同步光网络

同步光纤网络（Synchronous Optical Networking，简称SONET）是使用光纤进行数字化同步信息通信的一个标准。该方法的开发旨在替代准同步数字体系（PDH）系统，用于在同一根光纤上传输大量电话呼叫和数据流量，同时避免同步问题，SONET标准由Telcodia的GR-253-CORE和美国国家标准协会（ANSI）标准T1.105定义，该标准规定了51.840 Mbit/s以上范围的传输格式和传输速率。

## 概要

尽管SONET标准制定早于SDH（Synchronous Digital Hierarchy），但由于SDH在全球市场具有更大的渗透率，SONET被认为是SDH的一种变体。SONET被细分为四个子层，包括通道、线路、段和物理层等因素。

SDH和SONET如今都被广泛使用：SONET应用在美国和加拿大，SDH在世界其他地区使用。

SONET/SDH与准同步数字体系（PDH）的区别在于，用于在SONET/SDH上传输数据的精确速率在整个网络中通过原子钟实现严格同步。这种同步系统使得整个国家间的网络能够同步运行，大大减少了网络中各元素之间所需的缓冲量。SONET和SDH都可用于封装早期的数字传输标准，如PDH标准，或者直接支持异步传输模式（ATM）或所谓的SONET/SDH上的分组（Packet Over SONET）网络。因此，将SDH或SONET本身视为通信协议是不准确的；它们是通用的、多用途的传输容器，用于传输语音和数据。SONET/SDH信号的基本格式使其能够在虚拟容器（VC）中承载多种不同的服务，因为它具有带宽灵活性。

该协议具有高度复用的结构，报头以复杂的方式与数据交错排列。这使得被封装的数据能够拥有自己的帧速率，并能够相对于SDH/SONET的帧结构和速率"浮动"。这种交错排列使得被封装数据的延迟非常低。通过设备传输的数据最多延迟32微秒，而帧速率为125微秒；而在许多竞争协议中，数据在传输过程中至少要缓冲一帧或一个数据包后才继续发送。复用数据允许额外的填充位在总体帧结构中移动，因为数据的时钟速率与帧速率不同。虽然在复用结构的各个层级都允许这种填充位，这增加了协议的复杂性，但它提高了整体性能。

SONET设备通常使用TL1协议管理。

## 传输特性

### 帧生成

STS-1数据帧是SONET中传送的基本单元，运行速率为51.84 Mbit/s——恰好是STM-1/STS-3c/OC-3c载波速率的三分之一。这一速率由PCM编码电话语音信号的带宽需求决定：在此速率下，STS-1/OC-1电路可承载相当于标准DS-3信道的带宽，而DS-3信道可承载672个64-kbit/s语音信道。在SONET中，STS-3c信号由三个复用的STS-1信号组成；STS-3c可承载于OC-3信号上。一些制造商还支持STS-1/OC-1的SDH等效版本，称为STM-0。

在面向分组的数据传输（如以太网）中，一个分组帧通常由报头和净荷组成。报头先传输，然后是净荷（以及可能的尾部，如CRC）。在同步光网络中，这一点略有修改。报头被称为开销，传输时不是先于净荷，而是与净荷交错传输。先传输一部分开销，然后一部分净荷，接着下一部分开销，再下一部分净荷，直到整个帧传输完毕。

对于STS-1，帧大小为810字节，而STM-1/STS-3c帧大小为2,430字节。对于STS-1，帧以3字节开销开始，后跟87字节净荷。此过程重复9次，直到传输完810字节，耗时125微秒。对于STS-3c/STM-1，其运行速率是STS-1的三倍，先传输9字节开销，后跟261字节净荷。同样重复9次，直到传输完2,430字节，耗时也是125微秒。对于SONET和SDH，这通常以图形方式表示帧：STS-1为90列9行的块，STM-1/STS-3c为270列9行的块。这种表示方法将所有开销列对齐，因此开销显示为一个连续的块，净荷也是如此。

帧内开销和净荷的内部结构在SONET和SDH之间略有不同，标准中用于描述这些结构的术语也不同。它们的标准在实现上极为相似，使得SDH和SONET在任何给定带宽下都能轻松互操作。

实际上，STS-1和OC-1这两个术语有时可以互换使用，尽管OC名称指的是信号的光学形式。因此，说OC-3包含3个OC-1是不正确的：可以说OC-3包含3个STS-1。

### SONET和10GB网络之间的关系

另一种高速数据网络电路是10GB以太网（10GbE）。吉比特以太网联盟创建了两种10GB以太网变体：一种是局域网变体（LAN PHY），线路速率为10.3125 Gbit/s；另一种是广域网变体（WAN PHY），线路速率与OC-192/STM-64相同（9,953,280 kbit/s）。

WAN PHY变体使用轻量级SDH/SONET帧封装以太网数据，以便在较低层次上与设计用于承载SDH/SONET信号的设备兼容；而LAN PHY变体则使用64B/66B线路编码封装以太网数据。

然而，10GB以太网并未在比特流层面与其他SDH/SONET系统提供明确的互操作性。这与波分复用系统（WDM）的收发器不同，包括目前支持OC-192 SONET信号的粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）系统，这些系统通常可以支持薄SONET帧结构的10吉比特以太网。

### 物理层

物理层是指OSI网络模型中的第一层。ATM和SDH层包括再生段层、数字线路层、传输通道层、虚通道层和虚信道层。

物理层以三个主要实体为模型：传输通道、数字线路和再生段。再生段指的是段层和光层。光层是SONET的最低层，负责将比特传输到物理介质。段层负责生成要通过物理介质传输的适当STS-N帧。它处理诸如正确成帧、错误监测、段维护和勤务信道等问题。

线路层确保净荷和通道层产生的开销的可靠传输。它为多个通道提供同步和复用功能。它修改与质量控制相关的开销比特。通道层是SONET的最高层。它接收要传输的数据，将其转换为线路层所需的信号，并添加或修改通道开销比特以进行性能监测和保护倒换。

## 网络架构

SONET和SDH定义了有限的几种架构。这些架构能够实现高效的带宽利用以及保护功能，即使网络部分发生故障也能传输业务的能力，这些是全球部署SONET和SDH用于传输数字业务的基础。光物理层上的每个SDH/SONET连接都使用两根光纤，无论传输速度如何。

### Linear Automatic Protection Switching

线性自动保护倒换（APS），也称为1+1保护，涉及四根光纤：两根工作光纤（每个方向一根）和两根保护光纤。倒换基于线路状态，可以是单向的（每个方向独立倒换），也可以是双向的（两端的网络单元进行协商，使两个方向通常在同一对光纤上传输）。

### Unidirectional path-switched ring

在单向路径保护倒换环（UPSR）中，受保护业务的两份冗余（通道级）副本分别沿环的两个方向发送。出口节点的选择器决定哪份副本质量最高，并使用该副本，从而在其中一份副本因光纤断裂或其他故障而劣化时能够应对。

UPSR往往位于网络的边缘，因此有时被称为汇聚环。由于相同的数据沿环的两个方向发送，UPSR的总容量等于OC-N环的线路速率N。例如，在一个OC-3环中，若使用3个STS-1从入口节点A向出口节点D传输3个DS-3，节点A和D将消耗100%的环带宽（N=3）。环上的任何其他节点只能作为直通节点。UPSR的SDH等效方案是子网连接保护（subnetwork connection protection, SNCP）；SNCP不限于环形拓扑，也可用于网状拓扑。

### Bidirectional line-switched ring

双向线路倒换环（BLSR）有两种类型：双纤BLSR和四纤BLSR。BLSR在线路层进行倒换。与UPSR不同，BLSR不会从入口到出口发送冗余副本。相反，故障相邻的环节点将业务在保护光纤上沿环"绕远路"重新路由。BLSR以成本和复杂性换取带宽效率，以及支持"额外业务"的能力，这些额外业务可在保护倒换事件发生时被抢占。在四纤环中，既可以支持单节点故障，也可以支持多线路故障，因为一条线路上的故障或维护操作会导致使用连接两个节点的保护光纤，而不是将其环绕整个环。

BLSR可以在城域内运行，或者通常用于在不同城市之间传输业务。由于BLSR不会从入口到出口发送冗余副本，BLSR可支持的总带宽不受OC-N环线路速率N的限制，实际上可以大于N，具体取决于环上的业务模式。

在最佳情况下，所有业务都在相邻节点之间。最坏情况是所有环上的业务都从单个节点流出，即BLSR作为汇聚环使用。在这种情况下，环可支持的带宽等于OC-N环的线路速率N。这就是为什么BLSR很少（如果有的话）部署在汇聚环中，但通常部署在局间环中。BLSR的SDH等效方案称为复用段共享保护环（Multiplex Section-Shared Protection Ring, MS-SPRING）。

## SONET/SDH名称和带宽

光载波级别｜帧格式｜SDH级别｜帧格式｜线路速率

OC-1｜STS-1｜51.840 Mbit/s

OC-3｜STS-3｜SDH-1｜STM-1｜155.520 Mbit/s

OC-9｜STS-9｜466.560 Mbit/s

OC-12｜STS-12｜SDH-4｜STM-4｜622.080 Mbit/s

OC-18｜STS-18｜933.120 Mbit/s

OC-24｜STS-24｜SDH-8｜STM-8｜1.244 160 Gbit/s

OC-36｜STS-36｜SDH-12｜STM-12｜1.866 240 Gbit/s

OC-48｜STS-48｜SDH-16｜STM-16｜2.488 320 Gbit/s

OC-96｜STS-96｜SDH-32｜STM-32｜4.976 640 Gbit/s

OC-192｜STS-192｜SDH-64｜STM-64｜9.953 280 Gbit/s

OC-256｜STS-256｜13.271 040 Gbit/s

OC-384｜STS-384｜STM-128｜19.906 560 Gbit/s

OC-768｜STS-768｜STM-256｜39.813 120 Gbit/s

OC-1536｜STS-1536｜STM-512｜79.626 240 Gbit/s

OC-3072｜STS-3072｜STM-1024｜159.252 480 Gbit/s

## 下一代SONET/SDH

SONET/SDH的开发最初是由传输多种PDH信号的需求驱动的——如DS1、E1、DS3和E3，以及其他复用的64 kbit/s脉冲编码调制语音业务群。传输ATM业务的能力是另一项早期应用。为了支持大带宽ATM，开发了级联技术，通过将较小的复用容器（如STS-1）逆复用以构建更大的容器（如STS-3c），来支持大型面向数据的管道。

然而，传统级联的一个问题是缺乏灵活性。根据必须承载的数据和语音业务混合情况，由于级联容器的固定大小，可能会留下大量未使用的带宽。例如，将100 Mbit/s快速以太网连接放入155 Mbit/s的STS-3c容器中会造成相当大的浪费。更重要的是，所有中间网络单元都需要支持新引入的级联大小。随着虚级联的引入，这个问题得以解决。

虚级联（VCAT）允许更灵活地组合低阶复用容器，构建大小相当任意的更大容器（如100 Mbit/s），而无需中间网络单元支持这种特定形式的级联。虚级联利用X.86或通用成帧规程（GFP）协议，将任意带宽的净荷映射到虚级联容器中。

链路容量调整方案（LCAS）允许通过动态虚级联动态改变带宽，根据网络中的短期带宽需求进行复用容器复用。

使以太网传输成为可能的一组下一代SONET/SDH协议被称为SONET/SDH上的以太网（Ethernet over SONET/SDH, EoS）。

## 生命周期结束与退役

SONET/SDH曾被互联网接入提供商用于大型客户，目前在专用电路供应方面已不再具有竞争力。过去十年（2020年）其发展已停滞，设备供应商和SONET/SDH网络运营商都在向OTN和广域以太网等其他技术迁移。

英国电信最近（2020年3月）关闭了其KiloStream和MegaStream产品，这是BT SDH最后的大规模应用。BT也已停止向其SDH网络提供新连接，这表明服务即将退出。

中国电信也在2024年开始逐步推进SDH退网工作。