SDH網絡-原理

　　不做傳輸網的事情轉眼一年有余，該好好做個復習筆記，也算是為筆者的傳輸工作做一個小結吧。想寫三篇，第一篇理論，第二篇寫開局維護和排錯，第三篇寫SDH網絡在ISP營運中的業務模式和發展趨勢。希望能和大家學習交流，共同進步。但本人水平有限，錯漏之處在所難免，光通信領域專家如云，高手如雨，懇請指正，email:xikx@163.com。

　　從一個提問開始

　　這是筆者曾經在工作中被經常被問到的一個問題，SDH是第一層還是第二層技術?看似平淡無奇，回答起來卻不那么容易，沒有哪個協議對這個問題有明確的回答。

　　先給一個參考觀點：二層技術，二層幀是為了將所需要的數據從數據流中分離提取出來而設計的，并不是只有以太幀，FR幀是二層幀，只要有明確的分割界限，能順利提取所需要數據，就算是二層幀，所以SDH幀、MPEG-2幀都是二層幀。檢查一下SDH幀，SDH有獨立完整的幀結構，9*270，每個基本單元雖然是由時間切片得到，但從數據的角度看，它所承載的數據長度是固定的，所以全幀長度也是固定的。其次是數據提取，指針、定幀字節和各個段的定位字節共同完成全幀在數據流中的定位，綜上所述，SDH位于OSI模型中的第二層。最后引用一個文獻來證明觀點，《TCP/IP路由技術》(人郵二版)卷一第一章第一節，明確地將SONET和以太網、幀中繼、ATM一起劃入了數據鏈路層。到此問題解決，有理有據，是這樣的嗎?了解了SDH后再討論。

　　確定一下SDH技術在光網絡中的位置

　　光網絡應該可以分為骨干傳輸網和光接入網兩大塊。骨干傳輸網由波分系統和SDH系統組成。隨著各種數據業務需求的帶寬不斷提升，SDH設備早已經由廣域網轉向城域網，從核心層向接入層轉移，為IP提供承載網服務。但是，SDH網絡最初是為了TDM業務而設計的，而對于IP業務的承載有著先天不足，在p2p和鋼行管道的特性控制下，所有動態分配的統計復用型業務，將會大量占用業務總線，使跨邏輯系統的交叉資源迅速耗盡。

　　在了解SDH原理之前

　　在這里所有百度能查到的東西筆者都要偷懶掉了，下面寫點預備知識，簡單串一下。

　　SDH屬于電路交換，電路交換和分組交換分頭發展，分別自成體系，趨向融合，兩種技術根本區別就在于對數據是存儲轉發還是直接傳輸，電路交換就是野蠻的直接傳輸了，所有超出電路傳輸能力的數據，統統丟掉，不過進化總是不會中斷的，現在的電路交換，在接口上實現了存儲轉發，一切OK。

　　回到物種起源的話題。電路交換也經歷了從電到光，從模擬到數字的一個過程，從搖把電話的人工交換講起未免太過遙遠，程控交換也不是筆者能講的了的，還是從PCM講吧，PCM切割出來的基準時隙就是一條64Kbit/s的通道了，數字PCM的標準話路DS0就占用這樣一個時隙。E1、T1是PCM的兩個標準，幀頻都一樣(8000F/s)，速率不同。E1包含32個時隙，其中TS0為定位時隙，TS16為控制信令;T1包含24個時隙，其中TS24的最后一個bit為定位字，而控制信令從每個時隙周期性借用。

　　剛才說的是TDM時分復用，其實信道切割復用的技術還有幾種：SDM空分復用，FDM頻分復用，CDM碼分復用(這個一般和多址技術結合，就是CDMA了)。

　　WDM波分復用的實質是光信號載波方式的超高頻分復用。而統計復用實質是異步時分復用，動態按需分配時隙。各種復用技術經常結合在一起應用，比如PDH/SDH，同時使用了時分復用和空分復用技術，數字電視信號則同時使用了時分復用和頻分復用技術。

　　PDH是SDH的前身，把E1為基礎的電路載波到光信號上完成光傳輸的任務，光路碼型為加擾NRZ。要是開個10M8M的p2p業務，PDH方便又實惠-_-;;;PDH和SDH的區別在于傳輸過程中復用方式不同，PDH使用了正碼速調整技術逐級復用，而SDH使用了指針調整技術同步復用，在高速信號中明確的指示出了各級低速信號的位置。

　　PDH/SDH的“透明”傳輸，指的是收信端的信號碼率與發信端的碼率相等，從而實現對接口外設備透明。

　　SDH/SONET原理

　　終于講回SDH了。首先是SDH和SONET的區別：1、基礎容量不同，SONET的STS-1為51.840Mb/s，SDH的STM-1為155.520Mb/s;2、由于復用路徑不同，所以指針定位點和凈荷都有些微小的差別;3、開銷字節定義不同，這個差別實際上是不同廠商產品的差別，標準字節都存在著理解上的差異，更不用說自定義字節了;4、一些術語的對應關系：SONET的LAPS=SDH的線性MSP，SONET的BLSR=SDH的雙向MSP，SONET的UPSR=SDH的SNCP。除了這些區別，SDH和SONET是一樣的。

　　然后說說SDH基礎理論，再偷懶一下，掃盲的工作讓B培教材來完成，教材本身是依據ITUT建議整理的，講的比較系統，筆者添加了一點批注。

　　另外做一些補充，串一下思路：

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

　　從C12向STM-1的復用過程就可以看出來63個2M在STM-1中的排序規律，華為是這樣的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是另一種1-1-1，1-1-2，1-1-3，1-2-1……3-7-3。設備對接時經常需要換算出E1的序號，有計算公式但筆者從來沒記住過，還是心算來的快。

　　教材里STM-1的幀結構很經典，其中的指針和開銷字節是故障定位排查時最常用的，比如保護倒換失敗了，查查K1K2字節的穿通情況，設備對接有問題了，看看J1/J2/C2都匹配么。

　　在STM-1的凈荷里總共是783×3個字節，編號從0到782。這些字節在傳輸的時候先被間插一遍，單幀情況下，0號字節是緊跟在指針后面的，而AUPTR指示是下一幀的J1字節，正常就是522號字節。滑幀/滑碼發生時，指針開始調整，指針值就不再是522了。

　　幀結構中的每個字節實際就是一條64K電路，可以看作SDH管道中的小管道，但是需要注意的是SDH設備所能夠分離出的最小顆粒是E1，把2M再做切割，就是固網的任務了。SDH幀就是通過時間切片得到的，畫個示意圖：大概就是這樣一個管道，在不同的時間點切下去，就得到了STM-N。

　　SDH網絡的保護倒換

　　SDH的業務都是由點到點類型的業務組合而成的，線型的網絡無法實現業務保護，兩纖環網是最常見的可保護組網類型，通常就是兩纖單向PP環和兩纖雙向MSP環。

　　SNCP/PP保護的機理是雙發選收，是基于硬件的保護，PP倒換發生在支路板上，而SNCP還需要由交叉板來動作完成保護倒換。PP保護中各個通道是獨立的保護對象，SNCP保護里，完全可以將多個通道捆綁，共用一個SNCP業務對，所以說PP保護是SNCP保護的特殊應用。

　　MSP保護的機理是使用K字節全環貫通實現的基于軟件的保護，由交叉板完成保護倒換動作，倒換速度較慢，一般要十幾毫秒以上，具體耗時也和全環長度、光纜衰耗、K字節處理時間等參數有關。ITUT對MSP環做了限制，16個節點，1200KM，所以K字節中表示每個節點只使用了4個bits。

　　SDH的網絡同步

　　實現網同步，對SDH網絡時鐘信號的精度要求很高(輸入輸出接口上要求同頻同相)，一般是把BITS和GPS接收機提取的信號綜合后接入，接入時如果要啟動SSM協議，就必須用2M信號接入。

　　華為是使用時鐘ID來避免產生時鐘互鎖現象。ZTE保密了相關技術并申請了專利，不過各廠商的設備對于時鐘互鎖，都是可以軟件自動解決的，無非是怎么設置的問題。

　　誤碼和指針

　　誤碼的檢測字節是B1-再生段，B2-復用段，B3-高階，V5-低階。因為采用了BIP偶校驗的檢測方式，所以只能抽檢奇數位比特的差錯。

　　高階誤碼一般都會引發低階誤碼，高階指針調整一般不會引發低階指針調整(調整量大的時候就不僅僅是引發低階指針調整了，具體情況分析的到開局維護再說吧)。

　　漂移抖動對于實際維護的指導意義并不大，筆者一直只是把它們當作設備選型做入網測試時的一些指標。實際工作中反映出來的誤碼和指針調整就按照誤碼和指針調整的正常處理方法來解決就好，如果真的是硬件原因引起了漂移抖動，換板吧，需要繼續討論是漂移還是抖動嗎?沒有這個必要。

　　以上內容主要圍繞著B培原理展開，算是把SDH的基本理論過了一遍，接著寫一些設備相關的基礎知識。基本原理清晰了以后各廠商的設備可以觸類旁通，筆者對華為的傳輸產品體系比較熟悉，主要還是基于華為設備來寫吧。

　　ECC通信協議

　　所有的通信網絡，尋址都是一個不大不小的課題，和包交換不同，SDH網絡調度的基本單位是電路。電路的調度走的是業務總線，網元的管理監控和網元之間相互通信，走的是開銷總線。ECC協議棧是SDH通信的標準協議，IETF的相關建議分布在OSI模型的各層，SDH網絡中的設備通過ECC來實現通信。各個廠商的網元網管通信方式差別不大，都是針對D1-D12字節開發實現的，不過華為將協議私有化了而已。

　　設備有兩個標識，IP用于TCP/IP通信，ID用于設備間的ECC通信。ID是在主控板上撥碼撥出來的，要求全網不重復。IP一般隨著ID撥碼情況而變化，通過軟件設置得到的IP就不再跟隨ID撥碼變化了。

　　網絡規模擴大的情況下D1-D12字節承載的DCN通道會因為大量的告警性能信息發生擁塞現象，阻斷ECC通信，造成網元脫管、告警不上報、甚至主控復位。兩個解決辦法，一是限制ECC子網的大小，在RMS時代要求子網內的網元是在64個網元以內，實際上接近100個也沒什么問題。二是另開2M作為DCN的帶外通道，適合超大型的網絡的情況。

　　業務總線和開銷總線

　　主控單元可以熱插拔，交叉單元就絕對不可以。主控拔掉后，切斷了本網元開銷總線之間的連接，ECC仍然可以通過交叉單元在本網元穿通，但是交叉被拔掉，就切斷了所有DCN通道以及本網元業務總線之間的連接。

　　總線都是位于背板上的，業務總線延伸到交叉板，負責電路調度，開銷總線延伸到主控板，負責管理維護。業務總線越寬，可以支撐的交叉容量就越大，設備性能就越強悍。具體設備的總線結構在開局維護里再寫，大體上網絡運行時間長了，業務量上來，交叉和總線資源總是有限的，已經到了畫不出詳細時隙圖的地步，那么如果遇到了毫無征兆的業務下發失敗，不必大驚小怪，檢查清理業務總線吧……

　　開銷總線維持著各個單板和主控板之間的聯系，要注意的是，不是所有的單板都能夠分到SCCnumber號，只有邏輯系統里的線路口才有權獲得這個號碼，號碼耗盡時也有可能分不到，這時這個口就不能用來組織MSP了，SCCnumber在排錯時是比較實用的。

　　還有一些設備知識不具有普遍意義，或者對SDH理論的理解沒什么幫助，下次再寫。SDH原理大概是這些，要深挖的話切入點也不少，隨著技術的發展，SDH含蓋的范圍在逐漸拓展，IP over SDH是怎樣實現的?MSTP是什么樣的網絡架構?筆者嘗試著解釋，與大家共同學習提高。

　　IP包向SDH凈荷的映射

　　所有SDH電路是端到端的，LAPS和HDLC都有應用局限，所以使用PPP做為SDH承載IP的協議，IETF的標準就是這樣定義的，相關RFC為1619和1662。PPP封裝的開銷是很低的，IP包經過PPP封裝，就變成了一串字節流，然后再映射到SDH的通道上。IPV6也是一樣的，使用PPP封裝向SDH里映射。

　　接口方面包交換網絡這一側使用POS接口，SDH網絡使用標準STM-N光/電接口。另一種通過SDH網絡分解出來的E1電信號，就和標準的PDH信號一樣，同樣是PPP封裝，通過V.35串口接入包交換網絡。

　　如果需要將2M信號再切割到64K，接口就改為CE1，需要將STM-1信號切割到2M，接口相應的使用CPOS接口，前面有提到E1序號對應的問題就出現在這里。

　　MSTP

　　SDH的基礎速率155M，實際能達到的帶寬只有一百二十多M，SONET能提供的帶寬還要稍大一些，但是數據流量如果超出這個峰值，就直接丟包。要解決這個問題，那么就把存儲轉發做到端口上去，MSTP技術應運而生。MSTP網絡內部仍然是SDH的電路交叉、綁定、調度，接口換上了RJ45口，整個MSTP網絡就成了一個二層交換機，交換機的各個接口分布在不同的網元上，最后劃上VLAN分割廣播域，這里的VLAN在SDH網絡內部有效，對外透明。當然為了實現這些功能，MSTP也使用了一些新技術：

　　MSTP需要考慮的是以太幀向SDH凈荷映射的一個過程，進入接口的以太幀被打上tag進行標記識別(注意這個標簽只用于SDH網絡內部對外毫無意義)，然后切割封裝。一開始，PPP又承擔起了封裝任務，而相較之下GFP同時支持定長幀和變長幀，效率稍高一點，所以MSTP也逐漸轉向GFP封裝，目前大部分MSTP的實現模式是mac->GFP->SDH。

　　虛級聯和LCAS 技術用于解決SDH的速率等級與以太網的速率等級不匹配的問題，提高帶寬利用率。通過改變設備的交叉結構和新定義開銷字節，虛級聯拆除了SDH傳輸中固有的復幀結構，而LCAS實現了基于2M基礎單元的帶寬動態分配。

　　最后是服務質量，SDH中大量未定義字節為服務質量策略的部署提供了良好平臺。與MSTP插入tag的方式相比，CAR的實現有些不同，通過字節定義出的CAR可以基于端口實施限速，也可以和vlan綁定基于應用類型進行限速。

　　為以太幀加標簽的技術大大鼓舞了MSTP技術的發展。既然加了標簽的幀在SDH網絡內部是被切成小片傳輸的，那加幾層標簽都影響不大，掙脫了mtu的束縛，各種加標簽的技術都被MSTP給用上了，當然只在MSTP網絡內部有效，對外還是透明的。比如QinQ(就是EoMPLS的一種)，MPLS VPN，RSVP/TE等等，這些都是分組交換的技術，也讓筆者一度很困惑，MSTP網絡內部又不存在對外可識別的接口/設備跳記數，這些技術有多大的價值呢?

　　而后ASON橫空出世，解決了筆者的困惑，MSTP終于走上三層了，不再透明了。但是到現在為止，市場和ASON的銷量證明了一切。把SDH設備直接做上三層，成本遠高于數據網設備，還喪失了SDH網絡的安全性，電路交換和分組交換融合確實是大趨勢，但這樣的融合，市場不承認，就沒有生命力。在經歷了ASON的失敗，現在的PTN出現之后，不少用戶都保持了相對謹慎。

　　對比起L2TP的偽線技術，MSTP網絡實現any to any連接采用的方法還是比較原始，當鏈路兩側的碼率不一致的時候，傳輸質量要受到其他一些影響，比如協議轉換、接口電氣性能等。

　　RPR/RRPP

　　Halabi在《城域以太網》中詳細描述了Ethernet over Sonet的過程，RPR彈性分組環就是由cisco提出的實施框架。RRPP是華為為了在SDH網絡中實現RPR而開發的過渡私有協議，體現了RPR的部分思路。

　　RPR與SDH的保護方式有一些區別，還沒寫好，隨后補上。

　　最后要回到開篇的那個問題，SDH網絡是電路交換的鋼性管道，提供的是定速率的數據傳輸管道，即電路。SDH的幀由時間切片組成，在每個時間片內，管道中數據定長，合成一個SDH幀。所以SDH的本質還是電路交換，mac幀、ppp幀是SDH網絡向上層延展時的承載內容，這樣看來SDH是屬于物理層的。但是篇首關于二層幀的理解，并無破綻，正因為理解的角度不同，產生了不同的結論，分層模型是普遍適用的么……