《光纤通信网络》PPT课件.ppt

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1、第8章 光纤通信网络,8.1 通信网的发展8.2 SDH传送网 8.3 WDM光网络 8.4 光接入网,第14讲 全光通信网,一、全光网络的兴起与发展二、全光网的分层结构和网络结构三、OXC和OADM 四、全光网的网络管理五、全光网的传输限制,一、全光网络的兴起与发展1、从WDM传输系统到光网络,2、发展的驱动力,市场的需求:人类社会对通信容量的需求持续增长；光纤传输容量已达到Tb/s量级；网络的瓶径越来越集中在交换节点上，对光交换需求迫切。技术上的成熟程度：ATM光交换或分组光交换技术上尚不成熟；WDM技术成熟，且可以提供波长路由。,3、光子交换的类型,（1）空分交换（2）时分交换（3）波分

2、交换（4）混合交换,（1）空分交换,22 空间光开关的实现方案,机械光开关,2维MOEMS,微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过SDA（Scratch Drive Actuator）调节器调节平移盘使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该微镜，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。,三维主要靠两个N微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜都有多个可能的位置，为确保任何时刻微镜都处于正确的位置，其控制电路需要十分复杂的模拟驱动方法，较二维复杂的多。,三维

3、MOEMS,热光开关,MZI型热光开关,Y型分支热光开关结构,加热器下面的波导的折射率减小，相应的，光功率被转向另一分支即处于开的状态，而在有源加热器的分支则处于关的状态,88热光开关矩阵,（2）时分交换,时隙交换器(time slot interchanger)缓存器,四种时隙交换器,光突发交换集中了较大粒度的波长（电路）交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并避免两者的不足，因此能有效地支持上层协议或高层用户产生的突发业务。在OBS中，首先在控制波长上发送控制（连接建立）分组，然后在另一个不同的波长上发送突发数据。,光突发交换（BOS）网络,（3）波分交换,波分光交换需要波长交换器 WC（

4、Wavelength converter)波分交换和波长路由,（4）空分波分光交换,4、WDM全光网的优点,（1）极大地提高网络的传输容量和节点的吞吐量，适应未来信息社会对容量和带宽的需求；（2）WDM全光网对信号的速率和格式透明，从而提供透明的光平台；（3）提供灵活的波长选路、动态资源配置能力，使组网更加灵活；（4）可以在光层实现网络的重构、故障的自动恢复和自愈，从而建成具有高度透明性、灵活性和生存性的光网络。,5、WDM全光网的发展情况,（1）美国MONET网络试验 MONET是“多波长光网络”计划的简称。该计划由AT&T、Bellcore和朗讯科技牵头，参加单位包括Bell亚特兰大、南B

5、ell公司、太平洋Telesis、美国国家安全局（NSA）和美国海军研究所（NRL）。MONET项目的试验目标是把网络结构、先进的技术、网络管理和网络经济综合在一起，以实现一种高性能的、经济有效的、可靠的多波长光网络，并且该网络的规模最终可以扩展为全国网。MONET的现场试验网由三部分组成，即MONET NJ网、华盛顿DC网以及连接两个试验区的长途多波长光纤链路。MONET项目定义和开发了一组MONET网络单元的概念。包括波长终端复用器（WTM）、波长分插复用器（WADM）、多波长放大器（WAMP）、波长路由器（WR）、波长选择交叉连接（WSXC）和波长互换交叉连接（WIXC）。,（2）PHO

6、TON网络试验,PHOTON即“泛欧光子传送叠加网”的缩写，是欧共体ACTS开发计划关于光网络研究领域的一个子项目。PHOTON项目的主要试验目标包括：精确地定义未来基于全光方式的泛欧传送网的概念；在现有的标准单模光纤传输设施基础上建立现场试验网，用于演示关键技术的实现；演示全光WDM传输，每波长传输比特速率可达10Gb/s，传输距离最长为500km；演示WDM交叉连接以及光网络的监视；通过边缘交叉高比特率传送数据试验WDM光传送网的应用。,（3）全光网正走向实用化（99国际电信博览会）,（4）我国的研究情况,9698年863-317立项进行全光实验网的前期研究；9598年原邮电部立项并由北邮

7、完成2.5Gb/s全光通信系统的研制；992003年NSFC将全光网的基础研究立为重大项目；992000年863-300将“中国高速信息示范网”立为重大研究项目；992000年NSFC立重大项目“中国高速互连网”。,北大、清华、北邮完成的全光实验网（1998，4）,二、WDM全光网的分层结构和网络结构,1、WDM全光网的分层结构2、光传送网的网络节点接口2、WDM全光网的拓扑结构3、WDM环网结构,1、光传送网的分层结构,（1）WDM全光网的分层结构在现存的传送网的电复用段层和物理层之间加入光层；光层又分为：光信道层（OCH）光复用段层（OMS）光传输段层（OTS）,（2）各层的功能,光信道层

8、(OCH，Optical Channel Layer)光信道层负责为来自电复用段层的客户信息选择路由和分配波长，为灵活的网络选路安排光信道连接；处理光信道开销，提供光信道层的检测、管理功能；并在故障发生时，通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护倒换和网络恢复。,光复用段层(OMS，Optical Multiplexing Section Layer),该层保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输，为多波长信号提供网络功能。主要包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段连接；为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销；为段层的运行和维护提供光复用段

9、的检测和管理功能。,光传输段层(OTS，Optical Transmission Section Layer),该层为光信号在不同类型的光媒质（如G.652、G.653、G.655光纤等）上提供传输功能，同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。通常会涉及以下问题：EDFA增益控制和增益均衡问题色散的积累和补偿问题。,（3）各层的定界,2、光传送网的网络节点接口（ITU-T G.709）,定义了n阶光传送模块（OTM-n）OTM:OTM-n(n1):光传输段层（OTS）光复用段层（OMS）光通道层（OCh）光信道层的结构:光信道传送单元（OTU）光信道数据单元（ODU）光信道净负荷单元（O

10、PU）,Figure 63/G.709 Structure of the ONNI(Optical Network Node Interface),光通道数据单元(ODUk)的帧结构,第1行的第1到第16列是预留给光通道传送单元k(OTUk)的开销所用；第2到第4行的第1到第16列是预留给光通道数据单元(ODUk)的特殊的 开销所用；第1到第4行的第17到第3824列是留给光通道传送单元的净负荷所用；第1到第4行的第3825到第4080列是用作光通道传送单元的前向纠错。,Figure 81/G.709 OTM-n IrDI multiplexing and mapping structure,

11、3、WDM全光网的拓扑结构,（1）物理拓扑和逻辑拓扑的概念（2）光传送网的物理拓扑（3）光传送网的逻辑拓扑,（1）物理拓扑和逻辑拓扑的概念,物理拓扑：是指由网络节点和波分复用链路构成的网络物理连接结构，与光缆线路的敷设路由直接相关，通常不可能随业务改变而随时改变。逻辑拓扑：指的是网络节点之间业务的分布状况，它与物理拓扑紧密联系，利用光通道概念构成的逻辑拓扑与节点之间的业务分布情况紧密相关，可以由软件配置而比较容易改变。,（2）光传送网的物理拓扑,线形拓扑：非闭合的链路形式，结构简单，上下路方便，但生存性差。星形拓扑：枢纽结构，只有中心节点与其它所有节点有物理连接，为网络的综合管理提供条件，但存

12、在中心节点失效问题。通常用于分配网络。树形拓扑：星形和线形拓扑的结合。环形拓扑：实现简单，生存性强。网孔形拓扑：绝大部分节点对都存在直接的通信通道，生存力强，但相应的控制和管理相当复杂。,（3）逻辑拓扑,星形：星形逻辑拓扑有单星形和双星形两种，在单星形结构中，存在一个中心节点（M）负责与其它节点（S）沟通。平衡式拓扑：只有存在物理连接的节点之间才有业务联系，只存在于线形与环形物理拓扑的网络中，没有物理连接的节点之间的通信将要通过所有中间节点的中转才能实现，在很大程度上丧失了全光通信网络的灵活性。通常只用于相邻节点间有业务的情况。网状拓扑：除了可以保证所有网络节点都能建立通信连接之外，绝大部分节

13、点对都存在直接的通信通道，这种逻辑拓扑有很强的生存能力，但相应的控制和管理相当复杂。,4、WDM环网结构,（1）环网的优点（2）复用段倒换环：单向二纤环 双向二纤环 四纤WDM环（3）通道倒换环,（1）环网的优点,生存能力强 恢复时间短 易于扩容和平滑升级（2）复用段倒换环,二纤单向光复用段保护环,二纤单向光复用段保护环的特点,外环光纤为工作光纤，其中复用的波长携带工作业务，内环光纤为备用光纤，复用保护波长。在这种环状结构中，节点之间的通信业务由预定波长携带，对应的来业务方向与去业务方向是同向传输的。,二纤双向光复用段保护环,二纤双向光复用段保护环的特点,工作通道使用两根光纤传输，也就是内外环

14、光纤复用的波长一半用作传输工作业务，同时另一半波长保留用来提供保护能力，即外环光纤的工作波长将由内环光纤的保护波长提供保护，内环光纤的工作波长由外环光纤的保护波长保护。为了实现波长的双向传输，网络节点（如OADM）和光放大器必须要有同时处理双向传输波长的能力。双向两纤环的主要优点是提供了波长的重用能力，这样在网络波长总量不变的情况下，能够提供比单向两纤环更多的通信通道，而大大提高了环形网络波长的使用效率。,四纤保护环,四纤保护环的特点,在四纤环中，相邻节点用四根光纤连接，它们可以分成传输方向相反的两对光纤，其中一对为工作光纤，另一对为保护光纤。图中，实线所示为工作光纤对，虚线为保护光纤对。在四

15、纤环中，网络节点之间复用波长数量相同的情况下，由于采用了空间复用(不同光纤传输)，这种结构的网络可以降低单根光纤复用的波长数量，而且波长的重用性也得到了提高，但有关的控制较复杂。,（3）光通道保护环,三、节点结构,1、OXC节点结构2、OADM节点结构3、波长变换器,1)波长通道网络和虚波长通道网络 波长通道（WP：Wavelength Path）波长通道是指OXC没有波长转换功能，光通道在不同的波 长复用段中必须使用相同波长实现。这样，必须找到一条链路，在构成这条链路的所有波长复用段中，存在一个共同的空闲波长。如果找不到这样一条链路，该传送请求失败。波长通道方式要求光通道层在选路和分配波长时

16、必须采用集中控制方式，因为只有在掌握了整个网络所有波长复用段的波长占用情况后，才可能为一个新传送请求选一条合适的路由。,1、OXC节点结构,虚波长通道（VWP：Virtual Wavelength Path）,虚波长通道是指利用OXC的波长转换功能，使光通道在不同的波长复用段可以占用不同的波长，从而可以有效地利用各波长复用段的空闲波长来建立传送请求，提高波长的利用率。建立虚波长通道时，光通道层只需找到一条链路，其中每个波长复用段都有空闲波长即可。在虚波长通道运作方式下，确定通道的传送链路后，各波长复用段的波长可以逐个分配，因此可以进行分布式控制。这种方法可以大大降低光通道层选路的复杂性。,2)

17、OXC性能的评估指标,（1）是只支持波长通道，还是可以支持虚波长通道，这关系波长阻塞概率。（2）阻塞特性：交换网络的阻塞特性可分为绝对无阻塞型、可重构无阻塞型和阻塞型三种。当不同输入链路中同一波长的信号要连接到同一输出链路时，只支持波长通道的OXC结构会发生阻塞，但这种阻塞可以通过选路算法来预防。而可重构无阻塞是指如果没有经过合理优化配置就会发生堵塞。（3）链路模块性：如果除了增加新模块外，不需改动现有OXC结构，就能增加节点的输入/输出链路数，则称这种结构具有链路模块性。这样就可以很方便地通过增加链路数来进行网络扩容。,（4）波长模块性：如果除了增加新模块外，不需改动现有OXC结构，就能增加

18、每条链路中复用的波长数，则称这种结构具有波长模块性。这样就可以很方便地通过增加每条链路的容量来进行网络扩容。（5）广播发送能力：如果输入光通道中的信号经过OXC节点后，可以被广播发送到多个输出的光通道中，称这种结构具有广播发送能力。这种能力在一些新业务中是必要的。（6）成本：成本是将来哪种结构占主要地位的关键因素之一。在节点的输入/输出光通道数一定时，所需的器件越少，越便宜，则成本越低。,2)OXC性能的评估指标(续）,3)OXC的物理结构,基于空间交换的OXC结构 a.基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构 b.基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构 c.基于分送耦合开关

19、的OXC结构 d.基于平行波长开关的OXC结构 基于波长交换的OXC结构 a.基于阵列波导光栅复用器的三级波长交换OXC结构 b.完全基于波长交换的OXC结构,基于空间交换的OXC结构,a.基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构,基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构,图(a)特点：具有MN2个交叉点；不支持虚波长通道；具有波长模块性。图(b)特点：具有M2N2 交叉点；可以有端口指配；支持虚波长通道；既无波长模块性，又无链路模块性。,b.基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构,基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的OXC结构,图(a)特点：具有MN2个交叉点；不

20、支持虚波长通道；具有波长模块性；具有广播发送能力。图(b)特点：支持虚波长通道；其它特性同(a)。,c.基于分送耦合开关的OXC结构,MN分送耦合开关的结构,基于分送耦合开关的OXC结构,图(a)特点：具有MN2个交叉点；支持虚波长通道；具有波长模块性；利用解复用器就可获得广播发送能力。图(b)特点：具有链路模块性；其它特性同(a)。,（2）基于波长交换的OXC结构,a.基于阵列波导光栅复用器的三级波长交换OXC结构,b.完全基于波长交换的OXC结构,2、OADM节点结构,分波器波长交换单元合波器耦合单元滤波单元合波器基于声光可调谐滤波器（AOTF）基于波长光栅路由器（WGR）,1)分波器光开

21、关矩阵合波器,2)耦合单元滤波单元合波器,3)基于声光可调谐滤波器（AOTF）,4)基于波长光栅路由器（WGR）,基于AWG和滤波器及光环形器的双向OADM,3、波长变换器,1）波长变换器的作用和要求2）波长变换器的类型3）各种波长变换器的比较,1）波长变换器的作用和要求,波长变换器是解决全光网中波长路由竞争的关键器件，是充分发挥WDM带宽资源的必要手段。,对波长变换器的要求,对比特率和信号形式应具有透明性；变换速率快（10Gb/s以上）；既能向短波长变换，又能向长波长变换；适当的输入功率（不大于0dBm）；较宽的变换范围；可以无变化（即相同的输入输出波长）；偏振不敏感；低啁啾输出，高信噪比，

22、高消光比；实现简单。,2）各种波长变换器,光电光型波长变换器 基于半导体光放大器的交叉增益调制基于半导体光放大器的交叉相位调制基于半导体激光器或光纤中的四波混频（FWM）效应或不同频率产生（DFG）的全光波长变换器。,基于SOA中XGM的AOWC原理图,基于半导体光放大器的交叉增益调制,基于SOA的交叉增益调制的AOWC的特点,变换速度快（40Gb/s）；转换效率高；结构简单，实现容易；消光比性能差（8dB左右），向长波和向短波方向变换的消光比不一样；存在自发幅射噪声，信噪比差；信号反向；啁啾较严重。,基于半导体光放大器的交叉相位调制,二端口Mach-Zehnder干涉型 全光波长变换器,三端

23、口Mach-Zehnder干涉型 全光波长变换器,基于SOA的交叉相位调制的AOWC的特点,变换速度快（40Gb/s），转换效率高；消光比好（15dB左右），信噪比好；信号可以同向，也可以反向；啁啾较好；M-Z干涉器和SOA可以采用单片集成技术成本较高。,基于四波混频效应,3）各种波长变换器的比较,四、全光网的管理,原子功能模型光传送网管理的特殊要求光传送网开销信道的实现,1、原子功能模型,2、光传送网管理的特殊要求（1）由于全光网中客户信号的传送、复用、选路、监视等处理功能都是在光域上进行，因此光网络的管理方式必须适应光层管理的特点和要求；（2）在光传送网中引入了一些不同于SDH/ATM的管

24、理实体如对光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备的管理；（3）全光网的一个重要优点就是它的协议透明性，即在单一的物理架构中可以同时存在多种形式的协议流。因为无法预知网络使用的协议，所以光传送网需要有自己的管理信息结构和开销方案；（4）全光网的最终目标是实现可以支持各种传送业务的统一的光平台，因此全光网的管理需要考虑与现有的SDH/ATM传送网管理的配合问题。,3、光传送网开销信道的实现,带内方式：副载波调制 数据包封带外方式：光监控信道（OSC）,监控信道帧结构,五、全光网的传输限制,同频串扰（相干和非相干的）环路问题非线性光学效应色散的积 累ASE噪声,1、同频串扰,原因：（1）复

25、用器/解复用器引入的串扰（2）光开关 的隔离度有限（3）滤波器引入的串扰 类型：（1）异频串扰（2）同频串扰：相干串扰 非相干串扰,1）同频串扰的产生,三种途径：信号本身从解复用器泄漏一部分功率到其它信道，由于光开关处于平行状态，经过不同的路由后在复用器又与原信号耦合在一起；其它链路中同频的信号漏过解复用器和复用器的部分；其它链路中相同频率的光信号(如0b)通过同一光开关时，由光开关不理想产生的串扰。,2)同频串扰的计算,3)同频串扰的影响因素,(a)噪声功率与信号和串扰的极化方向的夹角有关。当信号和串扰的极化方向相同时，噪声功率最大；极化方向垂直时，噪声功率为0。,接收机带宽与激光器线宽的关

26、系对系统功率恶化量有重要影响。当 Be 线宽时，拍频噪声全部落在接收机带宽内，功率恶化量最大；而当 Be/线宽0.1时，同频串扰对系统的影响非常小。采用较大的激光器可减小同频串扰的影响,但这与系统对色散的要求相矛盾,(b)接收机带宽与激光器线宽的关系,(c)串扰与信号的中心频率偏差对功率恶化量的影响明显,(d)消光比对点到点光纤通信系统和光网络中系统的影响变化趋势不同，光网络中对激光器消光比的要求更为严格。,2、光网络中的环路问题,WDM光网络中的 环和 环 泄漏环,实验中观察到的泄漏环,(a)当A点断开时，OADM1前后的光谱,(b)环网中的ASE光谱，(c)环网中的信号光谱和ASE光谱,(

27、d)OADM1下路端的信号光谱和ASE光谱。,泄漏环的解决方案,消除泄漏：所有的节点都采用带通滤波器，或者保证所有的光滤波器的带宽和中心波长都相同。由于泄漏环形成激射的条件是环路净增益大于1，只要能监视并控制环路增益就可以及时发现并消除激射。这种功率管理方案必须具有实时性。针对具体的网络情况，如复用的波长数、波长间隔和光信道的通带要求，为特定的陷波滤波器设计相应的补偿器，使其具有带通滤波器的特点，从而使泄漏部分无法通过。同时这种方法也可以消除环。,六、光时分复用技术（OTDM）,超短脉冲光源超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术光时钟提取技术帧同步及路序确定技术全光解复用技术,OTDM关键技术,

28、NOLM的基本原理是利用强光下光纤折射率的非线性调制。若在WDM耦合器输入处注入顺时钟方向传输的较强的时钟信号，并使其与输入的OTDM信号中某一信道的信号在时域上完全重合，由于非线性折射率调制效应，使得两个方向传输的光产生不同的相移，当相位差为时，则在NOLM输出端输出与时钟相同的解复用信号。,七、光传送网的发展趋势,与因特网结合，允许多业务直接接入向智能光网发展：GMPLS ASON向大规模、多粒度交叉连接,1、数据网和光网的融合,全球IP流量爆炸式的增长，数据流量已经开始超过话音流量；WDM宽带、大容量的特点满足IP流量爆炸式的增长的需求；IP over SDH over WDM 和IP

29、over GE over WDM 的应用获得成功；为减少网络功能的重叠、减小开销损失，将IP直接架构在WDM上是发展的必然趋势。,自动交换光网络(ASON/ASTN)是智能光网的主流方向，最先在2000年3月的ITU-T SG 13会议上提出，两年来发展迅速。网络结构最核心的特点就是支持电子交换设备动态向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自主的去建立或者拆除光通道，不需要人工干预。ASON网络由控制平面、管理平面和传送平面构成。支持三种连接管理：永久连接（PC）、交换连接（SC）和软永久连接（SPC）。,2、智能光网的发展,6.5 光纤局域网

30、,所谓局域网包括两种不同性质的通信网：一类是公用广域网（MAN）中用以连接交换局和用户终端的用户线路和远端交换站部分;另一类是专用局域网。而光纤局域网（LAN）就是一种专用局域网，它是公用MAN的子网。,光纤局域网的体系模型如图6.20所示。专用的LAN的拓扑结构通常是简单的总线型或环型，各个节点共用一个传输媒质系统，因此，一般不需要路由选择功能。又由于共用一个媒质系统，各节点必须具备媒质接入控制器和一套媒质接入控制的协议以便各节点都按一定的规则占用传输媒质进行信息传送，从而防止不必要的竞争使网络性能恶化。,图6.20 几种体系结构模型,6.5.1 局域网的拓扑结构 光纤局域网的基本结构一般是

31、总线型和环型。1总线型光纤局域网的拓扑结构 所谓总线型，就是各节点都直接连接到一个公用的总线的媒质系统上。总线型结构的示意图如图6.21所示，从图中可以看出，每个分站都有光发射和光接收，每个终端站都有光耦合器与光纤总线相连。光纤总线分为无源和有源两类。有源光纤总线网除了光纤和光纤耦合器之外还有光中继器。光纤耦合器一般有三种，T形耦合器，Y形耦合器和星形耦合器。用不同的耦合器可以构成各种形状的光纤总线结构。,图6.21 总线型连接局域网构成示意图,这种总线网的优点是：（1）节点上下网方便，一个节点的故障不会影响其它节点的正常工作，就是说，总线网的可靠性较高；（2）节点的构成简单，成本低。总线网的

32、缺点是：（1）无源总线网中的一个节点发送的光信号必须经总线分配给所有的其它节点，因此，会带来相当大的总线损耗，从而限制了网径和网的容量；（2）在各种结构的总线网中除了线性总线外，都不适合高速传输。,2环型光纤局域网的拓扑 环型光纤网中节点与光纤环路的连接都采用有源接入方式，不需要光纤耦合器，因此环网的结构种类较少。主要有双环网和星状环网。双环网结构如图6.22所示。在这种网中，每个节点必须有两套光收发系统与两个环路相连，两个环的信号传输方向通常是相反的。,图6.22 双环光纤网,星型环网的结构如图6.23所示。图中接线中心由许多光转发器连接成一个光纤环，各转发器中包含两套光收发系统，一套与光纤

33、环相连，另一套经光缆与远方节点相连。相对总线网的的优缺点，环型网的缺点是：（1）一个节点或一段光纤故障就会使全网瘫痪，所以可靠性较差；（2）环型网的节点站的结构比较复杂，所以节点站的设计和制造都比较困难。,环型网的优点是：（1）网径和网的容量较大；（2）由于节点串接的缘故，环型网适于高速传输。,图6.23 星状环网,3环型网与总线网的复合 环型网与总线网的复合结构是以光纤双环网为主干网，以光纤和电缆总线网为子网。两种网通过环网节点中的网关相互连接。采用网关是为两个网的通信协议往往是不同的。网关的作用是协议转换和数据速率变换。这种复合型光纤网特别适合于大型局域网和城域网。环型网与总线网的复合结构

34、见图6.24。,图6.24 环型网与总线网的复合结构,6.5.2 局域网的媒质接入控制（MAC）协议 影响和决定局域网的最主要的因素和技术除了网络拓扑结构外还有传输媒质和媒质接入控制（MAC）方式。局域网所用的传输媒质有双绞线、同轴电缆和光纤等。目前由于光纤的巨大优点以及光纤技术的快速发展，光纤局域网已经逐步取代了电缆网。而媒质接入控制（MAC）方式是局域网的关键技术，包括各种复用方式，交换方式和控制方式，如图6.25所示。下面我们介绍几个常见的MAC协议。,1CSMA/CD协议 IEEE802.3标准的MAC协议是CSMA/CD方式，也就是载波监听多路接入/碰撞检测方式。以这种方式工作的两个

35、或多个工作站共享一个公共的总线传输媒质。某个工作站要发送信息，必须等到传输媒质空闲，才能以串行形式发送指定的信息，以减少各工作站发送信息时之间的碰撞，提高信道利用率，这就是监听CSMA。如若发生碰撞，则每个发送站都要立即停止发送信息，并发出一个简单的阻塞信号，以减少碰撞时间，也能提高信道利用率，这就是CD。然后，发送站在退避一段时间后，再次试图发送。,图6.25 MAC方式分类,2令牌总线协议 IEEE802.4标准的MAC协议是令牌总线方式，它是用令牌控制接入传输媒质的权利，只有掌握了令牌的工作站才暂时获得媒质，才可通过传输媒质发送数据。虽然各工作站共享一条物理总线，可以接收所有发送的信号，

36、但是令牌是从一个站传到另一个站，从而形成一个逻辑环，如图6.26所示。各个站的物理连接对于逻辑环的传递次序没有影响。不在逻辑环内的站（如H和F站），由于得不到令牌，因此不能发送数据，但可以接收数据和响应询问。,图6.26 令牌总线网的结构,每个工作站都具有让逻辑环初始化、恢复遗失的令牌、新站加入等管理功能。MAC子层通过逻辑环将对媒质的控制从一个工作站传递到下一个工作站，提供对共享媒质的顺序接入。还通过识别和接收上一个工作站来的令牌来决定本站何时有权接入媒质，并决定何时应该将令牌传递给下一个工作站。,3令牌环协议 IEEE802.5标准的MAC协议是令牌环方式，它是由传输媒质把一组工作站串联组

37、成一个环状，如图6.27所示。令牌环协议中信息是一个比特一个比特地从一个工作站传至下一个工作站的。通常每个站再生和转发每一个比特，并可通过它把工作站连到环上，达到与环上其它工作站相互通信的目的。对媒质具有接入权的某个工作站可把待发信息发送到环上，并将在环上从一个站到下一个站地环行。,当信息通过所寻址的目的站时就拷贝此信息，最后由发送该信息的站从环上取消此信息。当一个站检测到令牌时，它就取得了发送信息的权力。在完成信息的发送和对正常操作进行相应的检验之后，该站将发一个新令牌以供其它站获得使用环路的机会。,图6.27 令牌环网的逻辑结构,6.5.3 光纤局域网的发展 在短短的十几年间，光纤局域网的

38、发展经历了以下几个方面的重大演变：（1)在电缆局域网的基础上发展低速光纤计算机局域网；（2）由低速光纤局域网发展到第二代的高速光纤计算机局域网；（3）由高速光纤计算机局域网发展到宽带综合业务光纤局域网及城域网。,就目前的这种发展趋势可以预测未来的光纤局域网的发展趋势：（1）进一步高速化和宽带化；（2）研究和发展光波长交换技术，这是在WDM基础上发展的光交换技术；（3）相应于前两种技术的发展，研究新型网络拓扑结构及其通信协议；（4）在光纤局域网中发展和应用ATM技术。,6.6 同步数字网(SDH),6.6.1 SDH网产生的技术背景 随着信息社会的发展，人们要求得到高质量的信息服务，要求通信网提

39、供多种多样的电信业务，且通过电信网传输、交换、处理的信息量将不断增加，这就要求现代化通信网向数字化、综合化、智能化和个人化发展。,1缺乏统一的世界标准 以前数字通信的信号系列是准同步数字系列（PDH），它只有地区性的电接口规范，不存在世界性的标准，这样造成了世界互通的困难。2缺乏统一的光接口标准 由于各个厂家采用各自开发的线路码型，使得同一等级的光接口的信号速率不一样，致使不同厂家的设备无法相互兼容。这给组网、管理及网络互通带来很大的困难。,3复用结构复杂 现有的PDH系列的基群是同步的，从低次群到高次群的复接是异步的，需通过码速的调整达到速率的匹配和容纳时钟频率的偏差，由此造成设备的复杂性和

40、成本的增加。4网管信息有限 目前的PDH的复用帧结构中没有很多用来网络管理和维护的比特，因而无法实现分层管理和对通道的传输性能实现端对端的监护。,5缺乏统一的网管标准 目前对传输系统的管理也都是厂家各自开发的管理系统，没有统一的规范，不利于形成一个统一的电信管理网。6缺乏灵活的网络管理能力 传统的PDH的网络运行和管理主要靠人工的数字信号交叉连接，无法实现在线实时控制，难以满足用户对网络动态组网和新业务接入的要求。,6.6.2 SDH的基本概念和特点 SDH概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网，并构成综合业务数字网（ISDN），特别是宽带综合业务数字网的重要组成部分。

41、由SDH组建的网具有高度统一的标准的智能化的网络，它采用全球统一的标准实现了多厂家产品的兼容，在全程全网范围实现了统一的管理和操作，可进行灵活的组网与业务调度，实现高可靠的网络自愈，从而大大提高网络资源的利用率，降低管理和维护的成本。进一步说明如下：,(1)对网络节点接口（NNI）进行了统一的规范。这些网络节点的接口包括数字速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等。使得同一线路可安装不同厂家的设备，实现了兼容。(2)灵活的扩容和升级能力。SDH的基本速率是155.520Mb/s（STM1），更高的同步数字系列的信号可通过简单的将STM1信号进行字节间插同步复接而形成，大大简化了复接分接

42、，使SDH十分适合大容量光纤通信。,(3)SDH对PDH的兼容。SDH信号可容纳北美、日本和欧洲的现有数字系列。可将不同等级的数字系列装入虚容器，然后经复接进入155.520Mb/s的SDH的STM1信号的净负荷内，使新的SDH能支持PDH，便于PDH向SDH的过渡。,(4)简化了电路。采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，从而可利用软件使高速信号一次直接分插出低速支路信号，可避免对全部高速信号进行解复用的做法。因而省去了大量的电路接口数量。(5)灵活的动态组网能力。SDH同步和灵活的复用方式也使数字交叉连接（DXC）功能的实现大大简化，DXC的引入使网络增强了自愈能力，便于根据用户的要求进

43、行动态组网。,(6)增强的网络管理能力。SDH帧结构中安排了丰富的开销字节，这些开销包括段开销（SOH）和通道开销（POH），这样使网络的维护管理能力大大增强。(7)SDH的广泛应用。SDH不仅支持基于电路交换的同步传送模块（STM），还支持基于分组交换的异步转移模式（ATM）。,6.6.3 SDH复用结构 1帧结构 SDH的帧结构是以字节做基础的矩形块状帧结构，如图6.28所示。这种结构便于实现支路的同步复用、交叉连接（DXC）、上下话路等。STMN的帧结构是由9行N列的8比特字节组成的码块。帧长为9270N8=19440N比特，若用时间来表示，对于任何STM等级，其帧长都为125s。帧结构

44、由信息净负荷（Payload）、段开销（SOH）和管理单元指针三个主要区域组成。,图6.28 STM-N的帧结构,（1）信息净负荷是帧结构中存放等待STMN传送的各种信息码块的地方，也存放少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销（POH）字节。POH通常作为净负荷的一部分与信息码块一起在网络中传输。（2）段开销是为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供网络运行、管理和维护使用的字节。段开销又分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）。（3）管理单元指针是用来指示信息净负荷第一字节在STMN帧内的准确位置的指示符，以便在收信端正确分离信息净负荷。,2复用单元 SDH的复用结构是由一

45、系列的基本复用单元组成，而复用单元实际上是一种信息结构，不同的复用单元在复用过程中所起到的作用各不相同。我国使用的复用结构如图6.29所示。,图6.29 我国的SDH基本复用映射结构,下面，我们从每个容器的作用看这种复用结构。（1）容器C。容器C是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构，主要完成PDH信号与VC之间的适配功能（如码速调整）。对于不同的码速有C12，C3，C4。其中C4为高阶容器，C12和C3为低阶容器。,（2）虚容器VC。VC是用来支持SDH通道层连接的信息结构，它由容器C的信号再加用来维护与管理的通道开销（POH）构成。能容纳高阶容器的VC称为高阶虚容器，容纳低阶容器的VC称

46、为低阶虚容器。VC信号仅在PDH/SDH网络边界处才进行分接，从而在SDH网络中始终保持完整不变，独立地在通道的任意一点进行分出，插入或交叉连接。,（3）支路单元TU。它为低阶通道层与高阶通道层提供适配功能的一种信息结构，它由一个低阶VC和指示高阶VC中初始字节位置的支路单元指针（TUPTR）组成。可见低阶VC可在高阶VC中浮动，并且由一个或多个在高阶VC净负荷中占有固定位置的TU组成一个支路单元组TUG。,（4）管理单元AU。它是在高阶通道层与复用段层之间提供适配的一种信息结构。它由高阶VC和指示高阶VC在STMN中的起始字节位置的管理单元指针（AUPTR）构成。同样，高阶VC在STMN中的

47、位置也是浮动的，但AU指针在STMN帧结构中的位置是确定的。一个或多个在STM帧中占有固定位置的AU组成一个管理单元组（AUG）。（5）同步转移模块STM。在N个AUG的基础上，加上用来运行、维护和管理的段开销，便形成了STMN信号。,6.6.4 SDH设备 SDH传输网的设备有3种，即交换、传输和接入设备。对于光纤通信系统而言，SDH作为传输设备，它又包括再生器、复用器和交叉连接设备。下面，我们逐一简单地对它们进行介绍。1再生器 由于光纤的长距离传输及本身的损耗影响，必须对传输中变弱的光波信号进行放大和整形，这个设备就是再生器，其逻辑功能如图6.30所示。从图中可看出再生器主要由SDH物理接

48、口（SPI）、再生段终端（RST）和开销插入功能块（OHA）组成。,图6.30 再生器模型,（1）SDH物理接口（1）完成光/电转换功能，并提取定时信号送入再生定时发生器，同时对信号进行放大和再生。（2）再生器终端（1）完成从STMN中恢复帧定位字节以识别帧的起始位置，然后进行解扰码处理并提取再生器开销字节（RSOH），送入开销插入功能块（OHA）。（3）开销插入功能块完成对再生器踪迹字节J0的识别，并做相应的处理。（4）再生器终端（2）完成对再生器终端RST（1）来的STM1码流插入变换后的RSOH。,（5）SDH物理接口（2）完成电/光转换，同时将定时信号回送给再生器定时发生器。2复用设备

49、 在SDH传输网中有两种传输设备，即终端复用设备TM和分插复用设备ADM。（1）终端复用设备能一次完成复用功能，并进行电/光转换后送入光纤。（2）分插复用器可灵活地完成上下话路功能。3数字交叉连接器 数字交叉连接器可完成电路调度功能、业务汇集和疏导功能、保护倒换功能。,6.6.5 SDH的管理功能 ITUT建议G.784规定了在同一SDH管理子网（SMS）内或跨网络接口的不同网元间的单端维护能力和SMS所需的一套最起码的管理功能。1一般性管理功能（1）嵌入控制通路（ECC）的管理。为了有效的管理，构成SDH网元间逻辑通信链路的ECC，应保证ECC的横向兼容性；为建立以DCC作物理层的ECC，还

50、需对网络地址进行管理，并且能在某节点处对DCC的运行状态进行检索，还要有能按需要接入或不接入DCC的能力。,（2）时间标记。（3）其它一般管理功能，如安全、软件下载和远端注册等 2故障管理（1）内告警监视。（2）外部事件告警。（3）告警历史记录。（4）测试接入、诊断和环回。,3性能管理 性能管理包括利用与SDH结构有关的性能基元采集误码性能、缺陷和各种监视项目数据；15分钟和24小时性能监视历史数据寄存和记录；门限设置和门限通知；性能数据分析和性能数据突破门限事件报告；不可用时间的起止记录和其间的性能监视等功能。4配置管理 配置管理包括供给和网元状态控制两类基本功能。5安全管理 安全管理涉及注