以OSU 为核心的M-OTN 技术创新与验证

荆瑞泉，霍晓莉，李俊杰，丁一

（1.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中国电信集团有限公司，北京 100032）

1 引言

随着SDH 的逐步退网，OTN 即将全面替代SDH 网络，实现对5G、专线、DCI（数据中心互联）和视频等业务的综合承载。因此OTN 在从骨干网向城域网的边缘延伸。与骨干网相比，城域网的汇聚和接入层节点数量众多，且业务面临多样化，因此对OTN 设备业务适配灵活性要求更高，并且对设备成本非常敏感。现有的分组增强型OTN 技术虽然具备高品质的优势，但是为了支持分组和小颗粒业务，采用了分组、VC（virtual container，虚拟容器）、ODU（optical 2ata unit，光数据单元）多平面叠加的方式实现。现有方案存在多平面叠加技术复杂、运维管理复杂、实现成本高等问题[1]。

针对以上需求和存在的问题，联合业界主要通信设备厂商、运营商和研究机构，提出了以光业务单元（optical service unit，OSU）为核心的、面向城域优化的光传送网（metro-optimize2 OTN，M-OTN）技术体系[4]。M-OTN 的目标是提供低成本、低时延、低功耗的以城域应用为主的综合业务承载方案。M-OTN 创新性地引入了具备灵活带宽调整能力的OSU 技术，补齐了传统OTN 技术在小颗粒业务承载效率方面的短板，有利于降低设备复杂度和成本，简化网络运维。M-OTN 不仅可以支持各种颗粒高品质专线业务的承载，还为8K HDTV、Clou2 VR/AR 等高通量、高品质业务提供了更高效的承载方案。

M-OTN 的主要技术特征包括：

• 引入灵活映射的OSU，提供对10 Mbit/s～10 Gbit/s 级粒度多业务的高效承载能力；

• 引入OTU0/25/50（optical transport unit，光传送单元）新型低成本接口，重用以太网光模块，实现客户业务的低成本接入；

• 引入开放式管控接口，实现对多厂商接入型M-OTN 设备的统一管控。

参考文献[2]介绍了接入型OTN 设备统一管控系统原型开发与试验演示的成果，参考文献[3]对OTU25/50接口进行了规范。本文将重点对OSU的技术标准、设备形态、网络演进和测试验证情况进行介绍。

在标准化方面，2019 年年底中国通信标准化协会（CCSA）通过了“基于OSU 的OTN 设备技术要求”和“光业务单元（OSU）技术要求”两个行业标准项目的立项。2020 年1 月月底于日内瓦召开的ITU-T SG15 全会上，G.osu（光业务单元通道层网络）标准项目成功立项。在项目组的共同努力下，上述标准项目进展顺利，目前已经完成OSU 总体技术方案的制定，后续将积极推动标准的编制和发布。

2 OSU 帧结构和开销

OSU 帧结构如图1 所示，长度为192 byte，OSU 帧长的选择综合考虑了业界交换芯片的交换效率、开销占比等因素。OSU 帧结构包括7 byte 的开销区域和185 byte 的净荷区域，其中开销区域分为3 部分：通用开销、映射开销和CRC8 校验区。

图1 OSU 帧结构

图2 通用开销

通用开销包括版本号（VER）、支路端口号（TPN）、帧类型（FT）、连续性校验（CV）、串联连接监视（TCM1/TCM2）、通道监控（PM）和保留开销（RES），如图2 所示。主要开销功能如下。

（1）版本号：用于标识OSU 帧结构版本号。VER 默认为01，指示当前版本，其他值预留为将来使用。

（2）支路端口号：用于标识OPUk（optical payloa2 unit-k，光通路净荷单元k）支路端口和OSU 帧对应关系，TPN 在承载OSU 的ODUk服务层通道中唯一。TPN长度为12 bit，即一条ODUk通道最大可以承载4 000 条OSU。TPN 处理如图3所示，对于一条端到端的OSU 连接，针对不同的服务层，TPN 需要进行逐段更新。

（3）帧类型：用于标识OSU 帧类型，目前定义的帧类型见表1。

表1 定义的帧类型

（4）连续性校验（CV）：用于在OSU 经过的每个段层进行OSU帧连续性和带宽是否匹配的检测。与TPN 处理类似，CV 也需要进行逐段更新和处理。

（5）串联连接监视（TCM1/TCM2）：OSU 支持两级TCM，每级TCM 长度为5 bit。其中TCM1用于分段性能监控和时延测量（DM），TCM2 用于分段保护，格式如图 4 所示。TCM1 和TCM2具体的功能比特需要配合M32/256 复帧使用。

图3 TPN 处理示意图

图4 TCM1/TCM2 格式定义

TCM1/TCM2 的监控（monitoring）开销用于提供TCM1 和TCM2 层所属范围内的性能质量监控。TCM1 中的时延测量（DM）用于提供TCM1层高精度时延测量，支持单向绝对时延测量和双向时延测量。TCM2 层APS 字段用于传递TCM2层的APS 保护倒换协议，APS 格式定义和G.873.1保持一致。

（6）通道监控（PM）：PM 长度为5 bit，用于提供PM 层端到端的通道监控功能，包括路径踪迹标识（TTI）、监控、自动保护倒换（APS）和时延测量（DM），具体格式如图 5 所示。其中，TTI采用32 byte，功能定义兼容G.709 定义TTI 的前32 byte。其他开销的定义与TCM 层对应开销相同。

图5 PM 格式定义

OSU 映射开销主要和业务映射相关，并根据承载业务的需求不同，设定不同的开销功能。主要分成两类：CBR 映射开销和以太网映射开销。

（1）BR 映射开销：包含时间戳（TS）、净荷长度（PLn）和序列号（SQ），如图6（a）所示。TS 用于携带CBR 业务时间戳。PLn（n=1，2，3）用于指示OSU 帧净荷区域承载的CBR 业务所占用的净荷长度。SQ 用于提供端到端OSU 路径OSU 帧丢失监控功能。

图6 映射开销

（2）以太网映射开销：包含 257b 指示（257b_IND）、指针（PTR）和保留比特（RES），如图 6（b）所示。257b_IND 用于承载以太网业务在该帧中承载的5 个或者6 个257b 头部的1 bit类型指示（0 表示对应256b 中存在控制码，1 表示对应256b 中无控制码）。PTR 用于指示第一个256b 起始的字节位置。

CRC8 校验开销用于对OSU 帧通用开销和专用开销进行循环冗余校验。CRC8 校验多项式为G(x)=x8+x2+x+1，初始值为全1。

3 OSU 管理帧

除了前面定义的通用开销和映射开销，OSU还定义了用于OSU 维护管理的OSU 管理帧，包括OSU 客户故障帧、OSU 维护状态帧、OSU 保持激活帧和OSU OAM 帧。

（1）OSU 客户故障帧

OSU 客户信号失效指示采用特定OSU 客户故障帧实现，如图 7 所示。

客户信号故障类型由客户故障指示（CFI）字段确定，CFI 类型见表 2。

OSU 客户故障帧在OSU 源端产生，并在OSU宿端终结。向下游插入的OSU 客户故障帧由本地时钟生成，对于OSU 承载CBR 业务的情况，按照OSU（CBR）的原始比特速率插入OSU 客户故障帧。对于承载以太网业务的情况，按照以太网业务的最小带宽10.4 Mbit/s 的速率插入OSU 客户故障帧。

（2）OSU 维护状态帧

OSU 维护状态采用特定OSU 维护状态帧实现，如图8 所示。

图7 OSU 客户信号失效帧

表2 CFI 故障类型定义

图8 OSU 维护状态帧

维护状态类型由 STAT_T2/STAT_T1 或STAT_P 字段确定，分别对应TCM2、TCM1 和PM层次。维护状态类型见表 3。

表3 维护状态类型

（3）OSU 保持激活帧

采用OSU 保持激活帧的方式，确保在承载以太网业务情况下无业务数据传送时OSU连接的稳定性，同时维持OSU 开销的管理监控等功能正常运行。OSU 保持激活帧只使用通用开销，映射开销和净荷为保留字段。OSU 保持激活帧的发送频率可以灵活配置。为维持OSU 管理监控功能正常运行，当OSU（PKT）速率低于10.4 MB/s 时，在OSU 帧中插入OSU 保持激活帧，保证OSU 速率维持在至少10.4 MB/s。

（4）OSU OAM 帧

OSU 采用专用OAM 帧方式实现特定管理维护功能，如无损带宽调整、GCC 和加密等。OSU OAM 帧格式如图 9 所示。

OAM 帧管理维护功能类型由OAM 帧类型（OT）字段确定，目前定义的OAM 帧类型只有OSU 无损带宽调整控制帧（00001）。OSU OAM帧开销区其他比特和OSU 净荷区为保留字段（RES），默认值为0，可根据不同的OAM 帧类型进行功能定义。

图9 OAM 帧格式

4 OSU 无损带宽调整机制

现有的ODUflex 无损带宽调整机制由于需要管控系统与所有参与调整的设备进行交互，且存在控制协议复杂、需要两端对齐OPU 时隙等问题[5]，导致其在现网中（特别是多厂商组网场景中）很难部署应用。为了避免上述问题，提出了对OSU 无损带宽调整机制的基本功能要求，包括如下6 点。

（1）网管/控制平面的带宽调整指令应只需发给源、宿节点，然后通过OSU 开销将调整指令传送给其他节点；同时调整过程应不需要网管参与，以便适用于没有统一网管的多域网络应用场景。

（2）调整完成后，源、宿节点应向网管/控制平面反馈调整结果。

（3）调整目标带宽可在服务层带宽内任意调整，调整颗粒为n×10 Mbit/s。例如在OTU2 链路中，一条OSU 的带宽可在10 Mbit/s 到10 Gbit/s的范围内以n×10 Mbit/s 为步长进行调整。

（4）应支持同时调整工作和保护路径的带宽，以便满足业务正常保护倒换的需求。

（5）应具备端到端确认机制，保障带宽调整的可靠性，避免出现部分节点调整成功、部分节点调整失败的情况。

（6）因故障调整失败时，应支持自动回退到初始带宽，以便保持网络状态的稳定性，避免产生残余连接。

基于以上功能需求，提出了OSU 无损带宽增加和减少流程，其中带宽增加流程如图10 所示。

使用OSU无损带宽调整控制帧进行节点之间的控制信令交互，帧格式如图11 所示。

具体的开销字段含义见表4。

图10 OSU 无损带宽增加流程

5 M-OTN 设备形态和现网演进

参考运营商城域网/本地网的机房分类，M-OTN 设备在网络中的部署位置如图12 所示。

根据M-OTN 设备的形态、技术特征和在网络中的部署位置的不同，将M-OTN 设备分为固定盒式和插板式两种，其中插板式设备又可以分为I 型和II 型两种。不同种类M-OTN 设备的部署位置和主要功能特征见表 5。对应现网OTN 设备的分类方法，固定盒式M-OTN 和I 型插板式M-OTN 又可统称为接入型M-OTN。

图11 无损带宽调整控制帧格式

表4 无损带宽调整控制帧信息含义

图12 M-OTN 设备在网络中的位置

为了同时支持基于OSU 的业务（如10 Mbit/s～10 Gbit/s 分组业务、STM-1/4 等）和基于ODUk的业务（如10 Gbit/s 以上分组业务、STM-4 以上的TDM 业务等），城域OTN 应同时支持OSU 和ODUk交换。城域网可采用OTN 现网升级或新建一个M-OTN 平面的方式实现对OSU 的支持。为了保护已有网络投资，要求近期新建的城域OTN设备应支持平滑升级到M-OTN设备。在城域OTN的核心节点设备上，需要将到其他城域OTN 的OSU 复用到ODUk中。因此，骨干OTN 只需要支持ODUk交换即可，可以继续沿用现有OTN。

表5 M-OTN 设备分类

6 M-OTN 样机测试验证

在标准制定的同时，还组织了OSU 关键技术性能验证和M-OTN 设备样机测试，测试拓扑和测试现场环境如图 13 所示。

测试结果表明基于OSU 的M-OTN 技术具备如下显著优势。

图13 测试拓扑和测试现场环境

（1）低时延特性：对比现阶段采用的EOS（Ethernet over SDH）和EOO（Ethernet over OTN）方案，OSU 技术具有明显的时延优势；特别是与承载小颗粒业务的EOS 方案相比，优势非常显著，双向时延可降低1～3 ms，如图 14 所示。

（2）无损带宽调整：与现有的ODUflex 带宽调整机制相比，基于OSU 的业务带宽无损调整时间更短、调整颗粒更精细。

（3）提升承载效率：以10 Gbit 链路为例，目前EOO 方案只能支持8 条GE 业务，OSU 方案可以承载10 条GE 业务，承载效率提升了25%。

图14 时延测试对比结果

7 结束语

M-OTN/OSU 是首个由中国运营商和设备厂商联合主导推动的光传送网（OTN）核心系列标准，是我国在光传送网国际标准领域实现由跟随向引领的突破。笔者将在M-OTN 产业发展中持续引领标准方向，联合产业链上下游各方打造完整的生态圈，实现M-OTN 在现网的快速部署和应用。M-OTN 技术具有的灵活带宽、低时延、开放管控接口等特性可以很好地满足以高品质专线业务为主的综合业务承载需求，势必在未来传送网的演进和发展中扮演重要角色。