光传送网中的数字封装技术

恋々风

目前，DWDM（密集波分复用）技术已经得到了广泛的应用，网络运营商们迫切需要一种业界能普遍接受的、有关光传送网（OTN）管理的标准出现，以便能够用高效率、低成本的方式来管理不断更新换代的光网络，数字封装（Digital Wrapper）技术就在这种背景下出现了。
    数字封装技术是一个基于标准的光网络管理技术，能够通过单波长粒度智能化地监控和管理光传送网中的多个波长。这种先进技术能够封装原始信号，而不改变客户层信号的比特率、帧格式和定时方式，因此它支撑任何客户层协议在光网络中的传输。

一、数字封装技术的优势
    基于DWDM技术的光传送网（OTN）在今天已得到了广泛的采用，它包含许多光域的网元，如光转发器（transponder）、光分插复用器、内嵌式掺铒放大器（in-line EDFA）、光复用/解复用器、光谱分析仪和光交换机等。这些新技术的引入，实际上在光网络中形成了新的子层。而能够在这些子层中进行监控（如故障隔离等），就成了网络运营的必然要求。
    虽然SONET/SDH在基于TDM的业务中可以发挥相当大的优势，在城域网中起到重要作用，但是由于SONET/SDH存在诸多局限性，而数据业务量持续增长，又使得SONET/SDH很难满足当前的城域光传送网的要求。
新兴的数字封装技术具备以下优点：
    1．能够提供可靠的、电信级的功能来支撑光域管理和智能控制。利用数字封装技术，通过在光信道中安排一个“数字包封”，每一个波长或光信道，都能被监控和管理，在发送到光网络之前，一个数字系统开销带宽部分被加到客户层信号上。通过这种办法，客户层信号和光传送网络本身的管理和控制信息，能够一同在网络中传送。
    2．具备保护功能的高级光传送系统，通过智能化地保护光层的大容量业务，能够提高运营效率。该特点是通过综合各种网络中独立存在的其它协议（如SONET/SDH、ATM、传输控制协议）的保护功能，达到简化电信级网络的目的。数字封装的光信道系统开销（OCh-OH）能提供光保护信令和管理功能。此外，那些本身不受保护的协议，现在也能够在光域上受到保护。
    3．与现有的许多网络通信协议相兼容。由于数字封装在封装本地信号时不损害信号的比特率、帧格式和定时关系，光传送网就能从逻辑上支撑任何一种客户层信号的传输，这使得数字封装对所承载的协议实现了透明化。光传送网中的光转发器能够支撑吉比特以太网、ATM、帧中继、IP和其它与速率无关的协议，也能支撑Fiber Channel、Escon和Ficon等协议。
    像SONET/SDH一样，数字封装中也有一系列用于纠错和性能管理的指标。数字封装也引入了信号损耗、交错位奇偶校验（BIP）、误比特率（BER）、自动保护交换（ASP）以及上行比特流和下行比特流故障等指标。目前T1X1工作组还定义了几种其他的机制，例如自动交换光网络（ASON）等。

二、数字封装的帧结构
    从概念上来讲，数字封装技术和SONET/SDH相类似，都是有效负载数据被封装在一个帧结构中，网络既传输有效负载数据，也传输系统开销数据。
    基本的光信道数字封装是独立于封装中传输的有效负载数据的。光信道有效负载包封（OCh-PE）可以传送任何类型的数据：SONET/SDH，吉比特以太网，ATM，IP等等。有效负载可以在OCh-PE中浮动，而不必使用指针处理机制。有效负载包封由光信道操作维护管理（OCh-OAM）字节进行封装。这些系统开销字节所包含的信息，与SONET/SDH帧中段开销、行开销、路径开销字节所包含的信息相似。
    SONET/SDH帧通常在8kHz的频率下传输，对于它所支撑的每一种线路速率，都存在不同的帧结构。而数字封装的帧可以在任意频率下传输，并且所有的帧都具有完全相同的帧结构，如果提高线路速率，不会引起数字封装帧中字节数的增加，只会使得在相同的时间内传输的数字封装帧数量增加。
    一个数字封装帧由4080个字节组成，分为16行，每行有255个字节（如表1所示）。
    表1   16个子帧构成的数字封装帧结构
    1列 2列   … 239列 240列 … 255列
    1行   1   17   … 3809 3825   … 4065
    2行   2   18   … 3810 3826   … 4066
    3行   3   19   … 3811 3827   … 4067
    …   …   …   …   …   …   …   …
    16行   16   32   … 3824 3840   … 4080
    根据Lucent向T1委员会提出的规范，每一行就是一个子帧，所以，一帧中包含16个子帧。每一个方框里面的数字代表传输顺序，这样，首先发送的是第一列中的16个字节，接着是第2列中的16个字节，以此类推，最后发送第255列的16个字节。与SONET/SDH恰好相反，数字封装的字节是按列发送而不是按行发送。
    数字封装帧中的第1列用于系统开销，第2列到第239列用于传送有效负载数据，第240列到第255列用于纠错码。由于只有16个系统开销字节用于分配，所以一个复帧通常包括4个连续的帧，这样就有16个字节可以作为系统开销。传输时，先传输第1个帧，然后是第2、第3帧，最后是第4帧。

三、前向纠错（FEC）技术
    除了支撑OCh-OH信息，数字封装也能利用其它已知技术来提供光域性能监测的创新方法。除了OCh-OH信息，数字封装还采用了一种机制，能高效地检测和纠正光纤链路中出现的任何错误。前向纠错（FEC）是一种成熟的技术，广泛应用于CD播放机、数据存储设备和海底光缆通信系统，可用来纠正比特差错。
    与SONET/SDH中采用的传统BIP-8误码检测方法（B1、B2字节）相比，使用FEC技术的系统能够报告检测到的误码率（BER），在用户还未发现业务质量恶化之前，就能让业务提供商知道光通路性能恶化的情况。借助于智能化的操作系统，网络管理人员能够定义和设置DWDM光传送网中的每一个信道的BER门限。结合FEC等功能的智能化系统，能够为业务提供商测量、传递不同性能等级的光业务。
    数字封装中的前向纠错码为RS（255，239）码，在255个符号长的码字中，总共能够纠正8个错误符号（在这种情况下，1个符号=1个字节）。数字封装帧的每一个子帧都包含在它自己的RS（255，239）码中，对子帧中所有的字节，包括所有的系统开销字节都要进行处理。因为一帧中有16个子帧，这就意味着16个RS（255，239）出错位组的计算必须并行完成。
    在接收端，从出错位组中计算错误字的这项操作，可以根据计算所需要的时间，由16个编解码器中的任意一个来完成。这里，存储器必须存储接收到的帧，直到16个子帧的纠错全部完成。

四、理想的平衡
    众所周知，减少光网络中的光—电—光（O-E-O）转换的次数，不仅能够减少维护的复杂度和成本开支，而且能够提高可靠性和效率。典型的O-E-O转换是体现在光信号上的“3R”功能：整形、再生和定时。采用EDFA能够实现“2R”（整形、再生），这是DWDM技术成功的主要因素，因为它能够再生多路光信号而不必实现O-E-O的全部转换。
    减少网络中O-E-O转换的次数，将会增加光网络的透明度。完全“透明”的光网络设想是非常诱人的，曾引起业界的巨大兴趣。但是若不把光信号转换为数字格式，就无法处理光信号的管理信息。因此在全透明的光网络中，网络的管理信息仍然是不可见的。既然全透明的光网络很难管理，业务提供商不可能大规模地采用它们。
    与透明的OTN相比，在半透明的OTN中，每个节点对其承载的光信号实行全部的“3R”功能，不管它是不是目的节点。显然，这造成非常低的效率，失去了光网络的许多优点。由于完全透明的光网络不切实际且半透明的光网络成本高而且效率低，那么理想的光网络，在减少O-E-O转换次数的情况下，应该为有效的网络管理提供足够的可见度。在采用数字封装技术的网络中，当客户层信号映射到数字封装内然后转换到光信道上时，“3R”再生是在光网络的入口处进行的。在网络的传送过程中，信道始终保持光信号的形式，直到目的节点，信号在此通过“3R”再生重新恢复成电信号。这种结构减少了光网络中的O-E-O转换次数，在光信道的任一端，在需要网络管理的地方为每个波长提供可见度。
    目前，数字封装技术已经被几个技术领先的厂商所采纳，他们希翼在这个领域内更好地发挥其诸多优点。在不远的将来，这些功能将会在跨越多个管理域和不同厂商的系统间互通。光传送网的可管理域，可由网络运营商设定，也可由设备商设定。运营商常把波长租给其它运营商，因此要求在不同的管理域下，能够在采用数字封装技术的网络和未采用数字封装技术的网络之间交付信道。
    数字封装技术，对于现有的电或光的协议具有后向兼容性，支撑SONET/SDH和吉比特以太网等非DWDM的光网络，使其能够与数字封装共存于同一物理结构中。运营商能充分利用数字封装来提供误码监测、误码纠错、协议和业务保护。数字封装中的前向纠错技术允许运营商在任何协议上提供不同层次的业务。光配线单元（ODU）层的串联检测（TCM）将能实现跨越几个管理域的网络、端到端的光信道监测和管理。诸如一般通信信道和路径寻迹标识等功能，能够和多协议标签交换协议（MPLS）一起使用，以提供快速和动态的光信道配置。
    数字封装技术为宽带光传送网提供可靠的管理机制。就像SONET允许上个世纪80年代的运营商突破T3（45Mbit/s速率）的带宽瓶颈一样，数字封装技术将允许运营商突破吉比特速率的带宽瓶颈，这对现在的运营商来讲无疑是一件振奋人心的事情。