光通信网络——SDH/MSTP

　　SDH网络-原理

　　不做传输网的事情转眼一年有余，该好好做个复习笔记，也算是为我的传输工作做一个小结吧。想写三篇，第一篇理论，第二篇写开局维护和排错，第三篇写SDH网络在ISP营运中的业务模式和发展趋势。希望能和大家学习交流，共同进步。但本人水平有限，错漏之处在所难免，光通信领域专家如云，高手如雨，恳请指正，email:xikx@163.com。

　　从一个提问开始

　　这是我曾经在工作中被经常被问到的一个问题，SDH是第一层还是第二层技术?看似平淡无奇，回答起来却不那么容易，没有哪个协议对这个问题有明确的回答。

　　先给一个参考观点：二层技术，二层帧是为了将所需要的数据从数据流中分离提取出来而设计的，并不是只有以太帧，FR帧是二层帧，只要有明确的分割界限，能顺利提取所需要数据，就算是二层帧，所以SDH帧、MPEG-2帧都是二层帧。检查一下SDH帧，SDH有独立完整的帧结构，9*270，每个基本单元虽然是由时间切片得到，但从数据的角度看，它所承载的数据长度是固定的，所以全帧长度也是固定的。其次是数据提取，指针、定帧字节和各个段的定位字节共同完成全帧在数据流中的定位，综上所述，SDH位于OSI模型中的第二层。最后引用一个文献来证明观点，《TCP/IP路由技术》(人邮二版)卷一第一章第一节，明确地将SONET和以太网、帧中继、ATM一起划入了数据链路层。到此问题解决，有理有据，是这样的吗?了解了SDH后再讨论。

　　确定一下SDH技术在光网络中的位置

　　光网络应该可以分为骨干传输网和光接入网两大块。骨干传输网由波分系统和SDH系统组成。随着各种数据业务需求的带宽不断提升，SDH设备早已经由广域网转向城域网，从核心层向接入层转移，为IP提供承载网服务。但是，SDH网络最初是为了TDM业务而设计的，而对于IP业务的承载有着先天不足，在p2p和钢行管道的特性控制下，所有动态分配的统计复用型业务，将会大量占用业务总线，使跨逻辑系统的交叉资源迅速耗尽。

　　在了解SDH原理之前

　　在这里所有百度能查到的东西我都要偷懒掉了，下面写点预备知识，简单串一下。

　　SDH属于电路交换，电路交换和分组交换分头发展，分别自成体系，趋向融合，两种技术根本区别就在于对数据是存储转发还是直接传输，电路交换就是野蛮的直接传输了，所有超出电路传输能力的数据，统统丢掉，不过进化总是不会中断的，现在的电路交换，在接口上实现了存储转发，一切OK。

　　回到物种起源的话题。电路交换也经历了从电到光，从模拟到数字的一个过程，从摇把电话的人工交换讲起未免太过遥远，程控交换也不是我能讲的了的，还是从PCM讲吧，PCM切割出来的基准时隙就是一条64Kbit/s的通道了，数字PCM的标准话路DS0就占用这样一个时隙。E1、T1是PCM的两个标准，帧频都一样(8000F/s)，速率不同。E1包含32个时隙，其中TS0为定位时隙，TS16为控制信令;T1包含24个时隙，其中TS24的最后一个bit为定位字，而控制信令从每个时隙周期性借用。

　　刚才说的是TDM时分复用，其实信道切割复用的技术还有几种：SDM空分复用，FDM频分复用，CDM码分复用(这个一般和多址技术结合，就是CDMA了)。

　　WDM波分复用的实质是光信号载波方式的超高频分复用。而统计复用实质是异步时分复用，动态按需分配时隙。各种复用技术经常结合在一起应用，比如PDH/SDH，同时使用了时分复用和空分复用技术，数字电视信号则同时使用了时分复用和频分复用技术。

　　PDH是SDH的前身，把E1为基础的电路载波到光信号上完成光传输的任务，光路码型为加扰NRZ。要是开个10M8M的p2p业务，PDH方便又实惠-_-;;;PDH和SDH的区别在于传输过程中复用方式不同，PDH使用了正码速调整技术逐级复用，而SDH使用了指针调整技术同步复用，在高速信号中明确的指示出了各级低速信号的位置。

　　PDH/SDH的“透明”传输，指的是收信端的信号码率与发信端的码率相等，从而实现对接口外设备透明。

　　SDH/SONET原理

　　终于讲回SDH了。首先是SDH和SONET的区别：1、基础容量不同，SONET的STS-1为51.840Mb/s，SDH的STM-1为155.520Mb/s;2、由于复用路径不同，所以指针定位点和净荷都有些微小的差别;3、开销字节定义不同，这个差别实际上是不同厂商产品的差别，标准字节都存在着理解上的差异，更不用说自定义字节了;4、一些术语的对应关系：SONET的LAPS=SDH的线性MSP，SONET的BLSR=SDH的双向MSP，SONET的UPSR=SDH的SNCP。除了这些区别，SDH和SONET是一样的。

　　然后说说SDH基础理论，再偷懒一下，扫盲的工作让B培教材来完成，教材本身是依据ITUT建议整理的，讲的比较系统，我添加了一点批注。

　　另外做一些补充，串一下思路：

　　在SDH中，从C12向STM-1复用，可以映射出63个2M，从C4向STM-1复用，可以映射出64个2M。而在SONET中，从T1向OC1复用，可以映射出28个T1。

　　从C12向STM-1的复用过程就可以看出来63个2M在STM-1中的排序规律，华为是这样的1-1-1，2-1-1，3-1-1，1-2-1……3-7-1，1-1-2，2-1-2……3-7-3;cisco/lecent是另一种1-1-1，1-1-2，1-1-3，1-2-1……3-7-3。设备对接时经常需要换算出E1的序号，有计算公式但我从来没记住过，还是心算来的快。

　　教材里STM-1的帧结构很经典，其中的指针和开销字节是故障定位排查时最常用的，比如保护倒换失败了，查查K1K2字节的穿通情况，设备对接有问题了，看看J1/J2/C2都匹配么。

　　在STM-1的净荷里总共是783×3个字节，编号从0到782。这些字节在传输的时候先被间插一遍，单帧情况下，0号字节是紧跟在指针后面的，而AUPTR指示是下一帧的J1字节，正常就是522号字节。滑帧/滑码发生时，指针开始调整，指针值就不再是522了。

　　帧结构中的每个字节实际就是一条64K电路，可以看作SDH管道中的小管道，但是需要注意的是SDH设备所能够分离出的最小颗粒是E1，把2M再做切割，就是固网的任务了。SDH帧就是通过时间切片得到的，画个示意图：大概就是这样一个管道，在不同的时间点切下去，就得到了STM-N。

　　SDH网络的保护倒换

　　SDH的业务都是由点到点类型的业务组合而成的，线型的网络无法实现业务保护，两纤环网是最常见的可保护组网类型，通常就是两纤单向PP环和两纤双向MSP环。

　　SNCP/PP保护的机理是双发选收，是基于硬件的保护，PP倒换发生在支路板上，而SNCP还需要由交叉板来动作完成保护倒换。PP保护中各个通道是独立的保护对象，SNCP保护里，完全可以将多个通道捆绑，共用一个SNCP业务对，所以说PP保护是SNCP保护的特殊应用。

　　MSP保护的机理是使用K字节全环贯通实现的基于软件的保护，由交叉板完成保护倒换动作，倒换速度较慢，一般要十几毫秒以上，具体耗时也和全环长度、光缆衰耗、K字节处理时间等参数有关。ITUT对MSP环做了限制，16个节点，1200KM，所以K字节中表示每个节点只使用了4个bits。

　　SDH的网络同步

　　实现网同步，对SDH网络时钟信号的精度要求很高(输入输出接口上要求同频同相)，一般是把BITS和GPS接收机提取的信号综合后接入，接入时如果要启动SSM协议，就必须用2M信号接入。

　　华为是使用时钟ID来避免产生时钟互锁现象。ZTE保密了相关技术并申请了专利，不过各厂商的设备对于时钟互锁，都是可以软件自动解决的，无非是怎么设置的问题。

　　误码和指针

　　误码的检测字节是B1-再生段，B2-复用段，B3-高阶，V5-低阶。因为采用了BIP偶校验的检测方式，所以只能抽检奇数位比特的差错。

　　高阶误码一般都会引发低阶误码，高阶指针调整一般不会引发低阶指针调整(调整量大的时候就不仅仅是引发低阶指针调整了，具体情况分析的到开局维护再说吧)。

　　漂移抖动对于实际维护的指导意义并不大，我一直只是把它们当作设备选型做入网测试时的一些指标。实际工作中反映出来的误码和指针调整就按照误码和指针调整的正常处理方法来解决就好，如果真的是硬件原因引起了漂移抖动，换板吧，需要继续讨论是漂移还是抖动吗?没有这个必要。

　　以上内容主要围绕着B培原理展开，算是把SDH的基本理论过了一遍，接着写一些设备相关的基础知识。基本原理清晰了以后各厂商的设备可以触类旁通，我对华为的传输产品体系比较熟悉，主要还是基于华为设备来写吧。

　　ECC通信协议

　　所有的通信网络，寻址都是一个不大不小的课题，和包交换不同，SDH网络调度的基本单位是电路。电路的调度走的是业务总线，网元的管理监控和网元之间相互通信，走的是开销总线。ECC协议栈是SDH通信的标准协议，IETF的相关建议分布在OSI模型的各层，SDH网络中的设备通过ECC来实现通信。各个厂商的网元网管通信方式差别不大，都是针对D1-D12字节开发实现的，不过华为将协议私有化了而已。

　　设备有两个标识，IP用于TCP/IP通信，ID用于设备间的ECC通信。ID是在主控板上拨码拨出来的，要求全网不重复。IP一般随着ID拨码情况而变化，通过软件设置得到的IP就不再跟随ID拨码变化了。

　　网络规模扩大的情况下D1-D12字节承载的DCN通道会因为大量的告警性能信息发生拥塞现象，阻断ECC通信，造成网元脱管、告警不上报、甚至主控复位。两个解决办法，一是限制ECC子网的大小，在RMS时代要求子网内的网元是在64个网元以内，实际上接近100个也没什么问题。二是另开2M作为DCN的带外通道，适合超大型的网络的情况。

　　业务总线和开销总线

　　主控单元可以热插拔，交叉单元就绝对不可以。主控拔掉后，切断了本网元开销总线之间的连接，ECC仍然可以通过交叉单元在本网元穿通，但是交叉被拔掉，就切断了所有DCN通道以及本网元业务总线之间的连接。

　　总线都是位于背板上的，业务总线延伸到交叉板，负责电路调度，开销总线延伸到主控板，负责管理维护。业务总线越宽，可以支撑的交叉容量就越大，设备性能就越强悍。具体设备的总线结构在开局维护里再写，大体上网络运行时间长了，业务量上来，交叉和总线资源总是有限的，已经到了画不出详细时隙图的地步，那么如果遇到了毫无征兆的业务下发失败，不必大惊小怪，检查清理业务总线吧……

　　开销总线维持着各个单板和主控板之间的联系，要注意的是，不是所有的单板都能够分到SCCnumber号，只有逻辑系统里的线路口才有权获得这个号码，号码耗尽时也有可能分不到，这时这个口就不能用来组织MSP了，SCCnumber在排错时是比较实用的。

　　还有一些设备知识不具有普遍意义，或者对SDH理论的理解没什么帮助，下次再写。SDH原理大概是这些，要深挖的话切入点也不少，随着技术的发展，SDH含盖的范围在逐渐拓展，IP over SDH是怎样实现的?MSTP是什么样的网络架构?我尝试着解释，与大家共同学习提高。

　　IP包向SDH净荷的映射

　　所有SDH电路是端到端的，LAPS和HDLC都有应用局限，所以使用PPP做为SDH承载IP的协议，IETF的标准就是这样定义的，相关RFC为1619和1662。PPP封装的开销是很低的，IP包经过PPP封装，就变成了一串字节流，然后再映射到SDH的通道上。IPV6也是一样的，使用PPP封装向SDH里映射。

　　接口方面包交换网络这一侧使用POS接口，SDH网络使用标准STM-N光/电接口。另一种通过SDH网络分解出来的E1电信号，就和标准的PDH信号一样，同样是PPP封装，通过V.35串口接入包交换网络。

　　如果需要将2M信号再切割到64K，接口就改为CE1，需要将STM-1信号切割到2M，接口相应的使用CPOS接口，前面有提到E1序号对应的问题就出现在这里。

　　MSTP

　　SDH的基础速率155M，实际能达到的带宽只有一百二十多M，SONET能提供的带宽还要稍大一些，但是数据流量如果超出这个峰值，就直接丢包。要解决这个问题，那么就把存储转发做到端口上去，MSTP技术应运而生。MSTP网络内部仍然是SDH的电路交叉、绑定、调度，接口换上了RJ45口，整个MSTP网络就成了一个二层交换机，交换机的各个接口分布在不同的网元上，最后划上VLAN分割广播域，这里的VLAN在SDH网络内部有效，对外透明。当然为了实现这些功能，MSTP也使用了一些新技术：

　　MSTP需要考虑的是以太帧向SDH净荷映射的一个过程，进入接口的以太帧被打上tag进行标记识别(注意这个标签只用于SDH网络内部对外毫无意义)，然后切割封装。一开始，PPP又承担起了封装任务，而相较之下GFP同时支持定长帧和变长帧，效率稍高一点，所以MSTP也逐渐转向GFP封装，目前大部分MSTP的实现模式是mac->GFP->SDH。

　　虚级联和LCAS 技术用于解决SDH的速率等级与以太网的速率等级不匹配的问题，提高带宽利用率。通过改变设备的交叉结构和新定义开销字节，虚级联拆除了SDH传输中固有的复帧结构，而LCAS实现了基于2M基础单元的带宽动态分配。

　　最后是服务质量，SDH中大量未定义字节为服务质量策略的部署提供了良好平台。与MSTP插入tag的方式相比，CAR的实现有些不同，通过字节定义出的CAR可以基于端口实施限速，也可以和vlan绑定基于应用类型进行限速。

　　为以太帧加标签的技术大大鼓舞了MSTP技术的发展。既然加了标签的帧在SDH网络内部是被切成小片传输的，那加几层标签都影响不大，挣脱了mtu的束缚，各种加标签的技术都被MSTP给用上了，当然只在MSTP网络内部有效，对外还是透明的。比如QinQ(就是EoMPLS的一种)，MPLS VPN，RSVP/TE等等，这些都是分组交换的技术，也让我一度很困惑，MSTP网络内部又不存在对外可识别的接口/设备跳记数，这些技术有多大的价值呢?

　　而后ASON横空出世，解决了我的困惑，MSTP终于走上三层了，不再透明了。但是到现在为止，市场和ASON的销量证明了一切。把SDH设备直接做上三层，成本远高于数据网设备，还丧失了SDH网络的安全性，电路交换和分组交换融合确实是大趋势，但这样的融合，市场不承认，就没有生命力。在经历了ASON的失败，现在的PTN出现之后，不少用户都保持了相对谨慎。

　　对比起L2TP的伪线技术，MSTP网络实现any to any连接采用的方法还是比较原始，当链路两侧的码率不一致的时候，传输质量要受到其他一些影响，比如协议转换、接口电气性能等。

　　RPR/RRPP

　　Halabi在《城域以太网》中详细描述了Ethernet over Sonet的过程，RPR弹性分组环就是由cisco提出的实施框架。RRPP是华为为了在SDH网络中实现RPR而开发的过渡私有协议，体现了RPR的部分思路。

　　RPR与SDH的保护方式有一些区别，还没写好，随后补上。

　　最后要回到开篇的那个问题，SDH网络是电路交换的钢性管道，提供的是定速率的数据传输管道，即电路。SDH的帧由时间切片组成，在每个时间片内，管道中数据定长，合成一个SDH帧。所以SDH的本质还是电路交换，mac帧、ppp帧是SDH网络向上层延展时的承载内容，这样看来SDH是属于物理层的。但是篇首关于二层帧的理解，并无破绽，正因为理解的角度不同，产生了不同的结论，分层模型是普遍适用的么……