基于SDH的光纖自組網多業務設備設計

摘? 要：本研究主要介紹了一種基于SDH的自組網多業務設備設計方法，設備提供話音和以太網等多種業務接口，可以實現光纖環網自組網應用，具有快速開通、隨意接入等特點。對設備的整體架構進行說明，重點介紹了設備功能模塊、自組網功能和環網保護等功能實現方法。

關鍵詞：SDH;自組網;多業務;環網保護

中圖分類號：TN929.11? ? ? 文獻標識碼：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展，視頻業務、多媒體業務和寬帶業務傳輸需求日益增加，光纖傳輸技術先后經歷了準同步數字體系（PDH）、同步數字體系（SDH）、光波分復用（WDM）、光傳送網（OTN）等技術體制的發展和應用，目前隨著網絡IP化的加快，在接入網和城域網領域傳統，SDH技術逐漸被分組傳送網（PTN）、無線接入網IP化（IPRAN）等分組傳送承載技術替代，但基于SDH的多業務傳送節點（MSTP）[1]設備由于其具有接口規范、兼容性好、業務復接/分接高效靈活、運行維護（OAM）功能強大、組網靈活、網絡自愈功能和重組功能強大等特點，便于用戶按需動態組網，實現靈活的業務調配，因此仍有大量MSTP設備在使用，還具有較大的市場需求。設計一款具有自組網功能，能提供話音、低速數據和以太網數據等綜合業務傳輸功能的多業務光傳輸設備可很好地滿足快速開通、靈活組網的接入網業務傳輸要求。

1? 總體設計

自組網多業務設備為集SDH、脈沖編碼調制（PCM）和以太網二層交換技術為一體，提供STM-4光接口、100M/1000M以太網接口、二線話音接口、E1接口和RS-232/RS-422等低速數據接口。其中光傳輸部分采用了SDH技術，話音和低速數據采用了PCM技術，以太網業務支持二層交換功能。設備通過內部交叉連接將各種業務與傳輸通道互連，滿足多種應用環境要求。設備原理框圖如圖1所示。其中SDH功能處理（E1映射、以太網映射、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實現。

設備為了實現靈活配置功能，采用了多層次的交叉連接和數據交換功能，設備的E1、以太網、話音和低速數據等業務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，實現靈活的傳輸功能。設備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、低速數據具有64kbit/s時隙通道的交叉功能;以太網二層交換模塊具有以太網數據包二層交換、虛擬網（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映射、E1映射、交叉連接、指針調整、開銷處理等SDH功能單元，加上外圍的時鐘模塊、控制模塊和勤務模塊，組成了設備完整的SDH處理功能。

SDH功能模塊全部由FPGA自主編程實現，如圖2所示，STM-4光信號經光電變換后進行時鐘恢復，經過開銷處理和指針調整后送進交叉連接模塊，以太網業務和E1業務經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STM-1傳輸容量中的各級別通道的全交叉，可實現靈活的上下業務。

時鐘模塊完成時鐘源的選擇、鎖定及分配，為設備的各個模塊統一提供時鐘。勤務電話經勤務模塊處理后，通過SDH的開銷以廣播的形式發送，以便各個節點都能同時通話。

1.2? 以太網接口

為減少芯片數量和功耗，設備采用集成物理層（PHY）的千兆以太網交換芯片，支持2層以太網數據交換、虛擬局域網、MAC地址學習、組播、生成樹協議等功能;系統側通過1個GMII接口和1個SGMII與以太網映射模塊連接，提供2路以太網映射通道，用戶側提供1個100/1000Mbit/s 自適應以太網電接口，同時通過一個MII接口與CPU連接，以便進行芯片設置和生成樹算法計算。設備可以在以太網業務接口和SDH以太網映射通道之間進行以太網鏈路層的數據包交換。原理框圖如圖3所示。

以太網映射功能采用FPGA實現，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VC-4時隙。

1.3? E1接口

設備可傳輸標準的2048kbit/s的E1信號，支持結構化或非結構化的E1信號，通過FPGA實現E1數據到VC-12時隙的映射功能，可通過內部交叉連接到任意的光接口進行傳輸，如圖4所示。

1.4? 話音和低速數據接口

話音和低速數據RS-232/RS-422業務由FPGA實現PCM話音和數據的成幀/解幀、復分接處理，再通過64K時隙交叉矩陣實現源端口和目的端口的互通，最后合成2路E1數據由SDH光傳輸，設備提供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

CPU管理控制系統主要由CPU、FLASH/SDRAM、復位控制、數據地址控制、調試以太網接口和調試串口等部分組成，是設備嵌入式軟件運行的硬件平臺，是實現設備功能、設備控制與管理的核心，主要實現了設備初始化、自組網協議、生成樹協議等功能、算法。考慮到各種算法和協議軟件的復雜性、通信業務相關的處理實時性要求，CPU應具有較強大的軟件運行能力;應能支持廣泛的通信接口及協議，且具有處理高速數據的能力，因此CPU選用Freescale公司的MPC8270。MPC8270是雙核結構處理器，其中PowerPC內核是通用RISC CPU，64位數據總線、32位地址總線;CPM（通信處理模塊）具有獨立的處理器，與內核并行運行，專門處理低層的通信相關任務。CPM可同時處理HDLC、Ethernet、UART、TDM、SPI和I2C等多種通信接口或協議，具有多個快速通信控制器，可支持快速以太網協議。管理控制系統原理框圖如圖6所示。設備管理信息通過DCC通道傳輸到遠端設備。

2? 環網功能設計

自組網多業務設備基于SDH技術實現，提供2個STM-4光接口，可組成點對點、鏈型、環型等網絡結構;支持靈活組網、節點移動、隨遇接入、快速開通和環網保護等功能，具有較強的抗毀搶通能力。

2.1? 自組網功能

自組網多業務通信系統是由多臺自組網多業務設備按照點對點、鏈形、環形等不同應用組成的通信網絡，所有節點通過分布式協議互聯起來，其中一個節點自動協商為中心節點，每個節點既是終端節點，同時還可起中繼節點的作用。其中以太網業務傳輸采用共享環的方式，所有節點共享1個VC-4帶寬，各節點間可相互通信;E1、話音和低速數據為點對點通信，需要匯聚到中心節點進行交叉。

自組網多業務設備具有身份地址自學習功能，在組網應用時需先設置設備編號、IP地址，在接入網絡后把自己的身份信息通過UDP廣播包方式廣播出去，以便網絡上其余設備能學習到自己的身份信息（編號、IP地址），廣播消息將重復發送三次以防止其在傳輸過程中丟失。

當自組網多業務設備接收到其他設備發出的身份信息后，會記錄下此信息中設備編號和IP地址的對應關系，并添加到身份信息表中，然后向發送廣播消息的設備回傳響應消息（單播包）。結合環網保護方式，設備編號為1—16，網絡最大支持16個節點。

在組網的設備進行身份相互學習后，就可進入正常通信，在正常通信過程中，各設備監測DCC網管通道中的以太網數據包，如果發現新的用戶數據包出現，則啟動身份識別程序，向該用戶尋求認證，最終將新用戶加入到本地身份信息表中。

2.2? 環網保護功能

自組網多業務設備組網應用時，最常用的網絡拓撲為環形網，具有很強的生存能力，最多可支持16個節點，兩個節點間距離可超過80km（采用普通G.652光纜）。

環網保護功能是指在光網絡發生故障（例如光纖斷）時，無需人工干預，光網絡自動地在極短的時間內從失效故障中自動恢復所攜帶的業務，使用戶感覺不到網絡已出了故障[2]。

二纖環網保護常用的有二纖單向通道保護和二纖雙向復用段保護兩種[1]。對于通道保護環，業務的保護是以通道為基礎的，也就是保護的是STM-N信號中的某個VC（TU-12、TU-3等通道），倒換與否按環上的某一個別通道信號的傳輸質量來決定的，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進行倒換。而復用段倒換環是以復用段為基礎的，倒換與否是根據環上傳輸的復用段信號的質量決定的，倒換是由K1、K2（b1—b5）字節所攜帶的APS協議來啟動的，當復用段出現問題時，如出現信號丟失（LOS）、幀丟失（LOF）、告警指示信號（AIS）、信號劣化等故障時，將執行復用段保護倒換，把業務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環操作簡單，但是結合以太網環網功能，其控制就比較復雜，為簡化設計，本設備采用二纖雙向復用段保護方式，每根光纖的前一半時隙（例如STM-4為1#～2#STM-1，為工作時隙）傳送主用業務，后一半時隙（例如STM-4為3#～4#STM-1，為保護時隙）傳送保護業務，即一根光纖的保護時隙用來保護另外一根光纖上的主用業務，兩根光纖上業務流向相反。如圖7所示，假設A、C節點通信，在設備正常工作時，信號都通過A-B-C路由，信號在兩根光纖的工作時隙（S1、S2時隙）中傳輸，而光纖中保護時隙（P1、P2時隙）為空閑狀態;當光纖產生故障時，故障光纖相鄰的兩個節點執行環回功能，將S1-P1與S2-P2連接，形成一個新的光纖環路，光纖（工作時隙）中的數據環回到保護光纖（保護時隙），通過光纖保護時隙的路由到達目的節點，在環回完成后，可以保證環上所有業務能夠正常運行。其環形網拓撲結構如圖7所示。

2.3? 以太網環網功能

為避免以太網業務在光環網上成環，引起廣播風暴，使網絡癱瘓，本設備采用二層交換生成樹協議來消除網絡中存在的路徑環回問題。生成樹協議是IEEE 802.1d中定義的數據鏈路層協議，通過在交換機之間傳遞網橋協議數據單元（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、指定端口都處于轉發狀態，其他端口處于禁用狀態，即使得網絡中只有一條鏈路生效。如果網絡拓撲發生改變，將重新計算生成樹拓撲，從而既保障了網絡正常運轉，又保證了冗余能力。設備支持IEEE 802.1w規定的“快速生成樹協議”，生成樹收斂過程為1s至10s[3]。

本設備組成的光環網以太網業務的保護采用分層保護方式，物理層采用SDH復用段保護，MAC層采用生成樹協議提供保護。當光環網發生單點光纖故障時，由于SDH保護倒換時間比生成樹協議收斂時間快得多，如兩種保護協議同時使能時，通過設置拖延時間延遲MAC倒換，使設備啟用SDH保護倒換，一般倒換時間在50ms以內，加速了生成樹的收斂時間。設計MAC延遲時間以50ms為步進可設置，避免了2種倒換重疊發生現象。

3? 結? 論

自組網多業務設備通過合理的軟硬件設計，實現了基于SDH的光環網多業務接入、傳輸功能，支持最大16個節點組網需求，可實現以太網環網通信、光環網保護等功能，能滿足接入網領域用戶靈活組網、隨遇接入、快速開通和系統自愈功能需求，提供較強的抗毀搶通能力。

參考文獻：

[1] 基于SDH的多業務傳送節點技術要求：YD/T 1238-2002 [S].北京：中華人民共和國信息產業部，2002.

[2] 韋樂平.光同步數字傳輸網 [M].北京：人民郵電出版社，1996.

[3] 袁國材.生成樹原理及應用 [Z].武漢邁力特光通信公司，2005.

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：光纖通信技術研究和光通信設備研發。