基于SDH传输网络的POS与EOS接入技术比较

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摘  要  本文主要对比了两种以SDH传输网络承载IP业务的实现技术。文中对SDH技术进行了介绍，分别介绍了POS和EOS两种技术的实现方法并分析了各自的特点。最后，从接入方式、实现技术及带宽利用率等方面对两种技术在SDH传输网上的运用进行了比较。
    关键词  SDH; POS; EOS


1  引言
    随着信息网络技术的飞速发展,越来越多的党、政、军、金融、交通等企事业单位开始构建自身的广域网，以实现本系统内部各分支机构局域网间的互连、互通，并在此网络平台基础上构建自身的信息系统。构建企、事业单位跨区域广域网的方案一般以下三种方式。一是基于物理层的方式：即通过铺设或租用光纤资源来实现；二是基于链路层的方式：即DDN或SDH方式等；三是基于网络层的方式：一般有MPLS VPN、IP SEC等方式。从以上三种构建方式来看，基于物理层的构建方式代价较大，一般中小型企业难于承受；基于网络层的构建方式对于银行、证券公司这样对广域网数据传输的安全性和可靠性有很高要求的单位，通常不会将其作为广域网组网方式的选择，因而其应用范围受到一定的限制。而随着电信、移动、联通等大型电信运营商开始对外提供SDH传输线路的租用业务，基于链路层的构建方式逐渐成为企业构建广域网的主流选择。
2  SDH传输网概述
    目前,大型电信运营商骨干传输网普遍采用的都是SDH/SONET技术。SDH传输网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出，称之为同步光网络（Synchronous Optical NETwork,SONET）。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适用于各种经适配处理的净负荷（即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分）在物理媒质（如光纤、微波、卫星等）上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标准。国际电信联盟标准部（ITU-T）的前身国际电报电话咨询委员会（CCITT）于1988年接受SONET概念，并与美国标准协会达成协议，将SONET修改后重新命名为同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）,使之成为同时适应于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的，在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送，融复接、传输、交换功能于一体，由统一网络管理操作的综合信息网。可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能，能有效地提高网络资源的利用率。SDH/SONET采用TDM技术，是对准同步数字系列PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)的一次革命。SONET多用于北美和日本,SDH多用于中国和欧洲。SDH/SONET技术具有良好的网络自愈保护功能，非常适合传输电路交换的传统话音业务。
    SDH技术所提供的各类SDH设备是通信运营商目前使用量最大的提供点到点固定传送通道的传输网络构成实体。由SDH设备构成的传输网络系统目前可以提供最大10Gb/s以下的点到点传送通道。SDH系统是一个时分复用的系统，它可以将若干低速率的标称速率电路映射到它的帧结构中进行传送，从而可以有效地利用光缆线路系统的带宽。SDH系统将低速率电路映射到它的帧结构中是通过VC（Virtual Container）来实现的，VC有不同的大小，如VC12、VC3、VC4，它们分别对应着2M、34M/45M、140M/155M的标称电路速率。在SDH系统中VC是可以被单独传送的实体，也就是说VC可以在系统上被上/下或转接而不影响其中的有效业务承载数据。
     然而，随着通信运营商现有的光通信网络的容量的增长，在相当多的地方仅用于传统的语音业务已经过剩，部分容量处于闲置状况。而另一方面，近几年来，随着IP技术的飞速发展和IP业务的指数式爆炸性增长，IP业务在电信业务结构中呈快速增长趋势。因此，电信运营商很自然的想到利用剩余的电信传输网资源解决目前IP业务快速增长的问题。这种解决方法有两个好处：一是通过对已有SDH投资进行合理利用，解决IP传输容量不足的问题；二是由于SDH的保护机制优于IP的路由收敛或生成树收敛，承载于SDH传输网之上的IP网络的可靠性远高于纯IP传输。
3  基于SDH的IP接入方式
    然而传统的电信网是为传送话音而设计采用TDM和电路交换技术的网络，为了传送IP数据业务和视频，实现话音、数据和视频的多业务“三网融合”，必须将IP数据包或以太网帧映射到SDH的帧结构中进行传输 。目前，POS和MSTP是两种较为常见的SDH传输网承载IP业务的实现方式。
    在以Ethernet Over SDH（EOS）技术为特征的MSTP设备出来以前，通常采用Packet Over SDH（PoS）技术。虽然，二者在称谓上极其相似，但是从实现技术上却是一种革命性的演进。
    POS技术通常在数据设备上实现，即路由器或交换机的WAN侧接口采用STM-1或STM-4的POS光口。也就是说从IP数据包或以太网数据帧到SDH的虚容器的处理过程在数据设备中实现（如图1所示）。从图1中可以看到，在路由器中实现IP/PPP/HDLC/VC的映射和封装过程，通过SDH的光口与传统的SDH设备相连。这种结构就是通常所说的叠层网络，每层网络需要不同的网管系统进行管理，无法实现端到端的业务管理；而且由于采用光口互联，造成在接入端的路由器或交换机等数据设备的投资成本较高。



图1 POS接入

    而如果采用MSTP设备提供的EOS接入模式，路由器或交换机直接采用以太网的接口，如RJ45的接口和MSTP设备相连，而从IP/Ethernet到VC的映射和封装由MSTP设备中的多业务板卡实现。而且该板卡具有全功能的二层能力，从接口考虑，由于MSTP也是采用普通的RJ45（10/100BaseT）接口实现互联，大大节省了POS的光口互联成本，而且可以通过MSTP的统一网管实现端到端的业务管理。



图2 基于MSTP的接入

3.1  POS接入技术
    POS通过SDH直接承载IP业务，它首先要解决的问题是如何完成IP数据包向SDH帧的映射。具体说来，以IP层的数据包到映射入SDH净荷区，需要将IP包通过PPP（Point to Point Protocol，点对点协议）进行分组，然后使用HDLC（High Level Data Link Control，高级链路控制）协议根据RFC1662规范对PPP分组进行定界装帧，然后将PPP-HDLC帧直接映射入SDH的净荷区。在这种映射方式中，PPP提供多协议封装、差错控制和链路初始化控制等功能。HDLC协议则对经过PPP封装的IP数据报进行定界，其定界方式是通过在帧头添加标志字节0x7E实现的。每个HDLC帧以标志字节0x7E开始，也以0x7E结束。如图3所示：



图3 PPP/HDLC帧格式

    由于在PPP/HDLC信息域内也可能出现与标志字节0x7E相同的数据字节，为保证数据的透明传输，需要使用HDLC（High Level Data Link Control）的字节填充方式来区分数据字节与标志字节，也称为转义处理。方法是：发送方设备检查两个标志序列之间的一整个帧，如果在信息域内含有于标志字节或转义字节相同的数据字节，若标志字节发生在HDLC的信息域，那么它将转变为0x7d 0x5e，其中0x7d称为转义字节，信息域中的0x7d要被填充为0x7d 0x5d。因此，由于用户数据单元中0x7e和0x7d出现的可能性不同，造成对网络侧带宽的需求变化很大，也造成带宽的浪费。对于某些恶意攻击，从业务层不断发包含标志序列和转义序列就会造成传送层的带宽的耗尽，最终导致数据拥塞。从以上描述我们可以得到，假设路由器采用MRU为1500字节的数据包，即不考虑不等长IP包造成的填充，且0x7E和0x7D出现的概率为0.2%，同时忽略PPP的控制协议占有带宽，对于一个PPP/HDLC的有效帧来说，开销约占0.8%。值得指出的是由于它采用了字节填充的方式，所以最终的PPP-HDLC帧是不定长的3.2 EOS接入技术
    EOS是近几年来提出的帧映射方法，主要定义了将以太网帧进行封装后再映射到SDH/SONET的VC(虚容器)中的映射方法，位于以太网MAC层与物理层的SDH间作为数据链路适配层。由于SDH和以太网的技术已经很成熟也全部标准化，因此EOS的实现方法就成为MSTP的新的核心技术，同时也是各厂家的MSTP能否实现互通的关键所在。现有的主流封装映射方式有LAPS(ITU- T标准号为X.86)和GFP(ITU- T标准号为G.7041)。
3.2.1  基于LAPS协议的EOS
    LAPS技术是中国武汉邮科院提出的映射方式，已被ITU-T接纳为标准，标准号为X.85/Y.1321。但是，究其根本LAPS协议是HDLC协议族的一种，它在点到点链路上提供数据报传送服务，协议特点是对PPP的简化，规程中没有链路层控制协议和网络层控制协议，只规定了数据传输规程，可以替代PPP-HDLC协议。
它的帧格式如图4所示：



图4 LAPS帧格式

    LAPS协议比PPP-HDLC相对简单，同时封装效率略有提高。但由于它依然采用基于标志字符的帧定界方案，因此无法从本质上改变由此而带来的诸多缺点。
3.2.2基于GFP协议的EOS
    GFP是朗讯公司起草并为ITU-T所采纳的国际标准，ITU-T G.7041。它完全跳出了HDLC定帧的方式，定义了一种简单、灵活的数据适配方法，不但可以在字节同步的链路中传送变长的数据包，还可以传送固定长度的数据块。它克服了PPP-HDLC和ML-PPP所无法避免的只支持点到点的逻辑拓扑结构、需要有特定的定界字符、需要对帧里的负荷进行转义处理等诸多弊病。
    GFP（通用成帧规程）作为一种新的通信标准,在数据传输效率和所提供的网络功能方面有了很大改进,其主要特点有:（1）具备低延迟的传输与处理能力,适合高速广域网的应用（如存储区域网络SAN）；（2）支持可用于宽带传送的业务适配协议；（3）提供高效的QOS保证机制，能够将物理层或逻辑链路层信号映射到字节同步的信道中；（4）具备客户端管理能力，支持基本的客户端控制功能；（5）采用和ATM技术相似的帧定界方式，减小了定位字节开销，避免传输内容对传输效率的影响；（6）打破了链路层适配协议只能支持点到点拓扑结构的局限性，可以实现对不同拓扑结构的支持。
    GFP最常见的应用就是在MSTP设备中，直接将IEEE802.3的Ethernet MAC帧映射入GFP帧中。如图5所示：



图5 以太网帧到GFP帧的映射

    从上图中可以看到，Ethernet MAC帧和GFP帧之间是一对一的映射，它去掉了在每个以太网帧前面的前置字符和帧起始定界符（8个字节），并在每个以太网帧结构上增加GFP-Header，用以标识以太网帧的长度和类型。同时在从以太网MAC帧到GFP的映射过程中，它也去掉了MAC帧之间的IPG。 因其省却了对Ethernet MAC帧的拆分和重组，因而提高了WAN侧的处理能力。
4  POS与EOS比较
    在了解两种接入技术原理的基础上，我们专门就两种技术在SDH传输网上的实现进行了比较。
4.1 接入方式上的对比
    以EOS为特征的MSTP是基于SDH的一种多业务传送手段，它从根本上来说就是在传统的SDH设备功能基础上新增了相应的接口卡板，如以太网卡板、ATM卡板等，从而可以提供这一类接口的传送通道。目前，MSTP技术应用最多的是对以太网接口的支持功能，即用户的路由器设备可以直接使用以太网接口与运营商的MSTP设备相连接。
    CPOS是路由器厂家所提供的路由器上的接口，可以称之为信道化或通道化的POS接口。接口速率一般为与电信运营商端SDH设备系统一致的STM-1接口。路由器设备配置的接入广域网的电路接口不论是POS接口还是CPOS接口，其帧结构都是与STM-N的帧结构相一致的，所需的STM-N接口对于SDH系统来说，都没有差异；换句话说，电信运营商只需为用户提供标准的STM-N接口就可以和路由器设备的POS或CPOS接口互联并提供相应带宽的电路。
4.2 实现技术上的对比
    EOS技术从实现上来说，是将以太网的数据流通过某种封装方式来映射到SDH的通道中，SDH的通道颗粒可以是VC12、VC4。以太网板卡可以将以太网业务，如10M、100M、1000M通过封装后映射到一个或多个VC中并由SDH系统进行传送。由一个或多个VC捆绑组成的通道带宽可以根据用户的带宽需要以VC12或VC4为单位的倍数来提供。在SDH系统中的VC类似于一块块的积木。VC4可以是由63个VC12堆积而成的，而VC4也可以是一个单独的整体；
    POS技术从实现上来说，是通过带POS或CPOS端口的路由器将业务数据映射到SDH中，有效的业务数据都是以SDH帧结构中的净负荷承载的，即将有效的业务数据映射到作为单一整体的VC4中并由SDH系统进行固定的点到点传送。CPOS则正如其名称的含义，路由器采用这样的接口时是将业务数据映射到多个VC12中，并将多个VC12映射到VC4中最终构成STM-1的SDH接口。
4.3 带宽利用率上的对比
    两种技术在带宽的利用率方面有一定的差异，但情况也比较复杂。从使用的情况来看，主要和封装方式有关。所谓的封装方式是指将数据业务映射到VC中之前需要对业务数据进行封装。EOS技术有三种封装方式：PPP、GFP、LAPS，目前使用较多的是前面两种封装方式，并且逐渐趋向于统一使用GFP封装方式。POS技术的封装方式与MSTP中的PPP方式有些类似。相比而言，GFP封装方式具有更高的效率和带宽利用率。一般的IP数据包通过EOS技术进行传送，带宽利用率可以达到90%以上（该数据随着数据包的长短统计分布不同会有所变化）。在采用POS、CPOS或PPP封装方式下，带宽利用率较低。不过，如果IP数据包很短的话（如64字节以下），那么GFP封装方式将可能会略低于POS、CPOS或PPP封装方式；但实际使用中IP数据包都很短的这种几率很小。除封闭方式外，我们还可以从另一个侧面比较两者在带宽利用率上的差异，例如对于同样为WAN侧带宽为100M的需求，POS技术只能采用一个155M的STM－1 的光口提供，而EOS技术可以通过2个VC3提供，STM－1中所剩的另外一个VC3可以提供给其他业务使用，从而减少了带宽的浪费，因此在该情况下EOS技术WAN侧带宽的利用率相比于POS技术而言就更高一些。
5  结束语
    通过租用运营商的SDH骨干网线路构建企业广域网已经越来越成为主流，通过以上比较，我们也可以看出以SDH传输网承载IP业务时，EOS技术相比而言更有优势。因此，更多的企业选用以EOS为特点的MSTP平台作为构建其广域网的首选，除技术原因外，以下两个方面的优势也使MSTP接入日渐成为主流：一是POS技术构建的网络由于需在路由器上配置POS口而造价较为昂贵，而MSTP产品能够直接和各种具有Ethernet接口的设备对接，不需要用户路由器侧配置POS口，因此极大地节省了成本。二是MSTP产品能提供丰富的Ethernet接口，增加了组网的灵活性，同时其提供的带宽是能灵活配置的，方便管理，而POS技术虽然也可以进行带宽的调整，但其配置繁琐甚至牵涉到硬件改动，并不实用。同时, MSTP产品较为完善地同时支撑传统语音业务和数据业务的功能,也越来越成为众多大客户IP业务接入的首选,随着MSTP标准和产品的不断发展与完善，必将会使其在未来IP接入业务中发挥更大的作用。
参考文献
〔1〕储明德.EOS(LAPS和GFP)的技术与应用.中国数据通信
〔2〕韦乐平.光同步数字传送网.人民邮电出版社 1998
〔3〕ITU-T Rec G.7041-2001 ,Generic Framing Procedure
〔4〕ITU-T Rec X.86/Y1323-2001 ,Ethernet Over LAPS