以OSU 為核心的M-OTN 技術創新與驗證

荊瑞泉，霍曉莉，李俊杰，丁一

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中國電信集團有限公司，北京 100032）

1 引言

隨著SDH 的逐步退網，OTN 即將全面替代SDH 網絡，實現對5G、專線、DCI（數據中心互聯）和視頻等業務的綜合承載。因此OTN 在從骨干網向城域網的邊緣延伸。與骨干網相比，城域網的匯聚和接入層節點數量眾多，且業務面臨多樣化，因此對OTN 設備業務適配靈活性要求更高，并且對設備成本非常敏感。現有的分組增強型OTN 技術雖然具備高品質的優勢，但是為了支持分組和小顆粒業務，采用了分組、VC（virtual container，虛擬容器）、ODU（optical 2ata unit，光數據單元）多平面疊加的方式實現。現有方案存在多平面疊加技術復雜、運維管理復雜、實現成本高等問題[1]。

針對以上需求和存在的問題，聯合業界主要通信設備廠商、運營商和研究機構，提出了以光業務單元（optical service unit，OSU）為核心的、面向城域優化的光傳送網（metro-optimize2 OTN，M-OTN）技術體系[4]。M-OTN 的目標是提供低成本、低時延、低功耗的以城域應用為主的綜合業務承載方案。M-OTN 創新性地引入了具備靈活帶寬調整能力的OSU 技術，補齊了傳統OTN 技術在小顆粒業務承載效率方面的短板，有利于降低設備復雜度和成本，簡化網絡運維。M-OTN 不僅可以支持各種顆粒高品質專線業務的承載，還為8K HDTV、Clou2 VR/AR 等高通量、高品質業務提供了更高效的承載方案。

M-OTN 的主要技術特征包括：

? 引入靈活映射的OSU，提供對10 Mbit/s～10 Gbit/s 級粒度多業務的高效承載能力；

? 引入OTU0/25/50（optical transport unit，光傳送單元）新型低成本接口，重用以太網光模塊，實現客戶業務的低成本接入；

? 引入開放式管控接口，實現對多廠商接入型M-OTN 設備的統一管控。

參考文獻[2]介紹了接入型OTN 設備統一管控系統原型開發與試驗演示的成果，參考文獻[3]對OTU25/50接口進行了規范。本文將重點對OSU的技術標準、設備形態、網絡演進和測試驗證情況進行介紹。

在標準化方面，2019 年年底中國通信標準化協會（CCSA）通過了“基于OSU 的OTN 設備技術要求”和“光業務單元（OSU）技術要求”兩個行業標準項目的立項。2020 年1 月月底于日內瓦召開的ITU-T SG15 全會上，G.osu（光業務單元通道層網絡）標準項目成功立項。在項目組的共同努力下，上述標準項目進展順利，目前已經完成OSU 總體技術方案的制定，后續將積極推動標準的編制和發布。

2 OSU 幀結構和開銷

OSU 幀結構如圖1 所示，長度為192 byte，OSU 幀長的選擇綜合考慮了業界交換芯片的交換效率、開銷占比等因素。OSU 幀結構包括7 byte 的開銷區域和185 byte 的凈荷區域，其中開銷區域分為3 部分：通用開銷、映射開銷和CRC8 校驗區。

圖1 OSU 幀結構

圖2 通用開銷

通用開銷包括版本號（VER）、支路端口號（TPN）、幀類型（FT）、連續性校驗（CV）、串聯連接監視（TCM1/TCM2）、通道監控（PM）和保留開銷（RES），如圖2 所示。主要開銷功能如下。

（1）版本號：用于標識OSU 幀結構版本號。VER 默認為01，指示當前版本，其他值預留為將來使用。

（2）支路端口號：用于標識OPUk（optical payloa2 unit-k，光通路凈荷單元k）支路端口和OSU 幀對應關系，TPN 在承載OSU 的ODUk服務層通道中唯一。TPN長度為12 bit，即一條ODUk通道最大可以承載4 000 條OSU。TPN 處理如圖3所示，對于一條端到端的OSU 連接，針對不同的服務層，TPN 需要進行逐段更新。

（3）幀類型：用于標識OSU 幀類型，目前定義的幀類型見表1。

表1 定義的幀類型

（4）連續性校驗（CV）：用于在OSU 經過的每個段層進行OSU幀連續性和帶寬是否匹配的檢測。與TPN 處理類似，CV 也需要進行逐段更新和處理。

（5）串聯連接監視（TCM1/TCM2）：OSU 支持兩級TCM，每級TCM 長度為5 bit。其中TCM1用于分段性能監控和時延測量（DM），TCM2 用于分段保護，格式如圖 4 所示。TCM1 和TCM2具體的功能比特需要配合M32/256 復幀使用。

圖3 TPN 處理示意圖

圖4 TCM1/TCM2 格式定義

TCM1/TCM2 的監控（monitoring）開銷用于提供TCM1 和TCM2 層所屬范圍內的性能質量監控。TCM1 中的時延測量（DM）用于提供TCM1層高精度時延測量，支持單向絕對時延測量和雙向時延測量。TCM2 層APS 字段用于傳遞TCM2層的APS 保護倒換協議，APS 格式定義和G.873.1保持一致。

（6）通道監控（PM）：PM 長度為5 bit，用于提供PM 層端到端的通道監控功能，包括路徑蹤跡標識（TTI）、監控、自動保護倒換（APS）和時延測量（DM），具體格式如圖 5 所示。其中，TTI采用32 byte，功能定義兼容G.709 定義TTI 的前32 byte。其他開銷的定義與TCM 層對應開銷相同。

圖5 PM 格式定義

OSU 映射開銷主要和業務映射相關，并根據承載業務的需求不同，設定不同的開銷功能。主要分成兩類：CBR 映射開銷和以太網映射開銷。

（1）BR 映射開銷：包含時間戳（TS）、凈荷長度（PLn）和序列號（SQ），如圖6（a）所示。TS 用于攜帶CBR 業務時間戳。PLn（n=1，2，3）用于指示OSU 幀凈荷區域承載的CBR 業務所占用的凈荷長度。SQ 用于提供端到端OSU 路徑OSU 幀丟失監控功能。

圖6 映射開銷

（2）以太網映射開銷：包含 257b 指示（257b_IND）、指針（PTR）和保留比特（RES），如圖 6（b）所示。257b_IND 用于承載以太網業務在該幀中承載的5 個或者6 個257b 頭部的1 bit類型指示（0 表示對應256b 中存在控制碼，1 表示對應256b 中無控制碼）。PTR 用于指示第一個256b 起始的字節位置。

CRC8 校驗開銷用于對OSU 幀通用開銷和專用開銷進行循環冗余校驗。CRC8 校驗多項式為G(x)=x8+x2+x+1，初始值為全1。

3 OSU 管理幀

除了前面定義的通用開銷和映射開銷，OSU還定義了用于OSU 維護管理的OSU 管理幀，包括OSU 客戶故障幀、OSU 維護狀態幀、OSU 保持激活幀和OSU OAM 幀。

（1）OSU 客戶故障幀

OSU 客戶信號失效指示采用特定OSU 客戶故障幀實現，如圖 7 所示。

客戶信號故障類型由客戶故障指示（CFI）字段確定，CFI 類型見表 2。

OSU 客戶故障幀在OSU 源端產生，并在OSU宿端終結。向下游插入的OSU 客戶故障幀由本地時鐘生成，對于OSU 承載CBR 業務的情況，按照OSU（CBR）的原始比特速率插入OSU 客戶故障幀。對于承載以太網業務的情況，按照以太網業務的最小帶寬10.4 Mbit/s 的速率插入OSU 客戶故障幀。

（2）OSU 維護狀態幀

OSU 維護狀態采用特定OSU 維護狀態幀實現，如圖8 所示。

圖7 OSU 客戶信號失效幀

表2 CFI 故障類型定義

圖8 OSU 維護狀態幀

維護狀態類型由 STAT_T2/STAT_T1 或STAT_P 字段確定，分別對應TCM2、TCM1 和PM層次。維護狀態類型見表 3。

表3 維護狀態類型

（3）OSU 保持激活幀

采用OSU 保持激活幀的方式，確保在承載以太網業務情況下無業務數據傳送時OSU連接的穩定性，同時維持OSU 開銷的管理監控等功能正常運行。OSU 保持激活幀只使用通用開銷，映射開銷和凈荷為保留字段。OSU 保持激活幀的發送頻率可以靈活配置。為維持OSU 管理監控功能正常運行，當OSU（PKT）速率低于10.4 MB/s 時，在OSU 幀中插入OSU 保持激活幀，保證OSU 速率維持在至少10.4 MB/s。

（4）OSU OAM 幀

OSU 采用專用OAM 幀方式實現特定管理維護功能，如無損帶寬調整、GCC 和加密等。OSU OAM 幀格式如圖 9 所示。

OAM 幀管理維護功能類型由OAM 幀類型（OT）字段確定，目前定義的OAM 幀類型只有OSU 無損帶寬調整控制幀（00001）。OSU OAM幀開銷區其他比特和OSU 凈荷區為保留字段（RES），默認值為0，可根據不同的OAM 幀類型進行功能定義。

圖9 OAM 幀格式

4 OSU 無損帶寬調整機制

現有的ODUflex 無損帶寬調整機制由于需要管控系統與所有參與調整的設備進行交互，且存在控制協議復雜、需要兩端對齊OPU 時隙等問題[5]，導致其在現網中（特別是多廠商組網場景中）很難部署應用。為了避免上述問題，提出了對OSU 無損帶寬調整機制的基本功能要求，包括如下6 點。

（1）網管/控制平面的帶寬調整指令應只需發給源、宿節點，然后通過OSU 開銷將調整指令傳送給其他節點；同時調整過程應不需要網管參與，以便適用于沒有統一網管的多域網絡應用場景。

（2）調整完成后，源、宿節點應向網管/控制平面反饋調整結果。

（3）調整目標帶寬可在服務層帶寬內任意調整，調整顆粒為n×10 Mbit/s。例如在OTU2 鏈路中，一條OSU 的帶寬可在10 Mbit/s 到10 Gbit/s的范圍內以n×10 Mbit/s 為步長進行調整。

（4）應支持同時調整工作和保護路徑的帶寬，以便滿足業務正常保護倒換的需求。

（5）應具備端到端確認機制，保障帶寬調整的可靠性，避免出現部分節點調整成功、部分節點調整失敗的情況。

（6）因故障調整失敗時，應支持自動回退到初始帶寬，以便保持網絡狀態的穩定性，避免產生殘余連接。

基于以上功能需求，提出了OSU 無損帶寬增加和減少流程，其中帶寬增加流程如圖10 所示。

使用OSU無損帶寬調整控制幀進行節點之間的控制信令交互，幀格式如圖11 所示。

具體的開銷字段含義見表4。

圖10 OSU 無損帶寬增加流程

5 M-OTN 設備形態和現網演進

參考運營商城域網/本地網的機房分類，M-OTN 設備在網絡中的部署位置如圖12 所示。

根據M-OTN 設備的形態、技術特征和在網絡中的部署位置的不同，將M-OTN 設備分為固定盒式和插板式兩種，其中插板式設備又可以分為I 型和II 型兩種。不同種類M-OTN 設備的部署位置和主要功能特征見表 5。對應現網OTN 設備的分類方法，固定盒式M-OTN 和I 型插板式M-OTN 又可統稱為接入型M-OTN。

圖11 無損帶寬調整控制幀格式

表4 無損帶寬調整控制幀信息含義

圖12 M-OTN 設備在網絡中的位置

為了同時支持基于OSU 的業務（如10 Mbit/s～10 Gbit/s 分組業務、STM-1/4 等）和基于ODUk的業務（如10 Gbit/s 以上分組業務、STM-4 以上的TDM 業務等），城域OTN 應同時支持OSU 和ODUk交換。城域網可采用OTN 現網升級或新建一個M-OTN 平面的方式實現對OSU 的支持。為了保護已有網絡投資，要求近期新建的城域OTN設備應支持平滑升級到M-OTN設備。在城域OTN的核心節點設備上，需要將到其他城域OTN 的OSU 復用到ODUk中。因此，骨干OTN 只需要支持ODUk交換即可，可以繼續沿用現有OTN。

表5 M-OTN 設備分類

6 M-OTN 樣機測試驗證

在標準制定的同時，還組織了OSU 關鍵技術性能驗證和M-OTN 設備樣機測試，測試拓撲和測試現場環境如圖 13 所示。

測試結果表明基于OSU 的M-OTN 技術具備如下顯著優勢。

圖13 測試拓撲和測試現場環境

（1）低時延特性：對比現階段采用的EOS（Ethernet over SDH）和EOO（Ethernet over OTN）方案，OSU 技術具有明顯的時延優勢；特別是與承載小顆粒業務的EOS 方案相比，優勢非常顯著，雙向時延可降低1～3 ms，如圖 14 所示。

（2）無損帶寬調整：與現有的ODUflex 帶寬調整機制相比，基于OSU 的業務帶寬無損調整時間更短、調整顆粒更精細。

（3）提升承載效率：以10 Gbit 鏈路為例，目前EOO 方案只能支持8 條GE 業務，OSU 方案可以承載10 條GE 業務，承載效率提升了25%。

圖14 時延測試對比結果

7 結束語

M-OTN/OSU 是首個由中國運營商和設備廠商聯合主導推動的光傳送網（OTN）核心系列標準，是我國在光傳送網國際標準領域實現由跟隨向引領的突破。筆者將在M-OTN 產業發展中持續引領標準方向，聯合產業鏈上下游各方打造完整的生態圈，實現M-OTN 在現網的快速部署和應用。M-OTN 技術具有的靈活帶寬、低時延、開放管控接口等特性可以很好地滿足以高品質專線業務為主的綜合業務承載需求，勢必在未來傳送網的演進和發展中扮演重要角色。