VT/TU交換對邊緣網影響的分析

城域網核心服務以及接入傳輸服務基于靜態(tài)設置的固定帶寬容器，這些容器位于STS-N層或VT-N層(由SONET定義)，以及AU-N層或TU-N層(由SDH定義)。
在城域網核心和接入網絡中部署的設備是基于能夠在容量為51.84Mbit/s(STS-1)或155.52Mbit/s (AU-4)的最小容器中交叉連接用戶服務的架構。然而，服務提供商所提供的能夠創(chuàng)造收入的業(yè)務則基于速率較低的 T1、E1以及新興的10/100M以太網服務，這些服務通常無法高效映射到更大的SONET/SDH容器中。
利用基于SONET的VT1.5 (1.728Mbit/s)容器或者基于SDH的TU-12(2.304Mbit/s)容器(見表1)能夠實現集合與交叉連接，借此高效管理T1(1.544 Mbit/s)、E1(2.048 Mbit/s)或者10/100M以太網服務。這些速率較低的容器最初用來使基于PDH的業(yè)務映射至SONET/SDH網絡。除此之外，STS/AU和VT/TU級出現的技術(比如虛擬級聯(lián)和LCAS)可以實現靈活的帶寬管理，進而通過這些固定凈荷容器機制實現高效的10/100M以太網服務。
盡管VT和TU自從SONET/SDH問世以來便已定義，然而，在整個網絡提供VT/TU支持，以確保高效映射、交叉連接并集合低速服務是不切實際的，而且成本極其高昂。最近的技術進步有助于緩解網絡級、網元級和硅晶片級的高容量VT/TU交叉連接所面臨的重重困難，但無法徹底克服這些困難。 本文從網絡級展開，旨在深入分析VT/TU交換對所有三個層級的影響。

網絡級問題
在網絡級實現VT/TU級交叉連接，可能導致帶寬管理以及自動保護交換和Transmux功能出現問題。在設計時，讓系統(tǒng)有效地解決這些問題需要花費極高的成本，因此服務提供商必須了解每一步，簡單的升級不能完全解決問題。
在整個城域網中的分插多路復用器(ADM)內實現VT/TU級合并以及交叉連接支持是很困難的。網元無法以較低的成本、功耗和較小的占位面積切實可行地支持大容量VT/TU交叉連接。系統(tǒng)級功能(比如帶寬設置以及報警監(jiān)控等)也很難在VT/TU級操作、并在未集中分布的網絡中進行管理。 
到目前為止，城域網主要采用ADM，借助點對點及環(huán)形架構予以實現，能夠疏導至STS/AU級。很大一部分VT/TU級交叉連接出現在數字交叉連接系統(tǒng)(DCS)中，此類系統(tǒng)集中分布在城域網核心。 
對于傳統(tǒng)的網絡拓撲學而言，在特定的城域網中，希望在兩個站點之間連接，T1線路的客戶需要在每個站點都設置獨立的T1線路，每個站點都要求回連至城域網外部的DCS，以便完成服務連接。在接入環(huán)狀網專用于支持回程連接的應用中，這樣做可能導致帶寬陷入困境而無法使用。 
除此之外，還必須考慮更加精細的帶寬管理。支持大量分布式網絡元素所必需的軟件復雜程度和功能都有所增加。在集中式DCS中，帶寬設置、測試接入以及告警監(jiān)控比大量分布式網元中的相應過程易于管理。 
盡管如此，隨著運營商要求更多VT/TU級支持那些靠近城域網接入的網元，新興的發(fā)展趨勢則是分布式解決方案。
更高容量的VT/TU交叉連接的額外激勵因素便是支持Transmux的需求。Transmux是一種完成基于PDH的低速支路(通過不同映射從網絡的每一端進入網絡的T1)連接過程。
例如，在一端，T1通過M13 多路復用器被多路復用至DS3，然后被映射至STS-1。在其他端，T1被直接映射至VT1.5，然后通過純粹的SONET網元被映射至STS-1。為了實現互連，這兩種信號必須在同一點分離為原始的T1格式。

APS要求
除了需要Transmux功能之外，運營商還需要在VT/TU層實現分布式自動保護交換(APS)，以便保持99.999%的可靠性。APS適用于VT/TU層，由單向路徑切換環(huán)(UPSR)定義，在SONET標準的Telcordia GR-1400-Core和子網連接保護(SNCP)、以及SDH標準的ITU-T G.841和 ETSI TS 101 009中均有所描述。深入評論APS架構已超出文本的范疇，但有必要重點指出同VT/TU處理相關的若干關鍵問題。
APS可以提供一種機制，幫助系統(tǒng)從網元(設備保護)的故障中自動恢復。APS能夠應用于更高的STS/AU層或者更低的VT/TU層，具體視所采用的標準以及網絡類型而定。
目前，大部分ADM都可以在STS/AU層支持UPSR或者SNCP，通過軟件提供實施APS切換所必需的大部分算法。硬件具備故障檢測功能，并且支持最終的切換事件，軟件實際上是用于讀取檢測到的故障、解釋信息和生成經過修改的交叉連接狀態(tài)，然后將新的配置寫入硬件。這是一種軟件和處理器密集型的解決方案。
對于低容量VT/TU交叉連接而言，上文所述的傳統(tǒng)APS方法通常都是可以管理的。然而，隨著服務提供商向容量更高的VT/TU交叉連接演進，在這些標準設定的性能范圍內應用傳統(tǒng)的APS模式開始變得不合時宜。
盡管設備保護不存在任何時間限制，但網絡標準為設施的保護規(guī)定了50ms的時間限制。網絡必須在這一時間框架內檢測并重新配置所有連接。 

沖破50ms的桎梏
對于那些在STS/AU層監(jiān)控信號的低速光纖鏈路(OC-3/STM-1以及OC-12/STM-4)而言，基于軟件的APS解決方案可以通過經濟、高效的硬件予以實現。隨著城域網中的高速光纖信號(OC-48/STM-16以及OC-192/STM-64)不斷激增，以軟件為中心的APS解決方案需要功能更為強大的控制面板解決方案。
例如，支持OC-12上行鏈路信號的網元可以為該鏈路處理12路STS-1，在此，每路STS-1必須作為完全不同的獨立實體受到監(jiān)控和操控。標準規(guī)定，如果光纖被切斷，所有受保護的鏈路必須在50ms內恢復正常，因此每個適用的STS-1都必須實現廣泛的性能監(jiān)控。  
在支持分布式VT/TU交叉連接網絡時，問題進一步復雜化。每路低階支路都必須獨立受到監(jiān)控。每個VT/TU實體所必需的處理能力類似于每個STS或AU實體所需的能力，然而，所處理的獨立實體的數量同 STS/AU層相比增加不少。
在以往的OC-192實例中，5376路獨立的VT可以在50ms內在APS事件中實現監(jiān)控和交叉連接。除此之外，如果ADM支持OC-48和OC-192這兩種信號的環(huán)通，所處理的VT和TU的集合容量便會增長到無法管理的水平。這就需要新技術分擔那些在STS/AU或VT/TU層支持APS的高容量網元中軟件和控制單元的負荷。

網元級問題
在設計新一代ADM以便在VT/TU層支持集合與交叉連接時，OEM廠商面臨著眾多挑戰(zhàn)。本文主要論述四種挑戰(zhàn)：1. 集中式而非服務器卡設計；2. VT/TU指針處理器的位置；3. 高階成幀器受到的影響；4. 支持虛擬級聯(lián)對10/100M以太網的影響。
目前的城域接入以及核心ADM僅支持STS/AU層的交叉連接，運營商對于更換整套網元并不感興趣。為了滿足分布式VT/TU支持的新型需求，OEM廠商必須在無需升級機架的情況下實施解決方案。存在著兩種選擇: 一是利用新的交叉連接卡更換現有的中央STS/AU 交叉連接卡，前者可以同時在STS/AU層和VT/TU層支持整理疏導功能；二是保持現有STS/AU交叉連接卡的完整，并在平臺中添加VT/TU服務器卡。在這兩種情況中，目標都是在支持VT和TU交叉連接的同時保持相同的總STS/AU交叉連接容量。在選擇一中，添加VT/TU支持可以大大增加芯片數量、動力和板卡空間。選擇二更為理想化，機架中未被使用的插槽或者以前并未使用的插槽可以分配至VT/TU交叉連接服務器卡。在這種情況下，任何包含低階VT/TU業(yè)務的高階STS/AU業(yè)務都被以STS/AU梯度選擇性地導入新的服務器卡，VT和TU根據需求實現交叉連接，然后它們被發(fā)送回高階交叉連接。
這種新增的VT/TU交叉連接功能具有非常低廉的成本。插槽必需為新型VT/TU交叉連接服務器卡提供空間，現有STS/AU交叉連接的帶寬(10%~25%)必須專用于這種新卡。例如，目前投入使用的容量為160 G STS/AU的ADM可以通過底板向新型“單臂” VT/TU疏導卡分配16 G~40 G的帶寬。

指向正確位置
在向平臺提供VT/TU交叉連接支持的過程中，下一個挑戰(zhàn)便是低階指針處理器的位置。SONET/SDH標準的核心前提是為同步框架定義一種機制，例如T1和E1。
對于包含VT或TU的業(yè)務而言，在連接平臺交叉連接卡之前，低階指針處理是強制性要求。在STS和AU通過網絡時，指針可以單獨調整每個容器的位置。當所有容器在同一交叉連接點會聚時，它們無法正確定位。
為了成功實現連接，承載VT和TU的所有容器必須通過系統(tǒng)的重新定位容器的低階指針處理器。在平臺中定位低階指針處理存在兩種選擇：在線路卡中或者在交叉連接卡中。
可用的功率和空間以及原有架構受到的影響可用來確定低階指針處理器的位置。無需重新設計現有板卡以支持新的低階指針處理器。該方案可以支持VT/TU交叉連接的特定容量，比如10Gbit~50Gbit。
當VT/TU交叉連接的容量超過10Gbit~50Gbit的范圍時，每塊板卡的動力預算可以命令低階指針處理器分配至線路卡。這樣做能夠在眾多板卡中緩沖動力的增加。為了在線路卡或者交叉連接卡中靈活分配低階指針處理器，指針處理器必須支持串行鏈路，而不是并行總線。

評估其它組件受到的影響
能夠在VT/TU層實現疏導功能的平臺基于低階指針處理器，能夠處理容量為STS-12的業(yè)務，相應的低容量交叉連接共置于一塊板卡。在這一集成級別，功耗預算可以得到滿足，而且芯片間的距離很短，使得并行總線足以將低階指針處理器連接至VT/TU交叉連接。隨著工藝技術不斷進步以及容量更高的指針處理器和VT/TU交叉連接不斷涌現，集成高速串行鏈路的需求顯得越來越重要。
當在新型平臺和現有平臺增加VT/TU輸入功能時，必須全面評估SONET/SDH成幀器和STS/AU交叉連接所受到的影響。在更換核心STS/AU交叉連接以支持STS/AU/VT/TU容器的系統(tǒng)中，新型低階處理器和VT/TU交叉連接如何連接成幀器呢？此外，如果實施單臂交叉連接，在連接新的低階指針處理器時，現有STS/AU交叉連接會受到什么影響？ 
對于這兩種情況而言，在現有系統(tǒng)中，所有線路卡和STS/AU交叉連接之間的同步都是全面和封閉的。在任何點打開架構以支持VT/TU都需要對所有受影響的業(yè)務提供時延補償。由于VT/TU疏導可以增加有限的處理時間，所以必須在原有的線路或STS/AU交叉連接卡上提供時延管理功能。這種時延管理也可以通過重新調整VT/TU整理業(yè)務在VT/TU交叉連接卡上予以實現，因此，線路卡或者STS/AU交叉連接卡具備零時延。這種時延補償可以在業(yè)務出現后在VT/TU交叉連接卡實現，也可以在進入VT/TU交叉連接之前通過預先處理業(yè)務來實現。
虛擬級聯(lián)以及LCAS依賴若干VT或TU容器在眾多低速支路中平均分配10Mbit/s或100Mbit/s的以太網信號。例如，單個10Mbit/s的以太網信號可以通過7個VT1.5容器進行分配，每個VT容器可以通過與其他6路 VT無關的網絡實現交叉連接。所有VT被重新排序，然后在接收端合并，重新形成最初的10Mbit/s的以太網信號。 
為了管理VT和TU，操作人員必須確保所有連接能夠通過靜態(tài)方式正確地設置，正如映射至VT或TU以及以太網的業(yè)務一樣。然而，在點對點EoS連接中，所有虛擬級聯(lián)和LCAS機制都可以在位于終端多路復用器(TM)的EoS映射器中進行管理。因此，升級平臺以便在提供10/100M EoS服務的網絡中支持VT/TU 交叉連接的時候，網元設計人員無需考慮過多問題。

硅晶片級問題
目前部署的網元基于VLSI芯片技術設計而成，采用0.25mm工藝或者更先進的工藝。此類技術能夠以可接受的功耗和板卡空間提供經濟高效的解決方案，有效支持容量為5 Gbit的VT/TU交叉連接。
DCS廠商被迫提高VT/TU交叉連接芯片的處理能力，以便打造帶寬為10 Gbit~160 Gbit 的系統(tǒng)，這一過程可以在大型專用機架中完成。大容量VT/TU交叉連接需要較大的占位面積，并且需要消耗巨大的能量，這使得它們無法集成到傳統(tǒng)的ADM架構之中。最終結果便是網絡中的集中式VT/TU交叉連接架構以及回程需求的產生。
隨著新工藝技術不斷面世，比如0.18mm和0.13mm工藝，設計人員開始有能力突破電源功耗和板卡空間的屏障。然而，當設計人員利用這些新型工藝技術在分布式網絡架構中構建高密度VT/TU交叉連接時，就會遇到新的挑戰(zhàn)。
將交叉連接架構從單一的STS/AU支持過渡至STS/AU/VT/TU支持，需要更多能耗、更多芯片以及更多板卡空間，以保持固定的總交叉連接容量。在每個獨立的STS或AU中實現配置和交叉連接所必需的片上處理資源(即晶體管)的復雜程序與監(jiān)控每個獨立的VT或TU所必需的資源類似。
在定義SONET和SDH時，本質內容是給定帶寬中的VT和TU多于STS和AU。例如，在160 Gbit僅支持STS的交叉連接中，芯片內外存在著64條獨立的2.5 Gbit串行鏈路。這會轉化為3072路不同的STS-1，在特定的芯片區(qū)域進行配置和實現交叉連接。
可以充分利用時間片(Time Sliced)架構在經濟高效的低功耗解決方案內支持所有3072路STS-1連接，但是僅具備有限數量的晶體管來支持串行鏈路處理過程以及交叉連接管理過程。

達到上限
受到現有工藝的限制，STS/AU交叉連接的容量存在一個上限。如果160 Gbit的交叉連接經過擴充能夠支持VT1.5的交叉連接，用于配置和交叉連接的實體將從3072增長到86016(3072 STS-1，每路包含28路VT1.5)。
制造技術目前仍無法在單個芯片上提供必需的晶體管數量，所以無法在保持相同STS/AU交叉連接的同時支持巨幅增長。也就是說，VT/TU交叉連接的集合容量大大低于STS/AU交叉連接。因此，利用等同于僅支持STS/AU的交叉連接的集合容量建立STS/AU/VT/TU交叉連接，需要多塊芯片的多級架構。隨著架構向多級演進，總芯片數量和功耗將以幾何數量級增長。
在利用新的工藝技術制造更高密度的低階指針處理器時，將面臨類似的設計困難。例如，OC-192 SONET幀的高階指針處理器芯片可以處理192個獨立的STS-1容器。如果同一信號在STS-1內包含VT，芯片必須為5376個獨立的實體(VT1.5)提供額外的低階處理能力、凈荷調整能力以及支路監(jiān)控能力。不僅晶體管的總數隨實體數量的增長而大幅增長，每個實體內的晶體管數量也在增長，因為需要更多晶體管幫助軟件管理此類增長效應所產生的影響。例如，額外的晶體管必須分擔APS的軟件負荷，以支持高密度VT/TU交叉連接。
在設計芯片以支持VT/TU交叉連接時，另外一個需要考慮的問題便是能否集成交叉連接和低階指針處理器。VLSI技術的進步可以支持更高密度的交叉連接和低階指針處理器。理所當然的進步便是集成低階指針處理器和交叉連接功能。 
在0.13mm工藝技術中，如果考慮支持自動保護交換所必需的額外邏輯，集成式解決方案的容量上限在2.5Gbit~5 Gbit之間。因此，設計人員必須在所需的集合VT/TU交叉連接容量與指針處理器所需的集成級別之間實現折衷?！?BR>