目录
一、前奏
二、SDH
三、MSTP
四、波分
五、OTN
六、以太网
七、PTN
八、裸纤
一、前奏
SDH、WDM、OTN、Ethernet等到底有啥区别,接下来会按照自己的思路梳理一遍。
在介绍之前我觉得有几个点是需要记在脑海里带着这些词条去阅读的,列举如下:
严格复用与统计复用
SDH报文:定长,64kbps,载波,时隙
IP报文:变长
语音:采样编码(人声采样)
以太网:计算机内生业务(二进制)
复用:一根介质传输多种信号(语音、数据等)
频分复用(FDM):以频率划分,如一根介质中,上行用800M的频率,下行用900M的频率,同时进行,互相不影响。
时分复用(TDM):以时间划分,如一根介质中只有800 M频段,但同时需要收发信息,就需要通过调度中心来调度收发,因此,收发过程不能同时进行,而是按照预定的时间片轮流进行。
波分复用(WDM):指的是光波复用,光纤中只能传输光信号,一根光纤两端会分别连接波分设备,波分设备可将传输过来的多路光合波并有序划分波道到光纤中进行传输。
带着这些我们接着往下讲,同样以国内铁路为例,国内的火车有K字头快车,T字头特快,Z字头直达,D字头动车,G字头高铁,C字头城际等。
但有没有想过一个问题:为什么同样都是火车却划分这么多业务?
这跟当前的经济、生活、政治以及铁路网情况密切相关。
首先,交通的终极目标就是把A送到B,也就是路程S=平均速度V*时间t,但铁路与公路不同,为了兼顾地区的发展,铁路不得不增加站点的数量,导致V降低,t增加。
当S固定,想提速,有两种办法:
- V不变,t降低,即减少中间站点,所以便有了T字头特快和Z字头直达;
- t不变,增大V,也就是后来的D字头动车和G字头高铁。
那么,D和G的区别又在哪里?
列车想要提速,不仅要车头够快,承载铁路的标准同样要高,而大面积的更换铁路成本难以估量,因此就有了在原有铁路上提速的动车和新建一张高铁网的高铁,这也就是为什么大家在做快车时会出现给动车让路的情况。
以上动车组 over 电气化线路和动车组 over 专用高架线路的区别非常类似于IP over SDH和IP over Ethernet之间的区别。
二、SDH
回归正题!!!!
要讲SDH,首先就要讲电话网络。
众所周知,1876年,贝尔发明第一部电话,当时的电话只能将电话1和电话2通过电话线直连通话,所以当一座城市的电话数量不断增加,就会看到整座城市布满了飞线。
后来,有人发明了电话交换机,但是此时的交换机需要人工切换,也就是当A想接通B的电话,需要先把电话拨至中转站,告诉工作人员我要接通B,工作人员手动切换将AB之间物理连接,
再然后,交换机的飞速发展,一直到现在的程控交换机,通过设备实现通话。
而SDH的起源就是为了解决两路甚至N路电话同时要通过同一个链路进行通话而生。
我们想象一个典型的场景,如下图所示:
当两路甚至N路电话同时要通过同一个链路进行通话时,该怎么办?
最简便的方法就是每两部电话之间直线连接,显然,这个做法简单而低效。
那么,有人就想了,能不能排队通过?让一路语音先过,另一路语音等待通过,问题是:语音流不可分割的最小粒度是多大?等待的语音流多久才能保持通话畅通?
在解决上述问题前,先来研究一下语音是如何传输的?
首先,语音是源于对人声的采样;
然后,通过编码成语音流传输,电话刚发明时的采样频率是8000次每秒,每次1字节,这样的采样频率对于传输人声已经足够;
那么,一路电话每秒采集8000字节,也就是64k比特,即一路电话需要的带宽=64kbps,这也就意味着,只要每秒传输64k的语音流,双方就能实现完整的通讯。
接下来,我们假设电话至交换机的带宽为64kbps,即每秒发送8000字节,也就是125微秒发送一个字节。
如果交换机的最大传输速率也是64kbps,那么当你像对方表白说出“我喜欢你”的时候,对方收到的则是“我-停顿1秒-喜-停顿1秒-欢-停顿1秒-你”,你说你能成功不?
而如果交换机的最大传输速率也是128kbps,即每秒发送16000字节,意味着125/2微秒发送一个字节,那就丝毫不收影响了,作为提供电话服务的运营商,他当然希望是后者。
这就是电话交换机的主要原理,分属于不同语音流的传输时间段叫做时隙,所以说,这种技术也就叫做时分复用技术,即TDM,TDM是严格复用的一种。
那么,问题又来了:交换机最快能以多快的速率发送一个字节?如果能做到1微秒发送一个字节的话,那么它就可以承载128个语音流同时传输,带宽为128*64kbps。最高可以高达40Gbps的带宽。
由上我们可以看出,SDH这种技术基本上就是为电话语音传输量身定做的,然而由于它本质上传输的是比特形成的字节。
SDH有何缺陷呢?
1.时隙浪费
SDH将底层链路划分成了固定的时隙,每个时隙内的传输数据量是固定的,然而IP报文的长度是变长的,这就需要在传输前先将IP报文切割成固定大小的段,然而每一个段放入一个时隙内进行传输。如果放不满,就意味着其它的时隙被浪费了,如果超过了可以承载的最多时隙,那就要等到下一波传输。这种固定的时隙划分非常不适合变长的IP数据报的传输。
2.能源浪费
即便是被浪费的时隙,也是需要电路回路来用载波驱动的,也就是说它们必须存在,这就好比一个可以载物300件的固定速率的传送带,即便上面没有货物或者只有一件货物,这个传送带依然要保持速率持续传送。另一个类比就是火车或者固定发车间隔的地铁,就算空车空跑,也还是要跑。这增加了调度设计的复杂度。
3.不必要的开销
由于SDH是针对固定采样编码的语音设计的,当面对变长数据的时候,就需要复杂的成帧机制,这相当于多了一层适配的开销,越来越不适合高速IP业务。高速IP业务所依托的技术越直接越高效,能扁平就不垂直,这也是为什么高速公路上的收费站饱受诟病的原因。成帧意味着多了一层工作,需要把一个IP报文切割成适合时隙传输的固定大小的段,加上开销段之后形成帧。
在讲解SDH之前,有必要提一句PDH。
PDH时代,各厂家没有统一的标准,因此不同厂家之间的设备很难互通,带宽一般在155M,下放E1(2M)接口数最多有63个。
SDH的出现解决了上述所有的问题,而且可以组成链形或环形网,极大的丰富了组网方式,业务接口封装标准,传输带宽从155M一直扩展到40G(目前最大)。
SDH:同步时分复用+光纤技术组成的传送网
如上图,SDH设备下挂三个业务终端,比如给业务终端1分配的时间1(即时间1只允许业务终端1通信),业务终端1分配的时间2,业务终端3分配的时间3。
SDH比较固执,从不与人分享公共资源,比如时间1批给我跑,时间1就不许有其它车辆经过,上面就我一辆车。
如果有个时间段没有业务需要运送,那么我就空跑,这时的效率就是0,其它道路就是堵死了也和我没关。
由于比较固执,也会有很多的无奈,比如你的车能装64位客人,但现在有65位客人,对不起,我也只能运64人,我们把这种低效率运作方式叫刚性管道。
那么,如此低效率的传输方式依然在金融、政府等保密领域使用,SDH又有什么优点呢?
- 稳定性强;
- 网管能力强;对时间的管理达到了变态的程度,任何人都不能改动我既定的时间编排。
注:SDH拉人要求极高,
三、MSTP
基于SDH 的多业务传送平台(Multi-Service Transfer Platform)诞生。
MSTP=SDH+以太网+ATM
SDH是针对语音业务设计的,每条语音的带宽是固定的。
后来,数据业务开始兴起,SDH要承载更多类型的接入业务,例如以太网、ATM等。
说白了,MSTP就是在SDH车辆上给IP和ATM留了几个专座而已,IP还是不能很好的运输。
但是,MSTP中核心还是SDH,内核还是TDM,TDM的一切劣势都依旧保留,如刚性管道。
随着互联网的大力普及,电脑、手机、电视等终端都能上网了,带宽需求增长和现网资源出现激烈的矛盾。
四、波分
面对上述的缺陷,为了提高带宽,基于SDH技术本质的传输链路逐步发展起用DWDM技术来优化的传输技术,即密集型光波复用,试图通过光波波长的复用叠加更多的传输带宽,这可以突破纯粹SDH技术面对的物理极限的限制,即发送一个比特的最快速率会有物理上限:
波分将多个波道的信号放到同一条光纤中进行传送!!!
随着人们需求的不断增加,车道数也由刚开始的16或32一下子扩充到40、80、160,目前已经突破200个车道数(波道)。
随着市场应用的深入,WDM波分遇到了问题:WDM虽然解决了带宽不足的问题,但是没有考虑到带宽提高后,管理也要跟上。
WDM在设计之初就有几个严重缺陷:
1、调度不够灵活
比如,一个货物要从西安运到北京,预先分配的车道是10车道(第10波);
那么,从西安到北京全程都是第10车道,不能更改,除非你经过了好几个高速段(光再生段);
如:西安-郑州、郑州-北京,那么在郑州可以有一次更换车道的机会,而且这种更换车道的代价是为你这次的行为专门修一条小路(布放光纤)。
以前SDH遇到类似的情况时就在郑州修一个大的调度中心,所有问题都解决了。
2、容易堵死
在城市主干道或省际快速道路上,为了提高效率,在公路设计时就考虑到与普通道路的区别,只设置几个很少的出口,其它全是封闭的。
这样带来的后果是一旦发生拥堵或交通事故,乘客就会闹得不可开交(业务中断)。
3、线路状态信息传递不畅
OSC无法做到对每一辆车的状态做到了如指掌。
但是,以上的问题正是SDH的强项!!!
五、OTN
于是他们握手言欢,优势互补,一个全新的制度诞生了—OTN。所以简单的说:OTN=WDM+SDH。
OTN(光传送网Optical Transport Network)是在WDM基础上,融合了SDH的一些优点,如丰富的OAM开销、灵活的业务调度、完善的保护方式等。
OTN单波10G,群路可达400G-1600G,最新的技术可达单波40G。
六、以太网
局域网的数据源与电话网的数据源不同,不是人声,不需要采样编码,TCP/IP的数据源本身就是计算机里面的数据,因此TCP/IP网络要解决的第一个问题不是如何采样与编码的问题,而是如何尽可能保持数据原貌的问题。
由于数据是由业务产生的,业务的多样性造成数据长度是变长的,最直接的传输策略就是有多长的数据就发多长的数据,不切割,不适配,直接发。
当以太网解决了如何构建数据帧之后,下一个问题就是当两个或者多个数据帧汇集到同一条链路的时候,如何解决复用问题。
第一代的以太网是共享链路的以太网,即所有的节点均接在同一条总线上,任何两个数据帧不能同时传输,必须先获得仲裁许可之后才可以传输,这就是CSMA/CD机制;
接下来以太网的发展过程是站在这个良性的起点一步一步满足应对越来越大规模互通需求的过程。
随着通信节点的增多,CSMA/CD这种总线仲裁机制便成了发展的瓶颈,因为冲突域越大,冲突就越容易发生,由于冲突消耗的带宽就越多,必须隔离冲突域!
隔离的办法就是使用真正的存储/转发机制!
因此,以太网交换机产生了,以太网自然而然地从共享总线的仲裁时代进化到了交换式以太网时代,这次进化意义非常重大,是一次典型的蜕变!
以太网交换机和双绞线完全隔离了冲突域,交换机成了唯一的一个仲裁设备,仲裁的方式就是存储转发。交换机集中式地调度所有收到的数据帧,然后有它来调度把哪个数据帧从哪个端口发送出去,发送的方式是直接地发送,不分割,不适配。当数据帧被发出之后,并不用担心帧在线缆上会和其它帧冲突,这是由双绞线的两个线对保证的。
这就是以太网的本质!!!
带有存储功能的交换结构以及双绞线两者彻底解放了以太网。
这两者合力意味着全双工高速通信的可能性。
以太网从此不再需要一个明确地仲裁者,能否发数据,何时发数据,全部在于交换机自己的策略,如果多个帧同时要发出去,那么交换机一定有策略绝对谁先走,一旦帧发了出去,就不必担心任何事了,因为对端只有一个功能为收的模块。
以太网的本质就是存储转发,核心只有两点:
1.如果从一个端口输入帧,要发送到另一个端口,如果输出端口没有其它帧要输出,则立即输出该帧;
2.如果从一个端口输入帧,要发送到另一个端口,如果输出端口同时也要输出另外的帧,则必须排队;
第一点很容易实现,第二点则需要一个好的调度算法,或者说排队算法。
七、PTN
MSTP和SDH都是以电路交换(TDM)为核心,无法更好地承载数据业务(IP)。
PTN最简单的方程式为:PTN=MPLS+OAM+保护-IP,其增强了开销(吸取了SDH的优势)、对业务的保护(吸取了SDH的优势),“-IP”可以简单的看做是“对MPLS的简化”,去掉我们不需要的东西(例如复杂的各种握手协议等)。
曾几何时,以太网和ATM进行过激烈的会战,结果以太网以入门简单,用户众多的优点赢下了天王山之战,最后,ATM虽不服气,但是也握手言和。
两人经过数月秘密商讨,并在一年之后,共同研制成了一本武功秘笈—MPLS(多协议标签交换)。
以太网的声势越来越大,又和ATM一起开发出了武林秘籍MPLS,逐渐有了可以抗衡SDH的实力,所以才有了SDH与以太网和ATM的初步融合,诞生了MSTP。
但MSTP中还是SDH主导,以太网、ATM只能是配角。
以太网为了对抗SDH阵营,大力发展自己的势力范围,先将末端IP化(业务侧IP化)。即IP可以作为SDH的货物,通过SDH进行传输。
但问题出来了:
SDH当初开发时就对货物有严格的外形要求,必须是“块状结构”,而且大小也是标准的,每一个座位也是按照这个要求做的,这样运输的效率最高。
而IP这种长相奇特(格式不同)的货物越来越多,很难在SDH里混了,总算是后来开发出了MSTP。
以太网的复用策略是统计复用,这种复用方式和存储转发的分组交换网是分不开的,可以说,以太网是真正纯粹的分组交换网实现方式。
如果问到底什么是分组交换的统计复用,答案其实很简单,那就是统计复用依托于运气,它是激进的,在一条汇集10条分支的10Gbps的链路上,它相信不可能10条分支同时会发送10Gbps的流量,它相信流量的突发性与随机性,如果真的发生了同时10条链路汇集100G流量,那么只能排队。
然而,如果同样的场景发生在电话网络中,额外的流量只能丢弃,没有排队的概念。
比如一条链路能承载100条语音话路,此时正好有100对通话者在打电话,如果有第101对通话者试图打电话,系统只能提示占线忙音,而不是等待。
与以太网的统计复用分组交换所对应,SDH类网络则是时分复用电路交换。
分组交换是激进的,电路交换是保守的,这意味着分组交换要么满足你的需求,要么延迟你的需求,而电路交换则是要么完全满足你的需求,要么就拒绝你的需求。
结论就是,以太网的速率指的是它最大的传输速率,而SDH的传输速率则是其恒定的载波速率。
从传输单元上看,PTN传送的最小单元是IP报文,而SDH传输的是时隙,最小单元是E1即2M电路。
IP的特点就是无论发多少货,一车装多少货,只要每一个货标好地址,就可以发送(有序或无序均可),货物扔出去前设置好目的地址,由货车自行寻路,不需要统一调度,但是相对SDH来说,稳定性和安全性会降低。
PTN的报文大小有弹性,而SDH的电路带宽是固定的。
这就是PTN与SDH承载性能的最本质区别。
sdh属于可靠传输,ptn属于不可靠传输。假如开一条10m专线,sdh会先占用10m的资源,不管用不用都占着,ptn会根据流量自动分配带宽。
八、裸纤
裸纤也叫裸光纤,运营商提供一条纯净光纤线路,中间不经过任何交换机或路由器,只经过配线架或配线箱做光纤跳纤,可以理解成运营商仅仅提供一条物理线路。