基于OSU的M-OTN技术创新和应用部署研究

龚雅栋，荆瑞泉，周恒，李俊杰，霍晓莉

基于OSU的M-OTN技术创新和应用部署研究

龚雅栋，荆瑞泉，周恒，李俊杰，霍晓莉

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

随着SDH和MSTP网络面临退网，OTN将取代SDH/MSTP网络，下沉到网络的边缘节点。同时，客户业务的需求也正在发生快速变化，而分组增强型OTN在其承载业务上存在着各种问题和挑战。提出了基于OSU的城域网优化OTN（M-OTN）技术体系，并结合其技术本质和实验测试数据，全面分析了M-OTN/OSU的技术优势。结果表明，M-OTN/OSU相较于分组增强型OTN技术在多个方面具有明显优势。M-OTN/OSU在现网中如何应用部署以及网络演进，同样备受关注。结合M-OTN/OSU的技术特点和现网中已部署设备情况，分享了对于M-OTN/OSU的组网方案，以及网络演进策略的研究。

M-OTN；光业务单元；OTN；分组增强；演进

0 引言

同步数字体系（synchronous digital hierarchy，SDH）和多业务传送平台（multi-service transport platform，MSTP）技术诞生于20世纪90年代初期，相关技术发展已停滞多年，且设备和芯片也面临供给问题，目前各运营商均在考虑将其逐步退网[1]。光传送网（optical transport network，OTN）技术从1998年开始制定标准，到现在已在网应用多年，并且国内三大运营商在2018—2019年均投资建设了政企OTN骨干网，其高品质特性得到了客户的普遍认可。随着近两年SDH和MSTP网络相关问题的突显，以及客户被提供了更高品质的、端到端的统一OTN承载网络，OTN正在逐步替代SDH/MSTP网络，下沉到边缘业务节点[2-3]。随着一些客户业务新需求快速发展，其对光传送网OTN技术提出了新的需求和挑战。目前，现网中应用部署的分组增强型OTN相对于传统OTN在小颗粒业务承载方面有了很多优化和改善，但其是分组、虚容器（virtual container，VC）、光数据单元（optical data unit，ODU）等多种技术平面叠加的方式[4]，使得设备在现网应用中存在着各种问题，难以满足未来业务的快速发展需求。

因此，中国电信联合业界产业链推出了城域优化OTN（metro-optimized OTN，M-OTN）技术体系，引入最低2.6 Mbit/s颗粒度的光业务单元（optical service unit，OSU）技术，实现对小颗粒业务的更优承载，并解决分组增强型OTN现网应用的问题[5]。对OSU技术的本质分析以及近期的实验室和现网测试验证，均表明M-OTN/OSU在小颗粒业务承载、时延优化、业务汇聚比等带宽随选等方面具有更好的表现。

考虑现网中城域和骨干已经建设了大规模的OTN，为了保护现网资源，需要进一步研究基于M-OTN/OSU业务承载的网络架构，以及现有OTN如何向M-OTN/OSU网络平滑演进的策略。

1 业务发展对光传送网需求和现网设备应用现状

1.1 业务发展对光传送需求

近年来，随着企业和政府数字化平台加速转型，其专线业务带宽需求增长快速、网络架构也从以前的分级网络向网络扁平化方向发展。2020年，我国把“新基建”作为战略发展方向，云网融合也随之提升到了新的高度，同年中国电信提出“云改数转”的战略转型目标，并发布了《云网融合2030技术白皮书》详细阐述了对网络的需求[6]。可见，无论是适应政企业务转型的变化，还是实现云网融合的战略目标，均对光传送OTN技术提出了新的需求，下面对其分别进行阐述。

（1）小颗粒业务仍然是主流

随着政企数字化转型的速度加快，客户对小带宽的刚性管道电路需求比较旺盛，通过对于现网中电路带宽的分布情况调研，1 Gbit/s以下带宽占到了90%以上，其中100 Mbit/s以下带宽达到50%以上，相信未来小带宽电路需求仍会长期存在[7]。

（2）业务汇聚比要求更高

随着政企网络架构从分级网络到网络扁平化的发展，银行、政府、金融等机构都在考虑自身网络向扁平化调整，如银行机构相对于传统的分级网络结构层级多、设备资源不集中的问题，网络架构扁平化后设备资源由一级分行（省分行）集中统筹管理、网络结构层级简化，可大幅降低运维成本和故障风险。同时，这样的调整对OTN业务汇聚节点的电路汇聚比提出了更高的要求，分支到总部的业务汇聚比可达到几千比一。一个典型案例：某银行在某省内有3 000个分支网点，网点到省分行的业务汇聚比达到3 000:1。

（3）带宽随选能力需求强烈

近几年，很多政企客户在数字化转型过程中比较关注运营商提供的OTN电路带宽随选能力，主要体现在两个方面：一是可以按时间段的需求调整电路带宽，另一个是为了节省成本，带宽调整的颗粒度要求更加精细（10 Mbit/s带宽颗粒度）。比如医疗行业客户在数字化转型过程中，提出其电子病历或造影图像进行了平台化集中管理和储存，患者下载打印的高峰期集中在白天，而夜间对电路带宽需求相对较少，希望分时间段提供更精细化的带宽随选能力。

（4）入云业务新需求

随着云计算进入快速发展阶段，政务、金融、交通、物流、教育等行业均在加速上云。入云场景和入云服务品质的需求千差万别，用户上云业务带宽具有多样化的需求，从几十Mbit/s到几十Tbit/s，同时部分高品质客户业务要求提供带宽保证、安全隔离、带宽随选能力以及更优的时延，这样亟须光传送网提供一种更灵活、更优化的OTN新技术，满足未来大量高品质入云的需求[8]。

1.2 现网OTN设备应用现状

目前，现网OTN传输承载网络中主要应用部署的是分组增强型OTN设备，其技术本质是将OTN和SDH统一时隙信元交换和以太网的分组交换多种技术的整合叠加[9]。现网小颗粒业务主要是采用以太网在SDH技术体系承载（ETH（Ethernet） over SDH，EoS）和分组两种方式进行承载[10-11]，而这两种承载方式在应用过程中均存在着各自的问题。

EoS承载方式现网应用存在的问题如下。

（1）城域汇聚核心节点由于需要处理大量的本地或跨域业务的调度，其设备存在着VC低阶交叉容量严重不足的问题。

（2）客户业务接入或者网络中负责低阶交叉调度节点的映射复用路径最多需要6级，比如客户接入节点业务映射路径：客户业务-VC12-VC4- STM16-ODU1-ODU2-OTU2。这会导致业务转接时延大的问题。

（3）对于现网中的EVPL（Ethernet virtual private line）业务，客户总部节点业务单板卡/接口汇聚比低（64:1），需要更多传输设备客户端板卡满足更高汇聚比的要求，客户设备需要更多以太端口与传输设备对接且带宽利用率比较低。

分组承载方式现网应用存在的问题如下。

（1）分组承载方式其技术本质还是共享带宽承载方式，很难满足高品质客户专线应用场景要求的带宽保证、安全隔离的需求。

（2）分组承载方式传输线路需进行分段分组汇聚方式，提高线路带宽利用率，但此种方式很难直观呈现端到端承载管道的信息和性能，带来运营维护上的困难，进而降低了客户对高品质业务的体验感。

（3）异厂商基于分组承载方式的子网保护互通存在问题，在跨域专线或入云承载上难以满足可靠性要求[12]。

2 M-OTN/OSU技术本质和优势

基于上文分析的目前业务需求以及现网OTN设备应用现状的问题，中国电信联合业界多方提出了M-OTN/OSU的技术体系，其主要技术核心点是借鉴OTN的TDM技术，引入以2.6 Mbit/s为颗粒的灵活容器光业务单元OSU，并且兼顾现有的OTN架构体系。

图1 OSU帧结构

OSU的帧结构如图1所示，长度为192 byte，OSU帧长的选择综合考虑了业界交换芯片的交换效率、开销占比等因素。OSU帧结构包括7 byte的开销区域和185 byte的净荷区域，其中开销区域分为3部分：通用开销、映射开销和CRC8校验区。其中通用开销包括版本号（version，VER）、支路端口号（tributary port number，TPN）、帧类型（frame type，FT）、连续性校验（connectivity verification，CV）、串联连接监视（tandem connection monitoring，TCM，如TCM1/TCM2）、通道监控（path monitoring，PM）和保留开销（reserved，RES）帧结构详细的功能描述可参考文献[13]。

OSU作为OTN技术体系中一种创造性低阶容器，可通过OSU级联方式最优匹配以太网业务承载，主要承载2 Mbit/s～10 Gbit/s的以太网业务，并兼顾STM1/STM4等TDM业务。OSU通过定义192 byte的净荷块（payload block，PB），通过周期内占用OPU时隙PB数量控制带宽，实现业务颗粒的更加灵活承载，提高光净荷单元（optical payload unit，OPU）带宽的利用率。同时，通过随路带外的无损带宽调整控制帧[13]，减少对网管协议交互，提高带宽调整效率和可靠性。基于OSU的映射复用结构如图2所示，通过较少业务映射层级、匹配信元交换，实现低时延传送，且OSU到ODU分为单级映射和多级映射，当单节点设备接入业务为单一类型业务时，采用单级映射复用机制，最大化地体现时延优势，以及简化业务开通和运维工作。

OSU技术的主要支持功能如下。

Ÿ 支持多业务映射复用到OSU功能。

Ÿ 支持多路OSU复用到OPU功能。

Ÿ 支持OSU的PM/TCM监控功能，以及告警指示信号（alarm indication signal，AIS）/开放连接指示（open connection indication，OCI）/锁定指示信号（lock indication signal，LCK）维护信号下插功能。

Ÿ 支持OSU时延测量功能。

Ÿ 支持OSU子网1+1连接保护（subnetwork connection protection，SNCP[14]）倒换。

Ÿ 支持OSU带宽无损调整功能。

图2 基于OSU的映射复用结构

M-OTN/OSU技术作为一种新型的光传送网技术，相对于现有OTN技术，有其特有的优势，后面章节结合实验室和现网测试数据情况，进一步证实OSU技术的相对优势，具体如下。

（1）精细化的业务弹性硬管道承载能力

传统OTN硬管道方式，以ODU的固定时隙进行带宽捆绑，最小时隙为ODU0（1.25 Gbit/s），单个ODU4仅支持80个基于ODU0的硬管道业务连接数[15]。M-OTN/OSU采用最小2.6 Mbit/s的灵活时隙，单个ODU4理论最大支持4 000条硬管道业务连接数（12 bit TPN）。

基于OSU灵活容器，实现一业务一管道的端到端精细化承载服务，以网络中OTU2（10 Gbit/s）链路为例，当前EoO（ETH over ODU）方案只能支持8条GE业务，EoOSU（ETH over OSU）方案可以承载10条GE业务，承载效率提升了25%，可极大提高运营商网络的线路带宽利用率、降低运维管理的难度。

（2）低时延特性

相较于小颗粒业务承载EoS方式的6级映射复用路径[16]，EoOSU（ETH over OSU）承载方式最少只需要3级映射路径（如：客户业务-OSU- ODU2-OTU2），可将设备业务转接时延大幅降低。

（3）基于OSU的汇聚比能力强：

传统EoS方式的业务汇聚节点单板卡/接口（10 GE/GE），支持不同分支/方向的业务汇聚比最大仅为64:1，基于OSU技术的汇聚节点单板卡/接口（10 GE/GE）最大业务汇聚比可达200:1以上。

（4）无损带宽调整能力强

传统OTN基于G.HAO协议进行带宽调节过程中，仅支持基于ODUflex最小1.25 Gbit/s颗粒度的带宽调整，且协议复杂、带宽调整时间长[17-18]。M-OTN/OSU基于OSU技术进行带宽调整，最小调整颗粒度为10 Mbit/s（理论最小调整颗粒为2.6 Mbit/s），且协议简单、带宽调整时间可达秒级。

（5）小颗粒业务交叉容量大

基于OSU技术的M-OTN设备交叉架构，采用信元（cell）交换的实现原理，其交叉容量不受其承载管道方式和支持业务连接数的影响。经实验室验证，应用在城域核心节点的M-OTN设备，可支持最大3.2万条基于OSU的单向业务连接数，按照现网小颗粒业务平均带宽50 Mbit/s计算，整台设备的低阶管道交叉容量可达1.6 Tbit/s，相对于目前分组增强型OTN设备最大80 Gbit/s的低阶VC交叉容量，提高了20倍。

表1 单节点EoS和EoOSU双向时延数据

3 实验结果

为了充分验证基于OSU业务承载的功能和性能情况，分别进行了实验室和现网实验测试，测试结果表明OSU具有明显的技术优势。

3.1 实验室测试结果

在实验室阶段，对基于OSU技术的设备进行了业务承载、保护、时延、通道连接能力等方面进行了测试，下面详细阐述对单节点时延和通道连接能力测试结果。

（1）单节点时延性能

本次测试，被测设备客户侧采用ETH端口，线路侧采用OTU4接口环回方式，分别测试 2 Mbit/s和10 Mbit/s在64～1 518不同以太网包帧长情况下的时延，EoS和EoOSU两种承载方式映射复用路径如下。

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

Ÿ EoOSU: GE→OSU→ODU4→OTU4。

图3 2 Mbit/s和10 Mbit/s业务单节点时延数据比对

（2）OSU业务连接数

由于OSU主要用于承载1 Gbit/s以下速率带宽业务，M-OTN设备支持的最大OSU数量是一个非常重要的性能指标。针对网络核心节点的M-OTN设备，实验室测试结果表明，一个单节点设备可以支持多达3.2万个单向OSU连接，具有6.4 Tbit/s（单条业务200 Mbit/s带宽）的OSU交叉连接能力。单个100 Gbit/s OTN（OTU4）接口可以支持多达1 000个双向OSU连接，OSU业务连接数测试结果如图4所示。

（3）基于OSU客户端口业务汇聚比

根据实验室测试结果，基于OSU的GE客户端口业务汇聚比可达到239∶1，相较于EoS承载方式64∶1的汇聚比具有明显优势，可很好地适应政企网络架构扁平化发展的需求。

图4 OSU业务连接数测试结果

3.2 现网测试结果

为了进一步验证M-OTN/OSU技术在业务承载、带宽调整等方面的功能和性能，2021年年底在江苏省无锡市和南京市进行了M-OTN/OSU多厂商设备组网的现网试验。试验网络由两个M-OTN城域网和省级骨干网组成，两个区域网络连接采用省干100 Gbit/s OTN进行连接。现网测试网络连接拓扑如图5所示，在本次多厂商现场试验中，城域核心（metro core，MC）、城域汇聚（metro aggregation，MA）和城域边缘（metro edge，ME）节点由A厂商提供，M-OTN CPE-1和CPE-2节点分别由B厂商和C厂商提供。

图5 现网测试网络连接拓扑

在CPE-1和CPE-2节点之间创建基于OSU承载的端到端ETH业务（EoOSU方式），在两个本地网络节点中使用OSU到ODU的复用方式，省干OTN节点采用ODU透传方式。

经过现网测试，充分验证了基于OSU技术在多域网络间且在异厂商设备间的业务承载和互通功能[19]，满足现网业务承载的需求。带宽调整颗粒度和调整范围如图6所示，图6（a）显示了基于OSU的带宽调整功能，其最小调整颗粒度可达到2.6 Mbit/s；图6（b）显示了OSU具备带宽大范围的调整能力，现网进行了从100 Mbit/s到 1 000 Mbit/s再到500 Mbit/s的带宽范围调整测试，且调整过程中业务无损。图7为基于OSU的带宽调整相应时间实时数据采集信息，结果表明单次基于OSU的无损带宽调整，仅需15 s即可完成，与传统基于ODUflex的G.HAO分钟级带宽调整机制相比具有明显的优势。

图6 带宽调整颗粒度和调整范围

图7 基于OSU的带宽调整相应时间实时数据采集信息

图8 城域M-OTN/OSU网络演进策略示意图

4 M-OTN/OSU应用部署和网络演进

M-OTN/OSU承载的业务类型主要包括政企总部分支互联专线、入云业务、CloudVR等多样性业务。对于本地业务，城域M-OTN设备同时支持基于ODU和OSU承载业务，在城域内核心汇聚节点进行基于OSU和ODU的业务调度处理。对于跨域业务，城域出口M-OTN设备将OSU复用到ODU中，骨干OTN继续沿用ODU交叉能力[20]，充分利旧现有骨干网络资源。

为了充分利用现有网络资源，现有城域分组增强型OTN分阶段实现向M-OTN/OSU的演进，可对现网设备采用升级方式实现对OSU的支持，最终达到OSU和ODU双平面的目标网络。在全网设备对OSU能力覆盖不全面的过渡期间，采用VC、OSU和ODU 3平面的方式，支持过渡期多种业务的多样承载需求。城域M-OTN/OSU网络演进策略示意图如图8所示，随着整体网络对OSU覆盖面的扩大，最终实现OSU和ODU双层平面极简化目标网络。

在网络演进中的过渡阶段需要关注以下几个要点，以确保从过渡期到目标网络的平滑演进。

（1）最大限度地保护现网资源，尽量通过现网设备主控/交叉板软件升级+新增支持OSU业务板卡方式，使现网设备具备基于OSU业务承载的能力。

（2）考虑现网各地区政企OTN业务发展需求和网络投资情况，进一步研究分批次引入OSU平面。

（3）跨地区的业务承载，在具备M-OTN/OSU网络条件下优先采用OSU平面进行业务承载，对于跨分组增强型OTN和M-OTN的情况，采用VC或ODU平面进行业务承载。

（4）过渡阶段中后期，应关注VC平面网络资源利用率情况，避免出现投资浪费情况。

5 结束语

M-OTN/OSU是由中国电信联合业界主流设备厂商推出的创新型光传输技术体系，从其技术特征优势和实验数据分析，可以看出M-OTN/OSU可以很好地适应未来业务发展的趋势和需求。OSU技术的引入拓展了OTN光传送网的应用范围，提高了业务承载能力以及简化了网络结构和运维，给近几年技术升级几乎停滞的OTN技术打了一颗强心剂。设备、芯片和仪表厂商等业界产业链对M-OTN/OSU技术的大力投入，将加速M-OTN/OSU在现网应用部署的步伐，相信在几年时间里M-OTN/OSU技术会在现网中得到大规模商用。

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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

龚雅栋（1985– ），男，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要从事光传输OTN/WDM等技术和应用方面的研究工作。

荆瑞泉（1972– ），男，中国电信股份有限公司研究院正高级工程师，主要研究方向为光通信OTN技术、传送网管控技术等。

周恒（1994– ），女，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要研究方向为光通信OTN技术等。

李俊杰（1977– ），男，博士，中国电信股份有限公司研究院正高级工程师、科技管理部主任，中国电信集团有限公司光传输技术首席专家。长期从事光传输、光网络技术和应用方面的研究工作。

霍晓莉（1977– ），女，中国电信股份有限公司研究院正高级工程师，长期从事光通信技术的研究工作，涉及MSTP、ASON、40 Gbit/s/ 100 Gbit/s WDM、同步等领域。