基于SDH的光纖自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)

摘? 要：本研究主要介紹了一種基于SDH的自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)方法，設(shè)備提供話音和以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)接口，可以實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)自組網(wǎng)應(yīng)用，具有快速開通、隨意接入等特點(diǎn)。對設(shè)備的整體架構(gòu)進(jìn)行說明，重點(diǎn)介紹了設(shè)備功能模塊、自組網(wǎng)功能和環(huán)網(wǎng)保護(hù)等功能實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：SDH;自組網(wǎng);多業(yè)務(wù);環(huán)網(wǎng)保護(hù)

中圖分類號：TN929.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）20-0058-04

Abstract：This article introduces a design method of multi-service equipment design method base on SDH for optical fiber ad hoc network. The equipment provides voice，Ethernet and other service interfaces. It can realize the application of optical fiber ring network，and has the characteristics of fast opening and random access，etc. The overall structure of the equipment is described. The realization method of function modules and ad-hoc network function and ring protection function are mainly introduced

Keywords：SDH;ad hoc network;multi-service;ring protection

0? 引? 言

隨著社會信息交互爆炸性的發(fā)展，視頻業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)和寬帶業(yè)務(wù)傳輸需求日益增加，光纖傳輸技術(shù)先后經(jīng)歷了準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）、同步數(shù)字體系（SDH）、光波分復(fù)用（WDM）、光傳送網(wǎng)（OTN）等技術(shù)體制的發(fā)展和應(yīng)用，目前隨著網(wǎng)絡(luò)IP化的加快，在接入網(wǎng)和城域網(wǎng)領(lǐng)域傳統(tǒng)，SDH技術(shù)逐漸被分組傳送網(wǎng)（PTN）、無線接入網(wǎng)IP化（IPRAN）等分組傳送承載技術(shù)替代，但基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送節(jié)點(diǎn)（MSTP）[1]設(shè)備由于其具有接口規(guī)范、兼容性好、業(yè)務(wù)復(fù)接/分接高效靈活、運(yùn)行維護(hù)（OAM）功能強(qiáng)大、組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)自愈功能和重組功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，便于用戶按需動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)靈活的業(yè)務(wù)調(diào)配，因此仍有大量MSTP設(shè)備在使用，還具有較大的市場需求。設(shè)計(jì)一款具有自組網(wǎng)功能，能提供話音、低速數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)傳輸功能的多業(yè)務(wù)光傳輸設(shè)備可很好地滿足快速開通、靈活組網(wǎng)的接入網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸要求。

1? 總體設(shè)計(jì)

自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備為集SDH、脈沖編碼調(diào)制（PCM）和以太網(wǎng)二層交換技術(shù)為一體，提供STM-4光接口、100M/1000M以太網(wǎng)接口、二線話音接口、E1接口和RS-232/RS-422等低速數(shù)據(jù)接口。其中光傳輸部分采用了SDH技術(shù)，話音和低速數(shù)據(jù)采用了PCM技術(shù)，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)支持二層交換功能。設(shè)備通過內(nèi)部交叉連接將各種業(yè)務(wù)與傳輸通道互連，滿足多種應(yīng)用環(huán)境要求。設(shè)備原理框圖如圖1所示。其中SDH功能處理（E1映射、以太網(wǎng)映射、交叉連接、指針處理、開銷處理等功能）、PCM成幀處理等功能都由FPGA實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)靈活配置功能，采用了多層次的交叉連接和數(shù)據(jù)交換功能，設(shè)備的E1、以太網(wǎng)、話音和低速數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)和光接口中的通道都可通過不同層次的交換和交叉連接互通，實(shí)現(xiàn)靈活的傳輸功能。設(shè)備SDH交叉連接支持VC-12、VC-3和VC-4等通道的交叉連接功能，話音、低速數(shù)據(jù)具有64kbit/s時(shí)隙通道的交叉功能;以太網(wǎng)二層交換模塊具有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包二層交換、虛擬網(wǎng)（VLAN）和快速生成樹等功能。

1.1? SDH功能模塊

SDH功能模塊包含以太網(wǎng)映射、E1映射、交叉連接、指針調(diào)整、開銷處理等SDH功能單元，加上外圍的時(shí)鐘模塊、控制模塊和勤務(wù)模塊，組成了設(shè)備完整的SDH處理功能。

SDH功能模塊全部由FPGA自主編程實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，STM-4光信號經(jīng)光電變換后進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，經(jīng)過開銷處理和指針調(diào)整后送進(jìn)交叉連接模塊，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和E1業(yè)務(wù)經(jīng)映射后也送到交叉連接模塊，交叉連接模塊支持VC-12、VC-3和VC-4級別的交叉連接，目前能處理18個(gè)STM-1傳輸容量中的各級別通道的全交叉，可實(shí)現(xiàn)靈活的上下業(yè)務(wù)。

時(shí)鐘模塊完成時(shí)鐘源的選擇、鎖定及分配，為設(shè)備的各個(gè)模塊統(tǒng)一提供時(shí)鐘。勤務(wù)電話經(jīng)勤務(wù)模塊處理后，通過SDH的開銷以廣播的形式發(fā)送，以便各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能同時(shí)通話。

1.2? 以太網(wǎng)接口

為減少芯片數(shù)量和功耗，設(shè)備采用集成物理層（PHY）的千兆以太網(wǎng)交換芯片，支持2層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換、虛擬局域網(wǎng)、MAC地址學(xué)習(xí)、組播、生成樹協(xié)議等功能;系統(tǒng)側(cè)通過1個(gè)GMII接口和1個(gè)SGMII與以太網(wǎng)映射模塊連接，提供2路以太網(wǎng)映射通道，用戶側(cè)提供1個(gè)100/1000Mbit/s 自適應(yīng)以太網(wǎng)電接口，同時(shí)通過一個(gè)MII接口與CPU連接，以便進(jìn)行芯片設(shè)置和生成樹算法計(jì)算。設(shè)備可以在以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口和SDH以太網(wǎng)映射通道之間進(jìn)行以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)包交換。原理框圖如圖3所示。

以太網(wǎng)映射功能采用FPGA實(shí)現(xiàn)，采用GFP幀格式，支持VC-12、VC-3和VC-4三種映射通道，單通道最大帶寬為1個(gè)VC-4時(shí)隙。

1.3? E1接口

設(shè)備可傳輸標(biāo)準(zhǔn)的2048kbit/s的E1信號，支持結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的E1信號，通過FPGA實(shí)現(xiàn)E1數(shù)據(jù)到VC-12時(shí)隙的映射功能，可通過內(nèi)部交叉連接到任意的光接口進(jìn)行傳輸，如圖4所示。

1.4? 話音和低速數(shù)據(jù)接口

話音和低速數(shù)據(jù)RS-232/RS-422業(yè)務(wù)由FPGA實(shí)現(xiàn)PCM話音和數(shù)據(jù)的成幀/解幀、復(fù)分接處理，再通過64K時(shí)隙交叉矩陣實(shí)現(xiàn)源端口和目的端口的互通，最后合成2路E1數(shù)據(jù)由SDH光傳輸，設(shè)備提供15路二線話音和15路RS-232/RS-422接口，原理框圖如圖5所示。

1.5? CPU管理控制系統(tǒng)

CPU管理控制系統(tǒng)主要由CPU、FLASH/SDRAM、復(fù)位控制、數(shù)據(jù)地址控制、調(diào)試以太網(wǎng)接口和調(diào)試串口等部分組成，是設(shè)備嵌入式軟件運(yùn)行的硬件平臺，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能、設(shè)備控制與管理的核心，主要實(shí)現(xiàn)了設(shè)備初始化、自組網(wǎng)協(xié)議、生成樹協(xié)議等功能、算法?？紤]到各種算法和協(xié)議軟件的復(fù)雜性、通信業(yè)務(wù)相關(guān)的處理實(shí)時(shí)性要求，CPU應(yīng)具有較強(qiáng)大的軟件運(yùn)行能力;應(yīng)能支持廣泛的通信接口及協(xié)議，且具有處理高速數(shù)據(jù)的能力，因此CPU選用Freescale公司的MPC8270。MPC8270是雙核結(jié)構(gòu)處理器，其中PowerPC內(nèi)核是通用RISC CPU，64位數(shù)據(jù)總線、32位地址總線;CPM（通信處理模塊）具有獨(dú)立的處理器，與內(nèi)核并行運(yùn)行，專門處理低層的通信相關(guān)任務(wù)。CPM可同時(shí)處理HDLC、Ethernet、UART、TDM、SPI和I2C等多種通信接口或協(xié)議，具有多個(gè)快速通信控制器，可支持快速以太網(wǎng)協(xié)議。管理控制系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。設(shè)備管理信息通過DCC通道傳輸?shù)竭h(yuǎn)端設(shè)備。

2? 環(huán)網(wǎng)功能設(shè)計(jì)

自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備基于SDH技術(shù)實(shí)現(xiàn)，提供2個(gè)STM-4光接口，可組成點(diǎn)對點(diǎn)、鏈型、環(huán)型等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);支持靈活組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、隨遇接入、快速開通和環(huán)網(wǎng)保護(hù)等功能，具有較強(qiáng)的抗毀搶通能力。

2.1? 自組網(wǎng)功能

自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)是由多臺自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備按照點(diǎn)對點(diǎn)、鏈形、環(huán)形等不同應(yīng)用組成的通信網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)通過分布式協(xié)議互聯(lián)起來，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)協(xié)商為中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還可起中繼節(jié)點(diǎn)的作用。其中以太網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸采用共享環(huán)的方式，所有節(jié)點(diǎn)共享1個(gè)VC-4帶寬，各節(jié)點(diǎn)間可相互通信;E1、話音和低速數(shù)據(jù)為點(diǎn)對點(diǎn)通信，需要匯聚到中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交叉。

自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備具有身份地址自學(xué)習(xí)功能，在組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)需先設(shè)置設(shè)備編號、IP地址，在接入網(wǎng)絡(luò)后把自己的身份信息通過UDP廣播包方式廣播出去，以便網(wǎng)絡(luò)上其余設(shè)備能學(xué)習(xí)到自己的身份信息（編號、IP地址），廣播消息將重復(fù)發(fā)送三次以防止其在傳輸過程中丟失。

當(dāng)自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備接收到其他設(shè)備發(fā)出的身份信息后，會記錄下此信息中設(shè)備編號和IP地址的對應(yīng)關(guān)系，并添加到身份信息表中，然后向發(fā)送廣播消息的設(shè)備回傳響應(yīng)消息（單播包）。結(jié)合環(huán)網(wǎng)保護(hù)方式，設(shè)備編號為1—16，網(wǎng)絡(luò)最大支持16個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在組網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行身份相互學(xué)習(xí)后，就可進(jìn)入正常通信，在正常通信過程中，各設(shè)備監(jiān)測DCC網(wǎng)管通道中的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，如果發(fā)現(xiàn)新的用戶數(shù)據(jù)包出現(xiàn)，則啟動(dòng)身份識別程序，向該用戶尋求認(rèn)證，最終將新用戶加入到本地身份信息表中。

2.2? 環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能

自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，最常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榄h(huán)形網(wǎng)，具有很強(qiáng)的生存能力，最多可支持16個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離可超過80km（采用普通G.652光纜）。

環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能是指在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障（例如光纖斷）時(shí)，無需人工干預(yù)，光網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)地在極短的時(shí)間內(nèi)從失效故障中自動(dòng)恢復(fù)所攜帶的業(yè)務(wù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障[2]。

二纖環(huán)網(wǎng)保護(hù)常用的有二纖單向通道保護(hù)和二纖雙向復(fù)用段保護(hù)兩種[1]。對于通道保護(hù)環(huán)，業(yè)務(wù)的保護(hù)是以通道為基礎(chǔ)的，也就是保護(hù)的是STM-N信號中的某個(gè)VC（TU-12、TU-3等通道），倒換與否按環(huán)上的某一個(gè)別通道信號的傳輸質(zhì)量來決定的，通常簡單地利用收端是否收到TU-AIS信號來決定該通道是否應(yīng)進(jìn)行倒換。而復(fù)用段倒換環(huán)是以復(fù)用段為基礎(chǔ)的，倒換與否是根據(jù)環(huán)上傳輸?shù)膹?fù)用段信號的質(zhì)量決定的，倒換是由K1、K2（b1—b5）字節(jié)所攜帶的APS協(xié)議來啟動(dòng)的，當(dāng)復(fù)用段出現(xiàn)問題時(shí)，如出現(xiàn)信號丟失（LOS）、幀丟失（LOF）、告警指示信號（AIS）、信號劣化等故障時(shí)，將執(zhí)行復(fù)用段保護(hù)倒換，把業(yè)務(wù)信號切換到備用信道上，其倒換的最小單元是VC-4級別的。

雖然二纖單向通道保護(hù)環(huán)操作簡單，但是結(jié)合以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)功能，其控制就比較復(fù)雜，為簡化設(shè)計(jì)，本設(shè)備采用二纖雙向復(fù)用段保護(hù)方式，每根光纖的前一半時(shí)隙（例如STM-4為1#～2#STM-1，為工作時(shí)隙）傳送主用業(yè)務(wù)，后一半時(shí)隙（例如STM-4為3#～4#STM-1，為保護(hù)時(shí)隙）傳送保護(hù)業(yè)務(wù)，即一根光纖的保護(hù)時(shí)隙用來保護(hù)另外一根光纖上的主用業(yè)務(wù)，兩根光纖上業(yè)務(wù)流向相反。如圖7所示，假設(shè)A、C節(jié)點(diǎn)通信，在設(shè)備正常工作時(shí)，信號都通過A-B-C路由，信號在兩根光纖的工作時(shí)隙（S1、S2時(shí)隙）中傳輸，而光纖中保護(hù)時(shí)隙（P1、P2時(shí)隙）為空閑狀態(tài);當(dāng)光纖產(chǎn)生故障時(shí)，故障光纖相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行環(huán)回功能，將S1-P1與S2-P2連接，形成一個(gè)新的光纖環(huán)路，光纖（工作時(shí)隙）中的數(shù)據(jù)環(huán)回到保護(hù)光纖（保護(hù)時(shí)隙），通過光纖保護(hù)時(shí)隙的路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，在環(huán)回完成后，可以保證環(huán)上所有業(yè)務(wù)能夠正常運(yùn)行。其環(huán)形網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3? 以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)功能

為避免以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在光環(huán)網(wǎng)上成環(huán)，引起廣播風(fēng)暴，使網(wǎng)絡(luò)癱瘓，本設(shè)備采用二層交換生成樹協(xié)議來消除網(wǎng)絡(luò)中存在的路徑環(huán)回問題。生成樹協(xié)議是IEEE 802.1d中定義的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過在交換機(jī)之間傳遞網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Bridge Protocol Data Unit，簡稱BPDU），通過采用生成樹算法選舉根橋、根端口和指定端口的方式，使得根端口、指定端口都處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，其他端口處于禁用狀態(tài)，即使得網(wǎng)絡(luò)中只有一條鏈路生效。如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，將重新計(jì)算生成樹拓?fù)?，從而既保障了網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又保證了冗余能力。設(shè)備支持IEEE 802.1w規(guī)定的“快速生成樹協(xié)議”，生成樹收斂過程為1s至10s[3]。

本設(shè)備組成的光環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的保護(hù)采用分層保護(hù)方式，物理層采用SDH復(fù)用段保護(hù)，MAC層采用生成樹協(xié)議提供保護(hù)。當(dāng)光環(huán)網(wǎng)發(fā)生單點(diǎn)光纖故障時(shí)，由于SDH保護(hù)倒換時(shí)間比生成樹協(xié)議收斂時(shí)間快得多，如兩種保護(hù)協(xié)議同時(shí)使能時(shí)，通過設(shè)置拖延時(shí)間延遲MAC倒換，使設(shè)備啟用SDH保護(hù)倒換，一般倒換時(shí)間在50ms以內(nèi)，加速了生成樹的收斂時(shí)間。設(shè)計(jì)MAC延遲時(shí)間以50ms為步進(jìn)可設(shè)置，避免了2種倒換重疊發(fā)生現(xiàn)象。

3? 結(jié)? 論

自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)設(shè)備通過合理的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于SDH的光環(huán)網(wǎng)多業(yè)務(wù)接入、傳輸功能，支持最大16個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)需求，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)通信、光環(huán)網(wǎng)保護(hù)等功能，能滿足接入網(wǎng)領(lǐng)域用戶靈活組網(wǎng)、隨遇接入、快速開通和系統(tǒng)自愈功能需求，提供較強(qiáng)的抗毀搶通能力。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：韋以超（1975-），男，壯族，廣西河池人，工程師，本科，研究方向：光纖通信技術(shù)研究和光通信設(shè)備研發(fā)。