通信网络的自愈功能

1、通信网络的自愈功能口MOOERNSCIENQE&TECHNOLOGYOF?通信网络的自愈功能卞佳丽王雷A摘要:文章介绍了自愈网的概念,讨论了自愈功能在网络管理体系结构中的位置;通过回顾自愈网的研究过程,强调了现代通信网络具备自愈能力的重要性;并结合传送网络的分层模型讨论了自愈技术的实现策略自愈是指通信网络在发生故障时,无需人为干预即可在极短的时间内从故障部件中自动恢复受影响的业务,使用户感觉不到网络巳出了故障.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通信网白愈性的提出源于3方面原因:(1)光纤传输网络的发展光纤网容量大,成本低,信号质量高,但路由多样性较差,

2、一条光缆的切断将影响大量业务.有资料表明,在实际运行的光纤网中,光缆的可用度仅为96.5,即每年有300h的失效时间;相比之下,洲际无线网无需特殊的故障恢复手段,可用度就高达99.985.因此,先进的网络恢复技术是光纤网乃至BISDN顺利发展的前提之一.(2)智能网络单元的出现由数字交叉连接系统(DXC)和分插复用器(ADM)等设备构成的传送网节点,能够灵活地配置网络资源,建立迂回路由绕过失效的部件.(3)SDH/S()NET标准的制定SDH帧结构中定义了丰富的开销字段,用于网络的操作,运营与维护.在自愈网的研究中,可利用SDH开销中的嵌人控制信道(ECC)或某些用途未定的字节传送自愈操作所需

3、的信息,或称.自愈信令","白愈消】6息"等.另一方面,这些开销为形成分布式控箭的自愈网提供了可能一,自愈功能在网络管理中的位置从网络管理的范畴看,自愈属于故障管理功能.CCITT曾把电信网的管理功能划分为5个领域:配置管理,故障管理,性能管理,计费管理和安全性管理(见图1).其中,故障管理功能又可分为故障检测,故障定位和故障恢复3个部分.任何网络的设备和传输媒介都可能发生故障.故障的内在原因可能出自系统设计,体系结构上的弊病,也可能是硬件,软件上的毛病,或者是不正确的操作,维护过程;外部原因可能濂于自然灾害,各种意外事故或者人为的蓄意破坏.故障管理功能的首要任务

4、是尽快恢复受影响的业务;其次是对故障源进行定位,诊断并及时有效地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,备用资源配置是否经济合理,等等.卞佳丽北京邮电大学计算机工程系讲师王臂邮电部数据通信局博士现代电科技'1997年第7期口图1自蠹功能在网管系筑中的位置几十年前,故障恢复的手段一直限于人工操作,既费时又不准确,通信往往被中断几小时,几天,甚至一个月.随着网络单元智能化程度的提高,故障的自动恢复过程已经可以在几秒乃至几十毫秒内完成.从故障处理的流程上看,自愈功能与故障检测,定位及恢复效率评估等密切相关,但它同时又是一个相对独立,实

5、时性要求很强,用于描述故障发生后几十毫秒至几秒时间内的瞬态过程.另一方面,自愈功能被激活的条件并非局限于网络中出现了故障.当网络提供业务的质量(如误码率,严重误码秒,分组或信元丢失率等性能指标)劣化到一定程度时,网络应采取预防性的保护措施,利用自愈功能避免可能发生的故障.因此,自愈也可以看作是性能管理功能的一部分.最后应注意到,自愈网的概念只涉及建立迂回路由,重新确立通信,而不管失效元部件的具体修复或更换过程,后者仍需人工干预才能完成.二,网络故障的度量网络故障需要一个度量标准.美国联邦通信委员会规定,当50000个用户的话音电路业务被中断的时间超过30min后,即应作为通信事故上报.McDo

6、nald曾提出了"用户损失爱尔兰数(ULE)''度量标准,ULE定义为:UIE=Ig(E×)其中,E×应大于1;E为根据历史记录估算的,在故障期间用户损失的话务量,以Er/计;H为网络故障持续时间,以h计.ULE故障度量标准有一定的优点,它取以1O为底对数,便于非专业人员理解;其次,它考虑进网络故障对用户的影响,区分了忙时和非忙时的话务量,例如:与白天办公忙时期间出现的故障相比,半夜2点发生的网络失效是没有多少用户会在意的.Zolfaghari和Kaudel也曾提出类似的建议,采用三元组(U,D,)衡量网络故障的影响.其中,U表示不可服务率(uns

7、ervability),描述网络中不能正常工作的资潦所占比例,它可以是呼损,也可以是故障中维线的比例,或是数据网中给定时延内不能正常传送的数据分组所占的百分比;D是持续时间(duration),描述的是不可服务率高于某个上限的时长;W是权值(weight),描述不可服务率高于某个上限时,对地域,人口及用户业务类型的影响指数.由(U,D,)组成的三维空间描述了度量网络故障的区域.对U,D和分别设以适当阈值,可以测量网络故障的严重程度:小故障,大故障或通信事故,如图2所示.三,网络分层模型与自愈技术自愈网的实现技术多种多样,而传送网络的分层17口MODERNSCIENCEsLTECHNOLOGYO

8、FTELECOMMUNICATIONS模型与自愈网的研究密切相关.我们知道,现代电信网可分为3个相对独立的层网络:业务层网络,通道层网络(也称交叉连接层网络)和传输层网络(也称系统/物理层网络).这三个层网络均由相应的节点,链路和连接构成,每个层网络还可进一步分割为若干子网.最高一级的层网络面向用户的交换业务,如电路交换业务,分组交换业务,专用线路业务和未来的B-ISDN虚通路连接(virtualchanne1)等.按照提供业务和交换模式的不同,可以区分不同的业务层网络.以电路交换网为例,其中的节点代表电路交换系统,链路代表交换节点之间的电路群(即中继群),电路连接对应于用户的呼叫.连接的建立

9、和释放立足于每次呼叫的基础之上,时间很短图2三元组(U,D,)量化区域通道层网络可以支持一个或多个业务层网络,为业务层网络节点之间提供透明的传送通道(path)作为中继群在通道层网络中,连接即是通道节点是能够建立和拆除通道的交叉连接设备(DXC);链路是交叉连接设备的数字信号带宽,如:E1(对应于DXC1/o设备)和DS3(对应于WDXC3/1设备).与业务层网络中的呼叫连接相比,通道连接提供较长的使用时间.交叉连接设备也因此称为"相对静态"的交换机,它们的交叉连接操作由通道层网络的网管系统控制.在最低一级的层网络,即传输层网络中,节点代表18oLTMt光纤生蓐搏墙妻甩善(

10、a)1lAPS/DP彗鞠(b)SHR培构(c)DXC网状自蠢眄图33种常见的自愈技术'珥代电信科技,1997车簟7期口MUX和ADM等复用设备链路是互连复用设备的高速数字信号传输系统;连接是点到点的信号带宽,构成上一级通道层网络内的链路.传输屡网络是真正可以触摸到的物理罔络,负责信息信号沿点到点传输媒介的传送.相邻层网络之间是顾主与服务者的关系,提供传送服务的层称为服务者,使用传送服务的层称为顾主.从链路和连接的角度来看,上一级层网络链路内承载的数字信息封装在下一级层网络的连接中透明地传送.上述3个层网络均有各自独特的自愈机制.1:N路由备份线路保护(APS/DP),ADM自愈环(SH

11、R/ADM)和DXC网状自愈网(DXCMesh)是当前广泛研究的3种自愈技术,如图3(a),(b),(c)所示.其中,APS/DP和SHR属于传输层网培内的自愈技术,部分本地网已开始实用这两种技术.网状自愈网属于通道层网络,它充分利用数字交叉连接节点的智能,动态地搜索网络内的空闲资源以恢复受故障影响的通道至于业务层网络,其自愈机制与其体的应用有关,比较复杂,例如在分组交换网中,常采用分布式迂回选路的方法清除故障.四,不同层网络自愈技术问的协作低层网络的故障对业务造成的破坏往往可以通过高层网络的自禽来清脒,反之则不然.在经济条件允许的情况下,通常采用传输系统备份倒换的措施,构戒第一道防线.传输层

12、网络能够在50rlls内对故障完成自动保护倒换操作,对大多数业务层网络(如话音,低速数据,信令网等)而言,5oms的中断几乎是透明的;但对ATM网络来说,却是不能容忍的.例如:一条sTM一1链踌中断50ms将损失超过7Mbit/s的信息,而信息的重传工作需由虚通路连接的端节点完成,这对于宽带业务,例如压缩图象传送的特征信息是致命的破坏.当低层网络清除故障的时延超过了高层网络的容忍限度时,在高层网络中将产生故障告警,而且往往表现为多个故障,如图4所示圈4单个SDH的线路故障将诱发多条ATM链路的失效当高,低层网络先后检测出故障的发生时,将分别运用各层独特的自愈机制消除本层网络内的故障.这原本是件

13、好事.但是如果协调不当,各层的自愈机制之间会互相干扰,发生竞争,使彼此都不能有效地工作,甚至可能将网培死锁在一个未定义的状态.因此,不同的层网络自禽技术之问的协作配合至关重要,这种协作也教称为自愈技术的综合或升级.通过研究各层网络自愈技术间的协作关系,可以充分利用网络的资源和不同自禽机制的灵恬性,提高全网的生存性,其核心在于设计一种升级策略.最简单的升级策略可以是这样的:当某一级层网络的白愈机钼授有能力继续本层的恢复工作,或者当某个预定义的时限到达时,对故障进行消除的控制权将交给上一级的层网络.例如在图S(a)中,VC一4传输层网络作为提供传送功能的服务层,可以在本层内利用备用路由,倒换被切断

14、的线路中携带的业务,而履主层ATM虚通道层网络只会感觉到短哲的业务中断.如果VC-4层内缺少足够的空闲资源,贝j故障将升级到ATM虚通道层内,虚通道交叉连接节点可利用备用的虚通道连接予以恢复,如图5(b)所示.为便于操作控制,升级策略可采用各级层网络逐一执行自愈机iI的串行方式,既可以自底而上,也可以自顶而下.自底而上的策略从发生故障的最低一层网l9口MODERNSCIENC&TECHNOLOGYOFTELECOMMUNICATIONS(a)在SDH恃糟层罔碧中消膝哉障(b)哉障靖膝井敷到ATM屡网培中进行圉5层网络问自禽的升级络开始执行自愈操作,它将大量的连接捆绑在一起进行倒

15、换,恢复速度可以很快;但由于忽略了或者根本看不到各条业务连接的个性,恢复效率不会很高.自顶而下的策略从业务层网络开始,恢复单个受损的业务连接,这样做虽然比较费时间,但利于引入优先级控制机制,使恢复工作有针对性.升级策略还可以采用更灵活的特定方式,调用一段诊断程序根据故障的类型和接收到的告警,判断出当前最有希望排脒故障的最低一层网络,并澈活该层网络的自愈机制.当某层网络的自愈操作已趋于失效20或成功的把握不大时,诊断程序应能迅速判断出来,并终止该层网络的恢复工作,把控制权移交给另一层的有希望的自愈机制.利用诊断程序能够有效地缩短定时等待的延迟.自禽网的研究本身是一个很新的课题,而各种自愈技术的综

16、台问题则是一个更新的课题.升级策略的设计需要解决很多关键技术,如通过信令控制各层网络的自愈机制的起始和终止,升级策略与网管系统的关系如何,等等.可以想象,欲真正实现对端到端用户业务的自禽,需要各层网络之间,尤其它们的网管系统间紧密配合,共享一些信息.未来的电信管理网(TMN)为此提供了可能性.五,结语自愈网的研究涉及传糖,交换,网络管理等领域,同时需要图论,排队论和运筹学等数学工具的支持,是一个综合性强,跨度很大的课题.我们相信它有着广罔的研究前景.固'参考文献1ExchangeCarriersStandardsAssociation:ANSIDocumentT1X1.4/86401R32A.S.Tanenbaum.ComputerNetworks.PrenticeHaII.19903S.Ahujawdeheta1.EnsuringtheCustomersGetwhatTheyNeed.TrendsinTelecommunications,1991.7(3)4JohnC.McDonald.PublicNetworkIntegrityAvoidingaCrisisinTrust.IEEEJ-SAC.1994.12(1):55AliZolfaghari"eta1.FrameworkforNetwo