1 SONET/SDH技術的產生 
SDH 是目前世界各國採用的最主要的傳輸技術，SDH 是針對準同步數字體(Plesiochronous Digital Hierarchy,PDH)的一些缺陷而發展來的。在PDH 體系中，由於存在相互獨立的兩大類或三種地區性標準，導致國際互通難以實現。 PDH體系由於主要是點對點連線的傳輸系統，缺乏網路拓撲的靈活性，同時也沒有規範系統/網路自愈功能。同時僅有 1.544Mbit/s 和 2.048Mbit/s 的基群訊號採用同步複用，其餘高速等級訊號都採用非同步服用，這樣需要逐級碼速調整來實現複用和解複用。增加了裝置的複雜性，使訊號產生損傷。同時PDH體系中沒有安排運用於網路執行管理和維護等開銷位元。 
美國Bell通訊研究所針對PDH不足，提出了同步光網路(Synchronous Optical Network,SONET)的結構，後將SONET修訂後成為同步數字體系(Synchronous digital Hierarchy,SDH). 
SONET和SDH之間有一些細微差別，主要是在基本的SDH和SONET幀格式中， SDH和SONET在STS-3訊號等級以上本質相同。基本訊號中SONET為STS-1而SDH為STM-1

2 SONET/SDH幀格式 
STS-1為SONET的基本訊號速率， SONET採用 125 微秒的幀長或幀速率 8000Hz 的幀速率。STS-1的幀結構： 
每個幀有 9 行 x90 列的八位組或位元組，形成每幀總共 810 位元組，這給 SONET 一個51.840Mbit/s 基本的傳輸速率， 810總位元組中有 27 個位元組的專用開銷，前 3 列構成傳輸開銷，其中 9 位元組用作段開銷，18 位元組用作線路開銷，第 4 到 90 列包含同步淨荷包(SPE)。其中有 STS-1路徑開銷，因為前 3 列式開銷，實際資料速率為50.112Mbit/s，而不是 51.840Mbit/s， 。更高線路速率可以通過同步服用較低線路速率來獲得，有效重複次數為 1,3,12,48,192… 
STM-1是SDH 的基本訊號速率，下圖顯示了STM-1幀結構：

SDH也使用125微秒的幀長或幀速率 8000Hz 的幀速率。STM-1 幀由開銷和一個虛容器(Virtual Container, VC)容量組成，每幀9 行x270 列的八位組或位元組，建立每幀共2430位元組，有81位元組的專用段開銷，前9列構成段開銷，第 10 到 270 列構成 VC。VC 加上指標 H1，H2，H3 位元組被稱為管理單元(AU). 承載在 VC 容量中的是路徑開銷和容器， VC容量有自己的9行261列的幀結構，第一列為路徑開銷，淨荷容器緊隨其後，  STM以連續位元組方式傳輸，一行接一行，類似STS幀，它在傳輸之前立即拼接一確保下一行再生器有足夠的時鐘速率內容。再生器通過將線路分解成多段來擴充套件線路的最大距離和質量。

3 SDH網元 
SDH 是由一些基本網路單元(NE)組成，在光纖上可以進行同步資訊傳輸、複用、分插和交叉連線的傳送網路。SDH有 4種標準網元。 
TM終端複用器 
線上形網的端站，把PDH / SDH  支路訊號複用成SDH線路訊號，或反之。

 
ADM分插複用器   
ADM是一種特殊的複用器，  它利用分接功能將輸入訊號所承載的資訊分成兩部分：一部分直接轉發， 一部分支路訊號卸下給本地使用者然後資訊又通過復接功能將轉發部分和本地支路訊號的上送的部分合成輸出

 
REG  再生器   
再生器設在中心局段，用於延長傳輸距離，和電纜中的中繼器類似

 
DXC  數字交叉連線裝置   
DXC 類似於交換機，它一般有多個輸入和多個輸出，通過適當配置可提供不同的端到端連線。同時兼有同步複用、分插、交叉連線、網路的自動恢復與保護等多項功能的SDH  裝置。

4 SONET/SDH拓撲 
SONET/SDH可以由如上網元構成多種拓撲結構： 
線形結構

 
5 SONET/SDH體系結構 
SONET/SDH體系結構標示了3個不同的層，每一層都分別對應於SONET/SDH裝置之間的一個通訊級別。這些層從低到高依次為： 
  中繼站段，稱段層 
  多路複用段，稱線路層

  路徑層

 
每一層都有自己的開銷(報頭)。SONET/SDH 幀的傳輸開銷(TOH)主要有2部分，包括段開銷(SOH)和線路開銷(LOH).另外，指標表明整個幀的淨荷中 SPE/虛擬容器的開始。  SPE/虛擬容器本身由 POH 和淨荷組成，該淨荷可以進一步細分為子元素，  或者多路複用結構， 
SONET高位和低位多路複用結構如下

SDH高位多路複用結構如下圖：

SDH低位多路複用結構如下圖：

 
6 SONET/SDH級聯 
要以超出基本 STS-1/STM-1 信令的速度傳輸輔助信令，SPE/VC 可以進行級連。這種情況下，它們彼此之間的關係是實時固定的， 並且它們作為單個連線管道。級連包括連續標準級連和虛級級連。 連續標準SONET級連允許M STS-1信令在一個STS-N信令中串聯，其中M<=N,並且M=3,12,48,192,768.位數為4。這些M STS-1 的SPE可以進行級連，形成一個STS-Mc(其中C 代表Concatenated). 虛級連線(VCAT)是一種在 SONET/SDH 環上提高 TDM 頻寬效率的措施，對於標準 SONET/SDH 級連，他們管道劃分很粗略。不能適應實際頻寬的需求。利用VCAT可以將許多較小的管道級連在一起，這些小管道可以組合在一起，形成一條更大的管道，以便每秒承載更多資料，虛級連在 SONET/SDH層(L1)上實現，這意味著每條不同的電路都捆綁在一起，對於網路上層表現為一條物理管道。虛級連使 nxSTS/STM 或nxVT/VC分組的一實現。 
STM-256  OC-768/STS-768  39813.12

如上表所示，虛級連在實現乙太網在 SONET/SDH 傳輸(EOS)上，極大地節省了頻寬。EOS 和 VCAT 僅在 SONET/SDH 基礎設施的入口和出口實現。由於中間連路會引起差異延遲，接收端通常會有一個緩衝佇列來對差異延遲進行補償。

7 SONET/SDH鏈路容量調整 
鏈路容量調整方案(Link  Capacity  Adjustment  Scheme,LCAS)可以不中斷資料流調整網路頻寬,舊的SDH/SONET 網路中調整使用者頻寬是一件相當繁瑣的工作，需要網路提供足夠大的備用頻寬，在配置過程中要同時傳送新的和舊的使用者資料流，從而保證資料流的連續與完整. 在ITU-T  G.7042  中定義了LCAS協議，這是一種在虛級聯技術基礎上的調節機制,技術僅僅規定了可以把不同的虛容器級聯起來，但現實中資料流的頻寬是實時變化的，如何在不中斷資料流的情況下動態調整虛級聯的個數就是LCAS 所涵蓋的內容作為一種鏈路容量控制機制， LCAS通過增減虛級聯組中級聯的虛容器個數來調節淨負載容量，在不影響當前資料流的情況下重新分配頻寬，滿足使用者變化的頻寬需求.

 
除了具有在服務(in service)動態調整網路頻寬的能力之外，LCAS  還提供以下功能： 
1.  無需丟棄整個  VCG就可動態替換  VCG中失效的成員虛容器； 
2.  允許單向控制  VCG容量，支援非對稱頻寬； 
3.  支援  LCAS  功能的收發裝置可與舊的不支援  LCAS  功能的收發裝置直接互連； 
4.  支援多種使用者服務等級，通過虛級連技術和 LCAS  技術相結合，現有的  SDH 網路完全可以實現高效的資料業務傳輸，並隨使用者需求在服務動態調整線路頻寬 
LCAS對於容錯和故障保護也很有用。因為該協議具有從VCG清除故障鏈路的能力，由於資料流在虛級聯組中的從屬終端上是八位位元組的帶狀流。因此在某一從屬終端出現錯誤而沒有這樣一種機制的情況下，整個資料流會在從屬終端出現錯誤期間也出現錯誤。LCAS 協議提供了一種檢測錯誤從屬終端並自動從組中清除錯誤終端的機制，VCG在頻寬變小時會終止執行，但它仍繼續傳輸沒有錯誤的資料。 
 
8 GFP通用成幀程式 
GFP在ITU標準G.7041中定義，它提供的成幀機制支援了多種資料流量型別向SONET/SDH幀的直接對映，使得類似乙太網和光纖通道的協議具有了在現有的SONET/SDH 基礎設施上遠距離傳輸的靈活性。 GFP 幀由三個主要組組成：核心頭、載荷頭和載荷區。核心頭和載荷頭構成了 GFP 頭，而載荷區表示客戶資料服務流量。載荷頭提供了所攜帶內容的載荷型別資訊(乙太網、光纖通道等等)，而核心頭攜帶的是GFP幀自身的大小資訊。這些元件共同構成GFP 幀，該幀可被對映到T-Carrier/PDH通道，並最終通過SONET/SDH網路得以傳輸。

 
每個頭都包含頭錯誤更正(HEC)計算資訊，允許更正單獨的錯誤；也就是說，在核心頭或載荷頭中出現的任何錯誤都可通過 HEC 潛在地進行更正。這就建立了一種非常健壯的對映方案，它確保 GFP 幀在網路間傳輸時不會丟失客戶流量。 
ITU標準定義了兩種型別的GFP幀：幀GFP(GFP-F)和透明GFP(GFP-T)。GFP-F支援可變長度的幀資料(即包含可變長度的資料包)。此時一個客戶幀(如一個乙太網幀)被直接對映到一個 GFP-F 幀中。這時，在系統中需要有一個媒體訪問控制器(MAC)來端接第 2 層協議。例如在乙太網中，一個乙太網 MAC 負責去除前導位和幀分界符，校驗CRC，並將乙太網幀交給GFP 端點進行封裝。

 
GFP-T 支援固定資料包長度和傳輸塊編碼(block-coded)固定速度流(如 Fibre  Channel，Ethernet，或ESCON/SBCON)。這種模式下生成的是封裝了塊編碼資料的 GFP 幀，其中包括對映為 64B65B 塊編碼的客戶協議8B/10B資料和控制(符號)。 透明對映協議不需要在傳輸前緩衝整個客戶幀。相反，資料和控制符號都是按順序處理的。八個8B/10B 符號(加上一個標誌位)組合為一個64B/65B 塊編碼。這一塊編碼同時包括資料字元和控制符。 然後，八個64B/65B 塊程式碼被組合為一個超級塊(65位元組資料+CRC16)。多個超級塊被組合為GFP淨荷，其中每個幀中的超級塊數量依賴於具體的協議(對於千兆乙太網為 95，對於光纖通道為 13)。GFP-T不需要MAC功能，因為它對於所傳輸的協議實際上是透明的。

到底是選擇GFP-F還是選擇GFP-T依賴於具體的應用和系統要求。GFP-F保證只傳輸實際資料，因此提供了更高的頻寬效率；同時GFP-T則傳輸包括資料、幀程式碼、前導位以及閒置位在內的所有資訊。 GFP-F 在系統中引入更大的延遲，因為在傳輸前必須先接收完整的幀。同時根據系統具體情況，這也意味著可能需要使用外部儲存器。GFP-T 不需要傳輸完整的幀，因此可達到更小的系統延遲。實際應用中，長距離傳輸會引入時延(由於傳輸介質的遲)，因此需要在客戶適配層增加額外的功能來保證滿足協議的時延要求。被稱為“spoofing”(電子欺騙)的這一功能對於有些客戶協議來說非常關鍵，例如光纖通道協議。因為這些協議對於傳輸時延有非常嚴格的要求。 
 
9 SONET/SDH保護結構 
SONET/SDH 可以利用預先安排好的備用容量去保護主用容量。SDH 網的保護可分為二大類：路徑保護與子網連線保護。路徑保護對業務訊號的傳送路徑進行保護，它既可以在複用段層進行，也可以在通道層進行。 
線路系統的複用段保護(MSP)分為兩種模式，1+1 和1:N. 
1+1模式STM-N訊號被連線在工作通路與保護通路上，兩通路皆傳送業務訊號；收端擇優選用。

1:N模式N個工作通路共用一個保護通路，保護通路可傳額外業務

 
線路系統的複用段保護倒換要使用APS協議，倒換要在50ms時間內完成。 
在 SONET/SDH 幀格式中，可以使用 K1，K2 兩個欄位實現自動保護倒轉(APS)功能。首先，B 站檢測出工作通路故障後，利用上行保護光纖發出K1位元組，K1 位元組中包含故障通路編號數。 然後 A 站收到 K1 位元組後，完成下行工作光纖到保護光纖的橋接，並利用下行保護光纖送出 K1、K2 位元組，其中K1位元組作為倒換要求， K2位元組作為證實。 然後 B 站收到 K2 位元組後，經過對通道編號的確認後進行下行工作光纖到下行保護光纖的橋接，同時根據K1 位元組的要求進行上行工作光纖和保護光纖的橋接。之後，利用上行保護光纖送出 K2 位元組。最後 A 站收到 K2位元組後，完成上行工作光纖和保護光纖的橋接。APS 完成。 
 

環網的複用段保護環可分為二纖環與四纖環。 
二纖環：環網由二根光纖組成，根據業務傳送方向又可分單向保護環與雙向保護環。

 
四纖環：環網由四根光纖組成，二根主用光纖與二根備用光纖，備用光纖為主用光纖提供反方向保護；備用光纖可傳送額外業務。

通道保護環 業務保護以通道為基礎(通道訊號質量優劣)，通道保護一般採用 1+1 方式。通道環一般由二纖組成，根據業務傳送方向又可分單向通道環與雙向通道環。通道環的保護一般不使用APS 協議，倒換時間小於30ms。 雙纖單向通道保護環：其中一根纖用於傳送業務訊號，另一根用於傳輸相同的訊號進行保護。

當光纜出現故障時(如上右圖)，則在節點A 和B進行倒轉 單向通道保護環的特點： 
優點：實現簡單，不需使用APS協議，倒換速度最快(<30ms)。 
缺點：不能重複使用節點間的時隙，環傳輸容量較小；不能傳送額外業務。 
 
雙纖雙向複用段保護環：雙纖雙向複用段保護環是目前SDH應用最廣泛的一種保護方式。它由二根光纖組成：每根光纖傳輸容量的一半為工作通道；一半為保護通道(P)，且為另一根光纖的工作通道提供反方向保護。

故障時：如A、B間光纜被切斷 在A、B點執行交叉連線。 
A節點：把DB 業務從S1通道交叉到P1通道，並使其沿逆時針方向傳輸：D->A->D->C->B 
B節點：把BD 業務從S2通道交叉到P2通道，並使其沿順時針方向傳輸：B->C->D 
 
雙纖雙向複用段保護環特點 
優點:時隙的重複使用，增大了環的傳輸容量(可達k/2XSTM-N)；可利用保護通道傳送額外業務。   
缺點:使用橋接與倒換技術，技術比較複雜。因為需要使用 APS 協議，倒換速度較慢。當環的傳輸路徑小於1200 km時，其保護倒換時間小於50ms；當環網的傳輸路徑很長時，保護倒換時間可能會高達100～200ms。  

四纖雙向複用段保護環  ：它由四根光纖組成，二根業務光纖傳送正常業務。二根保護光纖分別為二根業務光纖提供反方向保護：

 
如A、B間光纜被切斷，在A、B點執行環回功能。 
A節點：把DB 業務從業務光纖環1回到保護光纖環1，並沿逆時針方向傳輸：D>A>D>C>B 
B節點：把BD 業務從業務光纖環2回到保護光纖2，並沿順時針方向傳輸：B>C>D>A>D 
四纖雙向複用段保護環特點： 
優點:時隙可以重複使用，增大了環的傳輸容量(可達ｋ×STM-N)；可以利用保護光纖傳送額外業務；可抗多節點失效。   
缺點:因為需要使用APS協議，倒換速度慢。當環網的長度小於1200km時，其保護倒換時間小於 50ms；當環網長度大於 1200  km時，其保護倒換時間可能會高達 100～200ms。技術複雜，節點成本高。  四纖雙向複用段保護環對同步複用裝置提出了更高的要求：一是裝置必須具有 4 個光線路介面；二是必須是雙系統設計，即不僅要具有 2 個系統的容量，而且要具有更強的交叉連線能力。 在各種自愈環中，最常用的是二纖單向通道保護環與二纖雙向複用段保護環。   
  通道保護環(單向或雙向)採用“雙發選收”的方式，不需使用 APS 倒換協議，實現簡單，倒換速度快，尤其適合用於業務量比較集中的應用場合，即各個節點皆和中心節點發生業務往來，而彼此之間的業務量較少，一般縣局間的通訊就屬於此種情況。   
  二纖雙向複用段保護環由於具有“時隙可以重複使用”的優點，所以特別適用於業務量分散型的應用場合，即環網中的各個節點之間，尤其是相鄰節點之間的業務流量比較多，而且分佈比較均勻的情況，一般局間通訊就屬於此種情況。   
  四纖雙向複用段保護環具有“時隙可以重複使用”的優點，環的容量較大，並且同步複用裝置一般採用雙系統結構設計，所以適用於業務量大而分散、組網複雜的應用場合。對於接入網，由於它處於網路的邊界，所需的業務量較小，而且大部分業務量彙集在一個節點上，因此，可使用比較簡單經濟的通道保護環(單向或雙向)。  

  對於局間通訊部分，由於各個節點之間均有較大的業務量，而且節點一般需要較大的業務分插能力，所以可使用具有較大業務容量的二纖雙向複用段保護環。但如果業務量集中在某個節點(樞紐局)，則使用通道環更合適。對於網格型和相鄰型網路，則複用段保護環較適合。至於究竟是採用二纖複用段保護環，還是四纖複用段保護環，則取決於容量要求和經濟性考慮的綜合比較。業務量不太大時，二纖複用段保護環比較合適；業務量很大時，則應採用四纖複用段保護環