OTN关键技术标准体系介绍.docx

一. OTN技术体系介绍
1. 概述
从1998年ITU-T正是提出OTN概念到现在，OTN标准体系已经完善，技术也已经成熟。OTN标准体系关键由以下标准组成：
G.872：定义了光传送网网络架构。采取基于G.805分层方法描述了OTN功效结构，规范了光传送网分层结构、特征信息、用户/服务层之间关联、网络拓扑和分层网络功效，包含光信号传输、复用、选路、监控、性能评定和网络生存性等
G.709：其地位类似于SDH体制G.707。定义了光网络网络节点接口。提议规范了光传送网光网络节点接口，确保了光传送网互连互通，支持不一样类型用户信号。提议关键定义光传送模块n(OTM-n)及其结构，采取了“数字封包”技术定义多种开销功效、映射方法和用户信号复用方法。经过定义帧结构开销，能够实施光通路层功效，比如保护、选路、性能监测等；经过确定多种业务信号到光网络层映射方法，实现光网络层面互联互通，因为未来光网络工作在多运行商环境下，并不仅仅是各业务用户信号接口互通。其地位类似于SDH体制G.707。
G.798：提议采取G.806要求传输设备分析方法，对基于G.872要求光传送网结构和基于G.709要求光传送网网络节点接口传输网络设备进行分析。定义了OTN原子功效模块，各个层网络功效，包含用户/服务层适配功效、层网络终止功效、连接功效等。其地位类似于SDH体制G.783。
G.7710：通用设备管理功效需求，适适用于SDH、OTN。
G.874：OTN网络管理信息模型和功效需求。
G.7710：描述OTN五大管理功效（FCAPS：Fault故障、Configuration配置、Accounting计费、Performance性能、Security安全）。
G.808.1：通用保护倒换-线性保护，适适用于SDH、OTN。
G.808.2：通用保护倒换-环形保护，适适用于SDH、OTN。未正式公布
G.873.1：定义了OTN线性（linear）ODUk保护。
G.873.2：定义了OTN环形ODUk保护。未正式公布
G.8251：依据G.709定义比特率和帧结构定义 了OTN NNI抖动和漂移要求。
G.8201：定义了OTN误码性能。
OTN物理层特征在G.959.1及G.664等中要求。
下面将关键介绍一下OTN网络架构（G.872）及接口（G.709）。

网络架构
G.872
物理特征
G.959.1/692/693
设备管理功效
G.874/7710
管理信息模型
G.874.1/875
抖动/漂移性能
G.8251
光安全规程
G.664
误码性能
G.8201
设备功效
G.806/G.798
结构/映射/开销
G.709
保护倒换
G.873.1/808.1

图 2.1-1 OTN标准体系。

2. OTN网络架构
G.872（architecture of optical transport networks）关键包含三个方面内容：一是光传送网络分层结构，二是网络管理，三是生存性技术。
2.1 光传送网分层结构
光传送网络共分为三层：光信道层、光复用段层和光传送段层见图2.2.1-1。

图 2.2.1-1 OTN分层结构
1、光信道层(Optical channel layer)：为多种用户信号（如SDH STM-N、cell-based ATM、GE等）提供透明端到端光传输通道，提供包含：连接、交叉调度、监测、配置、备份、和光层保护和恢复等功效。关键功效：
（1）光信道重新连接功效（optical channel connection rearrangement）以确保网络路由灵活性
（2）光信道层包头处理
（3）光信道层操作、维护、管理
因为现在光元器件技术水平限制，光信道层功效无法全部在光层完成，为此，G.872增加了OTN电层（Digital OTN layered Structure）：
（1）OTU层（Optical channel Transport Unit）：在OTN网络两个3R（Reamplification, Reshaping and Retiming）点之间传输ODU信号。
（2）ODU层（Optical channel Data Unit）：为用户信号提供端到端传输。
2、光复用段层(Optical multiplex section layer)：支持波长复用，以信道形式管理每一个信号。提供包含波分复用、复用段保护和恢复等服务功效。关键功效：
（1）光复用段层包头处理
（2）光复用段层操作、管理、维护
3、光传送段层(Optical transmission section layer network): 为光信号在不一样类型光媒质（G652、G653、G655光纤等）上提供传输功效，光传输段层用来确保光传输段适配信息完整性，同时实现光放大器或中继器检测和控制功效。
（1）光传送段层包头处理
（2）光传送段层操作、管理、维护
OTN层次结构及信息流之间关系见图2.2.1-2。

图 2.2.1-2 OTN层次结构及信息流之间关系
2.2 光网络管理
G.872 针对OTN提出光网络管理需求关键包含八个方面：
1、连续性监视
2、连通性监视
3、维护信息
4、信号质量监测
5、适配管理
6、保护控制
7、子网/级联/未用连接监测
8、管理通信

表 2.2.2-1 光网络管理需求
管理能力
过程
功效
网络层次
OCH
OMS
OTS
连续性监视
连续性丢失检测
TT
R
R
R
连通性监视
路径踪迹识别
TT
R
NR
R
维护信息
前向检测显示
TT
R
R
R
后向检测显示
TT
R
R
R
后向质量显示
TT
FFS
FFS
FFS
信号质量监测
性能监视
TT
R
FFS
R
适配管理
净负荷类型显示
A
R
FFS
FFS
保护控制
自动保护倒换规程
A/T
FFS
FFS
NR
子网/级联/未用连接监测
连接监测
A/T
FFS
FFS
FFS
管理通信
信息通道
A
NR
FFS
R
辅助通道
A
NR
NR
O
操作者规范
A
NR
NR
R
国家使用
A
NR
NR
FFS
R：需要　Required;　　NR：不需要　Not required;　　O：可选择　Optional;　　FFS：待研究　For further study;　　NA：不适用　Not applicable;　　TT：路径终端功效　Trail terminal function; A：适配功效　adaptation function;　　A/T：过程可分配给一个或多个功效，分配待研究　The process can be allocated to one or more functions and the allocation is for further study.；　　P：端到端通道　End-to-end path

2.3 光网络生存性技术
光网络生存性技术包含保护和恢复。G.872提出了三类保护5种保护方法，恢复因为包含到重路由算法，在G.872中未作要求。第一类是路径保护，有1+1路径保护和1：1路径保护两种方法，第二类是子网连接保护，有1+1子网连接保护和1:N子网连接保护。这两类保护又称为线性保护，线性保护能够用在环、链、网状网等多种网络结构中，其中1+1保护不需要APS协议，1：1或1：N保护需要APS协议，但保护通道能够传输低等级业务。第三类是共享保护换技术。G.872只定义了OTN多个保护方法，并未对多种保护方法做具体要求，OTN多种保护方法在G.873.1、G.873.2、G.808.1、G.808.2中要求，其中G.873.2、G.808.2未正式公布。结合现在OTN网络保护标准现实状况和各厂家设备功效实现情况，从网络结构层面简明介绍OTN保护技术。
1、基于光通道1+1保护和1：N保护：G.808.1定义了适合SDH、OTN线性保护方法，这种保护方法在传统波分上也有应用。
2、基于ODUk1+1保护和1:n保护：G.873.1要求了OTN基于ODUk线性保护。
3、基于ODUk环网保护:用于分布式业务环型组网，经过占用2个ODUk通道实现对全部站点间业务保护。类似SDHMSP保护。
4、波长共享保护（基于光通道环网保护）：用于分布式业务环型组网，经过占用2个光通道实现对全部站点间业务保护。类似SDHMSP保护。

3. OTN 帧结构、映射及开销
3.1 网络接口
G.709定义了2类网络接口：域间网络接口（IrDI）和域内网络接口（IaDI）。

图 2.3.1-1 OTN网络接口示意图
不一样管理域之间接口为IrDI，含有3R再生能力；同一管理域之间接口为IaDI。在ITU 标准中IrDI 接口是一个完全标准化接口，而IaDI不是一个含有互通性标准接口。

3.2 OTN信号映射及复用
3.2.1 OTN信号速率
G.709为OPUk、ODUk、OTUk各分别要求了3种速率，见表2.3.2-1～表2.3.2-3，OPUk、ODUk、OTUk帧频见表2.3.2-4。
表 2.3.2-1 OTUk类型及速率

表 2.3.2-2 ODUk类型及速率

表 2.3.2-3 OPUk类型及速率

表 2.3.2-4 OTUk/ODUk/OPUk帧频

（注：2488320kbit/s、9953280kbit/s、39813120kbit/s分别对应STM-16、STM-64、STM-256速率，对于公式OTU1速率=255/238x2488320kbit/s能够参考后文OTUk帧结构及STM-N用户信号映射。对于OTU1帧长4080x4个字节，净荷长度3808x4个字节(4080x4)/(3808x4）=255/238。对于OTU2帧长4080x4个字节，因为插入了帧定位字节FAS，净荷长度（3808-16）x4个字节，4080/（3080-16）=255/237）
3.2.2 OTN信号映射及复用
1、电层信号映射及复用
多种用户层信息经过光信道净荷单元OPUk/OPUK-Xv适配，映射到ODUk中，然后在ODUk、OTUk中分别加入光信道数据单元和光信道传送单元开销，再映射到光通道层OCh，调制到光信道载波OCC上。电层信号映射及复用见图 2.3.2-1。

图 2.3.2-1 电层信号映射及复用
2、光层信号映射及复用
多至n(n ≥ 1)个OCC[r] 使用波分复用被复用进一个OCG-n[r].m中，OCG n[r].m中OCC[r]支路时隙能够含有不一样容量；对于完整功效OTM n.m接口，OSC经过波分复用被复用进OTM-n.m中。光层信号映射及复用见图2.3.2-2。

图 2.3.2-2 光层（OTM）信号映射及复用
3.2.3电层（OPUk、ODUk、OTUk）信号帧结构及开销
G.709定义帧结构以下：
光信道净荷单元（OPUk）：实现用户信号映射进一个固定帧结构（数字包封）功效，包含但不限于STM-N，IP分组，ATM信元，以太网帧。
光信道数据单元（ODUk）：提供和信号无关连通性，连接保护和监控等功效，这一层也叫数据通道层。
光信道传送单元（OTUk[V]）：提供FEC，光段层保护和监控功效，这一层也叫数字段层。

图 2.3.2-3 电层帧结构图
各开销字节以下图：

图 2.3.2-4 电层开销字节示意图
（1）FAS: 帧定位单元FAS（第一行1-6列）;
（2）MFAS: 复帧定位MFAS单元（第一行第7列 ）；最多支持由256个帧组成复帧
（3）SM: 段监视：SM字段结构见图2.3.3-3
（TTI：路径跟踪标识，提供链接监测功效，SAPI-源接入点标识，DAPI-宿接入点标识，这两个标识必需全球唯一，方便于全网管理和运行）
BIP-8：比特间差奇偶校验8位码，一个误码检测方法，SDH也是采取这种误码检测方法。
BEI：后向错误指示。向上游节点提供信号误码指示。用来统计采取BIP-8检测出来误码块数量。
BDI：后向缺点指示。向上游节点提供信号失效（SF）信息
IAE：入局帧定位错误。向它对应出口节点提供帧定位错误警告。

图 2.3.2-5 SM字段结构
GCC0：通用通信通道。
RES：预留字节
TCM ACT：连接监视激活和去激活；
TCM1-6：6层连接监视；同PM
FTFL：故障类型和故障定位；
PM：通道监视。作用和SM类似，只是所在层次不一样。PM字段结构见图2.3.3-4。相比SM字段结构，多了STAT字段，STAT字段用于指示维护信号。

图 2.3.2-6 PM字段结构
EXP：试验用字节
GCC1：通用通信通道
GCC2：通用通信通道
APS/PCC：自动保护倒换和保护通信信道字节；
JC：码速调整控制；JC、NJO、PJO三个字节由映射过程产生，映射表见G.709。
PSI：载荷结构标识，256字节复帧结构，其中PSI[0]为PT字节，用于指示用户信号类型（如04为ATM，05为GFP，具体情况可参考G.709），其它字节为保留字节。
NJO：用于正码速调整；
PJO：用于负码速调整

3.2.4 OOS（OTM Overhead Signal）
G.709提出了OOS功效需求（见图2.3.3-1），并未具体要求具体OOS帧结构、速率及实现标准。

图 2.3.2-7 OOS中OTS、OMS、OCh开销字节示意图
BDI: Backward Defect Indication
FDI-O: Forward Defect Indication - Overhead
FDI-P: Forward Defect Indication - Payload
OCI: Open Connection Indication
PMI: Payload Missing Indication
TTI: Trail Trace Identifier
3.2.5 OTN虚级联
OPUk-Xv，其中k=1..3，X=1..256，即最多支持256个OPUk虚级联。虚级联关键用途：
（1）经过虚级联来传送STM-64或STM-256：经过OPU1-4v 传送STM-64，经过OPU2-4v 或 OPU1-16v传送 STM-256等
（2）实现灵活带宽调整：经过OPU1-Xv [OPU2-Xv] [OPU3-Xv] 提供X * 2.5 G[10G、40G] 带宽；经过 LCAS （Link Capacity Adjustment Scheme ）提供链路带宽自动调整，业务经过两个或多个不一样路由，以提升业务安全性。
3.2.6 用户信号映射
3.2.6.1 STM 16/64/256信号映射
G.709 提供两种STM-N映射方法：
1、异步映射：OPUk信号由OTN设备本身时钟产生，和CBR信号无关，并使用正/负/零调整机制以容忍一定频偏；
2、比特同时：OPUk时钟来自于CBR用户信号，不使用OPUk帧内调整能力；现在大部分厂家采取比特同时方法。
STM 16/64/256信号至OPU1/2/3映射图分别见图2.3.2-8~图2.3.2-10。

图2.3.2-8 STM-16映射至OPU1

图 2.3.2-9 STM-64映射至OPU2

图 2.3.2-10 STM-256映射至OPU3

3.2.6.2 ATM信号映射
ATM信元是固定长度53个字节（其中包头5个字节，净荷48个字节），OPUk净荷长度是15232个字节（=4*3808），OPUk净荷长度不是ATM信元长度整数倍，在映射时，ATM信元可能跨越OPUk帧边界。

图 2.3.2-11 ATM信号映射至OPUk
3.2.6.3 GE/10GE/40GE/100GE用户信号映射
G.709只要求了STM-N、ATM等信号映射，并未要求GE/10GE/40GE/100GE用户信号映射。下面结合现在各厂家实现技术及最新标准发展，分别介绍GE/10GE/40GE/100GE用户信号映射。
1、GE用户信号
现在对于GE 业务怎样映射到OPU 中方法还没有统一标准要求，各厂家采取方法全部各不相同，大致能够分为两大类：
（1） 经过GFP 协议将GE 业务映射到STM－N 中，以后再映射到OPU 中，比如：
A、GE->GFP-F->VC4-8C->STM-64->OPU2->ODU2->OTU2
B、GE->GFP-F->VC4-7C->STM-64->OPU2->ODU2->OTU2
（2）经过GFP 协议将GE 业务映射到OPU1/OPU2 时隙，比如：
A、GE->GFP-F/T->OPU1 时隙->OPU1-> ODU1->OPU2->ODU2->OTU2。每个OPU1 被等分为16 个时隙，一个GE 占用7 个时隙，OPU1 中可封装2 个GE 业务。
B、GE－>GFP-T->OPU2 时隙－>OPU2->ODU2->OTU2。每个OPU2 中封装8 个GE 业务。
第一类方案属于比较常规方法，易于实现厂家之间互通。不过从GE 到OPU 需要经过SDH 这个中间步骤，所以必需配置SDH 成帧器，造成成本增加且效率降低。
第二类方案直接将GE 映射到OPU 时隙中，降低了SDH 成帧步骤，降低成本，提升了效率。
另外一个可能方法是采取GFP 扩展头所支持多通道复用功效，能够实现将多个GE 信号复用到一个OPU 中。这种方法一样能够降低SDH 层处理，提升效率。
2、10GE用户信号
ITU-T G.Sup43 描述了OTN 以ODU2 或非标准类似ODU2 帧格式传送10GE LAN 信号多个不一样方法，简单描述以下：
（1）标准映射：采取标准ODU2 帧格式和速率
A、以STM-64 形式传送10G base-W (WAN PHY)，再映射为OPU2 格式
IEEE 802.3 定义了用于兼容SDH 速率WAN 接口，ITU-T G.707 定义了该数据映射为SDH 格式，该接口时钟精度±20 ppm，依据ITU-T G.709 定义映射方法经过ODU2 传送。该方法不能满足MAC 帧满带宽传送。
B、以GFP-F 方法将10G base-R（LAN PHY）仅有效载荷部分映射为OPU2 格式
该方法接收端终止64B/66B 线路码、前同时码、SFD 和IPG，经过GFP-F 封装后信号直接映射到OPU2 容器。该方法可实现MAC 帧满带宽传送，但不能提供前同时码、SFD、IPG 等透明传送。
（2）非标准映射：采取非标准类似ODU2 帧格式
A、以比特透明方法将10G base-R 信号映射为OPU2e 格式
该方法采取CBR10G 信号映射到OPU2 方案，经过提升帧频方法将10GbE LAN PHY 信号映射到OPU2e。OTU2e信号标称速率11.0957 Gbit/s。该方法可实现全比特透明传送，但因为以太网信号定时容差±100 ppm，所以ITU-T G.8251 要求相关抖动和漂移标准控制方法不能适用。
B、以比特透明方法将10G base-R 信号映射为OPU1e 格式
该方法采取CBR2G5 信号映射到OPU1 方案，经过提升帧频方法将10GbE LAN PHY 信号映射到OPU1e。OTU1e 信号标称速率11.0491 Gbit/s，和方法一区分是占用了固定填充字节。该方法可实现全比特透明传送，ITU-T G.8251 要求相关抖动和漂移标准控制方法不能适用。
C、以G.709 比特率兼容信息透明方法传送有效载荷和前同时码
10GE LAN MAC 帧采取GFP-F 封装。因为10GbE LAN 信号不传输定时和同时信息，OPU 开销中“映射和串联”比特（第15 列第1、2、3 字节和第16 列全部字节）可被用于数据承载；从而实现MAC 帧满带宽传送和前同时码透传，但不支持IPG 透传和定时和同时信息传送。
3 40GE用户信号
现在IEEE 对40GE 速率和帧结构还没有完成最终定义，ITU-T 对40GE 映射结构也还没有完成标准化，IEEE 802.3 HSSG 和ITU-T SG15 Q11 正在讨论40GE 映射方法有三种：
方法一：限制40GE MAC 速率到38.9 Gbit/s 或更低；
方法二：采取比64B/66B 更有效编码方法保持40.0 Gbit/s MAC 速率；
方法三：采取编码转换方法，64B/66B 编码实现40.0 Gbit/s MAC 速率，在映射到OPU3 之前将其转换为更有效编码方法（如512B/513B），现在该方法即使在ITU-T SG15 Q11 没有最终达成一致意见，但 年10 月中间会议，同意写入G.709LL。
鉴于以上情况，我们相信在 年40GE 相关标准制订时候，40GE 怎样映射到ODU3 帧结构将有一个标准方法。具体实现方法待研究。
4 100GE用户信号
100G 以太网标准还在IEEE 802.3 HSSG 研究中，没有最终完成，将于 年同40GE 标准一起推出。对于100GE 传输，除了线路单波速速率随之增加到100Gbit/s 以上处理方案以外，业界还在主动考虑采取OTN 虚级联方法支持100GE 传输。ITU-T 也在这两个方面努力：首先在推进新OPU4/ODU4/OTU4 速率和帧结构定义；其次还在研究OPU2-11v 、OPU3-3v虚级联方法来支持100GE 业务映射和传送。具体实现方法待研究。
5、GFP封装映射
GFP是G.7041要求一个把任意包信号封装到固定速率信号(比如，OPUk)上一个通用方法。GFP帧为可变字节长度，在映射时，GFP帧可能跨越OPUk帧边界。对于GE业务能够采取GFP封装。

图 2.3.2-12 GFP封装映射至OPUk
GFP封装能够分为GFP-T（透明映射）和GFP-F（帧映射）两种方法。GFP-F把用户帧映射成它自己GFP格式，GFP-T对用户代码解码，然后映射成为一固定长度GFP格式，在没有接收完一帧信号时就能够立即把数据传输出去。这两种方法关键区分以下：
（1） 传送时延：因为透明映射不需要缓存一帧，对帧进行结构处理，使处理时延很小，适合FC、ESCON等通道性业务。
（2） 处理方法：帧映射方法是将业务MAC层数据重新映射到GFP包中，所以接收业务包，需要识别帧头帧尾和部分控制字符，所以对于帧映射方法需要识别接收业务类型；对于透明映射方法，只依据8B/10B编码，识别是数据还是控制字，所以透明映射方法能够满足符合8B/10B编码任何业务。
（3） 帧格式区分：帧映射方法根据包方法处理业务，映射GFP包长依据输入业务包长决定，所以包长可变；透明方法则是映射到固定包长中。
4. 小结
1、经过上述对OTN技术体系研究，SDH、WDM、OTN三种技术体系对比以下：
表 2.4-1 OTN、SDH、WDM技术体系对比
技术体系
OTN
SDH
WDM
分层结构
ODUk(电通道层)、OTUk(电复用段层)、Och（光通道层）、OMS（光复用段层）、OTS（光传送层）
①通道层、复用段、再生段
②光通道层、光复用段层、光传送层
复用及映射
OPU1、OPU2、OPU3及其映射复用关系，OTN中进入OPU可能是STM-16、STM-64、G比特以太网等
VC-12、VC-3、VC-4等不一样速率虚容器及其复用映射关系，SDH中进入虚容器是PDH或是低速率以太网信号等

开销字节
GCC0～GCC2
D1～D12

APS/PCC
K1、K2

FAS
A1、A2

SM、PM
J0、BIP-8

PSI
C2

TCM1~6
N1

光监控通路
OSC，1510nm

OSC，1510nm
生存性技术
基于光通道1+1和1:n保护

基于ODUk1+1保护和1:n保护
通道保护环，1+1和1：n保护

基于ODUk环网保护
复用段保护环

基于光通道环网保护

传统光层保护(OCP/OLP/OMSP)

传统光层保护(OCP/OLP/OMSP)
其它技术
FEC、掺铒光纤放大技术、拉曼放大技术等

FEC、掺铒光纤放大技术、拉曼放大技术等
从分层结构上看，相比SDH，OTN因为光纤信道能够将复用后高速数字信号经过多个中间结点，不需电再生中继， 直接传送到目标结点， 所以能够省去SDH再生段，只保留复用段，OTN分层结构能够看作是在SDH分层结构上引入了光层（光通道层、光复用段层、光传送层）；从复用及映射看，SDH有VC-12、VC-3、VC-4等不一样速率虚容器及其复用映射关系，OTN也有三种OPU及其映射复用关系和之对应，SDH中进入虚容器是PDH或是低速率以太网信号等等，OTN中进入OPU可能是STM-16、STM-64、G比特以太网等；从开销字节看，OTN中GCC0～GCC2、APS/PCC、FAS、SM等开销字节和SDH中D1～D12、K1、K2、A1、A2、J0等开销字节含有相同或类似功效；从生存性技术上看，OTN含有WDM全部保护功效，提供类似于SDH保护功效；除此之外，OTN和WDM含有相同光监控信道（OSC），采取了FEC、掺铒光纤放大技术等相同技术来提升传输距离。从上述分析不难看出，OTN在电层大量借鉴了SDH映射、复用、交叉、嵌入式开销等概念，在光层借鉴了WDM技术体系并有所发展。正是因为OTN在技术上借鉴了SDH和WDM技术，所以从功效上看，OTN既继承了SDH调度灵活、安全可靠、便于管理和维护等优点，同时含有WDM大容量传输优势，很适合大颗粒业务传输。
注：
①《光同时数字传送网》（修订本），韦乐平，1998，12，P112
②《光波分复用系统总体要求》，YDN 120-1999，P2
2、智能化是现在网络发展方向之一，OTN作为传送层和控制层面（GMPLS）进行结合，组成基于OTNASON网络，控制层业务范围不停扩大，GMPLS协议从现有VC4电路扩展到光层，能够对WDM/OTN网络波长和子波长进行标签交换，实现对承载于波长和子波长宽带业务端到端智能控制，GMPLS作为统一控制平面，能够实现传送网络全程全网端到端统一控制和调度。
3、OTN技术是在现在全光组网部分关键技术(如光缓存、光定时再生、光数字性能监视等)不成熟背景下基于现有光电技术折中提出传送网组网技术(G.872定义了光信道层（Och），光复用段层(OMS)和光传送段层（OTS），考虑到现在全光技术限制，又在光信道层之上增加了光信道净荷单元（OPU）、光信道数据单元（ODU）、光信道传送单元(OUT)三个电域子层)，但目标仍然是全光组网，也可认为现在OTN阶段是全光网络过渡阶段。