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Eric Eden，PMC-Sierra 公司產(chǎn)品營銷高級工程師
簡介
光纖技術(shù)的進步和電子處理速度的提高為建立前所未有的大容量網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。由于網(wǎng)絡(luò)運營商充分利用了這一進步的性能，將若干用戶的數(shù)據(jù)匯集起來通過各光纖進行傳輸，，因此一條大容量通路的斷開將在較大范圍內(nèi)帶來影響，從而造成主要金融、醫(yī)療和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的中斷。為避免發(fā)生這種中斷，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時必須采用容錯或自愈的方式。
同步光纖網(wǎng)/同步數(shù)字架構(gòu)（ SONET/SDH）標(biāo)準在全世界已被通訊業(yè)界廣泛認同。其成功的主要原因在于，內(nèi)置了對自動保護切換（APS）技術(shù)的支持，增強了網(wǎng)絡(luò)抗破壞能力。這項功能使智能化電路得以成功開發(fā)，從而在工作通道失效的情況下自動選擇保護通道。
為減少客戶通信中斷的現(xiàn)象，SONET/SDH標(biāo)準定義了嚴格的切換完成時間。對于較小的系統(tǒng)，為符合這些標(biāo)準限制所占用的處理帶寬是適中的。但是，對于較大的系統(tǒng)，例如那些連接了若干密集波分多路復(fù)用（DWDM）光纖的系統(tǒng)，單根光纖的斷開就可能造成數(shù)以千計的客戶數(shù)據(jù)流切換到它們的保護通路上。這樣一來，此時所需的突發(fā)性處理帶寬即使對于最為強大的微處理器來說也會造成負荷過大的情況。
在本文中，我們將探討在成幀器和交叉連接硅芯片設(shè)備方面所取得的一些具有關(guān)鍵性的進步，這些進步有望解決保護切換技術(shù)中處理帶寬的問題，并在降低成本的同時顯著提高SONET/SDH傳輸設(shè)備的靈活性。這些新技術(shù)主要集中在如何利用在成幀器至光纖串行通訊系統(tǒng)鏈路中未用到的SONET/SDH傳輸開銷字節(jié)的位置。對這些字節(jié)位置的應(yīng)用將大幅壓縮設(shè)備架構(gòu)，通過在切換后的通信流中攜帶內(nèi)控制數(shù)據(jù)，從而將傳統(tǒng)的控制面板壓縮到數(shù)據(jù)面板中。這樣可減去典型的軟件占主導(dǎo)的行為，改為硬件編碼操作，從而保證了系統(tǒng)的性能，大幅減少了平臺的復(fù)雜性。這些簡化特性將在定義下一代插分多路復(fù)用器和交叉連接平臺中起到關(guān)鍵性的作用，并為其演進提供便利條件。
現(xiàn)有的保護措施
目前的自動保護切換（APS）措施趨向于依賴軟件，因此受到速度的限制。例如，在圖1中，成幀器監(jiān)測源光纖的報警和故障（高誤碼率）。在檢測到某個錯誤時，就將其中斷發(fā)往與成幀器安裝在同一接線卡上的伴隨微處理器。微處理器內(nèi)的軟件將過濾這些狀態(tài)報告，然后將總結(jié)報告發(fā)送至切換光纖。位于接線卡和切換光纖之間的通道通常是一個標(biāo)準的處理器通道，例如以太網(wǎng)，并配有根據(jù)軟件定位的通信協(xié)議。在這個切換光纖處，另一個微處理器用于終接所有接線卡上的通訊通道。在較大型的系統(tǒng)中，接線卡的數(shù)量太多，會造成沉重的處理負擔(dān)并對通訊通道有很高的帶寬要求。在所有的狀態(tài)報告都已被處理完后，微處理器將一份新的配置設(shè)定值下載到切換光纖設(shè)備中，完成自動保護切換（APS）的操作。很明顯，由于要在軟件中完成如此之多的處理工作，自動保護切換操作的最快執(zhí)行速度將會受到嚴重的限制。
而使問題更加復(fù)雜的是，這些節(jié)點均要求終接若干數(shù)量的光纖，但卻沒有對所采用的自動保護切換（APS）架構(gòu)的組成形式做出任何限制。某些光纖可能是屬于SONET（同步光纖）環(huán)路的組成部分，而其它部分可能屬于1:N 線性自動保護切換系統(tǒng)。這些光纖上的通訊數(shù)據(jù)可能會與其它光纖發(fā)生交叉連接或者在本地的接入模塊上終接。由于存在這些額外的下一代通信技術(shù)要求，采用該控制模式將不足以支持保護操作。
圖1：控制面板連接系統(tǒng)
說明：在傳統(tǒng)式的插分多路復(fù)用器 (ADM)（包括多服務(wù)提供平臺和光纖交叉連接設(shè)備）中，位于接線卡內(nèi)的SDH/SONET成幀器設(shè)備向同一位置的處理器報告狀態(tài)信息和錯誤情況。這一處理器與中央控制處理器進行通訊，中央處理器則一般通過以太網(wǎng)通訊渠道控制保護操作。
保護措施的演進
為了簡化保護操作，通常采用的步驟是通過在數(shù)據(jù)鏈路中攜帶信息來完成接線卡與中央處理點之間的通訊。串行通訊鏈路用于連接從成幀器設(shè)備至光纖交叉連接設(shè)備之間的通訊流量，并擁有表現(xiàn)為未經(jīng)使用附加字節(jié)的未用帶寬。傳統(tǒng)形式下通過控制面板傳輸?shù)摹⒕哂邢嗤瑺顟B(tài)和錯誤情況的編碼信息，可以有效地通過系統(tǒng)鏈接中的未用字節(jié)進行通訊，并在光纖設(shè)備處集中進行收集。這種方式被稱為"數(shù)據(jù)面板信息保護切換"，而且為加以區(qū)別，我們把采用傳統(tǒng)控制面板收集狀態(tài)信息的系統(tǒng)稱為"控制面板保護切換"。
圖2： 支持集成通訊通道和集中化處理
在這些網(wǎng)絡(luò)要素中，SONET開銷位/SDH部分開銷字節(jié)（每個STS-1為3列，每列9個字節(jié)，而每個STM-1為9列，每列9個字節(jié)）沒有必要擁有與指定的標(biāo)準定義功能相同的光纖鏈路功能。這些開銷位可以用于攜帶保護切換的狀態(tài)信息。而數(shù)量龐大的未經(jīng)使用的TOH/SOH字節(jié)也可作為很好的后備選擇。對處于入口數(shù)據(jù)流量中的所有STS-1數(shù)據(jù)流都要采用相同的字節(jié)。這就將字節(jié)位置的可能性限制于在主STS－1和其它STS-1中那些未定義功能的位置上。如果一個字節(jié)的使用出現(xiàn)了沖突，可解決沖突的策略是將這些入口字節(jié)映射到新的攜帶位置，然后在出口成幀器處將它們復(fù)原到原來的位置，或者采用在中央附加位處理中終接其在此攜帶位置上的應(yīng)用。這就產(chǎn)生了兩個合理的選擇，B2字節(jié)位置和J0/Z0字節(jié)位置。B2位置在每個STS-1數(shù)據(jù)流中均可使用，而且該字節(jié)位置在許多系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要素中并未用到，因此可作為成幀器和光纖之間未經(jīng)使用的帶寬。J0/Z0位置可以用于入口的J0字節(jié)的重新映射，或者在接線卡上端接J0時使用。值得注意的是，保護和恢復(fù)功能以外的其他附加功能也會占用系統(tǒng)內(nèi)傳輸附加位上未曾使用的字節(jié)。例如，在傳輸附加位的未用和未定義的字節(jié)中可以擁有足夠的帶寬用于支持以太網(wǎng)控制通道。
就像控制面板保護切換一樣，具備信息能力的系統(tǒng)中的成幀器設(shè)備用于監(jiān)測和報告通過標(biāo)準定義的報警和故障。在理想狀態(tài)下，成幀器是可以編程的，并能夠根據(jù)光纖接口和內(nèi)置通路的具體情況產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男畔ⅲ瑥亩鴰椭Ｗo子系統(tǒng)很容易地識別出保護雙絞線通路或環(huán)路的相對狀態(tài)。在這種情況下，處理器的干涉或監(jiān)察是不必要的。換句話說，成幀器只需支持對系統(tǒng)附加位的存取，由此本地處理器可以檢索相關(guān)的狀態(tài)，生成并格式化信息，同時將信息插入光纖的附加區(qū)域內(nèi)。
如果保護狀態(tài)信息是附加在每個STS-1/AU-3數(shù)據(jù)流中，那么其內(nèi)容可以是相當(dāng)簡單的，只需要單純的狀態(tài)信息。來自同一通路的每個STS-1/AU-3數(shù)據(jù)流可以通過編程而采用與同一入口光纖內(nèi)每個STS-1數(shù)據(jù)流相同的信息，這是由于它們的狀態(tài)是一致的。信息可以簡單至一個字節(jié)，用0至255間的嚴重性等級數(shù)值來表明狀態(tài)，較大的數(shù)字代表較差的狀況。例如，在信號失效條件下（SF），由于誤碼率10-8 的作用，此時被編程輸入到信息中的數(shù)值將比信號退化的條件下更高。而一條等于SF代碼指示的通路有可能引發(fā)一次轉(zhuǎn)換，以響應(yīng)誤碼率為10-8的保護雙絞接通路的指示。
一旦信息產(chǎn)生，即被通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)焦饫w器件中進行終接和解讀。在光纖器件中析取信息具有一定的優(yōu)勢，因為它是所有通信量的中心點。光纖隨后將這些信息送至一個中央保護引擎。對于下一代架構(gòu)來說， 支持這一存取是一項關(guān)鍵的因素。
保護決策功能可以通過采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的硬件或者采用處理器軟件來完成。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)解決方案較為可取，因為它能夠提供更高的潛在性能。因此，在以下討論中，這種方式將作為一項假設(shè)的前提。現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）在不與軟件發(fā)生交互操作的情況下執(zhí)行保護切換功能，對軟件不存在實時要求。其目的在于，保證保護切換的確定性和可擴展性。現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）在完成析取信息時的基本決策步驟會在下面予以介紹。
系統(tǒng)的預(yù)提供可以識別出哪一個通路或環(huán)路與保護相關(guān)，其中可能包括1:N架構(gòu)和網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，以及雙絞線線性和環(huán)路保護方案。來自保護相關(guān)通路的信息將會被進行比較，最小值代表通路的最佳狀態(tài)。在這一比較功能中還可能包括對輸入信息的過濾，以緩解切換決策的滯后現(xiàn)象，并增加切換決策的穩(wěn)定性。在定義切換決策的靈敏度（例如"等待響應(yīng)"參數(shù)）時，要按照系統(tǒng)實際連接的狀況加以考慮，因為兩個要素不會對相同的狀態(tài)同時作出反應(yīng)。
一旦通訊源所發(fā)生的改變得到確定，在要求實施保護的情況下，保護子系統(tǒng)可以對交叉連接設(shè)備的連接內(nèi)存做出適當(dāng)?shù)母淖�。在單階光纖中，這點較為容易實現(xiàn)。這是由于單階光纖對現(xiàn)有通路的重新配置沒有要求，而且光纖與開關(guān)源相互獨立。在這一點上，多級光纖就失去了優(yōu)勢，因為它需要進行重新配置才能完成新的通訊選擇。這種重新配置造成了時間上的損失，因為需要對每一個受到影響的STS數(shù)據(jù)流完成連接設(shè)定運算，而這種計算在許多通路同時失敗時，就會變得難以負荷從而限制了性能。所以，只有單級光纖才能達到充分的保護切換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)面板信息保護切換的全部優(yōu)勢。
為了實現(xiàn)具備信息功能的系統(tǒng)，光纖必須支持傳輸附加位存取功能，才能析取信息。對于環(huán)路保護方案，通訊的頭端必須通過自動保護切換（APS）通道的K字節(jié)協(xié)同將通信流量橋接。而性能更強大的系統(tǒng)還要求K1和K2字節(jié)的析取和重新插入功能。這種K字節(jié)的交互操作還可能以硬件的形式執(zhí)行，以進一步降低軟件資源的負荷。
實現(xiàn)數(shù)據(jù)面板信息保護切換的范例
圖3所示為由SONET/SDH成幀器（例如PMC-Sierra公司的 ARROW 芯片）在監(jiān)測到一個或多個報警信號后，所生成的一條信息通路。這些報警和故障狀態(tài)均根據(jù)用戶的編程設(shè)定歸入到G2i信息（字節(jié)）中。在G2i信息中由ARROW成幀器創(chuàng)建的信息是一個可編程設(shè)定的單字節(jié)值，可根據(jù)任一報警或故障來設(shè)定。G2i信息在系統(tǒng)側(cè)傳輸附加字節(jié)中的位置也是可以編程設(shè)定的。這條信息和任何其它字節(jié)一樣均由TSE設(shè)備從所有的鏈路中析取出來，并由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）進行處理。每一個提供保護的通路都要將G2i信息中的數(shù)值進行簡單的比較，從中挑選最佳的通路。這項決定可能導(dǎo)致對TSE連接內(nèi)存的改變，而這一內(nèi)存通過微處理器的存取端口（由寄存器控制）進行通訊。K1和K2字節(jié)也顯示為在進行頭端橋接的狀態(tài)中析取出來的保護機制。
圖3：數(shù)據(jù)面板信息保護切換的范例
下一代的同步光纖網(wǎng)/同步數(shù)字架構(gòu)（ SONET/SDH）傳輸設(shè)備要求開發(fā)能夠?qū)ο到y(tǒng)進行感測的功能，使插分多路復(fù)用器（ADM）和優(yōu)化設(shè)備具有更多的靈活性、可伸展性和更高的性價比。對于交叉連接的網(wǎng)絡(luò)要素，傳輸開銷位存取功能（包括析取和插入）提供了增強設(shè)備的保護和恢復(fù)服務(wù)所需的能力。采用單階光纖將更進一步地增強這些方面的優(yōu)勢，對線性和環(huán)路保護架構(gòu)都能達到完全支持自動保護切換措施的目的。
成幀器的信息生成功能有利于保護切換的高級集成。能夠?qū)泳�和通路進行全面監(jiān)測并能夠合成優(yōu)先信息的設(shè)備，將大幅減少接線卡的處理量以及由此產(chǎn)生的將這些狀態(tài)傳達到保護決策設(shè)備的相關(guān)成本。而誤碼率監(jiān)測功能能夠釋放處理器的循環(huán)，這些循環(huán)此前用于SONET/SDH 的操作中，用來執(zhí)行系統(tǒng)管理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集工作。在不支持信息生成的情況下，到達光纖通信的傳輸附加位的路徑會很充足，從而使現(xiàn)有的設(shè)計在未來得到進一步驗證。
網(wǎng)絡(luò)要素的分區(qū)功能（成幀器和光纖）之間的更加集成和一致的操作，將直接導(dǎo)致功能更為強大、更為靈活、可擴展性更好和更經(jīng)濟的設(shè)備及SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)。這里提出的策略能夠完成更高級的保護切換次數(shù)、具有較強的擴展性，結(jié)構(gòu)也更為簡單，更易于設(shè)計。結(jié)合了下一代成幀器和交叉連接開關(guān)要素的未來傳輸設(shè)備將在不影響性能的前提下，顯著降低成本。
摘自 賽迪網(wǎng)
