Chapter 2 Metro Technologies

都會網路技術 Ethernet over SONET/SDH（EOS） Resillent Packet Ring（RPR） Ethernet Transport

Ethernet over SONET/SDH 虛擬連結的角色 鏈結容量調整方案（Link Capacity Adjustment Scheme） EOS用來做為傳送服務 EOS在存取時使用封包多工 集中式交換 區域交換 在資料設備裡的EOS介面

Ethernet over SONET/SDH 這是一種以同步傳輸模式為架構的網路，由美國訂定的傳輸標準，之後為了適用於美國以外地區，又訂出同步數位階層 (SDH ) ，除了用於光纖網路之外，其實也適用於其他以同步傳輸為標準的傳輸方式，目前許多國家的骨幹 (Backbone) 網路都採用SONET/SDH的光纖網路。 不過由於SONET/SDH受限於技術及先天上限制，無法如非同步傳輸模式 (ATM ) 那般，可以具有較大的設備擴充性以及網路建構彈性，所以這些骨幹網路上的光纖，將會改採用ATM網路方式傳輸。

SONET與SDH之比較 基本訊號 傳輸速率（Mbps） SONET STS-1 51 SDH STM-1 155

SONET SDH 傳輸速率 STS-1 STM-0 51.84 STS-3 STM-1 155.52 STS-9 STM-3 466.56 622.18 STS-18 STM-6 933.12 STS-24 STM-8 1244.16 STS-36 STM-12 1866.24 STS-48 STM-16 2488.32

訊號 訊號是由連續的FRAMES組成 Frame的組成 TOH（Transport Overhead，標頭），網路傳送訊號時管理用 。 SOH（section overhead），再生器間的管理位元組 。 LOH（line overhead），線路終端設備間的管理位元組 payload（資料內容）

SONET/SDH架構 The regenerator section, or section layer The multiplex section, or line layer The path layer

Helpful SONET/SDH Equivalency STS-1 VC-3 STM-0 STS-3c VC-4 STM-1 VT-6 VC-2 VT-3 VT-2 VC-12 VT-1.5 VC-11 STS-12c VC-4-4c STM-4 STS-48c VC-4-16c STM-16 STS-192c VC-4-64c STM-64 STS-768c VC-4-256c STM-256

EOS的好處： 它不但引進了乙太網路的服務也保留了所有SONET架構的屬性。 例如SONET的快速復原、鏈結品質的監控，和使用現有的SONET OAM&P的網路管理。 在EOS上，完整的乙太網路框架仍然被保留，並且在網路入口處被封裝在SONET payload裡，而在出口處被移除封裝。

乙太網路框架在SONET/SDH上傳送情況 SONET Payload EOS Frame Ethernet Frame 經由入口處終端系統的EOS 功能來將整個乙太網路框架封裝在一個EOS 標頭裡。 乙太網路框架然後被映射到SONET/SDH的SPE上， 在SONET/SDH 環上被傳送。 然後乙太網路框架在出口處的EOS功能被解開封裝。

Ethernet over SONET/SDH 兩種標準化傳送乙太網路 框架的方法︰ LAPS：使用一種類似於HDLC的訊框結構，用來承載IP或Ethernet 訊框，它可以提供點對點全雙工運作。 GFP：基於突破現有技術的限制，GFP是為了適應各種不同高階層用戶端協定而發展出的映射技術。GFP除了適應乙太網路框架格式外，還可以適應其他格式例如PPP、光纖通道、光纖連結(FICON)，以及企業系統連結(ESCON) 。

Ethernet over SONET/SDH EOS的功能可以存在於SONET/SDH的設備裡或是封包交換器裡。 EOS功能是在ADM裡面 （圖2-2） EOS功能安置在交換器裡面 （圖2-3） 結合封包交換、ADM與EOS功能在相同設備上（圖2-4） 第三種雖然最具有設備上的效率，但也面臨了封包與傳送之間嚴格的作業輪廓挑戰。

Ethernet over SONET/SDH 所謂ADM 一個安裝在傳輸線路中間的裝置。 它可以讓新的訊號進來也可以讓舊的信號離開。 ADM可以用光纖或電子信號來做。 它可能只能處理波長，或做波長與電子TDM訊號間的轉換。

動態頻寬配置技術 Virtual Concatenation (VCat) ：VCat可被使用在當訊務無法有效率地填充入標準的虛擬容器(Virtual Container-n; VC-n)時，串聯多個VC-n成為VC-n-xv以提供大小適當的傳輸頻寬。 Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS) ：LCAS是利用內嵌於SONET/SDH訊框的信令機制在傳送、接收兩端點間交換訊息，以達到即時調整傳輸頻寬的目的。

虛擬連結的角色 目的：降低TDM在SONET/SDH環上頻寬的低效率 。 有了VCAT，很多小水管被連結在一起並組裝成一個較大的水管，使每秒鐘可以攜帶更多的資料。 虛擬連結在SONET/SDH（L1）完成，也就是說不同的個別線路被綁起來，對於較高的網路層來說就像一條實體管線一般。

TDM 所謂分時多工（ Time-Division Multiplexing , TDM ）主要用於通訊系統頻寬高過數據傳送速度時。TDM用同一條通訊線路輪流傳送數個數位信號，讓每個信號各得一小段傳訊時間。當數個慢速設備須與一個遠程設備通訊時，使用此法可讓用戶分享用同一條通訊線路，而提高經濟效益。

虛擬連結與標準連結之頻寬效率比較 假設頻寬需求為300Mbps（如圖2-5所示） 標準連結 虛擬連結 採用多個DS3（45Mbps）介面 增加成本，且因封包頻寬共享的技術並不保證能有完整的頻寬。 採用OC-12（12STS-1） 因為無法與其他用戶共享，會損失6-STS-1的效率 虛擬連結 連結6-STS-1以提供300Mbps，因此沒有頻寬的浪費

可經由SONET/SDH架構傳送的多種服務 如果SONET/SDH設備支援VCAT服務，一個Gigabit 乙太介面可以經由21STS-1連結的水管傳送資料 。 快速乙太網路（FE）100Mbps可以經由兩個STS-1傳送 。 傳統的DS-3介面可以使用單一STS-1 傳送 。 如圖2-6所示。

在SONET上傳送乙太網路 目前大部分的環都支援將傳輸通道降到STS-1 (DS3)層級，並且可以在那個層級交錯連接（XC）線路 。 EOS和VCAT的功能被實施在SONET/SDH架構的進、出點上，而且不需要沿路的每個SONET/SDH站都使用。 在環上的SONET/SDH設備必須能交錯連結VCAT所支援的支流，否則將不容易達成環上的頻寬節省。

Link Capacity Adjustment Scheme 顧客的頻寬需求會隨著時間改變，而這就需要SONET/SDH輸送管路重新調整大小。 如果有很多SONET/SDH通道被新增或移除時，就可能造成網路的瓦解。 此通訊協定允許通道在任何時間重新調整大小，也會執行連線檢查，動態地讓失效的鏈結可以被移除而新的鏈結可以新增。 EOS、VCAT、與LCAS的組合提供了在SONET上使用乙太網路服務時最大的效率。

EOS Used as a Transport Service 大規模點對點連線造成服務整合上的問題。 圖2-7 ，每個乙太網路介面被延伸到位於CO的XC，因為XC是在TDM層次作業，而且每個線路必須個別地結束。每個乙太網路介面都連結到一個乙太網路交換器，用這個交換器整合流量到ISP的路由器。這種模式非常沒有效率而且很難管理。 邏輯解決方式是在乙太網路VLAN的交錯連線(XC)裡引進整合技術，並且經由一個單一Gigabit或10 Gigabit的乙太網路介面整合多個乙太網路線路，而且每個線路都可以個別被確認。

EOS整合到傳輸設備裡 圖2-8說明了XC整合了不同的EOS線路，經由一個單一的乙太網路介面連接到乙太網路交換器。 解決方式： 一種方式是讓XC在傳送到乙太網路交換器之前使用VLAN ID作為個別線路的標籤。 另一個目前的實作上是將整個乙太網路橋接功能放到XC本身，使多個EOS串流能整合在一起經由單一的介面離開傳送設備。

EOS在存取時使用封包多工 在存取Switch時引進封包多工，服務提供者可以經由多個顧客分享相同的TDM線路來獲得成本節省。 圖2.9顯示相同的50棟建築物之都會網路，每一個建築物有一個STS-1（DS3）鏈結，由20個顧客分享。這樣大大降低所需TDM 線路的數量。這使TDM線路從1000降低到50。

封包交換傳送方式 集中式交換 區域交換 從每個建築物到CO提供一條TDM線路。所有線路都在CO端結束，這也是封包交換發生的位置。

在資料設備上的EOS 介面 在這個模型裡，傳送設備並不須處理在SONET / SDH payload運載的乙太網路框架的對應；相反地是由資料交換設備來處理。 優點在它的交換功能、EOS功能，以及VCAT功能都在相同的盒子裡，並且與可能早已安裝到網路上的TDM 盒子分開。

Resilient Packet Ring (RPR) 一種新的媒體存取控制(MAC)的標準協定，對於以環為拓樸的封包網路而言，增加了彈性與保護。 圖2-14說明了CMTS整合了來自銅纜線的訊務，再交手給RPR路由器。多個RPR路由器經由OC-48封包環連接在一起，而且訊務被整合到核心HUB內，以連接到網際網路。

Resilient Packet Ring (RPR)

RPR Packet Add, Drop, and Forward RPR的優點是乙太網路802.3 MAC 的運作，負責在環上的每個節點處理封包不管封包的目的地是否在節點後面。相反的，RPR 802.17 MAC在環上遞移訊務，假如該訊務並不屬於該節點的話就沒有做任何即時的交換或緩衝。如此降低了節點的工作量。 RPR的運作如圖2-15所示，不屬於某節點的訊務由802.17 MAC 在環上遞移。在乙太網路802.3MAC運作裡，訊務在每個節點因為交換的功能被處理與緩衝以決定離開的介面。 在SONET/SDH環上RPR的優點是所有封包進入環上分享整個環的頻寬，而且RPR的機制管理了頻寬配置以避免壅塞與hot spots。在SONET/SDH環上，TDM 時槽被配置給每個線路，不管線路上有沒有訊務，頻寬被從環上扣掉（頻寬都會被佔用）。

RPR Resiliency RPR保護的二種模式： RPR在50微秒內提供環的保護 環的繞接－環在錯誤的地方被插接(patched) 環的操縱－如果發生錯誤的話，訊務在來源處被重新導向到環上的工作區。 一般而言，實體層偵測錯誤並且通知MAC層該訊號的資訊。假如是嚴重錯誤的話，每個受影響的RPR節點就開始錯誤回復行動。錯誤回復行動是一個簡單的重新導向，將訊務從錯誤的路徑導向保護路徑。這個警示與重新導向訊務的過程會在50微秒內完成。

圖2-16比較與對照RPR與SONET/SDH。例如在SONET/SDH單向路徑切換環路上，50微秒的保護經由一個作用中的光纖以及一個備用保護光纖來完成。傳送節點會同時在兩條光纖上傳輸，接收節點只會在一端收到訊務。假如一條光纖斷掉的話，會在50微秒之內回復完成。 在單向路徑切換環路（UPSR）上，只有50%的光纖處理容量被使用到，因為另外一半被處在錯誤模式上。 在RPR上，兩條光纖－外環路與內環路，被用來使用100%環路處理容量。如果錯誤發生的話，這個環路會繞線，孤立發生錯誤的部分。所以RPR環路的有效頻寬是SONET/SDH的兩倍。

圖2-16：比較SONET/SDH和RPR間的差異 RPR有效的頻寬是SONET/SDH的「二倍」

RPR Fairness Global access control-控制存取使每個節點可以獲得這個環路上整體頻寬的一個公平分配。 Local access control-給節點額外的環路存取－也就在整體分配頻寬之外－以善用較少使用的部分。 。

圖2-7顯示三個不同的情況包括SONET/SDH UPSR、RPR、以及L2 乙太網路環。 在SONET/SDH的情況下，假如分配了一個STS-1，這個環損失了STS-1的頻寬，與真正的訊務無關。在乙太網路的情況下，訊務從A到C以及從B到C可能會超額認購SW2與SW3交換器之間點對點鏈結處理容量。在RPR的情況下，在每個節點上的MAC個體會監視即時鏈結的使用情形並且讓這個資訊在環路上的所有節點都可以獲得。然後，每個節點就可以傳送更多資料或節流閥(throttle)回來。

圖2-17：顯示3個SONET/SDH UPSR, RPR和L2 Ethernet 環狀的不同腳本

乙太網路的傳送 乙太網路並不侷限於當作存取的技術。已經有很多的努力致力於擴充乙太網路本身到都會網路裡當成一個傳輸技術。 當乙太網路被當成傳輸技術時，存取網路可以被建構在環狀或hub-and-spoke（幅狀）拓樸上。

Gigabit乙太網路Hub-and-Spoke組態 在一個Gigabit乙太網路Hub-and-Spoke組態裡，被配置在建築物的地下室的乙太網路交換器與最靠近的出現點(point of presence;POP)或CO是雙重歸屬。 使用鏈結整合，兩個光纖被整合到一個較大的管道內以連接到CO。訊務在兩個光纖之間是負載平衡的，假如一個光纖受損，另一個就吸收所有的負載。當然這是假設兩個光纖是在兩個不同的導管連到CO以達成更好的保護。這個情況顯示在圖2-18建築物1與CO之間了連結。

另一個方法是將光纖雙重歸屬到CO的不同交換器內，如圖2-18建築物2與3。雖然這避免了在交換器端單點的錯誤，它卻造成了更高的複雜度，因為STP必須在建築物與CO之間執行，造成雙重歸屬的連結中其中之一的訊務被凍結(blocked)。

Gigabit乙太網路Hub-and-spoke結構 圖2-18：傳輸在2Fiber間負荷平衡，如果一條Fiber 損壞，另一條吸收滿負荷。

環的配置對一家電信公司而言可能相當具有成本效益，但對其他人來說並不盡然。 對於目前環狀拓樸的光纖配置來說，Gigabit乙太網路環是一系列在建築物地下室與CO之間交換器的點對點連結，如圖2-19所示。 Gigabit 乙太網路只有1GB的處理容量讓所有建築物分享，而且一些處理容量並不存在因為擴張樹限制了部分的環以避免迴路。

環狀Gigabit乙太網路

對於乙太網路L2交換作業來說，環本身變成一個點對點鏈結的集合體。縱然光纖沒有斷掉，擴張樹阻擋了環的一部份以避免因迴路造成的廣播風暴【如圖2-20 PART A】。 例如，當一個沒有目的地的封包到達一個節點時廣播風暴就會發生。這個節點會根據802.3d定義的標準橋接運作，將封包散佈到環路上的。假如網路有一個迴路(例如一個環)，這個封包會在相同節點上不斷地接收與傳送。 擴張樹演算法使用一些控制封包稱為bridge protocol data units(BPDUs) 去發現迴路並終止它們。擴張樹正常來說會花30到60秒整合(converge)。 當一條光纖斷掉的時候，擴張樹重新調整，並且不同節點之間新的路徑被建立起來，如圖2-20PART B所示。

環狀Gigabit乙太網路

雖然10-Gigabit乙太網路環可以緩和壅塞的狀態，對於10GE交換器最初的解決方案是相當耗費成本的。 最初有10-GE介面的設備被設計當核心網路而不是建築物的存取。當10-GE解決方案成熟而且它們的價格降低到建築物的存取時，10-GE的環將變成可行的解決方案。 其他方法，諸如採用WDM，可以用來增加環上的處理容量。這樣的方法在初期採用時是否具有成本效益是具有爭異的，因為它們增加了佈置存取環的作業成本。

補充資料

Section Overhead : SONET STS-1框架前三列的標題空間總共有9 bytes,攜帶synchronization and section overhead 資訊。 A1 、 A2為固定模式 : 0xF628或二進位 1111 0110 0010 1000.接收者用來偵測框架的開端。 A1, A2不是密碼形式。 C1 : STS-1 ID, 定義每個STS-1。 B1 : 作為錯誤監視。 E1 : 一個 64-Kbps 語音通訊通道。 在一個STS-N訊號裡, E1只用在第一個STS-1，其他N-1 E1’s並未使用。 F1 : 被section使用。 D1 to D3 : 在STEs之間的一個192-Kbps通訊管道。. 用作警示、維護、控制、監視、管理，與其他通訊需求。 在一個 STS-N訊號裡，這個訊號只定義在第一個STS-1。其它 N-1 E1’s 並未使用

STS-1 section overhead

Line Overhead : SONET 位於標頭列中的4-9列。 H1, H2 :紀錄該指標與第一個SPE位元之間的距離。 如果該調整位元是負值表示它傳送的是正確的Payload。 BIP-8 :用做錯誤定位。 在STS-1上，前一個訊框在scrambling之後使用偶同位元計算 ，並且在目前訊框被scrambling 之前被放入B2。 K1, K2 : 作為 automatic protection switching. In STS-N, this is defined for #1 only.

STS-1 line overhead

Line Overhead : SONET D4 to D12 : 在LTE之間的一個 576-Kbps通訊通道，用作 警示 維護 控制 監視 管理 其他通訊需求 在 STS-N只定義在 #1 Z1, Z2 : not defined except in STS-N for #3, in which Z2 is only defined as line far-end block error ( FEBE ). E2 : an express 64-Kbps communications channel between LTE In STS-N, this is defined for #1 only

Path Overhead SPE的第一行 ( 9 bytes ) Path bytes是有方向性的。 J1 : the trace byte , is user programmable 接收端的PTE收集 64個重複的 J1 bytes以驗證傳送中 PTE的連通性。 Default : 0x00 BIP-8 or B3 :錯誤控制。 C2 :顯示SPE的結構、 非同步映射、ATM等 G1 : path status to the originating PTE from the destination PTE. F2 :給終端使用者通訊使用。 H5 : multiframe, is used as an end-to-end generalized multiframe indicator for payloads. Z3, Z4, Z5 : 使用者位元組，保留作為未來使用，目前尚未定義。

SONET STS-1 : path overhead

SDH VC-3/4 : path overhead

Performance Monitoring NE gathers PM from the values of : Section BIP ( B1 ) Line BIP ( B2 ) STS path BIP ( B3 ) VT path BIP ( bits 1 and 2 of V5 : BIP – 2 ) PM 儲存一段時間來自一些暫存器上資訊。 Information related to The current period The previous period The recent period Threshold value Two types of registers Current-second register ( CSR ) : 包含一秒之內發生的缺陷或異常。 Current-period register ( CPR ) : 包含偵測到並儲存在CSR的累積性的缺陷或異常。

SONET/SDH Performance Monitoring Performance monitoring ( PM ) :一組針對服務中傳輸品質的監視規則. Difference between SONET and SDH PM philosophy : SDH : PM is based on counting erroneous blocks within a period of a second. SONET : based on counting code violations within a period of a second. SONET PM functions : 偵測傳輸的降級( degradation) 偵測績效參數的變異 作業系統間的溝通

PM at the Physical Layer 對於實體層來說只需要現值 Laser bias current ( LBC ) ≡ LBCnormal = LBC/LBCo, where LBCo is the initial/nominal value provided by the NE supplier Optical power transmitted ( OPT ) ≡ OPTnormal = OPT/OPTo, where OPTo is the initial/nominal value provided by the NE supplier. Optical power received ( OPR ) ≡ OPRnormal = OPR/OPRo, where OPRo is the initial/nominal value provided by the NE supplier.

PM at the Section Layer Severely erroneous framing seconds ( SEFS-Ss ) :SEF偵測出現期間秒數的計算 Coding violations ( CV-Ss ) :在section層裡偵測的BIP錯誤個數 (使用 B1 byte ). Erroneous seconds ( ES-Ss ) :下列情況下秒數的計算 至少一個section層的BIP錯誤被偵測到，或 an SEF or LOS 偵測出現 Severely erroneous seconds ( SES-Ss ) :下列情況下秒數的計算 K 或更多section層 BIP錯誤被偵測到或 LOS偵測出現

PM at the Line Layer Line層的績效參數可分為近端 (Near End; NE )與遠端 (Far End; FE ) 對於近端的績效參數如下 : NE line coding violations ( CV-Ls ) : 在line layer偵測到的BIP錯誤數。. NE line erroneous seconds ( ES-Ls ) : 至少一個line layer BIP錯誤被偵測到或一個 AIS-L偵測出現時的秒數計算。 NE line severely erroneous seconds ( SES-Ls ) : K或更多line layer BIP錯誤被偵測到或一個AIS-L偵測出現期間的秒數計算

PM at the Line Layer FE line erroneous seconds ( ES-LFEs ) :在至少一個line BIP錯誤被使用REI-L的FE LTE告知或RDI-L偵測出現期間的秒數計算 FE line unavailable seconds ( UAS-LFE ) :line在FE被認為不可獲得時的秒數 FE line failure counts ( FC-LFEs ) :FE line錯誤事件發生的次數 錯誤事件的開始是從RFI-L 錯誤被偵測到開始到RFI-L 被清除截止。

PM at the Line Layer NE line unavailable seconds ( UAS-Ls ) : line被認為不可被使用期間的秒數 NE line failure counts ( FC-L ) : 近端錯誤事件發生的次數。 錯誤事件從AIS-L被宣靠開始直到AIS-L被清除截止。 Protection switching count ( PSC ) : relates to systems that are equipped with two switching fabrics, the working and the protection For working line : a count of the times that service switched from the monitored line to the protection line + the times it switched back to the working line. For protection line : a count of the times that service switched from any working line to the protection line + the times it switched back to the working line.

PM at the Line Layer Protection switching duration ( PSD ) : 以秒數計算 For working line : a count in seconds that indicates the duration of time service was carried on the protection line. For protection line : a count in seconds that indicates the duration of time the protection line was used to carry service. STS pointer justification ( STS-PJ ) : a count of the STS pointer adjustments created or absorbed by an NE due to differences in the frame rates of incoming and outgoing SONET signals. The STS-PJ parameter is accumulated for a non-terminated STS path. For the far-end line layer performance parameters are : FE line coding violations ( CV-LFEs ) : a count of BIP errors detected by the FE LTE and reported back to the NE LTE using the REI-L in the line OH.

PM STS Path Layer STS路徑層的績效參數可分為STS與VT。 每個錯誤可分為近端與遠端 近端STS路徑層績效參數如下 : NE STS path coding violations ( CV-Ps ) : 在STS路徑曾被偵測到BIP錯誤的次數。 NE STS path erroneous seconds ( ES-Ps ) :至少一個STS path BIP錯誤被偵測到或AIS-P出現期間的秒數。 NE STS path severely erroneous seconds ( SES-Ps ) : K 或更多STS路徑BIP錯誤被偵測到或AIS-P或 LOP-P 出現期間的秒數. NE STS path unavailable seconds ( UAS-P ) : STS路徑不可獲得期間的秒數。 NE STS path failure counts ( FC-Ps ) :近端STS路徑錯誤事件發生的次數。 錯誤事件開始於AIS-P或LOP-P被宣告並於清除時結束。