新一代 EoPDH 芯片在混合组网中的应用
2008-12-12 14:19:43
来源：《半导体器件应用》2008年12月刊
毋庸置疑未来是全IP的时代，但是目前全球PDH网络端口数依然很庞大，因此如何顺利解决网络过渡成为运营商和设备商的一个主要问题。Ethernet over PDH(EoPDH)可以通过PDH网络来传送以太网服务，成为解决网络融合难题的一个备选方案。先前的EoPDH设备大都基于私有协议，因此导致它的应用仅限于专网或点对点的应用。ITU-T G.7043和G.8040等标准的制定使得新一代EoPDH设备间的互联互通成为可能。新一代EoPDH技术在有线领域可以是EoS的补充，它们共同部署可以实现以太网在现有铜缆上的传输；在无线领域，调查显示PDH依然会在未来基站得以保留，由于基站和基站控制器必然要与有线网络连接，而GFP、VCAT以及LCAS等都是有线网络的候选方案，所以新一代的EoPDH设备可以实现与它们的互连；同时在某些IP UTRAN区域没有以太网接入设备，此时EoPDH可以作为一种暂时的过渡方案提供以太网服务。与其他汇聚技术相比，GFP和VCAT在延迟性、网络可用性等多个方面都比PPP、ML-PPP和HDLC更加高效。
EoPDH主要协议和功能芯片
Maxim推出的DS33x系列芯片可以由一颗单芯片实现EoPDH的所有功能。系统设计简单，无需复杂外围电路，针对不同应用有单路到16路接口的不同选择方案，而各芯片的硬件管脚兼容，软件架构一致。以DS33x162为例，其框图如图1所示。
从图1中可以看出，DS33x162包含了 EoPDH协议转换所需的各种功能，用硬件方式实现了控制与处理。VCAT/LCAS、GFP/HDLC封装等过程都无需数据通路上的软件开发。对于系列芯片中的DS33W41和DS33W11来讲，集成的语音端口使得它们成为IAD设备的最佳选择。
新一代的EoPDH主要涉及到以下协议：G.7043规定如何将多条电路汇聚到一条虚通道，相当于是框架的构建；G.7041和G.8040定义了如何将净荷封装为特定的帧格式，相当于内容的填充；G.7042利用加入或者去除某些电路来增减通道的大小，相当于内容量的调整。
封装与映射技术：早期的EoPDH封装技术没有事实上的标准，传统上多采用高速数据链路协议(HDLC)、SDH上的链路接入规程(LAPS)等作为数据分组的封装协议，因此很多处理过程由各个芯片厂商自行定义，当两端为同一个厂家的产品时这样不会有任何问题。但是当涉及到不同厂商时，互连互通会成为一个主要的问题。通用成帧规程(GFP)是一种新的封装规程，属于ITU-T G.7041规范，它作为一种新的选择方案，使得今后多厂家的EoPDH、EoS以及MSTP可以实现互连互通。
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。它利用信头差错控制(HEC)技术来进行帧划分，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，利用“搜索态”、“预同步态”、“同步态”3种状态的迁移来完成帧定界。对于其他使用起始/停止标记的封装协议(如HDLC、LAPS)来讲，当用户数据中存在起始/停止标记时，必须使用更长的转义序列进行替代，通常会造成带宽扩展。利用HEC帧划分技术，GFP无需在数据流中进行标志置换，这使得GFP可以实现稳定且可预测的载荷吞吐量。另外，利用扰码机制GFP可以最大限度地抑制伪数据帧的出现，纠错机制保证在物理链路上发生误码时依然能正常工作，因此GFP具有十分高的可靠性。
映射过程是将封装后的以太网帧置于一个“容器”内，方便在链路上的传输。容器的主要用途是对齐信息。容器通常有着严格的格式定义，在预定位置进行开销监测和业务管理。一些容器也提供管理/信令通路以及链路质量监测功能。不同的技术对这些容器有不同的命名，PDH则包括DS1、E1、DS3和E3成帧架构。在大多数情况下，一个或多个低速率容器可以形成即映射为一个更高速率的容器。
当封装后的以太网帧在PDH上传输时，以太网帧之间的时间被一个空号填充。ITU-T G.8040标准中对DS3链路定义了四字节对齐的规则。当GFP封装帧在DS1或E1传输时，所传输的信息则按字节对齐，对齐方式要比DS3稍为复杂。
DS33x162支持目前流行的各种封装协议，包括GFP-F、LAPS、HDLC和cHDLC，支持G.8040 GFP over PDH映射协议。
链路聚合与调整：链路聚合是将两个或两个以上的物理链接整合成单个的虚链接的过程，主要用于增加两个网络节点之间的带宽，减缓向PDH或SDH支路的传输。它实际上是在多信号通道上分配数据的结构化方法，将从不同通道上接收的信息与不同的等待时间对齐，然后重新编译数据，移交给高层的协议。链路聚合并不是一门新技术。多链路帧中继(MLFR)、DSL绑定技术、ATM反向复用(IMA)以及多链路点对点(ML-PPP)协议等均是链路聚合技术。其中，IMA和MLFR的应用范围最广。但是在所有这些方案中，每一种协议都只有在特定的背景或者帧格式下才能发挥最大效益，作用单一。只有PDH线路绑定技术完美地解决了以太网的问题。
目前SONET/SDH网络所使用的主要链路聚合技术是ITU-T G.707标准中定义的虚级联(VCAT)。此标准利用现有开销通道作为VCAT开销。但是，当将VCAT的理念应用于PDH网络时，现有的管理通道就不够用了，需要给VCAT开销分配一个新的空间。在EoPDH中开销字节占据了每个已串联DS1超级扩展帧的第一个时隙。
由VCAT开销字节创建的管理通道将用于传送有关链接的信息。对于每个已传输的DS1超级扩展帧或E1复帧，每个链接将被附上一个VCAT开销字节。因此，DS1可用带宽中的1/576将被用于VCAT开销。
VCAT开销字节的低字节包括复帧标示符(MFI)，该标示符用于将传输延迟时间不同的帧对齐。高字节包含一个唯一的控制符(复帧指示符的16个值都有)。该高字节叫做VLI，包含虚级联和链路容量调整机制(LCAS)信息。
级联的链接亦被称之为虚级联组(VCG)，虚级联组的所有成员都有自己的VCAT开销通道。ITU-T G.7043标准规范中介绍了完整的EoPDH链路聚合规范。
LCAS在虚级联组的源和目的间提供一种适配功能，允许动态地改变带宽而不会导致业务丢失，即无损伤的改变线路容量的一种控制机制，用来增加或减少通信中采用虚级联构成的容器的容量大小。链路容量调整通过增加或删除两个节点间的逻辑链接来调整聚合吞吐量。当添加或删除虚级联组的成员时，两个端节点利用LCAS进行协商。LCAS利用VCAT开销通道执行协商功能。在LCAS的帮助下，虚级联组的带宽可以在不中断数据流的情况下得到增加。另外，有故障的链路将被自动删除，最大程度地降低对业务的影响。ITU-T G.7042/Y.1305中详细规定了LCAS的完整标准。
DS33x162具有对16条链路进行VCATLCAS汇聚的能力。
VLAN与优先级：VLAN转发主要用来分发或者汇聚数据流量，而优先级调度用来给等待在WAN发送队列中的数据设置优先级，这样的话当有空余带宽时就可以优先发送等级高的数据。优先级调度和优先级转发是不一样的，优先级转发主要用来把就有不同优先级的数据放置到不同的WAN物理连接上。无论是VLAN转发还是优先级调度和转发都由芯片的转发模式确定。需要注意的是优先级并没有为高优先级业务数据提供一个良好的通路。实际上，优先级和调度只是允许“更重要”的业务数据在缓冲节点位置处可以更早传送。良好的服务质量还应考虑到其他的因素。
DS33X162系列芯片支持VLAN 802.1p和DSCP的VLAN转发和优先级调度/转发。同时支持拥塞避免和拥塞管理功能，拥塞避免信息内置在CIR中，拥塞管理信息采用以太流量控制机制。
OAM：在电信级以太网中，运行、管理与维护(OAM)用来传递管理消息，比如两个网络节点之间的状态，报告故障并测试连通性。它可以减轻网络运行的负担、检验网络性能并降低运行成本。由于OAM会自动检测网络的性能下降或故障，所以OAM与用户所能得到的服务水平息息相关。
所传递的消息即称为OAM协议数据单元(OAMPDU)。业界已定义了16个不同用途的OAM协议数据单元。IEEE、ITU和MEF已共同规定了OAM协议数据单元的格式和用法。相关标准包括IEEE 802.3ah和802.3ag，以及ITU-T Y.1731和Y.1730。
无论是从WAN端口还是LAN端口，DS33X162系列芯片都可以利用主处理器插入和提取帧，处理器可以利用这种方式来管理OAM和以太网业务。为此设置的四个用户可读取FIFO在空(插入FIFO)或者有帧(提取FIFO)时都会送出中断。芯片可以捕获或插入的最大帧为2048byte。
对于QoS和OAM帧提取DS33X162共支持六种帧格式，但是用户并不需要制定或配置某种以太帧格式，因为通常LAN数据同时会包含有多种不同的以太格式。
组网实例
EoPDH嵌入式系统通常应该包含以下三部分：以太网接口部分、协议转换部分、PDH接口部分，如图2所示。其中以太网接口部分用于接收以太网数据，并对本地网络进行流量控制；协议转换部分负责帧结构转换，同时协调三部分的运作；PDH接口部分则实现PDH网络数据的上下路。
图2中DS33X162作为核心芯片主要完成反向复用器(inverse mux)的功能，它容许一条数据码流被分成多个低速率的传输链路。它和解复用(demultiplexer)有明显的不同，IMUX中每条低速链路都相互关联；它们共同承载同一数据；而解复用器的输出码流可以是完全独立的，解复用器不用理会它们之间是否相关。
外部控制器DS80C320发出指令来建立或拆除IMUX功能，这个过程也是VCAT/LCAS的建立过程。DS80C320还可以删除有问题或者没有业务的链路。一旦对发送VCAT的配置进行了修改，需要对VCAT.TCR1.TLOAD寄存器置1，这样就可以重新载入更新后的配置。
采用这样的系统有很多的优点：DS33X162芯片支持最新的GFP、HDLC、LAPS以及cHDLC封装，可以通过VLAN或者对物理端口设定转发原则，对于VCAT/LCAS链路汇聚，各路信号之间最大容许200ms的延时；在16个E1/T1或者8个DS3上传输以太信号时，具有QoS和以太OAM功能；最主要的是整个系统由硬件实现协议封装，无需MCU参与数据通路上的处理，因此无需相关代码的开发，降低了开发难度；通过片内的承诺信息速率控制器可以控制用户的带宽使用。
相较于ASIC的方案，目前有很多厂家采用FPGA实现协议处理过程。通过FPGA实现EoPDH功能最大的优势在于时效性，但是一旦在标准确定后，FPGA的这种优势便不复存在。对于VCAT、LCAS等相对比较复杂的协议，需要经过数年现场测试才会获得一个真正可靠的设计定型。此外，虚级联等设计会因为级联数目、不同相位的有效载荷等因素产生庞大数目的测试场景。考虑到FPGA
EoPDH主要协议和功能芯片
Maxim推出的DS33x系列芯片可以由一颗单芯片实现EoPDH的所有功能。系统设计简单，无需复杂外围电路，针对不同应用有单路到16路接口的不同选择方案，而各芯片的硬件管脚兼容，软件架构一致。以DS33x162为例，其框图如图1所示。
从图1中可以看出，DS33x162包含了 EoPDH协议转换所需的各种功能，用硬件方式实现了控制与处理。VCAT/LCAS、GFP/HDLC封装等过程都无需数据通路上的软件开发。对于系列芯片中的DS33W41和DS33W11来讲，集成的语音端口使得它们成为IAD设备的最佳选择。
新一代的EoPDH主要涉及到以下协议：G.7043规定如何将多条电路汇聚到一条虚通道，相当于是框架的构建；G.7041和G.8040定义了如何将净荷封装为特定的帧格式，相当于内容的填充；G.7042利用加入或者去除某些电路来增减通道的大小，相当于内容量的调整。
封装与映射技术：早期的EoPDH封装技术没有事实上的标准，传统上多采用高速数据链路协议(HDLC)、SDH上的链路接入规程(LAPS)等作为数据分组的封装协议，因此很多处理过程由各个芯片厂商自行定义，当两端为同一个厂家的产品时这样不会有任何问题。但是当涉及到不同厂商时，互连互通会成为一个主要的问题。通用成帧规程(GFP)是一种新的封装规程，属于ITU-T G.7041规范，它作为一种新的选择方案，使得今后多厂家的EoPDH、EoS以及MSTP可以实现互连互通。
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。它利用信头差错控制(HEC)技术来进行帧划分，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，利用“搜索态”、“预同步态”、“同步态”3种状态的迁移来完成帧定界。对于其他使用起始/停止标记的封装协议(如HDLC、LAPS)来讲，当用户数据中存在起始/停止标记时，必须使用更长的转义序列进行替代，通常会造成带宽扩展。利用HEC帧划分技术，GFP无需在数据流中进行标志置换，这使得GFP可以实现稳定且可预测的载荷吞吐量。另外，利用扰码机制GFP可以最大限度地抑制伪数据帧的出现，纠错机制保证在物理链路上发生误码时依然能正常工作，因此GFP具有十分高的可靠性。
映射过程是将封装后的以太网帧置于一个“容器”内，方便在链路上的传输。容器的主要用途是对齐信息。容器通常有着严格的格式定义，在预定位置进行开销监测和业务管理。一些容器也提供管理/信令通路以及链路质量监测功能。不同的技术对这些容器有不同的命名，PDH则包括DS1、E1、DS3和E3成帧架构。在大多数情况下，一个或多个低速率容器可以形成即映射为一个更高速率的容器。
当封装后的以太网帧在PDH上传输时，以太网帧之间的时间被一个空号填充。ITU-T G.8040标准中对DS3链路定义了四字节对齐的规则。当GFP封装帧在DS1或E1传输时，所传输的信息则按字节对齐，对齐方式要比DS3稍为复杂。
DS33x162支持目前流行的各种封装协议，包括GFP-F、LAPS、HDLC和cHDLC，支持G.8040 GFP over PDH映射协议。
链路聚合与调整：链路聚合是将两个或两个以上的物理链接整合成单个的虚链接的过程，主要用于增加两个网络节点之间的带宽，减缓向PDH或SDH支路的传输。它实际上是在多信号通道上分配数据的结构化方法，将从不同通道上接收的信息与不同的等待时间对齐，然后重新编译数据，移交给高层的协议。链路聚合并不是一门新技术。多链路帧中继(MLFR)、DSL绑定技术、ATM反向复用(IMA)以及多链路点对点(ML-PPP)协议等均是链路聚合技术。其中，IMA和MLFR的应用范围最广。但是在所有这些方案中，每一种协议都只有在特定的背景或者帧格式下才能发挥最大效益，作用单一。只有PDH线路绑定技术完美地解决了以太网的问题。
目前SONET/SDH网络所使用的主要链路聚合技术是ITU-T G.707标准中定义的虚级联(VCAT)。此标准利用现有开销通道作为VCAT开销。但是，当将VCAT的理念应用于PDH网络时，现有的管理通道就不够用了，需要给VCAT开销分配一个新的空间。在EoPDH中开销字节占据了每个已串联DS1超级扩展帧的第一个时隙。
由VCAT开销字节创建的管理通道将用于传送有关链接的信息。对于每个已传输的DS1超级扩展帧或E1复帧，每个链接将被附上一个VCAT开销字节。因此，DS1可用带宽中的1/576将被用于VCAT开销。
VCAT开销字节的低字节包括复帧标示符(MFI)，该标示符用于将传输延迟时间不同的帧对齐。高字节包含一个唯一的控制符(复帧指示符的16个值都有)。该高字节叫做VLI，包含虚级联和链路容量调整机制(LCAS)信息。
级联的链接亦被称之为虚级联组(VCG)，虚级联组的所有成员都有自己的VCAT开销通道。ITU-T G.7043标准规范中介绍了完整的EoPDH链路聚合规范。
LCAS在虚级联组的源和目的间提供一种适配功能，允许动态地改变带宽而不会导致业务丢失，即无损伤的改变线路容量的一种控制机制，用来增加或减少通信中采用虚级联构成的容器的容量大小。链路容量调整通过增加或删除两个节点间的逻辑链接来调整聚合吞吐量。当添加或删除虚级联组的成员时，两个端节点利用LCAS进行协商。LCAS利用VCAT开销通道执行协商功能。在LCAS的帮助下，虚级联组的带宽可以在不中断数据流的情况下得到增加。另外，有故障的链路将被自动删除，最大程度地降低对业务的影响。ITU-T G.7042/Y.1305中详细规定了LCAS的完整标准。
DS33x162具有对16条链路进行VCATLCAS汇聚的能力。
VLAN与优先级：VLAN转发主要用来分发或者汇聚数据流量，而优先级调度用来给等待在WAN发送队列中的数据设置优先级，这样的话当有空余带宽时就可以优先发送等级高的数据。优先级调度和优先级转发是不一样的，优先级转发主要用来把就有不同优先级的数据放置到不同的WAN物理连接上。无论是VLAN转发还是优先级调度和转发都由芯片的转发模式确定。需要注意的是优先级并没有为高优先级业务数据提供一个良好的通路。实际上，优先级和调度只是允许“更重要”的业务数据在缓冲节点位置处可以更早传送。良好的服务质量还应考虑到其他的因素。
DS33X162系列芯片支持VLAN 802.1p和DSCP的VLAN转发和优先级调度/转发。同时支持拥塞避免和拥塞管理功能，拥塞避免信息内置在CIR中，拥塞管理信息采用以太流量控制机制。
OAM：在电信级以太网中，运行、管理与维护(OAM)用来传递管理消息，比如两个网络节点之间的状态，报告故障并测试连通性。它可以减轻网络运行的负担、检验网络性能并降低运行成本。由于OAM会自动检测网络的性能下降或故障，所以OAM与用户所能得到的服务水平息息相关。
所传递的消息即称为OAM协议数据单元(OAMPDU)。业界已定义了16个不同用途的OAM协议数据单元。IEEE、ITU和MEF已共同规定了OAM协议数据单元的格式和用法。相关标准包括IEEE 802.3ah和802.3ag，以及ITU-T Y.1731和Y.1730。
无论是从WAN端口还是LAN端口，DS33X162系列芯片都可以利用主处理器插入和提取帧，处理器可以利用这种方式来管理OAM和以太网业务。为此设置的四个用户可读取FIFO在空(插入FIFO)或者有帧(提取FIFO)时都会送出中断。芯片可以捕获或插入的最大帧为2048byte。
对于QoS和OAM帧提取DS33X162共支持六种帧格式，但是用户并不需要制定或配置某种以太帧格式，因为通常LAN数据同时会包含有多种不同的以太格式。
组网实例
EoPDH嵌入式系统通常应该包含以下三部分：以太网接口部分、协议转换部分、PDH接口部分，如图2所示。其中以太网接口部分用于接收以太网数据，并对本地网络进行流量控制；协议转换部分负责帧结构转换，同时协调三部分的运作；PDH接口部分则实现PDH网络数据的上下路。
图2中DS33X162作为核心芯片主要完成反向复用器(inverse mux)的功能，它容许一条数据码流被分成多个低速率的传输链路。它和解复用(demultiplexer)有明显的不同，IMUX中每条低速链路都相互关联；它们共同承载同一数据；而解复用器的输出码流可以是完全独立的，解复用器不用理会它们之间是否相关。
外部控制器DS80C320发出指令来建立或拆除IMUX功能，这个过程也是VCAT/LCAS的建立过程。DS80C320还可以删除有问题或者没有业务的链路。一旦对发送VCAT的配置进行了修改，需要对VCAT.TCR1.TLOAD寄存器置1，这样就可以重新载入更新后的配置。
采用这样的系统有很多的优点：DS33X162芯片支持最新的GFP、HDLC、LAPS以及cHDLC封装，可以通过VLAN或者对物理端口设定转发原则，对于VCAT/LCAS链路汇聚，各路信号之间最大容许200ms的延时；在16个E1/T1或者8个DS3上传输以太信号时，具有QoS和以太OAM功能；最主要的是整个系统由硬件实现协议封装，无需MCU参与数据通路上的处理，因此无需相关代码的开发，降低了开发难度；通过片内的承诺信息速率控制器可以控制用户的带宽使用。
相较于ASIC的方案，目前有很多厂家采用FPGA实现协议处理过程。通过FPGA实现EoPDH功能最大的优势在于时效性，但是一旦在标准确定后，FPGA的这种优势便不复存在。对于VCAT、LCAS等相对比较复杂的协议，需要经过数年现场测试才会获得一个真正可靠的设计定型。此外，虚级联等设计会因为级联数目、不同相位的有效载荷等因素产生庞大数目的测试场景。考虑到FPGA
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