以O(shè)SU 為核心的M-OTN 技術(shù)創(chuàng)新與驗(yàn)證

荊瑞泉，霍曉莉，李俊杰，丁一

（1.中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中國(guó)電信集團(tuán)有限公司，北京 100032）

1 引言

隨著SDH 的逐步退網(wǎng)，OTN 即將全面替代SDH 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)5G、專線、DCI（數(shù)據(jù)中心互聯(lián)）和視頻等業(yè)務(wù)的綜合承載。因此OTN 在從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)的邊緣延伸。與骨干網(wǎng)相比，城域網(wǎng)的匯聚和接入層節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，且業(yè)務(wù)面臨多樣化，因此對(duì)OTN 設(shè)備業(yè)務(wù)適配靈活性要求更高，并且對(duì)設(shè)備成本非常敏感?，F(xiàn)有的分組增強(qiáng)型OTN 技術(shù)雖然具備高品質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，但是為了支持分組和小顆粒業(yè)務(wù)，采用了分組、VC（virtual container，虛擬容器）、ODU（optical 2ata unit，光數(shù)據(jù)單元）多平面疊加的方式實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有方案存在多平面疊加技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)維管理復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本高等問(wèn)題[1]。

針對(duì)以上需求和存在的問(wèn)題，聯(lián)合業(yè)界主要通信設(shè)備廠商、運(yùn)營(yíng)商和研究機(jī)構(gòu)，提出了以光業(yè)務(wù)單元（optical service unit，OSU）為核心的、面向城域優(yōu)化的光傳送網(wǎng)（metro-optimize2 OTN，M-OTN）技術(shù)體系[4]。M-OTN 的目標(biāo)是提供低成本、低時(shí)延、低功耗的以城域應(yīng)用為主的綜合業(yè)務(wù)承載方案。M-OTN 創(chuàng)新性地引入了具備靈活帶寬調(diào)整能力的OSU 技術(shù)，補(bǔ)齊了傳統(tǒng)OTN 技術(shù)在小顆粒業(yè)務(wù)承載效率方面的短板，有利于降低設(shè)備復(fù)雜度和成本，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維。M-OTN 不僅可以支持各種顆粒高品質(zhì)專線業(yè)務(wù)的承載，還為8K HDTV、Clou2 VR/AR 等高通量、高品質(zhì)業(yè)務(wù)提供了更高效的承載方案。

M-OTN 的主要技術(shù)特征包括：

? 引入靈活映射的OSU，提供對(duì)10 Mbit/s～10 Gbit/s 級(jí)粒度多業(yè)務(wù)的高效承載能力；

? 引入OTU0/25/50（optical transport unit，光傳送單元）新型低成本接口，重用以太網(wǎng)光模塊，實(shí)現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)的低成本接入；

? 引入開(kāi)放式管控接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)多廠商接入型M-OTN 設(shè)備的統(tǒng)一管控。

參考文獻(xiàn)[2]介紹了接入型OTN 設(shè)備統(tǒng)一管控系統(tǒng)原型開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)演示的成果，參考文獻(xiàn)[3]對(duì)OTU25/50接口進(jìn)行了規(guī)范。本文將重點(diǎn)對(duì)OSU的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和測(cè)試驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，2019 年年底中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）通過(guò)了“基于OSU 的OTN 設(shè)備技術(shù)要求”和“光業(yè)務(wù)單元（OSU）技術(shù)要求”兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的立項(xiàng)。2020 年1 月月底于日內(nèi)瓦召開(kāi)的ITU-T SG15 全會(huì)上，G.osu（光業(yè)務(wù)單元通道層網(wǎng)絡(luò)）標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目成功立項(xiàng)。在項(xiàng)目組的共同努力下，上述標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)展順利，目前已經(jīng)完成OSU 總體技術(shù)方案的制定，后續(xù)將積極推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的編制和發(fā)布。

2 OSU 幀結(jié)構(gòu)和開(kāi)銷

OSU 幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示，長(zhǎng)度為192 byte，OSU 幀長(zhǎng)的選擇綜合考慮了業(yè)界交換芯片的交換效率、開(kāi)銷占比等因素。OSU 幀結(jié)構(gòu)包括7 byte 的開(kāi)銷區(qū)域和185 byte 的凈荷區(qū)域，其中開(kāi)銷區(qū)域分為3 部分：通用開(kāi)銷、映射開(kāi)銷和CRC8 校驗(yàn)區(qū)。

圖1 OSU 幀結(jié)構(gòu)

圖2 通用開(kāi)銷

通用開(kāi)銷包括版本號(hào)（VER）、支路端口號(hào)（TPN）、幀類型（FT）、連續(xù)性校驗(yàn)（CV）、串聯(lián)連接監(jiān)視（TCM1/TCM2）、通道監(jiān)控（PM）和保留開(kāi)銷（RES），如圖2 所示。主要開(kāi)銷功能如下。

（1）版本號(hào)：用于標(biāo)識(shí)OSU 幀結(jié)構(gòu)版本號(hào)。VER 默認(rèn)為01，指示當(dāng)前版本，其他值預(yù)留為將來(lái)使用。

（2）支路端口號(hào)：用于標(biāo)識(shí)OPUk（optical payloa2 unit-k，光通路凈荷單元k）支路端口和OSU 幀對(duì)應(yīng)關(guān)系，TPN 在承載OSU 的ODUk服務(wù)層通道中唯一。TPN長(zhǎng)度為12 bit，即一條ODUk通道最大可以承載4 000 條OSU。TPN 處理如圖3所示，對(duì)于一條端到端的OSU 連接，針對(duì)不同的服務(wù)層，TPN 需要進(jìn)行逐段更新。

（3）幀類型：用于標(biāo)識(shí)OSU 幀類型，目前定義的幀類型見(jiàn)表1。

表1 定義的幀類型

（4）連續(xù)性校驗(yàn)（CV）：用于在OSU 經(jīng)過(guò)的每個(gè)段層進(jìn)行OSU幀連續(xù)性和帶寬是否匹配的檢測(cè)。與TPN 處理類似，CV 也需要進(jìn)行逐段更新和處理。

（5）串聯(lián)連接監(jiān)視（TCM1/TCM2）：OSU 支持兩級(jí)TCM，每級(jí)TCM 長(zhǎng)度為5 bit。其中TCM1用于分段性能監(jiān)控和時(shí)延測(cè)量（DM），TCM2 用于分段保護(hù)，格式如圖 4 所示。TCM1 和TCM2具體的功能比特需要配合M32/256 復(fù)幀使用。

圖3 TPN 處理示意圖

圖4 TCM1/TCM2 格式定義

TCM1/TCM2 的監(jiān)控（monitoring）開(kāi)銷用于提供TCM1 和TCM2 層所屬范圍內(nèi)的性能質(zhì)量監(jiān)控。TCM1 中的時(shí)延測(cè)量（DM）用于提供TCM1層高精度時(shí)延測(cè)量，支持單向絕對(duì)時(shí)延測(cè)量和雙向時(shí)延測(cè)量。TCM2 層APS 字段用于傳遞TCM2層的APS 保護(hù)倒換協(xié)議，APS 格式定義和G.873.1保持一致。

（6）通道監(jiān)控（PM）：PM 長(zhǎng)度為5 bit，用于提供PM 層端到端的通道監(jiān)控功能，包括路徑蹤跡標(biāo)識(shí)（TTI）、監(jiān)控、自動(dòng)保護(hù)倒換（APS）和時(shí)延測(cè)量（DM），具體格式如圖 5 所示。其中，TTI采用32 byte，功能定義兼容G.709 定義TTI 的前32 byte。其他開(kāi)銷的定義與TCM 層對(duì)應(yīng)開(kāi)銷相同。

圖5 PM 格式定義

OSU 映射開(kāi)銷主要和業(yè)務(wù)映射相關(guān)，并根據(jù)承載業(yè)務(wù)的需求不同，設(shè)定不同的開(kāi)銷功能。主要分成兩類：CBR 映射開(kāi)銷和以太網(wǎng)映射開(kāi)銷。

（1）BR 映射開(kāi)銷：包含時(shí)間戳（TS）、凈荷長(zhǎng)度（PLn）和序列號(hào)（SQ），如圖6（a）所示。TS 用于攜帶CBR 業(yè)務(wù)時(shí)間戳。PLn（n=1，2，3）用于指示OSU 幀凈荷區(qū)域承載的CBR 業(yè)務(wù)所占用的凈荷長(zhǎng)度。SQ 用于提供端到端OSU 路徑OSU 幀丟失監(jiān)控功能。

圖6 映射開(kāi)銷

（2）以太網(wǎng)映射開(kāi)銷：包含 257b 指示（257b_IND）、指針（PTR）和保留比特（RES），如圖 6（b）所示。257b_IND 用于承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在該幀中承載的5 個(gè)或者6 個(gè)257b 頭部的1 bit類型指示（0 表示對(duì)應(yīng)256b 中存在控制碼，1 表示對(duì)應(yīng)256b 中無(wú)控制碼）。PTR 用于指示第一個(gè)256b 起始的字節(jié)位置。

CRC8 校驗(yàn)開(kāi)銷用于對(duì)OSU 幀通用開(kāi)銷和專用開(kāi)銷進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)。CRC8 校驗(yàn)多項(xiàng)式為G(x)=x8+x2+x+1，初始值為全1。

3 OSU 管理幀

除了前面定義的通用開(kāi)銷和映射開(kāi)銷，OSU還定義了用于OSU 維護(hù)管理的OSU 管理幀，包括OSU 客戶故障幀、OSU 維護(hù)狀態(tài)幀、OSU 保持激活幀和OSU OAM 幀。

（1）OSU 客戶故障幀

OSU 客戶信號(hào)失效指示采用特定OSU 客戶故障幀實(shí)現(xiàn)，如圖 7 所示。

客戶信號(hào)故障類型由客戶故障指示（CFI）字段確定，CFI 類型見(jiàn)表 2。

OSU 客戶故障幀在OSU 源端產(chǎn)生，并在OSU宿端終結(jié)。向下游插入的OSU 客戶故障幀由本地時(shí)鐘生成，對(duì)于OSU 承載CBR 業(yè)務(wù)的情況，按照OSU（CBR）的原始比特速率插入OSU 客戶故障幀。對(duì)于承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的情況，按照以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的最小帶寬10.4 Mbit/s 的速率插入OSU 客戶故障幀。

（2）OSU 維護(hù)狀態(tài)幀

OSU 維護(hù)狀態(tài)采用特定OSU 維護(hù)狀態(tài)幀實(shí)現(xiàn)，如圖8 所示。

圖7 OSU 客戶信號(hào)失效幀

表2 CFI 故障類型定義

圖8 OSU 維護(hù)狀態(tài)幀

維護(hù)狀態(tài)類型由 STAT_T2/STAT_T1 或STAT_P 字段確定，分別對(duì)應(yīng)TCM2、TCM1 和PM層次。維護(hù)狀態(tài)類型見(jiàn)表 3。

表3 維護(hù)狀態(tài)類型

（3）OSU 保持激活幀

采用OSU 保持激活幀的方式，確保在承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)情況下無(wú)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送時(shí)OSU連接的穩(wěn)定性，同時(shí)維持OSU 開(kāi)銷的管理監(jiān)控等功能正常運(yùn)行。OSU 保持激活幀只使用通用開(kāi)銷，映射開(kāi)銷和凈荷為保留字段。OSU 保持激活幀的發(fā)送頻率可以靈活配置。為維持OSU 管理監(jiān)控功能正常運(yùn)行，當(dāng)OSU（PKT）速率低于10.4 MB/s 時(shí)，在OSU 幀中插入OSU 保持激活幀，保證OSU 速率維持在至少10.4 MB/s。

（4）OSU OAM 幀

OSU 采用專用OAM 幀方式實(shí)現(xiàn)特定管理維護(hù)功能，如無(wú)損帶寬調(diào)整、GCC 和加密等。OSU OAM 幀格式如圖 9 所示。

OAM 幀管理維護(hù)功能類型由OAM 幀類型（OT）字段確定，目前定義的OAM 幀類型只有OSU 無(wú)損帶寬調(diào)整控制幀（00001）。OSU OAM幀開(kāi)銷區(qū)其他比特和OSU 凈荷區(qū)為保留字段（RES），默認(rèn)值為0，可根據(jù)不同的OAM 幀類型進(jìn)行功能定義。

圖9 OAM 幀格式

4 OSU 無(wú)損帶寬調(diào)整機(jī)制

現(xiàn)有的ODUflex 無(wú)損帶寬調(diào)整機(jī)制由于需要管控系統(tǒng)與所有參與調(diào)整的設(shè)備進(jìn)行交互，且存在控制協(xié)議復(fù)雜、需要兩端對(duì)齊OPU 時(shí)隙等問(wèn)題[5]，導(dǎo)致其在現(xiàn)網(wǎng)中（特別是多廠商組網(wǎng)場(chǎng)景中）很難部署應(yīng)用。為了避免上述問(wèn)題，提出了對(duì)OSU 無(wú)損帶寬調(diào)整機(jī)制的基本功能要求，包括如下6 點(diǎn)。

（1）網(wǎng)管/控制平面的帶寬調(diào)整指令應(yīng)只需發(fā)給源、宿節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)OSU 開(kāi)銷將調(diào)整指令傳送給其他節(jié)點(diǎn)；同時(shí)調(diào)整過(guò)程應(yīng)不需要網(wǎng)管參與，以便適用于沒(méi)有統(tǒng)一網(wǎng)管的多域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景。

（2）調(diào)整完成后，源、宿節(jié)點(diǎn)應(yīng)向網(wǎng)管/控制平面反饋調(diào)整結(jié)果。

（3）調(diào)整目標(biāo)帶寬可在服務(wù)層帶寬內(nèi)任意調(diào)整，調(diào)整顆粒為n×10 Mbit/s。例如在OTU2 鏈路中，一條OSU 的帶寬可在10 Mbit/s 到10 Gbit/s的范圍內(nèi)以n×10 Mbit/s 為步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。

（4）應(yīng)支持同時(shí)調(diào)整工作和保護(hù)路徑的帶寬，以便滿足業(yè)務(wù)正常保護(hù)倒換的需求。

（5）應(yīng)具備端到端確認(rèn)機(jī)制，保障帶寬調(diào)整的可靠性，避免出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)調(diào)整成功、部分節(jié)點(diǎn)調(diào)整失敗的情況。

（6）因故障調(diào)整失敗時(shí)，應(yīng)支持自動(dòng)回退到初始帶寬，以便保持網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生殘余連接。

基于以上功能需求，提出了OSU 無(wú)損帶寬增加和減少流程，其中帶寬增加流程如圖10 所示。

使用OSU無(wú)損帶寬調(diào)整控制幀進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的控制信令交互，幀格式如圖11 所示。

具體的開(kāi)銷字段含義見(jiàn)表4。

圖10 OSU 無(wú)損帶寬增加流程

5 M-OTN 設(shè)備形態(tài)和現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)

參考運(yùn)營(yíng)商城域網(wǎng)/本地網(wǎng)的機(jī)房分類，M-OTN 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的部署位置如圖12 所示。

根據(jù)M-OTN 設(shè)備的形態(tài)、技術(shù)特征和在網(wǎng)絡(luò)中的部署位置的不同，將M-OTN 設(shè)備分為固定盒式和插板式兩種，其中插板式設(shè)備又可以分為I 型和II 型兩種。不同種類M-OTN 設(shè)備的部署位置和主要功能特征見(jiàn)表 5。對(duì)應(yīng)現(xiàn)網(wǎng)OTN 設(shè)備的分類方法，固定盒式M-OTN 和I 型插板式M-OTN 又可統(tǒng)稱為接入型M-OTN。

圖11 無(wú)損帶寬調(diào)整控制幀格式

表4 無(wú)損帶寬調(diào)整控制幀信息含義

圖12 M-OTN 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的位置

為了同時(shí)支持基于OSU 的業(yè)務(wù)（如10 Mbit/s～10 Gbit/s 分組業(yè)務(wù)、STM-1/4 等）和基于ODUk的業(yè)務(wù)（如10 Gbit/s 以上分組業(yè)務(wù)、STM-4 以上的TDM 業(yè)務(wù)等），城域OTN 應(yīng)同時(shí)支持OSU 和ODUk交換。城域網(wǎng)可采用OTN 現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)或新建一個(gè)M-OTN 平面的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)OSU 的支持。為了保護(hù)已有網(wǎng)絡(luò)投資，要求近期新建的城域OTN設(shè)備應(yīng)支持平滑升級(jí)到M-OTN設(shè)備。在城域OTN的核心節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，需要將到其他城域OTN 的OSU 復(fù)用到ODUk中。因此，骨干OTN 只需要支持ODUk交換即可，可以繼續(xù)沿用現(xiàn)有OTN。

表5 M-OTN 設(shè)備分類

6 M-OTN 樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證

在標(biāo)準(zhǔn)制定的同時(shí)，還組織了OSU 關(guān)鍵技術(shù)性能驗(yàn)證和M-OTN 設(shè)備樣機(jī)測(cè)試，測(cè)試拓?fù)浜蜏y(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖 13 所示。

測(cè)試結(jié)果表明基于OSU 的M-OTN 技術(shù)具備如下顯著優(yōu)勢(shì)。

圖13 測(cè)試拓?fù)浜蜏y(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

（1）低時(shí)延特性：對(duì)比現(xiàn)階段采用的EOS（Ethernet over SDH）和EOO（Ethernet over OTN）方案，OSU 技術(shù)具有明顯的時(shí)延優(yōu)勢(shì)；特別是與承載小顆粒業(yè)務(wù)的EOS 方案相比，優(yōu)勢(shì)非常顯著，雙向時(shí)延可降低1～3 ms，如圖 14 所示。

（2）無(wú)損帶寬調(diào)整：與現(xiàn)有的ODUflex 帶寬調(diào)整機(jī)制相比，基于OSU 的業(yè)務(wù)帶寬無(wú)損調(diào)整時(shí)間更短、調(diào)整顆粒更精細(xì)。

（3）提升承載效率：以10 Gbit 鏈路為例，目前EOO 方案只能支持8 條GE 業(yè)務(wù)，OSU 方案可以承載10 條GE 業(yè)務(wù)，承載效率提升了25%。

圖14 時(shí)延測(cè)試對(duì)比結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

M-OTN/OSU 是首個(gè)由中國(guó)運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠商聯(lián)合主導(dǎo)推動(dòng)的光傳送網(wǎng)（OTN）核心系列標(biāo)準(zhǔn)，是我國(guó)在光傳送網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由跟隨向引領(lǐng)的突破。筆者將在M-OTN 產(chǎn)業(yè)發(fā)展中持續(xù)引領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)方向，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方打造完整的生態(tài)圈，實(shí)現(xiàn)M-OTN 在現(xiàn)網(wǎng)的快速部署和應(yīng)用。M-OTN 技術(shù)具有的靈活帶寬、低時(shí)延、開(kāi)放管控接口等特性可以很好地滿足以高品質(zhì)專線業(yè)務(wù)為主的綜合業(yè)務(wù)承載需求，勢(shì)必在未來(lái)傳送網(wǎng)的演進(jìn)和發(fā)展中扮演重要角色。