大话传输网

记得我当初刚参加工作时有一个关于技术学习的很大的困惑：按说我也是一个好学上进的好孩子，在办公室搜集了很多通信技术资料、书籍、设计文件拿回宿舍看，可是每次一看起来就觉得非常晦涩难懂，看上几页就昏昏欲睡，然后每次睡醒了继续看，就这样看了又睡、睡了又看之间徘徊、忍受、坚持了一段时间后，收效甚微，充其量也就是达到一些专业术语眼熟的水平，后来经过我详细的分析，学习效果不好的原因可能是睡觉时间占比偏高。直到数年前，网上很火的《大话通信》系列丛书让我如获至宝，醍醐灌顶，可是本人是传输专业，作为一个一直在技术门槛之外徘徊了十几年的通信人，一直翘首期盼着《大话通信之传送网》的诞生，但多年过去，连个发布会也没有盼来。于是冒出一个激进的想法，自己试着写一点？大话传送网这个标题，分”大话”和”传送网“两部分，传送网？哎，说多了都是眼泪，但一个门外汉能有这个勇气着实可嘉，好在大话这部分，作为一个浪迹职场十数年的资深忽悠，问题不大。本文旨在通过深入浅出的介绍，让初入传输的不幸的小白们能够迅速晋升至小白+，本人主要负责浅出部分，深入部分不行就问度娘，同时也希望专家们能够不遗余力的拍砖，只要拍不死，我就继续修改完善，发出我的光和热。本文就不从古代烽火台、八百里加急讲起了，本人历史一直是60分以下水平，说多了怕露怯，咱们就从光通信的开始——PDH讲起。闲言少叙。传送网是什么传送网是什么，这个问题不同的人会有不同的答案，可能有人会直观的理解传送网=传输设备+线路，或者是很多环和链等等，这个问题并没有标准答案，但作为一个刚刚进入这个领域的人，脑子里需要有个相对靠谱的理解。如果把信息比作货物，传送网就是一张物流网。物流网承载的是各个企业、个人之间的业务往来，传送网承载的是各个业务网的信息往来。固话、移动、宽带、数据、软交换、大客户等等都是靠传送网实现网元间的信息交互的，也就是说，我们之所以可以远距离的打电话、发短信、互联网上交流、看IP电视等，都是基于这张庞大而又复杂的传送网实现的。传送网将遍布全球的业务层面的孤岛联成了固定电话网、移动通信网、宽带互联网，套用一句熟悉的广告词，我们不生产信息，我们只是通信系统的搬运工。在我看来，传送网就是远距离传送信息的可靠的网络。为什么说远距离呢，你要给你的办公室的同事或者邻居一个东西，就没必要叫快递公司。同样，信息的传递也不是处处都需要传送网，一般机房内的各种互联就可以直接对接，网线和2M同轴电缆可以传100米左右，有的设备配置单模光模块也可以传个十几甚至几十公里，但是几百公里甚至几千公里呢？远和近没有绝对的界限，只要是业务网鞭长莫及的，就要交给传送网了。另外一方面就是容量，业务侧通过光纤直连在一定距离内固然可以实现，但是这么多专业都光纤直连，势必要消耗大量的光缆纤芯，付出的建设成本会很高。这就好比大家都不通过快递公司，而是自己开车、坐火车或飞机去送货，那肯定不是十几块钱能搞定的。传送网可以达到一对纤芯承载8T甚至更高的业务，传送效率越高就意味着单比特的传送成本越低，正所谓“因为专注，所以专业”。再者就是安全，你货物交给快递肯定不希望弄丢了，传送网也必须要保证信息传递的安全性和准确性，需要提供各种容错机制、保护倒换作为安全性的保障。其实传送网各种技术发展了几十年至今，无非就是这几个关键点：容量、安全、长距离。1.1支路到线路的复用我们要通过快递寄东西，要先找来快递员填单子，将东西交给快递公司。业务网通过传送网承载业务，业务网和传送网设备之间也需要一个接口。快递寄东西，信封和包装箱有相应的尺寸规格，业务网和传送网的接口也需要有一个标准，这个标准包含了接口的形状尺寸、电平值、速率、帧结构等。如果尺寸不一致接头根本都塞不进去就更谈不上传送；电平值定义一致是为了接收端知道你发的电平值是代表0还是1，就像古代的摔杯为号，都是事先商量好的，旁人根本傻傻搞不清楚；而速率一致才能保证一字不漏的接收信息；帧结构是规定了这一长串序列的哪几个比特是表示什么信息，就像用标点符号来断句一样。总之，想要通过传送网传递信号，就要遵循这个标准，否则就是驴唇不对马嘴。还记得数年前，大家手机没电了要借充电器都是这样问：谁手机是诺基亚的，充电器借我用用，即使同一品牌，接口也不尽相同。现在基本安卓系统的手机就不存在这个问题，因为大家接口形状大小、充电电压都相同，这就是标准。标准统一可以实现多厂家互通，形成良性的市场竞争，避免垄断局面。我们知道，传送网传递的是业务侧的0和1组成的码流，那么收发两端就需要这些码流以双方约定好的规则发送。传送网的发展从PDH到MSTP二十多年来，说起业务侧接口提起最多的就是E1，所以我们先来了解一下E1。E1是PCM（脉冲编码调制）标准的一部分(日本、北美采用T1，速率1.544M)，那么E1到底是什么呢？早期的固定电话网的语音信号每路是64K，E1就是为传送64K语音信号而生的的接口，一个E1可以容纳32路64K，那么E1的速率就是32*64k=2.048Mbit/s，就是我们常说的2M。1路E1里的32路64k时隙中包含了30路语音信号、1路同步信号和1路信令。语音信号的64K是如何得来的，在大学通信原理中都讲过。根据奈奎斯特定律对语音信号进行每秒8000次的抽样就可以清晰的还原出语音信号，每次抽样的电平值用1个字节（8bit）表示，每路语音信号的速率就是8K*8bit/s=64kbit/s。E1有3种用法:一种是成复帧，用于时隙16传送随路信令的情况，16个E1的第16时隙组合起来才能传送完整的30个话路的信令，所以要捆绑起来用。一种是信道化的E1，就是时隙16不传送信令，除时隙0之外其余31个时隙用来传送信息。一种是非信道化的E1，就是整个E1用来封装数据（如以太网），不区分32个时隙。最初E1是因固定语音业务需求而生，后来这个E1也就成了传送网的接口标准之一。现如今，所有需要通过传送网传送的低速率业务，就需要遵循这个标准，如GSM、3G语音采用其他编码方式，速率也不是每路64k，但接口都是沿用E1，其他非语音的低速信号也统统沿用这个接口。这就像我们很熟悉的5号电池，直径14mm，高度49mm，我们不需要知道为什么是这个尺寸，是谁规定了这个尺寸，我们只知道生产厂家不按照这个尺寸生产，就一定卖不出去，这就是标准。有了E1接口，语音业务可以接入到传送网中，可接下来业务怎么传递到目的地呢？快递公司每收一个货物，会不会装上车就直接开往目的地？当然不会，那样和我们自己开车去送没什么区别，传送网就失去了他的意义。快递公司一定会把货物集中到一起，按照目的地分别装到大的货车中传送，这样高昂的运费分摊到每一个小包裹上就很少，成本就降下来了。传送网需要在站点间建立一个可以传送多路业务信号的大的通道，这个通道一定比业务信号的带宽要大很多。对于传送网来说，业务接入（收发快递）叫做支路侧，站点间传送通道（物流运输）叫做线路侧，有了线路侧把站点之间连接起来，才能称之为网络。把很多货物放到一个车厢里运输在传送网里有个专业的词，叫做复用，复用就是若干路信号合并到一起传送的过程。下图就是一个最简单的传送网示意图，在两个站点之间建立一个8M的线路侧通道，可以容纳4个E1业务，站点间的2个E1业务通过线路侧的通道传送，其余两个E1作为冗余，可以计算出这个8M的带宽利用率为50%。上图中，支路信号通过“时分复用”的方式装载到线路通道当中，这里有必要介绍一下各种复用方式：空分复用、时分复用、频分复用、码分复用。我们打个比方，在一个房间里有四个人，两两成对的同时一对一交流，他们互相之间有会干扰，为了解决这个问题提高交流的效率，目前有以下几种办法：空分复用：这个简单，让四个人分到两个房间里去对话，空间分离了，自然干扰就消除了，你走你的阳关道，我过我的独木桥。对于传送网来说，新建一个传输系统来提高容量就是空分复用。时分复用：就是两组快速轮流说话。原本每组说一句话用1秒钟，现在改为每个组说0.5秒后换另一个组说，这样两组说话的时间互相不重叠，就像把时间切成一片片的分给大家使用，达到了快速传递信息消除干扰的目的。时分复用的等级越高，就需要说话的速度越快，就像中国好声音主持人华少那样。传送网的速率升级就是提高时分复用的等级，从2M到8M，信号传送的时间不变，只是每个bit信号占有的时间窗口缩短到原来的1/4。频分复用：让两组分两个声部去说，就像女高音和男低音一同演唱那样，两组各自锁定收听各自的声部，由于声音之间差别较大易于分辨，也能达到消除干扰的效果。频分复用在生活中最常见的就是收音机，不同调频的节目都在空气中传播，我们通过调整收音机接收的频率去切换频道，只要频率保持一定的间隔，就不会收到其他频道的节目。传送网的波分复用就是让信号调制成不同的波长在一根光纤中传送，我们物理课都学过波长和频率是成反比的，波长不同就是频率不同，这实际上就是光纤内的频分复用。码分复用：大家都有这样的经验，我们在聊天的时候，如果旁边有其他人说汉语，我们一定会觉得受打扰，但是如果旁边的人在说法语，而我们又不懂法语的话，旁边人说话对我们的干扰一定小很多，就当是背景噪声了。码分复用就是利用这个原理，让两组人分别用汉语和法语说话。码分复用在无线专业中听到的比较多，在传送网专业也有对应的OCDMA（光码分多址）的研究，但目前尚无应用。了解了支路到线路的复用，那么接下来的问题是，支路侧和线路侧采用什么速率接口，支路侧接信号如何复用到线路接口中传送，我们又去怎样监控系统的工作状态等等，解决这些问题的方法需要一个完整的技术体系，比如我们接下来要说的PDH和SDH。1.2PDH准同步数字体系拿我们平时常用的交通工具来说，小汽车、中巴、大巴等等，这些交通工具提供的载客量是不尽相同的，但是也还是要有一定的规律可循，比如7座以下的小型车，一般就是2座（跑车）、5座（小型车）和7座（商务车）。关于这个问题在行业内一定是有一定的规定或共识，遵循这个规定的基础上可以适当发挥，但是不可能乱来，而这些规定就是一个体系。传送网也一样，把E1当做一个乘客来看，那么采用什么规格的线路侧接口（车厢）的容量就需要一个共识，如果A厂家的接口支持10、40、160路E1，B厂家支持16、64、256路，C厂家又……这里面帧结构的定义就更是百花齐放，光模块种类也是五花八门，互通就不要想了，估计搞网络建设就一个头三个大，这里的必要性就不多说了。言归正传，PDH作为第一代光通信的标准，规定了一系列的速率等级，和等级间复用的方法，PDH在全世界范围有两大体系三个标准，本文仅针对我国采用的欧洲系列简要介绍：在PDH里各速率等级称为一次群、二次群……，我国采用的体系中，高次群和低次群容纳E1数量是4倍的关系，通俗点说，4个E1（一次群）被装到8M（二次群）里，4个8M被装到34M（三次群）里，依次类推……可是为什么各次群速率不是严格的4倍关系呢？因为低次群要复用成高次群之前，首先要经过码速调整。由于货物大小略有偏差，箱子的尺寸就要足够大，大于所有货物，那么当货物尺寸小于箱子的时候就要塞一些泡沫填充物。码速调整就是让各路准同步的信号变成完全同步，就是将标称速率2.048Mb/s但是有一定速率偏差的信号调整到2.112Mb/s。同步就是网元之间采用完全相同的速率，步调严格一致，你发第1比特的时候我根据时钟信号就知道收第1比特，就像大家7点准时收看新闻联播，7点半看天气预报一样，风雨无阻，年复一年。而准同步就是基本上同步，跟严格同步相比允许偏差那么一点点。我们打电话就要求网络是同步的，否则我这边说话等了几秒钟你那边才听到，那通话就没办法进行下去，而互联网的业务就不要求同步，我们发了邮件可能由于网络这时比较繁忙，经过一定的延时对方才收到是可以被理解和忍受的。同步之后，低次群采用按位复用的方法形成高次群。什么叫按位复用，比方需要对4路信号进行复用，4路中中每路取1个bit组成第一个4bit的序列，然后取每路第2个bit，如此循环下去。如果是每路信号取8bit就是按字节复用，每路信号取完整的一帧就是按帧复用。下图简单展示4路一次群按位复用成二次群的过程。这里需要解