多业务传送平台中数据承载新技术

        多业务传送平台(MSTP)的出现使得电信运营商可以熟悉的传输体制，较低的成本来构建一个高效、可管理、业务的安全性和服务质量能够得到有效保障的城域传输网。

        经过几年的发展，新一代的MSTP系统[1]，在SDH平台上综合了多协议标签交换(MPLS)、弹性分组环(RPR)、通用成帧规程(GFP)[2]、级联、虚级联(VC)和链路容量调整规程(LCAS)[3]等新的技术和标准，使SDH对于ATM、IP等多种业务的支持效率更高并且管理更灵活。特别是VC、LCAS和GFP等技术的使用，使新一代MSTP较传统的SDH和以前的MSTP对数据业务支持的灵活性、带宽利用率和可用性得到了根本性的提高。

        MSTP是在SDH这一可靠而广泛应用的物理层平台上，通过发展原有技术，综合新的技术和标准而形成的一个跨越一层和二层的综合传输平台。GFP/VC/LCAS这3个新技术构成了新一代MSTP承载数据业务的基础，在此基础上MSTP综合MPLS、RPR和以太网二层交换等为分组业务开发的二层技术，实现了对带宽的统计复用、服务分级和业务的灵活支持。

1 通用成帧规程
        通用成帧规程属于ITU-T G.7041规范，是一种新的封装规程。在MSTP中，除可以使用传统的点到点协议/高速数据链路协议(PPP/HDLC)[4]、SDH上的链路接入规程(LAPS)[5]作为数据分组的封装协议外，GFP是一种新的选择方案。

        GFP具有成帧映射和透明映射两种方式可以分别应对不同需求的业务。成帧映射需要将客户数据缓存下来再封装到GFP帧结构中，此方式适用于对时延、抖动不敏感的业务；对于那些需要更小时延以及更高传输效率的业务，可以采用透明映射方式，即直接将数据从客户数据块中取出，再映射进周期性的、长度固定的GFP帧结构中。

        GFP的帧定界方法与ATM中使用的方法类似，通过对核心帧头中的净负荷长度标识(PLI)字段和核心头校验序列(cHEC)字段进行帧长度判别，通过“搜索态”、“预同步态”、“同步态”3种状态的迁移来完成帧定界，这较PPP或LAPS使用的帧标识字定界方法有很大改进。另外，GFP利用多种扰码机制最大限度地抑制了伪数据帧的出现，并提供优良的纠错机制以保证在物理链路发生误码时依然能正常工作，这使GFP具有十分高的可靠性。

        另一个值得关注的是，G.7041规范修订版对将MPLS映射进GFP作了规定，对RPR用户信息分配了用户净负荷标识(UPI)，使得今后在多厂家的MSTP进行互连互通时，GFP是一个重要环节。

1.1 通用成帧规程的协议封装
        GFP的协议封装主要由核心开销区、净荷区和可选的净荷区帧校验3部分组成，具有相对大的灵活性。

1.1.1 核心开销区
        核心开销区的长度为4个字节：2字节的PLI和2字节的cHEC。设置核心开销区的目的是为了使帧描述进程和建立数据连接操作与上层的协议数据单元(PDU)无关。

1.1.2 净荷区
        净荷区紧随核心开销区之后，其长度在4～65 535字节之间可变，可以满足高层某些特殊协议的要求。净荷区主要由两部分组成：净荷开销域和净荷域。净荷区校验序列是可选的部分。GFP净荷区帧结构如图1所示。

        (1)净荷开销域
        净荷开销域是一个4～64字节的可变长度的区域，可以支持某些特定高层客户信号的数据链路管理进程。它包含两个部分：类型域和类型校验域。另外，长度可变的扩展头部域和相应附加可选的检验域由类型域指定。净荷开销域的格式如图2所示。

        (2)净荷域
        净荷域包含已经成帧的PDU，为0～65 535字节可变长度，包含一个可选的净荷校验域，用户或控制PDU都以字节流的形式转入GFP净荷中。

1.1.3 通用成帧规程的扩展开销域类型
        为了支持客户特殊数据的逻辑点对点和逻辑环形配置，现定义了3种不同的扩展开销类型：

        (1)无扩展开销域
        净荷开销区中没有扩展开销域，是适应于逻辑上点对点的配置，可为一个客户信号提供专用的传输通道。

        (2)用于点对点帧的扩展开销域
        用于点对点帧的扩展开销域包含4比特的目的端口域和4比特的源端口域，可使不同客户信号共享传输通道。

        (3)用于环形帧的扩展开销域
        用于环形帧的扩展开销域包含以下内容：

• 备用域共12比特，留待后用。
• 优先级域，4比特，用于流通优先级控制，又细分为两部分：丢弃资格(DE)比特和服务等级(CoS)比特。
• 生存时间(TTL)域，8比特，表示GFP的PDU持续跳转后剩余的数目。“0”表示GFP所携带的PDU将在下一个GFP终端处终结。
• 目的端口域，4比特，指示GFP终端16个目的端口中的一个。
• 源端口域，4比特，指示GFP源端16个源端口中的一个。
• 媒体访问控制(MAC)目的地址域，6字节，表示GFP终端的MAC目的地址。
• MAC源地址域，6字节，表示GFP始端的MAC源地址。
• 扩展校验域，CRC-16生成序列，用以保证扩展开销域的完整性。

1.2 GFP与LAPS、PPP协议的分析比较
        PPP和LAPS是较早应用在MSTP中将IP分组映射至SDH虚容器中的两种封装协议。其中，利用PPP协议进行IP分组的封装，是先将IP数据包通过PPP协议进行分组，然后使用HDLC协议根据规范对PPP分组进行定界装帧，构成一个HDLC帧，最后将其映射到SDH虚容器中，再加上相应的SDH开销置入STM-n帧中。LAPS是ITU-T X.85/Y.1321定义的HDLC一个子集，但它是把以太网的MAC帧直接封装到LAPS帧的数据区，再将LAPS帧映射到SDH虚容器中，故其比PPP/HDLC方式简单、效率高。
PPP和LAPS都是属于HDLC类的协议，HDLC类协议在使用时都存在一些问题，主要表现在：

• 用户使用HDLC帧时，网管需要对每个输入、输出字节进行监视。
• 导致带宽需求增加。
• 基于标记的标识机制会带来接收器的突发错误，即使当链路只有孤立的随机错误。
• 接收不完备的帧将导致错误的突发，却不能被帧的循环冗余检测(CRC)辨别出来。
  

        采用GFP协议来实现数据包的帧映射过程，与LAPS和PPP协议相比有明显不同，GFP克服了其他技术所无法避免的只支持点到点的逻辑拓扑结构、需要有特定的帧定界字节、需要对帧内的负荷进行扰码处理等诸多弊病。利用GFP进行数据封装无须对负载填充和抽离字节，使得链路的容量仅与负载总量有关，而与负载包含的字节内容无关，因而效率更高，当然也意味着接收端需要完成字节捕获，搜索有效的核心开销域，锁定并进行分析等工作。

        相对于原来的同类协议(如PPP、LAPS)，GFP有如下主要优点：

• GFP帧定界是基于帧头中的帧长度指示符，采用CRC捕获的方法来实现的。这种方式比用专门的帧标识符进行帧定界更有效。
• 通过扩展帧头的功能适应不同的拓扑结构，如环形或点到点方式。也可以定义GFP中数据流的不同服务等级，而不用上层协议去查看数据流的服务等级。
• 通过扩展帧头可以标示负载类型，以决定如何前传负载，而并不需要打开负载，查看它的类型。
• GFP有自己的FCS域，可以保证所传输负荷的完整性，对保护那些自己没有FCS域的负荷非常有效。
• 传输性能和传输内容无关，这个优点来自于GFP采用了特定的帧定界方式。在PPP或LAPS里，负荷的每一个字节都需要进行检查，如果有字节与帧标识符相同，这一字节就需要进行填充，从而使负荷变长，且不可预测。在MSTP测试时，往往利用这一点来判断设备所采用的映射协议是GFP还是PPP，比较设备在传送OX7E(16进制数7E，7E在一些协议中用作区分一个分组的头尾信息)和其他非OX7E信息时的传输性能。当传送后者的性能明显优于前者时，映射协议采用PPP，而当两者的传送性能没有明显差别时，映射协议采用GFP。
  GFP协议原则上可以装载任何一种类型或协议的数据流。在MSTP中利用GFP来替代其他封装协议，对于向用户提供更高速和可靠的数据服务，提高链路资源的有效利用能力具有十分重要的意义。
  

2 虚级联及链路容量调整
        SDH具有固定和严格的速率等级，麻烦的是这些速率等级与用户所习惯的以太网速率等级完全不匹配，使人们使用SDH来传送以太网业务时造成了极大的资源浪费，比如传送一个10 Mb/s的以太网业务需要使用一个VC-3来承载，带宽利用率只有20%左右。为了解决这个问题，一种称为级联的技术被引入MSTP中，即将相邻的多个虚容器合并为一个更大的虚容器，以承载速率为单个VC速率x倍的数据业务。这样就可以使用连续的由5个VC-12组成一个VC-12-5c级联组，用于承载一个速率为10 Mb/s的以太网业务，此时带宽利用率提高到92%，远远好于使用VC-3。但是由于级联必须在同一个STM-n中使用连续相邻的虚容器，提供一个新的级联通道时可能不得不对原网络中的交叉连接进行调整，以获得足够多的连续空闲虚容器。这是一个复杂和麻烦的工作，是运营商进行快速业务提供的障碍。

        虚级联相较级联更加灵活，它可以将分布在不同STM-n中的虚容器(这些虚容器甚至可以在不同的路由上)组成一个VC-n-Xv虚级联组以提供一个满足要求的通道。在业务的发送端，数据包按照字节拆分的方式映射到不同的VC-n中送达接收端，在接收端根据高阶通道开销/低阶通道开销(H4/K4)字节组成的虚级联控制帧的标识，对各虚容器进行缓存和延时补偿以恢复出原来的数据。

        虚级联技术规定了如何把不同的VC级联起来以提供一定的传输带宽，但是实际传送中数据业务流的带宽需求可能是动态的；另外，当VCG中各VC是经过不同的路由到达接收端的，当其中某个路由出现故障时，需要保障整个VCG不至于由于某一个成员的失效而不可用。这些问题促成了LCAS技术的提出。

        LCAS在虚级联的源和宿适配功能之间提供一种无损伤的改变线路容量的控制机制，用来增加或减少同步数字体系/光传送网(SDH/OTN)中采用虚级联构成的容器的容量大小。当虚级联组中的一个成员失效，采用LCAS可以自动地暂时改变业务的承载带宽或将失效链路移出；当网络修复完成后，自动增加容量，将业务恢复到最初的配置带宽。

2.1 LCAS控制帧结构
        LCAS是一种带内机制，其控制帧的传递由SDH帧结构中特定开销的指示特定功能的字段和比特组成。

        低阶虚级联控制信息采用SDH低阶通道开销K4第2比特构成的32比特复帧携带，其复帧结构如图3所示。由于K4本身是4帧的复帧结构，每隔500 us出现一次。LCAS控制信息由K4的32比特复帧构成，所以完成一组低阶LCAS信息传送需要16 ms。

        高阶虚级联的控制信息由SDH高阶通道开销H4字节传送，其复帧结构如图4所示。高阶LCAS控制复帧为两重复帧，第1重复帧由16帧组成，第2重复帧由256帧组成。要完成一组虚级联组控制信息的传输，需要1复帧(16帧)，即2 ms时间，一个VCG最多由256个VC-3/VC-4组成。整个复帧长度为4 096帧，时间周期为512 ms。

2.2 LCAS工作原理
        LCAS考虑了多种可能的控制过程，包括在正常VCG序列后增加新的成员以提高带宽(LCAS只允许在虚级联组最后新增成员)，以及对VCG序列任意失效成员的剔除与恢复等。VCG成员的失效、增加、删减以及失效成员的自动恢复对于VCG承载的业务都是无损伤的。

2.2.1 增加新成员
        当需要在VCG中增加一个新成员时，就给这个成员分配一个序列号，该序列号要大于当前控制代码中状态为序列结束(EOS)或不可用(DNU)的最大序列号。在收到增加新成员的增加(ADD)命令后面第一个成员状态(MST)响应为可以(OK)的成员被分配的序列号为最高序列号加1，并且将它的控制(CTRL)字段改为EOS，同时当前最高序列号成员的CTRL改为正常(NORM)。新成员开始承载业务。但是当CTRL为ADD时，CTRL域必须连续发送ADD直到收到对应的MST为OK为止。一旦增加多个成员时，会同时收到多个成员MST为OK的信息。新成员的序列号是当前最高序列号后面任意x个序列号，其中一个将被分配到最高序列值，而当前最高序列号成员和其他新增成员的CTRL域都设置为NORM。

        在进行新成员增加时，必须对新成员的连通性进行检查。除检查新成员的误码率、控制帧的CRC之外，新成员与VCG中原成员的时延差也是重要的检查内容。源端必须确保新成员的时延在宿端的允许范围内。

2.2.2 失效成员的临时删除和恢复
        当CTRL为NORM或EOS的成员在网络中失效时，宿端会检测到，并在那个成员的MST中发送失败(FAIL)状态。接着源端就用DNU状态取代NORM或EOS状态。如果是EOS成员失效，则位于EOS成员前一个成员在控制字段中会发送EOS。源端暂停向已删除成员通道发送业务，该成员通道归入空闲组中。

        当宿端检测到引起临时成员删除的故障清除了，宿端就在那个成员的MST中发送OK状态。源端就把CTRL字段从DNU改为NORM，或者从DNU改为EOS。在第二种情况下，当前EOS成员将在CTRL中发送NORM。失效的成员又可以继续承载业务了。

2.2.3 成员删除
        当删除某一成员时，其他相关成员的序列号和相应的状态号将会重新排列。如果被删除的成员含该组的最高序列号，紧次于最高序列号的成员将它的CTRL字段改为EOS，同时将被删除成员的CTRL字段改为空闲(IDLE)。如果删除的成员不是最高序列号的成员，那么序列号在新删除成员和最高序列号之间的这些成员，它们的序列号将更新，以保持VCG中各成员的序列号连续。同时相应地被删除成员的CTRL字段改为IDLE。

        链路容量调整规程和虚级联技术相辅相成，为运营商提供了前所未有的链路灵活管理能力，这对运营商快速、高效和经济地为用户进行个性化服务打下了基础。

3 结束语
        城域网是网络技术发展最为迅速的地方，同时运营商也在这里遇到最为多样性的用户需求。可以高效、灵活地向用户提供可靠而又具有多样性的服务是运营商建设城域网的基本目标。将GFP、VC和LCAS技术与可靠的SDH平台结合，传统的SDH终于可以较为完美地承载数据业务。传统的SDH因此一跃成为一个适宜承载从TDM语音到以太网互联等多种业务的多业务传输平台，为SDH迎来了一个发展的新机遇。

4 参考文献
[1] YD/T1238-2002, 基于SDH的多业务传送节点技术要求 [S].
[2] ANSI T1 X1.5, Generic Framing Procedure (GFP) Draft Revision 4 [S].
[3] ITU-T G.7042/Y.1305, LCAS for Virtual Concatenated Signals [S].
[4] IETF RFC-2615, PPP over SONET/SDH [S].
[5] ITU-T X.85/Y.1321, IP over SDH Using LAPS [S]

收稿日期：2005-09-08

[摘要] 城域网内分组业务占用的带宽资源已远远超过了传统的语音业务。多业务传送平台(MSTP)作为一种新的城域网解决方案可以解决对分组业务支撑能力不足的问题。文章分析了被应用在新一代多业务传送平台中的新的协议和标准：通用成帧规程(GFP)、虚级联(VC)和链路容量调整规程(LCAS)，认为将GFP、VC和LCAS技术与可靠的SDH平台结合，使传统的SDH可以较为完美地承载数据业务，为SDH带来新的发展机遇，也使MSTP成为城域网最佳解决方案之一。

[关键词] 多业务传送平台；通用成帧规程；虚级联；链路容量调整规程

[Abstract] In the Metropolitan Area Network (MAN), packet services occupy far more bandwidth than the traditional voice services. As a new solution for MAN, the Multi-Service Transport Platform (MSTP) can solve the problem of lacking adequate bandwidth for packet services. The new generation MSTP adopts protocols and standards such as Generic Framing Procedure (GFP), Virtual Concatenation (VC) and Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS). While combined with GFP, VC and LCAS, the reliable SDH platform can effectively carry data services, thus bringing a new opportunity to the traditional SDH and also making MSTP one of the best MAN solutions.

[Keywords] MSTP; GFP; VC; LCAS