（计算机应用技术专业论文）基于移动代理的ipv6网络故障自愈技术的研究.pdf

论文题目：基于移动代理的i p v 6 网络故障自愈技术的研究 嘉士兰：萎莱銎应用技术 。签名，- 乙址 硕士生：张小红( 签名) 1 z 丝! ：l 二 指导教师：龚尚福( 签名) 摘要 现代社会学习、工作与生活的各方面越来越依赖于通信网络，特别是通信网络的可 靠运行。因此，网络故障的检测、定位与恢复问题显得更加紧迫和突出。尤其是现有网 络地址面临枯竭，n 6 以其丰富的地址资源和高安全性，代替i p v 4 势在必行。本文在 分析与探讨网络故障自愈的研究现状与一般机理的基础上，重点结合i p v 6 网络的标准 和特点，针对i p v 6 网络故障自愈技术进行了研究。 本文提出了基于移动代理方式进行网络故障恢复的方法。传统的分布式网络故障管 理模式都是通过远程调用或消息传递等方式实现跨平台操作。这种方式适合比较稳定的 网络环境和数据传输量不太大的应用场合。当网络出现故障时，计算过程中大量的中间 结果需要在网络中传输，分布式网络自愈方式无疑更增加了网络负担。基于这种情况， 本文提出了基于移动代理网络故障自愈方式。移动代理通过服务请求，动态的移动到服 务端执行，较少依赖网络传输这一中间环节而直接面对要访问的服务端资源，从而避免 了大量数据的网络传输。由用户创建的移动a g e n t 可以采用异步方式在不同节点上运行， 待任务完成后，还可以自动迁移，将结果传送给用户 在移动代理思想基础上，本文提出了基于移动代理的i p v 6 网络自愈算法预先 配置可选路径自愈算法。该算法利用网络节点的先验网络拓扑知识和在恢复中积累的网 络状态信息进行路径选择。在网络故障发生前，由移动代理计算出可用路由集合并予以 存储，当故障发生后，通过简单路由选择算法一次性得到满足容量要求的恢复路径使得 故障迅速得到定位，避免了传统算法的多次消息广播过程，大大缩短了故障自愈的恢复 时间，提高了网络运行的可靠性在i p v 6 的网络环境下，我们对预先配置可用路径集 选择恢复算法进行了仿真，并进行了性能分析，得到了初期预想的结论。 在论文的最后对课题分析设计中所做工作进行了总结，并提出了进一步深入研究的 展望。 关键词：网络故障；故障自愈；移动代理；i p v 6 ；路径选择；重路由 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ni p v 6n e t w o r k s e l f - h e a l i n gt e c h n o l o g yb a s e do n m o b i l ea g e n t s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：z h a n gx i a o h o n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：g o n gs h a n g f u a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) i ni n f o r m a t i o na g e ，t h ew o r k i n g , s t u d y i n ga n dl i f eo fh u m a nh a v e b e e nh e a v i l y d e p e n d e do nr e l i a b l eo p e i a f i o l lo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nw o r k , s t u d ya n d ，e s p e c i a l l yo n c o n t i n u o u so p e r a t i o no fi t t h e r e f o r e , t h ed e t e 甜o na n dh e a l i n go fn e t w o r kf a u l th a sb e e n e x p l o i t e da n db e c o m em o l eu r g e n t e s p a c i a l l y , i ti si nt h ec h a p t 髓o fp o s s i b i l i t i e st h a ti p v 6 w i t ha b t m d a n ta d d r e s s e ss u b t i t u d e s 洲w i t ha d d r e s se x h a u s t e da n dr o u t et a b l ee x p a n d e d i n t h i sp a p e r , as t u d yo fs e v e r a li m p o r t a n tp r o b l e m si nt h i sa r e ai sc o n d u c t e d , s u c h 勰t h e b a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r ks u r v i v a b i l i t y , e s p e c i a l l y j o i n e dt h es t a n d a r da n d c h a r a c t e r i s t i co f i p v 6n e t w o k , d i s t r i b u t e ds e l f - h e a l i n gt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r 工n 删m o d eo fn e t w o r kf a u l th e a l i n gb a s e do nm o b i l ea g e n ti sp r o p o s e d t r a d i t i o n a l d i s t r i b u t e dn e t w o r km 锄壕掣坦i 锄m o d eo f t c nr e a l i a z c st h eo p e r a t i o n sb 婀v 。e 虹 d i f f e r e n tp l a t f o r m st h r o u 曲r p co rm e s s a g ep a s s i n g , w h i c hi sf i tf o rt h es t a b l ec o n d i t i o na n d u n - o v e r s i z e t r a n s p o r td a t a a st h ef a u l th a l d p e n s , am a s so f t h em i d d l er e s u l tw h i c hc o m e6 d m t h et r a d i t i o n a ld i s l r i b u t e dn e t w o r ks e t f - h e a l m gm o d ew i l lb et r a n s p o r t e di nt h ew h o l en e t w o r k , w h i c hw i l la d dt h en e t w o r k t r a n s p o r t a t i o nb u r d e n t h e r e f o r e , t h eb a s e do nm a n e t w o r kf a u l t s e l f - h e a l i n g m o d ei s p r o p o s e d m a nm o v ed y n a m i c t ot h es i ，e rt oe x e c u t e i n d e p e n d e n t l ya f t e r9 翻懈r e q u e s t e d , w h i c h 伽c o n f i o n tt h es e r v e rp y s o m t ? a 络d i r e c t l yl e s s l y i n g o nt h em a s sd a t an 疆i s l p 0 咖m ac r e a t e db yu s 盯c a nr m lo nt h ed i f f e r e n tn o d e a s y n c 蚴6 n i 蛐g t h ed u t y , t r a n s m i tt h er e s u l tt 0u s e rw i t ha u t o m a t i ct r a n s f e r e n c e b a s e do nm ai d e o l o g y , t h es d f - h c a l i n ga l g o r i t h mi sr e s e a r c h e dn a m e dt h e p - d e p l o y i n gp a t hc h o o s i n ga l g o r i t h m b yu s i n gt h eap r i o r ik n o w l e d g eo f n e t w o r kt o p o l o g yi n n o d e sa n dt h es t a t u si n f o r m a t i o nc u m u l a t e di nt h en 珞t 0 a 6 p r o c e s s i n g 觚r o u t e rp a t hi s c h o o s e d b e f o r et h ef a u l th a p p 咖面咖p a t hs e te o m p m e db ym a , t h e nb yi n t r o d u c i n ga s i m p l er o u t es e l e c t i n ga l g o r i t h mi nc h o o s e r , ac a p a c i t y - c o n s i s t e n tr e s t o r a t i o np a t hs e ti no n e f l o o d i n gw a v ea n db eo b t a i n e d , t h u sh i d i n gt h em u l t i p l ef l o o d i n gw a v e si nc o n v e n t i o n a l g o r i t h m s a n dt h e n ，t h en e wa l g o r i i l m l sp e r f o n n a n c ei ss t r y p p e d - d o w ni ni p v 6b a s e do n m aa n da n a l y z e d a st h ee n do ft h i sp a p e r , t h ew h o l ed e s i g nw o r ki ss u m m i z e d ，a n dt h en e x ts t e pw o r ki s d e s c r i b e d k e yw o r d s ：n e t w o r kf a u l ts e l f - h e a l i n g m o b i l ea g e n t 似a )i p v 6 西姜拜技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、 学位论文作者签名：仔莎。- 二日期：。k 卸6 码；口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名： 。卿年f 月印日 口 ，f、 1 绪论 l 绪论 1 1 选题背景 现代社会生活的各个方面都越来越依赖于通信网络，特别是骨干通信网络的可靠运 行。事实上，电信的所有服务、逻辑网络，包括i n t e l n e t ，都共享数目相对较少的骨干 光纤传送网络。北美地区骨干光纤遭受破坏的频率比人们预想的要高很多，经济损失也 很大。在中国，也时有国家骨干光纤遭受破坏的报道。2 0 0 1 年2 月和3 月份，中国与美 国之间的海缆相继发生阻断，对中国及东南亚通信造成严重影响。2 0 0 2 年4 月2 3 日8 时3 3 分，国家一级干线沪闽光缆上海至杭州段、省际二级干线杭嘉苏光缆杭州至临平 中继段以及一条杭州本地光缆，在杭州市上塘路省人民医院门口处，因管道施工人员野 蛮施工而损坏，据初步估算，事故造成数千万元的经济损失。 目前正在发展的通信网络具有以下特点： ( 1 ) 传输线路的速率越来越高。光纤通信的诞生成为通信史上的一次重要的革命， 它极大地增加了传输带宽。近年来由于w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t l p l e x i n g ，波分 复用) 技术的发展大大提高了技术能用相对简单的技术充分挖掘光纤的可用带宽，且成 本比较低廉，因此得到了迅猛的发展。目前已可实现了在单纤中同时传输上百个信道， 单信道的传输速率达4 0 g b i t s 的系统，使系统可获得1 0 t b i t s 量级的总传输容量。总传 输容量达数百g b i t s 的商用系统也已开通运行i 闻l 】。 ( 2 ) 通信网既要满足不断增长的服务质量( q o s q 1 l a l 畸o f s e r 、，i ) 要求，又要提 供日益多样化的业务。 ( 3 ) 存在很多不可避免的使网络失效的因素：网络硬件设施本身的缺陷；先进 的控制软件在带给网络智能操作的同时，也给系统埋下了故障的隐患。特别是大型软件 正确性测试的不可能性，使这种情况无法避免。另外，众多的设备使用相同的开发平台、 相同的芯片和器件以及相同的软件开发环境，使得网络还有可能出现大面积故障；自 然和人为的因素。如：暴风雪、台风、地震、火灾、洪水、传输线路被挖掘等可导致的 光( 电) 缆断裂和电信局、所的瘫痪。 因此，现代通信在网络意外故障或失效情况下( 传输线路的切断，节点的失效以及 一些软故障) ，应用各种恢复技术，使网络仍能维持或恢复到可接受的性能指标的能力。 现代传输网络理论也将网络是否具有良好的生存能力作为网络是否成功的重要评判指 标 从用户角度来看，网络故障的直接表现为网络不同或网速过慢。产生网络故障的原 因很多，其表现也很多样，因此，网络故障定义也较多： 西安科技大学硕士学位论文 定义一：当某台网络设备使用任何方法都不能与其连接的后续设备通信时，为连接 不通，造成网络分割。 定义二：当网络中的两个或多个工作站连接不通，但第三方可以连通，成为相对连 接不通； 定义三：当网络工作站之间通信速度缓慢、效率低下时，为连接性能故障。 参考o s i 标准，因为产生网络故障的原因可能分布在任意一层，我们对网络故障按 照5 个层次进行划分l l 】： 物理层故障：线路不通( 断裂) 、接口卡损坏、线路干扰过大、e t h e m e t 网线过长、 线路介质错误使用等等。 数据链路层故障：接口协议绑定错误、接口速率设置不匹配等； 网络层故障：路由表未激活、路由表中丢失路由、网络口地址及掩码不正确等； 传输层故障：过滤限制了传输连接等； 应用层故障：应用服务为开启、应用层协议匹配不合理、过滤表现之应用连接等； 网络设备不能正常工作的原因可能是上述任何一层的故障所引起的，而且低层故障 可能引发高层的故障。当然，很多公司已经开发了网络管理系统，并且现在的网络通信 设备在一定程度上也具有故障修复功能。然而，物理层的网络故障往往是突发的，很难 用软件进行修复，而造成的经济损失也是最大的。针对于这种情况，本文对物理层的故 障进行网络自愈技术进行探讨与研究。 网络故障自愈是指网络在发生故障时，无需人为干预即可在极短的时间内从故障的 “不可见中”自动恢复受影响的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。其基本原理就是 使网络具备发现替代传送路由并重新确立通信的能力 网络故障自愈在网络管理中的位置，如图1 1 所示。 图1 1自愈功能在网络管理中的位置 一方面，网络自愈可归结为故障管理，故障管理功能的首要任务是尽快恢复受影响 的业务；其次是对故障源进行定位、诊断并及时有效的修复最小的失效网络部件；最后 应对故障处理工作的效率指标进行收集和分析，如业务中断时间、维修费用、备用资源 2 1 绪论 配置是否经济合理，等等。另一方面自愈功能被缉获的条件并非局限于网络中出现了故 障，但网络提供业务的质量( 如误码率、分组或信元丢失率等性能指标) 滑落到一定程 度时，网络应采取预防性保护措施，利用自愈功能避免可能发生的故障。所以，自愈又 可以看作性能管理的一部分。 1 2 网络故障自愈技术现状 国际电信联盟( i t u - - i n t e m a f i o n a l t e l e c o m m u n i c a f i o n u n i t ) 正在积极开展这方面的 工作，已制定了有关同步数字系列( s d h - - s y n c h r o n o u s d i g i t a l h 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( 1 8 4 2 。并在开展对自动交换光网络( a s o n - - a r c h i t c c t u r ef o r t h e a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a l n e t w o r k ) 标准化的同时，对光传输网( o t n - - o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ) 的恢复进行研究和标准化。 美国、欧洲、日本的电信公司和大学的研究机构也正致力于这方面的研究。隶属于 欧洲高级通信技术和业务( a c t s ：a d v a n c ed 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 ) 项目组提出了多层网络恢复模 型 n e d e r 9 5 。美国n s f ( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 资助的抗毁广域分组网络的设计 和业务恢复( n e t w o r kd e s i g n a n dt r a 伍cr e c o v e r yp t o c , c d l l r e $ f o rs u r v i v a b l ew i d ea r e a p a c k e tn e t w o r k s ) 项目侧重在抗毁网络的拓扑设计模型和算法、网络恢复策略及其管理 两个方面进行研究 就国内而言，专门研究网络故障自愈的文献较少，大部分是就网络故障管理方面的。 国内有些人员队等电信网络故障管理设计了系统1 2 1 1 2 1 1 1 6 】闭，提出了一些网络管理方法。 文献【3 】【1 8 】就m p l s 网络的故障自愈方面提出了利用预先配置的方法进行重路由选择。 文献【4 】就s d h 网络的网络故障自愈进行了较浅显的阐述，主要就s d h 自愈环进行研究； 而专门对i p v 6 网络环境中的网络故障自愈到目前为止还没有相关文献，这也是本论文 在写作过程中的最大障碍之一 文献【5 】就新型的网络管理方式进行了介绍，基于移动代理网络管理可应用于网络性 能管理和q o s 管理，并且可应用于网络故障自愈方面，因此，本文作为尝试，进行研究 基于移动代理的网络故障自愈技术。有些文献等对移动代理系统、移动代理在网络管理 中的应用以及在网络拥塞等方面的应用作了大量工作婀【1 6 1 1 3 6 1 1 4 9 1 大多数研究者主要对网络自愈算法进行了探讨。文献阴提出了基于跨段故障的分布 式恢复算法，该算法按业务粒度进行恢复路由的寻径，使用f l o o d i n g 技术进行控制消息 的广播。这种方法传输的控制消息量很大，容易造成消息的排队延迟。文献【8 】在文献叨 的基础上提出了一种改进方法，其主要的改进在于广播消息的选择性扩散，减少网络中 消息的传送量。其次还使一条恢复路由可恢复多个受损业务通路。在改进算法中，当 c h o o s e r 收到恢复消息后，不是立即发送确认消息，而是等待一个时间间隔，然后在收 西安科技大学硕士学位论文 到的消息中选择容量最大、路径最短的消息进行确认s e n d e r 节点需要进行超时设置。 文献【2 0 】提出了一种可对多链路故障和节点故障进行处理的算法，它与以前的算法的不 同之处在于：每个节点保存通过本地的业务的上游两跳节点的信息，而不只是其相邻节 点的信息。这种方式在恢复消息中携带多个目标地址。为实现多目的地恢复，需要路径 检测机制，在通路开销中增加两个节点标识的空间，在通路建立时通过的各节点，节点 用自己的标识替代其前驱的前驱的标识。基于通路的恢复可参考【9 】。目前关于分布式算 法的研究工作主要集中于：如何开发能够接近最佳资源利用率的分布式恢复算法，以及 如何结合w d m 网络的特性开发具有快速恢复能力和较高资源利用率的算法。 1 3 本文研究内容及章节安排 为了缩短恢复时问，提高恢复效率，适应下一代网络管理的要求，本文主要针对i p v 6 网络环境下的网络自愈技术进行研究。根据i p v 4 和i p v 6 两种协议的不同，分析f l v 6 协议的技术特点，包括i p v 6 的包头结构、扩展头和地址结构以及路由机制。研究内容 是如何在i p v 6 网络自愈中应用移动代理技术，并且选择更优的路由算法，最大限度的 减少恢复时间，降低网络故障造成的业务损失。具体工作主要包括以下两部分： 第一，在网络自愈中应用移动代理技术 分析网络管理与自愈的特点，给出一种适合网络故障管理的移动代理模型。设计其 模型的体系结构并加以实现。 第二，选择并研究更优的路由算法 对于网络中的线路故障，可以采用倒换的方法进行业务恢复，但是无形中增加了网 络建设开支。我们一般采用的都是重路由机制。在洪泛算法的基础上进行了改进，采用 一种启发式路由方法预先配置路径自愈算法，并进行模拟实现，并与其他算法进行 比较，给出相关结论。 为完成上述工作，本文章节安捧如下： 第一章，绪论。 第二章，对分布式网络自愈策略与模型进行了研究与分析。 第三章，对i p v 6 协议进行了了解，并且就其路由协议进行了分析 第四章，提出了移动代理机制在网络故障自愈中的应用，并设计了基于移动代理的 网络故障自愈系统模型。 第五章，设计了m v 6 网络故障自愈重路由算法，并进行了仿真试验。 第六章，结论与展望。 4 2 网络自愈策略与模型研究 2 网络自愈策略与模型研究 网络的自愈机制是提高网络可靠性尤其是存活性的主要手段之一。为了进行网络故 障自愈，通信网络必须具备具有恢复故障的三个条件； ( 1 ) 网络的拓扑必须具有可存活性。这决定了它在单个或多线路以及设备出现故障 时所具有的可能恢复能力。例如，网络要具有抗击单跨段( 线路) 故障的能力，网络在 物理上必须具有2 联通以上的拓扑结构。 ( 2 ) 网络还应该具备必要的操作条件。为了确保重要的信息在网络线路或设备出现 故障时不致丢失，网络必须拥有冗余资源。 ( 3 ) 同时还应具有相应的操作手段。通信业务的一个重要特性是恢复得越快，丢失 的数据越少，损失越小。因此，网络需要有快速的故障检测、识别、定位及业务恢复的 技术与手段。 为了迅速有效地对故障作出反应，大规模光纤网络必须具备有效的自愈( s e l f - h e a l i n g ) 制机。即在网络发生故障时，无需人为干预就能自动而迅速地提供替代路由，重新配置 业务，恢复通信。自愈机制的实现需要备用设备和线路容量，这涉及到增加网络的建设 成本另一方面，对自愈机制存在速度和容量的要求。成本和要求之间往往存在矛盾， 一个好的自愈方案就是在成本和要求之间获得最佳折衷的方案。 2 1 网络自愈策略研究 。 网络故障自愈中通常采用的两种策略是：保护倒换策略和重路由恢复策略( 包括预 先路由设定技术和重路由技术) 。 保护倒换策略主要是在原有工作线路不变的情况下，在相关网络节点间增加备用保 护线路，一旦网络出现故障，由工作线路迅速切换到备用线路上。用冗余资源来换取较 短的恢复时间。 在重路由恢复策略中，备用通路并未预先配置好，而是网络设备在检测到故障后， 动态地在网络中寻找可用资源，来建立恢复通路，如果能够建立恢复通路，则对受损业 务进行恢复，否则将其阻塞。 网络自愈的实现要靠具体的保护和恢复措施，使受损的业务得以重新运行，两者都 需要重新选择路由来代替故障路由。具体实施方式又有不同，保护借助于预先设定的网 络资源( 如光纤、波长或光开关等) 来实现故障业务重新传送，后者则是在故障发生时 才动态地从网络中寻找空闲资源来传送故障业务。保护机制最大的优点是业务中断时间 短，缺点是需要网络预留较多的冗余资源，资源利用率低。恢复机制则可以在原有的网 络资源基础上，不需改变网络拓扑结构，也无须增加新的投入 西安科技大学硕士学位论文 相比之下，保护策略速度更快，而动态恢复策略具有更高的资源利用率。 1 保护策略研究与分析 保护倒换策略，即在故障发生之前，网络在进行工作通路分配的同时，对备用通路 进行配置。当故障发生时，受损跨段的端节点通过简单的信令交互就可以完成倒换，而 通路的中间节点不再需要进行交叉连接。这种方式恢复速度很快。 在保护倒换策略中，预先备用资源配置方式可分为共享型和专用型。专用型方式备 用资源利用率低，而共享型方式则相反，备用资源利用率高，但需要专门的信令协议来 完成保护倒换，实现比专用型略显复杂。两者的保护速度都能做到在m s 级完成恢复。 在这种方法中，一般都采用将备用资源按环网进行配置。扩展性能和备用资源利用率较 低。考虑骨干通信网络下层的物理网络结构为：每条边( 跨段) 都包括2 根或4 根光纤。 在4 纤网络系统中，一对光纤作为主用光纤，承载业务信号，另一对光纤作为备用光纤， 用于故障保护。每条光纤的带宽被划分为若干的通道，通道的总数称为光纤的容量。假 设相邻光纤中通道可以进行任意交换，在w d m 网络中，就意味着可以进行全波长变换。 保护倒换策略的优点是恢复时间短。因为在故障发生前预先建立恢复路径，那么一 旦检测到故障，负责在工作路径和保护路径之间倒换的p s l ( p a t hs w i t c h i n gl s r ) 保护倒换策略的缺点是在没有故障发生时不能有效地利用备用路径上的资源，而且 需要节点预先计算并存储有关整个网络拓扑以及网络流量区别情况的数据 7 1 。 2 重路由恢复策略研究与分析 为了提高正常情况下的资源利用率，i e t f 还提出了重路由策略。重路由策略是在 原有网络资源与网络拓扑的不改变的基础上，在源端使用相关的重路由算法，修改路由 表信息( m m ) ，在源端到宿端进行重路由，完成网络故障恢复。 重路由策略是在故障发生后建立恢复l s p 而不是与工作l s p 同时建立。当l s p 收 到故障通知消息后，如果下游l s p 保留了q o s 路由信息，则可以选择合适的恢复路径 并建立恢复l s p 。如果下游l s p 没有路由信息，下游l s p 通过向上游l s p 泛洪”发送通 知消息来寻找恢复路径，该机制与 n i 相似 在恢复路由的设置上，重路由机制可以分成两类：预定路由自愈技术和动态搜索路 由自愈技术。 预定路由自愈技术，或称为“准合格”( p r e - q a u l i f i e d ) 恢复、预先规划。它是在故障 发生前指定了恢复路径，从而节省了故障发生后的路径选择时间。它并不为恢复路径预 留资源，并且能减少故障发生后的路径选择时间，因此，“准合格”恢复的总恢复时问要 小于基于请求的恢复方法； 动态搜索路由自愈技术，即基于请求的恢复，即动态搜索来确定重路由的路径。它 是在故障发生后选择一个优化的通路并建立恢复路径，不需要预先计算，并且可以计算 出一条优化的路径，对于网络资源的利用和业务量均衡更具优势。 6 2 网络自愈策略与模型研究 一般来说，重路由恢复机制适应性较强，但建立新的备份路径要依据故障的位置、 路由策略以及当前的网络拓扑结构，恢复时需要进行比较多的消息交换，比保护倒换机 制恢复时间长。 现有重路由恢复机制种的重路由计算方法主要有三种，即集中式计算方式、分布式 计算方式和混合式计算方式。 ( 1 ) 集中式计算方式。其特点是控制中心在了解网络全局拓扑的情况下进行计算， 可以获得更优的结果。但这种方式需要网络节点在故障情况下有可靠的数据传输通路同 中心控制节点相连，以便将网络的变化传送到中心，并获得中心的恢复命令。集中计算 方式的关键在于开发具有更好响应时间、更高资源利用率的算法，以合理分配网络带宽。 对于单纯的完全集中控制，网络发生故障后，中心控制节点开始进行实时的计算或在预 先计算好的恢复路由表中进行查找，然后将新的路由控制信息下载到各相关节点，最终 实现恢复。这种方式一般来说速度不能满足应用的要求，在如何使中心控制节点准确地 反映网络，特别是大型网络当前状态方面也存在很多困难。 ( 2 ) 分布式计算方式。其特点是当网络发生故障时，恢复算法在网络中各节点运行， 动态地在网络的共享备用资源中寻找备用路由其研究的重点在于：如何设计恢复算法 中恢复消息的扩散方式和备用路由选用的策略。与前一种方式相比，该方式可以获得更 高的恢复速度，但由于计算节点缺少全局信息，往往不能获得最优的资源利用效率。与 前一种相比，集中计算侧重在资源利用率上，而分布式计算侧重在恢复的时效上嗍。 ( 3 ) 混合方式。将以上两种方式加以综合，以期达到速度和资源利用的最优结果。 其具体实施方案是对网络的备用路由进行集 中计算，然后将路由信息下载到各网络节点进 行分布式的恢复控制。这种方式的一个弱点 是，如果网络规模很大，所考虑的故障种类很 多，那么在各节点上所需存储的恢复路由表将 变得非常庞大 3 网络故障自愈过程分析 按照a n s i t i 关于网络生存性性能的技 术报告，网络的故障恢复包括两方面的处理过 程：恢复和修复，具体步骤见图2 1 ，对于每 个步骤都可选择不同的实现技术，具体解释如 下。 ( 1 ) 检测：网络检测到故障的发生。 ( 2 ) 故障指示：在集中控制情况下，网络 设备检测到故障并将故障报告到集中控制系 7 图2 1 网络故障恢复基本过程 西安科技失擘硕士学位论文 统。网络发生故障后，将产生不同种类的告警信息，这些信息报告到集中控制器后必须 进行分析，然后对故障进行定位，比如：判断哪里的传输通道发生了故障。在分布式控 制情况下，节点设备要监视通过本地的通道性能指标，并对故障进行分析。 ( 3 ) 修复和恢复：在完成故障指示后，这两个步骤将并行处理；通过人工方式对故 障部件进行更换或修复排除故障，通过恢复算法对受损业务进行重路由不中断业务。 修复( r e p a i r ) 过程 一 故障隔离：确定网络故障位置( 线路故障位置，出现故障的设备单元在哪个机架、 哪个子架、哪个单盘上) 。 故障修复：通过人工方式，对故障部件进行更换或修复，使网络在物理上回复到故 障前的状态。 恢复( r c r o u t i n g ) 过程 故障识别：确定故障类型。 备用路由选择：对受损业务进行替换路由的选择计算。 倒换恢复：将受损业务恢复到备用路由上 ( 4 ) 返回正常状态：网络检测到故障已经排除并重新返回到正常状态。此过程可能 涉及到网络资源的重新优化。 2 2 保护策略中的自愈模型分析 目前，在保护策略中有两种故障自愈体系模型，即自动保护切换( a p s ) 模型和自愈 环( s h r ) 模型。 2 2 1 点对点自动切换模型 a p s 通过向备用系统切换来恢复业务。自动保护切换技术可以按备用系统和工作系 统的比例分为l ：la p s 、l ：na p s 等几种，也可以根据备用系统在正常状况下是否用 来传送业务而分成l ：1 a p s 和1 + 1 a p s 下面将对上述各种保护切换中较典型的几种进行简要分析 1 1 + 1 a p s 型保护方式 1 + 1a p s 型保护方式中，保护线路能够在故障发生时承载与工作路径具有相同的 q o s 保证的业务，但是不允许在没有故障发生时承载其它的业务。这就造成了资源的极 大浪费 如图2 2 所示，在头端的信号，永久性的桥接在工作通路和保护通路上。保护切换 由尾端用选择器，根据两路信号质量进行选择，择优取用。从而省去了信令的反馈过程， 所以该方案能实现无冲击( h i f l e s s ) 的保护切换。 2 网络自愈策略与模型研究 拟 图2 2 1 + 1a p s 型保护系统工作原理 不过，事物总是两面的，虽然此方案可以无冲击的保护切换，但由于其工作通路和 保护同时是固定配对的，所以成本相对较高。并且一对通路如果同时失效的话，尽管与 此同时在网络的其他部分存在着现成的保护通路，由于该方案的局限性，它们也不能被 用来共享保护。 2 1 ：n a p s 型保护方式与l ：n a p s 】卯型保护方式 为了解决资源大量浪费的问题，我们可以擦爱用多条工作线路共用一条保护路径的 方式。 如图2 3 所示，它是一种最简单、最常见的自动保护切换系统，在这种结构中，n 个工作光纤传输系统共享一个保护传输系统，所以它可以对付单个光纤系统的失效。目 前该保护技术已经标准化，通过段开销s o h 中的k 1 和k 2 字节的嵌入式信令通路来完 成自动切换的功能。该方式速度快，通常能在5 0 毫秒内完成切换。 图2 3i ：n a p s 自动切换系统工作原理 在l ：n 中，被保护业务在正常情况下由工作路径承载，故障发生时就被倒换到备 份路径上。然而，由于允许备份路径在没有故障时承载低优先级的业务，只有故障发生， 低优先级的业务的资源才被抢占和代替。因此，1 ：n 的网络资源利用率要比1 + 1 高。 但是，当多系统同时失效，或保护光纤与工作光纤同时被切断的时候，i ：na p s 自 动切换系统就爱莫能助了。 9 西安科技大学硕士学位论文 针对上面提到的问题，人们提出了一种改良方案，即l ：na p s d r p 方案。在这 种系统中，备用系统必须选取不同的路由，即异径保护( d i 冲) 。在d r p 中，保护线路 与工作系统的光纤“地理”上是分开埋设，不与被保护的服务线路在一起。因此，避免了 保护系统与工作系统同时失效的情况。 3 1 ：n 编码型保护 为了降低成本，同时又达到无冲击的保护效果，e n d e r a y a n o g l u 等人基于分散编码 技术，提出了l ：n 分散编码无冲击保护方案。但其前提是系统所传送的信号必须是二 进制的嗍。 j 假设由n 条工作通路，第j 条通路上所传送的是信息位由( 1 匀s n ) 。另外，再设置 一条保护线路，其上传送的是所有信息位的校验和d ，即： d = d lo ( 1 2 0 e d n ( 2 1 ) 发送端将信息通路和校验通路一起传送至接收端。当第i 条通路实效时，接收端监 测到失效，并由剩下的所有工作通路与检测同路的信息位，经模二和得到第i 条通路的 已经中断的信息，从而达到恢复第i 条通路实效的目的。该系统只要一条保护线路就可 以使整个系统中单线路失效得以恢复，并且达到了无冲击保护的效果。 2 2 2 自愈环 随着网元设备，如分插复用器( a d m ) 和数字差连接设备( d c s ) 的应用，在传输 网中出现了自愈环。自愈环大大提高的网络的生存性，网络能自动检测到故障，并能在 极短的时间内恢复承载的业务，用户通常感觉不到网络的故障发生唧。 s h r 的结构有很多种。从保护层次上，可分为线路保护切换( l i n e p r o t e c t i o n s w i t c h e d s h r ) 和路径保护切换( p a t hp r o t e c t i o ns w i t c h e ds h r ) 两种。前者利用s d h 的复用段 开销( s o h ) 中的k l 和k 2 字节来传送故障消息并触发切换动作。其切换动作只在线 路层进行，对路径层则是透明的。当光缆切断时，是故障两端的节点分别执行回环操作， 把工作光纤的业务回环到保护光纤上。路径保护切换使用路径层开销p o h 来传送故障 消息，并触发端到端保护切换，不同路径的切换是相互独立的。 在自愈环中，分插复用器将利用线路切换和环回两个功能来恢复业务。线路切换只 当工作光线环路中的一段出现故障后，业务就被切换到保护光纤环路中；环回只当光缆 失效后，此时保护光纤和工作光线一起被中断，断点的两个节点把工作光纤上的业务沿 反方向桥接到保护光纤上。 1 路由保护自愈环 路由保护采用主备份路由，越就要求光纤在地理上分开铺设，成本高，只能对传输 链路进行保护，而不能对网络节点进行保护，所以只适用于大业务量的点到点保护。 2 二纤环 2 网络自愈策略与模型研究 ( 1 ) 二纤单项环 如图2 4 所示，由s 光纤、p 光线和分插复用器a d m 构成。s 光纤传送业务信号， p 光纤用于传送保护信号，两根光纤刚向相反。正常情况下以s 光纤的信号为主信号。 假设图中b 、c 两点间的两根光纤中断，经s 从b 到c 的信号丢失，于是在节点b 处， 将s 的信号切换到p 上，重新构成一个变形的环 在这种自愈环中，保护光纤可以按照1 ：l 和1 + 1 这种方式对工作光线进行保护。l ： l 二纤单向自愈环拥有一个独立的保护环网。正常情况下，它可以携带级别较低的业务； 当工作环路出现故障时，其上的低级业务让路，自愈环通过“环回”操作将中段的业务从 工作换切换到保护环。而对于1 + 1 二纤单向自愈环来说，在“头端”业务总被同时桥接送 入工作光线和保护光纤，接收端在通过比较后，选择质量好的信号作为主信号。 ( a ) 正常情况( ”线路故障时 图2 4 二纤单向环 ( 2 ) 二纤双向环 二纤双向环的结构和单向环相同，只是在光线上以时分复用的方式传送两路业务信 号s i ，s 2 ，以及对应的保护信号p l ，p 2 。 如图2 5 所示，s l ，s 2 分别传送两个相反的信号，如s l 传送a - b 信号，s 2 传送 ( a ) 正常情况( b ) 线路故障时 图2 5 二纤双向环 b a 信号。双向环由于采用时分复用技术，因此控制相对复杂。网络业务量越大，上 下路信息越频繁，网络节点数就越多，网络规划就越困难。 西安科技大学硕士学位论文 2 3 恢复策略中的自愈模型分析 在恢复策略中，重路由恢复的方式就是在原有网络拓扑结构和节点不改变的情况 下，进行备用路由的确定，重新路由。相对于保护策略来说，不仅可以处理单网元失效， 还可对多网元失效进行恢复。 常见的恢复策略自愈模型中主要应用网状自愈网技术。 2 3 1 网状自愈网 恢复机制有线路恢复和路径恢复两种之分【l o l 。线路恢复是假定两节点a ，b 之间线 路失效，要恢复其上的业务是指在一定的约束条件下找到一个恢复路径集合，使得恢复 路径数等于失效线路上的工作链路数或尽可能多。路径恢复是指顺次恢复被中断的路 径。前者恢复速度快，后者空闲容量利用率较高。文献【9 】对此进行了详细的比较，所得 结论认为在高连接度( d 3 ) 或者业务分布不均的网络中，路经恢复带来的容量利用率 增益不是特别明显，同时考虑到其分布式实现的特性，所以在大多数场合尤其是规模较 大的网络，采用前者较为合适【1 1 l 。所以本文主要考虑的是线路恢复技术。 网状自愈网不仅可以恢复单网元失效，还能够恢复多网元失效，并且还方便升级与 扩容。这些优点主要归功于数字交叉连接设备( d c s ) 。因为d c s 具有强大的业务疏导、 业务归并、业务配置、带宽管理、网络监控级网络重配等功甜埘，并且方便接入新设备 和新业务，还能有效的支持广播和虚拟网络等业务，尤其是它具有网络故障恢复功能。 1 工作原理 如图2 6 所示，在网络的各节点a 、b 、c 、d 、e 处，都配有d c s 设备。其工作原 理是：假设a - e 问的光缆被切断，其上的业务将会通过交叉连接，被迂回到其他路由上， 如a b e 、a - b n e 、a c e 、a c ，n e 等路由，从而达到恢复被中断业务的目的。其关 键是迂回路径的寻找。 图2 6 网状网自愈工作原理 2 网状自愈网特点 相对于其他恢复系统，网状自愈网具有如下优点： ( 1 ) 业务路由可采用最短路由，可减少网络配置容量。这是环形网很难做到的，a p s 就更难胜任。 2 网络自愈策略与模型研究 ( 2 ) 在失效状态下，整个网络的空闲容量都可以形成恢复路由，而不是只限于一两 条线路。这就减少了网络的空闲容量的配置。 ( 3 ) 网状自愈网的空闲容量即可用于业务增长，也可以用于网络恢复。这无疑增加 了空闲容量的利用率。 ( 4 ) 方便引入恢复优先级概念。对于不需在s d h 层恢复的业务，d c s 可将其设置 为低优先级恢复业务，可以降低网络