（通信与信息系统专业论文）多层网络的生存性研究.pdf

武汉邮电科学研究院硕士论文 摘要 如今，数据业务的迅猛发展推动了电信传送网络向着高带宽和多业务的方向 发展。光传送网络的引入使得传送网络获得了潜在的无限带宽。在这样一种高速、 多业务的光传送网中出现任何故障都会造成无法估量的影响和损失，因此，当前对 于网络生存性的研究相比过去更加迫切。 本文在前人大量网络生存性相关文献研究成果的基础上，对各个单层网络( 包 括i p 、a t m 、s d h 、w d m 、o t n ) 的生存性技术进行了全面、系统的总结，并对 多层网络生存性中的协调机制和保护资源配置方法进行了阐述。 网络的多技术性和结构的分域分层特点，决定了网络的生存性尤其是多层网 络的生存性已成为急需突破的网络关键技术。多层生存性技术并不是各个单层生存 性的简单叠加，如何建立有效的多层生存性协调机制，以避免不同的单层恢复机制 之间的竞争；提高层间备用资源的协作和共享性能，降低保护资源的开销，是多层 网络生存性研究中须解决的两个关键问题。因此，多层网络生存性的协调策略就是 本文的第一个研究重点，并以i po v e ro t n 这一兴起的网络结构作为多层网络生存 性研究的网络模型，具体设计了一种联合二层恢复策略，将其与单层生存性策略在 容量及恢复速度方面进行了仿真分析和比较，验证了这种多层恢复策略的优越性。 对多层网络中空闲资源分配问题的研究是本文的另一个研究重点，针对i p o v e ro t n 多层网络结构提出了一种多层网络中能最大共享保护资源的方法。该方 法把单层网络保护资源共享的思想扩展到了多层网络的环境中，实现了保护资源在 不同网络层之间和同一网络内的同时共享，从而大大减少了保护资源的开销。对该 问题使用了整数线性规划模型( i l p ) 进行描述并进行了对比分析。最后针对多层网 络中“失效扩散”的现象，提出了一种多层联合的资源分配方法。该方法通过合理 设计上下网络层间的映射关系，保证了下层单链路故障不会同时影响到上层的工作 通路和保护通路，在此基础上论文中分几种不同的策略讨论了需预留多少保护资源 以保证受影响的业务1 0 0 恢复。同时构建了该方法的整数线性规划模型，并进行 了对比分析。 关键词：多层网络；生存性；i po v e ro t n t 联合恢复：空闲资源 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t n o w , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c ep r o m o t e st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e t e l e c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r ki nt h ed i r e c t i o no f h i g h b a n d w i d t ha n d m u l t i - s e r v i c e t h ei n t r o d u c t i o no fo t n t e c h n o l o g ym a k e st h et r a n s m i s s i o nn e t w o r k a c q u i r eap o t e n t i a l l yu n l i m i t e db a n d w i d t h i ns u c hah i g h s p e e da n dm u l t i s e r v i c e t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n yf a i l u r ew i l lc a u s et r e m e n d o u si m p a c ta n dl o s s e s t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c hf o rs u r v i v a b i l i t yi sm o r eu r g e n tt h a nt h et r a d i t i o n a ln e t w o r k f i r s t ，i tm a k e sa ne x t e n s i v ea n ds y s t e m a t i c a ls u m m a r i z a t i o no fs i n g l e 1 a y e rn e t w o r k s u r v i v a b i l i t yb a s e do nl o t so fr e f e r e n c e sa b o u ts u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g ya n df o r m e rm e t h o d o nt h es u r v i v a b i l i t ys c h e m e si nt h i st h e s i s t h e na na n a l y s i si sm a d ef o rt h ec o o r d i n a t i o n m e c h a n i s m sa n da l l o c a t i o no fs p a r ec a p a c i t yi nm u l t i 1 a y e rn e t w o r k s t h es u r v i v a b i l i t yi nm u l t i l a y e rn e t w o r k sh a sb e c o m ea k e yt e c h n o l o g yw h i c hi si n u r g e n tn e e do fab r e a k t h r o u g h t h e r ea r et w ok e yi s s u e so ft h es u r v i v a b i l i t yi nm u l t i 1 a y e r n e t w o r k s o n ei sh o wt oe s t a b l i s ha ne f f e c t i v ec o o r d i n a t i o nm e c h a n i s mw h i c hc a na v o i d c o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tl a y e r s t h eo t h e ri sh o wt or a i s et h el e v e lo f c o o p e r m i o n a n ds h a r i n ga m o n gs p a r ec a p a c i t y s ot h es c h e m eo fm u l t i 1 a y e rs u r v i v a b i l i t yi st h ef i r s t t o p i co ft h i st h e s i s ，t h a nan e ws c h e m ef o rm u l t i l a y e rr e c o v e r yb a s e do ni po v e ro t ni s p r e s e n t e d c o m p a r e dw i t ht h es u r v i v a b i l i t yo fas i n g l el a y e rn e t w o r ki nc a p a b i l i t ya n d r e c o v e r yr a t et h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ea d v a n t a g eo ft h i sm u l t i - l a y e rr e c o v e r ys t r a t e g yi s v e r i f i e d t h es t u d yo ft h es p a r ec a p a c i t ya l l o c a t i o ni nm u l t i l a y e rn e t w o r k sa n d p r o p o s ean e w m e t h o do fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni sa n o t h e rf o c u s t h i sm e t h o de x t e n d st h ei d e ao f r s o u r c e s h a r i n gi nas i n g l en e t w o r kt ot h em u l t i - l a y e rn e t w o r k sa n dm a k e st h ec a p a c i t ys h a r i n g m a x i m u mi nd i f f e r e n tl a y e r s t h e nw ee s t a b l i s ht h ei n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ( i l p ) m o d e lf o rt h ea n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e w m e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h e c o s to f p r o t e c t i n gr e s o u r c e s f i n a l l y ，a i m i n ga tt h em u l t i n e t w o r kf a i l u r ep r o p a g a t i o np h e n o m e n o n ，am e t h o do f j o i n tl a y e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni sp r o p o s e d t h i sm e t h o dg u a r a n t e e st h a tl i n kf a i l u r ei nt h e l o w e rl a y e rw i l ln o ta f f e c tt h ew o r k i n g p a t ha n dt h ep r o t e c t i o np a t hi nt h eu p p e rl a y e r o n t h i sb a s i sa n da c c o r d i n gt o s e v e r a ld i f f e r e n ts c h e m e s ，w ed i s c u s s e dt i l a th o wm u c h p r o t e c t i o nc a p a c i t ys h o u l db er e s e r v e dt og u a r a n t e et h er e c o v e r yo fa f f e c t e do p e r a t i o n s m e a n w h i l e ，t h ei l pm o d e li sc o n s t r u c t e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：m u l t i - l a y e rn e t w o r k s ：s u r v i v a b i l i t y ；i po v e ro t n ；m u l t i 1 a y e r 佗s t o r a t i o n s c h e m e ；s p a r ec a p a c i t y 武汉邮电科学研究院砚士论文 第1 章绪论 1 1 光网络技术的发展对网络生存性的要求 随着社会的发展，人们对通信的需求越来越大，对通信质量的要求也越来越高。 从简单的电报电话业务，到i n t e r a c t 接入、远程服务、e m a i l 收发等等，通信网络已 经在社会、经济和人们生活中扮演着越来越重要的角色，这些都导致着电信技术的不 断革新。网络技术的发展促进了通信技术的发展，它一方面方便了我们的生活，而另 一方面又使我们的生活更加依赖于通信。 通信技术的不断发展，加剧了网络故障的危害性。近1 0 年来，随着数据业务和 语音业务的增长，特别是i p 业务年增幅高达3 0 0 的爆炸式增长，驱使光网络传送速 率不断提高。单波长信道传送速率由2 5 g b i t s 到l o g b i t s 到4 0 g b i t s ，波分复用 信道数由几个到几十个到几百个。而随着宽带接入技术的进一步发展、大量宽带新业 务和新应用的产生( 如i p 视频业务、高清晰度电视、虚拟现实) 以及用带宽换服务 质量轻载策略的实施，都要求下一代网络具有更高的传输容量，预计未来1 0 年骨干 网所需容量将至少是今天的数十、上百倍，超大容量将成为下一代光网络的基本特征。 可见，如果一根光纤或一个节点出现故障，给网络经营造成的损失将会比以前更大。 社会对网络的依赖，导致了网络故障潜在危害性的增加。随着社会生产、生活的 各个方面开始使用并依赖于网络，网络中传输的信息价值日益加大，故障也会影响到 社会的各个方面。通信网络的一次故障就可能使银行、航空、铁路和公共安全等多方 面陷入瘫痪，其后果将可能是金融，经济和政治被阻断和失控，甚至还会引起社会问 题等。据相关统计，网络服务中断一小时，航空公司将损失几百万美元的收入；商业 用户和投资银行将损失上千万美元；而网络中断两天将足以使得银行倒闭。通信网络 的故障，将给人们的生活带来极大的不方便，甚至可能使整个社会陷入瘫痪。并且无 论人们设计多么高级的通信网络，采用多么周密的故障处理方法，都没有完全消灭过 网络故障。网络故障的重大危害性和不可避免性迫使人们不得不利用各种技术和策略 来应付可能突如其来的网络故障，网络生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 技术的研究越来越受到各 科研机构、通信设备制造企业和网络运营商的极大重视。 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 2 网络生存性的研究现状和意义 自1 9 8 7 年以来，网络生存性技术的研究就一直是传送网研究的重点。目前，对 于单层网络的生存性已有大量研究，也发表了很多文献。国际电信联盟( i t u i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i t ) 已经制定了有光同步数字系列( s d h s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 自愈环结构标准的g 8 4 1 和环间互连标准g 8 4 2 。s d h 自愈环的成功，对光传送网生存性的研究产生了积极作用。澳大利亚m e l b o u r n e 大学 g - r o v e r 教授领导的生存性研究小组在基于光环网实现的生存性方面做了相当多的工 作，提出p 环，虚保护环等许多新的观念。在网状光网络生存性的研究上，s r a m a m u r t h y 等人给出了静态业务条件下几种保护机制的i l p 模型。gm o h a n 等人介 绍了动态环境下，建立工作和保护通路的方案。近些年来，对于光传送网( o t n ) 保 护的i t u t 标准g 8 7 3 1 和g 8 7 3 2 也已基本制定完成。所有这些研究成果主要集中 在针对某一网络技术( i p 、s d h 、a t m 、w d m 、o t n ) 的某一网络结构( 环网、m e s h 网等) 的保护恢复策略和算法上面。 而在多层网络的环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获得 较理想的故障恢复效果，因此在这样的网络中需要引入新的解决方案。隶属于欧洲高 级通信技术和业务( a c t s a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s & s e r v i c e s ) 计划的 a c 2 0 5 p a n e l ( p r o t e c t i o na c r o s sn e t w o r kl a y e r s ) 项目组介绍了多层网络恢复模型，提 高了多层网络整体生存性能。美国国防部高级研究计划局( d a r p a d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c ha r o j e c t s a g e n c y ) 也在资助相关问题的研究。例如：异构、多层网络环境下的网 络生存性问题，综合控制策略建立问题，上层网络有效地映射到下层网络以增强网络 的抗毁能力的问题，多点故障的相关问题，i p 网络生存性等问题。目前网络的一个 研究热点a s o n ，其研究内容也包括了多层网络生存性的问题。对于多层网络情况下 的生存性研究在国内外仍刚开始，并且尚未标准化，其中有许多问题还有待进一步探 讨和研究。而且，近年来网络技术的发展对网络生存性又介绍了新的要求，主要体现 在以下两个方面： 巨大的传输资源使得网络的生存性问题更为突出。特别是超大传输容量技术的进 一步发展和实际应用，单纤可以支持t b i t s 的业务速率。这样巨大的传输资源，使得 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 网络一旦失效，将造成巨大的经济损失和社会影响。 多层网络的发展，带来了新的生存性技术课题。目前的传送网集成了各种不同的 传输技术以完成各自的功能，即由包括i p 、a t m 、s d h 、w d m 和o t n 各层的技术 组成了一个多层的传送网络。网络每层都有各自的生存性技术，怎么样充分利用不同 技术及其相应生存性方案的长处，取得比单层的生存性技术更经济、更好的服务质量 就是多层网络生存性机制所要解决的问题。 所以在通信日益发展的今天，网络的生存性问题被提到了前所未有的高度，对多 层网络的生存性进行深入研究不仅具有重要的实用价值，而且具有深远的理论意义。 1 3 本论文研究的主要工作 基于以上对网络生存性研究背景、现状和意义的分析，本人在硕士学位学习和实 习期间对多层网络生存性的相关问题进行了探索和研究，主要工作包括： ( 1 ) 对单层及多层网络中的生存性技术及关键问题进行了总结研究； ( 2 ) 重点研究了多层网络联合生存机制的相关问题，针对i po v e ro t n 这一兴起 的多层网络结构，提出了具体的联合二层恢复策略，并作了仿真比较分析。 ( 3 ) 通过把单层网络保护资源共享的思想扩展到了多层网络的环境中，提出了一 种使保护资源在不同网络层之间和同一网络内同时共享的多层资源分配方法。 ( 4 ) 最后，针对多层网络中“失效扩散”现象，通过合理处理层间映射关系，提 出了一种多层联合的资源分配方法。 1 4 论文结构及内容安排 围绕以上工作，论文具体的结构安排如下： 第一章介绍了网络生存性的研究背景、研究现状、研究意义以及本论文的研究内 容、创新点和结构安排。 第二章首先介绍了网络生存性的基本概念。如生存性定义、评价指标、故障的种 类、故障恢复过程、故障恢复机制等。然后总结了各种网络( t p 、a t m 、s d h 、w d m 和o t n ) 中的生存性机制。最后介绍了多层网络中的各种生存性策略。 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 第三章研究了i po v e ro t n 这一兴起的多层网络结构的生存性特点，提出了具体 的联合二层恢复策略。并对这种联合二层恢复策略进行了数学仿真，分析比较了这种 多层恢复策略相对于单层各自恢复的优越性。 第四章重点研究了多层网络中保护资源的分配问题，提出了一种多层网络中能最 大共享保护资源的思想。最后针对多层网络中“失效扩散”现象，提出了一种多层联 合的资源分配方法。同时构建了整数线性规划模型并进行了比较分析。 第五章对全文进行了总结，指出尚存在的问题并提出以后研究方向。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 1 生存性概念 第2 章网络生存性技术 网络生存性【1 】可定义为：指网络经受各种故障后仍能维持可接受的业务质量的能 力，属于网络完整性的一部分。网络的生存能力也就是网络发生故障时，仍可继续提 供服务的能力。尽管网络的故障不可避免，但通过对网络故障的快速检测、定位和恢 复却可以使网络更为可靠。 评价网络生存性能的主要技术指标 2 1 有： ( 1 ) 恢复时间：是指从网络故障发生到网络传输的业务恢复正常传输所需的时 间。这是一项最为直接、最能体现生存性技术效果的衡量指标。因为对于网络用户来 说，所在意的，也就是他所能感觉到的就是网络提供的业务质量，而恢复时间的长短 将直接影响业务的服务质量和网络的稳定性。 ( 2 ) 冗余资源：是指为了实施网络生存性技术在网络中必须提前预留的备用资 源，以便保护发生故障的链路和节点。冗余资源虽然对于用户是不可见的，但它直接 影响运营商建设网络和运营网络的成本，在市场竞争日益激烈的今天，降低成本是所 有企业生存的根本，所以减少冗余资源是网络优化的一个重要目标。 ( 3 ) 恢复率：是指网络发生故障时所能恢复的业务占所有受损业务的比例，它反 映的是生存性技术的效率。一般情况下，冗余资源越多，恢复时间越短，恢复率也就 越高。如果允许的恢复时间越长，恢复率也就越高。如果网络有足够的冗余资源，恢 复率可能接近或达到1 0 0 。 ( 4 ) 健壮性：是指经历过一次网络故障后，网络再次承受故障的能力，它主要是 衡量生存性技术的可持续性。 其中，恢复时间和冗余资源是两个最常用到的评价指标。 网络生存性理想的目标是：对于给定的网络拓扑，在最短的时间内使故障获得最 大的恢复，同时保证最大的资源利用率。然而同时实现所有这些要求的难度很大，所 以需要根据业务或用户需求以及网络本身的特点，相应地采取一种或多种生存性策略 来提高网络的生存性指标。 网络生存性设计的主要内容包括【3 j ： 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( 1 ) 防护：从网络的规划、安装、路由选择开始，就注意尽可能地避免不安全因 素。环形网的生存性比线形网优越得多，而网状网的生存性就更高。 ( 2 ) 迅速检测：故障发生后如何快速发现并定位。是网络生存性设计的基础，检 测时间应在m s 量级或更低。 ( 3 ) 鲁棒性的自愈设计：包括拓扑结构、自愈算法、协议确定、执行逻辑等。网 络鲁棒性是指系统参数和结构变化时系统能否在一定误差范围内维持原有功能。 ( 4 ) 人工修复、更换硬件、接续光纤光缆等。网络设计应方便故障后的人工修复 等操作，光纤故障定位尽量准确。 ( 5 ) 复原能力：故障排除后，将资源返还原系统。网络可采用人工复原，或由网 管中心控制自动复原。复原时网络各节点应注意协调一致。这一点是必要的，否则难 以应付未来不断出现的故障，造成连锁反应。 其中，鲁棒性的自愈设计和复原能力两项生存性网络研究的主要热点问题。 2 2 故障的恢复过程 2 2 1 故障的分类 光网络故障按照故障的表现方式可分为软故障和硬故障【4 j 。按照故障的位置可分 为节点故障和链路故障。 硬故障是指中断传输信道的意想不到的突发事件，如光纤断裂、收发单元失效等。 软故障是指逐步减低传输质量的事件，如光纤损耗增大等。硬故障对网络业务影响巨 大，但处理方便。软故障对网络业务的影响比较小，但出现几率高，且不容易发现， 故障定位也比硬故障难。节点故障是由于节点中器件的故障以及人为因素的影响导致 在光网络中的节点的发射机、接收机或相关设备产生故障。链路故障是由于自然因素 和人为因素的影响，导致光纤链路切断或性能劣化，使得光网络的链路产生故障，影 响传输的业务。敷设在室外的光缆线路，由于受外界环境影响大、距离长、分布广、 维护人员相对较少等原因，是通信网中最容易出现故障的地方。网络的生存性使得网 络能够在发生故障的情况下维持一定等级的业务。 网络生存性技术通过一个完整的过程实现。当业务流通过的路径上发生了故障 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 时，故障恢复须经历以下步骤：故障检测、故障定位、故障通知、故障恢复。 2 2 2 故障检测、故障定位和故障通知 故障检测和故障定位是网络各项生存性技术的基础。如果发生了故障，只有快速 地检测到故障，才能进行后续故障定位、故障通知等恢复动作。网络中的各种故障检 测机制可分为：硬件故障检测机制，检测信号质量；软件故障检测机制：在信号流中 插入控制消息。一些常见故障类型的检测方法有：电信号丢失( l o s l o s to f s i g n a l ) ， 光丢失( l o l - l o s to fl i g h t ) ，操作、管理和维护( o a m ) 流。此外，还有基于通用多协 议标签交换( g m p l s ) 协议框架下的链路管理协议( l m v ) 实现的故障检测，以及基于 h e l l o 和k e e p a l i 。 在发现故障后，尽快分清故障类型、准确确定故障位置是光传送网保护至关重要 的一步，也是光网络尽快修复的必要条件。由于在光传送网中一处发生故障( 光纤断 裂、o a d m 故障等) ，多个相关的节点和监测点均要发生告警，从而故障定位困难。 目前典型的故障定位机制有：人工测试法、通路相关性分析法和中心控制节点分析法。 故障通知【5 】是指在一个节点检测到故障后，必须通过信令消息通知网络的其他节 点以采取合适的恢复动作。这些信令消息根据各层网络技术的特点可以有多种实现方 式，它可以是s d h 网络中的自动保护倒换( a v s ) 消息，也可以是i p g m p l s 网络中的 标签交换路径( l s p ) 错误信令和通知消息，或者智能光网络中的g m p l s 故障通知消 息等。 2 2 3 故障恢复策略 故障网络从故障中恢复是靠具体的保护和恢复【6 j 措施来实现的。保护和恢复均是 在网络故障条件下，使受损的业务得以重新运行的具体措施。两者均是需要重新选择 其他路由来代替故障路由。但就其具体实施方式而言，保护和恢复方法又各有不同。 保护是利用节点之间预留专用的备用资源实施网络保护，即当一个工作通路失效 时，利用备用设备的倒换，使工作信号通过保护通路维持正常传输。保护往往处于本 地网元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入，保护倒换时间很短。在i t u t 建议中，对于符合一定条件的网络和保护措施，保护倒换一般要求在5 0 m s 内完成。 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 由于保护是在系统中专门预留资源来实现的，资源利用率较低。保护的粒度可粗可细， 从节点的保护，到光缆、光纤、波长组、波长和业务均可实施保护方案。保护对拓扑 结构也没有过于严格的要求，可以在点对点系统中实现，也可以在复杂网络中实现， 典型的保护方案是环行网络的保护，因为环型网络具有自愈性。 恢复是在网络部件出现失效后实时寻找可用资源，并采用重选路由的方法绕过失 效部件。恢复需上层网管的介入，要准确地知道故障点的位置，其实质是在网络中寻 找失效路由的替代路由，因而恢复算法与网络选路算法相同。使用网络恢复可大大节 省备用资源，但恢复倒换由外部网络操作系统控制，具有相对较长的计算时间。恢复 可以利用节点之间可用的任何资源，因而可大大节省备用资源，但所需要的时间长。 恢复的粒度相对较细，它是专门针对业务而言的，对于光传送网中最小粒度就是波长， 对于i po v e ro t n 系统中，其粒度为口业务。恢复在对拓扑结构的要求上是网络的连 通性要好，而且一般用于m e s h 网中。 为提高网络的生存性，往往采用保护和恢复折中的办法，既要保证故障情况下的 时效性，同时又要保证网络资源的合理化利用，要求采用在一定的约束下为工作通路 预先选择好保护通路，这就相当与以网络生存性为约束条件的资源优化的问题。由于 网络优化的参数很多，所以形成很多不同的优化方案。一般而言，保护和恢复的选择 方案可依据下列原则进行：对于重要的业务采取保护的方案，对于一些特殊的拓扑， 如链形、环形或环网相交等也采用保护方案；而对于网络拓扑连通性强，且对网络的 资源利用率要求较高的一些网络，则选用合适的r w a 算法下的恢复方案。总之，在 大型网络中，需要两种方案协同操作，来共同提高网络的生存性。 2 3 各层网络的生存性技术 2 3 1i p g m p l s 在m 层中，i p g m p l s 能够恢复多故障业务，同时对业务的操作粒度也很小， 但口层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在i p g m p l s 网络层 中用于提高生存性采用的主要的策略是口动态路由( i pd y n a m i cr o u t i n g ) 和多协议标 记交换( g m p l s ) 的自愈方案7 1 ，此外还有弹性分组环( r p r ) 和动态分组传j 羞( d p t ) 技 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 术。 当主通路中的两个节点( 路由器) 间的链路发生故障时，内部网管协议可以动态 地计算和寻找到一条两个节点间的有效备用路由，以替代网络的故障路由，恢复故障 业务。这使得口包能使用备用动态路由绕过故障链路或故障节点，恢复业务的传送。 i p 动态路由虽然有较高的智能，但恢复时间比较长从几十秒到几分种，而且具 有一定的不可预知性。 g m p l s 属于第三层交换技术【8 】，它通过预置一系列不同等级的通路，即标记交 换通路( l s p ) ，来完成自愈。一旦出现路径故障，可以根据存储的标记快速提供另一 条路径。在i p 层引入g m p l s ，利用固定长度的标签交换技术减少了路由器解析i p 包头的延时，所以在一定程度上可以实现i p 层的快速恢复。 r p r 的核心基础是以太网技术，其处理的基本数据单元是分组数据包。与其他 技术相比，r p r 的最大特点是在充分保持以太网技术组网资源利用率高和灵活等优 点的前提下，加入了s d h 系统的自愈技术，提高了原有以太网系统的可靠性。 d p t 是一种对数据包进行优化的基于光纤传输的解决方案，事实上是最先得到 广泛应用的p r p 预标准。d p t 技术将i p 路由技术对带宽的高效利用及丰富的业务融 合能力和光纤环路的高带宽及可靠的自愈功能紧密结合，为现存的网络提供一个保护 投资的功能丰富的解决方案。 m 2 3 2a t m 在a t m 网络【8 】中，为了要在通信双方之间传送业务信息，必须在通信双方之间 建立起虚连接。虚连接分为两个等级，即虚通路( v p ) 和虚信道( v c ) 。v p 是具有相同 的虚通路标志符( v p i ) 的信元所占有的子信道，v c 是具有相同的虚信道标志符( v c i ) 的信元所占有的子信道。一般来说，自愈技术的重构路由方案可分为链路恢复和通路 恢复。 a t m 网络的自愈以v p 为基础，目前受到广泛重视的有备份v p 自愈算法。在 a t m 网络中，每条工作v p 都预先建立有相应的备份v p ，这些信息存储在路径的终 结点上。当传输链路中断时，v p 的两个终接点试图恢复通路，其中之一成为发送者， 另外一个成为选择者。还有一种自愈技术就是反应式恢复技术，通过分布式洪泛 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( f l o o d i n g ) 算法，可找到失效v p 的所有替代路由，该技术即使在多链路失效的情况 下也具有较大的灵活性。因为一条失效链路会导致多条虚通路失效，基于失效链路的 反应式恢复技术可有效地减少网络中替代路由搜索消息数目，但是，其恢复路由平均 长度较大。反应式恢复技术的最大缺点就是恢复速度慢，控制消息复杂。 2 3 3s d h 在s d h 网中最常见的自愈技术【9 】是：自动保护切换( h p s ) ，自愈环( s h r ) 和网状 自愈网。a p s 技术典型的被用于链路故障的恢复。它主要包括1 + 1 ，1 ：1 和m ：n 三种 方式。这3 种保护方式的不同在于分配不同的保护资源。基于h d m ( 分插复用器) 的 s d h 自愈环是从自动保护倒换技术演变而来的，网络结构为由a d m 构成的环状拓扑 结构，是一种非常成功的网络生存技术，它比a p s 具有更灵活的特点，可以处理节 点故障和链路故障。网状自愈网自愈技术最大的好处是可以利用网络物理设备布局的 分散性来达到经济有效的生存性，在网状自愈网中每条线路上的空闲资源都可以为其 他线路的生存性作贡献，网络的空闲资源并不为指定的线路或环恢复专用，而是全网 共享。 s d h 保护是标准化的并且能跨域操作，可提供可保护交换通路粒度的更多控制。 对点对点系统，a p s 是最好的解决方案；在环形网络中，s h r 是最好的解决力案， 目前通信网络中大多使用保护方案，而在大规模的网状网中，a p s 和s h r 可能会消 耗掉更多的网络资源。因此s d h 保护在环拓扑中限制很大，存在着备用资源使用效 率不高，拓扑范围有限等缺点。 2 3 4 、v d m w d m 层的生存性根据拓扑结构可分为三类：点到点结构( p o i n t - t o 。p o i n t ) ，环形 结构( r i n gs y s t e m ) 和网状网结构( m e s ha r c h i t e c t u r e s ) 。 ( 1 ) 点到点w d m 层保护倒换 对于点到点的线路系统，一般采用的是1 + 1 、1 ：1 、1 ：n 、m ：n 光复用段保护倒换 方案。 1 + 1 光层保护是利用光耦合器把光信号分成相同的两路分别送入工作光纤和保 1 0 武汉邮电科学研究院硕七论文 护光纤的通道中。当工作光纤故障时，接收端的光开关把线路切换到保护光纤。这种 保护是单端倒换的保护方式，不需要a p s 协议，保护倒换快，且不需要恢复到原状 态，但增加了3 d b 功率损耗。此外，与s d h 的1 + 1 保护不同，1 + 1 光层保护并不是 对传输来的两路信号进行检测并不断选出最佳信号，接收机并不知道保护光纤的任何 状态信息就切换到保护光纤_ l t l 0 1 。 1 ：1 光层保护方案与1 + 1 光层保护方案的不同之处在于业务流量并不是被永久的 桥接到工作和保护光纤上。而只是在出现故障时，才在工作光纤和保护光纤之间进行 一次切换，因而保护光纤可以承载额外业务。但是1 ：1 光层保护属于双端保护倒换的 方式，存在收发两端保护切换的协调问题，需要协议和信令的支持。其信令内容需包 括桥接倒换请求、状态、源和目的地址。 m ：n 的保护方式是典型的共享保护方式，即为m 条工作通路准备n 条保护通路。 由于是共享保护，信令内容除要包括桥接倒换请求、状态、源和目的地址外，还要携 带使用和已经使用了的保护通路符号。当m = i 时，m ：n 保护就为i ：n 保护，即n 个 工作实体共享同一个保护通路。 ( 2 ) 环形网络生存性 环形网络是一种常见的通信网拓扑形式，和网状网相比，环形网在保持较高生存 性的同时更容易实现和管理。光层自愈环比s d h 自愈环资源更大且容易升级。光层 保护环主要生存性结构【1 2 】有：区段保护( s p a n p r o t e c t i o n ) 、单向光通道专用保 护环( o c h d p i 渊g ) 、单向光通道共享保护环( o c h s p n g ) 和双向光复用段共 享保护环( o m s s p r i n g ) 。 区段保护如图2 1 所示，是在相邻点之间有两根光纤：一根光纤双向传输，另一 根光纤备用。工作光纤故障时，区段两段节点光开关动作，将双向业务切换到备用光 纤。这种保护方式实现起来简单方便，但要确保两根光纤不同时故障。 单向光通道专用保护采用并发选收的方法，当工作通道发生故障时，自动切换到 保护通道；当工作通道恢复正常后，可设置为返回方式或不返回方式，如图2 2 所示。 它是按光通道级失效指示进行切换。单向光通道保护目前应用最多，其特点是实现简 单，可靠性高，无须协议支持，保护时间短，组网应用灵活，根据业务需要可实现部 分波长保护。主要缺点是要消耗整个环网的容量。 武汉邮电科学研究院硕士论文 图2 1 区段保护图2 2 两纤单向光通道专用保护环 光复用段共享保护环基于光复用段失效指示进行倒换，提供基于光复用段的保 护，其结构有两纤环和四纤环两种。图2 3 为两纤双向光复用段共享保护环结构。在 两纤环中，每根光纤都是工作光纤，但是在每根光纤中都分配出一半的波长用作保护 目的( 例如，外环：工作波长入1 ”入r 9 2 ，保护波长入n 2 入1 1 ；内环：工作波 长入r 9 2 入n ，保护波长入1 入n 2 ) 。出现故障时，由故障两端的节点启动保护 倒换，将受影响的工作业务迂回到另一根光纤中的保护容量上。在四纤环中，工作通 9 道和保护通道分别由不同的光纤来承载。双向光复用段保护可实现全部业务在光层 的保护，保护效率高，在保护通路闲置情况下可以传送一些低等级业务，适合于环网 各节点之间的业务量相对均匀的均匀的情况。不足之处是：保护路径过长，信道均衡 比较麻烦，在不需要光层保护的情况下，某些业务( 如s d h ) 存在多层保护的竞争和协 调问题。 ( a ) 故障前( b ) 故障后 图2 3 两纤双向光复用段共享保护环 双向光通道共享保护环结构如图2 4 所示，与光复用段共享保护环结构完基本相 1 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 同，不同之外在于光通道共享保护环是基于光通道失效指示倒换模式，实现的是对单 个光通道的保护。保护倒换的位置在受故障影响业务连接的终端节方式，因此存在保 护通道监视困难的问题。 ( a ) 故障前( b ) 故障后 图2 4 两纤双向光通道共享保护环 ( 3 ) 网状光网络( m e s h ) 的生存性 尽管环形网具有很强的自愈能力，但环网覆盖面小，长度不能过长，资源利用率 不高，因此网络拓扑结构的发展趋势是逐步向网状网过渡。未来的光网络将是网状网， 对网状光网络生存性的研究也是一个重点。网状网生存性问题比环网要复杂得多。通 常网状网根据重选路由的类型可以分为基于通路( o c h ) 的通路保护恢复和基于链路 ( o m s ) 的链路保护恢复。常用的网状光网络生存性技术如图2 5 所示。 图2 5 常用网状光网络生存性技术 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 ) 基于通路保护恢复 通路保护恢复的粒度是单独的光通路或者说是光波长为单位进行保护恢复。在 通路保护中，每条光路在建立时就已经预设了一条端到端的备用通路并预留了备用资 源。发生故障时，倒换过程只涉及源、目的节点，与中间节点无关，如图2 6 ( a ) 所示。 通路保护又可分为专用通路保护( 空闲资源为某条工作通路专用) 和共享通路保护( 空 闲资源能同时为多条工作通路提供保护) 。专用保护通常是指1 + 1 和1 ：1 通路保护。 共享保护是指i ：n 保护方式。 ( a ) 通道保护 ( b ) 链路保护 图2 6 通路保护和链路保护机制 基于通路的生存性机制又分为故障有关和故障无关两种情况。故障无关即不依赖 于故障的预先计算路由方案是当中比较实用的。不依赖于故障的恢复方案是基于不相 交通路的思想，边不相交通路保护【1 3 】是基于通路保护方案的特例，要求保护通路与工 作通路除了源节点和目的节点外，不能有相同的节点和链路，也有专用和共享两种模 式。采用专用模式时，保护通路和工作通路同时建立，当工作通路出现故障时，保护 切换操作只在连接的源和目的节点进行，速度较快，但需要更多保护资源。采用共享 模式时，保护通路在工作通路正常时并未建立，无相同链路和节点的工作通路之间可 以共享保护通路资源，与专用模式相比，共享模式更能有效地利用资源，但在工作通 路故障建立保护通路时，需要保护通路上的所有节点参与操作，因而恢复速度较慢。 通路恢复：是在网络发生失效后，实时寻找端到端的备用路由和可用的空闲资源 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 来恢复受到影响的业务。 2 ) 基于链路的保护恢复 链路保护恢复的粒度是若干复用在一根光纤中的所有波长。工作光路经过的链 路附近设置备用路由并同时预留相应的备用波长。发生故障时，使用它的所有工作光 路直接在此链路附近寻找备用路由和备用波长，绕过失效部分而无需源一目的节点参 与，工作光路上未失效的部分则保持原状，如图2 6 ( b ) 所示。链路保护也分为专用方 式和共享方式。基于链路的保护有多种方法，其中p 圈保护是较常见和有效的保护 技术。 p 圈保护【1 4 】即是预置保护圈的意思，它的形状是一个闭合的圈形保护路径通路。 p 圈的保护倒换时间和环接近，这是因为只要与故障链路相关的两个节点执行保护倒 换动作即可。p 圈能够保护的链路有圈上链路和跨接链路。图2 7 给出了一个网状网 中的p 圈例子。图2 7 ( a ) 所示为p 圈网络，在图2 7 ( b ) 中所示的是当圈上链路出现故 障时，其保护方法和b l s t 、u p s r 等简单环所执行的动作一样。图2 7 ( c ) 和( d ) 给出 的是跨接故障链路的恢复。可以看出，图2 7 ( c ) 和( d ) 所示的情况其故障恢复更有保障， 因为对于该类故障每个p 圈有两条恢复路由。传统的环网为每个单元的环网保护资 源最多只提供了一条恢复路由，而且环网只保护同一环内区域的故障，不保护环外的 区域的故障。对于相同的备用资源，从保护的资源的效果来看，p 环要比简单环好很 多。p 圈的出现为在格状网中实现快速的故障恢复提供了有效的手段。 链路恢复：链路失效时，该链路的端节点按照一定的寻路原则为经过该链路的所 有光路寻找备用路由和备用波长以避开该失效链路。如果没有找到合适的备用路由和 备用波长的连接将被丢弃。 ( a ) p - 圈示例 ( b ) 圈上链路故障保护 ( c ) 跨接链路故障保护( d ) 跨接链路故障保护 图2 7p 一圈示例 1 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 3 5o t n 对于o t n 的保护【1 5 1 ，i t u t 在( 3 ：8 7 3 1 和g 8 7 3 2 中分别定义了o d u ks n c p 线性保护和o d u k 环形保护。 ( 1