SDH概念与有线电视网

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　随着全球互联网（Internet）的迅猛发展，上网人数正以几何级数快速增长，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。同时，无论是从数据传输的用户数量还是从单个用户需要的带宽来讲，都比过去大很多。特别是后者，它的增长将直接需要系统的带宽以数量级形式增长。因此如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。



　　光纤具有高带宽、传输距离远等优点，已成为宽带综合数字业务网的主要物理连接媒介，不过，如果仅凭单纯的光缆连接，并不能构成担负各种复杂应用的传输网。骨干传输需要由复杂的传输协议来支撑，并借助光纤作为物理媒介。



　　SDH传送网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出，称之为同步光网络（Synchronous Optical NETwork,SONET）。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适用于各种经适配处理的净负荷（即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分）在物理媒质如光纤、微波、卫星等上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标准。国际电信联盟标准部（ITU—T）的前身国际电报电话资询委员会（CCITT）于1988年接受SONET概念，并与美国标准协会（ANSI）达成协议，将SONET修改后重新命名为同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）,使之成为同时适应于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。



　　SDH网是对原有PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy准同步系列）网的一次革命。PDH是异步复接，在任一网络节点上接入接出低速支路信号都要在该节点上进行复接、码变换、码速调整、定时、扰码、解扰码等过程，并且PDH只规定了电接口，对线路系统和光接口没有统一规定，无法实现全球信息网的建立。随着SDH技术引入，传输系统不仅具有提供信号传播的物理过程的功能，而且提供对信号的处理、监控等过程的功能。SDH 通过多种容器C和虚容器VC以及级联的复帧结构的定义，使其可支持多种电路层的业务，如各种速率的异步数字系列、DQDB、FDDI、ATM等，以及将来可能出现的各种新业务。段开销中大量的备用通道增强了SDH网的可扩展性。通过软件控制使原来PDH中人工更改配线的方法实现了交叉连接和分插复用连接，提供了灵活的上/下电路的能力，并使网络拓扑动态可变，增强了网络适应业务发展的灵活性和安全性，可在更大几何范围内实现电路的保护、高度和通信能力的优化利用，从而为增强组网能力奠定基础，只需几秒就可以重新组网。特别是SDH自愈环，可以在电路出现故障后，几十毫秒内迅速恢复。SDH的这些优势使它成为宽带业务数字网的基础传输网。



　　原广播电影电视部在1995年研究制定全国有线电视联网规划时已明确规定，国家部级和省级干线全部采用SDH传输技术，数据流的传输码率为2.5Gb/s，即STM-16。现在我国的有线电视网络在省内和省外均采用了SDH传输体制，有线电视网络的SDH网起着公共物理传输平台的作用，在此平台上，一部分带宽用来传输广播电视节目，另一部分用来直接传输用户数据或从ATM、IP交换机汇聚来的数据流等。本文仅讨论利用有线电视网络的SDH网传输IP数据流。




　　一、SDH传输网的基本构成



　　SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的，在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送，融复接、传输、交换功能于一体，由统一网络管理操作的综合信息网。可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能，能有效地提高网络资源的利用率。



　　SDH有全世界统一的网络节点(NNI)，从而简化了信号的互通以及信号的传送、复用、交叉连接和交换过程，它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块(Synchronous Transport Module)，STM-N。当n=1、4、16时，其最基本的模块为 STM-1、STM-4和STM-16，并具有一种块状帧结构，允许安排丰富的开销比特(即在网络节点接口比特流中扣除净负荷后的剩余部分)用于网络的运行、管理和维护(OAM)。它的基本网络单元有同步光纤线路系统或SDH微波传送系统、同步复用器(SM)、分插复用器(ADM)和同步数字交叉连接设备(SDXC)等等。



　　SDH传送网最重要的两个网络单元是终端复用器和分插复用器。以STM-1为例，终端复用器的主要任务是将低速支路信号和155Mb/s电信号纳入STM-1帧结构，再经CMI(符号反转码)变换后进入微波传送系统，其逆程正好相反。分插复用器，将同步复用与数字交叉连接功能综合于一体，具有灵活的分插任意支路信号的能力，在网络设计上有很大的灵活性。由这两种基本网络单元组成的典型网络应用有多种形式，有点到点应用、线型应用、构成枢纽网、构成环形网、构成双环形网和网孔形应用。



　　二、SDH技术的传输原理



　　SDH用来承载信息的是一种块状帧结构，块状帧由纵向9行和横向270×N列字节组成，每个字节含8b(bit)。整个帧结构由段开销区、净负荷区和管理单元指针区三部分组成。其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配，以保证信息能够正常灵活地传送，管理单元指针用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收时能正确分离净负荷。净负荷区域用来存放用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节。



　　SDH的帧传输时，按由左向右，由小到大的顺序排成串型码流依次进行。每帧传输时间为125μS，每秒传输1/125×106 =8000帧。对STM-1而言，每帧能传输的比特数为8×(270×9×1)=19940b，STM-1的传输速率为19440×8000=155.52Mb/s，而STM-4为622.080Mb/s、STM-16为2488.320Mb/s。



　　各种业务信号进入SDH的帧结构都要经过三个步骤，即映射、定位和复用。映射就是将各种进来的速率不等的信号先经过码速调整，再装入相应的标准容器C中，同时加入通道开销POH形成虚容器VC。定位就是将帧相位发生偏差的(称帧偏移)的信息收进支路单元或管理单元，它通过支路单元指针或管理单元指针的功能来实现。复用就是将多个低阶通道层信号通过码速调整进入高阶通道或将多个高阶通道层信号通过码速调整进入复用层的过程。以139.264Mb/s信号到STM-1的形成为例来说明这三个步骤。139.264Mb/s信号首先进入标准容器，速率调整后输出149.76Mb/s数字信号，进入虚拟容器，加入通道开销576kb/s后输出150.336Mb/s的信号，在管理单元内加入管理单元指针576kb/s，输出150.336Mb/s的信号，因N=1，故由一个单元组加人段开销4.608Mb/s后，输出155.520Mb/s的STM-1信号。



三、SDH网络的特点



　　SDH网络具有如下特点：



　　1．使1.5Mbit/s和2Mbit/s两大数字体系在STM－1等级上获得统一。数字信号在跨越国界通信时，不再需要转换成为另一种标准，第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。



　　2．采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构。各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络是同步的，因而只需要利用软件即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号即所谓的一步复用特征。这样既不影响别的支路信号，又避免了需要对全部高速复用信号进行分用的做法，省去了全套背靠背复用设备，使网络结构得以简化，上下业务十分容易，也使DXC的实现简化。利用同步分插能力还可以实现自愈环形网，改进网络的可靠性和安全性。此外，背靠背接口的减少还可以改善网络的业务透明性，便于端到端的业务管理，使网络易于容纳和加速各种新的贷款业务的引入。



　　3．SDH帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使得网络的OAM能力加强。此外，由于SDH中的DXC和ADM等一类网元是智能化的，通过嵌入的控制通路可以使部分网络管理能力分配到网元，实现分布式管理，使新特性和新功能的开发变得比较容易。



　　4．由于将标准光接口综合进各种不同的网元，减少了将传输和复用分开的需要，从而简化了硬件，缓解了布线拥挤。此外，有了标准光接口和通信协议后，使光接口成为开放型接口，还可以在基本光缆段上实现横向兼容，满足多厂家环境要求，降低了联网成本。



　　5．由于用一个光接口代替了大量电接口，因而SDH网所传输的业务信息可以不必经由常规同步系统所具有的一些中间背靠背电接口而直接经光接口通过中间节点，省去了大量的相关电路单元和跳线光缆，使网络的可用性和误码性能都获得改善。而且，由于电接口数量锐减导致运行操作任务的简化以及设备种类和数量的减少，使运营成本减少20％～30％。



　　6．SDH网与现有网络能完全兼容，即可以兼容现有准同步数字体系的各种速率。同时，SDH网还能容纳各种新的业务信号，使之具有完全的向后兼容性和向前兼容性。



　　四、IP over SDH及其在有线电视网络宽带IP传输中的应用



　　目前，Internet通过电信拨号的接入速度极其缓慢，一般电话的Modem只能提供几十Kbit/S的传输速率，其速率和带宽不可能很好地支持多媒体信息等宽带业务。



　　随着多媒体通信的发展，因特网接入宽带化的需求日益迫切。而有线电视网拥有丰富的带宽资源，同时，目前我国有线电视用户已经达到了8000万户，有线电视网络的里程超过了240万公里，中国已经成为世界第一大有线电视用户国。有线电视网络具有巨大的产业开发价值，构筑基于有线电视网的Internet宽带信息网，不仅仅是广大用户的企盼，更是有线电视网实现第二次腾飞的关键所在。



　　在有线电视网络中用何种技术传输IP，取决于有线电视网络所采用的传输技术。在有线电视网络中的IP传输技术有IP over ATM、IP over SDH、 IP over WDM三种形式。



　　经研究和实践发现：当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时，会发生ATM降载，主干网路由器不堪负荷也会引起整个系统停机。再加上IP over ATM的网络体系结构比较复杂、传输效率低、开销损失大(达25%～30%)的缺点，使人们把眼光转向了IP over SDH。加之现在我国的有线电视网络国家部级和省级干线均采用了SDH传输体制，因此在有线电视网络中的IP传输技术较多采用IP over SDH。



　　1．IP over SDH的概念



　　IP over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及点到点协议（PPP：Point To Point Protocol）对数据包进行封装，根据RFC1662规范把IP分组简单地插入到PPP帧中的信息段。然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH同步净荷中，然后经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后达到光网络，在光纤中传输。IP over SDH，也称为PACKET over SDH （PoS），它保留了IP面向无连接的特征。



　　2．IP over SDH与路由器的关系



　　IP over SDH技术的实现需要高速路由器和PPP协议，采用的仍然是传统路由器的逐包转发方式。其基本思路是将路由计算与包的转发分开，采用缓冲技术、硬件芯片快速处理技术、以ATM信元交换矩阵作为路由器内部体系构架的交换路由技术，将路由器包的逐包转发速度控制到与第二层交换的速度相当。它无须利用广域网上的ATM交换机来建立虚电路VC。



　　为保证路由与SDH设备之间的互操作性，路由器卡应支持下述SDH开销字节功能：



　　（1）用于自动保护倒换(APS)的Ｋ1、Ｋ2字节，允许路由器与路由器之间、路由器与ADM之间进行倒换；



　　（2）通过踪迹字节(Ｊ1)可由路由器卡来插入和监视;·差错监视字节(Ｂ1、Ｂ2和Ｂ3)、复用段远端差错指示字节(Ｍ1)和通道状态字节(Ｇ1)可由路由器)来插入和监视；



　　（3）路由器应对SDH的段、线路和通道进行告警和性能监视；



　　（4）路由器卡从SDH系统提取要定时。



　　IP over SDH中以链路方式来支付Internet网络，不能参与Internet网络的寻址。它的作用是将路由器以点到点的方式连接起来，提高点到点之间的传输速率。它并没有从总体上提高Internet网络的性能，这种Internet网络本质上仍是一个路由器网。Internet网络整体性能的提高将取决于路由器技术是否有突破性进展，因而这种技术的核心是千兆比线速路由交换机(千兆比特高速路由器)。



　　目前不少网络设备公司已推出基于IP over SDH技术的交换路由器产品，如Cisco千兆位交换路由器GSR12000、Ascend千兆位路由转发器GRF、Lucent于1998年推出的Packet star千兆位路由器等。这些设备在交换功能方面引入了ATM技术，与传统路由器相比，在技术方向有了重大突破，表现在吞吐量大(达60G bps)和传送时延小(14～40μs)，为IP over SDH的实现奠定了基础。但是，千兆比特高速路由器在实现第2层交换与第3层选路的综合的同时，也带来了设备的复杂性。此外，这种突破性技术尚不能广泛应用于普通路由器。因而除非网络上的全部路由器都能采用千兆比特速路由器技术，否则仍难以从整体上提高Internet网络的水平。所以，IP over SDH主要用于在干线上疏导高速率数据流。



　　3．IP over SDH的优点



　　IP over SDH的优点是：对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率；符合Internet业务的特点，如有利于实施多播方式；能利用SDH技术本身的环路和网络自愈合能力达到链路纠错的目的；同时又利用OSPF协议防止链路故障造成网络停顿，提高网络的稳定性；将IP网络技术建立在SDH传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容不同技术标准实施全球联网；声略了ATM层，简化了网络结构，降低了运行成本。



　　4．IP over SDH的缺点



　　IP over SDH的缺点是：IP over SDH目前尚不支持虚拟专用网VPN和电路仿真；在所有包交换技术中，ATM的QoS是最好的，它可以做到电路仿真，而IP over SDH技术只能进行业务分级，不能提供较好的QoS；对大规模的网络必须处理庞大、复杂的路由表，而且查找困难，路由信息占用比较大的带宽。



　　SDH传输技术，广泛应用于传输领域，它的一系列优点非常适合于广播信号的传输。而IP over SDH能使IP数据包通过PPP协议直接映射到SDH帧结构上，省去中间的ATM层，简化了IP网络体系结构，提高了数据传输效率，将IP网络技术建立在SDH传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容各种不同的技术和标准，易于实现网络互联。IP over SDH技术是目前建设和改造Internet骨干网的首选方案。在有线电视网络平台上IP over SDH适用于省际网络和省内网络上的IP传输。目前，国内外广泛建设的SDH环境为IP over SDH的实施创造了良好的条件。随着千兆高速路由器的进一步成熟和IP业务的进一步增大，对IP over SDH的应用会越来越广泛。但是，应注意到，在一段时期内，IP over ATM、IP over SDH将会共存互补，各有其最佳应用场合和领域，但最终会过渡到IP over DWDM 。