设计指南 3849

Ethernet-over-PDH技术概要

By: Arthur Harvey

摘要 : 摘要: Ethernet-over-PDH (EoPDH)是一组技术和标准,用于在已建立的PDH电信网上传输本地以太网帧,这项技术可以让运营商充分利用由传统PDH和SDH设备所组成的网络,并提供新的以太网服务。此外,EoPDH也为网络互通以及运营商向以太网的逐步过渡铺平了道路。本文将阐述EoPDH所使用的技术,包括G.7041定义的GFP帧封装、G.7043定义的Ethernet-over-PDH帧映射、链路聚合、G.7042定义的链路容量调整、Y.1731和Y.1730定义的管理消息传递、VLAN标签、QoS优先级以及高层应用等(如DHCP服务器和HTML用户界面)。

在非以太网上传输以太网的技术已存在了很多年。为了实现一个看上去相当简单的任务,即:将距离为X的网络节点A和网络节点B链接起来,往往需要开发众多的技术、协议和设备。到目前为止,已经有越来越多的方法可以实现这一简单任务。从最早使用300波特率FSK调制解调器的计算机网关到今天先进的Ethernet-over-SONET/SDH系统,这项工作目的基本上并无变化。但近些年各方面的努力已进一步推动了解决此任务有关技术的进步,并使其迎合现今的需求。某些发展的“分支”技术已惨遭失败,而另外一些则获得全球范围内的广泛应用,如DSL技术。我们如何才能确定新兴的分支技术可以持久生存下去? 从“后见之明”来看,能够历久不衰的技术通常能够在服务质量、可靠性、可用带宽、可扩展性、互通性、易用性、设备成本以及运营成本之间达到一种理想的平衡。而在任何一个方面表现欠佳的技术则不会被广泛采用,最终消失或只在小范围内应用。我们可以从这些方面着眼,对新兴的Ethernet-over-PDH (EoPDH)技术进行评估。

概括而言,EoPDH通过准同步数字体系(PDH)传输技术将本地以太网帧在现有的电信铜缆基础架构上传输。EoPDH实际上集合了众多的技术和新标准,使运营商可以充分利用其传统PDH和SDH (同步数字体系)设备组成的网络提供以太网服务。此外,EoPDH标准也为网络互通以及运营商向以太网的逐步过渡铺平了道路。EoPDH中使用的标准化技术包括:帧封装、映射、链路聚合、链路容量调整及管理消息传递等。EoPDH设备的常见操作也包括为分离虚拟网络业务标记数据、用户业务数据优先级处理,以及大量的高层应用(如DHCP服务器和HTML用户界面)。

帧封装的过程是将以太网帧以载荷的形式放在一个供非以太网传输的辅助格式内部。封装的主要目的是识别帧的起始字节和结束字节。此过程被称为帧划分。在实际的以太网络中,帧分隔符和长度字段起到帧划分的作用。封装的另一个作用是将则间歇(“突发”)发生的以太网传输变为一种流畅的、连续数据流。在某些技术中,封装还扮演着错误校验的角色:通过将帧校验序列(FCS)添加到各帧可实现错误校验。现有的封装技术甚多,包括高级数据链路控制(HDLC)、SDH链路访问规范(LAPS/X.86)以及通用成帧规范(GFP)。虽然理论上任何一个封装技术都可在EoPDH中应用,但只有GFP最具应用优势,并已成为一种广受接纳的封装方式。大部分的EoPDH设备也支持HDLC和X.86封装,这两种技术与传统系统之间的互通性甚佳。

ITU-T G.7041标准所定义的GFP利用信头差错控制(HEC)技术来进行帧划分。对于其它使用起始/停止标记的封装协议而言(如HDLC),当用户数据中存在起始/停止标记时通常会造成带宽扩展,必须使用更长的转义序列予以替代。通过利用HEC帧划分技术,GFP无需在数据流中进行标志置换。这使GFP可以实现稳定且可预测的载荷吞吐量。对于需要向顾客保证吞吐量的运营商而言,这一点相当重要。图1显示了映射后GFP帧(GFP-F)的帧格式,以及和HDLC帧的对比。请注意本地以太网的字节数和GFP-F封装以太网的字节数是一样的。这个小细节使速率的匹配更为简单。一旦以太网帧被封装到一个高层协议(用于进行帧划分)中,他们随时可以被映射传输。

图1. HDLC和GFP帧结构对比
图1. HDLC和GFP帧结构对比

映射过程是将封装后的以太网帧置于一个“容器”内,以在链路上传输。不同的技术对这些容器有不同的命名。概括而言,容器的主要用途是对齐信息。一些容器也提供管理/信令通路以及链路质量监测功能。容器通常有着严格的格式定义,在预定位置进行开销监测和业务管理。SDH容器的例子包括C-11、C-12和C-3。“干路”和“支路”通常也用来指PDH容器。 PDH的例子则包括DS1、E1、DS3和E3成帧架构。在大多数情况下,一个或多个低速率容器可以形成(“映射”)一个更高速率的容器。在SONET/SDH网络中,人们还定义了虚信道(VC)和支路单元,并提出一些基本容器以实现更大的灵活性。

基本DS1和E1支路的帧格式见图2。请注意每个帧均为成帧信息预留了位置。成帧位(或字节)的目的是为接收节点提供对齐信息。结构化的帧格式每125ms重复一次。24个DS1帧形成一个扩展超级帧(ESF)。16个E1帧就是一个E1复帧。通过利用这些成帧信息,接收节点可以将接收的比特转为单个时隙或信道。 在传统电话技术中,每次时隙(或信道)只能承载单个电话呼叫的量化信息。当传输成包数据时,所有的时隙都可作为一个单独容器使用。

图2. PDH帧格式范例
图2. PDH帧格式范例

当封装后的以太网帧在PDH上传输时,以太网帧之间的时间被一个空号填充。当GFP封装帧在DS1或E1传输时,所传输的信息则按字节对齐。对齐方式要比DS3稍为复杂。ITU-T G.8040标准中对DS3链路定义了四字节对齐的规则。图3所示的是一个GFP封装的DS1以太网范例。请注意封装后以太网帧的位置独立于DS1成帧格式位(“F”),并是按字节对齐的。虽然图中并没有承载信息,但在传输之前就已对承载信息应用了X43+1置乱算法。类似的映射和置乱技术也被应用于SDH运输容器中。ITU-T G.707标准中详细阐述了如何将以太网帧直接映射到SDH中。

图3. GFP封装的以太网帧被映射到DS1超级扩展帧(ESF)
图3. GFP封装的以太网帧被映射到DS1超级扩展帧(ESF)

链路聚合是将两个或两个以上的物理链接整合成单个的虚链接的过程。链路聚合实际上是在多信号通道上分配数据的结构化方法,将从不同通道上接收的信息与不同的等待时间对齐,然后将重新编译数据,移交给高层的协议。 链路聚合并不是一门新技术。多链路帧中继(MLFR)、多链路PPP (MLPPP)、多链路规范(X.25/X.75 MLP) Inverse Multiplexing over ATM (IMA)等均只是链路聚合技术。其中,IMA和MLFR的应用范围最广。

图4. 链路聚合应用范例
图4. 链路聚合应用范例

链路聚合主要用于增加两个网络节点之间的带宽(如图4所示),减缓向高吞吐量PDH或SDH支路的传输。某种形式的链路聚合,如第一公里以太网(EFM,见IEEE 802.3ah),将多个DSL链路绑在一起,以提高给定距离内的吞吐量,更为重要的是在给定吞吐量的基础上有效增加服务距离。

现今的SONET/SDH网络所使用的主要链路聚合技术叫做虚级联(VCAT),在ITU-T G.707标准中定义。此标准利用现有开销通道作为VCAT开销。但是,当将VCAT的理念应用于PDH网络时,现有的管理通道就不够用了,需要给VCAT开销分配一个新的空间。从图5中可以看出DS1链接中VCAT开销的位置。开销字节占据了每个已串联DS1超级扩展帧的第一个时隙。

图5. DS1的虚级联(VCAT)开销
图5. DS1的虚级联(VCAT)开销

由VCAT开销字节创建的管理通道将用于传送有关各个链接的信息。对于每个已传输的DS1超级扩展帧或E1复帧,每个链接将被附上一个VCAT开销字节。因此, DS1可用带宽中的1/576将被用于VCAT开销。

VCAT开销的定义见图6所示。图中所显示的16字节是一次一个字节地附在连续的16个DS1超级扩展帧上进行传输。每过48ms这些字节就会重复一次。

VCAT开销字节的低字节包括复帧标示符(MFI),该标示符用于将传输延迟时间不同的帧对齐。高字节包含一个唯一的控制符(复帧指示符的16个值都有)。该高字节叫做VLI,包含虚级联和链路容量调整机制(LCAS)信息。

图6. DS1/E1中的VCAT开销字节定义
图6. DS1/E1中的VCAT开销字节定义

级联的链接亦被称之为虚级联组(VCG)。虚级联组的所有成员都有自己的VCAT开销通道,如图7所示。图7也显示了虚级联组成员数据位置。ITU-T G.7043标准中阐述了完整的EoPDH链路聚合规范。

图7. 四成员DS1虚级联组数据分布
图7. 四成员DS1虚级联组数据分布

链路容量调整通过增加或删除两个节点间的逻辑链接来调整聚合吞吐量。当添加或删除虚级联组的成员时,两个端节点利用LCAS进行协商。LCAS利用VCAT开销通道执行协商功能。 在LCAS的帮助下,虚级联组的带宽可以在不中断数据流的情况下得到增加。另外,有故障的链路将被自动删除,以在最大程度上降低对业务的影响。有关LCAS的完整标准请参见ITU-T G.7042/Y.1305。

管理消息传递主要用于传送两个网络节点之间的状态、报告故障并测试连通性。 在运营商的以太网络中,这些通常被称之为"运行、管理与维护" (OAM)。OAM的重要性在于,它可以减轻网络运行负担、检验网络性能并降低运行成本。 OAM与用户所得到的服务水平息息相关。OAM会自动检测网络的性能下降或故障、在必要时自动执行恢复操作,并记录故障时长。

所交换的消息即称为OAM协议数据单元(OAMPDU)。业界已定义了16个不同用途的OAM协议数据单元:监视状态、检查连通性、检测故障、报告故障、定位错误、返回数据并防范安全漏电洞。国际电信联盟(ITU)已定义了管理域的层,使用户的网络管理数据可以通过运营商OAM管理的各个点到点链路。国际电信联盟还定义了管理实体间的交互,使多个运营商可以无缝管理端到端的数据流。电气和电子工程师学会(IEEE)、国际电信联盟(ITU)和城域以太网论坛(MEF)已共同规定了OAM协议数据单元的格式和用法。适用标准包括IEEE 802.3ah和802.3ag,以及ITU-T Y.1731和Y.1730。

标签功能使运营商可以在其网络的任何位置识别出某个顾客的数据业务。 相应的几个技术包括:VLAN标签、多协议标签交换(MPLS)和通用多协议标签交换(GMPLS)。所有这些技术都会在入口处(业务数据首次进入网络的位置)在每个以太网帧中插入几个识别字节,然后在帧离开网络时移去这些信息。 每种技术也都提供除标签以外的其它功能。例如,VLAN标签还包括数据优先级别排列的字段,而MPLS/GMPLS还可用于“切换”数据(如,决定某个帧的目的地,并将其送到网络中的适用位置)。

优先级功能可用于以太网帧在网络中的任何位置的缓冲。当帧在缓冲区等待时,优先级最高的业务数据将被首先传输。 你可以将其想象为在红灯亮起时将等待的车辆重新排队。当某个节点的输出速率小于输入速率时,则需要用到缓冲。通常这种情况都是网络拥塞引起的,不会持续很长时间。 如果某个节点的输出速率长时间比输入速率低,则必须采用流量控制以减缓来自数据源的数据。后一种情况在局域网(LAN)业务数据进入广域网(WAN)链接时比较常见(长距离下的带宽成本较高)。 此节点通常称之为“入口节点”,在对业务数据进行优先级排序中发挥着重要作用。优先级和流量控制这两个概念是服务质量(QoS)的基石。 许多人会都会产生这样的误解:优先级为高优先级业务数据提供了一个良好的"畅通管路"。实际上,优先级和调度只是允许"更重要"的业务数据在缓冲节点位置处可以更早传送。良好的服务质量还应考虑到其它的因素。

高层应用由某个网络节点执行,可以发挥各类使用。 二层(数据链路层)和三层(网络层)应用最为常见。二层应用包括会影响点到点通讯的一些协议,包括地址解析协议(ARP/RARP/SLARP/GARP)、点到点协议(PPP/EAP/SDCP)以及桥接协议(BPDU/VLAN)。 三层应用则包含主机间通讯的协议,包括引导程序协议(BOOTP)、动态主机配置协议(DHCP)、Internet组管理协议(IGMP)和资源预留协议(RSVP)。四层(传输层)协议的应用并不常见,但通常只服务于高层的应用。

EoPDH设备用到的七层(应用层)协议也不多。这些协议包括用于提供HTML用户界面网页的超级文本传输协议(HTTP),以及通过用户的网络管理工具提供自动设备监测的简单网络管理协议(SNMP)。

服务质量和可靠性:以太网OAM使服务质量大大高出利用DS1/E1或DS3/E3等技术进行的数据传输。在监测之下,链路的性能降低以及链路故障均可自动报告,并且恢复运行也是自动进行。由于传输基础是PDH网络,这样现有的PDH管理工具也可以得到利用。在将来,PDH和以太网管理工具可以合并,带来更高的透明度并统一管理界面。

带宽需要和可扩展性:EoPDH链路聚合功能可以按1.5Mbps的增幅扩展传输所使用的带宽(从1.5Mbps到360Mbps)。这个带宽范围覆盖了所有的近距离访问应用,包括像IPTV这样的高带宽应用。在入口点使用承诺信息速率(CIR)电路实现了更佳的、服务于最终用户的带宽粒度。

互通性和易用性:由于EoPDH技术利用了现有的PDH技术,而PDH已经建立了基于丰富经验和设备的基础架构。经培训的技术人员对PDH的使用及维护已相当熟悉,并且PDH测试设备可比较容易得到。 传统设备可用于传输、切换,并对PDH辅助通道进行监控。当将EoPDH应用于传统的SONET/SDH网络时,其实现的互通性带来了显著的成本优势。这些技术的结合称之为Ethernet-over-PDH-over-SONET/SDH或EoPoS。EoPoS通过允许重新使用传统的TDM-over-SONET/SDH设备降低成本。与用"下一代" Ethernet-over-SONET/SDH (EoS)设备取代现存的SONET/SDH节点相比,PDH辅助通道可通过传统ADM到低成本CPE或EoPDH VCAT/LCAS链路聚合设备实现。

设备成本和运营成本:由于可以利用现有设备进行网络传输,则只有入口节点需要启用EoPDH技术。通常情况下,启用EoPDH只需要增加一个小型的DSU (调制解调器/介质转换器)。先进的以太网OAM也通过链路监控和快速故障定位减少了经营成本。未来的设备可利用基于以太网的协议进行自我配置,大大简化安装过程。EoPDH不仅可以节省运营商的成本,用户的多个(聚合) DS1或E1链接的服务费也会比单个高速链接(如DS3)的服务费低得多,这样运营商顾客的成本也得到节省。

应用:EoPDH技术的应用跨越了整个电信设备的王国。所有的、将以太网帧放在PDH、TDM或其它级联链路上的设备均可从EoPDH技术中受益。典型的设备包括:远端DSLAM、移动通信链路、广域网路由器、以太网入口、多用户存取单元以及EFM设备。