TDM over Ethernet技術(shù)及應(yīng)用

范亞希 王一超

北京清華華環(huán)電子股份有限公司

　　摘要：作為數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以太網(wǎng)并不直接支持時分信道的傳輸。隨著基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)逐漸采用以太網(wǎng)技術(shù)，需要在以太網(wǎng)上有效地傳送傳統(tǒng)的時分復用信號，使現(xiàn)有的基于時分復用傳輸?shù)母鞣N終端設(shè)備得以繼續(xù)使用，從而保護客戶的投資。TDM over Ethernet為以太網(wǎng)成為多業(yè)務(wù)提供平臺提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：時分復用，以太網(wǎng)，IP，定時，時鐘恢復，服務(wù)質(zhì)量，隧道，E1信道仿真

　　長期以來，電信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在兩種不同網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)傳輸。近年，隨著用戶需求的多樣化、網(wǎng)絡(luò)管理的復雜化以及市場競爭所帶來的巨大成本壓力，在同一傳輸平臺上融合實時業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已成為大勢所趨。而IP網(wǎng)絡(luò)憑借其技術(shù)成本優(yōu)勢，將成為未來網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)的首選。

　　目前，在SDH、PDH等傳統(tǒng)的時分復用系統(tǒng)（TDM）上提供數(shù)據(jù)通道，例如傳輸以太網(wǎng)信號等，已經(jīng)有了許多成熟的技術(shù)。但在以太網(wǎng)上傳送實時業(yè)務(wù)方面，較多的努力都集中在終端方面，產(chǎn)生了各種將語音、圖像等信息直接裝入以太網(wǎng)（或IP）數(shù)據(jù)包中的特殊終端設(shè)備。例如VoIP技術(shù)，將PCM語音編碼壓縮后封裝成IP包傳輸。與傳統(tǒng)的TDM電話網(wǎng)絡(luò)比較，IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡土�成本是VoIP技術(shù)的最大優(yōu)勢。但添置或改造專用終端以及各種網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備，使建設(shè)前期需要較大的固定投資。在現(xiàn)階段，大部分用戶均已安裝了運行可靠的傳統(tǒng)PBX系統(tǒng)，安裝全新的系統(tǒng)以遷移到綜合網(wǎng)絡(luò)上有較高的投資風險。在短期內(nèi)，用戶不可能，也無必要將長期以來基于TDM技術(shù)發(fā)展起來的各種終端全部改造成基于IP的新型終端。為了解決這種矛盾，我們提出了一種新的基于以太網(wǎng)的時分復用通道仿真技術(shù)--TDM over Ethernet技術(shù)。

　　采用TDM over Ethernet技術(shù)可以在以太網(wǎng)絡(luò)中仿真實現(xiàn)透明TDM通道，例如E1、T1等，在發(fā)揮數(shù)據(jù)網(wǎng)低成本等優(yōu)勢的同時，與現(xiàn)有的TDM終端設(shè)備實現(xiàn)完全無縫連接。通過該技術(shù)，可以使現(xiàn)有在TDM電路上運行的各類業(yè)務(wù)直接適配到以太網(wǎng)中，例如傳統(tǒng)的PSTN接入、ATM幀中繼、ISDN、集中式用戶交換等等。用戶在不升級終端設(shè)備的前提下，通過充分利用以太網(wǎng)的剩余帶寬，達到降低運營成本的目的。與VoIP比較，TDM over Ethernet技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，通話質(zhì)量更高，同時由于提供了仿真TDM通道，不再需要對PCM語音編碼進行壓縮，及重構(gòu)電話信令。

技術(shù)要點

　　TDM over Ethernet技術(shù)的基本原理是將成幀或非成幀的TDM數(shù)據(jù)不作任何翻譯和解釋，封裝為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，通過基于包交換的以太網(wǎng)絡(luò)透傳到對端，再將數(shù)據(jù)包打開，恢復出完整的TDM數(shù)據(jù)流。對于用戶而言，不考慮中間傳輸介質(zhì)，相當于提供了一條透明的TDM通路。相近的技術(shù)有TDM over IP，與之相比比較，TDM over Ethernet的數(shù)據(jù)包只封裝到MAC層上，具有更高的帶寬效率和TDM仿真性能。隨著以太網(wǎng)交換與傳輸技術(shù)的進步，以太網(wǎng)的覆蓋范圍越來越大，過去許多由路由器構(gòu)成的IP網(wǎng)絡(luò)，逐漸被以太網(wǎng)所代替。TDM over Ethernet 技術(shù)必將獲得日益廣泛的應(yīng)用。

　　眾所周知，TDM是一種時分復用技術(shù)；而以太網(wǎng)則采用統(tǒng)計復用技術(shù)，傳輸和交換基于數(shù)據(jù)包。時分復用技術(shù)具有帶寬固定，傳輸時延小而穩(wěn)定，信號定時透明度高，抖動、漂移小等優(yōu)點，適合于話音、圖像等對傳輸實時性和定時穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用。其缺點是靈活性差，復用效率低�；�于數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計復用技術(shù)具有較高的復用效率和可擴展性，但沒有有效的定時傳送機制，延時和抖動很難控制。包傳輸更適合于對時延要求不嚴格、通常不需要準確恢復定時信息，但對傳輸誤碼敏感（因而允許出錯重傳）的數(shù)據(jù)傳輸場合。

　　利用以太網(wǎng)提供仿真TDM通道，在設(shè)計中主要面臨兩個技術(shù)要點。

1． 帶寬問題

　　以太網(wǎng)采用統(tǒng)計復用共享帶寬的工作模式，無法保證實時業(yè)務(wù)需要的固定獨享帶寬。所以帶寬的利用和分配問題就比較突出。必須考慮盡可能的減少數(shù)據(jù)包中冗余信息，而冗余信息的最主要部分是以太網(wǎng)的報頭。以以太網(wǎng)中比較常用的實時信號（音視頻流等）封裝格式為例，采用RTP(Real-Time Transport Protocol) over UDP over IP的實時協(xié)議，報頭部分超過60個字節(jié)，如果TDM碼流是E1信號，幾乎相當于兩個E1幀長。雖然這種封裝協(xié)議在大型路由器中可以獲得較高的優(yōu)先級，但對于點到點應(yīng)用和大多數(shù)不需要經(jīng)過路由器的專網(wǎng)用戶而言，顯然是過于復雜。為了獲得更高的傳輸效率，可以只在MAC層上進行封裝，以減少報頭開銷，這也是TDM over IP與TDM over Ethernet的根本區(qū)別。

　　如果在同一對站點間需要多路TDM數(shù)據(jù)通信，可以通過將各站的多路TDM打包為一個以太網(wǎng)包，減少多路報頭的開銷，進一步提高傳輸效率。在TDM碼流速率遠低于以太網(wǎng)速率的情況下，這種打包方式還可以降低TDM存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時。

　　在一些比較特殊的應(yīng)用中，如果作為傳輸平臺的以太網(wǎng)鏈路十分緊張（如無線信道等），也可以通過對信道上其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行流量控制以保證TDM業(yè)務(wù)帶寬。實現(xiàn)方式是在TDM over Ethernet系統(tǒng)中建立帶寬動態(tài)分配機制，在優(yōu)先保證TDM數(shù)據(jù)通過的前提下，通過漏斗算法動態(tài)地將剩余帶寬分配給其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2． 定時恢復問題

　　以太網(wǎng)自身的一些缺陷會對TDM over Ethernet系統(tǒng)的TDM信號出口時鐘恢復造成不利影響。首先以太網(wǎng)的傳輸和交換基于統(tǒng)計復用技術(shù)，物理鏈路中不具備有效的定時傳送機制，無法直接通過簡單的碼速時鐘恢復方式在接收端重建TDM碼流定時信息。

　　其次由于以太網(wǎng)采用共享信道，支持存儲轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)包的傳輸延時無法控制，具有很大的隨機性，包到達的先后順序也可能發(fā)生隨機改變。這種隨機性反映在TDM數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中，實際引入的瞬時抖動會遠遠超過正常TDM線路抖動容限。

　　最后因為以太網(wǎng)借以消除錯誤的出錯重傳機制，不能應(yīng)用在TDM實時業(yè)務(wù)的傳送中，所以線路傳輸誤碼和碰撞必然會引入丟包（以太網(wǎng)包長為64～1518字節(jié)）。這種長時間的數(shù)據(jù)丟失進一步增加了定時恢復的難度，并有可能導致接收端設(shè)備同步丟失。

　　正是由于以太網(wǎng)自身的特點，在TDM over Ethernet系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)出口TDM碼流定時信息的重建必須通過一些新的途徑完成。比較簡單的情況是，在信道兩端的設(shè)備工作在同一個同步時鐘網(wǎng)下。此時雙向TDM數(shù)據(jù)具有相同的時鐘頻率。系統(tǒng)可以通過本地定時模式直接重建TDM輸出碼流，以獲得較高的抖動及漂移特性。但在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)網(wǎng)不提供全網(wǎng)同步機制，要求接收端直接從接收的數(shù)據(jù)包中重建高質(zhì)量的TDM輸出碼流定時信息。這時，由于抖動、丟包等影響，無法采用一般的時鐘恢復方式。為了解決這一難題，清華華環(huán)電子股份有限公司利用自身的技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)出了基于統(tǒng)計預(yù)測的全數(shù)字時鐘恢復技術(shù)。

實際產(chǎn)品

　　目前，E1信號是在接入網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的TDM模式，基于TDM over Ethernet技術(shù)，清華華環(huán)公司在國內(nèi)外率先推出EthMux系列產(chǎn)品。EthMux-2產(chǎn)品提供兩路E1通道和一個附加的用戶數(shù)據(jù)通道。圖一給出了EthMux-2實現(xiàn)的簡單框架。

圖1 Ethmux-2基本框架

　　為了提高傳輸效率，采用MAC幀封裝E1數(shù)據(jù)，兩路E1打為一個包。用戶有多個數(shù)據(jù)包長度選擇，一般比較長的包會降低報頭比例，從而提高傳輸效率，比較短的包可以降低傳輸包間隔，改善時延特性。在鏈路帶寬比較緊張的情況下，用戶可以通過附加的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道限制其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量。具體流量可以16Kb的步長精確調(diào)整，以保證E1業(yè)務(wù)帶寬。

　　對于支持802.1p（QoS）協(xié)議的以太網(wǎng)絡(luò)，EthMux-2設(shè)備還可以通過配置基于IEEE802.1p的優(yōu)先級控制字段，保證在網(wǎng)絡(luò)負荷超過最大限度時，封裝E1實時業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包能夠順暢傳輸，減少擁塞的影響，提高運行可靠性。

　　在EthMux-2設(shè)備通過以太網(wǎng)鏈路背靠背連接的情況下，當封裝長度設(shè)為256Bytes時，實際測得設(shè)備延時及E1碼流恢復時鐘指標為：

轉(zhuǎn)發(fā)延時　　　　　　　　≤ 5.9 ms

時鐘抖動(P-P) 　　　　≤ 0.12UI

頻率漂移　　　　　　　　≤ 3.3 ppm

　　EthMux-2設(shè)備提供的附加數(shù)據(jù)通道，通常用于帶寬較窄的以太網(wǎng)連接場合，例如在10M半雙工網(wǎng)絡(luò)上提供2路E1信道。在保證E1帶寬的前提下，將剩余帶寬用于數(shù)據(jù)通信。而這一特性也可以用在寬帶以太網(wǎng)平臺上，為一對EthMux-2所處的兩個端點間提供一條帶寬可設(shè)定的，保密性非常高的私有以太網(wǎng)通道。運營商可以利用這一特點，在向用戶提供E1通道的同時，方便地提供虛擬專網(wǎng)，而無需對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行VLAN設(shè)置。

結(jié)束語

　　目前，基于SDH、TDM、ATM等的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)仍然占有大部分市場，同時，基于IP的新業(yè)務(wù)正在蓬勃發(fā)展，在眾多領(lǐng)域內(nèi)兩種服務(wù)已經(jīng)展開了激烈的競爭。但從長遠發(fā)展看，在新一代信息網(wǎng)絡(luò)中，IP網(wǎng)必然成為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的首選。這就導致在向新一代網(wǎng)絡(luò)的過渡中，不可避免地存在兩個發(fā)展趨勢，一方面，各種傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式向基于IP的模式轉(zhuǎn)換，例如VoIP等。另一方面，要在IP網(wǎng)絡(luò)上提供TDM業(yè)務(wù)仿真通道，即所謂的"Everything over IP"概念。TDM over Ethernet技術(shù)的產(chǎn)生正是符合了這種概念。

　　作為一種過渡技術(shù)，TDM over Ethernet以最簡單的方式，解決了現(xiàn)有終端設(shè)備于以太網(wǎng)鏈路無縫連接的問題。在繼承TDM業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的同時，完成向新一代信息網(wǎng)絡(luò)的過渡。為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的改造和專網(wǎng)建設(shè)提供了一套低成本的解決方案。

由CHINA通信網(wǎng)組稿