基于SUPANET的故障恢复研究

摘要Internet是上一世纪七十年代以文本数据传输为主的应用背景下诞生的网络，因此对正确性要求高，对实时性要求低。但随着多媒体网络应用数据流在Internet中的增加，使得Internet的“尽其所能”的服务难以满足新数据流的服务质量的需求，成为Internet面临的一大挑战。虽然Internet学界试图通过在IP层上增加服务质量保障技术，如资源预留协议、集成服务、区分服务，来改进Internet的服务质量。但现有的Internet的三层数据传输平台用户数据传输效率低，实施服务质量控制困难。针对现有网络体系结构在服务质量保障方面存在的不足,四川省网络通信技术重点实验室提出了“单物理层用户数据传输与交换平台体系结构”(SUPA–SinglePhysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture)网络（SUPANET）。SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，而利用面向以太网的物理帧时槽交换（EPFTS–Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching）技术将用户数据传输与交换平台（U-platform）简化为单物理层结构，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。SUPA在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择(ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR)、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现了SUPANET的服务质量保障。因为网络中的资源可能出现故障，所以为提高网络的可靠性SUPANET需要提供故障恢复能力。SUPANET的故障恢复机制是采用保护切换的方法，保护切换是一种可以在虚通路上的虚线路或节点出现故障时，使其上传输的业务流经过很小的中断后能快速的从故障中得到恢复的方法。在保护切换中，备份虚通路是故障发生之前预先建立的，当虚通路出现故障时，数据会被在切换点从失效了的虚通路切换到备份的虚通路上。SUPANET中基本的保护切换有四个步骤。首先，备份的虚通路必须在故障发生前事先建立。第二，SUPANET需要对故障进行检测。第三，检测到故障的节点必须向切换节点通知故障信息。第四，切换节点将业务流转发到备份虚通路上而不是原本的虚通路。在进行理论研究的同时，本文利用OPNET网络仿真软件对受保护的虚通路中的业务流进行了保护切换的仿真实验。建立了一个简化的SUPA网络模型，对切换处理过程中的数据丢失进行了仿真统计，仿真结果基本符合保护切换的特征，验证了保护方法的可行性。关键词：SUPA；服务质量；故障恢复；保护切换；虚通路；OPNETAbstractInternetwasdevelopedfortext-orientednetworkapplicationsinthe1970s,anditrequestscorrectnessofcontestwithoutreal-timerequirement.ButwithincreaseofmultimediaapplicationtrafficinInternet,the“besteffort”serviceprovidedbyInternetdoesnotabletosatisfyusers’differentQoSrequirementsandbecomeoneofchallengestoInternet.AlthoughtheInternetcommunitattemptstoimprovethetechnologyintheIPleveltoimprovethequalityofservice,theyareRSVP、IntegratedService、DifferentiatedServiceandetc.Butthelowefficiencyoftheexisting3-layersuser-dataswitchingplatformisdifficulttoinsuretheQoSoftheservice.Tosolvetheseproblems,SichuanNetworkCommunicationTechnologyKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversityhasdefinedanewnetworkarchitecturecalledSUPA(SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture).TheSUPAsimplifiesUser-datatransfer&switchingplatform(U-platform)intoasinglephysicallayerplatformbyadoptingtheout-bandsignalingconcept.ThekeytechniqueenablingthesingleU-platformiscalledEPFTS(Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching),andguaranteetheQoSofthedata.SUPAhasdefinedasetofmechanismsbothintheS&M-platformandU-platform.InS&M-platformtheyareQoSNegotiationProtocol(QoSNP),QoS-basedlambdaRoutingInformationProtocol(λQoSRIP),TrafficMonitoring&ExchangeProtocol(TMEP),CallAdmissionControl(CAC),andtogetherwiththemechanisminU-platformtheyguaranteetheQoSofSUPANET(networksupportsSUPA).AnimportantcomponentofprovidingQoS,istheabilitytodosoreliabilityandefficiency.TomakeSUPANETreliablethereisneedforfailurerecoverymecasimsinSUPANET.ThefailurerecoverymecasiminSUPANETisProtectionSwitching,whichisamethodofensuringrecoveryfromlinkornodefailurewithoutdisruptiontothedatatraffic.InProtectionSwitching,thebackupVPispre-provisioned,whentheprimarypathisfailed,datatrafficeisswitchedfromthefailedVPtoabackupVP.Thebasicprotectionswitchingconsistsoffoursteps.First,backupVPmustbeestablished.Second,theSUPANETmustbeabletodetectthefailure.Third,nodesthatdetectthefailuremustnotifyswitchingnodeintheSUPANETofthefailure.Forth,insteadofsendingtrafficontheprimaryVPswitchingnodemustsendtrafficonthebackupVPinstead.OPNETisusedtosimulatetheprotectioninSUPANETtovalidateitsavailabilityandefficiencybyconstitutingasimplifiedSUPAnetworktopologystructurewhiledoingfundamentalresearch.TherelevantsimulationresultsindicatethevalidityofprotectioninSUPAnetworkswhichbasicallycomplieswiththefeatureofrestorationprocedure.KeyWords:SUPA;qualityofservice;faultrestoration;protectionswitching;VP:virtualpath;SimulationtoolOPNET;目录第1章绪论 11.1本课题的研究的背景 11.1.1三网合一的大趋势 11.1.2现有网络体系结构存在的问题 21.2SUPA的提出 41.3国内外研究现状与本课题的研究意义 51.4本论文的组织安排 6第2章SUPA技术框架 72.1基本术语 72.2带外信令控制技术 82.3SUPA的协议层次模型和接口 82.4SUPA基本工作过程 112.5“面向以太网帧时槽交换”（EPFTS）技术 12第3章网络故障恢复的层次考虑 163.1网络故障恢复的概述 163.1.1网络中可能出现的各种故障 163.1.2不同业务对故障恢复的不同要求 173.1.3网络故障恢复的目标 173.2现有网络中的各种故障恢复方法 183.2.1DWDM层故障恢复技术 183.2.2IP层故障恢复技术 213.2.3MPLS故障恢复技术 223.2.4SDH故障恢复技术 233.2.5ATM故障恢复技术 243.3故障恢复的层次考虑 25第4章SUPANET的故障恢复 274.1SUPANET故障恢复技术分析 274.1.1SUPANET故障恢复的必要性 274.1.2SUPANET故障恢复思想概述 274.1.3SUPANET保护切换方法的分类 304.1.3SUPANET故障恢复基本过程 324.2QoSNP介绍 344.2.1QoSNP概述 344.2.2QoSNP的基本工作原理 354.3QoSNP用于虚通路保护的扩展 364.3.1恢复参数 364.3.2记录路径参数 374.3.3备份路径参数 384.4虚通路的建立 394.4.1普通虚通路的建立过程 394.4.2受保护的主虚通路的建立 414.4.3路径保护方法中备份虚通路的建立 414.4.4局部保护中备份虚通路的建立 434.4.5备份虚通路与主虚通路的绑定 444.5虚通路失效的检测 464.6用户数据平台的转发 474.7切换后主虚通路的维护 504.7.1场景描述 504.7.2工作过程 504.7.3原虚通路资源的释放 51第5章SUPANET故障恢复仿真 535.1OPNET仿真平台 535.1.1OPNET的概述 535.1.2OPNET的特点 535.1.3OPNET的建模过程 545.2模型仿真及结果分析 555.2.1仿真的网络场景 555.2.2仿真的数据走向 565.2.3数据统计及分析 58结论及展望 60致谢 62参考文献 63攻读硕士学位期间发表的论文 67第1章绪论1.1本课题的研究的背景本课题的研究大背景是四川省网络通信技术重点实验室关于下一代Internet体系结构的研究工作。通信技术高速化和网络应用数据的多媒体化传输使传统的Internet技术难以满足实时音、视频数据的传输服务质量需求和网络高速化的要求。因此，实验室提出了单物理层用户数据传输与交换平台体系结构（SUPA–SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）[1-6]。SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，进而将U平台简化为单物理层平台，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择(ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR)、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现单数据流和多数据流类服务质量保障。基于网络中的任何资源都有可能发生故障这一状况，为保障用户业务的服务质量，网络必须具备从故障中快速恢复的能力，使业务尽量不受网络故障的影响。这就是本论文的研究对象——基于SUPANET的故障恢复研究。1.1.1三网合一的大趋势光通信技术的快速发展特别是DWDM技术将单根光纤的传输速率提高到40/80Gbps,即将随着达到160Gbps，从而使单根光纤的传输能力达到Tbps数量级，相当于大、中城市电话网、有线电视网和计算机网络的干线总吞吐率。这一传输能力意味着在单根光纤上能够同时传输15,625,000路未压缩的普通话路(64Kbps/每路)，或者同时传输7,142套未压缩有线电视节目(140Mbps/每套)，或者同时传输1000套未压缩的高清晰度电视节目(1.04Gbps/每套)。换言之，光纤通信技术已经能够支持大中城市综合数字业务网络信息传输的需要，如果计算机网络技术能够适应DWDM高速传输能力的需要，将有可能将传统的有线电视网络、电话交换网络和计算机网络3个独立的网络合并为一个分组化、数字化的综合业务网络[6-8]。1.1.2现有网络体系结构存在的问题1、因特网体系结构不适应综合业务数据网的需求Internet是上一世纪七十年代发展起来的网络技术，当初设计的目的以传输文本数据为主，因此对正确性要求高，但实时性要求低。而当时的低通信线路速率（Kbps-Mbps）虽然能够满足其要求，但误码率高（10-5~10-6），必须在网络体系结构中设置数据链路层通过分帧和检错重传来提高传输的正确性。因为Internet提供是一种“尽其所能”的服务（BestEffortService），而且Internet的网络层采用无连接的IP协议,所以可能造成报文丢失和错序。因此，只能通过TCP进行端到端重新排序和检错重传来提高数据的正确性。对于文本数据传输，端到端重传造成的传输时延是可以接受的技术；但是，当多媒体数据流在网络应用中比重逐渐增加时，由于其服务质量的需要与文本数据正好相反(吞吐率、传输时延和时延抖动要求高，而少量数据丢失与误码影响相对较小)，因此，难以保障语音、视频数据的服务质量。目前国内外对NGI的研究大都局限于用IPv6取代IPv4问题。但是，IPv6除了将地址长度改变为原来的4倍，解决了地址匮乏的问题和IP结构有所简化，对IP报头进行了部分改进外，在体系结构上没有实质性的变化。因此，以IPv6为基础的Internet在服务质量保障问题上与基于IPv4的Internet面对同样的困难。2、综合业务数字网络（B-ISDN）B-ISDN采用带外信令控制（Out-bandSignaling）技术，将网络层排除在用户数据传输平台之外，在数据链路层提供了以53字节固定长的信元（Cell）为基础的数据复用与交换技术，为多媒体数据提供永久虚电路（PermanentVirtualCircuit,PVC）和交换虚电路（SwitchedVirtualCircuit,SVC）服务。B-ISDN存在问题包括：信控、管理平台使用通信网络中专用协议（如7号信令）为基础的协议桟，在大型网络上配置管理以及与Internet的互联都极为复杂，较难被Internet界认同。ATM信元长度较短，其净荷部分（Payload）仅48字节长（有效载荷率仅90％），与用户网络中使用最广的数据链路层协议（PPP,EthernetMAC）数据单元或网络层的IP报文长度相比太短，需要进行分段和重组进行适配。ATM信元（53字节）与物理层SDH净荷（261字节）之间接口也需要分段和重组。3.多协议标签交换（MPLS）和通用多协议标签交换（GMPLS）与B-ISDN类似，MPLS也采用带外信令控制的思想。由于它将现有的Internet协议栈保留在信控、管理平台上，并予以增强，从而保证能够与现有Internet互联互通。另一方面，MPLS并未定义任何数据链路层协议，而试图在现有的数据链路层服务之上增加标签交换子层，将用户数据传输平台变为通用的面向连接的两层传输平台。首先，它不必处理相对复杂的IP报头（而代之以相对简单的标签），4/16字节的地址字段被20比特的标签取代，可节省路径表空间，其传输效率比三层的Internet高。其次，面向连接的服务更适应多媒体应用中流传输的需要。应当指出：MPLS本身并未直接提供服务质量保障的机制，而只是将标签（Label）与它所依托的通信子网中的服务质量保障机制，即所谓“前传等价类”（ForwardEquivalenceClass,FEC）挂钩。换言之，如果通信子网中具有提供服务质量保障的能力，MPLS即能够提供服务质量保障，反之，在服务质量的保障方面MPLS并未增加任何新功能。事实上，目前的MPLS主要依托ATM信元子层或帧中继子网，由于该两类网络本身提供了较好的服务质量保障机制，因此服务质量保障问题较容易得到解决；当数据链路层为无连接MAC或共享同一连接的PPP时，由于他们仅提供无连接或共享同一连接的服务，很难将标签连接与数据链路层服务挂钩，因此对标签子层的支持则较弱，服务质量较难得到保障。GMPLS进一步将MPLS推广为包括光纤交换、波长交换、时槽交换和分组/帧交换在内的各种物理层通信子网的通用子层，由于上述网络提供的服务质量的离散性，在混合网络环境下利用标签交换为不同用户提供不同的服务质量就更为困难，对不同网络的管理问题也更为复杂。极端情况如波长/光纤交换，标签维系的前传等价类（FEC）只能代表波长/光纤传输总能力中“假想”的部分传输能力，因此，当GMPLS跨越多种通信子网时，通路上服务质量的差异使端到端的服务质量的难以得到保障。因此，目前关于MPLS和GMPLS交换技术，并没有真正解决好服务质量保障问题。1.2SUPA的提出上一节讨论了目前主要的一些网络体系结构的特点和其所存在的问题。进一步分析表明：服务质量实质上最终表现为物理层传输质量参数，如吞吐速率(Throughput)、传输时延(TransitDelay)、传输时延抖动(Jitter)等，采用MPLS即使数据链路层能很好地支持服务质量保障（如：ATM信元服务），如果物理层缺少相应的支持，但也很难确保用户数据的服务质量。因此，即使是采用ATM信元交换或帧中继(FR)数据链路层技术，如果物理层采用TDM（如SDH/PDH）技术，只要数据链路层能够为一条虚连接分配足够的时槽（Timeslot），用户数据流要求的数据吞吐率完全可以得到保障；反之，如果物理层不具备支持服务质量保障的机制，即使是ATM或FR也难以保障应用数据流要求的服务质量。换言之，能否提供良好的服务质量保障，问题的关键还在于物理层。基于上述分析，针对三网合一的发展趋势和现有网络体系结构不能满足三网合一的网络的高速传输、交换和服务质量保证的现状，实验室提出了单物理层用户数据传输与交换平台体系结构（SUPA–SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）。1.3国内外研究现状与本课题的研究意义网络故障可能是链路故障（如光纤断裂等）或者节点故障（如路由器硬件或软件上的故障等）是任何一个网络都必须面对的现实。然而这在过去仅仅意味着确保在一个故障之后中重建网络的连通性，但在当前的网络中则意味着，不但要重建网络的连通性，还要满足一定的约束性和性能水平，以便不影响到业务流的服务质量[9]。将目前的网络按层次来分析，不同的层次采取着各自不同的故障恢复技术。光（DWDM）层现在已经有能力提供动态的环或Mesh的重建功能。利用自动保护切换（APS），以及自愈环和Mesh重建体系结构，可以给同步数字层（SDH）提供生存性能力。SDH层的生存性机制主要包括自动保护倒换机制和自愈环。ATM网络的自愈以VP为基础，目前受到广泛重视的是备份VP自愈算法。采用IP的动态路由协议可以动态地发现可连接的处于工作状态的路由器，使得IP路由可以对网络的故障自适应。然而，IP层的路由重建发生在一个路由收敛周期之后，可能需要几秒钟或几分钟来完成。基于MPLS的生存性策略是指快速并完全地重建MPLS网络中受故障影响的流量。故障可能是由IP层或者传输IP流量的低层检测到的。通过在分组头上追加一个标签栈，可以建立一系列标签交换路径（LSP），利用LSP作为保护路径，可以实现业务的保护或恢复（重路由）。而在SUPANET中，可能某些原因导致某虚通路无效，从而影响到此虚通路上业务流的服务质量。这些故障可能是DWDM恢复机制无法解决的高层故障，因此研究基于虚通路的故障恢复技术能为SUPANET中业务流提供更细粒度保护，同时可以加速故障恢复速度。1.4本论文的组织安排本文主要是对单物理层用户数据传输平台体系结构的故障恢复的研究。针对SUPAET中实时性要求高的业务流，分析可能的各种保障业务流服务质量的故障恢复机制。提出了基于虚通路保护的故障恢复方式，并以故障恢复的处理过程为顺序详细分析和描述了故障恢复各个阶段的处理过程。第二章主要介绍了单物理层用户数据传输平台体系结构SUPA，分别对SUPA的协议层次模型、工作过程、接口以及“面向以太网帧时槽交换”（EPFTS）技术进行了说明。第三章归纳了现在网络故障恢复的研究现状，分析了现有故障恢复技术的特点和其所存在的问题，为SUPANET故障恢复的研究提供了参考作用和借鉴价值。第四章是论文的核心章节，首先分析了当SUPANET中出现故障时，而可能采取的各种方法的比较。通过分析，为保障SUPANET中较重要的业务流不受可能网络故障的影响，采用了基于虚通路保护的方法。然后针对虚通路保护方法的整个过程和各个阶段进行详细的分析和描述。第五章中，介绍了本文作者进行SUPANET中故障恢复研究在OPNETModeler平台上的设计和仿真。最后是全文总结。第2章SUPA技术框架在第一章中对现有网络体系结构不能满足三网合一需求的分析和SUPA网络体系结构的提出的基础上，本章从分析带外信令控制技术入手，详细说明了单物理层用户数据传输平面体系结构SUPA的协议层次模型、接口和工作模式。2.1基本术语下面是SUPA体系结构中的基本术语：SUPA：单物理层用户数据传输与交换平台体系结（SinglephysicallayerUUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）。SUPANET：采用SUPA体系结构的网络被称为SUPANET。EPFTS：面向以太网的物理帧时槽交换（EPFTS–Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching）。HFS：半步超前交换（HFS–Half-stepForwardSwitching），为了进一步改善SUPANET中的“面向以太网的物理帧时槽交换”（EPFTS）技术的单物理层用户数据传输与交换平台的服务质量保障措施而提出的新思想。QoSNP：服务质量协商协议（QoSNegotiationProtocol），SUPA的信控管理平台一种信令协议，用于在SUPA域内进行虚通路的建立和服务质量的协商。VL：虚线路（VirtualLine），一条虚通路上两个交换节点之间的连接。VLI：虚线路标识（VirtualLineIndex）用于标识虚线路。VP：虚通路（VirtualPath）由若干个相邻虚线路连接而成，可以为端到端的虚通路，也可以为节点到节点的虚通路。2.2带外信令控制技术信令技术包括两种，即带内（in-band）和带外（out-band）技术。带内信令是指控制平面与数据平面共享同一物理媒质，例如利用SDH复用段或再生段的DCC通道，或者使用一个特定的波长通道作为控制平面的数据通信网络。带内信令的优点是节省数据通信网络投资，但是控制平面的风险与数据平面一样，安全性和可靠性较差[10,11]。带外信令，即控制平面和数据平面不在同一物理媒质。由于带外信令其采用独立于用户信息通路的信令通路，具有信令传递速度快，可靠性高，保证安全性，便于提供多种补充业务及某些特殊功能（如支持智能网，网络管理应用）等特点，正被广泛使用。SUPA是采用带外信令的方式。一般可以将SUPANET分成用户数据平台和信控管理平台。其中信控管理平台主要包括管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择(ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR)、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略。用户传输平台是只有物理层的单层平台，负责用户数据的转发[2-5]。2.3SUPA的协议层次模型和接口SUPA体系结构利用带外信令控制技术，将网络的通信子网的用户平面由传统的3层传输平台进一步简化为只有物理层的单层平面。因为在SUPA体系结构中物理层通信技术具备粒度可伸缩的向下复用的机制，能够根据用户的需求分别对实时性要求高的数据流传输提供可保证的服务质量，而对实时性要求相对较低的数据传输提供用户可接受但不一定任何时候都能够得到保证的服务质量，从而解决现有网络体系结构中无法保证服务质量的难题。要实现该体系结构必须在物理层实现对用户数据的高速交换和为不同的网络应用提供服务质量保障提供必要的支撑机制。SUPA的体系结构是对原有通信子网的3层传输平台的简化，但信控平面和管理平面保留了原有的协议，这样有利于与Internet的互连，也保护了以往的众多投资。采用SUPA体系结构的网络被称为SUPANET，这里引用文献[8]。SUPANET可以工作于两种模式：缺省Internet模式和SUPA模式。缺省模式与现有的Internet工作过程完全相同，无需做进一步说明。图2-1为工作于SUPA模式下SUPANET域内的接口与协议层次结构示意图。图2-1为SUPANET域内协议层次结构及与外部互联的示意图。SUPANET体系结构同时支持带内/外信令控制技术，图2-1中上半部分表示SUPANET与传统Internet互联（实际上应与传统的Internet网、电话网和有线电视网互联）和与支持SUPANET结构的增强型用户之间互联时所涉及的协议层次结构。当与传统的Internet用户机或路由器互联时，系统将工作于带内信令控制模式。在此模式下，SUPANET专用协议（服务质量协商协议QoSNP（QoSNegotiationProtocol）、入网控制协议ACP和流量监控与信息交换协议TMEP）将不对相应的网络数据传输发生作用，此时，与传统的Internet工作过程一样，用户数据、信令和管理信息都在同一传输平台上进行。当与支持SUPANET的增强型系统互联时，系统将工作于带外信令工作模式。在此模式下，上述3种专用协议将作为信令控制和管理平面内的专用协议，分别完成服务质量协商、入网控制和流量监控信息交换任务，以确保对用户数据流提供的传输服务质量。Internet的路径协议（RIP、OSPF、BGP等）和简单网络管理协议SNMP将以传统方式工作，QoSNP协议将在连接建立过程中充分利用相关的路径信息。在此种模式下，信令控制平面通过服务质量的协商确定一对用户之间的连接能否建立，并对成功建立连接的数据流建立虚通路（VP，VirtualPath）[11]。图2－1SUPA模式下SUPA管理域内的接口及协议层次结构图2－1SUPA模式下SUPA管理域内的接口及协议层次结构RIP(notforhosts)QoSNPOSPF(notforhosts)TMEPBGP(notforhosts)ACPTCP/UDPIPEthernetMACEthernetPhysicallayerDWDM(可选)SUPA-HostUser-DataEPFSSNMPRIPQoSNPOSPFTMEPBGPACPUDPIPEthernetMACEthernetPhysicallayerDWDMSNMPRIPQoSNPOSPFTMEPBGPACPUDPIPEthernetMACEthernetPhysicallayerDWDMRoutingEPFSDWDMEPFSDWDMPFTSExchangeofroutingandtrafficinformationDifferentlambdainthesamefiberDifferentlambdainthesamefiberUNISMUNIUDNNIUDNNISMSUPA-End-System:SUPA-hostorhalfgatewaySUPA-RoutersLayersofS&M(Signaling&Managing)PlatforminSUPAdomainLayersofU-platforminSUPA-End-systemLayeredstructureoftheU-platforminSUPAdomain.LayersofS&M-PlatforminUPA-end-SystemEthernetMACDWDMInternetUser-datafromanotherhalfofSUPA-gateway图2-1中的用户系统代表支持SUPANET的计算机系统或与SUPANET互联的接口部分。图2-1的上半部分表示用户系统和SUPANET节点的信令控制与管理平面（S&Mplatform）中的协议层次结构，以及在用户-网络接口（UNI，User-NetworkInterface）和网络-网络接口（NNI，Network-NetworkInterface）上的信息管理接口（UNISM和NNISM）。图2-1的下半部分分别为支持SUPANET结构的用户系统和SUPANET节点的用户数据传输平面的协议层次结构和接口关系。在SUPANET域内，用户数据传输平面被简化为单物理层，分为两个子层：“面向以太网物理帧子层”（EPFS，Ethernet-orientPhysicalFrameSub-layer）和DWDM子层，SUPA节点利用“面向以太网物理帧时槽交换”技术（EPFTS–PhysicalFrameTimeslotSwitching）实现在多个端口间数据的高速转接[11]。工作于SUPA模式下的SUPA端系统既可能是支持SUPA的计算机系统，也可能是SUPA域与传统Internet设备互联网关中支持SUPA接口协议的软硬部件。这类网关能够为传统Internet设备之间借用SUPANET实现互联提供一种高效的“渡船服务”（又称“装载服务”或“隧道服务”）。在这种情况下，由于用户数据的传输是在高速、高效的物理层EPFS（EPFS–Ethernet-orientPhysicalFrameSub-layer）平台（图2-1中的EPFS子层）上进行的，对传统的Internet设备来讲，SUPANET相当于不可见高效传输“管道”，因此，其互联效果就像Internet设备直接互联一样。SUPA中间系统是SUPA域中的节点设备，SUPA中间系统间的互联将通过“网络－网络接口”（NNI）来完成；而与SUPA端系统互联时，则通过“用户－网络接口”（UNI）来完成。SUPANET设备也可以工作于缺省Internet模式，此时，接口将按带内信令方式工作。换言之，UNI或NNI的信控管理接口与用户数据传输用接口将合并为一个接口。此时，图2-1中下半部分不再参与数据的交换，因此；上半部的SUPA专用协议（QoSNP、TMEP等）将处于不活动状态，所提供的服务也就退化为传统的Internet服务。为了使SUPA节点能自动识别用户希望使用的服务，IP报头中的特殊字段来标识（IPv4的TOS和IPv6中的TrafficClass）。2.4SUPA基本工作过程SUPANET为用户提供永久虚通路（PVP，PermanentVirtualPath）和交换虚通路（SVP，SwitchVirtualPath）服务，SVP的工作过程可以分为3个阶段，即通路建立阶段、数据传输阶段和通路拆除阶段。在通路建立阶段，用户系统与SUPANET节点之间通过服务质量协商协议（QoSNP），沿着Internet路径信息交换协议（RIP、OSPF、BGP等）产生的路径交换表（RoutingTable）确定的路径逐级协商能否提供用户请求的服务质量，直到另一端的用户。应当指出：由于DWDM端口存在多个波长，因此一条虚线路（VL，VirtualLine）实际使用哪一个波长仍然需要根据各波长上的负荷进一步选择。数据传输结束后，任一方都可用连接结束协议（CEP，ConnectionEndingProtocol）来结束虚通路上的通信。CEP是边界路由器/交换机的用户－网络接口（UNI）上的局部协议。CEP支持协商确认拆除通路和单方面拆除通路两种模式，究竟采用哪种模式，在协商阶段确定。前一种模式的运作过程如下：由请求结束通信一方发出CEP请求，在得到对方确认后，入口的边界路由器将继续向前进方向发送一个结束位（E-bit,Ending-bit）置“1”的EPF，收到该帧的节点将把该连接上的资源回归系统，直到另一端的边界路由器。在后一种模式下，任何一方可以利用E-bit直接拆除通路。CEP可以利用UDP/TCP来结束虚通路。一对用户之间两个方向上虚通路的拆除过程将分别进行。图2-1中的UNI和NNI分别代表SUPANET的边界路由器/交换机与用户之间和SUPANET内部节点（SUPA路由器）间的接口，在信令控制、管理平面的UNI/NNI接口被分别标注为UNISM和NNISM；而用户数据平面的接口被分别标注为UNIUD和NNIUD。2.5“面向以太网帧时槽交换”（EPFTS）技术“面向以太网的物理帧时槽交换技术”(EPFTS)[6,11]是针对多层U平台网络结构较难解决服务质量保障问题而提出的。EPFTS是将用户数据传输平台简化为基于DWDM的单物理层传输平台和能够保证实时性要求高的数据流传输服务质量的关键技术，是一个具有QoS保障机制、多粒度的物理层交换平台[20]。SUPANET中，控制管理平台在服务质量协商并建立连接过程中，将在两个EPFTS相邻的交换节点间的指定一个唯一的虚线路标识符（VLI，VirtualLineIdentifier）。一对EPFTS边界路由器（或支持EPFTS的端系统）之间需要形成两条服务质量相同或不同的单向传输虚通路；每条虚通路将由该通路上的多个虚线路标识符来共同来标识，这里我们把在同一条虚通路上传输的数据称为流(flow)。EPFTS域外的以太网MAC帧的地址及应用数据流的标识符将保存在EPFTS域的边界路由器之中，并在相关应用数据流与EPFTS虚通路之间建立绑定关系，留待EPFTS与域外的系统进行数据交换时使用。进入数据传输阶段后，EPFTS节点将使用输入端口的VLI来识别一条虚线路上的EPF，并以此作为查询前传端口的索引符。应当指出：EPF是指用户数据载体本身，具有协议数据单元(PDU)的特征，因而必须定义其格式；而面向太网物理帧时槽(EPFT，Ethernet-orientPhysicalFrameTimeslot)则是对EPF传输时间基本单元的称呼，因此不再讨论其格式。当用户数据长度不足最大MAC帧长发送时，需要在有效用户数据后面进行填充。填充字符选择有利于在光纤上传输的编码，填充后不再重新计算帧长度和校验字段，以保证在EPFTS域内用户数据的透明性和退出EPFTS域后能界定有效用户数据长度。考虑到光纤通信技术误码率较低(10-12–10-11)，在EPFTS域内不考虑进行逐节点校验字段检查，以提高节点交换速度；因此，校验字段在EPFTS域内透明传输。EPF的交换字段的格式如图2-2所示：HFSfield6HFSfield6HFSfield5HFSfield4HFSfield3VLIHFSfield11byte1byteVLI(VirtualLineId)M-bit1NPNo1NλNo1ControlfieldReservedM-bit2NPNo2NλNo2M-bit5NPNo5NλNo5M-bit4NPNo4NλNo4M-bit3NPNo3NλNo316bytesHFSfield6M-bit6NPNo6NλNo6Firstblock(8bytes)Secondblock(8bytes)2bytes2bytes2bytes2bytes2bytes2bytes2bytes图2-2EPF的交换字段的格式图2-2中的M－bit字段为标记数据是组播数据包还是单播数据包，当M=1时，数据为组播数据包；当M＝0时，数据为单播数据包。NOPN（NextOutputPortNumber）和NOλN（NextOutputLambdaNumber）分别代表下一个节点的输出端口号和输出波长号，端口号和波长号这样设置是为了实现半步超前交换（HFS，Half-stepFowrardSwitch）技术，由于每一个虚线路（VL，VirtualLine）的输出端口号和输出波长号在通路建立阶段就已经知道，因此这样设置NOPN和NOλN是可行的。HFS的优点在于一旦EPF帧到达，就马上进行调度和通过交换矩阵而不需要首先进行查表操作，当EPF帧的控制字段到达输出端口，EPF的数据部分在通过交换矩阵的同时进行查表操作，这样将传统的查表、交换（指调度和通过交换矩阵）的“串行”操作，在一定程度上改为“并行”处理，从而降低时延和抖动。图2-2中的虚线路标识符(VLI)用于在一对EPFTS节点之间的光纤上标识约2.62×105条虚线路。由于虚线路是基于单个波长进行划分的，那么每波长可分配2.62×105条虚线。由于每个EPF为1546字节，以目前可预见的最高波长速率80Gbps计算，单波长上最多可容纳6.54×106个EPF，约20个EPF可分配一个虚线路标识符，而对于高速数据流，一个虚线路内可有数十甚至上百个EPF，因此，虚连接标识的范围已经够用。（如果认为大多数的流（一个虚线路可以视为经过该对交换节点的一个流）的带宽要求小于20个帧/秒，我们可以适当增大VLI字段，目前我们定义VLI字段的大小为16个bit，即2byte）。图2-2中的突发标志位(B-bit,Burstbit)是为了保证同一实时性数据流的虚线路中的突发数据的连续性和整体性而设置的。也正是由于存在着数据突发性，当某一瞬刻EPFTS节点的多个输入端口的突发数据都指向同一输出端口时，可能造成输出队列过长甚至输出缓存溢出。图2-2中的丢弃标志(D-bit，Discardbit)是为了出现紧急情况时，将部分对服务质量要求较低的实时数据或可以通过重传而恢复的非实时性数据丢弃而设置的。可丢弃帧可以根据优先级别和结合应用数据性质和协商的服务质量确定。为了保障商定的服务质量，单位时间内允许丢弃的帧数是服务质量协商中的参数之一，EPFTS节点将根据协商结果控制单位时间内丢弃的帧数，以保证不会由于丢弃一定数量的EPF而降低服务质量。图2-2中设置的3比特优先级别标志(PriorityBits)与以太网定义的8个优先级别相适应。但是以太网的相关标准中并未定义如何使用优先级别，而留待用户处理，这可能造成用户将各自的数据都设置为最高优先级别的局面，而失去设置优先级别的意义。在EPFTS中，优先级别的设置将根据服务协商阶段承诺的服务质量，由EPFTS域内的边界路由器设置。图2-2交换字段中最后一个比特称为“结束标志位”(E-bit，Endingbit)用于结束虚通路使用。当通信双方之一拟结束其发送数据过程时，将利用信控管理平台内的通路结束协议(CEP)与通信对方协商结束事宜。当对方同意结束该方向的数据传输时，发回确认消息，此后，连接结束发起方将发送连接结束执行PDU，EPFTS域内的入口边界路由器将该PDU映射为E-bit置“1”的EPF，EPFTS域内所有节点收到E-bit为“1”的EPF后，将继续前传该帧，同时将相关虚通路占用的系统资源归还给系统。结束通信的过程通常仅涉及单个方向，但CEP协商过程中也可以双向同时进行。应当指出：CEP协议也可以定义不经过协商而直接拆除连接的方式，E-bit的使用取决于CEP。第3章网络故障恢复的层次考虑网络故障恢复功能是指在网络出现故障时能从网络的故障中迅速恢复，以保持服务的连贯性，而且还要保证当前业务流所要求的服务质量[12]。本章首先阐述了网络故障恢复的一些基本概念，然后从垂直网络层次的角度出发，系统的分析了各层的故障恢复机制，包括DWDW层、ATM层、SDH层、MPLS层、IP层、TCP层等各层的故障恢复机制及相关的基本概念和研究现状。最后讨论了各层故障恢复的比较和协调。3.1网络故障恢复的概述网络上承载着大量的数据、语音、视频等业务流，然而网络的现状并不那么尽如人意。网络的传输线路可能会阻断，路由器可能因为硬件或软件的原因出故障。由于故障的不可避免性，因此无论从用户的角度还是从运营商的角度，都迫切需要在网络发生故障后能尽快地将受影响的业务恢复[29]。现代传输网络理论也将网络是否具有良好的故障恢复能力作为网络是否成功的重要的评判标准之一。当一条链路或一个节点出现故障时，通过网络恢复策略将业务数据流转移到其它可用的链路上从而绕过故障的节点或链路。而要达到这一目标一般需要四个功能，第一，该网络必须具备检测网络故障的能力；第二，检测到故障的节点必须向网络中的一些节点通报故障情况，而具体向哪些节点通报取决于具体采取的恢复技术;第三，重选一条可用的通道；第四，称为业务流的切换(switchover)过程,即将业务流从出故障原通道切换到由第三个功能计算所得的新的路径。3.1.1网络中可能出现的各种故障在网络中的任何资源都有可能发生故障。传统的故障主要是由人为造成的链路中断；如有电缆脱离绝缘外表皮；对于光缆来说，还可能是由于激光器停止工作或而丢失光信号（LOL）。所有这些都有可能造成网络数据传输业务的中断[33]。典型的问题还有路由器或交换机的故障，整个交换机/路由器可能瘫痪。这可能由于电源中断，交换机/路由器中非冗余部件的损坏。当交换机/路由器发生故障之后，由交换机/路由器通往其它交换机/路由器的链路以及其它交换机/路由器接往该交换机/路由器的链路都会陷入瘫痪。交换机/路由器的故障可能是由于硬件原因导致也有可能是软件原因所导致的[18,19,33]。3.1.2不同业务对故障恢复的不同要求通讯网中各种不同的用户和业务因其业务的特性对网络的故障恢复能力的有着不同的要求。根据用户类型可以分为以下几种[14-16]：安全保护级别高的用户：（如医院、警察局、消防部门等）由于安全的原因这些用户必须时刻保证服务质量，服务的间断对于他们来说是不允许的。一般的商业用户：这些用户会因为网络服务中断而导致一些商业损失。基本级别的用户：这些用户的级别是最低的，如网络中出现故障或拥塞时这种用户的业务数据流可能会被丢弃，资源可能会被上述几种用户抢占以保证上面几种用户的服务质量。根据业务类型可以分为以下几种：将来的网络将运行的业务会有传统的电话业务流，电话语音服务，电视电话，电影、新闻、Internet访问、电视购物和其它各种各样的业务。这些业务不仅对于带宽的要求不同而且对于时延和对故障恢复的要求也不尽相同。因而运营商一般根据用户的不同的服务质量要求，向用户收取不同的服务费用。3.1.3网络故障恢复的目标简单地说，在一个网络中恢复故障的关键目的就是尽可能地缩小故障所引起对数据传输的影响。具体而言可以分为以下几个目标：（1）最大化网络的可靠性和效率；（2）对于不同的用户和业务提供不同的故障恢复能力；（3）提高故障恢复的速度；（4）考虑网络不同层次的故障恢复行为，避免网络各层相互反作用和协调各层之间的协作。（5）最小化因故障所引起的数据丢失和业务数据流乱序而对业务流产生的负面影响。（6）最小化因采取故障恢复所需要的信令复杂性和附加的一些操作。3.2现有网络中的各种故障恢复方法从宏观上看，网络恢复可以分为两大类：业务层的恢复和传送层的恢复[23]。前者主要用于业务层网络，如交换网、ATM网络和IP网络等；后者主要用于传送网，又称为设施恢复。业务层的恢复涉及单个呼叫、信元或包重选路由，绕过失效电路，诸如动态无级选路（DNHR）和IP选路均属于此类恢复。传送层的恢复常常与通道有关，而与业务无关（除非有关通道已经专门分给了某种业务）。这种恢复涉及到多个电路、信元或包，影响面大，需要较少的操作，因而可望较短的时间内恢复更多的业务。以下主要从业务层的恢复和传送层的恢复两方面进行讨论。3.2.1DWDM层故障恢复技术DWDM技术的应用虽然极大地增加了通信传输的容量,但是在出现故障时可能会受到更加严重的损伤。对于目前国内在干线网络升级扩容或建设时大量使用的32×2.5Gbit/s、8×10Gbit/s或更高速率的DWDM系统,其每对光纤上承载的业务量是相当高的,一旦出现光纤失效或整条光缆全阻的重大故障以及节点故障,其后果是不堪设想的,所以必须对DWDM网络的故障恢复技术进行研究。研究DWDM网络的故障恢复机制不仅可以有效的恢复诸如光缆断裂、光交叉连接设备瘫痪等大容量失效，而且可以更好地提高服务质量，满足未来变化的市场要求[29,34]。DWDM故障恢复属于传送层恢复，由于DWDM是一个对传送业务透明的传送网络，也就是说DWDM可以承载现有的ATM、SDH、IP以及未来的其它多种业务，因此研究DWDM网络的保护与恢复有重要意义。选择网络的故障恢复方法与网络的拓扑结构密切相关，不同网络的拓扑结构将采取不同的网络保护和恢复技术。对DWDM传送网故障恢复技术可根据拓扑结构分为三类：点到点机制（Point-to-Point）、环网系统（Ring-System）和网状网结构（MeshArchitectures）[22]。基于点到点（Point-to-Point）的DWDM保护可以分为两种[24]。一种是在DWDM中承载的多个波长之间进行保护，例如，对一个16*2.5Gbit/s的DWDM系统中，可以将其中的某个波长定为保护波长，其余为工作波长。当某个工作波长由于故障而无法正常工作时，可以将其承载的业务倒换到备用波长上。但由于保护波长和工作波长都处于同一根光纤中或光缆上，一旦发生线路故障，将无法实现路径的保护，所以意义并不大。另一种基于点到点（Point-to-Point）的保护策略是光复用保护（OMSP，OpticalMultiplexSectionProtect）这种保护方式是在发送端利用分路器对光信号进行分离，在接收端得用光开头进行选路。此处需要说明的是，只有在两条路由相对独立的光缆线路中实现这种方案称为异径方式。这种恢复恢复方式的最大优点是可以对光缆全断等最严重故障进行有效的恢复，且时间仍能满足50ms的要求。但缺点是需要不同路由的额外光缆线路，成本较高，而且具体实现不容易有合适的富余线路资源。基于点到点的DWDM保护方案只能在同一条光缆内实现对波长的保护，无法实现高效的光复用段的保护和恢复，而采用环形拓扑结构可以实现较好的保护和恢复。（这一点与SDH类似）利用现有的点到点DWDM终端设备连成环，即可构成基于点到点的环形网。采用具有光波长分插复用能力的光分插复用设备（OADM：OpticalAddandDropMultiplexer）组环是DWDM在环形网中应用的另一种形式。这两种环形网在形式上十分相似，但实际上有较大差别。基于OADM的DWDM环形网具有灵活的波长组织能力，不仅可以实现单个光波长通道级的保护，而且在出现光缆全断的重大故障时，可以在断点两侧的OADM节点进行“环回”操作，完成光复用段级的保护。前面两种恢复方法的着眼点都只是立足于以为单个波长为独立业务承载单位，而随着以IP为代表的数据业务的飞速发展，DWDM网络正从原来的骨干网延伸到城域网乃至接入网。可以预见将来会有多个DWDM网络互连、嵌套的局面，即渐渐形成Mesh网。Mesh网络会带来一系列的新问题，特别是对于基于全网观点的生存性来说，最大的变化在于原来的DWDM网络保护和恢复的着眼点都是立足于以单个波长独立业务承载单位的，而在多个DWDM网络构成的Mesh网络中，无法保证端到端的波长连续性，即所谓的光通道（lightpath）的连续性。所以如何在这种情况乃至在结构更为复杂的Mesh形DWDM网络中实现保护和恢复，是目前研究的重点和难点。使用光交叉连接设备（OXC,OpticalCross-Connect），结合动态波长分配算法实现网络的故障恢复是较好的解决方案之一[34]。这种方案的基本思想是：在多个DWDM网络的汇接点处设置OXC。OXC包含了大型的光交叉连接矩阵和光波长变换单元。DWDM故障恢复的几个优点[12,22]：（1）故障恢复速度快。光层的保护是对于波长进行操作，保护恢复的基本粒度是波长，而不是时隙，因此使网络的受保护带宽提高了一个数量级大大提高了恢复的速度。（2）恢复成本低，光层恢复较高层恢复少了一些协调性，不需要业务层恢复所必须的一些附加的管理、控制等功能，极大的降低了成本。（3）透明性，光层波长路由恢复技术独立于高层的协议。（4）可靠性高，光层处于光传送网结构的底层，可以避免高层网恢复由于不清楚物理拓扑结构，而出现工作路由与替代路由的共享光纤链路，造成保护失效的问题。DWDM层故障恢复技术的缺点[23]：（1）DWDM层的故障恢复机制不能解决所有由上层故障所引起的问题。（2）DWDM层恢复机制的粒度过粗，如果客户需要差分服务则在DWDM层无法提供这种服务。（3）DWDM层提供故障恢复机制的资源利用率偏低。3.2.2IP层故障恢复技术IP层故障恢复技术主要考虑的一个因素就是检测故障的时间。传统的IP恢复机制是采用IP动态路由方式。动态路由是通过在相邻的路由器之间交换控制信息来实现的，这里所说的控制信息是指刷新路由器的路由表所需的信息。这种路由方式可以保证在链路或节点故障时对分组重新选路。该协议保证网络具有与物理层无关的可生存性。采用的动态路由协议可以动态地发现可连接的处于工作状态的路由器，使得路由可以对网络的故障自适应[36]。故障检测一般有两种实现方式，一种是由本地路由器检测到故障后，利用路由控制消息协议通知邻近的路由器。另一种故障检测方式是利用某些背景消息（的计时器的超时来通告故障的出现。路由器得知故障出现后，重新计算有受影响的路由，刷新它的路由表，利用OSPF或BGP协议的Update消息向邻近路由器通告发生的变化，最终各路由器收敛到统一的路由之上[45]。动态路由协议可以有效地利用网络的空闲资源，灵活地对拓扑变化做出反应。但是所需的恢复时间长，一般为几十秒至几分钟，行为不可预测。为了克服以上缺点，出现了一些在路由协议基础上进行的改进方法，目前已经提出的缩短恢复时间的方案有以下几种[35,36]：第一种方案为：ECMF（等价多路径转发）的恢复机制。该方案的基本思想是：由IP源节点发出的IP包经过多条不同路由到达IP目的节点，这样即便是一条路由上的某一段出现链路或某一个节点发生故障，在恢复时间内仍能部分IP包可以由正常工作的路径转发。其工作原理如下图所示：当节点A到节点B的路径Path1上的一段链路失效后，由Path2和Path3这两条路径转发。图3-1ECMF的恢复机制ECMF方法不仅有利于负荷均衡，而且一定程度上有利于业务的保护和恢复。当一条路径上出现节点或链路出现故障时，至少有一部分数据包可以沿着其它路径继续使用，直到IP路由收敛过程完成，路由器中生成新的路由表。但这种方法较传统的方法需要更大的设备投资，而且每个路由器需要在转发表中为同一个目标地址保存多个下一跳表项。第二种方法：采用分级网络组织结构，为了缩短路由收敛时间OSPF，IS-IS等分级链路状态路由协议将网络分成多个区域网络结构，将路径计算和路由更新信息扩散的范围限制在受影响的区域内，使网络具有较好的可扩展性。第三种方法：减少隐式故障检测时间，在链路状态路由协议中减少“hello”消息计时器的时限，可更加频繁地发送Hello消息，从而更加迅速的发现故障，其代价是控制消息的开销增加。3.2.3MPLS故障恢复技术基于MPLS的生存性策略是指快速并完全地重建MPLS网络中受故障影响的流量。故障可能是由IP层或者传输IP流量的低层检测到的。通过在分组头上追加一个标签栈，可以建立一系列标签交换路径（LSP），利用LSP作为保护路径，可以实现业务的保护或恢复（重路由）[30]。重路由定义为在故障发生后根据流量重建的需要来建立新路径或路径段。新路径建立的依据可能是故障信息、网络路由策略、预定义配置和网络拓扑信息等。因此，检测到故障后，就通过信令建立能够绕过故障的路径或路径段。因为检测到故障后需要做的事情比较多，重路由机制比保护切换机制要慢。然而因为要在故障已经发生并且知道故障的发生点之后才能利用资源，重路由机制要更简单，更节俭。一旦网络路由算法在故障后聚合，在某些情况下，基于当前网络状态和网络策略的重路由在重新优化网络方面更具优势。重路由恢复使用按需建立的路径和按需保留的资源。保护切换机制则是基于网络路由策略、工作路径流量的重建需求和管理考虑，在故障发生前预先建立一个保护路径或路径段[30]。恢复路径可能是也可能不是与工作路径脱节的链路和节点。然而如果恢复路径与工作路径都承担故障风险，这个构造的总可靠性就降级了。检测到一个故障时，受保护的流量就转换到保护路径并重建。保护切换使用预先建立的恢复路径和预保留的资源（如果恢复路径要求保留资源）[31]。3.2.4SDH故障恢复技术SDH和DWDM光网络有着相似的功能，都是面向连接的复用网络。SDH是基于同步数字复用，而DWDM是基于波长的复用。SDH网络的常用的保护和恢复技术有自动保护倒换（APS）和自愈环（SHR）[22]。自动保护倒换（APS）APS技术典型的被用于链路故障的恢复。它主要包括1+1、1:1方式，这两种不同之处在于分配不同的保护资源。在1+1的APS方式下，工作通道和保护通道上均传送业务流，接收端比较两个信号的质量并接收更好一个信号。1:1的APS方式下，信号由工作通道传送，当接收信号质量劣质时，信号倒换到保护通道中传送。此时需要APS信令协助工作通道切换到保护通道[22,37]。从1:1的方式可以扩展到M:N的模式，此时N条工作通道共享M条保护通道。自愈环（SHR）SHR较APS来得更为灵活，可以处理节点和链路故障。在自愈环保护方式中，主要分为两纤单向通道倒换环（2-fiberUPSR）、两纤双向路倒换环（2-fiberBLSR）和四纤双向线路倒换环（4-fiberBLSR）。SDH层的优势有：（1）SDH保护是标准化的并且能跨域操作。SDH层提供监测和自动保护交换两者。（2）SDH层提供可保护交换通道粒度的更多控制。SDH层的一些不足之处：（1）备用容量的利用率低。（2）SDH层不能对高层的故障进行恢复，如SDH不能检测ATM（或MPLS）层次的故障。（3）SDH不能区分不同的流量的优先级，不能基于优先权进行切换。3.2.5ATM故障恢复技术ATM（AsynchronousTransferMode）是一种以信元为单位的异步转移模式。异步意味着来自任何一个用户的信息元流不必是周期性的。在ATM网络中，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。ATM将虚连接分为两个等级：虚通道（VP）和虚信道（VC）。VP是具有相同的虚通道标志（VPI）的信元所占有的子信道，VC是具有相同的虚通道标志（VCI）的信元所占有的子信道。VP类似于管道，里面包含了一定数量的VC。[38]ATM的故障恢复技术主要在ATM层进行，ATM层的恢复可以分VP和VC的恢复。ATM中VP的恢复可使得包含的一组VC同时恢复，比逐个VC恢复的消息和处理开销小，因而已有的研究主要集中在VP层的恢复[38]。当故障发生时，如一条链路失效时，通常链路的下游节点将检测到故障，通知被称为发送节点的节点。由发送点产生并发送空闲容量查找消息,消息中包括故障链路标记、受影响的VP标识、受影响的VP的带宽大小等。收到消息的节点将自己的节点标识和可用空闲量写入消息中，并继续传递该消息。这样当消息最终到达另一端节点（称为选择点）时，该节点可以根据收到的消息，选取恢复路径，确定为受故障影响的VP的恢复路径，并发送恢复消息，在恢复路径上的空闲容量中为各受故障影响的VP分配带宽。最后，在收到发送点发出的应答消息后，完成受影响的VP从工作路径到恢复路径的切换[25]。VP层的恢复机制目的在于尽快、尽可能多的以VP为单位恢复故障连接，执行过程简单、快速，但是没有考虑不同服务的不同要求，且VP的恢复粒度过大容易导致空闲容量的利用不充分。相比之下，VC层的恢复优点在于VC对应着端到端的服务连接，便于处理各种服务的不同要求，更容易支持优先级的恢复，灵活性更好，而且VC的带宽粒度小，能充分利用空闲资源。ATM层恢复技术的优势：（1）ATM层提供检测路由器或交换机的故障的能力，这对于低层而言是透明的。（2）ATM层能通过计算在ATM头部识别的错误来检测节点或软件失误配置，在ATM中，这可通过跟踪VPI/VCI的不匹配来实现。（3）ATM的OAM功能能帮助监测虚拟电路或虚拟路径上的路径错误，并且能提供比单独靠路由协议更快的检测和恢复。3.3故障恢复的层次考虑上面几节主要介绍了网络中各层的恢复机制与技术，网络各层的恢复技术各有各的优缺点。通过跨层故障恢复机制的协作能提高网络对故障的响应时间，对于在设计和管理流量工程机制中更好的优化网络性能也是很有价值的。即使每一层故障检测机制独立，在受管理和约束的情况下融合各层的故障恢复机制还是很重要的[12,18,19]。高层故障不会被低层检测到的一个例子就是，ATM或MPLS层报文出错而SDH检测不到，而且也必须在高层恢复。相对的，光纤断裂或链路故障是在高层中不可见的。所以如果能够传递这些跨层的故障信息，可能会使低层，比如说光层，能从高层的更大规模的保护容量中受益，使得他们比一般情况下要快。多层网络故障恢复的关键在于各个间层网络故障恢复技术的之间的协调以及对空闲资源的管理和利用，对于这类问题的研究也是最近几年才开始的。ITU-TSG13组已将此问题作为2001-2004年期间的一个研究课题而开始专门进行研究，而目前网络的一个研究热点ASON，其研究内容也包括了多层网络生存性的问题。2001年开始提出的GMPLS（GeneralizedMPLS）是一个针对目前的同步光网络（SONET）和同步数字层（SDH）传输基础结构的通用MPLS技术。GMPLS需要对原有的MPLS的信令和协议进行一些扩充和修改。它对故障恢复机制的支持效果更为显著，是多层故障恢复机制的一个较好的构想。层间生存性策略协调要解决的关键问题就是各层生存性方案之间的互联策略问题。互联策略通常由这样一些规则组成：它描述了什么时候开始和停止恢复动作；如协调不同生存性技术的动作顺序等。互联策略包括升级策略（escalationstrategy）和恢复层分配（recoverylayerassignment）策略两种。多层网络的故障恢复技术需要各层都预留有各自的空闲容量，空闲网络容量的设计问题是多层网络故障恢复技术必须解决的问题之一。目前对多层网络空闲容量的设计有3种方法：传统方法、选择性保护和公共池方法[29]。但从实际使用情况来看，真正应用于实际场合的这类技术并不多见，常见的仍是单层网络的故障恢复技术。随着传送网络向着超高速、智能化、多业务接入等方向发展，传送网络的灵活性、生存性和可靠性势必会引起越来越多的重视，而由此引出的多层网络故障恢复问题也会受到来自运营商、科研机构和设备制造商等多方的关注。在底层（传送层）的恢复技术中（如DWDM）可以根据故障源进行简单的处理，并进行较粗粒度的恢复，在底层所采取的恢复操作数最少，同时在触发任何恢复操作前，不需要穿过多层对故障进行广播。但任何底层的恢复机制不能解决所有由上层故障所引起的问题。如此一来，故障发生的源层或它的上层不得不解决这个问题。同样，在高层（业务层）的恢复好处在于处理节点或更高层的失效比较容易，且高层的恢复机制允许根据业务流的重要性来区分对待，这是底层所达不到的，且因为处理粒度较细，所以资源的利用率更高；缺点是恢复粒度较底层来得细，所以当底层出故障时，可能需要较多的恢复行为，操作较为复杂。第4章SUPANET的故障恢复4.1SUPANET故障恢复技术分析4.1.1SUPANET故障恢复的必要性SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，进而将U平台简化为单物理层平台，将服务质量保障机制嵌入平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择(ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR)、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现单数据流和数据流类服务质量保障[1-4]。但是SUPANET中的网络资源可能发生故障，为保证SUPANET中业务的服务质量，SUPANET必须提供从网络故障中快速恢复的机制以提高SUPANET的可靠性和有效性。因此在这种情况下SUPANET中提供了基于虚通路故障恢复功能，以缩短故障恢复时间，从而提高SUPANET可靠性和有效性以保证业务流的服务质量，而且较DWDM层可以提供更细的保护粒度，为不同的业务流提供不同的故障恢复方法。因为SUPA是面向连接的，所以当虚通路中的交换节点或虚线路出现故障时而导致此虚通路失效时，我们可以将业务流转移到另外一条额外虚通路继续传输。这条额外的虚通路可以是在故障发生之前就建立好的，同样也可以是故障发生之后再建立的，这取决于业务流的服务质量要求。4.1.2SUPANET故障恢复思想概述在一般情况下，当虚通路中的虚线路或交换节点