MSTP关键技术详解

在基于SDH的MSTP所承载的多种类型的业务中，以太网业务是当前最受关注的一种。为了实现以太网业务的有效承载，诸多关键技术，如封装技术（主要包括三种标准的封装协议PPP/HDLC、LAPS、GFP）、VC级联技术、链路容量调整机制等，逐步在MSTP中得到了应用。

1.封装技术

利用基于SDH的MSTP实现以太网业务承裁时，首先需要解决的问题是如何实现以太网到SDH之间的帧映射。由于以太网信号是突发的、不定长的，与要求严格同步的SDH帧有很大的区别。为了实现以太网业务SDH传输，需要采用合适的封装、适配协议。SDH的封装协议主要有三种：PPP/HDLC、LAPS和GFP。

1）PPP/HDLC封装

PPP/HDLC是早期采用的实现Ethernet over SDH的封装协议，相应的协议参考模型如图4-32所示，这就是POS（IPover SDH）技术。

PPP是一种对称的对等协议，支持在一条点到点全双工串行链路上实现数据流的封装和管理。PPP是一个协议族，主要由以下协议组成：

（1）链路控制协议（LCP，Link Control Protocol）：用于建立、拆除和监控PPP数据链路。

（2）网络层控制协议（NCP，Network Control Protocol）：用于协商在数据链路上传输的数据包的格式和类型。

（3）PPP扩展协议：主要用于提供对PPP功能的进一步支持。

此外，PPP还提供用于网络安全方面的认证协议，如口令验证协议（PAF）和质询握手验证协议（CHAP）。

PPP协议提供多协议封装、差错控制和链路初始化控制等功能，HDLC协议负责同步传输链路上PPP封装的IP数据帧的定界。最后将其映射到SDH虚容器，加上相应的开销字节后置入STM-N帧。

HDLC协议的定界方式是通过在帧头添加标志字节0x7E完成的。每个HDLC帧以标志字节0x7E开始，也以0x7E结束。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的字节填充方式来区分数据字节与标志字节。具体方法是：如果在信息域内含有与标志字节0x7E相同的数据字节，则用填充字节0x7D，0x5E代替0x7E，信息域内的0x7E则又被填充替代为0x7D、0x5E。在接收端，再将填充字节去掉，恢复成原来的数据字节。另外，在没有数据传送的空闲期间，HDLC的标志字节还被作为帧间填充进行传输。PPP/HDLC帧格式如图4-33所示。

图4-32　采用PPP/HDLC实现Ethernet over SDH的协议参考模型

图4-33　PPP/HDLC数据封装过程示意图

标志字段：固定取值0x7E，是标准的HDLC标识。实际通信中，前一帧的结束和下一帧的开始使用该标识进行区分。

地址字段：HDLC的广播地址，固定取值为0xFF。HDLC不分配单个端站地址。

控制字段：固定取值0x03，表示该帧是轮询/结束置0的HDLC无编号信息帧命令。若该字节编码为其他值，则此帧将被丢弃。

协议字段：用来标识PPP信息域封装的高层协议类型（如IPv4、Ethernet帧等）。

PPP信息域：用来放置长度可变的高层协议数据（如IP数据报）。

填充字段：为保证PPP帧的顺利传输，需要对短信息进行填充，最大值可达l 500字节。

FCS校验字段：对整个HDLC帧进行帧校验，字段长度可为16或32比特，视具体情况而定。

2）LAPS封装协议

2000年3月，由武汉邮电科学研究院向国际电联提交的基于SDH的链路接入规程（LAPS）被正式批准，这就是X.85标准。2001年2月，采用LAPS协议实现Ethernet over SDH的建议获得批准，成为ITU-T通过的第一个EOS标准（X.86）。该方案采用ITU-T X.85标准规范的LAPS协议作为以大网MAC层与物理层SDH之间的数据链路适配层。如图4-34所示为X.86中Ethernet over SDH的协议参考模型。

图4-34　Ethernet overSDH系统参考模型

采用LAPS实现Ethernet over SDH的帧映射过程分为两步：将以太网MAC帧通过RR（协调子层）和M II（媒质独立接口）封装入LAPS协议帧；LAPS协议帧映射到SDH帧结构中（在传送SDH开销的时间段内对LAPS帧进行缓存和速率适配）。

LAPS帧由标志、地址、控制、业务访问点标识符（SAPI）、信息、FCS等字段组成。其帧结构格式如图4-35所示。

图4-35　Ethernet over SDH的数据帧的封装过程

标志序列字段：该字段标识LAPS帧的开始和结束。标志序列为二进制数01111110（十六进制为0x7E）。地址字段前的标志序列表示帧的开始，校验字段后的标志序列表示帧的结束，结束标志序列在某些应用中也可以表示下一帧的开始。所有接收方都能够接收一个或多个连续的标志序列。在帧与帧的空载期间，要连续发送标志序列字段来做时间填充。

地址字段：地址字段l字节长，固定取值为0x04。

控制字段：此字段由包含二进制序列0x03（十六进制）的1个字节和查询／终结位为0的无编号信息命令构成，其他控制值的用法保留。采用LAPS协议实现EOS时，固定取值0x03。

SAPI字段：业务访问点标识符字段，除0x7E和0x7D外，其他二进制序列都可以作为数据链路业务访问点标识符。采用LAPS协议实现EOS时，SAPI的第一个字节为0xFE，第二个字节为0x01。

信息字段：LAPS帧中的信息字段用于封装来自厂层的各种信息（如IP、以太网等），信息字段长度默认值为0～1600字节，可扩展到65535字节。LAPS帧支持透明处理，透明处理采用八位字节填充规程。每一帧以标志0x7E开始和结束。

帧校验序列字段：字段长4宁节。每个LAPS帧的尾部都包含一个帧校验序列（FCS），用来检查帧通过链路传输时可能发生的错误。FCS由发送方产生，其基本思想是对那些完全随机的待发送的帧信息进行FCS计算，产生冗余码并将其附在帧的尾部，使得帧和随后的FCS之间具有一定的相关性。在接收端，通过识别这种相关性是否遭到破坏，可以检测出帧在传输过程中是否发生了错误。FCS计算的对象包括：地址字段、控制字段和信息字段的所有比特，不包括起始标志和FCS本身，不包括为同步目的而填充的任何比特，也不包括为同步或异步透明处理而填充的任何八位组。

3）GFP通用成帧规程

通用成帧规程（GFP）提供了一种通用的将高层客户信号适配到字节同步物理传输网络的方法。采用GFP封装的高层客户信号可以是面向PDU的（如IP/PPP或以太网MAC帧），也可以是面向块状编码的（如光线路），还可以是具有固定速率的比特流。

GFP由两个部分组成，分别是通用部分和与客户层信号（净荷）相关的部分。GFP通用部分适用于所有通过GFP适配的流量，主要完成PDU定界、数据链路同步、扰码、PDU复用、与业务无关的性能监控等功能，它与GFP的通用处理规程相对应；与客户层信号相关的部分所完成的功能因客户层信号的不同而有所差异，主要包括业务数据的装载、与业务相关的性能监控，以及有关的管理与维护功能等，它与GFP的特定净荷处理规程相对应。

GFP帧提供了GFP中基本净荷的传送机制。客户帧结构以字节为单位排列，由4字节的帧头（Core Header）和净荷区两部分构成，如图4-36所示。

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图4-36　GFP帧格式

GFP帧各字段的定义和功能说明如下：

（1）GFP帧头（Core Header）：4字节长，用于支持GFP帧定界过程。与传统的HDLC类协议不同的是，GFP基于帧头中的帧长度指示符（PLI）采用CRC捕获的方法来实现帧定界，并不需要起始和结束符，因此也不需要像HDLC那样在映射过程中进行字节填充和去填充处理，使映射效率更高、处理速度更快。由于CRC具有纠单比特错、检多比特错的能力，大大提高了GFP定界的可靠性。GFP帧头包含两个字段：

PLI：PDU长度指示符字段，用于指示GFP帧的净荷区字节数。

cHEC：帧头部差错校验字段，包含—个CRC-16校验序列，以保证帧头部的完整性。

（2）GFP净荷区（Payload Area）：包括GFP帧中帧头部之后的所有字节，长度可变，变化范围4～65535。净荷区用来传递客户层特定协议的信息。净荷区由净荷头部、净荷信息区域和可选的净荷FCS校验字段3个部分构成。

净荷头部（Payload Header）：长度可变（范围4～64字节），用来支持协议对数据链路的一些管理功能。净荷头部又包括类型字段及其HEC检验字节和可选的GPP扩展帧头，如图4-36所示。GFP提供用于链路管理、业务种类区分等的必要开销。类型字段又包含净荷类型标识符（Payload Type Identifier，PTI）、净荷FCS指示符（Payload FCS Indicator，PFI），扩展帧头标识符（Extension Header Identifier，EXI）和用户净荷标识符（User Payload Identifier，UPI），用来提供GFP帧的格式、在多业务环境中的区分以及扩展帧头的类型。

2.级联技术

1）级联的基本概念

随着通信技术的不断发展，越来越多不同类型的应用需要由SDH传送网络承载。然而，SDH能够对外提供的标准接口种类是有限的，大量新的数据业务所需的传送带宽不能和SDH的标准虚容器有效匹配。为了使SDH网络能够更高效地承载某些速率类型的业务，尤其是宽带数据业务需要采用VC级联的方式。

级联是将多个虚容器组合起来，形成一个容量更大的容器的过程，该容器可以作为仍然保持比特序列完整性的单个容器使用。当需要承载的业务带宽不能和SDH定义的一套标准VC有效匹配时，可以使用VC级联。在基于SDH的MSTP中，VC级联和虚级联是关键技术之一。

从级联的方法上，可以分为连续级联和虚级联。两种方法都能够使传输带宽扩大到单个VC的x倍，它们的主要区别在于构成级联的VC的传输方式不同。连续级联需要在整个传输过程中持续占用一个连续的带宽，而虚级联先将连续的带宽拆分为多个独立的VC，不同的VC可以被分别传送，在接收侧重新组合。

2）连续级联

（1）VC-4连续级联的实现。

VC-4的连续级联将若干个VC-4级联在一起形成一个VC-4-Xc（X个级联的VC-4），用来传送所需容量大于一个C-4容量的净荷。

VC-4-Xc只有一个AU-4指针和通道开销，其中的C-4-Xc净荷区被作为—个整体对待，保持比特序列的完整性，如图4-37所示为C-4-Xc的结构。位于AU-4指针内的级联指示用于指明在单个VC-4-Xc中携带的多个C-4净负荷应保持在一起，映射业务的可用容量即为单个C-4容量的X倍。X可取值为4，16，64。规定VC-4-Xc的第l列为级联虚容器的POH，此POH被分配给该VC-4-Xc使用。VC-4-Xc的第2列至第X列为固定填充比特。

AU-4-Xc中的第一个AU-4应具有正常范围的指针值，而AU-4-Xc内所有后续的AU-4应将其指针值为1001SS1111111111，表示连续级联指示。

VC-4连续级联的特点将多个连续的VC-4捆绑在一起，作为一个整体在网络中传送，因此它所包含的所有VC都经过相同的传输路径，相应数据的各个部分不存在时延差，进而降低了接收侧信号处理的复杂度，提高了信号传输质量。

图4-37　VC-4-Xc结构示意图

VC连续级联在实际应用中要求业务所经过的所有网络、节点均支持连续级联方式，如果涉及与原网络设备混合应用的情况，那么有可能因为原有设备无法支持连续级联功能而无法实现端到端的业务传送。此外，连续级联的级联颗粒仅有VC-4，不支持低阶VC的级联，且级联后的容量增加单位太大（X=4，16，64），不够灵活，对于承载以太网业务可能会引起带宽资源的浪费，如传送一个180Mb/s的业务，VC-4不够，而只能用VC-4-4c承载，容量又过大，大部分容量被浪费掉。

3）虚级联

虚级联技术可以将不同速率的小容器进行组合利用，能够做到较小颗粒的带宽调节，相应的最大带宽也能在很小的范围内调节。虚级联技术实现了使用SDH经济有效地提供合适大小的信道给维护局业务，避免了带宽的浪费，这也是虚级联技术的最大优势。虚级联技术的出现很好地解决了传统SDH网承载宽带业务时带宽利用率低的问题，提高了SDH网承载宽带业务时带宽分配的灵活性。表4-3列出了采用标准VC映射宽带业务和采用VC虚级联方法承载相应业务时的带宽利用率。从表4-3中可以看出，虚级联对SDH带宽利用率的改善非常明显。

表4-3　不同映射方式的带宽利用率比较

虚级联表示为VC-n-Xv，其中，X表示参与级联的VC的个数，取值与VC的等级有关：对于VC-3和VC-4，取值范围为1～256，对于VC-12，取值范围为1～64。虚级联是通过将多个VC（如VC-12或VC-4）捆绑在一起作为一个虚级联组（VCG），形成逻辑链路。虚级联可以将分布于不同的STM-N的VC-n（同一路由或不同路由），按照级联的方式形成一个虚拟的大结构进行传送，其中，每一个VC-n均具有独立的机构和相应的POH，具有完整的VC-n结构。几个VC-n虚级联就相当于数个VC-n间插，虚级联的每一个VC-n都可以独立传送，且可选择不同的路径，对中间传输设备无特殊要求，仅要求两端设备由协议支持。

3.链路容量调整机制

链路容量调整机制（Link Capacity Adjustment Scheme，LCAS）提供了一种虚级联链路首端和末端之间的适配功能，可以根据应用的带宽需求，无损伤地增加或减少SDH/OTN网络中采用虚级联构成的容器的容量大小。它还能够在网络发生故障时临时减少受故障影响的虚容器组（VCG）中的成员链路。

LCAS的主要功能包括：

LCAS可以通过增加或减少VCG中VC的数量来提高或降低可用的传送带宽。

LCAS的容量调整动作可以不损伤业务。

容量调整控制过程的实施是单向的。受LCAS作用的前向VCG的容量可以和反方向VCG的容量不同，而且正反两个方向的调整过程无须相互协同。

支持在不影响整个VCG可用性的情况下将受失效事件影响的VC从VCG中临时删除，并在失效影响解除后动态地将该VC添加到VCG中。整个调整过程对业务无损伤。

LCAS可实现LCASVCG和非LCASVCG之间的互联互通，也就是说，支持LCAS功能的发送端可以和不支持LCAS功能的接收端实现相互通信。而不支持LCAS功能的发送端也可以和支持LCAS功能的接收端实现相互通信。

LCAS具有以下优点：

LCAS在不影响VCG所承载业务的情况下，或在不中断整个VCG业务的情况下提供了增加或减少传送带宽的灵活性，使在线调整VCG带宽大小成为可能。

当将虚级联和LCAS功能结合使用时，提供了新的业务颗粒，并能够实现颗粒大小的实时控制。

当某些VCG成员失效时，LCAS能够在不对总业务产生影响的情况下，通过负载分担操作在带宽减少后继续提供服务。这是在传统删保护与恢复方法之外的一种新的保护机制。

将LCAS固有的负载分担方式的保护机制和分组水平的优先级，以及拥塞避免机制结合起来，可以提供一种增强型服务。

可以将LCAS的基本功能与不同的触发机制（如网管指令触发、信令协议触发）结合使用。

需要注意的是，当LCAS机制需要跨越服务提供商和用户边界时，应提前在服务双方的行为、计费、安全和其他策略等方面达成一致。

LCAS通过控制帧来描述虚级联的通路状态并控制通路源端和宿端动作，以保证当网络发生变化时，通路两端能够及时动作并保持同步。LCAS是一种带内机制，其控制帧是由SDH帧结构中具有特定功能的开销字段和比特组成的。高阶虚容器（如VC-3、VC-4）利用POH中的H4字节携带LCAS控制信息；低阶虚容器（如VC-12、VC-11等）利用POH中的K4字节携带LCAS控制信息。两种LCAS实现方案定义的控制字段和信息类型基本相同。