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

        2021-05-17 08:00:44荊瑞泉霍曉莉李俊杰丁一
        電信科學(xué) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:以太網(wǎng)時延調(diào)整

        荊瑞泉,霍曉莉,李俊杰,丁一

        (1.中國電信股份有限公司研究院,北京 102209;2.中國電信集團(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OTN 設(shè)備業(yè)務(wù)適配靈活性要求更高,并且對設(shè)備成本非常敏感。現(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,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)成本高等問題[1]。

        針對以上需求和存在的問題,聯(lián)合業(yè)界主要通信設(shè)備廠商、運(yùn)營商和研究機(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10 Mbit/s~10 Gbit/s 級粒度多業(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;

        ? 引入開放式管控接口,實(shí)現(xiàn)對多廠商接入型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)原型開發(fā)與試驗(yàn)演示的成果,參考文獻(xiàn)[3]對OTU25/50接口進(jìn)行了規(guī)范。本文將重點(diǎn)對OSU的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和測試驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹。

        在標(biāo)準(zhǔn)化方面,2019 年年底中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)通過了“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)瓦召開的ITU-T SG15 全會上,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)將積極推動標(biāo)準(zhǔn)的編制和發(fā)布。

        2 OSU 幀結(jié)構(gòu)和開銷

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

        圖1 OSU 幀結(jié)構(gòu)

        圖2 通用開銷

        通用開銷包括版本號(VER)、支路端口號(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)和保留開銷(RES),如圖2 所示。主要開銷功能如下。

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

        (2)支路端口號:用于標(biāo)識OPUk(optical payloa2 unit-k,光通路凈荷單元k)支路端口和OSU 幀對應(yīng)關(guān)系,TPN 在承載OSU 的ODUk服務(wù)層通道中唯一。TPN長度為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,對于一條端到端的OSU 連接,針對不同的服務(wù)層,TPN 需要進(jìn)行逐段更新。

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

        表1 定義的幀類型

        (4)連續(xù)性校驗(yàn)(CV):用于在OSU 經(jīng)過的每個段層進(jìn)行OSU幀連續(xù)性和帶寬是否匹配的檢測。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TCM,每級TCM 長度為5 bit。其中TCM1用于分段性能監(jiān)控和時延測量(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 中的時延測量(DM)用于提供TCM1層高精度時延測量,支持單向絕對時延測量和雙向時延測量。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(TTI)、監(jiān)控、自動保護(hù)倒換(APS)和時延測量(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。其他開銷的定義與TCM 層對應(yīng)開銷相同。

        圖5 PM 格式定義

        OSU 映射開銷主要和業(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)定不同的開銷功能。主要分成兩類:CBR 映射開銷和以太網(wǎng)映射開銷。

        (1)BR 映射開銷:包含時間戳(TS)、凈荷長度(PLn)和序列號(SQ),如圖6(a)所示。TS 用于攜帶CBR 業(yè)務(wù)時間戳。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 映射開銷

        (2)以太網(wǎng)映射開銷: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 個或者6 個257b 頭部的1 bit類型指示(0 表示對應(yīng)256b 中存在控制碼,1 表示對應(yīng)256b 中無控制碼)。PTR 用于指示第一個256b 起始的字節(jié)位置。

        CRC8 校驗(yàn)開銷用于對OSU 幀通用開銷和專用開銷進(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銷和映射開銷,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。

        客戶信號故障類型由客戶故障指示(CFI)字段確定,CFI 類型見表 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鐘生成,對于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,分別對應(yīng)TCM2、TCM1 和PM層次。維護(hù)狀態(tài)類型見表 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)情況下無業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送時OSU連接的穩(wěn)定性,同時維持OSU 開銷的管理監(jiān)控等功能正常運(yùn)行。OSU 保持激活幀只使用通用開銷,映射開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,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 無損帶寬調(diào)整控制幀(00001)。OSU OAM幀開銷區(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 無損帶寬調(diào)整機(jī)制

        現(xiàn)有的ODUflex 無損帶寬調(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、需要兩端對齊OPU 時隙等問題[5],導(dǎo)致其在現(xiàn)網(wǎng)中(特別是多廠商組網(wǎng)場景中)很難部署應(yīng)用。為了避免上述問題,提出了對OSU 無損帶寬調(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OSU 開銷將調(diào)整指令傳送給其他節(jié)點(diǎn);同時調(diào)整過程應(yīng)不需要網(wǎng)管參與,以便適用于沒有統(tǒng)一網(wǎng)管的多域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。

        (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 為步長進(jìn)行調(diào)整。

        (4)應(yīng)支持同時調(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,應(yīng)支持自動回退到初始帶寬,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。

        具體的開銷字段含義見表4。

        圖10 OSU 無損帶寬增加流程

        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表 5。對應(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 無損帶寬調(diào)整控制幀格式

        表4 無損帶寬調(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)同時支持OSU 和ODUk交換。城域網(wǎng)可采用OTN 現(xiàn)網(wǎng)升級或新建一個M-OTN 平面的方式實(shí)現(xiàn)對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)測試驗(yàn)證

        在標(biāo)準(zhǔn)制定的同時,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)測試,測試拓?fù)浜蜏y試現(xiàn)場環(huán)境如圖 13 所示。

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

        圖13 測試拓?fù)浜蜏y試現(xiàn)場環(huán)境

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

        (2)無損帶寬調(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)帶寬無損調(diào)整時間更短、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 時延測試對比結(jié)果

        7 結(jié)束語

        M-OTN/OSU 是首個由中國運(yùn)營商和設(shè)備廠商聯(lián)合主導(dǎo)推動的光傳送網(wǎng)(OTN)核心系列標(biāo)準(zhǔn),是我國在光傳送網(wǎng)國際標(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、低時延、開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,勢必在未來傳送網(wǎng)的演進(jìn)和發(fā)展中扮演重要角色。

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