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摘要 介绍支持数据业务的下一代同步数字体系(SDH)所用关键技术(通用成帧规程(GFP)、虚级联(VC)和链路容量调整方案(LCAS))的主要技术特点，比较了使用VC技术前后的带宽利用率；重点阐述LCAS帧结构各字节的含义及其表示方法，介绍LCAS的实现方式和链路容量调整的详细过程；最后分析LCAS技术在自动交换光网络(A-SON)中的作用及商用实例。LCAS与VC、GFP结合，能使新一代SDH网络更好地支持二层交换业务，全面适应数据业务的需求，在现有传输网上实现ASON的某些功能，逐渐过渡到智能光网络。
关键词 同步数字体系 同步光网络/同步数字体系上的数据传输 通用成帧规程 虚级联链路容量调整方案 自动交换光网络
0、引言
在当今城域网内，呈现出流量和业务快速增长而又很难预测的现象，这给规划和建设网络带来很大困难，最好的解决方法是使网络具有支持多业务、多协议和智能化的特点，从现在的传统网络结构向语音与数据网络融合的方向发展。在这种情况下，产生了两种综合传送平台方案，一种是以数据为中心向以太网升级的方案，它具有低成本、应用广泛和容易使用的优势，但同时存在明显的缺陷，即有限的服务质量(QoS)保证，为此IEEE802.17定义了弹性分组环(RPR)标准，目的是在提供综合业务传送平台的同时，提高包交换网络的可靠性，利用环网的概念提供保护，达到同步数字体系(SDH)50ms的保护水平[1]；另一种是以传统SDH技术为中心向下一代SDH升级的方案，实现各种类型的数据在同步光网络(SONET)/SDH上灵活可靠地传输(DoS--Data over SONET/SDH)[2]。DoS是一种传输机制，它使各种数据接口(如以太网、光纤通道、企业系统连接体系结构/光纤连接(FICON)通道等)能高效地接入SONET/SDH，尤其是支持现在广泛用于广域网(WAN)的吉比特以太网。DoS的实现主要基于3种关键技术：通用成帧规程(GFP----generic framing procedure)、虚级联(VC----virtual concatenation)和链路容量调整方案(LCAS----link capacity adjustment scheme)。
1、通用成帧规程(GFP)
在SDH上传输数据包一般采用PoS(packet-over-SDH)协议，原有以点对点协议(PPP)为基础的PoS技术已不符合应用要求，因为PoS仅把数据包或帧用PPP、帧中继(FR)或高级数据链路控制(HDLC)协议封装，再映射到SDH中。PoS不能区别不同的数据包流，因此也不能对每个流的流量工程、保护和带宽进行管理，不能提供许多用户需要的1Mbit/s-10Mbit/s以太网带宽颗粒，它实际上是靠高层的路由器等设备来实现流量工程和业务生成功能。因此，在SDH上采用新的封装格式GFP传送数据包，是下一代SDH的发展重点。
ITU-T把GFP定义为G.7041，GFP具有数据头纠错和把通道标识符用于端口复用(把多个物理端口复用成一个网络通道)的功能[3]。最重要的一点是GFP可支持成帧映射(frame-mapped)和透明传送(transparent-mapped)两种工作方式，这样便可支持更多应用。成帧映射方式是把已成帧用户端数据信号的帧封装进GFP帧中，以子速率级别支持速率调整和复用。透明传送方式则完全不同，它接收原数字信号，只在SDH的帧内用低开销和低时延数字封装的方式来实现。从原理上讲，GFP可封装任何协议数据，保证简单的协议在光层上融合，并保证灵活性和更细的带宽颗粒。
2001年11月，ITU-TG.7042通过了VC和LCAS，它们都是下一代SDH中的关键技术，尤其是支持GFP时[4]。在传送网中，VC和LCAS提供一种更灵活的通道容量组织方式，以更好地满足数据业务的传输特点，把任意带宽的以太网数据流映射到任意数量的VCl2或VC3通道中，最大程度地减少带宽浪费。VC和LCAS一起创造可微调的SDH容量，以适应数据业务的QoS和服务等级协议(SLA)需求。VC还允许新的更有效的共享保护机制，把流量分成不同部分，然后通过不同路径发送。在网络正常工作情况下，不需要配置额外的保护通道，例如当其中一条路由出现故障时，LCAS可以把出现故障的VC4通道从虚级联组(VCG)中自动删除，此时VCG的带宽会减少，但可确保链路故障时业务不中断。LCAS技术的复杂性在于，VC把不同的VC/同步传输模块(STM)连接起来运送载荷，而在VCG中，不同的VC/STM将走不同路径，在接收端会产生不同时延，因此必须具备能纠正这种偏差的功能。另外，LCAS为双向信令协议，能保证网管系统中改变通道带宽的命令不影响用户流量。
2、虚级联(VC)技术
虚级联(VC)是指用来组成SDH通道的多个虚容器VC-n之间并没有实质的级联关系，它们在网络中被分别处理并独立传送，只是因为它们所传的数据具有级联关系。这种数据的级联关系在数据进入容器之前即做好标签，待各个VC-n的数据到达目的终端后，再按原定的级联关系重新组合。SDH级联传送要求每个SDH网元都具有级联处理功能，而虚级联传送只要求终端设备具有相应功能即可，因此易于实现[5]。
利用VC技术可把一个完整的用户带宽分割开，映射到多个独立的VC-n中传输，然后由目的终端把这些VC-n重新组合成完整的用户带宽。这样做对网络影响小，能合理地分配各种业务带宽，提高网络带宽利用率。例如，用户要传输1Gbit/s的以太网数据，由于传统SDH的速率等级固定，所以要用16个VC4即一个2.5Gbit/s(16×150Mbit/s=2.4Gbit/s)的信道来传输1Gbit/s数据，带宽利用率仅为42%；若使用VC技术，则可把7个VC4级联起来(共1.05Gbit/s)传输1Gbit/s数据，带宽利用率高达95%。
3、链路容量调整方案(LCAS)帧结构
作为基于SDH的协议，链路容量调整方案(LCAS)也是通过定义SDH帧结构中的空闲开销字节来实现的。对于高阶VC和低阶VC[6]，LCAS分别利用VC4通道开销的H4字节和VCl2通道开销的K4字节。
LCAS技术是建立在VC基础上的，与VC相同的是，它们的信息都定义在同样的开销字节中；与VC不同的是，LCAS是一个双向握手协议。在传送净荷前，发送端和接收端通过交换控制信息，保持双方动作一致。显然，LCAS需要定义更多开销来完成其较复杂的控制[7]。
表l介绍LCAS帧结构各字节的含义。
如表1所示，LCAS除了定义MFI和SQ之外，还定义了CTRL、GID、CRC、MST和RS-Ack等5个字段。
a)MFI：是一个帧计数器，某一帧的MFI值总是上一帧的值加1。对于像SDH这样的同步系统，每帧所占的时隙都相同。MFI标识了帧序列的先后顺序，即标识了时间的先后顺序。接收端通过MFI之间值的差别，判断从不同路径传来的帧之间时延差多少，计算出时延后，就可把不同时延的帧再次同步。高阶VC和低阶VC可容忍的最大时延差均为±256ms。
b)SQ：与VC定义相同。
c)CTRL：主要有两个作用，一是表示当前成员的状态，例如，最后一个成员的控制字段为EOS(0011)，空闲的成员控制字段为IDLE(0101)；二是通过ADD(0001)和DNU(1111)表明当前成员需加入或移出VCG，用FIXED(0000)和NORM(0010)表示不支持LCAS和正常传送状态。
d)GID：是一个伪随机数，同一组中的所有成员都拥有相同的GID，这样就可标识来自同一发送端的成员。
e)CRC：对整个控制包进行校验。
f)MST：标识组中每个成员的状态。OK=O，FAIL=1。
g)重排序确认位(RS-Ack)：容量调整后，接收端通过把RS-Ack取反来表示调整过程结束。
4、链路容量调整过程
LCAS的最大优点是具有动态调整链路容量的功能[8]。作为一个双向握手协议，当某一端向对端传输数据时若增加或删除成员，对端也要在反方向重复这些动作，发给源端，其中对端的相应动作不必与源端同步。调整分为增加或减少成员，需要调整VCG中成员的序列号，其中控制域EOS是指VCG序列号的最后一个。下面介绍不同情况下的调整方法：
a)带宽减少，暂时删除成员。当VC成员失效时，VCG链路的末端节点首先检测出故障，并向首端节点发送成员失效的消息，指出失效成员；首端节点把该成员的控制字段设置为“不可用(DNU)”，发往末端节点；末端节点把仍能正常传送的VC重组VCG(即把失效的VC从VCG中暂时删除)，此时首端节点也把失效的VC从VCG中暂时删除，仅采用正常的VC发送数据；然后，首端节点把动作信息上报给网管系统。
b)业务量增大，新加入成员。当VC成员恢复时，VCG链路的末端节点首先检测出失效VC已恢复，向首端节点发送成员恢复消息；首端节点把该成员的控制字段设置为“正常(NORM)”，并发往末端节点；首端节点把恢复正常的VC重新纳入VCG，末端节点也把恢复正常的VC纳入VCG；最后，首端节点把动作信息上报给网管系统。
如前所述，LCAS是对VC技术的有效补充，可根据业务流量模式提供动态灵活的带宽分配和保护机制。按需带宽分配(BOD)业务是未来智能光网络的杀手级应用，LCAS实现VC带宽动态调整，为实现端到端的带宽智能化分配提供了有效的手段。在突发性数据业务增多的应用环境下，VC和LCAS是衡量带宽是否有效利用的重要指标。
5、LCAS技术的实现
LCAS是对SDH能力的一项重要改进，它能让SDH网络更加健壮灵活。LCAS是建立在VC基础上、连续运行在两端点节点之间的信令协议，运营商可动态调整通道容量，当VCG中部分成员失效时，它剔除这些成员，保证正常成员继续顺利传输。当失效的成员被修复时，它能自动恢复VCG的带宽，这一过程远快于手动配置，从而加强对业务的保护能力。另外，实际使用中，某些企业对网络带宽的需求因时段不同而有差异，例如上班时仅需1Ombit/s带宽就足以完成日常工作，但在下班之前半小时，则需100Mbit/s带宽才能完成当天数据的备份。以往，这些企业为了保证数据备份顺利进行，不得不租用100Mbit/s带宽，造成巨大浪费。这一普遍现象使光网络智能化和自动化的需求日趋紧迫，但是以自动交换光网络(ASON)技术为核心的下一代智能光网络技术尚需一段时间才能成熟，作为ASON自动调整带宽的基础协议之一，LCAS技术能在一定程度上满足上述需求。
LCAS技术的实现一般分两步走。首先在核心网没有实现控制平面时，可由网管手工解决动态调整通道容量的问题[9]；随着用户？网络接口(UNI)标准的不断完善，在不中断业务的前提下动态调整带宽，满足用户需求。当带宽需求增加时，保证链路的容量；当带宽需求减少时，多余的带宽可挪作他用。这样，既可节省企业开支，又可提高运营商的服务质量。
ASON的智能网元通过信令协议处理，采取网络拓扑结构自动识别或自动邻接发现等机制，迅捷地建立连接通道，为业务层网络快速建立承载通路，并根据实际需要，随时释放和拆除已建立的通道，或倒换到新的连接通道。同时，LCAS提供的不损伤业务容量调整机制也给ASON线路保护/恢复提供了新的途径，利用ASON中基于网状网(mesh)保护/恢复算法的扩展这一特性，自动解决部分线路的故障，提供新的Qos保证。ASON中链路容量调整的发起，可以由用户的带宽请求触发，也可以由网络中的流量监督自动进行。前者应用于快速专线业务，后者运用于数据网接入业务。总之，ASON将使原来基于人工操作的静态网络，升级为交换式的可直接租赁带宽和直接营利的智能光网络。
6、结束语
LCAS与VC、GFP结合，使新一代SDH网络能更好地支持二层交换业务，全面适应数据业务的需求，而且具有灵活的带宽、自动选路和指配功能，从而提高带宽利用率，并把核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，快速响应业务层的带宽实时需求，为带宽出租、光虚拟专网(OVPN)和SLA等业务运营提供支撑。如前所述，LCAS技术的实现是利用通道开销中的某些字节，电信运营商无须大规模投资，只要在链路两端的SDH设备中加入支持LCAS功能的机盘，就可低成本完成升级工作，在现有设备基础上获得最大收益。LCAS技术在国内已逐步走向商用，烽火通信公司的Metro FONST系列城域网设备能支持包括LCAS在内的多种新技术标准；朗讯科技公司为上海轨道交通构建多业务通信传输平台，其TransLAN技术也采用了LCAS。以上各种应用的LCAS进程无须网管系统干预，但LCAS不能自动发起业务容量请求，即VCG的初始带宽仍需网管系统指定，这在一定程度上降低了LCAS的智能化程度。如果结合ASON控制平面的流量监控功能，对VCG的总带宽任意指配，就能真正实现智能传输网。
参考文献
1 许志海，刘伟平，黄红斌，等实现下一代SONET/SDH 业务关键技术．电信科学，2003，19(4)：21？24
2 ITU-T Rec G.707.Network Node Interface for the Synchronous Digital Hierarch 2000
3 ITU-T Rec G.7041.Generic Framing Procedure(GFP).2001
4 Cavendish D, Murakami K, Yun s H, etal.New Transport Services for Next Generation SDH/SONET Systems.IEEE Communications Magazine，2002，40(5)80？87
5 陈铁.相邻级联和虚级联技术.华为技术报，2003-07-20
6 ITU-T Rec G.7042 Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS) for Virtual Concatenation 2001
7 韩翼.LCAS技术.烽火通信科技股份有限公司，2003
8 刘妍.LCAS链路容量调整方案.华为技术报，2003-09-10
9 张春蕾.金耀辉，胡卫生.ASON技术及其发展趋势.电信技术，2003，(9)：22？28
