基于OSU的M-OTN技術創新和應用部署研究

龔雅棟，荊瑞泉，周恒，李俊杰，霍曉莉

基于OSU的M-OTN技術創新和應用部署研究

龔雅棟，荊瑞泉，周恒，李俊杰，霍曉莉

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

隨著SDH和MSTP網絡面臨退網，OTN將取代SDH/MSTP網絡，下沉到網絡的邊緣節點。同時，客戶業務的需求也正在發生快速變化，而分組增強型OTN在其承載業務上存在著各種問題和挑戰。提出了基于OSU的城域網優化OTN（M-OTN）技術體系，并結合其技術本質和實驗測試數據，全面分析了M-OTN/OSU的技術優勢。結果表明，M-OTN/OSU相較于分組增強型OTN技術在多個方面具有明顯優勢。M-OTN/OSU在現網中如何應用部署以及網絡演進，同樣備受關注。結合M-OTN/OSU的技術特點和現網中已部署設備情況，分享了對于M-OTN/OSU的組網方案，以及網絡演進策略的研究。

M-OTN；光業務單元；OTN；分組增強；演進

0 引言

同步數字體系（synchronous digital hierarchy，SDH）和多業務傳送平臺（multi-service transport platform，MSTP）技術誕生于20世紀90年代初期，相關技術發展已停滯多年，且設備和芯片也面臨供給問題，目前各運營商均在考慮將其逐步退網[1]。光傳送網（optical transport network，OTN）技術從1998年開始制定標準，到現在已在網應用多年，并且國內三大運營商在2018—2019年均投資建設了政企OTN骨干網，其高品質特性得到了客戶的普遍認可。隨著近兩年SDH和MSTP網絡相關問題的突顯，以及客戶被提供了更高品質的、端到端的統一OTN承載網絡，OTN正在逐步替代SDH/MSTP網絡，下沉到邊緣業務節點[2-3]。隨著一些客戶業務新需求快速發展，其對光傳送網OTN技術提出了新的需求和挑戰。目前，現網中應用部署的分組增強型OTN相對于傳統OTN在小顆粒業務承載方面有了很多優化和改善，但其是分組、虛容器（virtual container，VC）、光數據單元（optical data unit，ODU）等多種技術平面疊加的方式[4]，使得設備在現網應用中存在著各種問題，難以滿足未來業務的快速發展需求。

因此，中國電信聯合業界產業鏈推出了城域優化OTN（metro-optimized OTN，M-OTN）技術體系，引入最低2.6 Mbit/s顆粒度的光業務單元（optical service unit，OSU）技術，實現對小顆粒業務的更優承載，并解決分組增強型OTN現網應用的問題[5]。對OSU技術的本質分析以及近期的實驗室和現網測試驗證，均表明M-OTN/OSU在小顆粒業務承載、時延優化、業務匯聚比等帶寬隨選等方面具有更好的表現。

考慮現網中城域和骨干已經建設了大規模的OTN，為了保護現網資源，需要進一步研究基于M-OTN/OSU業務承載的網絡架構，以及現有OTN如何向M-OTN/OSU網絡平滑演進的策略。

1 業務發展對光傳送網需求和現網設備應用現狀

1.1 業務發展對光傳送需求

近年來，隨著企業和政府數字化平臺加速轉型，其專線業務帶寬需求增長快速、網絡架構也從以前的分級網絡向網絡扁平化方向發展。2020年，我國把“新基建”作為戰略發展方向，云網融合也隨之提升到了新的高度，同年中國電信提出“云改數轉”的戰略轉型目標，并發布了《云網融合2030技術白皮書》詳細闡述了對網絡的需求[6]。可見，無論是適應政企業務轉型的變化，還是實現云網融合的戰略目標，均對光傳送OTN技術提出了新的需求，下面對其分別進行闡述。

（1）小顆粒業務仍然是主流

隨著政企數字化轉型的速度加快，客戶對小帶寬的剛性管道電路需求比較旺盛，通過對于現網中電路帶寬的分布情況調研，1 Gbit/s以下帶寬占到了90%以上，其中100 Mbit/s以下帶寬達到50%以上，相信未來小帶寬電路需求仍會長期存在[7]。

（2）業務匯聚比要求更高

隨著政企網絡架構從分級網絡到網絡扁平化的發展，銀行、政府、金融等機構都在考慮自身網絡向扁平化調整，如銀行機構相對于傳統的分級網絡結構層級多、設備資源不集中的問題，網絡架構扁平化后設備資源由一級分行（省分行）集中統籌管理、網絡結構層級簡化，可大幅降低運維成本和故障風險。同時，這樣的調整對OTN業務匯聚節點的電路匯聚比提出了更高的要求，分支到總部的業務匯聚比可達到幾千比一。一個典型案例：某銀行在某省內有3 000個分支網點，網點到省分行的業務匯聚比達到3 000:1。

（3）帶寬隨選能力需求強烈

近幾年，很多政企客戶在數字化轉型過程中比較關注運營商提供的OTN電路帶寬隨選能力，主要體現在兩個方面：一是可以按時間段的需求調整電路帶寬，另一個是為了節省成本，帶寬調整的顆粒度要求更加精細（10 Mbit/s帶寬顆粒度）。比如醫療行業客戶在數字化轉型過程中，提出其電子病歷或造影圖像進行了平臺化集中管理和儲存，患者下載打印的高峰期集中在白天，而夜間對電路帶寬需求相對較少，希望分時間段提供更精細化的帶寬隨選能力。

（4）入云業務新需求

隨著云計算進入快速發展階段，政務、金融、交通、物流、教育等行業均在加速上云。入云場景和入云服務品質的需求千差萬別，用戶上云業務帶寬具有多樣化的需求，從幾十Mbit/s到幾十Tbit/s，同時部分高品質客戶業務要求提供帶寬保證、安全隔離、帶寬隨選能力以及更優的時延，這樣亟須光傳送網提供一種更靈活、更優化的OTN新技術，滿足未來大量高品質入云的需求[8]。

1.2 現網OTN設備應用現狀

目前，現網OTN傳輸承載網絡中主要應用部署的是分組增強型OTN設備，其技術本質是將OTN和SDH統一時隙信元交換和以太網的分組交換多種技術的整合疊加[9]。現網小顆粒業務主要是采用以太網在SDH技術體系承載（ETH（Ethernet） over SDH，EoS）和分組兩種方式進行承載[10-11]，而這兩種承載方式在應用過程中均存在著各自的問題。

EoS承載方式現網應用存在的問題如下。

（1）城域匯聚核心節點由于需要處理大量的本地或跨域業務的調度，其設備存在著VC低階交叉容量嚴重不足的問題。

（2）客戶業務接入或者網絡中負責低階交叉調度節點的映射復用路徑最多需要6級，比如客戶接入節點業務映射路徑：客戶業務-VC12-VC4- STM16-ODU1-ODU2-OTU2。這會導致業務轉接時延大的問題。

（3）對于現網中的EVPL（Ethernet virtual private line）業務，客戶總部節點業務單板卡/接口匯聚比低（64:1），需要更多傳輸設備客戶端板卡滿足更高匯聚比的要求，客戶設備需要更多以太端口與傳輸設備對接且帶寬利用率比較低。

分組承載方式現網應用存在的問題如下。

（1）分組承載方式其技術本質還是共享帶寬承載方式，很難滿足高品質客戶專線應用場景要求的帶寬保證、安全隔離的需求。

（2）分組承載方式傳輸線路需進行分段分組匯聚方式，提高線路帶寬利用率，但此種方式很難直觀呈現端到端承載管道的信息和性能，帶來運營維護上的困難，進而降低了客戶對高品質業務的體驗感。

（3）異廠商基于分組承載方式的子網保護互通存在問題，在跨域專線或入云承載上難以滿足可靠性要求[12]。

2 M-OTN/OSU技術本質和優勢

基于上文分析的目前業務需求以及現網OTN設備應用現狀的問題，中國電信聯合業界多方提出了M-OTN/OSU的技術體系，其主要技術核心點是借鑒OTN的TDM技術，引入以2.6 Mbit/s為顆粒的靈活容器光業務單元OSU，并且兼顧現有的OTN架構體系。

圖1 OSU幀結構

OSU的幀結構如圖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。其中通用開銷包括版本號（version，VER）、支路端口號（tributary port number，TPN）、幀類型（frame type，FT）、連續性校驗（connectivity verification，CV）、串聯連接監視（tandem connection monitoring，TCM，如TCM1/TCM2）、通道監控（path monitoring，PM）和保留開銷（reserved，RES）幀結構詳細的功能描述可參考文獻[13]。

OSU作為OTN技術體系中一種創造性低階容器，可通過OSU級聯方式最優匹配以太網業務承載，主要承載2 Mbit/s～10 Gbit/s的以太網業務，并兼顧STM1/STM4等TDM業務。OSU通過定義192 byte的凈荷塊（payload block，PB），通過周期內占用OPU時隙PB數量控制帶寬，實現業務顆粒的更加靈活承載，提高光凈荷單元（optical payload unit，OPU）帶寬的利用率。同時，通過隨路帶外的無損帶寬調整控制幀[13]，減少對網管協議交互，提高帶寬調整效率和可靠性。基于OSU的映射復用結構如圖2所示，通過較少業務映射層級、匹配信元交換，實現低時延傳送，且OSU到ODU分為單級映射和多級映射，當單節點設備接入業務為單一類型業務時，采用單級映射復用機制，最大化地體現時延優勢，以及簡化業務開通和運維工作。

OSU技術的主要支持功能如下。

? 支持多業務映射復用到OSU功能。

? 支持多路OSU復用到OPU功能。

? 支持OSU的PM/TCM監控功能，以及告警指示信號（alarm indication signal，AIS）/開放連接指示（open connection indication，OCI）/鎖定指示信號（lock indication signal，LCK）維護信號下插功能。

? 支持OSU時延測量功能。

? 支持OSU子網1+1連接保護（subnetwork connection protection，SNCP[14]）倒換。

? 支持OSU帶寬無損調整功能。

圖2 基于OSU的映射復用結構

M-OTN/OSU技術作為一種新型的光傳送網技術，相對于現有OTN技術，有其特有的優勢，后面章節結合實驗室和現網測試數據情況，進一步證實OSU技術的相對優勢，具體如下。

（1）精細化的業務彈性硬管道承載能力

傳統OTN硬管道方式，以ODU的固定時隙進行帶寬捆綁，最小時隙為ODU0（1.25 Gbit/s），單個ODU4僅支持80個基于ODU0的硬管道業務連接數[15]。M-OTN/OSU采用最小2.6 Mbit/s的靈活時隙，單個ODU4理論最大支持4 000條硬管道業務連接數（12 bit TPN）。

基于OSU靈活容器，實現一業務一管道的端到端精細化承載服務，以網絡中OTU2（10 Gbit/s）鏈路為例，當前EoO（ETH over ODU）方案只能支持8條GE業務，EoOSU（ETH over OSU）方案可以承載10條GE業務，承載效率提升了25%，可極大提高運營商網絡的線路帶寬利用率、降低運維管理的難度。

（2）低時延特性

相較于小顆粒業務承載EoS方式的6級映射復用路徑[16]，EoOSU（ETH over OSU）承載方式最少只需要3級映射路徑（如：客戶業務-OSU- ODU2-OTU2），可將設備業務轉接時延大幅降低。

（3）基于OSU的匯聚比能力強：

傳統EoS方式的業務匯聚節點單板卡/接口（10 GE/GE），支持不同分支/方向的業務匯聚比最大僅為64:1，基于OSU技術的匯聚節點單板卡/接口（10 GE/GE）最大業務匯聚比可達200:1以上。

（4）無損帶寬調整能力強

傳統OTN基于G.HAO協議進行帶寬調節過程中，僅支持基于ODUflex最小1.25 Gbit/s顆粒度的帶寬調整，且協議復雜、帶寬調整時間長[17-18]。M-OTN/OSU基于OSU技術進行帶寬調整，最小調整顆粒度為10 Mbit/s（理論最小調整顆粒為2.6 Mbit/s），且協議簡單、帶寬調整時間可達秒級。

（5）小顆粒業務交叉容量大

基于OSU技術的M-OTN設備交叉架構，采用信元（cell）交換的實現原理，其交叉容量不受其承載管道方式和支持業務連接數的影響。經實驗室驗證，應用在城域核心節點的M-OTN設備，可支持最大3.2萬條基于OSU的單向業務連接數，按照現網小顆粒業務平均帶寬50 Mbit/s計算，整臺設備的低階管道交叉容量可達1.6 Tbit/s，相對于目前分組增強型OTN設備最大80 Gbit/s的低階VC交叉容量，提高了20倍。

表1 單節點EoS和EoOSU雙向時延數據

3 實驗結果

為了充分驗證基于OSU業務承載的功能和性能情況，分別進行了實驗室和現網實驗測試，測試結果表明OSU具有明顯的技術優勢。

3.1 實驗室測試結果

在實驗室階段，對基于OSU技術的設備進行了業務承載、保護、時延、通道連接能力等方面進行了測試，下面詳細闡述對單節點時延和通道連接能力測試結果。

（1）單節點時延性能

本次測試，被測設備客戶側采用ETH端口，線路側采用OTU4接口環回方式，分別測試 2 Mbit/s和10 Mbit/s在64～1 518不同以太網包幀長情況下的時延，EoS和EoOSU兩種承載方式映射復用路徑如下。

? EoS: GE→VC12→VC4→STM-16→ODU1→ ODU4→OTU4。

? EoOSU: GE→OSU→ODU4→OTU4。

圖3 2 Mbit/s和10 Mbit/s業務單節點時延數據比對

（2）OSU業務連接數

由于OSU主要用于承載1 Gbit/s以下速率帶寬業務，M-OTN設備支持的最大OSU數量是一個非常重要的性能指標。針對網絡核心節點的M-OTN設備，實驗室測試結果表明，一個單節點設備可以支持多達3.2萬個單向OSU連接，具有6.4 Tbit/s（單條業務200 Mbit/s帶寬）的OSU交叉連接能力。單個100 Gbit/s OTN（OTU4）接口可以支持多達1 000個雙向OSU連接，OSU業務連接數測試結果如圖4所示。

（3）基于OSU客戶端口業務匯聚比

根據實驗室測試結果，基于OSU的GE客戶端口業務匯聚比可達到239∶1，相較于EoS承載方式64∶1的匯聚比具有明顯優勢，可很好地適應政企網絡架構扁平化發展的需求。

圖4 OSU業務連接數測試結果

3.2 現網測試結果

為了進一步驗證M-OTN/OSU技術在業務承載、帶寬調整等方面的功能和性能，2021年年底在江蘇省無錫市和南京市進行了M-OTN/OSU多廠商設備組網的現網試驗。試驗網絡由兩個M-OTN城域網和省級骨干網組成，兩個區域網絡連接采用省干100 Gbit/s OTN進行連接。現網測試網絡連接拓撲如圖5所示，在本次多廠商現場試驗中，城域核心（metro core，MC）、城域匯聚（metro aggregation，MA）和城域邊緣（metro edge，ME）節點由A廠商提供，M-OTN CPE-1和CPE-2節點分別由B廠商和C廠商提供。

圖5 現網測試網絡連接拓撲

在CPE-1和CPE-2節點之間創建基于OSU承載的端到端ETH業務（EoOSU方式），在兩個本地網絡節點中使用OSU到ODU的復用方式，省干OTN節點采用ODU透傳方式。

經過現網測試，充分驗證了基于OSU技術在多域網絡間且在異廠商設備間的業務承載和互通功能[19]，滿足現網業務承載的需求。帶寬調整顆粒度和調整范圍如圖6所示，圖6（a）顯示了基于OSU的帶寬調整功能，其最小調整顆粒度可達到2.6 Mbit/s；圖6（b）顯示了OSU具備帶寬大范圍的調整能力，現網進行了從100 Mbit/s到 1 000 Mbit/s再到500 Mbit/s的帶寬范圍調整測試，且調整過程中業務無損。圖7為基于OSU的帶寬調整相應時間實時數據采集信息，結果表明單次基于OSU的無損帶寬調整，僅需15 s即可完成，與傳統基于ODUflex的G.HAO分鐘級帶寬調整機制相比具有明顯的優勢。

圖6 帶寬調整顆粒度和調整范圍

圖7 基于OSU的帶寬調整相應時間實時數據采集信息

圖8 城域M-OTN/OSU網絡演進策略示意圖

4 M-OTN/OSU應用部署和網絡演進

M-OTN/OSU承載的業務類型主要包括政企總部分支互聯專線、入云業務、CloudVR等多樣性業務。對于本地業務，城域M-OTN設備同時支持基于ODU和OSU承載業務，在城域內核心匯聚節點進行基于OSU和ODU的業務調度處理。對于跨域業務，城域出口M-OTN設備將OSU復用到ODU中，骨干OTN繼續沿用ODU交叉能力[20]，充分利舊現有骨干網絡資源。

為了充分利用現有網絡資源，現有城域分組增強型OTN分階段實現向M-OTN/OSU的演進，可對現網設備采用升級方式實現對OSU的支持，最終達到OSU和ODU雙平面的目標網絡。在全網設備對OSU能力覆蓋不全面的過渡期間，采用VC、OSU和ODU 3平面的方式，支持過渡期多種業務的多樣承載需求。城域M-OTN/OSU網絡演進策略示意圖如圖8所示，隨著整體網絡對OSU覆蓋面的擴大，最終實現OSU和ODU雙層平面極簡化目標網絡。

在網絡演進中的過渡階段需要關注以下幾個要點，以確保從過渡期到目標網絡的平滑演進。

（1）最大限度地保護現網資源，盡量通過現網設備主控/交叉板軟件升級+新增支持OSU業務板卡方式，使現網設備具備基于OSU業務承載的能力。

（2）考慮現網各地區政企OTN業務發展需求和網絡投資情況，進一步研究分批次引入OSU平面。

（3）跨地區的業務承載，在具備M-OTN/OSU網絡條件下優先采用OSU平面進行業務承載，對于跨分組增強型OTN和M-OTN的情況，采用VC或ODU平面進行業務承載。

（4）過渡階段中后期，應關注VC平面網絡資源利用率情況，避免出現投資浪費情況。

5 結束語

M-OTN/OSU是由中國電信聯合業界主流設備廠商推出的創新型光傳輸技術體系，從其技術特征優勢和實驗數據分析，可以看出M-OTN/OSU可以很好地適應未來業務發展的趨勢和需求。OSU技術的引入拓展了OTN光傳送網的應用范圍，提高了業務承載能力以及簡化了網絡結構和運維，給近幾年技術升級幾乎停滯的OTN技術打了一顆強心劑。設備、芯片和儀表廠商等業界產業鏈對M-OTN/OSU技術的大力投入，將加速M-OTN/OSU在現網應用部署的步伐，相信在幾年時間里M-OTN/OSU技術會在現網中得到大規模商用。

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Research on OSU based M-OTN technology innovation and application

GONG Yadong, JING Ruiquan, ZHOU Heng, LI Junjie, HUO Xiaoli

Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

With SDH and MSTP networks facing withdrawal from the network, OTN will replace SDH/MSTP networks and sink to the edge of the network. At the same time, the requirements of customers’ services are also changing rapidly, but the packet enhanced OTN has various problems and challenges in carrying these services. Therefore, the M-OTN technology system based on OSU was proposed, and the technical advantages of M-OTN/OSU were comprehensively analyzed by combining its technical essence and experimental data. The results show that M-OTN/OSU has obvious advantages over packet enhanced OTN technology in many aspects. The application and deployment of M-OTN/OSU in the field network and network evolution are of great concern. Combined with the technical characteristics of M-OTN/OSU and the deployed devices in the field network, the research of M-OTN/ OSU in networking scheme and network evolution strategy was shared.

M-OTN, OSU, OTN,packet enhanced,evolution

TN929.11

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022267

2022?02?16；

2022?09?30

龔雅棟（1985– ），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事光傳輸OTN/WDM等技術和應用方面的研究工作。

荊瑞泉（1972– ），男，中國電信股份有限公司研究院正高級工程師，主要研究方向為光通信OTN技術、傳送網管控技術等。

周恒（1994– ），女，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為光通信OTN技術等。

李俊杰（1977– ），男，博士，中國電信股份有限公司研究院正高級工程師、科技管理部主任，中國電信集團有限公司光傳輸技術首席專家。長期從事光傳輸、光網絡技術和應用方面的研究工作。

霍曉莉（1977– ），女，中國電信股份有限公司研究院正高級工程師，長期從事光通信技術的研究工作，涉及MSTP、ASON、40 Gbit/s/ 100 Gbit/s WDM、同步等領域。