響。有關(guān)LCAS的完整標(biāo)準(zhǔn)請參見ITU-T G.7042/Y.1305。

管理消息傳遞主要用于傳送兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的狀態(tài)、報告故障并測試連通性。 在運(yùn)營商的以太網(wǎng)絡(luò)中，這些通常被稱之為"運(yùn)行、管理與維護(hù)" (OAM)。OAM的重要性在于，它可以減輕網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行負(fù)擔(dān)、檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)性能并降低運(yùn)行成本。 OAM與用戶所得到的服務(wù)水平息息相關(guān)。OAM會自動檢測網(wǎng)絡(luò)的性能下降或故障、在必要時自動執(zhí)行恢復(fù)操作，并記錄故障時長。

所交換的消息即稱為OAM協(xié)議數(shù)據(jù)單元(OAMPDU)。業(yè)界已定義了16個不同用途的OAM協(xié)議數(shù)據(jù)單元：監(jiān)視狀態(tài)、檢查連通性、檢測故障、報告故障、定位錯誤、返回?cái)?shù)據(jù)并防范安全漏電洞。國際電信聯(lián)盟(ITU)已定義了管理域的層，使用戶的網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)可以通過運(yùn)營商OAM管理的各個點(diǎn)到點(diǎn)鏈路。國際電信聯(lián)盟還定義了管理實(shí)體間的交互，使多個運(yùn)營商可以無縫管理端到端的數(shù)據(jù)流。電氣和電子工程師學(xué)會(IEEE)、國際電信聯(lián)盟(ITU)和城域以太網(wǎng)論壇(MEF)已共同規(guī)定了OAM協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式和用法。適用標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 802.3ah和802.3ag，以及ITU-T Y.1731和Y.1730。

標(biāo)簽功能使運(yùn)營商可以在其網(wǎng)絡(luò)的任何位置識別出某個顧客的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 相應(yīng)的幾個技術(shù)包括：VLAN標(biāo)簽、多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)和通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(GMPLS)。所有這些技術(shù)都會在入口處(業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)首次進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的位置)在每個以太網(wǎng)幀中插入幾個識別字節(jié)，然后在幀離開網(wǎng)絡(luò)時移去這些信息。 每種技術(shù)也都提供除標(biāo)簽以外的其它功能。例如，VLAN標(biāo)簽還包括數(shù)據(jù)優(yōu)先級別排列的字段，而MPLS/GMPLS還可用于“切換”數(shù)據(jù)(如，決定某個幀的目的地，并將其送到網(wǎng)絡(luò)中的適用位置)。

優(yōu)先級功能可用于以太網(wǎng)幀在網(wǎng)絡(luò)中的任何位置的緩沖。當(dāng)幀在緩沖區(qū)等待時，優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)將被首先傳輸。 你可以將其想象為在紅燈亮起時將等待的車輛重新排隊(duì)。當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)的輸出速率小于輸入速率時，則需要用到緩沖。通常這種情況都是網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的，不會持續(xù)很長時間。 如果某個節(jié)點(diǎn)的輸出速率長時間比輸入速率低，則必須采用流量控制以減緩來自數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。后一種情況在局域網(wǎng)(LAN)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)入廣域網(wǎng)(WAN)鏈接時比較常見(長距離下的帶寬成本較高)。 此節(jié)點(diǎn)通常稱之為“入口節(jié)點(diǎn)”，在對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級排序中發(fā)揮著重要作用。優(yōu)先級和流量控制這兩個概念是服務(wù)質(zhì)量(QoS)的基石。 許多人會都會產(chǎn)生這樣的誤解：優(yōu)先級為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供了一個良好的"暢通管路"。實(shí)際上，優(yōu)先級和調(diào)度只是允許"更重要"的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在緩沖節(jié)點(diǎn)位置處可以更早傳送。良好的服務(wù)質(zhì)量還應(yīng)考慮到其它的因素。

高層應(yīng)用由某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，可以發(fā)揮各類使用。 二層(數(shù)據(jù)鏈路層)和三層(網(wǎng)絡(luò)層)應(yīng)用最為常見。二層應(yīng)用包括會影響點(diǎn)到點(diǎn)通訊的一些協(xié)議，包括地址解析協(xié)議(ARP/RARP/SLARP/GARP)、點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP/EAP/SDCP)以及橋接協(xié)議(BPDU/VLAN)。 三層應(yīng)用則包含主機(jī)間通訊的協(xié)議，包括引導(dǎo)程序協(xié)議(BOOTP)、動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)、Internet組管理協(xié)議(IGMP)和資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)。四層(傳輸層)協(xié)議的應(yīng)用并不常見，但通常只服務(wù)于高層的應(yīng)用。

EoPDH設(shè)備用到的七層(應(yīng)用層)協(xié)議也不多。這些協(xié)議包括用于提供HTML用戶界面網(wǎng)頁的超級文本傳輸協(xié)議(HTTP)，以及通過用戶的網(wǎng)絡(luò)管理工具提供自動設(shè)備監(jiān)測的簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)。

服務(wù)質(zhì)量和可靠性：以太網(wǎng)OAM使服務(wù)質(zhì)量大大高出利用DS1/E1或DS3/E3等技術(shù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。在監(jiān)測之下，鏈路的性能降低以及鏈路故障均可自動報告，并且恢復(fù)運(yùn)行也是自動進(jìn)行。由于傳輸基礎(chǔ)是PDH網(wǎng)絡(luò)，這樣現(xiàn)有的PDH管理工具也可以得到利用。在將來，PDH和以太網(wǎng)管理工具可以合并，帶來更高的透明度并統(tǒng)一管理界面。

帶寬需要和可擴(kuò)展性：EoPDH鏈路聚合功能可以按1.5Mbps的增幅擴(kuò)展傳輸所使用的帶寬(從1.5Mbps到360Mbps)。這個帶寬范圍覆蓋了所有的近距離訪問應(yīng)用，包括像IPTV這樣的高帶寬應(yīng)用。在入口點(diǎn)使用承諾信息速率(CIR)電路實(shí)現(xiàn)了更佳的、服務(wù)于最終用戶的帶寬粒度。

互通性和易用性：由于EoPDH技術(shù)利用了現(xiàn)有的PDH技術(shù)，而PDH已經(jīng)建立了基于豐富經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備的基礎(chǔ)架構(gòu)。經(jīng)培訓(xùn)的技術(shù)人員對PDH的使用及維護(hù)已相當(dāng)熟悉，并且PDH測試設(shè)備可比較容易得到。 傳統(tǒng)設(shè)備可用于傳輸、切換，并對PDH輔助通道進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)將EoPDH應(yīng)用于傳統(tǒng)的SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)時，其實(shí)現(xiàn)的互通性帶來了顯著的成本優(yōu)勢。這些技術(shù)的結(jié)合稱之為Ethernet-over-PDH-over-SONET/SDH或EoPoS。EoPoS通過允許重新使用傳統(tǒng)的TDM-over-SONET/SDH設(shè)備降低成本。與用"下一代"Ethernet-over-SONET/SDH (EoS)設(shè)備取代現(xiàn)存的SONET/SDH節(jié)點(diǎn)相比，PDH輔助通道可通過傳統(tǒng)ADM到低成本CPE或EoPDH VCAT/LCAS鏈路聚合設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備成本和運(yùn)營成本：由于可以利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，則只有入口節(jié)點(diǎn)需要啟用EoPDH技術(shù)。通常情況下，啟用EoPDH只需要增加一個小型的DSU (調(diào)制解調(diào)器/介質(zhì)轉(zhuǎn)換器)。先進(jìn)的以太網(wǎng)OAM也通過鏈路監(jiān)控和快速故障定位減少了經(jīng)營成本。未來的設(shè)備可利用基于以太網(wǎng)的協(xié)議進(jìn)行自我配置，大大簡化安裝過程。EoPDH不僅可以節(jié)省運(yùn)營商的成本，用戶的多個(聚合) DS1或E1鏈接的服務(wù)費(fèi)也會比單個高速鏈接(如DS3)的服務(wù)費(fèi)低得多，這樣運(yùn)營商顧客的成本也得到節(jié)省。