VT/TU交換對(duì)邊緣網(wǎng)影響的分析

城域網(wǎng)核心服務(wù)以及接入傳輸服務(wù)基于靜態(tài)設(shè)置的固定帶寬容器，這些容器位于STS-N層或VT-N層(由SONET定義)，以及AU-N層或TU-N層(由SDH定義)。
在城域網(wǎng)核心和接入網(wǎng)絡(luò)中部署的設(shè)備是基于能夠在容量為51.84Mbit/s(STS-1)或155.52Mbit/s (AU-4)的最小容器中交叉連接用戶服務(wù)的架構(gòu)。然而，服務(wù)提供商所提供的能夠創(chuàng)造收入的業(yè)務(wù)則基于速率較低的 T1、E1以及新興的10/100M以太網(wǎng)服務(wù)，這些服務(wù)通常無(wú)法高效映射到更大的SONET/SDH容器中。
利用基于SONET的VT1.5 (1.728Mbit/s)容器或者基于SDH的TU-12(2.304Mbit/s)容器(見(jiàn)表1)能夠?qū)崿F(xiàn)集合與交叉連接，借此高效管理T1(1.544 Mbit/s)、E1(2.048 Mbit/s)或者10/100M以太網(wǎng)服務(wù)。這些速率較低的容器最初用來(lái)使基于PDH的業(yè)務(wù)映射至SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)。除此之外，STS/AU和VT/TU級(jí)出現(xiàn)的技術(shù)(比如虛擬級(jí)聯(lián)和LCAS)可以實(shí)現(xiàn)靈活的帶寬管理，進(jìn)而通過(guò)這些固定凈荷容器機(jī)制實(shí)現(xiàn)高效的10/100M以太網(wǎng)服務(wù)。
盡管VT和TU自從SONET/SDH問(wèn)世以來(lái)便已定義，然而，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供VT/TU支持，以確保高效映射、交叉連接并集合低速服務(wù)是不切實(shí)際的，而且成本極其高昂。最近的技術(shù)進(jìn)步有助于緩解網(wǎng)絡(luò)級(jí)、網(wǎng)元級(jí)和硅晶片級(jí)的高容量VT/TU交叉連接所面臨的重重困難，但無(wú)法徹底克服這些困難。 本文從網(wǎng)絡(luò)級(jí)展開(kāi)，旨在深入分析VT/TU交換對(duì)所有三個(gè)層級(jí)的影響。

網(wǎng)絡(luò)級(jí)問(wèn)題
在網(wǎng)絡(luò)級(jí)實(shí)現(xiàn)VT/TU級(jí)交叉連接，可能導(dǎo)致帶寬管理以及自動(dòng)保護(hù)交換和Transmux功能出現(xiàn)問(wèn)題。在設(shè)計(jì)時(shí)，讓系統(tǒng)有效地解決這些問(wèn)題需要花費(fèi)極高的成本，因此服務(wù)提供商必須了解每一步，簡(jiǎn)單的升級(jí)不能完全解決問(wèn)題。
在整個(gè)城域網(wǎng)中的分插多路復(fù)用器(ADM)內(nèi)實(shí)現(xiàn)VT/TU級(jí)合并以及交叉連接支持是很困難的。網(wǎng)元無(wú)法以較低的成本、功耗和較小的占位面積切實(shí)可行地支持大容量VT/TU交叉連接。系統(tǒng)級(jí)功能(比如帶寬設(shè)置以及報(bào)警監(jiān)控等)也很難在VT/TU級(jí)操作、并在未集中分布的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行管理。 
到目前為止，城域網(wǎng)主要采用ADM，借助點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及環(huán)形架構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)，能夠疏導(dǎo)至STS/AU級(jí)。很大一部分VT/TU級(jí)交叉連接出現(xiàn)在數(shù)字交叉連接系統(tǒng)(DCS)中，此類系統(tǒng)集中分布在城域網(wǎng)核心。 
對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)而言，在特定的城域網(wǎng)中，希望在兩個(gè)站點(diǎn)之間連接，T1線路的客戶需要在每個(gè)站點(diǎn)都設(shè)置獨(dú)立的T1線路，每個(gè)站點(diǎn)都要求回連至城域網(wǎng)外部的DCS，以便完成服務(wù)連接。在接入環(huán)狀網(wǎng)專用于支持回程連接的應(yīng)用中，這樣做可能導(dǎo)致帶寬陷入困境而無(wú)法使用。 
除此之外，還必須考慮更加精細(xì)的帶寬管理。支持大量分布式網(wǎng)絡(luò)元素所必需的軟件復(fù)雜程度和功能都有所增加。在集中式DCS中，帶寬設(shè)置、測(cè)試接入以及告警監(jiān)控比大量分布式網(wǎng)元中的相應(yīng)過(guò)程易于管理。 
盡管如此，隨著運(yùn)營(yíng)商要求更多VT/TU級(jí)支持那些靠近城域網(wǎng)接入的網(wǎng)元，新興的發(fā)展趨勢(shì)則是分布式解決方案。
更高容量的VT/TU交叉連接的額外激勵(lì)因素便是支持Transmux的需求。Transmux是一種完成基于PDH的低速支路(通過(guò)不同映射從網(wǎng)絡(luò)的每一端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的T1)連接過(guò)程。
例如，在一端，T1通過(guò)M13 多路復(fù)用器被多路復(fù)用至DS3，然后被映射至STS-1。在其他端，T1被直接映射至VT1.5，然后通過(guò)純粹的SONET網(wǎng)元被映射至STS-1。為了實(shí)現(xiàn)互連，這兩種信號(hào)必須在同一點(diǎn)分離為原始的T1格式。

APS要求
除了需要Transmux功能之外，運(yùn)營(yíng)商還需要在VT/TU層實(shí)現(xiàn)分布式自動(dòng)保護(hù)交換(APS)，以便保持99.999%的可靠性。APS適用于VT/TU層，由單向路徑切換環(huán)(UPSR)定義，在SONET標(biāo)準(zhǔn)的Telcordia GR-1400-Core和子網(wǎng)連接保護(hù)(SNCP)、以及SDH標(biāo)準(zhǔn)的ITU-T G.841和 ETSI TS 101 009中均有所描述。深入評(píng)論APS架構(gòu)已超出文本的范疇，但有必要重點(diǎn)指出同VT/TU處理相關(guān)的若干關(guān)鍵問(wèn)題。
APS可以提供一種機(jī)制，幫助系統(tǒng)從網(wǎng)元(設(shè)備保護(hù))的故障中自動(dòng)恢復(fù)。APS能夠應(yīng)用于更高的STS/AU層或者更低的VT/TU層，具體視所采用的標(biāo)準(zhǔn)以及網(wǎng)絡(luò)類型而定。
目前，大部分ADM都可以在STS/AU層支持UPSR或者SNCP，通過(guò)軟件提供實(shí)施APS切換所必需的大部分算法。硬件具備故障檢測(cè)功能，并且支持最終的切換事件，軟件實(shí)際上是用于讀取檢測(cè)到的故障、解釋信息和生成經(jīng)過(guò)修改的交叉連接狀態(tài)，然后將新的配置寫入硬件。這是一種軟件和處理器密集型的解決方案。
對(duì)于低容量VT/TU交叉連接而言，上文所述的傳統(tǒng)APS方法通常都是可以管理的。然而，隨著服務(wù)提供商向容量更高的VT/TU交叉連接演進(jìn)，在這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的性能范圍內(nèi)應(yīng)用傳統(tǒng)的APS模式開(kāi)始變得不合時(shí)宜。
盡管設(shè)備保護(hù)不存在任何時(shí)間限制，但網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)施的保護(hù)規(guī)定了50ms的時(shí)間限制。網(wǎng)絡(luò)必須在這一時(shí)間框架內(nèi)檢測(cè)并重新配置所有連接。 

沖破50ms的桎梏
對(duì)于那些在STS/AU層監(jiān)控信號(hào)的低速光纖鏈路(OC-3/STM-1以及OC-12/STM-4)而言，基于軟件的APS解決方案可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)、高效的硬件予以實(shí)現(xiàn)。隨著城域網(wǎng)中的高速光纖信號(hào)(OC-48/STM-16以及OC-192/STM-64)不斷激增，以軟件為中心的APS解決方案需要功能更為強(qiáng)大的控制面板解決方案。
例如，支持OC-12上行鏈路信號(hào)的網(wǎng)元可以為該鏈路處理12路STS-1，在此，每路STS-1必須作為完全不同的獨(dú)立實(shí)體受到監(jiān)控和操控。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果光纖被切斷，所有受保護(hù)的鏈路必須在50ms內(nèi)恢復(fù)正常，因此每個(gè)適用的STS-1都必須實(shí)現(xiàn)廣泛的性能監(jiān)控。  
在支持分布式VT/TU交叉連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。每路低階支路都必須獨(dú)立受到監(jiān)控。每個(gè)VT/TU實(shí)體所必需的處理能力類似于每個(gè)STS或AU實(shí)體所需的能力，然而，所處理的獨(dú)立實(shí)體的數(shù)量同 STS/AU層相比增加不少。
在以往的OC-192實(shí)例中，5376路獨(dú)立的VT可以在50ms內(nèi)在APS事件中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和交叉連接。除此之外，如果ADM支持OC-48和OC-192這兩種信號(hào)的環(huán)通，所處理的VT和TU的集合容量便會(huì)增長(zhǎng)到無(wú)法管理的水平。這就需要新技術(shù)分擔(dān)那些在STS/AU或VT/TU層支持APS的高容量網(wǎng)元中軟件和控制單元的負(fù)荷。

網(wǎng)元級(jí)問(wèn)題
在設(shè)計(jì)新一代ADM以便在VT/TU層支持集合與交叉連接時(shí)，OEM廠商面臨著眾多挑戰(zhàn)。本文主要論述四種挑戰(zhàn)：1. 集中式而非服務(wù)器卡設(shè)計(jì)；2. VT/TU指針處理器的位置；3. 高階成幀器受到的影響；4. 支持虛擬級(jí)聯(lián)對(duì)10/100M以太網(wǎng)的影響。
目前的城域接入以及核心ADM僅支持STS/AU層的交叉連接，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于更換整套網(wǎng)元并不感興趣。為了滿足分布式VT/TU支持的新型需求，OEM廠商必須在無(wú)需升級(jí)機(jī)架的情況下實(shí)施解決方案。存在著兩種選擇: 一是利用新的交叉連接卡更換現(xiàn)有的中央STS/AU 交叉連接卡，前者可以同時(shí)在STS/AU層和VT/TU層支持整理疏導(dǎo)功能；二是保持現(xiàn)有STS/AU交叉連接卡的完整，并在平臺(tái)中添加VT/TU服務(wù)器卡。在這兩種情況中，目標(biāo)都是在支持VT和TU交叉連接的同時(shí)保持相同的總STS/AU交叉連接容量。在選擇一中，添加VT/TU支持可以大大增加芯片數(shù)量、動(dòng)力和板卡空間。選擇二更為理想化，機(jī)架中未被使用的插槽或者以前并未使用的插槽可以分配至VT/TU交叉連接服務(wù)器卡。在這種情況下，任何包含低階VT/TU業(yè)務(wù)的高階STS/AU業(yè)務(wù)都被以STS/AU梯度選擇性地導(dǎo)入新的服務(wù)器卡，VT和TU根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)交叉連接，然后它們被發(fā)送回高階交叉連接。
這種新增的VT/TU交叉連接功能具有非常低廉的成本。插槽必需為新型VT/TU交叉連接服務(wù)器卡提供空間，現(xiàn)有STS/AU交叉連接的帶寬(10%~25%)必須專用于這種新卡。例如，目前投入使用的容量為160 G STS/AU的ADM可以通過(guò)底板向新型“單臂” VT/TU疏導(dǎo)卡分配16 G~40 G的帶寬。

指向正確位置
在向平臺(tái)提供VT/TU交叉連接支持的過(guò)程中，下一個(gè)挑戰(zhàn)便是低階指針處理器的位置。SONET/SDH標(biāo)準(zhǔn)的核心前提是為同步框架定義一種機(jī)制，例如T1和E1。
對(duì)于包含VT或TU的業(yè)務(wù)而言，在連接平臺(tái)交叉連接卡之前，低階指針處理是強(qiáng)制性要求。在STS和AU通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，指針可以單獨(dú)調(diào)整每個(gè)容器的位置。當(dāng)所有容器在同一交叉連接點(diǎn)會(huì)聚時(shí)，它們無(wú)法正確定位。
為了成功實(shí)現(xiàn)連接，承載VT和TU的所有容器必須通過(guò)系統(tǒng)的重新定位容器的低階指針處理器。在平臺(tái)中定位低階指針處理存在兩種選擇：在線路卡中或者在交叉連接卡中。
可用的功率和空間以及原有架構(gòu)受到的影響可用來(lái)確定低階指針處理器的位置。無(wú)需重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有板卡以支持新的低階指針處理器。該方案可以支持VT/TU交叉連接的特定容量，比如10Gbit~50Gbit。
當(dāng)VT/TU交叉連接的容量超過(guò)10Gbit~50Gbit的范圍時(shí)，每塊板卡的動(dòng)力預(yù)算可以命令低階指針處理器分配至線路卡。這樣做能夠在眾多板卡中緩沖動(dòng)力的增加。為了在線路卡或者交叉連接卡中靈活分配低階指針處理器，指針處理器必須支持串行鏈路，而不是并行總線。

評(píng)估其它組件受到的影響
能夠在VT/TU層實(shí)現(xiàn)疏導(dǎo)功能的平臺(tái)基于低階指針處理器，能夠處理容量為STS-12的業(yè)務(wù)，相應(yīng)的低容量交叉連接共置于一塊板卡。在這一集成級(jí)別，功耗預(yù)算可以得到滿足，而且芯片間的距離很短，使得并行總線足以將低階指針處理器連接至VT/TU交叉連接。隨著工藝技術(shù)不斷進(jìn)步以及容量更高的指針處理器和VT/TU交叉連接不斷涌現(xiàn)，集成高速串行鏈路的需求顯得越來(lái)越重要。
當(dāng)在新型平臺(tái)和現(xiàn)有平臺(tái)增加VT/TU輸入功能時(shí)，必須全面評(píng)估SONET/SDH成幀器和STS/AU交叉連接所受到的影響。在更換核心STS/AU交叉連接以支持STS/AU/VT/TU容器的系統(tǒng)中，新型低階處理器和VT/TU交叉連接如何連接成幀器呢？此外，如果實(shí)施單臂交叉連接，在連接新的低階指針處理器時(shí)，現(xiàn)有STS/AU交叉連接會(huì)受到什么影響？ 
對(duì)于這兩種情況而言，在現(xiàn)有系統(tǒng)中，所有線路卡和STS/AU交叉連接之間的同步都是全面和封閉的。在任何點(diǎn)打開(kāi)架構(gòu)以支持VT/TU都需要對(duì)所有受影響的業(yè)務(wù)提供時(shí)延補(bǔ)償。由于VT/TU疏導(dǎo)可以增加有限的處理時(shí)間，所以必須在原有的線路或STS/AU交叉連接卡上提供時(shí)延管理功能。這種時(shí)延管理也可以通過(guò)重新調(diào)整VT/TU整理業(yè)務(wù)在VT/TU交叉連接卡上予以實(shí)現(xiàn)，因此，線路卡或者STS/AU交叉連接卡具備零時(shí)延。這種時(shí)延補(bǔ)償可以在業(yè)務(wù)出現(xiàn)后在VT/TU交叉連接卡實(shí)現(xiàn)，也可以在進(jìn)入VT/TU交叉連接之前通過(guò)預(yù)先處理業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
虛擬級(jí)聯(lián)以及LCAS依賴若干VT或TU容器在眾多低速支路中平均分配10Mbit/s或100Mbit/s的以太網(wǎng)信號(hào)。例如，單個(gè)10Mbit/s的以太網(wǎng)信號(hào)可以通過(guò)7個(gè)VT1.5容器進(jìn)行分配，每個(gè)VT容器可以通過(guò)與其他6路 VT無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交叉連接。所有VT被重新排序，然后在接收端合并，重新形成最初的10Mbit/s的以太網(wǎng)信號(hào)。 
為了管理VT和TU，操作人員必須確保所有連接能夠通過(guò)靜態(tài)方式正確地設(shè)置，正如映射至VT或TU以及以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)一樣。然而，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)EoS連接中，所有虛擬級(jí)聯(lián)和LCAS機(jī)制都可以在位于終端多路復(fù)用器(TM)的EoS映射器中進(jìn)行管理。因此，升級(jí)平臺(tái)以便在提供10/100M EoS服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中支持VT/TU 交叉連接的時(shí)候，網(wǎng)元設(shè)計(jì)人員無(wú)需考慮過(guò)多問(wèn)題。

硅晶片級(jí)問(wèn)題
目前部署的網(wǎng)元基于VLSI芯片技術(shù)設(shè)計(jì)而成，采用0.25mm工藝或者更先進(jìn)的工藝。此類技術(shù)能夠以可接受的功耗和板卡空間提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，有效支持容量為5 Gbit的VT/TU交叉連接。
DCS廠商被迫提高VT/TU交叉連接芯片的處理能力，以便打造帶寬為10 Gbit~160 Gbit 的系統(tǒng)，這一過(guò)程可以在大型專用機(jī)架中完成。大容量VT/TU交叉連接需要較大的占位面積，并且需要消耗巨大的能量，這使得它們無(wú)法集成到傳統(tǒng)的ADM架構(gòu)之中。最終結(jié)果便是網(wǎng)絡(luò)中的集中式VT/TU交叉連接架構(gòu)以及回程需求的產(chǎn)生。
隨著新工藝技術(shù)不斷面世，比如0.18mm和0.13mm工藝，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始有能力突破電源功耗和板卡空間的屏障。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)人員利用這些新型工藝技術(shù)在分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中構(gòu)建高密度VT/TU交叉連接時(shí)，就會(huì)遇到新的挑戰(zhàn)。
將交叉連接架構(gòu)從單一的STS/AU支持過(guò)渡至STS/AU/VT/TU支持，需要更多能耗、更多芯片以及更多板卡空間，以保持固定的總交叉連接容量。在每個(gè)獨(dú)立的STS或AU中實(shí)現(xiàn)配置和交叉連接所必需的片上處理資源(即晶體管)的復(fù)雜程序與監(jiān)控每個(gè)獨(dú)立的VT或TU所必需的資源類似。
在定義SONET和SDH時(shí)，本質(zhì)內(nèi)容是給定帶寬中的VT和TU多于STS和AU。例如，在160 Gbit僅支持STS的交叉連接中，芯片內(nèi)外存在著64條獨(dú)立的2.5 Gbit串行鏈路。這會(huì)轉(zhuǎn)化為3072路不同的STS-1，在特定的芯片區(qū)域進(jìn)行配置和實(shí)現(xiàn)交叉連接。
可以充分利用時(shí)間片(Time Sliced)架構(gòu)在經(jīng)濟(jì)高效的低功耗解決方案內(nèi)支持所有3072路STS-1連接，但是僅具備有限數(shù)量的晶體管來(lái)支持串行鏈路處理過(guò)程以及交叉連接管理過(guò)程。

達(dá)到上限
受到現(xiàn)有工藝的限制，STS/AU交叉連接的容量存在一個(gè)上限。如果160 Gbit的交叉連接經(jīng)過(guò)擴(kuò)充能夠支持VT1.5的交叉連接，用于配置和交叉連接的實(shí)體將從3072增長(zhǎng)到86016(3072 STS-1，每路包含28路VT1.5)。
制造技術(shù)目前仍無(wú)法在單個(gè)芯片上提供必需的晶體管數(shù)量，所以無(wú)法在保持相同STS/AU交叉連接的同時(shí)支持巨幅增長(zhǎng)。也就是說(shuō)，VT/TU交叉連接的集合容量大大低于STS/AU交叉連接。因此，利用等同于僅支持STS/AU的交叉連接的集合容量建立STS/AU/VT/TU交叉連接，需要多塊芯片的多級(jí)架構(gòu)。隨著架構(gòu)向多級(jí)演進(jìn)，總芯片數(shù)量和功耗將以幾何數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)。
在利用新的工藝技術(shù)制造更高密度的低階指針處理器時(shí)，將面臨類似的設(shè)計(jì)困難。例如，OC-192 SONET幀的高階指針處理器芯片可以處理192個(gè)獨(dú)立的STS-1容器。如果同一信號(hào)在STS-1內(nèi)包含VT，芯片必須為5376個(gè)獨(dú)立的實(shí)體(VT1.5)提供額外的低階處理能力、凈荷調(diào)整能力以及支路監(jiān)控能力。不僅晶體管的總數(shù)隨實(shí)體數(shù)量的增長(zhǎng)而大幅增長(zhǎng)，每個(gè)實(shí)體內(nèi)的晶體管數(shù)量也在增長(zhǎng)，因?yàn)樾枰嗑w管幫助軟件管理此類增長(zhǎng)效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。例如，額外的晶體管必須分擔(dān)APS的軟件負(fù)荷，以支持高密度VT/TU交叉連接。
在設(shè)計(jì)芯片以支持VT/TU交叉連接時(shí)，另外一個(gè)需要考慮的問(wèn)題便是能否集成交叉連接和低階指針處理器。VLSI技術(shù)的進(jìn)步可以支持更高密度的交叉連接和低階指針處理器。理所當(dāng)然的進(jìn)步便是集成低階指針處理器和交叉連接功能。 
在0.13mm工藝技術(shù)中，如果考慮支持自動(dòng)保護(hù)交換所必需的額外邏輯，集成式解決方案的容量上限在2.5Gbit~5 Gbit之間。因此，設(shè)計(jì)人員必須在所需的集合VT/TU交叉連接容量與指針處理器所需的集成級(jí)別之間實(shí)現(xiàn)折衷。■