同步光網絡

同步光纖網路（Synchronous Optical Networking，簡稱SONET）是使用光纖進行數位化同步資訊通信的一個標準。該方法的開發旨在替代准同步數字體系（PDH）系統，用於在同一根光纖上傳輸大量電話呼叫和數據流量，同時避免同步問題，SONET標準由Telcodia的GR-253-CORE和美國國家標準協會（ANSI）標準T1.105定義，該標準規定了51.840 Mbit/s以上範圍的傳輸格式和傳輸速率。

## 概要

儘管SONET標準制定早於SDH（Synchronous Digital Hierarchy），但由於SDH在全球市場具有更大的滲透率，SONET被認為是SDH的一種變體。SONET被細分為四個子層，包括通道、線路、段和物理層等因素。

SDH和SONET如今都被廣泛使用：SONET應用在美國和加拿大，SDH在世界其他地區使用。

SONET/SDH與准同步數字體系（PDH）的區別在於，用於在SONET/SDH上傳輸數據的精確速率在整個網路中通過原子鐘實現嚴格同步。這種同步系統使得整個國家間的網路能夠同步運行，大大減少了網路中各元素之間所需的緩衝量。SONET和SDH都可用於封裝早期的數字傳輸標準，如PDH標準，或者直接支持異步傳輸模式（ATM）或所謂的SONET/SDH上的分組（Packet Over SONET）網路。因此，將SDH或SONET本身視為通信協議是不準確的；它們是通用的、多用途的傳輸容器，用於傳輸語音和數據。SONET/SDH信號的基本格式使其能夠在虛擬容器（VC）中承載多種不同的服務，因為它具有帶寬靈活性。

該協議具有高度復用的結構，報頭以複雜的方式與數據交錯排列。這使得被封裝的數據能夠擁有自己的幀速率，並能夠相對於SDH/SONET的幀結構和速率"浮動"。這種交錯排列使得被封裝數據的延遲非常低。通過設備傳輸的數據最多延遲32微秒，而幀速率為125微秒；而在許多競爭協議中，數據在傳輸過程中至少要緩衝一幀或一個數據包後才繼續發送。復用數據允許額外的填充位在總體幀結構中移動，因為數據的時鐘速率與幀速率不同。雖然在復用結構的各個層級都允許這種填充位，這增加了協議的複雜性，但它提高了整體性能。

SONET設備通常使用TL1協議管理。

## 傳輸特性

### 幀生成

STS-1數據幀是SONET中傳送的基本單元，運行速率為51.84 Mbit/s——恰好是STM-1/STS-3c/OC-3c載波速率的三分之一。這一速率由PCM編碼電話語音信號的帶寬需求決定：在此速率下，STS-1/OC-1電路可承載相當於標準DS-3信道的帶寬，而DS-3信道可承載672個64-kbit/s語音信道。在SONET中，STS-3c信號由三個復用的STS-1信號組成；STS-3c可承載於OC-3信號上。一些製造商還支持STS-1/OC-1的SDH等效版本，稱為STM-0。

在面向分組的數據傳輸（如乙太網）中，一個分組幀通常由報頭和淨荷組成。報頭先傳輸，然後是淨荷（以及可能的尾部，如CRC）。在同步光網絡中，這一點略有修改。報頭被稱為開銷，傳輸時不是先於淨荷，而是與淨荷交錯傳輸。先傳輸一部分開銷，然後一部分淨荷，接著下一部分開銷，再下一部分淨荷，直到整個幀傳輸完畢。

對於STS-1，幀大小為810位元組，而STM-1/STS-3c幀大小為2,430位元組。對於STS-1，幀以3位元組開銷開始，後跟87位元組淨荷。此過程重複9次，直到傳輸完810位元組，耗時125微秒。對於STS-3c/STM-1，其運行速率是STS-1的三倍，先傳輸9位元組開銷，後跟261位元組淨荷。同樣重複9次，直到傳輸完2,430位元組，耗時也是125微秒。對於SONET和SDH，這通常以圖形方式表示幀：STS-1為90列9行的塊，STM-1/STS-3c為270列9行的塊。這種表示方法將所有開銷列對齊，因此開銷顯示為一個連續的塊，淨荷也是如此。

幀內開銷和淨荷的內部結構在SONET和SDH之間略有不同，標準中用於描述這些結構的術語也不同。它們的標準在實現上極為相似，使得SDH和SONET在任何給定帶寬下都能輕鬆互操作。

實際上，STS-1和OC-1這兩個術語有時可以互換使用，儘管OC名稱指的是信號的光學形式。因此，說OC-3包含3個OC-1是不正確的：可以說OC-3包含3個STS-1。

### SONET和10GB網路之間的關係

另一種高速數據網路電路是10GB乙太網（10GbE）。吉比特乙太網聯盟創建了兩種10GB乙太網變體：一種是區域網變體（LAN PHY），線路速率為10.3125 Gbit/s；另一種是廣域網變體（WAN PHY），線路速率與OC-192/STM-64相同（9,953,280 kbit/s）。

WAN PHY變體使用輕量級SDH/SONET幀封裝乙太網數據，以便在較低層次上與設計用於承載SDH/SONET信號的設備兼容；而LAN PHY變體則使用64B/66B線路編碼封裝乙太網數據。

然而，10GB乙太網並未在比特流層面與其他SDH/SONET系統提供明確的互操作性。這與波分復用系統（WDM）的收發器不同，包括目前支持OC-192 SONET信號的粗波分復用（CWDM）和密集波分復用（DWDM）系統，這些系統通常可以支持薄SONET幀結構的10吉比特乙太網。

### 物理層

物理層是指OSI網路模型中的第一層。ATM和SDH層包括再生段層、數字線路層、傳輸通道層、虛通道層和虛信道層。

物理層以三個主要實體為模型：傳輸通道、數字線路和再生段。再生段指的是段層和光層。光層是SONET的最低層，負責將比特傳輸到物理介質。段層負責生成要通過物理介質傳輸的適當STS-N幀。它處理諸如正確成幀、錯誤監測、段維護和勤務信道等問題。

線路層確保淨荷和通道層產生的開銷的可靠傳輸。它為多個通道提供同步和復用功能。它修改與質量控制相關的開銷比特。通道層是SONET的最高層。它接收要傳輸的數據，將其轉換為線路層所需的信號，並添加或修改通道開銷比特以進行性能監測和保護倒換。

## 網路架構

SONET和SDH定義了有限的幾種架構。這些架構能夠實現高效的帶寬利用以及保護功能，即使網路部分發生故障也能傳輸業務的能力，這些是全球部署SONET和SDH用於傳輸數字業務的基礎。光物理層上的每個SDH/SONET連接都使用兩根光纖，無論傳輸速度如何。

### Linear Automatic Protection Switching

線性自動保護倒換（APS），也稱為1+1保護，涉及四根光纖：兩根工作光纖（每個方向一根）和兩根保護光纖。倒換基於線路狀態，可以是單向的（每個方向獨立倒換），也可以是雙向的（兩端的網路單元進行協商，使兩個方向通常在同一對光纖上傳輸）。

### Unidirectional path-switched ring

在單向路徑保護倒換環（UPSR）中，受保護業務的兩份冗餘（通道級）副本分別沿環的兩個方向發送。出口節點的選擇器決定哪份副本質量最高，並使用該副本，從而在其中一份副本因光纖斷裂或其他故障而劣化時能夠應對。

UPSR往往位於網路的邊緣，因此有時被稱為匯聚環。由於相同的數據沿環的兩個方向發送，UPSR的總容量等於OC-N環的線路速率N。例如，在一個OC-3環中，若使用3個STS-1從入口節點A向出口節點D傳輸3個DS-3，節點A和D將消耗100%的環帶寬（N=3）。環上的任何其他節點只能作為直通節點。UPSR的SDH等效方案是子網連接保護（subnetwork connection protection, SNCP）；SNCP不限於環形拓撲，也可用於網狀拓撲。

### Bidirectional line-switched ring

雙向線路倒換環（BLSR）有兩種類型：雙纖BLSR和四纖BLSR。BLSR在線路層進行倒換。與UPSR不同，BLSR不會從入口到出口發送冗餘副本。相反，故障相鄰的環節點將業務在保護光纖上沿環"繞遠路"重新路由。BLSR以成本和複雜性換取帶寬效率，以及支持"額外業務"的能力，這些額外業務可在保護倒換事件發生時被搶占。在四纖環中，既可以支持單節點故障，也可以支持多線路故障，因為一條線路上的故障或維護操作會導致使用連接兩個節點的保護光纖，而不是將其環繞整個環。

BLSR可以在城域內運行，或者通常用於在不同城市之間傳輸業務。由於BLSR不會從入口到出口發送冗餘副本，BLSR可支持的總帶寬不受OC-N環線路速率N的限制，實際上可以大於N，具體取決於環上的業務模式。

在最佳情況下，所有業務都在相鄰節點之間。最壞情況是所有環上的業務都從單個節點流出，即BLSR作為匯聚環使用。在這種情況下，環可支持的帶寬等於OC-N環的線路速率N。這就是為什麼BLSR很少（如果有的話）部署在匯聚環中，但通常部署在局間環中。BLSR的SDH等效方案稱為復用段共享保護環（Multiplex Section-Shared Protection Ring, MS-SPRING）。

## SONET/SDH名稱和頻寬

光載波級別｜幀格式｜SDH級別｜幀格式｜線路速率

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的開發最初是由傳輸多種PDH信號的需求驅動的——如DS1、E1、DS3和E3，以及其他復用的64 kbit/s脈衝編碼調製語音業務群。傳輸ATM業務的能力是另一項早期應用。為了支持大帶寬ATM，開發了級聯技術，通過將較小的復用容器（如STS-1）逆復用以構建更大的容器（如STS-3c），來支持大型面向數據的管道。

然而，傳統級聯的一個問題是缺乏靈活性。根據必須承載的數據和語音業務混合情況，由於級聯容器的固定大小，可能會留下大量未使用的帶寬。例如，將100 Mbit/s快速乙太網連接放入155 Mbit/s的STS-3c容器中會造成相當大的浪費。更重要的是，所有中間網路單元都需要支持新引入的級聯大小。隨著虛級聯的引入，這個問題得以解決。

虛級聯（VCAT）允許更靈活地組合低階復用容器，構建大小相當任意的更大容器（如100 Mbit/s），而無需中間網路單元支持這種特定形式的級聯。虛級聯利用X.86或通用成幀規程（GFP）協議，將任意帶寬的淨荷映射到虛級聯容器中。

鏈路容量調整方案（LCAS）允許通過動態虛級聯動態改變帶寬，根據網路中的短期帶寬需求進行復用容器復用。

使乙太網傳輸成為可能的一組下一代SONET/SDH協議被稱為SONET/SDH上的乙太網（Ethernet over SONET/SDH, EoS）。

## 生命周期結束與退役

SONET/SDH曾被網際網路接入提供商用於大型客戶，目前在專用電路供應方面已不再具有競爭力。過去十年（2020年）其發展已停滯，設備供應商和SONET/SDH網路運營商都在向OTN和廣域乙太網等其他技術遷移。

英國電信最近（2020年3月）關閉了其KiloStream和MegaStream產品，這是BT SDH最後的大規模應用。BT也已停止向其SDH網路提供新連接，這表明服務即將退出。

中國電信也在2024年開始逐步推進SDH退網工作。