VT/TU交换对边缘网影响的分析

VT/TU交换对边缘网影响的分析

最近的技术进步有助于缓减网络级、网元级和硅晶片级的高容量VT/TU交叉连接所面临的重重困难，但无法彻底克服这些困难。

城域网核心服务以及接入传输服务基于静态设置的固定带宽容器，这些容器位于STS-N层级或VT-N层级（由SONET定义）以及AU-N层级或TU-N层级（由SDH定义）。

最近在城域网核心和接入网络中部署的设备基于那些能够 在容量为51.84 兆比特/秒 （STS-1）或155.52 兆比特/秒 （AU-4）的最小容器中交叉连接用户服务的架构。然而，服务提供商所提供的能够创造收入的业务基于速率较低的 T1服务、E1服务以及新兴的10/100 以太网服务，这些服务通常无法高效映射到更大的SONET/SDH容器中。

我们能够利用基于SONET的VT1.5（1.728 兆比特/秒）容器或者基于SDH的TU-12（2.304 兆比特/秒）容器（表1）实现集合与交叉连接，借此高效管理T1（1.544 兆比特/秒）、E1（2.048 兆比特/秒）或者10/100以太网服务。这些速率较低的容器最初用来使基于PDH的业务映射至SONET/SDH网络。除此之外，STS/AU和VT/TU级出现的技术（比如虚拟级联和LCAS）可以实现灵活的带宽管理，进而通过这些以前的固定净荷容器机制高效传输10/100 兆比特的以太网服务。

表1： VT/TU映射至STS/AU容器

	PDH 支路业务	STS-1( 51.84 Mbit/s )	AU-4 ( 155.52 Mbit/s )
VT1.5 ( 1.728 Mbit/s )	DS-1	28	-
VT2 ( 2.304 Mbit/s )	E1	21	-
VT3 ( 3.456 Mbit/s )	DS-1C	14	-
VT6 ( 6.912 Mbit/s )	DS-2	7	-
TU-11 (1.728 Mbit/s )	DS-1		84
TU-12 (2.304 Mbit/s )	E1		63
TU-2 ( 6.912 Mbit/s )	DS-2	-	21

尽管VT和TU自从SONET/SDH问世以来便已定义完毕，然而从很多层面讲，在整个网络提供VT/TU支持以确保高效映射、交叉连接和集合低速服务，却是不切实际的，而且成本极其高昂。最近的技术进步有助于缓减网络级、网元级和硅晶片级的高容量VT/TU交叉连接所面临的重重困难，但无法彻底克服这些困难。 本文从网络级展开，旨在深入分析VT/TU交换对所有三个层级的影响。

网络级问题

在网络层级实现VT/TU级交叉连接，可能导致带宽管理以及自动保护交换和Transmux功能出现问题。在具体设计时让系统有效解决这些问题需要花费极高的成本，因此服务提供商必须逐步了解并实施每一步，交叉（forklift）"升级并非切实可行的解决方案。

从历史角度讲，我们很难在整个城域网中的分插多路复用器（ADM）内实现VT/TU级合并以及交叉连接支持。网元无法以较低的成本、较低的功耗、较小的占地面积切实可行地支持大容量VT/TU交叉连接。系统级功能（比如带宽设置以及告警监控等等）也很难在VT/TU级操作并未集中分布的网络中进行管理。

到目前为止，城域网主要采用ADM借助点对点及环形架构予以实现，能够疏导至STS/AU级。很大一部分VT/TU级交叉连接出现在数字交叉连接系统（DCS）之中，此类系统集中分布在城域网核心。

对于传统的网络拓扑学而言，在特定的城域网中，希望在两个站点之间连接T1线路的客户需要在每个站点都设置独立的T1线路，每个站点都要求回连至城域网外部的DCS，以便完成服务连接。在供应部分充足的接入环状网专用于支持回程连接的应用中，这样做可能导致带宽陷入困境而无法使用。

随着IC技术不断进步，芯片制造商以及OEM厂商目前可以提供经济高效、切实可行的大容量ADM，此类多路复用器能够处理VT/TU级服务。这种新兴的分布式解决方案可以替代传统的集中式VT/TU交叉连接方案，其中用于集合及交叉连接的ADM位于靠近客户的特定城域网中的VT/TU层级，大大缓减了回程需求。

然而，我们另外还必须考虑更加精细的带宽管理。支持大量分布式网络元素所必需的软件的复杂程度和功能都有所增加。在集中式DCS中，带宽设置、测试接入以及告警监控比大量分布式的网元中的相应过程易于管理。

尽管如此，随着运营商要求更多VT/TU级支持那些靠近城域网接入的网元，新兴的发展趋势却是分布式解决方案。运营商清楚地认识到，未来几年的基建投资（capex）不会出现什么大的风浪，而且VT/TU处理是一个能够充分利用现有基本设备的投资领域。

更高容量的VT/TU交叉连接的额外激励因素便是支持Transmux的需求。Transmux是一种完成基于PDH的低速支路（通过不同映射从网络的每一端进入网络的T1）连接的过程。

例如，在一端，T1通过M13 多路复用器被多路复用至DS3，然后被映射至STS-1。在其他端，T1被直接映射至VT1.5，然后通过纯粹的SONET网元被映射至STS-1。为了成功互连这两种信号，这两种信号必须在同一点分离为原始的T1格式。

从历史角度讲，Transmux功能出现在位于集中式网络的核心的DCS内。随着网络过渡为分布式拓扑，Transmux功能开始出现在那些想在城域网核心和接入网中升级ADM的服务提供商提交的信息查询（RFI）文件内。关键成果便是那些支持Transmux的网元以更高容量的VT/TU交叉连接为中心，这种连接能够为点对点T1连接提供框架。

APS要求

除了需要Transmux功能之外，运营商还需要在VT/TU层级实现分布式自动保护交换（APS），以便保持"99.999%"的可靠性。APS适用于VT/TU层级，由单向路径切换环（UPSR）定义，在SONET标准的Telcordia GR-1400-Core和子网连接保护（SNCP）以及SDH标准的ITU-T G.841 and ETSI TS 101 009中均有所描述。深入评论APS架构已超出文本的范畴，但有必要重点指出同VT/TU处理相关的若干关键问题。

APS可以提供一种机制，帮助系统从（设施保护）或者网元（设备保护）的故障中自动恢复。APS能够应用于更高的STS/AU层级或者更低的VT/TU层级，具体视所采用的标准以及具体的网络类型而定。

目前，大部分ADM都可以在STS/AU层级支持UPSR或者SNCP，通过软件提供实施APS切换所必需的大部分算法。硬件具备故障检测功能，并且支持最终的切换事件，但软件实际上是用于读取检测到的故障、解释信息、生成经过修改的交叉连接状态，然后将新的配置写入硬件。这种方案是一种软件和处理器密集型的解决方案。

对于低容量VT/TU交叉连接而言，上文所述的传统APS方法通常都是可以管理的。然而，随着服务提供商向容量更高的VT/TU交叉连接演进，在这些标准设定的性能范围内应用传统的APS模式开始变得不合时宜。

尽管设备保护不存在任何时间限制，但网络标准为设施的保护规定了50毫秒的时间限制。网络必须在这一时间框架内检测并重新配置所有连接。
冲破50毫秒的桎梏

对于那些在STS/AU层级监控信号的低速光纤链路（OC-3/STM-1以及OC-12/STM-4）而言，基于软件的APS解决方案可以通过经济、高效的硬件予以实现。随着城域网中的高速光纤信号（OC-48/STM-16以及OC-192/STM-64）不断激增，以软件为中心的APS解决方案需要功能更为强大的控制面板解决方案。

例如，支持OC-12上行链路信号的网元可以为该链路处理12路STS-1，在此，每路STS-1必须作为完全不同的独立实体受到监控和操控。标准规定，如果光纤被切断，所有受保护的链路必须在50毫秒内恢复正常，因此每个适用的STS-1都必须实现广泛的性能监控。

用于处理OC-192信号的新型网元必须管理192个不同的实体，以便在相同的50秒钟限制内应用APS。硬件资源、成帧器和交叉连接，特别是微处理器，都可以在以软件为中心的解决方案中迅速超越响应限制。

在支持分布式VT/TU交叉连接网络时，问题进一步复杂化。每路低阶支路现在都必须独立受到监控。每个VT/TU实体所必需的处理能力类似于每个STS或AU实体所需的能力，然而，所处理的独立实体的数量同 STS/AU层级相比增加不少。

在以前的OC-192实例中，5,376路独立的VT可以在50毫秒的限制内在APS事件中实现监控和交叉连接。除此之外，如果ADM支持OC-48以及OC-192这两种信号的环通，所处理的VT和TU的集合容量便会增长到无法管理的水平。我们需要新技术分担那些在STS/AU或VT/TU层级支持APS的高容量网元中的软件和控制单元的负荷。

网元级问题

在设计新一代ADM以便在VT/TU层级支持集合与交叉连接时，OEM厂商面临着众多挑战。本文主要论述四种挑战：1）集中式而非服务器卡设计；2）VT/TU指针处理器的位置；3）高阶成帧器受到的影响；4）支持虚拟级联对10/100 以太网的影响。

目前的城域接入以及核心ADM仅支持STS/AU层级的交叉连接，运营商对于更换整套网元并不感兴趣。为了满足分布式VT/TU支持的新型需求，OEM厂商必须在无需升级机架的情况下实施解决方案。存在着两种选择。选择一是利用新的交叉连接卡更换现有的中央STS/AU 交叉连接卡，前者可以同时在STS/AU层级和VT/TU层级支持整理疏导功能。 选择二是保持现有STS/AU交叉连接卡的完整，并在平台中添加VT/TU服务器卡。

在这两种情况中，目标都是在支持VT和TU的交叉连接的同时保持相同的总STS/AU交叉连接容量。在选择一中，添加VT/TU支持可以大大增加芯片数量、动力和板卡空间。另一方面，选择二更为理想化，机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交叉连接服务器卡。在这种情况下，任何包含低阶VT/TU业务的高阶STS/AU业务被以STS/AU梯度选择性地导入新的服务器卡，VT和TU根据需求实现交叉连接，然后它们被发送回高阶交叉连接。

值得注意的是，在业务被疏导和发送回高阶交叉连接之后，事情并未终结。这同时也被称为"发夹（hair-pinning）"或者"单臂（one-armed）"交叉连接。在这种安排中不存在任何从平台中的另外一支"臂"馈送VT/TU 交叉连接的低速支路，比如T1或者E1。

这种新增的VT/TU交叉连接功能具有非常低廉的成本。插槽必需为新型VT/TU交叉连接服务器卡提供空间，现有STS/AU交叉连接的带宽（10%到25%）必须专用于这种新卡。例如，目前投入使用的容量为160 G STS/AU的ADM可以通过底板向新型"单臂" VT/TU疏导卡分配16 G到40 G的带宽。

指向正确位置

在向平台提供VT/TU交叉连接支持的过程中，下一个挑战便是低阶指针处理器的位置。SONET//SDH标准的核心前提是为同步框架定义一种机制，以便支持异步净荷的传输，例如T1以及E1等等。指针处理需要在同步容器内支持异步净荷的运动（STS/AU以及VT/TU）。

在STS/AU和VT/TU层级说明指针和操控指针，分别被称为高阶指针处理和低阶指针处理。对于包含VT或TU的业务而言，在连接平台交叉连接卡之前，低阶指针处理是强制性要求。在STS和AU通过网络时，指针可以单独调整每个容器的位置。当所有容器在同一交叉连接点会聚时，它们无法正确定位。

为了成功连接它们，承载VT和TU的所有容器必须通过那些系统的重新定位容器的低阶指针处理器。在平台中定位低阶指针处理存在两种选择：在线路卡中或者在交叉连接卡中。

可用的功率和空间以及原有架构受到的影响可用来确定低阶指针处理器的位置。对于利用线路卡（馈送仅支持STS/AU的交叉连接卡）来部署系统的平台而言，新增加的低阶指针处理器的逻辑位置是新的VT/TU服务器卡。我们无需重新设计现有板卡以支持新的低阶指针处理器。该方案可以支持VT/TU交叉连接的特定容量，比如10 Gbit到50 Gbit。

在VT/TU交叉连接的容量超过10 GB到50 GB的范围之后，每块板卡的动力预算可以命令低阶指针处理器分配至线路卡。这样做能够在平台的众多板卡中缓冲动力的增加。为了在线路卡或者交叉连接卡中灵活分配低阶指针处理器，指针处理器必须支持串行链路，而不是并行总线。

评估其他组件受到的影响

能够在VT/TU层级实现疏导功能的早期平台以及当前平台基于低阶指针处理器，能够处理容量为STS-12的业务，相应的低容量交叉连接共置于一块板卡。在这一集成级别，功耗预算可以得到满足，而且芯片间的距离很短，使得并行总线足以将低阶指针处理器连接至VT/TU交叉连接。随着工艺技术不断进步以及容量更高的指针处理器和VT/TU交叉连接不断涌现，集成高速串行链路的需求正变得至关重要。

当我们在新型平台和现有平台增加VT/TU输入功能时，必须全面评估SONET/SDH成帧器和STS/AU交叉连接所受到的影响。在更换核心STS/AU交叉连接以支持STS/AU/VT/TU容器的系统中，新型低阶处理器和VT/TU交叉连接如何连接成帧器呢？此外，如果实施单臂交叉连接，在连接新的低阶指针处理器时，现有STS/AU交叉连接会受到什么影响？

对于这两种情况而言，在现有系统中，所有线路卡和STS/AU交叉连接之间的同步都是全面的和封闭的。在任何点打开架构以支持VT/TU都需要对所有受影响的业务提供时延补偿。由于VT/TU疏导可以增加有限的处理时间，我们必须在原有的线路或STS/AU交叉连接卡上提供时延管理功能。这种时延管理也可以通过重新调整VT/TU整理业务在VT/TU交叉连接卡上予以实现，因此线路卡或者STS/AU交叉连接卡具备零时延。这种时延补偿可以在业务出现后从VT/TU交叉连接卡予以实现，也可以在进入VT/TU交叉连接之前通过预先处理业务来实现。

网络支持更高的 VT/TU集合容量的重要推动因素便是为10/100以太网服务奠定基础。在升级设备以支持VT/TU交叉连接时，最后的考虑便是支持虚拟级联对10/100以太网的影响。

虚拟级联以及LCAS依赖若干VT或TU容器在众多低速支路中平均分配10兆比特/秒或100兆比特/秒的以太网信号。例如，单个10兆比特/秒的以太网信号可以通过7个VT1.5容器进行分配，每个VT容器可以通过与其他6路 VT无关的网络实现交叉连接。所有VT被重新排序，然后在接收端合并，重新形成最初的10兆比特/秒的以太网信号。

为了管理VT或者TU，操作人员必须确保所有连接能够通过静态方式正确地设置，正如映射至VT或TU以及以太网的业务一样。然而，在点对点EoS连接中，所有虚拟级联和LCAS机制可以在位于终端多路复用器（TM）的Ethernet-over-SONET（EoS）映射器中进行管理。因此，在升级平台以便在提供10/100 EoS服务的网络中支持VT/TU 交叉连接的时候，网元设计人员无需考虑新的问题。

硅晶片级问题

目前部署的网元基于VLSI芯片技术设计而成，其中采用0.25微米工艺或者更先进的工艺。此类技术能够以可以接受的功耗和板卡空间提供经济高效的解决方案，有效支持容量为5 GB的VT/TU交叉连接。

DCS厂商被迫提高VT/TU交叉连接芯片的处理能力，以便打造带宽为10 Gbit到160 Gbit 的系统，这一过程可以在大型专用机架中完成。而且，为了使功耗和最终的散热功能保持在可以管理的水平，全部占地面积可以扩展至若干专用于VT/TU交叉连接的全高度机架。大容量VT/TU交叉连接需要较大的占地面积，并且需要消耗巨大的能量，这使得它们无法集成到传统的ADM架构之中。最终结果便是网络中的集中式VT/TU交叉连接架构以及回程需求。

如今，随着最新工艺技术不断面世，比如0.18微米工艺和0.13微米工艺，设计人员开始有能力突破电源功耗和板卡空间的屏障。然而，当设计人员利用这些新型工艺技术在分布式网络架构中构建高密度VT/TU交叉连接时，他们遇到了新的挑战。

将交叉连接架构从单一的STS/AU支持过渡至STS/AU/VT/TU支持，需要更多能耗、更多芯片以及更多板卡空间，以保持固定的总交叉连接容量。在每个独立的STS或AU中实现配置和交叉连接所必需的片上处理资源（即晶体管），类似于监控每个独立的VT或TU所必需的资源的复杂程度。

在定义SONET和SDH时，本质内容是给定带宽中的VT和TU多于STS和AU。例如，在160 Gbit仅支持STS的交叉连接中，芯片内外存在着64条独立的2.5 GB串行链路。这会转化为3,072路不同的STS-1在特定的芯片区域进行配置和实现交叉连接。

我们可以充分利用时间片（Time Sliced）架构在经济高效的低功耗解决方案内支持所有3,072路STS-1连接，但是我们仅具备有限数量的晶体管来支持串行链路处理过程以及交叉连接管理过程。

达到上限

事实上，STS/AU交叉连接的容量存在一个上限，受到现行工艺技术的限制。如果160 Gbit的交叉连接经过扩充能够支持VT1.5的交叉连接，用于配置和交叉连接的实体将从3,072增长到86,016（3,072 STS-1，每路包含28路VT1.5）。

制造技术目前仍无法在单个芯片上提供必需的晶体管数量，所以无法在保持相同STS/AU交叉连接的同时支持巨幅增长。意即，VT/TU交叉连接的集合容量大大低于STS/AU交叉连接。因此，利用等同于仅支持STS/AU的交叉连接的集合容量建立STS/AU/VT/TU交叉连接，需要多块芯片的多级架构。随着架构向多级演进，总芯片数量和功耗呈几何数量级增长。

在利用新的工艺技术制造更高密度的低阶指针处理器时，我们将面临类似的设计困难。例如，OC-192 SONET帧的高阶指针处理器芯片可以处理192个独立的STS-1容器。如果同一信号在STS-1内包含VT，芯片必须为5,376个独立的实体（VT1.5）提供额外的低阶处理能力、净荷调整能力以及支路监控能力。不仅晶体管的总数随实体数量的增长而大幅增长，每个实体内的晶体管数量也在增长，因为我们需要更多晶体管帮助软件管理此类增长效应所产生的影响。例如，额外的晶体管必须分担APS的软件负荷，以支持高密度VT/TU交叉连接。

在设计芯片以支持VT/TU交叉连接时，另外一个需要考虑的问题便是能否集成交叉连接和低阶指针处理器。VLSI技术的进步可以支持更高密度的交叉连接和低阶指针处理器。理所当然的进步便是集成低阶指针处理器和交叉连接功能。

正如分离的方案一样，集成设计能够比两种功能保持独立的设计更快速地接近集合交叉连接容量的上限。在0.13微米工艺技术中，如果考虑支持自动保护交换所必需的额外逻辑，集成式解决方案的容量上限在2.5 Gbit到5 Gbit之间。因此，设计人员必须在所需的集合VT/TU交叉连接容量与指针处理器所需的集成级别之间实现折衷。

作者简介：Mark Spooner（PMC-Sierra公司产品经理）

Mark目前在服务提供商部负责宽带传输产品，其中包括VT/TU交叉连接和指针处理器、T1/T3、E1/E3映射器以及T1/E1线路接口装置。他于20世纪90年代初加盟PMC?Sierra公司的产品开发部门。20世纪90年代后半期，Mark在一家专注于工业控制以及WAN系统设计和调试的工程咨询公司任主管。2000年，Mark回到PMC?Sierra公司的战略营销部门。Mark是IEEE以及不列颠哥伦比亚专业工程师及地质学家协会的成员。 他拥有BSc学位。Mark在阿尔伯达大学专修电气工程，并且将于2003年秋取得西蒙弗雷泽大学的技术管理MBA学位。