基于SDH的光纤自组网多业务设备设计

摘  要：本研究主要介绍了一种基于SDH的自组网多业务设备设计方法，设备提供话音和以太网等多种业务接口，可以实现光纤环网自组网应用，具有快速开通、随意接入等特点。对设备的整体架构进行说明，重点介绍了设备功能模块、自组网功能和环网保护等功能实现方法。

关键词：SDH;自组网;多业务;环网保护

中图分类号：TN929.11      文献标识码：A 文章编号：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

随着社会信息交互爆炸性的发展，视频业务、多媒体业务和宽带业务传输需求日益增加，光纤传输技术先后经历了准同步数字体系（PDH）、同步数字体系（SDH）、光波分复用（WDM）、光传送网（OTN）等技术体制的发展和应用，目前随着网络IP化的加快，在接入网和城域网领域传统，SDH技术逐渐被分组传送网（PTN）、无线接入网IP化（IPRAN）等分组传送承载技术替代，但基于SDH的多业务传送节点（MSTP）[1]设备由于其具有接口规范、兼容性好、业务复接/分接高效灵活、运行维护（OAM）功能强大、组网灵活、网络自愈功能和重组功能强大等特点，便于用户按需动态组网，实现灵活的业务调配，因此仍有大量MSTP设备在使用，还具有较大的市场需求。设计一款具有自组网功能，能提供話音、低速数据和以太网数据等综合业务传输功能的多业务光传输设备可很好地满足快速开通、灵活组网的接入网业务传输要求。

1  总体设计

自组网多业务设备为集SDH、脉冲编码调制（PCM）和以太网二层交换技术为一体，提供STM-4光接口、100M/1000M以太网接口、二线话音接口、E1接口和RS-232/RS-422等低速数据接口。其中光传输部分采用了SDH技术，话音和低速数据采用了PCM技术，以太网业务支持二层交换功能。设备通过内部交叉连接将各种业务与传输通道互连，满足多种应用环境要求。设备原理框图如图1所示。其中SDH功能处理（E1映射、以太网映射、交叉连接、指针处理、开销处理等功能）、PCM成帧处理等功能都由FPGA实现。

设备为了实现灵活配置功能，采用了多层次的交叉连接和数据交换功能，设备的E1、以太网、话音和低速数据等业务和光接口中的通道都可通过不同层次的交换和交叉连接互通，实现灵活的传输功能。设备SDH交叉连接支持VC-12、VC-3和VC-4等通道的交叉连接功能，话音、低速数据具有64kbit/s时隙通道的交叉功能;以太网二层交换模块具有以太网数据包二层交换、虚拟网（VLAN）和快速生成树等功能。

1.1  SDH功能模块

SDH功能模块包含以太网映射、E1映射、交叉连接、指针调整、开销处理等SDH功能单元，加上外围的时钟模块、控制模块和勤务模块，组成了设备完整的SDH处理功能。

SDH功能模块全部由FPGA自主编程实现，如图2所示，STM-4光信号经光电变换后进行时钟恢复，经过开销处理和指针调整后送进交叉连接模块，以太网业务和E1业务经映射后也送到交叉连接模块，交叉连接模块支持VC-12、VC-3和VC-4级别的交叉连接，目前能处理18个STM-1传输容量中的各级别通道的全交叉，可实现灵活的上下业务。

时钟模块完成时钟源的选择、锁定及分配，为设备的各个模块统一提供时钟。勤务电话经勤务模块处理后，通过SDH的开销以广播的形式发送，以便各个节点都能同时通话。

1.2  以太网接口

为减少芯片数量和功耗，设备采用集成物理层（PHY）的千兆以太网交换芯片，支持2层以太网数据交换、虚拟局域网、MAC地址学习、组播、生成树协议等功能;系统侧通过1个GMII接口和1个SGMII与以太网映射模块连接，提供2路以太网映射通道，用户侧提供1个100/1000Mbit/s 自适应以太网电接口，同时通过一个MII接口与CPU连接，以便进行芯片设置和生成树算法计算。设备可以在以太网业务接口和SDH以太网映射通道之间进行以太网链路层的数据包交换。原理框图如图3所示。

以太网映射功能采用FPGA实现，采用GFP帧格式，支持VC-12、VC-3和VC-4三种映射通道，单通道最大带宽为1个VC-4时隙。

1.3  E1接口

设备可传输标准的2048kbit/s的E1信号，支持结构化或非结构化的E1信号，通过FPGA实现E1数据到VC-12时隙的映射功能，可通过内部交叉连接到任意的光接口进行传输，如图4所示。

1.4  话音和低速数据接口

话音和低速数据RS-232/RS-422业务由FPGA实现PCM话音和数据的成帧/解帧、复分接处理，再通过64K时隙交叉矩阵实现源端口和目的端口的互通，最后合成2路E1数据由SDH光传输，设备提供15路二线话音和15路RS-232/RS-422接口，原理框图如图5所示。

1.5  CPU管理控制系统

CPU管理控制系统主要由CPU、FLASH/SDRAM、复位控制、数据地址控制、调试以太网接口和调试串口等部分组成，是设备嵌入式软件运行的硬件平台，是实现设备功能、设备控制与管理的核心，主要实现了设备初始化、自组网协议、生成树协议等功能、算法。考虑到各种算法和协议软件的复杂性、通信业务相关的处理实时性要求，CPU应具有较强大的软件运行能力;应能支持广泛的通信接口及协议，且具有处理高速数据的能力，因此CPU选用Freescale公司的MPC8270。MPC8270是双核结构处理器，其中PowerPC内核是通用RISC CPU，64位数据总线、32位地址总线;CPM（通信处理模块）具有独立的处理器，与内核并行运行，专门处理低层的通信相关任务。CPM可同时处理HDLC、Ethernet、UART、TDM、SPI和I2C等多种通信接口或协议，具有多个快速通信控制器，可支持快速以太网协议。管理控制系统原理框图如图6所示。设备管理信息通过DCC通道传输到远端设备。

2  环网功能设计

自组网多业务设备基于SDH技术实现，提供2个STM-4光接口，可组成点对点、链型、环型等网络结构;支持灵活组网、节点移动、随遇接入、快速开通和环网保护等功能，具有较强的抗毁抢通能力。

2.1  自组网功能

自组网多业务通信系统是由多台自组网多业务设备按照点对点、链形、环形等不同应用组成的通信网络，所有节点通过分布式协议互联起来，其中一个节点自动协商为中心节点，每个节点既是终端节点，同时还可起中继节点的作用。其中以太网业务传输采用共享环的方式，所有节点共享1个VC-4带宽，各节点间可相互通信;E1、话音和低速数据为点对点通信，需要汇聚到中心节点进行交叉。

自组网多业务设备具有身份地址自学习功能，在组网应用时需先设置设备编号、IP地址，在接入网络后把自己的身份信息通过UDP广播包方式广播出去，以便网络上其余设备能学习到自己的身份信息（编号、IP地址），广播消息将重复发送三次以防止其在传输过程中丢失。

当自组网多业务设备接收到其他设备发出的身份信息后，会记录下此信息中设备编号和IP地址的对应关系，并添加到身份信息表中，然后向发送广播消息的设备回传响应消息（单播包）。结合环网保护方式，设备编号为1—16，网络最大支持16个节点。

在组网的设备进行身份相互学习后，就可进入正常通信，在正常通信过程中，各设备监测DCC网管通道中的以太网数据包，如果发现新的用户数据包出现，则启动身份识别程序，向该用户寻求认证，最终将新用户加入到本地身份信息表中。

2.2  环网保护功能

自组网多业务设备组网应用时，最常用的网络拓扑为环形网，具有很强的生存能力，最多可支持16个节点，两个节点间距离可超过80km（采用普通G.652光缆）。

环网保护功能是指在光网络发生故障（例如光纤断）时，无需人工干预，光网络自动地在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障[2]。

二纤环网保护常用的有二纤单向通道保护和二纤双向复用段保护两种[1]。对于通道保护环，业务的保护是以通道为基础的，也就是保护的是STM-N信号中的某个VC（TU-12、TU-3等通道），倒换与否按环上的某一个别通道信号的传输质量来决定的，通常简单地利用收端是否收到TU-AIS信号来决定该通道是否应进行倒换。而复用段倒换环是以复用段为基础的，倒换与否是根据环上传输的复用段信号的质量决定的，倒换是由K1、K2（b1—b5）字节所携带的APS协议来启动的，当复用段出现问题时，如出现信号丢失（LOS）、帧丢失（LOF）、告警指示信号（AIS）、信号劣化等故障时，将执行复用段保护倒换，把业务信号切换到备用信道上，其倒换的最小单元是VC-4级别的。

虽然二纤单向通道保护环操作简单，但是结合以太网环网功能，其控制就比较复杂，为简化设计，本设备采用二纤双向复用段保护方式，每根光纤的前一半时隙（例如STM-4为1#～2#STM-1，为工作时隙）传送主用业务，后一半时隙（例如STM-4为3#～4#STM-1，为保护时隙）传送保护业务，即一根光纤的保护时隙用来保护另外一根光纤上的主用业务，两根光纤上业务流向相反。如图7所示，假设A、C节点通信，在设备正常工作时，信号都通过A-B-C路由，信号在两根光纤的工作时隙（S1、S2时隙）中传输，而光纤中保护时隙（P1、P2时隙）为空闲状态;当光纤产生故障时，故障光纤相邻的两个节点执行环回功能，将S1-P1与S2-P2连接，形成一个新的光纤环路，光纤（工作时隙）中的数据环回到保护光纤（保护时隙），通过光纤保护时隙的路由到达目的节点，在环回完成后，可以保证环上所有业务能够正常运行。其环形网拓扑结构如图7所示。

2.3  以太网环网功能

为避免以太网业务在光环网上成环，引起广播风暴，使网络瘫痪，本设备采用二层交换生成树协议来消除网络中存在的路径环回问题。生成树协议是IEEE 802.1d中定义的数据链路层协议，通过在交换机之间传递网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，简称BPDU），通过采用生成树算法选举根桥、根端口和指定端口的方式，使得根端口、指定端口都处于转发状态，其他端口处于禁用状态，即使得网络中只有一条链路生效。如果网络拓扑发生改变，将重新计算生成树拓扑，从而既保障了网络正常运转，又保证了冗余能力。设备支持IEEE 802.1w规定的“快速生成树协议”，生成树收敛过程为1s至10s[3]。

本设备组成的光环网以太网业务的保护采用分層保护方式，物理层采用SDH复用段保护，MAC层采用生成树协议提供保护。当光环网发生单点光纤故障时，由于SDH保护倒换时间比生成树协议收敛时间快得多，如两种保护协议同时使能时，通过设置拖延时间延迟MAC倒换，使设备启用SDH保护倒换，一般倒换时间在50ms以内，加速了生成树的收敛时间。设计MAC延迟时间以50ms为步进可设置，避免了2种倒换重叠发生现象。

3  结  论

自组网多业务设备通过合理的软硬件设计，实现了基于SDH的光环网多业务接入、传输功能，支持最大16个节点组网需求，可实现以太网环网通信、光环网保护等功能，能满足接入网领域用户灵活组网、随遇接入、快速开通和系统自愈功能需求，提供较强的抗毁抢通能力。

参考文献：

[1] 基于SDH的多业务传送节点技术要求：YD/T 1238-2002 [S].北京：中华人民共和国信息产业部，2002.

[2] 韦乐平.光同步数字传输网 [M].北京：人民邮电出版社，1996.

[3] 袁国材.生成树原理及应用 [Z].武汉迈力特光通信公司，2005.

作者简介：韦以超（1975-），男，壮族，广西河池人，工程师，本科，研究方向：光纤通信技术研究和光通信设备研发。