范亚希 王一超
北京清华华环电子股份有限公司
伴随着Internet的迅速发展，IP已经成为综合业务通信的首选协议，其承载的信息量也在成倍增长。如何利用以时分复用（TDM）为技术基础的电信传输网承载IP数据包，是近年来研究的热点。Packet over SDH（POS）就是为适应这一需求而发展起来的传输技术。POS将数据包直接装入SDH的容器中，通道开销少、实现简单。
将数据包适配入TDM通道面临一个难题。现有的电信传输体制来源于PDH和SDH的复用等级，传输信道的带宽（以欧洲及我国标准为例）分别为2.048Mb/s，34.368Mb/s，155.52Mb/s，622.08Mb/s等，每个等级的带宽跨度很大。然而数据业务对带宽需求的多样性程度远远超出了现有TDM通道所能提供的选择。举例来说，某个应用需要10M带宽的数据通道，若选择E1（或POS中的VC-12容器）显然不能满足要求；但如果选择E3（或POS中的VC-3容器），则构成对传输带宽资源的巨大浪费。为此，许多传输设备供应商在其最新型的SDH设备中增加了VC容器虚级联功能，例如采用5个VC-12虚级联为上述需求提供适当的带宽。之所以采用虚级联，而不采用实级联，主要是考虑到现有传输网络中的节点设备并不都支持级联容器的处理。
SDH容器虚级联技术很好地解决了现有电信传输体制与数据传输带宽需求之间的匹配问题。但是将现存的大量运行于通信网上的SDH甚至PDH传输设备，全部更换为具有虚级联功能的新设备，在经济上显然是不可行的。而E1虚级联技术，或称反向复用技术，则为充分利用现有网络资源，为数据网络应用按需分配带宽，提供了一种经济灵活，行之有效的解决方案。
1. E1虚级联的含义及技术要求
虚级联的基本概念就是把一路高速数据，例如以太网或V.35数据，适配到N路互相独立的低速信道中传输，提供相当于多路低速通道容量之和的传输带宽。当实际低速传输通道为E1时，便是E1虚级联。技术上，我们主要关心以下几点性能:
1.1 带宽利用率
利用低速信道传输高速数据时，必须有附加的开销，因而会影响带宽利用率。开销多，对实现反向复用功能有利，但会降低带宽的使用效率。
1.2 容纳延时
由于各路低速信道在传输过程中经历的路径可能不同，有时甚至通过不同的传输介质，例如光纤和微波线路，因而到达对端后各路信号之间会有延时差异，设计中要考虑消除这部分延时差带来的问题。设计容纳延时能力过小，则对于一些传输延时离散较大的应用场合将难以适应；过大，则增加传输开销，降低带宽使用率，并增加设备复杂度和成本。
1.3 线路容错
互相独立的E1信道可能会出现传输故障，例如电缆接触不良，或某信道误码率过高等。E1虚级联设备应该具有良好的容错性能，当某个或某些E1信道出现传输故障时，可以自动将故障信道排除在外，允许在降低总体传输容量的同时保证线路的畅通。此外，算法设计中必需有同步保护机制，保证传输信道出现误码时，算法不会产生过高的误码扩散，并且在信道错误恢复时，保证数据传输同步恢复。
1.4 数据包突发性
将E1虚级联用于以太网适配时，通道的有效带宽通常高于平均流量，而低于极限速率。例如用8E1虚级联传送100Base-T，以太网的满发送速率为100M，而低速信道的最大可配带宽为16M，导致即使平均流量小于配置带宽,一个短时间内，接收的数据量还有可能远大于传输带宽。所以在以太网数据的输入侧必须设计高容量的缓存队列容纳一定的突发数据包。
2. 实现方案
以下就100Base-T/NxE1反向复用设备介绍E1虚级联的实现方案。
2.1 以太网数据→多路E1反向复用
数据反向适配一般可以采用三种方式，包间插、比特间插和字节间插。所谓包间插就是指数据包到达后，连续检测各个E1信道，在第一个查到的空闲信道上顺序传输整个数据包，下一包到达后再重复这一过程。这种方式的优点是设计简单，在对端也不需要对多路E1进行同步，各路数据可以单独处理，其缺点是由于各路E1传输过程中经历延时不同，导致对端接收数据包的顺序与发端顺序有较大差别，而且考虑发包比较稀疏的情况，一个长包完全在一路E1中传递，其它E1通道没有数据包传送，一方面造成带宽浪费，另一方面也引入较大的转发延时。
比特间插在传输过程中没有包的概念，只是顺序从以太网数据输入缓存区内读出比特流按1－n（n路E1）循环编号，编号为i的比特在的i路E1中传输。这种设计电路较复杂，对端要对多路E1同步到比特单位才能还原出有效数据。其优点是带宽效率高，没有输入输出包顺序的变化，转发延时也是固定的。
字节间插是比较折中的解决方案。它的基本原理与比特间插类似，但从缓存区读出的数据和编号都是以字节为单位，每个字节经过串并转换后在对应编号的E1信道中传输。它继承了比特间插的优点，同时由于对端只需同步到字节单位上，处理时钟较为宽裕，同步电路设计也就相对简单。
2.2 E1接收数据同步
E1接收侧要完成的功能是从多路E1数据中还原出以太网数据包。简单看就是发送侧反向复用的逆过程，通过高速时钟循环从1→N路E1中各读出一字节合成一路数据。但由于各路E1在传递过程中经过延时不同，同一时刻到达字节不对齐，在合并前必须对多路E1进行同步。考虑到同步过程的复杂性，在设计算法时可采用分步处理，以降低复杂度。
第一步处理是根据帧结构中的帧同步码，通过置位同步法完成单路E1帧同步。
第二步处理根据E1帧同步产生的帧计数器和每路数据中的复帧计数器消除各路之间的延时及时钟相位差。
在线路误码率较低时，E1帧同步丢失较少，影响第二步处理的只有数据中的复帧计数字节。在没有保护的条件下，假设目前某一路由于误码使其读数由正确值A变为B，因为下一轮开始时A、B位置帧会重写，所以该误码只会影响当前一轮256帧中的A、B两帧，不会对数据整体逻辑产生较大影响，其它位置的误码会在后续的HDLC帧同步处理中检测。
3. 实际产品性能分析
本文介绍的以太网/多路E1虚级联适配技术已实际应用在清华华环公司H0EL－4100和H0EL－8100 两种E1/100 Base-TX反向复用器中，前者可以将10/100Base-Tx以太网信号通过1~4个E1虚级联传输，后者则支持多至8个E1信道的虚级联。
在本设计中，以太网包进入芯片后封装成HDLC帧需要四字节附加信息。E1帧在传输HDLC数据同时要携带同步信息，占用6.25％带宽。综合上述两点，有效数据平均带宽利用率大约在90％。由于以太网吞吐量包括IEEE802.3规定的前导和SFD字节。为了充分利用传输带宽，设计中没有将这些字节通过E1信道传输到对端，而是在接收端重建这些字节，所以在包长较短时，测试值甚至大于实际E1信道容量。表1是实际产品的吞吐量测试结果。
表2是在8路E1配置下，以15M速率发包测得的以太网数据经两端设备传输延时。
为了容纳各路E1间的相对线路延时，设计中做了相应考虑。发送时对每帧E1加时间标签，接收时根据时间标签的值对接收E1帧重排序，可容纳正负128帧的相对延时，对应时间为128×0.125＝16mS。提供较大的相对延时容纳能力，使H0EL系列反向复用器不仅适用于各路E1信道传输延时离散度较大的广域网络互联，而且可以用于不同传输路由或不同传输介质提供的延时差异较大的E1信道。这种路由或介质互为保护的应用可提高传输的可靠性。
以太网输入缓存区的设计主要是考虑可以承受的突发包容量。在充分利用缓存区存储空间的同时，不能引入过大的附加转发延时。表3是H0EL－8100设备在配置为8路E1，即16M有效传输带宽时的突发包长测试结果。在突发时间内，以100M全速率发测试包，丢包率为0。
为了方便用户对设备的管理，和对业务种类及流量的控制，除上述主要性能指标外，H0EL系列反向复用器还具备其他技术特点，包括支持远端集中监控， E1自适应能力，可内置支持VLAN/QoS的以太网交换模块和100Base-Tx光接口等。
4. 结束语
当前，IP技术正在蓬勃发展，其应用范围已经由传统的计算机网络扩展到包括电信在内的诸多领域。如何利用电信传输网承载IP业务是今后必需要面对的问题。作为采用VC虚级联的POS设备的替代技术，E1虚级联为用户提供了一种有效的解决方案，它更充分地利用了现有传输资源，具有组网灵活、成本低、带宽易调节等特点。目前该项技术在中小规模跨地域局域网的组建中正在得到了日益广泛的应用。
欢迎在10月29号——11月2号莅临2002年中国国际通信设备技术展览会，清华华环展位号——2BD2。
由CHINA通信网组稿
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