范亚希 王一超
北京清华华环电子股份有限公司
摘要：作为数据传输技术，以太网并不直接支持时分信道的传输。随着基础传输网络逐渐采用以太网技术，需要在以太网上有效地传送传统的时分复用信号，使现有的基于时分复用传输的各种终端设备得以继续使用，从而保护客户的投资。TDM over Ethernet为以太网成为多业务提供平台提供了技术基础。
关键词：时分复用，以太网，IP，定时，时钟恢复，服务质量，隧道，E1信道仿真
长期以来，电信业务和数据业务在两种不同网络上实现传输。近年，随着用户需求的多样化、网络管理的复杂化以及市场竞争所带来的巨大成本压力，在同一传输平台上融合实时业务和数据业务已成为大势所趋。而IP网络凭借其技术成本优势，将成为未来网络主体架构的首选。
目前，在SDH、PDH等传统的时分复用系统（TDM）上提供数据通道，例如传输以太网信号等，已经有了许多成熟的技术。但在以太网上传送实时业务方面，较多的努力都集中在终端方面，产生了各种将语音、图像等信息直接装入以太网（或IP）数据包中的特殊终端设备。例如VoIP技术，将PCM语音编码压缩后封装成IP包传输。与传统的TDM电话网络比较，IP网络传输的低廉成本是VoIP技术的最大优势。但添置或改造专用终端以及各种网络和网关设备，使建设前期需要较大的固定投资。在现阶段，大部分用户均已安装了运行可靠的传统PBX系统，安装全新的系统以迁移到综合网络上有较高的投资风险。在短期内，用户不可能，也无必要将长期以来基于TDM技术发展起来的各种终端全部改造成基于IP的新型终端。为了解决这种矛盾，我们提出了一种新的基于以太网的时分复用通道仿真技术--TDM over Ethernet技术。
采用TDM over Ethernet技术可以在以太网络中仿真实现透明TDM通道，例如E1、T1等，在发挥数据网低成本等优势的同时，与现有的TDM终端设备实现完全无缝连接。通过该技术，可以使现有在TDM电路上运行的各类业务直接适配到以太网中，例如传统的PSTN接入、ATM帧中继、ISDN、集中式用户交换等等。用户在不升级终端设备的前提下，通过充分利用以太网的剩余带宽，达到降低运营成本的目的。与VoIP比较，TDM over Ethernet技术应用更加广泛，通话质量更高，同时由于提供了仿真TDM通道，不再需要对PCM语音编码进行压缩，及重构电话信令。
技术要点
TDM over Ethernet技术的基本原理是将成帧或非成帧的TDM数据不作任何翻译和解释，封装为以太网数据包，通过基于包交换的以太网络透传到对端，再将数据包打开，恢复出完整的TDM数据流。对于用户而言，不考虑中间传输介质，相当于提供了一条透明的TDM通路。相近的技术有TDM over IP，与之相比比较，TDM over Ethernet的数据包只封装到MAC层上，具有更高的带宽效率和TDM仿真性能。随着以太网交换与传输技术的进步，以太网的覆盖范围越来越大，过去许多由路由器构成的IP网络，逐渐被以太网所代替。TDM over Ethernet 技术必将获得日益广泛的应用。
众所周知，TDM是一种时分复用技术；而以太网则采用统计复用技术，传输和交换基于数据包。时分复用技术具有带宽固定，传输时延小而稳定，信号定时透明度高，抖动、漂移小等优点，适合于话音、图像等对传输实时性和定时稳定性要求高的应用。其缺点是灵活性差，复用效率低。基于数据包的统计复用技术具有较高的复用效率和可扩展性，但没有有效的定时传送机制，延时和抖动很难控制。包传输更适合于对时延要求不严格、通常不需要准确恢复定时信息，但对传输误码敏感（因而允许出错重传）的数据传输场合。
利用以太网提供仿真TDM通道，在设计中主要面临两个技术要点。
1． 带宽问题
以太网采用统计复用共享带宽的工作模式，无法保证实时业务需要的固定独享带宽。所以带宽的利用和分配问题就比较突出。必须考虑尽可能的减少数据包中冗余信息，而冗余信息的最主要部分是以太网的报头。以以太网中比较常用的实时信号（音视频流等）封装格式为例，采用RTP(Real-Time Transport Protocol) over UDP over IP的实时协议，报头部分超过60个字节，如果TDM码流是E1信号，几乎相当于两个E1帧长。虽然这种封装协议在大型路由器中可以获得较高的优先级，但对于点到点应用和大多数不需要经过路由器的专网用户而言，显然是过于复杂。为了获得更高的传输效率，可以只在MAC层上进行封装，以减少报头开销，这也是TDM over IP与TDM over Ethernet的根本区别。
如果在同一对站点间需要多路TDM数据通信，可以通过将各站的多路TDM打包为一个以太网包，减少多路报头的开销，进一步提高传输效率。在TDM码流速率远低于以太网速率的情况下，这种打包方式还可以降低TDM存储转发的延时。
在一些比较特殊的应用中，如果作为传输平台的以太网链路十分紧张（如无线信道等），也可以通过对信道上其它数据业务进行流量控制以保证TDM业务带宽。实现方式是在TDM over Ethernet系统中建立带宽动态分配机制，在优先保证TDM数据通过的前提下，通过漏斗算法动态地将剩余带宽分配给其它数据业务。
2． 定时恢复问题
以太网自身的一些缺陷会对TDM over Ethernet系统的TDM信号出口时钟恢复造成不利影响。首先以太网的传输和交换基于统计复用技术，物理链路中不具备有效的定时传送机制，无法直接通过简单的码速时钟恢复方式在接收端重建TDM码流定时信息。
其次由于以太网采用共享信道，支持存储转发，数据包的传输延时无法控制，具有很大的随机性，包到达的先后顺序也可能发生随机改变。这种随机性反映在TDM数据的发送过程中，实际引入的瞬时抖动会远远超过正常TDM线路抖动容限。
最后因为以太网借以消除错误的出错重传机制，不能应用在TDM实时业务的传送中，所以线路传输误码和碰撞必然会引入丢包（以太网包长为64～1518字节）。这种长时间的数据丢失进一步增加了定时恢复的难度，并有可能导致接收端设备同步丢失。
正是由于以太网自身的特点，在TDM over Ethernet系统中，网络出口TDM码流定时信息的重建必须通过一些新的途径完成。比较简单的情况是，在信道两端的设备工作在同一个同步时钟网下。此时双向TDM数据具有相同的时钟频率。系统可以通过本地定时模式直接重建TDM输出码流，以获得较高的抖动及漂移特性。但在大多数情况下，数据网不提供全网同步机制，要求接收端直接从接收的数据包中重建高质量的TDM输出码流定时信息。这时，由于抖动、丢包等影响，无法采用一般的时钟恢复方式。为了解决这一难题，清华华环电子股份有限公司利用自身的技术优势，开发出了基于统计预测的全数字时钟恢复技术。
实际产品
目前，E1信号是在接入网中应用最广泛的TDM模式，基于TDM over Ethernet技术，清华华环公司在国内外率先推出EthMux系列产品。EthMux-2产品提供两路E1通道和一个附加的用户数据通道。图一给出了EthMux-2实现的简单框架。
图1 Ethmux-2基本框架
为了提高传输效率，采用MAC帧封装E1数据，两路E1打为一个包。用户有多个数据包长度选择，一般比较长的包会降低报头比例，从而提高传输效率，比较短的包可以降低传输包间隔，改善时延特性。在链路带宽比较紧张的情况下，用户可以通过附加的数据业务通道限制其它数据业务流量。具体流量可以16Kb的步长精确调整，以保证E1业务带宽。
对于支持802.1p（QoS）协议的以太网络，EthMux-2设备还可以通过配置基于IEEE802.1p的优先级控制字段，保证在网络负荷超过最大限度时，封装E1实时业务的数据包能够顺畅传输，减少拥塞的影响，提高运行可靠性。
在EthMux-2设备通过以太网链路背靠背连接的情况下，当封装长度设为256Bytes时，实际测得设备延时及E1码流恢复时钟指标为：
转发延时 ≤ 5.9 ms
时钟抖动(P-P) ≤ 0.12UI
频率漂移 ≤ 3.3 ppm
EthMux-2设备提供的附加数据通道，通常用于带宽较窄的以太网连接场合，例如在10M半双工网络上提供2路E1信道。在保证E1带宽的前提下，将剩余带宽用于数据通信。而这一特性也可以用在宽带以太网平台上，为一对EthMux-2所处的两个端点间提供一条带宽可设定的，保密性非常高的私有以太网通道。运营商可以利用这一特点，在向用户提供E1通道的同时，方便地提供虚拟专网，而无需对各种网络设备进行VLAN设置。
结束语
目前，基于SDH、TDM、ATM等的传统业务仍然占有大部分市场，同时，基于IP的新业务正在蓬勃发展，在众多领域内两种服务已经展开了激烈的竞争。但从长远发展看，在新一代信息网络中，IP网必然成为基础网络架构的首选。这就导致在向新一代网络的过渡中，不可避免地存在两个发展趋势，一方面，各种传统业务模式向基于IP的模式转换，例如VoIP等。另一方面，要在IP网络上提供TDM业务仿真通道，即所谓的"Everything over IP"概念。TDM over Ethernet技术的产生正是符合了这种概念。
作为一种过渡技术，TDM over Ethernet以最简单的方式，解决了现有终端设备于以太网链路无缝连接的问题。在继承TDM业务服务质量的同时，完成向新一代信息网络的过渡。为传统网络的改造和专网建设提供了一套低成本的解决方案。
由CHINA通信网组稿
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