VT/TU交換對邊緣網(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(hù)服務(wù)的架構。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)能夠實(shí)現集合與交叉連接，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級出現的技術(shù)(比如虛擬級聯(lián)和LCAS)可以實(shí)現靈活的帶寬管理，進(jìn)而通過(guò)這些固定凈荷容器機制實(shí)現高效的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、網(wǎng)元級和硅晶片級的高容量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 )級展開(kāi)，旨在深入分析VT/TU交換對所有三個(gè)層級的影響。

網(wǎng)絡(luò )級問(wèn)題
在網(wǎng)絡(luò )級實(shí)現VT/TU級交叉連接，可能導致帶寬管理以及自動(dòng)保護交換和Transmux功能出現問(wèn)題。在設計時(shí)，讓系統有效地解決這些問(wèn)題需要花費極高的成本，因此服務(wù)提供商必須了解每一步，簡(jiǎn)單的升級不能完全解決問(wèn)題。
在整個(gè)城域網(wǎng)中的分插多路復用器(ADM)內實(shí)現VT/TU級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。系統級功能(比如帶寬設置以及報警監控等)也很難在VT/TU級操作、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)對點(diǎn)及環(huán)形架構予以實(shí)現，能夠疏導至STS/AU級。很大一部分VT/TU級交叉連接出現在數字交叉連接系統(DCS)中，此類(lèi)系統集中分布在城域網(wǎng)核心。 
對于傳統的網(wǎng)絡(luò )拓撲學(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(xiàn)路的客戶(hù)需要在每個(gè)站點(diǎn)都設置獨立的T1線(xiàn)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(zhuān)用于支持回程連接的應用中，這樣做可能導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雜程度和功能都有所增加。在集中式DCS中，帶寬設置、測試接入以及告警監控比大量分布式網(wǎng)元中的相應過(guò)程易于管理。 
盡管如此，隨著(zhù)運營(yíng)商要求更多VT/TU級支持那些靠近城域網(wǎng)接入的網(wǎng)元，新興的發(fā)展趨勢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 多路復用器被多路復用至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)現互連，這兩種信號必須在同一點(diǎn)分離為原始的T1格式。

APS要求
除了需要Transmux功能之外，運營(yíng)商還需要在VT/TU層實(shí)現分布式自動(dòng)保護交換(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標準的Telcordia GR-1400-Core和子網(wǎng)連接保護(SNCP)、以及SDH標準的ITU-T G.841和 ETSI TS 101 009中均有所描述。深入評論APS架構已超出文本的范疇，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可以提供一種機制，幫助系統從網(wǎng)元(設備保護)的故障中自動(dòng)恢復。APS能夠應用于更高的STS/AU層或者更低的VT/TU層，具體視所采用的標準以及網(wǎng)絡(luò )類(lèi)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(xiě)入硬件。這是一種軟件和處理器密集型的解決方案。
對于低容量VT/TU交叉連接而言，上文所述的傳統APS方法通常都是可以管理的。然而，隨著(zhù)服務(wù)提供商向容量更高的VT/TU交叉連接演進(jìn)，在這些標準設定的性能范圍內應用傳統的APS模式開(kāi)始變得不合時(shí)宜。
盡管設備保護不存在任何時(shí)間限制，但網(wǎng)絡(luò )標準為設施的保護規定了50ms的時(shí)間限制。網(wǎng)絡(luò )必須在這一時(shí)間框架內檢測并重新配置所有連接。 

沖破50ms的桎梏
對于那些在STS/AU層監控信號的低速光纖鏈路(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、高效的硬件予以實(shí)現。隨著(zhù)城域網(wǎng)中的高速光纖信號(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大的控制面板解決方案。
例如，支持OC-12上行鏈路信號的網(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立實(shí)體受到監控和操控。標準規定，如果光纖被切斷，所有受保護的鏈路必須在50ms內恢復正常，因此每個(gè)適用的STS-1都必須實(shí)現廣泛的性能監控。  
在支持分布式VT/TU交叉連接網(wǎng)絡(luò )時(shí)，問(wèn)題進(jìn)一步復雜化。每路低階支路都必須獨立受到監控。每個(gè)VT/TU實(shí)體所必需的處理能力類(lèi)似于每個(gè)STS或AU實(shí)體所需的能力，然而，所處理的獨立實(shí)體的數量同 STS/AU層相比增加不少。
在以往的OC-192實(shí)例中，5376路獨立的VT可以在50ms內在A(yíng)PS事件中實(shí)現監控和交叉連接。除此之外，如果ADM支持OC-48和OC-192這兩種信號的環(huán)通，所處理的VT和TU的集合容量便會(huì )增長(cháng)到無(wú)法管理的水平。這就需要新技術(shù)分擔那些在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荷。

網(wǎng)元級問(wèn)題
在設計新一代ADM以便在VT/TU層支持集合與交叉連接時(shí)，OEM廠(chǎng)商面臨著(zhù)眾多挑戰。本文主要論述四種挑戰：1. 集中式而非服務(wù)器卡設計；2. VT/TU指針處理器的位置；3. 高階成幀器受到的影響；4. 支持虛擬級聯(lián)對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，運營(yíng)商對于更換整套網(wǎng)元并不感興趣。為了滿(mǎn)足分布式VT/TU支持的新型需求，OEM廠(chǎng)商必須在無(wú)需升級機架的情況下實(shí)施解決方案。存在著(zhù)兩種選擇: 一是利用新的交叉連接卡更換現有的中央STS/AU 交叉連接卡，前者可以同時(shí)在STS/AU層和VT/TU層支持整理疏導功能；二是保持現有STS/AU交叉連接卡的完整，并在平臺中添加VT/TU服務(wù)器卡。在這兩種情況中，目標都是在支持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量、動(dòng)力和板卡空間。選擇二更為理想化，機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梯度選擇性地導入新的服務(wù)器卡，VT和TU根據需求實(shí)現交叉連接，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，現有STS/AU交叉連接的帶寬(10%~25%)必須專(zhuān)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疏導卡分配16 G~40 G的帶寬。

指向正確位置
在向平臺提供VT/TU交叉連接支持的過(guò)程中，下一個(gè)挑戰便是低階指針處理器的位置。SONET/SDH標準的核心前提是為同步框架定義一種機制，例如T1和E1。
對于包含VT或TU的業(yè)務(wù)而言，在連接平臺交叉連接卡之前，低階指針處理是強制性要求。在STS和AU通過(guò)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，指針可以單獨調整每個(gè)容器的位置。當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)現連接，承載VT和TU的所有容器必須通過(guò)系統的重新定位容器的低階指針處理器。在平臺中定位低階指針處理存在兩種選擇：在線(xiàn)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)需重新設計現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)力預算可以命令低階指針處理器分配至線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。

評估其它組件受到的影響
能夠在VT/TU層實(shí)現疏導功能的平臺基于低階指針處理器，能夠處理容量為STS-12的業(yè)務(wù)，相應的低容量交叉連接共置于一塊板卡。在這一集成級別，功耗預算可以得到滿(mǎn)足，而且芯片間的距離很短，使得并行總線(xiàn)足以將低階指針處理器連接至VT/TU交叉連接。隨著(zhù)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，集成高速串行鏈路的需求顯得越來(lái)越重要。
當在新型平臺和現有平臺增加VT/TU輸入功能時(shí)，必須全面評估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)，現有STS/AU交叉連接會(huì )受到什么影響？ 
對于這兩種情況而言，在現有系統中，所有線(xiàn)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)架構以支持VT/TU都需要對所有受影響的業(yè)務(wù)提供時(shí)延補償。由于VT/TU疏導可以增加有限的處理時(shí)間，所以必須在原有的線(xiàn)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)重新調整VT/TU整理業(yè)務(wù)在VT/TU交叉連接卡上予以實(shí)現，因此，線(xiàn)路卡或者STS/AU交叉連接卡具備零時(shí)延。這種時(shí)延補償可以在業(yè)務(wù)出現后在VT/TU交叉連接卡實(shí)現，也可以在進(jìn)入VT/TU交叉連接之前通過(guò)預先處理業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現。
虛擬級聯(lián)以及LCAS依賴(lài)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。例如，單個(gè)10Mbit/s的以太網(wǎng)信號可以通過(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。 
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)對點(diǎn)EoS連接中，所有虛擬級聯(lián)和LCAS機制都可以在位于終端多路復用器(TM)的EoS映射器中進(jìn)行管理。因此，升級平臺以便在提供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)元設計人員無(wú)需考慮過(guò)多問(wèn)題。

硅晶片級問(wèn)題
目前部署的網(wǎng)元基于VLSI芯片技術(shù)設計而成，采用0.25mm工藝或者更先進(jìn)的工藝。此類(lèi)技術(shù)能夠以可接受的功耗和板卡空間提供經(jīng)濟高效的解決方案，有效支持容量為5 Gbit的VT/TU交叉連接。
DCS廠(chǎng)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，這一過(guò)程可以在大型專(zhuān)用機架中完成。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)法集成到傳統的ADM架構之中。最終結果便是網(wǎng)絡(luò )中的集中式VT/TU交叉連接架構以及回程需求的產(chǎn)生。
隨著(zhù)新工藝技術(shù)不斷面世，比如0.18mm和0.13mm工藝，設計人員開(kāi)始有能力突破電源功耗和板卡空間的屏障。然而，當設計人員利用這些新型工藝技術(shù)在分布式網(wǎng)絡(luò )架構中構建高密度VT/TU交叉連接時(shí)，就會(huì )遇到新的挑戰。
將交叉連接架構從單一的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)獨立的STS或AU中實(shí)現配置和交叉連接所必需的片上處理資源(即晶體管)的復雜程序與監控每個(gè)獨立的VT或TU所必需的資源類(lèi)似。
在定義SONET和SDH時(shí)，本質(zhì)內容是給定帶寬中的VT和TU多于STS和AU。例如，在160 Gbit僅支持STS的交叉連接中，芯片內外存在著(zhù)64條獨立的2.5 Gbit串行鏈路。這會(huì )轉化為3072路不同的STS-1，在特定的芯片區域進(jìn)行配置和實(shí)現交叉連接。
可以充分利用時(shí)間片(Time Sliced)架構在經(jīng)濟高效的低功耗解決方案內支持所有3072路STS-1連接，但是僅具備有限數量的晶體管來(lái)支持串行鏈路處理過(guò)程以及交叉連接管理過(guò)程。

達到上限
受到現有工藝的限制，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(cháng)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(cháng)。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架構。隨著(zhù)架構向多級演進(jìn)，總芯片數量和功耗將以幾何數量級增長(cháng)。
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(lèi)似的設計困難。例如，OC-192 SONET幀的高階指針處理器芯片可以處理192個(gè)獨立的STS-1容器。如果同一信號在STS-1內包含VT，芯片必須為5376個(gè)獨立的實(shí)體(VT1.5)提供額外的低階處理能力、凈荷調整能力以及支路監控能力。不僅晶體管的總數隨實(shí)體數量的增長(cháng)而大幅增長(cháng)，每個(gè)實(shí)體內的晶體管數量也在增長(cháng)，因為需要更多晶體管幫助軟件管理此類(lèi)增長(cháng)效應所產(chǎn)生的影響。例如，額外的晶體管必須分擔APS的軟件負荷，以支持高密度VT/TU交叉連接。
在設計芯片以支持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，設計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別之間實(shí)現折衷?！?BR>