概念

1.TDM（时分复用）和WDM（频分复用）

先解释一下为什么要有TDM和WDM，这里我们设想一下，假如我们有两台电话，用一根电话线相连接，如果说两边都只有一个人的情况下肯定能满足使用要求。但是如果两边都有人同时要用，那么我们就需要采取一定的方法去满足要求。
这里设想每个人就是一个频道，总共有6个频道为Channel1-6，时分复用就是让两边需要用的人在不同的时间段去使用，如下图所示，Channel1-6分别在不同的时间使用，频率都是一致的。

而频分复用就是将频率分为六个区域，让这六个频道的使用频率与这六个区域一一对应。

2.网元

网元（Network Element）是指计算机网络中的基本组成部分，它们是构建和运行网络的关键设备。网元可以是硬件设备、软件程序或两者的组合。

在传统的电信网络中，网元通常是指用于传输、交换、管理和控制数据的设备，例如路由器、交换机、调制解调器等。这些网元通过物理链路连接，在网络中传递数据包和信号，并提供数据交换、转发和路由功能。

随着技术的发展，特别是云计算、虚拟化和软件定义网络（SDN）的兴起，网元的概念也在不断演变。现代的网络元素可以是以软件形式实现的虚拟机、容器或网络功能虚拟化（NFV）实例。这些虚拟化的网元具有更高的灵活性和可扩展性，可以根据需求进行动态配置和管理。

网元在网络中扮演着重要的角色，它们负责处理、传输和管理网络中的数据和信号。它们提供了网络连接、安全性、质量保证、故障恢复等关键功能。通过组合各种网元，可以构建出复杂的网络架构，满足不同的通信需求。

总结来说，网元是指计算机网络中的基本组成部分，包括硬件设备、软件程序或两者的组合。它们构成了网络的基础设施，负责处理和管理网络中的数据和信号。随着技术的进步，网元的形式不断演化，从传统的物理设备到虚拟化的软件实现。

3.ATM（异步传输）技术

异步传输技术是一种在计算机系统中用于处理数据传输的方法。它允许发送方和接收方在不同的时间间隔内进行数据传输，而不需要实时的直接通信。

在异步传输中，发送方将数据发送到一个缓冲区或队列中，并且可以继续执行其他任务，而不必等待数据完全传输给接收方。接收方可以从缓冲区中获取数据，并在适当的时间进行处理。

4.VC（虚级联）

百度百科：vc，中文名虚级联，如果承载业务的各个虚容器是独立的、它的位置可以灵活处置，这种情况就叫做“虚级联“。在光通信网络中，“级联”的基本概念可以理解为将多个容量较小数据传输容器捆绑起来组合成一个容量较大的容器来传输数据业务。这种“容器”叫做“虚容器”，虚容器是指在光传输系统中传输数据时容量保持不变的“容器”，它可以方便、灵活地在传输通道的任何一点取出或插入，或进行同步复用或交叉连接。
如果承载业务的多个虚容器是连续的、共用相同的通道开销（POH），就叫做“级联”。如果承载业务的各个虚容器是独立的、它的位置可以灵活处置，这种情况就叫做“虚级联（VC，Virtual Concatenation）”。
通俗一点来说，VC就是在通信网络中负责传输大量数据的容器，但是这个容器不是实际存在的，而是由大量传输较小数据容器捆绑组合起来的，同时这些虚容器可以独立存在，位置也可以发生变动。

5.DCS（数字交叉连接系统）

数字交叉连接系统（digital crossconnected system;DCS）是提供数字信号或其组成部分自动交叉连接网络单元的系统。它使用功能强大的微处理机，具有高密度交叉节点处理器，使其能在短短的数秒钟内实现所要求的多个交叉连接。

DXC（数字交叉机）

在DCS中负责实现具体功能的设备。如下图所示。

该交叉机共有n个端口，V为传输信号速率。根据交叉机型号的不同，V1可以是ZMb/s、34Mb/s或140Mb/s等；V2可以是64kb/s、2Mb/s或34Mb/s、140Mb/s等。
设V1=2.048Mb/s，V2=64kb/s，由图1可知，交叉机DXC由操作人员发出的控制信号，能在2.048Mb/s码流中对64kb/s时隙进行交叉连接，并且不经分接或复接过程即能进行重新排列、分支和进行路由调度，既完成了数字跳线架的功能，又能完成一部分籍要数字交换设备实现的功能，同时减轻了交换设备的负荷。由于端口界面是可扩充的，数字交叉机的容量即port数可根据实际需要选定。

光传输原理

PDH

在数字通信中，传送的信号都是数字化的脉冲序列。这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误，这就叫做“同步”。在数字传输系统中，其中一种叫“准同步数字系列”，英文名则为PDH。
PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）是一种传输等级体系，用于在数字通信网络中传输语音和数据。PDH的主要目标是将语音和数据转换为数字信号，并以固定的速率进行传输。它采用了刚性的等级结构，其中每个等级都有特定的传输速率。常见的PDH等级包括E1、T1、E3和T3等，它们分别对应不同的传输容量。PDH系统通过时间分割多路复用技术来实现信号的传输。每个等级的信道被划分为固定长度的时间槽，每个时间槽可以用于传输一个语音通路或数据信号。这种多路复用方式允许同时传输多个信道，提高了带宽利用效率。此外，PDH系统需要保持严格的时钟同步，以确保数据在各个等级之间的传输正常进行。为了实现时钟同步，网络中的主设备会向所有从设备提供参考时钟信号。这样可以确保数据在传输过程中保持同步，避免数据丢失或错位。

PDH的接口

PDH的接口是多样的，也就是说每个厂商的PDH接口速率是不一样的，如图所示：欧洲系列一般都是2M bit/s，而日本和北美的则是1.5M bit/s。

没有统一的光接口规范会导致一个问题：不同厂家的设备无法实现横向兼容。这样在同一传输路线两端必须采用同一厂家的设备，给组网、管理及网络互通带来困难。

PDH的复用方式

PDH采取只有1.5Mbit/s和2Mbit/s速率的信号（包括日本系列6.3Mbit/s速率的信号）是同步的，其他速率的信号都是异步的，需要通过码速的调整来匹配和容纳时钟的差异。由于PDH采用异步复用方式，那么就导致当低速信号复用到高速信号时，其在高速信号的帧结构中的位置没规律性和固定性。也就是说在高速信号中不能确认低速信号的位置。即如果我们想从140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号，我们就需要解复用设备。
通过三级解复用设备从140Mbit/s的信号中分出2Mbit/s低速信号；再通过三级复用设备将2Mbit/s的低速信号复用到140Mbit/s信号中。一个140Mbit/s信号可复用进64个2Mbit/s信号，但是若在此仅仅从140Mbit/s信号中上下一个2Mbit/s的信号，也需要全套的三级复用和解复用设备。这样不仅增加了设备的体积、成本、功耗，还增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性。

SDH

1.SDH介绍
SDH是Synchronous Digital Hierarchy（同步数字体系）的缩写，也被称为PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字体系）。它是一种在传输网络中广泛使用的标准，用于在光纤通信和数字传输系统中高效地传输数据和语音信号。

SDH是一种层次结构的传输技术，它将数据划分为不同的容量级别，从而实现灵活的带宽管理。SDH采用光纤通信作为传输介质，并利用光电转换器将电信号转换为光信号进行传输。它能够以非常高的速率传输数据，如155 Mbps、622 Mbps、2.5 Gbps等，以满足不同应用的需求。

SDH具有以下特点和优势：

同步性：SDH基于精确的时钟同步机制，确保数据在不同节点间的同步传输，提供可靠的服务质量。

容错性：SDH系统具备自动检测和修复传输中的错误的能力，提高了网络的可靠性和鲁棒性。

灵活性：SDH支持多种容量级别的数据传输，可以根据需求进行动态带宽分配和配置。

扩展性：SDH系统可以通过添加或升级设备来扩展网络容量，以适应不断增长的数据需求。

管理性：SDH提供了丰富的管理功能，可以对网络进行监控、故障排除和性能优化。

SDH在电信运营商和大型企业网络中广泛应用，用于实现长途传输、宽带接入、移动通信等各种通信服务。它被认为是一种可靠、高效的传输技术，为现代通信网络的建设和运维提供了重要支持。

2.SDH的帧结构
SDH帧包含了净荷、POH、AUPTR、SOH几部分，每部分的作用如下：

净荷——用于存放各种业务信息。

POH（通道开销）—在C容器上贴的标签，形成VC虚容器，以便网管能够对VC通道进行监控，知道这箱货物有没有丢失或者出错。

指针(AUPTR)—用作固定，指针就是用来告诉接收端，这个箱子在运输过程中因为抖振动稍微偏移了多少。

段开销(MSOH)—分为复用段开销(MSOH)、再生段开销(RSOH)。复用段开销(MSOH)是对货车STM-N中的每一个集装箱STM-1信号进行监控；再生段开销(RSOH)是对货车STM-N整体信号进行监控。

同步传输模块

STM-1=155.52Mb/s（STM-Synchronous Transfer Module，同步传输模块），举例来说，SDH的速率公式为STM-N，N可以取1、4、16、64、256。
放在SDH中，SDH是一种同步数字传输体制，基础速率是155M，并且按照4倍的等级依次递增，分别是155M、622M、2.5G、10G、40G（小数点后省略）。

SDH的复用

以E1(2M)为例。我们把E1当作一件货物，首先SDH提供一个叫做C12的箱子，这个箱子尺寸（速率）略大于E1，E1装入C12时要塞一些泡沫固定（码速调整）。

C12贴上标签（通道开销）之后形成了带标签的箱子（VC12）。VC12被绳子绑在了固定的位置（指针定位）之后形成TU12。

3个TU12组合在一起（复用）形成了TUG2，7个TUG-2组合在一起（复用）形成了TUG3，3个TUG3又组合（复用）在一起装在了一个叫做C4的大的箱子里。

C4贴上标签（通道开销）后形成VC4。VC4被绳子固定（指针定位）后形成AU4。

AU4加上标签（段开销）后形成集装箱（STM-1）。几个集装箱（STM-1）装上货车（STM-N）就可以上路运输。

复用过程无非就是装箱（码速调整）、贴标签（通道开销）、绑定位置（指针定位）、组合（复用）、加车头（段开销）。
由于低速SDH信号是以字节间插方式复用进高速SDH信号的帧结构中的，这样就使低速SDH信号在高速SDH信号的帧中的位置是固定的、有规律的，也就是说是可预见的。这样就能从高速SDH信号例如2.5Gbit/s（STM-16）中直接分/插出低速SDH信号例如155Mbit/s（STM-1），从而简化了信号的复接和分接，使SDH体制特别适合于高速大容量的光纤通信系统。

另外，由于采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可将PDH低速支路信号（例如2Mbit/s）复用进SDH信号的帧中去（STM-N），这样使低速支路信号在STM-N帧中的位置也是可预见的，于是可以从STM-N信号中直接分/插出低速支路信号。注意此处不同于前面所说的从高速SDH信号中直接分插出低速SDH信号，此处是指从SDH信号中直接分/插出低速支路信号，例如2Mbit/s，34Mbit/s与140Mbit/s等低速信号。于是节省了大量的复接/分接设备（背靠背设备），增加了可靠性，减少了信号损伤、设备成本、功耗、复杂性等，使业务的上、下更加简便。

SDH的这种复用方式使数字交叉连接（DXC）功能更易于实现，使网络具有了很强的自愈功能，便于用户按需动态组网，实现灵活的业务调配。

技术支持

1.交叉

交叉，它能对车队STM-N里的所有VC4、VC12等箱子进行调度，找到本站所需要的箱子。

SDH的交叉分为高阶交叉和低阶交叉。高阶交叉对应的颗粒是VC4（大箱子），低阶交叉对应的颗粒是VC12（小箱子）。

一个站点需要将多少个箱子搬来搬去，这是对交叉能力的需求。交叉能力一般有两种表示方法，一种是多少个VC，一种是多少个Gbit/S，两者之间可以换算， 比如128VC4换算过来就是128155M，大约就是20Gbit/S。
2.字节插复用
有三个信号：帧结构各为每帧3个字节，若将这三个信号通过字节间插复用方式复用成信号D，那D就应该是这样一种帧结构：帧中有9个字节，且这9个字节的排放次序如下图：

2.SDH网络自愈功能的实现

网络自愈是指当业务信道损坏导致业务中断时，网络会自动将业务切换到备用业务信道，使业务能在较短的时间（ITU-T规定为50ms以内）得以恢复正常传输。注意这里仅是指业务得以恢复，而发生故障的设备和发生故障的信道则还是要人去修复。

那么为达到网络自愈功能除了设备具有DXC功能（完成将业务从主用信道切换到备用信道）外，还需要有冗余的信道（备用信道）和冗余设备（备用设备）。以下是一个具有自愈功能传输网的简单例子。

SDH网络的典型特征就是双环结构，由两条链路组成两条环路，一主一备，数据同时在两条链路上传输，正常情况下只接受主链路的数据，当主链路出现问题时在50ms 内开始接受备链路的数据，这种工作模式称为自愈功能。

MSTP

MSTP是Multi-Service Transport Platform（多业务传输平台）的缩写，它是一种用于传输多种通信服务的网络设备和技术。MSTP是基于同步数字体系（SDH）技术的演进而来，旨在提供更高效、灵活和可靠的多业务传输解决方案。

MSTP主要用于运营商和企业网络中的传输网部署，承载各种通信业务，如语音、数据、视频等，并能够应对不断增长的带宽需求和多样化的服务要求。MSTP基于SDH 平台同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。 MSTP最重要的特性是以太网业务的处理。

MSTP除具有标准SDH传送节点所具有的功能外，还具有以下主要功能特征。
（1）具有TDM业务、ATM业务或以太网业务的接入功能；　
（2）具有TDM业务、ATM业务或以太网业务的传送功能包括点到点的透明传送功能；
（3）具有ATM业务或以太网业务的带宽统计复用功能；
（4）具有ATM业务或以太网业务映射到SDH虚容器的指配功能。

MSTP的网络结构

MSTP = SDH + 以太网（二层交换） + ATM（传信令） 也就是在SDH的用户侧增加了以太网接口或ATM接口，实现IP化接口。IP over SDH。
MSTP的核心仍然是SDH，在SDH的基础上进行了改进。

OTN

在现代通信网络中，光纤技术已经成为主流，提供了高速、高带宽的数据传输能力。光传送网（Optical Transport Network，OTN）是一种基于光纤技术的传输网络，用于实现可靠、高效的光纤通信。光传送网（OTN）是一种基于光纤通信技术的网络架构，用于实现光信号的传输和交换。它采用光传输技术将数据以光信号的形式传送，提供高容量、低延迟和可靠的数据传输。OTN通过使用光传输设备和光传输协议，将光信号从一个点传输到另一个点，实现长距离的数据通信。
从数据传输发展的角度来说OTN=WDM+SDH，波分复用+SDH
OTN就是在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对业务的调度分为：光层调度和电层调度；光层调度可以理解为是WDM的范畴；电层调度可以理解为SDH的范畴。

OTN的帧结构

(1) OPUk：由净负荷和开销组成，净负荷部分包含采用特定映射技术的客户信号，而开销部分则包含用于支持特定客户的适配信息，不同类型的客户都有自己特有的开销结构。
(2) ODUk：除OPUk外, ODUk号包含多个开销字段，它们是PM(Path performance Monitoring)、TCM (Tandem Connection Monitoring)和APS/PCC(Automatic Protection Switching/Protection Communication Control channel)等。
(3) OTUk：除ODUk外，还包括FEC和用于管理及性能监视的开销SM(Section Monitoring)。FEC则基于ITU-T G.975建议的Reed Solomon算法。

OTN的开销

(1) 客户信号加上OPU-OH形成OPU(Optical Channel Payload Unit)。
(2) OPU加上ODU-OH后形成ODU(Optical Channel Data Unit)。
(3) FAS(Frame Alignment Signal)、OTU-OH、FEC加入ODU形成OTU。最后再加上OCh层非随路的开销(通过OSC传送)，完成OTU到OCh层的映射，并将其调制到一个光信道载波上传输。

OTN网络发展

SD-OTN：Software Defined Optical Transport Network，即软件定义的光传送网。符合国际电信联盟ITU-T G.709、G.872和G.798等建议，用光作载体，光纤为传输介质的传送信息的网络。能够提供基于光通道的客户信号的传送、复用、路由、管理、监控以及保护。

接入网简介和PON技术

接入网

接入网（Access Network）是指通信网络中连接用户终端设备和核心网络之间的部分。它是用户与运营商网络之间的桥梁，负责将用户的通信需求接入到核心网络中。

接入网的主要目标是提供高速、可靠、安全的互联网接入服务，以满足用户对数据、语音和视频等多种通信服务的需求。在接入网中，用户可以通过不同的技术和设备接入互联网，例如宽带接入、无线接入和光纤接入等。

接入网通常包括以下几个重要组成部分：

1.用户终端设备：包括个人电脑、智能手机、固定电话、路由器等，用于与接入网进行通信和数据交换。

2.接入设备：也称为接入节点，负责将用户终端设备的信号转换为适合在传输网络中传输的信号。常见的接入设备包括数字用户线路（Digital Subscriber Line，DSL）调制解调器、光纤调制解调器（Optical Network Terminal，ONT）和无线接入点（Wireless Access Point，WAP）等。

3.传输介质：用于在用户终端设备和接入设备之间传输数据和信号的媒介，如铜线、光纤和无线电频谱等。

4.接入网络：也称为最后一英里网络（Last-Mile Network），是连接用户终端设备和运营商核心网络的部分。接入网络的设计和技术取决于接入方式，常见的接入网络类型包括数字用户线路（DSL）、电缆网络、光纤网络和无线网络（如Wi-Fi和4G/5G）等。

FTTH

光纤到户（Fiber to the Home，FTTH）是一种宽带接入技术，指的是将光纤传输线路延伸到用户住宅或商业建筑物内部，以提供高速、稳定的互联网接入服务。在传统的网络架构中，常见的宽带接入方式包括DSL（数字用户线）和电缆调制解调器，但这些技术无法提供与光纤相媲美的速度和性能。
FTTH通过直接将光纤引入用户住宅或商业建筑物，实现了更高的带宽和更快的数据传输速度。光纤是一种用于传输信息的纤维材料，它具有较大的带宽和更低的信号衰减，因此能够支持更高速的数据传输。与传统的铜线（如电话线）相比，光纤的传输距离更远，而且不受电磁干扰影响。
在FTTH网络中，光纤通常延伸至用户住宅或商业建筑物内，然后通过光网络终端（ONT）连接到用户的计算设备，如计算机、路由器或无线访问点。ONT将光纤信号转换为电信号，使用户能够通过以太网、Wi-Fi等方式接入互联网。
FTTH包括以下几种方式：
1.点到点（P2P），即每个用户都有一条对应光缆与之连接，从图中可以看出这种方式对于用户来说避免了网络延迟，但相应增加了成本，所以这种方式主要用于VIP用户。

2.P2MP（PON），即从CO到无源分光器之间只有一条光缆与之相连，而无源分光器到用户是1对多的关系，这种方式多个用户使用同一条光缆，虽然增大了网络延迟，但是极大节省了成本，所以目前百分之九十使用这种方式。

分光器

分光器（splitter）是一个光功率分配器件，通常是1：N或者2:N结构；
分光器的损耗大小取决于输出端口的多少；分光器衰减计算公式：
分光器是双向的，而且双向衰减基本一样。即A到B1的衰减基本上等于B1到A的衰减。对应TDM PON就是上行光和下行光经过splitter的衰减一样。
其它重要指标：回波损耗、插损一致性、偏振相关损耗、方向性等

PON

PON（Passive Optical Network）是一种光纤传输网络技术，用于在FTTH（Fiber to the Home）和其他光纤接入网络中提供宽带服务。PON采用一种被动的光学分配架构，通过光分复用和光分配器来实现多用户共享光纤传输线路的方式。

在一个PON网络中，通常包括三个主要组成部分：光线终端（OLT，Optical Line Terminal）、分光器（Splitter）和光网络终端（ONT，Optical Network Terminal）。

• 光线终端（OLT）：位于网络服务提供商（ISP）的数据中心或中央办公区域，负责管理整个PON网络并与上层网络交互。OLT将数据、语音和视频等信号转换为光信号，并通过光纤传输到用户所在的区域。

• 分光器（Splitter）：位于离用户较近的位置，其作用是将单个光纤信号分散为多个独立的光信号，以便连接到不同用户的ONT。分配器通常使用光学耦合器或光纤分束器来实现将信号分割成多个路径。

• 光网络终端（ONT）：安装在用户住宅或商业建筑物内，用于接收光信号并将其转换为电信号，使用户能够连接计算机、路由器或其他网络设备来访问互联网。

PON的工作原理是基于时分多路复用（TDM）和波分多路复用（WDM）技术。在TDM-PON中，光纤传输线路上的带宽按时间进行分割，每个ONT在预定的时间窗口内接收或发送数据。而在WDM-PON中，使用不同的波长将数据流分割成独立的通道，每个通道可以独立传输数据。

PON数据传输

在PON协议中，下行数据采取广播的方式，所谓广播，就是将所有包通过分路器发送到所有的终端用户，ONU通过比对ONU ID判断包是否是发给自身的从而选择接收或者拒绝。

而上行数据则是采取TDMA的方式进行传输，在上文中也体积TDMA的传输方式，即由终端用户产生的数据包在不同的时段被OLT接收。根据下行帧的upstream bandwidth map字段来给每个ONU分配上行时隙。

PPPoE

PPPoE介绍

PPPoE是Point to Point Protocol over Ethernet的缩写，意思也就是以太网上的PPP，其中PPP是Point to Point Protocol（点到点协议）的字母缩写，故PPPoE也称PPP over Ethernet，即PPPoE协议。可以说PPPoE是将以太网和PPP协议相结合的协议，是在以太网中转播PPP帧信息的技术，它利用以太网将大量主机组成网络，通过一个远端接入设备连入因特网，并对接入的每一台主机实现控制、计费功能，PPPoE广泛应用在包括小区组网建设等一系列应用中，前些年流行的宽带接入方式ADSL 就使用了PPPoE协议。

PPPoE报文格式

上图为PPP报文和PPPoE报文头以及以太网报文头，可以看到PPP报文被存储在PPPoE报文头的净荷载部分，而PPP报文和PPPoE报文则被封装在以太网报文头的净荷载部分。

PPPoE接入过程

1.发现阶段（Discovery Stage）:

1）用户主机广播发送PADI（pppoe active discovery initiatio）包，准备去获得所有可连接的接入设备(获得其MAC地址)；

2）接入设备收到PADI包后，单播返回PADO（pppeo active discovey offer）包，作为应答；

3）当用户主机从收到的多个PADO包中，根据名称类型或服务名，选择一个合适的接入设备，然后单播发送PADR（pppoe active discovery requset）包。注：如果用户主机发出PADI后在规定时间内没有收到PADO，则重新发送PADI。

4）接入设备收到PADR后，单播返回PAS（pppoe active session-confirmation）包，其中包含了一个唯一session ID，双方进入PPP会话阶段。

2.会话阶段

双方使用PPP的链路控制协议（LCP）协商链路，网络控制协议（NCP）进行用户名密码检验后，双方可以正常通信。

无论用户主机还是接入设备可随时发起中止通信请求。

参考资料

数字交叉连接系统
通俗的介绍一下SDH技术
SDH原理–1.SDH概述