[系统运维]【计算机网络】第三部分 数据链路层(17) 广域网SONET/SDH

在本章中，介绍一种广域网 SONET，它用做承载来自其他WAN数据的传输网络。先把SONET作为一种协议进行讨论，然后说明如何从协议定义的标准出发，构建SONET网络。

光纤电缆的高带宽适用于今天的高数据速率技术（比如视频会议），同时也适用于承载大量低速率技术 carrying large numbers of lower-rate technologies 。基于这一原因，随着需要高数据速率或宽带传输的技术的发展，光纤的重要性与日俱增。继而有了标准化的需要。为此，美国组织 ANSI 和欧洲组织 ITU-T 定义了相应的标准，虽然两种标准是独立的，但是基本功能相似并且最终是兼容的。

ANSI 标准称为同步光纤网络 Synchronou Optical Network, SONET, ITU-T 标准称为同步数字体系 Synchronous Digital Hierarchy, SDH 。SONET由 ANSI 定义；SDH由 ITU-T 定义。SONET/SDH是使用同步TDM多路复用的同步网络，系统中的所有时钟都锁定于主时钟。

17.1 体系结构

先介绍SONET系统的体系结构：信号、设备和连接。

17.1.1 信号

SONET定义了称为同步传输信号 synchronous transport signal, STS 的电子信号等级体系，每个 STS等级（STS-1 到 STS-192）支持特定的数据速率（以每秒兆位规定），见表17.1。相应的光信号称为光载波 optical carrier, OC 。SDH也规定了一个相似的系统，称为同步传输模块 synchronous transport module, STM ，STM用于与现存欧洲体系（比如E线路）和STS等级兼容。最后，最低的STM等级 STM-1 定义为 $155.520\text{Mbps}$ ，正好等同于 STS-3 。

粗略一看表17.1 ，就能看出一些有趣的地方。首先，这个体系中最低等级的速率是 $51.840\text{Mbps}$ ，它比 DS-3 服务 $44.736\text{Mbps}$ 大。实际上，STS-1设计用于等同于 DS-3 的速率，同时提供容量上的差异来处理光系统中的开销需要。

其次，STS-3的速率正好是STS-1速率的三倍，STS-9的速率正好是STS-18速率的一半。这些关系意味着 $18$ 个 STS-1 通道能复用成一个STS-18通道，六个STS-3通道能复用成一个STS-18通道，依此类推。

17.1.2 SONET设备

图17.1显示了一个使用SONET设备的简单链路。SONET传输依靠三个基础设备：STS多路复用器/分离器、再生器、分插复用器和终端。

1. STS多路复用器/分离器

STS多路复用器/分离器标记SONET链路的开始点和结束点。它们提供了电子支路网络和光网络之间的接口。STS多路复用器 STS multiplexer 复用来自多个电子源的信号，并产生相应的 OC 信号。STS分离器 STS demultiplexer 将光 OC 信号分解成相应的电子信号。

2. 再生器

再生器扩展了链路的长度。再生器 regenerator 是个中继器（见【计算机网络】第三部分 数据链路层(15) 连接局域网、主干网和虚拟局域网) ，它把接收到的光信号 OC-n 解调成相应的电信号 STS-n ， 再生成电信号，最后把电信号调制成相应的 OC-n1 信号。

SONET再生器用新的信息替换一些现有的开销信息（头部信息）A SONET regenerator replaces some of the existing overhead information (header information) with new information 。

3. 分插复用器

分插复用器允许信号的插入和抽取。分插复用器 add/drop multiplexer, ADM 可以把来自多个源的STS加到给定路径中，或是从某条路径中除去、并重定向所需的信号而无需多路分解整个信号。分插复用器使用诸如地址和指针（会在后面描述）的头部信息，来确定单个流，而不是依靠时间和位置。

在图17.1所示的简单配置中：

• 多个进入的电子信号输入一个STS多路复用器中，这些信号在多路复用器里组合成一个单一光信号。
• 光信号传输给再生器，在这里重新生成「不带有传输过程中加入的噪声的信号」。
• 从多个源再生的信号输入到一个分插复用器，分插复用器重新组织这些信号，如果需要，用数据帧中的信息将它们直接发送出去。
• 这些再次多路复用的信号发送给另一个再生器，然后再发送给接收STS分离器，在这里以接收链路可以接受的格式返回。

4. 终端

终端 terminal 是使用SONET网络服务的设备。例如，在因特网中，终端可以是一个路由器，该路由器需要向SONET网络另一端的另一个路由器发送分组。

17.1.3 连接

前一节定义的设备使用段、线路和路径进行连接。

1. 段

段 section 是连接两个相邻设备（多路复用器到多路复用器、多路复用器到再生器、或再生器到再生器、再生器到多路分离器）的光链路。

2. 线路

线路 line 是两个多路复用器之间（STS多路复用器到分插复用器、两个分插复用器、或两个STS多路复用器）的网络部分。

3. 路径

路径 path 是两个STS多路复用器之间的端到端网络部分。在两个 STS多路复用器直接互连的简单SONET中，段、线路和路径相同。

17.2 SONET层

SONET标准包括四个功能层：光子层、段层、线路层和路径层。它们对应于物理层和数据链路层（见图17.2）。各层中加到帧的头部，会在本章后面讨论。

17.2.1 路径层

路径层 path layer 负责信号从它的光信源到光信宿 optical source to its optical destination 的移动。在光信源，信号从电形式转换成光形式，再与其他信号复用在一起，封装成帧。在光信宿，接收到的帧被多路分解，然后将单个光信号转换回它们的电形式。在这一层增加了路径层开销。STS多路复用器提供路径层功能。

17.2.2 线路层

线路层 line layer 负责信号在物理线路中的移动。这一层给帧增加线路层开销。STS多路复用器和分插复用器提供线路层功能。

17.2.3 段层

段层 section layer 负责信号在物理段中的移动。它处理成帧、串扰和差错控制。在这一层给帧增加段层开销。

17.2.4 光子层

光子层 photonic layer 对应于OSI模型中的物理层。它包括光纤通道、接收器敏感度、多路复用功能等等的物理规范说明。SONET使用 NRZ 进行编码，光存在为 $1$ ，不存在为 $0$ 。

17.2.5 设备-层之间的关系

图17.3显示了用于SONET传输的设备和四层标准之间的关系。正如看到的，STS多路复用器是四层设备，分插复用器是三层设备，再生器是两层设备。

17.3 SONET帧

每个同步传输信号 STS-n 由 $8000$ 个帧组成，每个帧是个 $90\times n$ 列 $9$ 行的两维矩阵。例如，STS-1帧有 $90$ 列 $\times 9$ 行（$810$ 字节），STS-3有 $270$ 列 $\times 9$ 行（$2430$ 字节）。图17.4显示STS-1和STS-n的一般格式。

17.3.1 帧、字节和位传输

SONET的一个有趣的地方是，每个 STS-n 信号以每秒 $8000$ 个帧的固定速率传输，即每次传输一个 STS-n 信号。这是数字化语音的速率（见第4章）。对于每个帧，从左向右、从上到下传输字节。对于每个字节，从高位向低位（从左向右）传输位。图17.5显示了帧传输和字节传输的顺序。

如果我们对语音信号进行采样，每个样本 $8$ 位（$1$ 个字节），我们可以说，SONET帧中的每个字节可以携带来自数字化语音通道的信息。换言之，STS-1信号能同时携带 $774$ 个语音通道（$810$ 减去用于开销所需的字节）。

【例17.1】求STS-1信号的数据速率。
解：STS-1像其他STS信号一样，每秒发送 $8000$ 个帧。每个STS-1帧由 $9\times (1\times 90)$ 个字节组成，每个字节由 $8$ 位组成。STS-1数据速率 $=8000\times 9\times (1\times 90)\times 8=51.840\text{Mbps}$ 。

【例17.2】求STS-3信号的数据速率。
解：STS-3像其他STS信号一样，每秒发送 $8000$ 个帧。每个STS-3帧由 $9\times (3\times 90)$ 个字节组成，每个字节由 $8$ 位组成。STS-3数据速率 $=8000\times 9\times (3\times 90)\times 8=155.52\text{Mbps}$ 。

注意：在SONET中，不同STS信号之间的数据速率是有确切关系的。我们可以由STS-1的数据速率，求得STS-3的数据速率（前者乘以 $3$）。即，在SONET中，STS-n信号的数据速率是STS-1信号数据速率的 $n$ 倍 。

【例17.3】STS-1帧的周期是多少？STS-3帧呢？STS-n帧呢？
解：在 SONET中，每秒发送 $8000$ 个帧。这表示STS-1、STS-3或STS-n帧的周期相同，等于 $1/8000\text{s}$ 或 $125\text{μs}$ 。

17.3.2 STS-1帧格式

STS-1帧的基本格式如图17.6所示。 正如前面所讲到的，SONET帧是 $9$ 行、每行 $90\times 1$ 个字节（$8$ 位），一共 $810$ 个字节的矩阵。

该帧的前三列用于段和线路开销：前三列的上面三行用于段开销 section overhead, SOH 。下面六行用于线路开销 line overhead, LOH 。该帧的其他字节称为同步有效载荷封装 synchronous payload envelope, SPE ，它包括用户数据和用户数据级别所需的路径开销 path overhead, POH 。很快就会介绍SPE的格式。

1. 段开销

每个段开销由 $9$ 个八位字节组成。这些八位字节的标签 、 功能和组织如图17.7所示。

• 对齐字节 alignment bytes ：字节 A1 和 A2 用于实现成帧和同步，称为对齐字节。这些字节向接收器告警有一个帧即将到达， 并给接收器一个预先确定的、用于同步的位模式。这两个字节的位模式的十六进制为 $0xF628$ 。这些字节充当标记。
• 奇偶校验字节 section parity byte ：字节 B1 用于位交织奇偶校验 bit interleaved parity, BIP-8 。它的值由前一个帧所有字节计算而得。换言之，这个字节的第 $i$ 位是前一个 STS-n 帧的所有字节的第 $i$ 位计算而得的奇偶位。这个字节的值只放在 STS-n 帧中的第一个 STS-1 中。换言之，虽然一个 STS-n 帧有 $n$ 个 B1 字节（正如在后面看到的），但是只有第一个字节有这个值，其余用 $0$ 填充。
• 标识字节 identification byte ：字节 C1 携带了 STS-1 帧的标识。当多个 STS-1 帧复用生成更高速率STS帧（STS-3, STS-9, STS-12 等）的时候，需要这个字节。这个字节中的信息，允许在分解时能轻易辨认出各个信号。例如，在一个STS-3信号中，对应第一个STS-1的 C1 字节的值是 $1$ ，第二个是 $2$ ，第三个是 $3$ 。
• 管理字节 management bytes ：D1, D2, D3 字节一起形成一条称为数据通信通道的 $192\text{kbps}$ 的通道（$3\times 8000\times 8$）。这个通道用于操作、管理和维护信令 operation, administration, and maintenance signaling, OA&M 。
• 线路序列字节 order wire byte ：字节 E1 是线路序列字节。在连续帧中的 E1 字节，形成了一条 $64\text{kbps}$ 通道（每秒的 $8000$ 个帧乘以每个帧的 $8$ 位）。这个通道用于再生器之间、或终端和再生器之间的通信。
• 用户字节 user's byte ：在连续帧中的 F1 字节形成了一条 $64\text{kbps}$ 的通道，保留用于在段层的用户需求。

注意，每个SONET设备（再生器和多路复用器）都会重新计算段开销。

2. 线路开销

线路开销由 $18$ 个字节组成。这些字节的标签、功能和安排如图17.8所示。

• 线路奇偶字节 line parity byte 。字节 B2 用于位交织奇偶校验。它用于线路上（两个多路复用器间）帧的差错检测。在一个 STS-n 帧中，为前一个 STS-1 帧中的所有字节计算 B2 ，并插入到那个帧的 B2 字节中。换言之，在一个 STS-3 帧中，有三个 B2 字节，每个都是为一个 STS-1 帧计算的。这个字节与段开销中的 B1 字节相对应。
• 数据通信通道字节 data communication channel bytes 。在连续帧中的线路开销字节 D4 到 D12 ，形成了一条 $576\text{kbps}$ 的通道，该通道提供与 D1-D3 字节（OA&M）一样的服务，但是在线路级别、而不是在段级别（两个多路复用器之间）。
• 线路序列字节 order wire byte 。在连续帧中的 E2 字节，形成了一条 $64\text{kbps}$ 的通道，该通道提供与 E1 线路序列字节一样的功能，只是在线路级别。
• 指针字节 pointer bytes 。字节 H1, H2, H3 是指针。前两个字节用于说明帧中 SPE的偏移量，第三个字节用于证明。在后面说明这三个字节的用法。
• 自动保护交换字节 automatic protection switching bytes 。在连续帧中的 K1, K2 字节，形成了一条 $128\text{kbps}$ 的通道，用于在线路终止设备 line-terminating equipment 中的问题自动检测。在后面讨论自动保护交换 APS 。
• 成长字节 growth bytes 。Z1 和 Z2 字节保留用于将来的使用。

3. 同步有效载荷封装（用户数据和路径开销）

同步有效载荷封装 synchronous payload envelope, SPE 包含用户数据、和与用户数据相关的开销（路径开销）。并不需要将一个SPE恰好放入一个STS-1帧中，我们很快会看到它可以分成两个帧。这意味着，路径开销（SPE的最左列） 不需要与段开销或线路开销对齐。必须先把路径开销加到用户数据中生成SPE ，然后将SPE插入到一个或两个帧中。

路径开销由 $9$ 个字节组成。这些字节的标签、功能和安排如图17.9所示。

• 路径奇偶字节 path parity byte 。字节 B3 用于位交织奇偶校验，像 B1 和 B2 一样，但是是对SPE位 SPE bits 进行计算。它实际上是对流中前一个SPE进行计算。
• 路径信号标签字节 path signal label byte 。字节 C2 是路径标识字节。它用于确认「SPE中所携带的数据」在更高层次上（诸如IP或ATM）所使用的不同协议。
• 路径用户通道字节 path user channel byte 。连续帧中的 F2 字节，像 F1 字节一样，形成一条 $64\text{kbps}$ 的通道，它保留用于用户需求，但在路径级别。
• 路径状态字节 path status byte 。字节 G1 由接收方发送给发送方来告知它的状态。当通信为双工时，它在反向通道上发送 It is sent on the reverse channel when the communication is duplex 。在本章后面看到它用于线性或环网络。
• 多帧指示 multiframe indicator 。字节 H4 是多帧指示。它说明无法放入单个帧的有效载荷。例如，虚拟支路 virtual tributaries 可以组合起来形成一个帧，它比SPE帧更大、需要分成几个帧。在下一节讨论虚拟支路。
• 路径跟踪字节 path trace byte 。在连续帧中的 J1 字节，形成一条用于跟踪路径的 $64\text{kbps}$ 的通道。J1 字节发送一个连续的 $64$ 字节字符串来验证连接。字符串的选择留给应用程序。接收方会将每个模式与前一个比较，来保证路径层上的通信没有错误。
• 成长字节 growth bytes 。字节 Z3, Z4, Z5 保留用于将来的使用。

路径开销只在端到端（在STS多路复用器之间）计算。

17.3.3 开销总结

表17.2比较并总结了段、线路和路径中使用的开销。

【例17.4】STS-1帧的用户数据速率是多少（不考虑开销）？
解：一个STS-1帧中的用户数据由 $9$ 行 $86$ 列组成，因此，STS-1用户数据速率 $=8000\times 9\times (1\times 86)\times 8=49.536\text{Mbps}$ 。

17.3.4 封装

前面的讨论说明了，SPE需要封装在STS-1帧中。封装会产生两个问题，但SONET可以使用指针 H1 到 H3 很好地处理它们。在本节讨论这些字节的使用。

1. 偏移

SONET允许一个SPE扩展到两个帧，SPE的一部分在第一个帧中，另一部分在第二个帧中。当要封装的一个SPE与经过的同步帧 the passing synchronized frames 在时间上不对齐时，可能会发生这种情况。图17.10显示了这种情况：SPE字节分在两个帧中，字节的第一组封装在第一个帧中，第二组封装在第二个帧中。图中还显示了路径开销，它与任一个帧中的段/线路开销对齐 which is aligned with the section/line overhead of any frame 。

问题是，SONET多路复用器如何知道：在帧中哪里是SPE的开始？哪里是结束？解决方法是，使用指针 H1 和 H2 来定义SPE的开始；因为每个SPE有固定个字节数，所以结束可以确定 the end can be found because each SPE has a fixed number of bytes 。SONET允许SPE相对于STS-1帧进行偏移 SONET allows the offsetting of an SPE with respect to an STS-1 frame. 。

为了找到帧中每个SPE的开始，我们需要线路开销中的两个指针 H1 和 H20 。注意：因为封装发生在多路复用器中，这些指针位于线路开销。图17.11显示这两个字节如何指向SPE的开始 。

注意：我们需要 $2$ 个字节来定义在帧中一个字节的位置，一个帧有 $810$ 个字节，因此不能用 $1$ 个字节来定义 。

【例17.5】如果SPE开始于第 $650$ 个字节，那么 H1 和 H2 的值是多少 ？
解：数字 $650$ 可以表示成 $4$ 个十六进制数字 $0x028A$ 。这表示 H1 的值是 $0x02$ ，H2 的值是 $0x8A$ 。

2. 证明

证明 Justification ：现在假定有效载荷的传输速率与SONET的传输速率有很小的不同。首先，假设有效载荷的速率较高。这意味着有时有 $1$ 个额外的字节无法放入一个帧中。这种情况下，SONET允许这个额外的字节插入到 H3 字节中 this extra byte to be inserted in the H3 byte 。现在，假设有效载荷的速率较低。这表示有时帧中需要留空 $1$ 个字节。SONET允许这个字节放在 H3 字节的后面 this byte to be the byte after the H3 byte 。

17.4 STS多路复用

在SONET中，较低速率的帧会同步时分复用成一个更高速率的帧。例如，三个STS-1信号（通道）可以组合成一个STS-3信号（通道），四个STS-3信号可以多路复用成一个STS-12信号，等等，如图17.12所示。

在 SONET中，多路复用是同步TDM ，网络中的所有时钟都锁定一个主时钟来实现同步。

要提醒的是，多路复用也可以发生在更高的数据速率。例如，四个STS-3信号可以多路复用成一个STS-12信号。但是，STS-3信号需要先分离成12个STS-1信号，然后这十二个信号再多路复用成一个STS-12信号。在讨论字节交替后，我们将清楚地了解进行这项额外工作的原因。

17.4.1 字节交替

在SONET中，同步TDM多路复用通过字节交替 byte interleaving 实现。例如，当三个STS-1信号多路复用成一个STS-3信号时，STS-3信号中每组 $3$ 个字节与来自每个STS-1信号的 $1$ 个字节相关。图17.13显示了交替。

注意：STS-1帧的字节保持它的行位置（都是 $9$ 行），但是它移到不同的列。原因是所有信号帧都有相同的行数 $9$ 、而列数改变了 。STS-n信号帧中的列数是STS-1帧中列数的 $n$ 倍 。因此，STS-n帧的一行能够适应STS-1帧的 $n$ 行。

如图17.14所示，字节交替还保留了相应的段开销和线路开销 。 来自三个 STS-1帧的段开销，交织在一起生成STS-3帧的段开销。线路开销同理。但是，每个通道都保留了用来控制该通道的相应字节。换言之，段和线路为每个多路复用通道保留它们自己的控制字节。这个有趣的特性允许分插复用器的使用，这己简单讨论过。如图所示，有三个 A1 字节，每个 A1 字节属于三个被复用信号的每一个。同样有三个 A2 字节，三个 A3 字节。

这里的多路复用比【计算机网络】第二部分 物理层和介质(6) 带宽利用（复用和扩频）描述过的统计TDM容易，因为分离器除去第一个 A1 并把它分给第一个STS-1、除去第二个 A1 并把它分给第二个STS-1、除去第三个 A1 并把它分给第三个STS-1，与字节的功能无关 with no regard to the function of the bytes 。换言之，分离器仅仅处理字节的位置，而不是它们的功能。

我们已经讲过的段开销和线路开销并不适用于 does not exactly apply to 路径开销。这是因为路径开销是SPE的一部分，SPE可能已经分到两个STS-1帧了。但是，（路径开销的？）字节交替与SPE的数据部分相同。

字节交替过程使得在更高数据速率下的多路复用稍微复杂一些。我们如何把四个 STS-3信号多路复用成一个STS-12信号呢？这可以通过两步做到：首先，必须先分解STS-3信号生成12个STS-1信号，然后这12个 STS-1信号多路复用成一个STS-12信号。

17.4.2 重组信号

在 SONET的正常工作模式中，STS-n信号由 $n$ 个多路复用的STS-1信号组成。有时，我们有比STS-1数据速率高的信号。这种情况下，SONET允许生成一个STS-n信号，它不被看做是 $n$ 个STS-1信号，它是不可以分解成 $n$ 个STS-1信号的一个STS-n信号（通道）。

为了指明这个信号不能被分解 the signal cannot be demultiplexed ，后缀 c（用于说明重组 concatenated signal）加到信号名后面。例如，STS-3c是不能分解成三个STS-1信号的信号。但是，我们需要知道，一个STS-3c信号中的整个有效载荷是一个SPE，这意味着我们只有一列路径开销（$9$ 字节）。这种情况使用的数据占用 $260$ 列，如图17.15所示。

携带ATM信元的重组信号

在第18章中讨论ATM和ATM信元。ATM网络是信元网络，在ATM网络中每个信元有固定长度 $53$ 个字节。一个STS-3c信号的SPE可以是ATM信元的承载者。一个STS-3c信号的SPE能携带 $9\times 260=2340$ 个字节，这大约于 $44$ 个ATM信元（$53$ 个字节）。

17.4.3 分插复用器

将多个STS-1信号多路复用成一个STS-n信号，是在STS多路复用器中完成的（在路径层）；STS-n信号分离成STS-1信号，是在STS分离器中完成。但是，在两者之间，SONET使用分插复用器，它可以用一个信号替换另一个信号。我们需要知道这不是传统意义上的分离/复用。

分插复用器工作在线路层，分插复用器不创建段、线路或路径开销。它几乎作为交换机，它除去一个STS-1信号，加上另一个STS-1信号。分插复用器的输入和输出的信号类型相同（比如两个STS-3或两个STS-12）。分插复用器 ADM 只移去相应的字节，然后用新的字节替换它们（包括段开销和线路开销中的字节）。图17.16显示ADM的工作机制。

17.5 SONET网络

使用SONET设备，我们可以建立一个SONET网络，它可以用做承载来自诸如ATM（第18章）或IP（第20章)负载的高速骨干网。我们可以大致把SONET分为三类：线状、环状和网状网络 linear, ring, and mesh networks ，如图17.17所示。

17.5.1 线状网络

线状SONET网络可以是点到点的，也可以是多点的。

1. 点到点网络

点到点网络通常由一个STS多路复用器、一个STS分离器、$0$ 个或更多没有分插复用器的再生器 zero or more regenerators with no add/drop multiplexers 组成，如图17.18所示。信号流可以是单向的、也可以是双向的，虽然图17.18为了简单只显示了单向。

2. 多点网络

多点网络使用ADM，以允许多个终端间的通信。 ADM删除「属于与其连接的终端」的信号，并添加从另一个终端发送的信号 An ADM removes the signal belonging to the terminal connected to it and adds the signal transmitted from another terminal 。 每个终端可以发送数据给一个或多个下游终端。图17.19显示了一个单向方案，在这个方案中每个终端可以只发送数据给下游终端，但多点网络也可以是双向的。

在图17.19中，$T_1$ 同时发送数据给 $T_2$ 和 $T_3$ ，但是 $T_2$ 只能发送数据给 $T_3$ 。该图显示了一个简单的配置，在正常情况下我们可以有多个ADM以及更多的终端。

3. 自动保护交换

为了建立保护、对抗线状网络中的故障，SONET定义了自动保护交换 automatic protection switching, APS 。线状网络中的APS定义在线路层，这意味着保护是在两个ADM或一对STS多路复用器/分离器之间。这个主意提供了冗余性。在发生故障的情况下，可以使用一条冗余线路（光纤），主线路称为工作线路，冗余线路称为保护线路。

在线状通道中通常有三种保护方案：一加一 、一到一和一到多 one-plus-one, one-to-one, and one-to-many 。图17.20显示这三种方案。

(1) 一加一APS

在这个方案中，通常有两条线路：一条工作线路和一条保护线路。两条线路总是活跃的：发送方的多路复用器在两条线路上都发送相同的数据；接收方多路复用器监控线路，并选择质量更好的那条线路。如果其中一条线路发生故障了，它丢失了信号，接收方会选择另一条线路。虽然这种方案中会立即恢复故障，但是因为需要两倍带宽，所以这个方案的效率不高。注意：一加一交换在路径层实现。

(2) 一到一APS

在这个方案中，看起来像一加一方案，也有一条工作线路和一条保护线路。但是，数据通常只在工作线路上发送、直到它发生故障。这时，接收方使用反向线路通知发送方使用保护线路。很明显，故障恢复比一加一方案慢，但是这个方案效率更高，因为保护线路只有在工作线路发生故障时、才会用来传输数据。注意：一到一交换在线路层实现。

(3) 一到多APS

这个方案与一到一方案相似，不同的是对于许多条工作线路，它只有一条保护线路。当其中一条工作线路发生故障时，保护线路就会接管控制、直到发生故障的线路被修复。它没有一到一方案安全，因为如果多于一条工作线路同时发生故障，保护线路只能替换其中一条。注意：一到多APS在线路层实现。

17.5.2 环状网络

ADM使得SONET环状网络成为可能。SONET环可以用于单向或双向配置。在每种情况下，我们可以增加一个额外环、使得网络能自我修复线路故障。

1.单向路径交换环

单向路径交换环 unidirectional path switching ring, UPSR 是有两个环的单向网络：一个环用做工作环、而另一个用做保护环。这个主意与在线状网络中讨论过的一加一APS类似：相同的信号从两个环都经过，一个顺时针而另一个逆时针。

它称为 UPSR ，是因为监控在路径层实现——一个节点在路径层接收到电信号的两个复本，比较它们、并选择质量更好的一个。如果两个ADM之间的环发生故障，另一个环仍然能保证数据流的继续。

UPSR像一加一方案一样有快速的故障恢复，但是因为需要两个环来完成工作，所以效率不高，一半的带宽被浪费掉了。图17.21显示了一个UPSR网络。

虽然在图中选择了一个发送方和三个接收方，但是可以有许多其他配置。发送方使用两路连接来同时发送数据给两个环；接收方使用选择交换机来选择信号质量更好的环。我们使用一个STS多路复用器和三个STS分离器，来强调工作在路径层的节点。

2. 双向线路交换环

SONET环状网络的另一个方案是双向线路交换环 bidirectional line switching ring, BLSR 。这种情况下，通信是双向的，这意味着我们需要两个环来作为工作线路。我们还需要两个环作为保护线路。这意味着BLSR使用四个环。但是工作机制与一到一APS方案类似。

如果两个节点间一个方向的工作环发生故障，接收方节点可以使用反向环，通知故障方向的上游节点使用保护环。网络能恢复许多种不同的故障，就不在这讨论了。注意：BLSR中的故障恢复是在线路层、而不是在路径层，ADM发现故障、并通知邻近节点使用保护环。图17.22显示了一个BLSR环。

3. 环的组合

今天，SONET网络使用互连环的组合来提供广大区域的服务。例如，SONET网络可以有一个区域环、多个本地环和许多站点环，来为广大区域提供服务。这些环可以是UPSR、BLSR、或者两者的组合。图17.23显示了这样一个广域环网络的概念。

17.5.3 网状网络

环网络的一个问题是缺乏扩展性：当环中的流量上升时，我们不仅需要升级线路、也需要升级ADM。这种情况下，有多个交换机的网状网络有可能提供更好的性能。

网状网络中的交换机称为交叉连接 cross-connect 。交叉连接像看到的其他交换机一样，有输入端口和输出端口：

• 在输入端口，交换机接到一个 OC-n 信号，把它转换成一个 STS-n 信号，再把它分解成相应的 STS-1 信号，并把每个 STS-1 信号发送给正确的输出端口；
• 输出端口接收到来自不同输入端口的 STS-1 信号，把它们多路复用成一个 STS-n 信号，并生成一个 OC-n 信号传输。

图17.24显示了一个网状SONET网络、以及交换机的结构。

17.6 虚拟支路

SONET设计用来承载宽带载荷。现在的数字体系的数据速率 DS-1 到 DS-3 比 STS-1 低。为了使SONET向后兼容 backward-compatible 现在的体系（在一条时间轴 $X$ 轴上，向正方向为向前兼容，向负方向为向后兼容），它的帧设计包括了虚拟支路 virtual tributaries, VT 系统（见图17.25）。

虚拟支路是可以插入到STS-1、并与其他部分有效载荷 other partial payloads 组合以填充帧的部分有效载荷 A virtual tributary is a partial payload that can be inserted into an STS-1 and combined with other partial payloads to fill out the frame 。对于来自同一个源的数据，我们把同步有效载荷封装 SPE 分割开来，并称每一部分为VT，而不是使用STS-1帧的所有 $86$ 个有效载荷列 all 86 payload columns 。

VT类型

已经定义了四种VT类型来适应现在的数字体系（见图17.26）。

注意：每种类型的VT允许的列数 the number of columns ，可以通过将类型标识号翻倍 doubling the type identification number 来确定（VT1.5得到 $3$ 列，VT2得到 $4$ 列等等）。

• VT 1.5适应 U.S. DS-1 服务（$1.544\text{Mbps}$）
• VT2适应 European CEPT-1 服务（$2.048\text{Mbps}$）
• VT3适应 DS-1C 服务（部分 DS-1 ，$3.152\text{Mbps}$）
• VT6适应 DS-2 服务（$6.312\text{Mbps}$）
  

当两个或更多支路被插入到单个STS-1帧中时，它们逐列交织 they are interleaved column by column 。SONET提供了确定每个VT、并把它们分开而无需分解整个流的机制。这些机制的讨论以及后面的控制问题，超出了范围。