（信号与信息处理专业论文）光网络中自感知性能监测技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着光网络业务的快速发展，波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术被广泛采用。宽带视频、多媒体等业务也随之日益兴起，网络的 业务量及传输速率都达到一个空前的水平。这也给光网络管理带来了一个新问题： 一旦网络发生故障，将会造成巨大的业务数据丢失。这对整个网络的生存性来讲 是一个很严峻的问题，所以光网络性能监测技术的研究在近年来备受关注。在分 析了传统的光网络性能监测技术的基础上，本文指出了光网络发展对光网络的监 测技术带来的新的挑战；而光网络中自感知技术的崛起，更是让现有的光网络监 测技术无法适应其发展要求。因此，本文针对光网络中自感知性能监测技术展开 探讨。 首先，本文针对光网络中基于s n m p 管理系统的轮询监测机制会导致网络监 测开销浪费的问题，给出了两种自感知监测算法：以具有灵敏自感知监测能力为 主要特点的基于状态差值的监测算法和以具有快速自感知监测能力为主要特点的 基于快速收敛的光网络监测算法。这两种算法的核心思想是根据当前网络监测状 态值与前一个监测的差值以及与告警阈值的差值来自感知地调整下一个监测周期 的大小，从而减少单位时间内的监测次数，进而实现网络监测开销的降低。仿真 结果表明，这两种算法能在不同的网络故障数据环境下，在保证网络监测性能的 同时有效地降低了网络资源开销，分别适用于波动较大的数据和平稳性较强的数 据环境下的光网络故障监测。 其次，在自感知监测的前提下，本文给出了一种基于探测路径的光网络多故 障感知的定位算法，解决了圈覆盖算法中难于对多故障进行定位的问题。首先， 在启发式生成树圈覆盖算法( h s t ) 中为每个圈选择监测站点：其次，由h s t 算法 得到潜在的故障域；再次，采用k - 最短路径算法c k s p ) 来实现监测路径的选择；最 后，建立告警代码和监测路径的映射关系。仿真结果表明：在传统h s t 圈覆盖算 法的基础上，改进所得的最短路径多故障定位算法( d m f l a ) 对光网络的多故障监 测定位具有很好的适应性，能够实现光网络中双故障的完全定位。 关键词：性能监测，多故障定位，光网络，自感知 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f o p t i c a ln e t w o r k s ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 6 v d m ) t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d o nt h eb a s i so fi t ，b r o a d b a n dv i d e o ，m u l t i m e d i aa n d o t h e rb u s i n e s sa r es p r i n g i n gu p ，a n dt h en e t w o r kt r a f f i ca n dt r a n s m i s s i o nr a t e sh a v e r e a c h e da l lu n p r e c e d e n t e dl e v e l b u tt h i sa l s ob r i n g sa b o u tan e w q u e s t i o nt ot h eo p t i c a l n e t w o r km a n a g e m e n t ：o n c ef a u l t so c o u ri nt h en e t w o r k , ah u g el o s so fb u s i n e s sd a t a w i l lb ec a u s e d o b v i o u s l y , i ti se s s e n t i a lt ot h es u r v i v a b i l i t yo fo p t i c a ln e t w o r k s i nt h i s c o n d i t i o n , t h es t u d yo fo p t i c a ln o t w o r kp e r f o r m a n c em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o nt h e s ey e a r s i nt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r k p e r f o r m a n c em o n i t o r i n gt e c h n i q u e s ，t h i sp a p e rp o i n t so u tt h en o wc h a l l e n g e so fo p t i c a l n e t w o r km o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb r o u g h ta b o u tb yt h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r k a n dw i t ht h eg r o w nu po fs e l f - s e n s i n gt e c h n o l o g yi no p t i c a ln e t w o r k , e x i s t i n go p t i c a l n e t w o r km o n i t o r i n gt e c h n o l o g yc a nn o tm e e tt h ed e v e l o p m e n to fi t t h e r e f o r e , i nt h i s p a p e r , d i s c u s s i o n sa r es u b j e c t e dt os e l f - s e n s i n gp e r f o r m a n c em o n i t o r i n gt e c h n i q u e si n o p t i c a ln e t w o r k s f i r s to fa l l ，t os o l v et h ew a s t ep r o b l e mo fm o n i t o r i n go v e r h e a di no p t i c a ln e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h es n m pp o l l i n gm o n i t o r i n gm e c h a n i s m ，t w o s d f - s e n s i n gm o n i t o r i n ga l g o r i t h m s a lep r o p o s e d o n ei sd i f f e r e n c e - v a l u e - b a s e d m o n i t o r i n ga l g o r i t h mw h i c hi sw i t hs e n s i t i v es e n s i n gc a p a b i l i t y , a n dt h eo t h e ri s r a p i d c o n v e r g e n c e - b a s e dm o n i t o r i n ga l g o r i t h mw h i c hi sw i t hr a p i ds e n s i n gc a p a b i l i t y t h ec o r ei d e ao ft h et w oa l g o r i t h m si sa sf o l l o w s ：a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c ev a l u e a m o n gt h ec u r r e n tm o n i t o r i n gs t a t eo fn e t w o r k ，t h ef o r m e rm o n i t o r i n gs t a t ea n dt h e w a r n i n gt h r e s h o l d , a d j u s tt h es i z eo ft h en e x tm o n i t o r i n gc y c l ea d a p t i v e l y t h e r e b y , r e d u c et h em o n i t o r i n gt i m e si nu n i tt i m e , a n dr e d u c et h eo v e r h e a df o rn o t w o r k m o n i t o r i n gf u r t h e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et w oa l g o r i t h m s c a r lr e d u c e n e t w o r kr e s o u r c ec o s ti nd i f f e r e n tf a u l td a t ae n v i r o n m e n t st h a tt h ef o r m e ri ss u i t a b l ef o r t h eu n s t e a d i l yd a t a , a n dt h el a t t e ri sf o rs m o o t hd a t a , i nt h ep r e m i s eo fr e d u c i n gt h e n e t w o r ko v e r h e a de f f e c t i v e l ya n de n s u r i n gn e t w o r km o n i t o r i n gp e r f o r m a n c e t h e n ，i nt h ep r e m i s eo fs e l f - s e n s i n gm o n i t o r i n g , a n d 、) l ，i mt h ec o n s i d e r a t i o no ft h e a c c u r a c ya n df a s tl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mf o rl i n kf a u l ti no p t i c a ln e t w o r k s ，a ne f f e c t i v e m u l t i - f a u l tl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nd e t e c t i o np a t h si sp r o p o s e dt os o l v et h ei s s u e 重庆邮电大学硕士论文 o f l o c a l i z i n gm u l t i - f a u l ti nc y c l ec o v e rm o n i t o r i n ga l g o r i t h m f i r s to fa l l ，t h em o n i t o r i n g s i t ei sc h o s e nf o re a c hc y c l et h a tf o r m e db yt h eh e u r i s t i cs p a n n i n g - t r o t ( u s dc y c l e c o v e r i n ga l g o r i t h m ；t h e n , s u s p e e t e df a u l td o m a i n s a r eo b t a i n e dt h r o u g ht h eh s t a l g o r i t h m ；a f t e rt h 咄t h em o n i t o r i n gp a t h sa r es e l e c t e db yu s i n gk - s h o r t e s tp a t h a l g o r i t h m ( k s p ) ；l a s t l y , t h em a p p i n gr o l a t i o n s h i po fa l a r mc o d e sa r eb u i l tt om o n i t o r p a t h s t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e d e t e c t i o n - p a t h - b a s e d m u l t i f a u l t l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ( d m f l a ) i m p r o v e df r o mt h et r a d i t i o n a lc y c l em o n i t o r i n gc o v e r a l g o r i t h m ( u s t ) h a sc 戗- t a i na d a p t a b i l i t yf o rm u l t i - f a u l tm o n i t o r i n ga n dl o c a l i z a t i o ni n o p t i c a ln e t w o r k s i na d d i t i o n , i tc a na c h i e v et h ec o m p l e t el o c a l i z a t i o no fd o u b l ef a u l t s f o ro p t i c a ln e t w o r k s k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c em o n i t o r i n g , m u l t i f a u l tl o c a l i z a t i o n , o p t i c a ln e t w o r k s , s e l f - s e n s i n g m 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光网络发展 第一章绪论 随着光纤通信技术的不断发展，全光传输距离越来越长，交换选路、监控和 生存性处理等功能将逐渐由光技术来实现，通过采用先进的光器件逐步取代光电 转换设备，光透明子网的覆盖范围不断扩大。从传输方面来说，全光传输距离约 为6 0 0 k i n ) 从复用方式来看，d w d m 的大量使用使得光传输系统的容量急剧提高， 但这些固定式的电路复用方式不太适合数据业务，随着网络中数据业务的比重越 来越大，光网络将向基于光分组的统计复用方式发展。从组网方式来看，光网络 将沿着“点到点_ 环_ 多环叶网状网 的方向发展，应用大量的s d h 系统来满足 日益增长的带宽需求必将使已敷设的光纤容量很快耗尽，因此，大容量的d w d m 点对点系统将被大量引入，并将逐步引入光分叉复用设备( o a d m ) 构成链形和环形 光网络，接着进一步的发展将是采用灵活的可编程o a d m 甚至o x c 将多个单环 连成多环光网络【l 】。随着网络带宽需求的不断增加，环形网络的配置将限制网络基 础设施的进一步扩展，光网络将向能够进行灵活有效配置的全光网状网方向发展。 光网络灵活性将沿着“静态一半动态_ 动态 的方向发展。从应用领域来看，光 网络将沿着“干线网一本地网城域网一接入网佣户驻地网 的次序逐步渗透。 在以口为主的数据业务呈指数增长，数据业务正在超过电话业务并对网络的 带宽需求日益增加的环境下，w d m 光网络已被公认为下一代宽带网络的前提。波 分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是目前提高光纤传送带宽的最有 效的方法，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光 纤可用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的信道来传输一种 特定波长的光信号。这些信号可能是a t m ，s o n e t s d h 或者是m 流量，典型的 w d m 系统有4 或者1 6 个信道，如果超过4 0 个信道，就称为密集波分复用( d w d m ： d e n s ew o m ) 。目前由于密集波分复用( o w d m ) 技术日趋成熟，t b i t s 量级甚至更 高的传输网络已经初步形成，这使得传统的通信网络无论从业务量设计、容量安 排、组网方式，还是交换方式都已经无法适应这一新的发展趋势。为了提高网络 的交换能力，人们提出了i po v e r a t m 、i po v e l s d h 、i po v g l w d m 2 。4 1 等光网络结 构，如图1 1 所示： 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( b ) 图1 1 三种光网络结构 其中最直接、最简单、最经济的p 网络体系结构i po v o i w d m ( 图1 1 c ) 最受人们关注。它也叫光因特网或口优化光互连网，是指直接在光网上运行的 因特网。i po v e rw d m 是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或 直通连接，网络的业务工程可以只在m 层完成。由于使用了指定的波长，结构更 灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。 采用i po v e rw d m 技术，可减少网络各层间的中间冗余部分，减少s d h 、a t m 和p 等各层间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。同时，由于省 去了a t m 层和s d h 层，所以传输效率高，额外开销低，简化了网管，并可与口 的不对称业务量特性相匹配，充分利用带宽，大大节省网络运营商的成本，从而 间接地降低了用户获得多媒体通信业务的费用，非常适用于超大型口骨干网。 近年来，随着互联网的迅猛发展，p 业务呈现爆炸式增长。预测表明，口将 承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务，构成未来信息网络的基础。同时 光网络的业务快速发展，使得其具有高速的传输速率，正渐渐成为众多多媒体业 务主要传输载体，但与此同时，这又对光网络管理提出了新的挑战。因为在高速 的传输前提下，一个短时间的服务中断就可能会造成大量的数据中断。可想而知， 高速透明传输网络的生存性管理的地位相当重要。还有其交换方式由静态可重构 向动态可重构发展，光网络朝着快速动态化方向发展，而整个传输网络更容易受 到网络故障、错误配置、信号质量恶化等因素的影响。有了有效地光网络性能监 测及故障定位技术才能使光网络的生存性得到保障。可见，网络的性能监视和故 障管理技术是网络发展的使能技术。 1 2 光网络性能监测 网络生存性是指网络发生故障时，仍可继续提供服务的能力。具体来说，生 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 存性是指在网络发生故障后能尽快利用网络中空闲资源为受影响的业务重新选 路，使业务继续进行，以减少因故障而造成的社会影响和经济上的损失，使网络 维护一个可以接受的业务水平的能力。 广义的生存性【5 】包括以下几个方面：故障检测( f a u l td e t e c t i o n ) 、故障定位( f a u l t l o c a t i o n ) 、故障通知( f a u l tn o t i f i c a t i o n ) 、故障恢复( f a u l tr e c o v e r y ) 。故障检测阶段要 求很高的精确性，是光网络故障管理的一个先决条件。有了精准的监测结果才能 为光网络中故障的定位以及恢复提供有效的依据，从而提高故障定位率以及降低 恢复时间，让故障带来的损失降低到最小。目前光网络故障管理中的监测和定位 阶段的研究更加紧密一些，监测的方法直接影响到定位的准确率，所以研究者一 般在研究监测算法的同时用故障定位率来验证其可行性。 狭义的生存性【5 】分为保护机制( p r o t e c t i o ns c h e m e s ) 和恢复机制( r e s t o r a t i o n s c h e m e s ) 。保护机制是指利用节点之间预先分配的带宽资源对网络故障进行修复的 机制，一般在工作路径建立的同时建立保护路径。恢复机制是指不进行预先的带 宽资源预留，当发生故障后，再利用节点之间的可用资源动态地进行重路由来代 替故障路由的机制。 而文献【6 】中，又将光网络的生存性包括故障生存性和攻击生存性两个部分， 而故障生存性包括故障的检测、定位、保护以及恢复；攻击生存性包括物理安全 管理和逻辑安全管理两部分，物理安全管理也包括检测、定位、保护以及恢复四 个部分，如图1 2 所示。 图1 2 光网络生存性 光网络监测技术作为光网络生存性的使能技术，一直备受研究人员的关注。 由于光网络每一层上的监测任务不一样，所以其对应的监测方法也会随之改变。 1 2 1 小节就针对光网络分层监测的任务与方法做简单的概括；1 2 2 小节就光网络 中各种源器件的告警能力做了归纳；而1 2 3 小节将对光网络中故障分类进行简单 归纳。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 1 光网络分层监测 网络性能的监视与故障管理都应该采用分层分级策略。物理层、链路层和客 户层要有不同的监测策略，相应地可将告警分为四层：o t s 、o m s 、o c h 和 c l i e n t t 7 1 。 网络实体本身就具有故障告警的能力【8 l 。网元按照交换轴分为上游侧与下游 侧，定位的位置包括：上游的o t s 、o m s 和o c h 层故障，下游的o m s 、o c h 和c l i e n t 层故障。原理是利用网元内部的告警信息进行信息定位。 光网络中各层的监测任务与方法各不相同。目前已有两种基本的监测性能任 务已经被删- tr e cg8 7 2 标准化，分别为关联监测和信号质量监测。下面将简单 的介绍一下这两种监测方法的区别： 1 、关联监测：包括连接性监测和连续性监测。连接性监测的任务是通过分析 径迹标识符( t r i ) 来完成下游节点和源节点之间的一个完整路由的监测。t t i 是在 o t u k 或者是o s c 层的帧头部分被传输的。连续性监测运用简单的监测设备检查 一个路径上特性信息出现与否来完成监测的。 2 、信号质量监测：整体上监测路径上的性能。当某性能下降到一定门限的时 候，信号质量监测可以激活一个监测设备产生报警。这些光性能参数在o t s 、o m s 、 o c h 层都被r r u - tr e c ( 3 6 9 7 完整定义。表1 1 为分层策略中各层的监测任务及采 用的方法。 表1 1 光网络分层监测的任务与方法 分层关联监测 信号质量监测 丢比特 b 口- 8 r n 在d n ，l h 丢帧 f e c g 7 0 9 包 光信道功率、波长、 装 1 - n 在o c h s o c 信道光功率 光信噪比、 中传输 q 因子 o m s 光功率 光谱分布 光功率 增益倾斜 o t s1 1 1 在o i s o s c o s c 报警 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 2 光网络元器件的告警能力 光性能监测的目的是为光网络自身配置、故障和性能管理提供可靠和及时的 状态信息。为了达到这一目的，光网络的每一层的节点都应该配置有简单且有效 的光性能监测功能并且能够持续的监测这一层信号提供的服务【9 1 。网络中的运输实 体提供光信号的透明传输。在网络的每一层都有特定的属性信息【1 0 1 。网络中的传 输实体及监测报警能力如表1 2 所示： 表1 2 光网络元器件的告警能力比较 设备监测能力告警产生 每个信道输出光功率 输入功率报警 光发射器 及温度激光器温度报警 光接收器每个信道输入光功率输入功率报警 由于丢失，补充，和通过信道时造 a d m 每个波长功率监测 成的信号功率报警 不能补充信道 连接已经建立 监测每个波长的 硬件故障 o x c 没有资源 输入输出功率 输入波长功率高于低于门限 输出波长功率高于1 氐于门限 根据功率问题转换输入x 至输输入 保护s w输入功率 y 3 r 设备( 尬g e 趔峨 信道的输入输出功率 输入偷出功率高于低于门限 无法锁定帧 r e # s h a l ：m , r e , - t i m o r ) 及温度 激光器温度超限 输入腧出功率超出范围 波长转换出错 波长转换器输入输出的波长功率监测 由于光纤上缺乏资源导致的波长 阻断 放大输入输出功率及泵浦 光放大器放大输入输出功率高于，低于门限 激光器温度 网元实体虽然对光网络的性能有一定监测和告警能力，但对一些重要参数： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 误码率，光信号功率，信噪比和中心波长等却无法完成必要的监测。我们的方案 是通过发送探测帧的形式来实现对信道性能的监测。考察监控网络的健康状态来 发现故障，为故障定位、故障通告、业务恢复和故障排除提供指示和参考。 1 2 3 光网络中的故障分类 在光网络中，监测信号质量是非常复杂的事情，因为监测是要在光域实现的， 并且光信号转换成电信号仅仅是在光通路的终端。根据对信号产生的影响，光网 络中可能发生的故障分为四种类型【l u ： ( 1 ) 功率下降( p d ) ：这种故障包括任何故障和攻击引起的光功率变化。例如光 纤弯曲或断纤。 ( 2 ) 带内干扰( t a j ) - 这种故障是由于信道内部的串音。具有同样波长的两个不 同信号在一个开关中可能发生不必要的信息“交换 ，或者攻击者在输入端逐渐增 加一个信道相对于其他信道的功率，以至于某些信道的输出功率太低或太高( 低功 率信道比高功率信道获得的增益少功率均衡) 。 ( 3 ) 带外干扰( o b j ) ：这种故障是由于信道之间的串音和非线性性。攻击者可 能在信号窗口之外加入一个特定波长的功率，这将会影响信号，使其产生喇曼效 应和交叉增益调制。这种攻击带来的问题是，虽然滤波器可以移除带外干扰信号， 但是内部数据已经损坏，只有当被b e r 监控器或者是e y e 监控器接收和监测时， 才能发现这种故障。 ( 4 ) 波长偏移( w m ) ：发射机发射的信号波长可能与所需波长稍有不同。 这四种故障涵盖了透明光网络可能发生的大部分故障情况，因此它们可以作 为重要的部分应用于问题模式化和算法的计算。 光网络故障按生命周期可分为永久故障、暂时故障和瞬间故障三类；根据故 障发生来源的不同，将它们划分为硬故障( h a r d e r r o r s ) 和软故障( s o f t ：e r r o r s ) 。根据网 络设备的作用，我们也可以将故障简单分为以下三类：连接设备故障、共享设备 故障、其它设备故障( 包括电源故障、监控器故障、测试仪故障、分析仪故障等) 。 光网络中的节点设备上一般都有相应的告警设备，处理起来较链路故障容易， 所以光网络一般所说的故障是指链路故障。而链路故障一般是通过光网络性能监 测机制进行特定的监测，才能得到较精确的监测结果。而这种针对光网络链路故 障的监测机制在设计时，需要注意在定位精度以及监测成本之间的衡量，即以最 小的监测成本达到最大的定位精度。目前研究人员采用线性规划的方法来实现定 位精度与监测成本之间的最佳权衡。光网络中的硬故障指由断纤、掉电、设备损 坏、人为攻击等引起的突然中断通信的事件；软故障指由器件老化、波长中心漂 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 移等引起的恶化信号质量的事件，两者的发生都将导致业务中断，大量数据信息 丢失。而软故障积累到一定程度将会跃变成硬故障。该定义从物理层的角度出发， 分别描述了两类影响网络运营的因素。但是，诸多其它原因也有可能导致严重的 业务中断，如网络拥塞，资源竞争等，因此，可称上述所定义的软故障和硬故障 为狭义网络故障，相对地，不仅仅限制于物理层，广义网络故障包含所有引起业 务中断的因素。 图1 3 光网络故障分类 1 3 光网络的发展对光网络性能监测的新要求 随着光网络的发展，透明化、智能化、高速长距离化逐渐成为其发展趋势。 为了保证光网络管理的可靠性，光性能监测( o p m ) 已经发展成为一个重要的研究课 题【1 2 】。面对新的网络发展趋势，光性能监测技术也面临着新的挑战【1 3 d 5 1 。 ( 1 ) 光网络的透明化趋势使得光性能监测技术面临着新的挑战。需要更优的开 销传送技术来适应其发展。现有的数字包封技术、光监控信道技术、副载波复用 技术在随路传送开销的情况下，开销可以实时地反映信号的质量，但是在中间节 点不易介入和重新读写。而共路开销传送不一定能正确反映信道的健康状态。 ( 2 ) 光网络的智能化趋势要求光网络必须具有高度的感知能力，包括对物理层 参数的感知、光网络状态的感知以及业务属性的感知技术。它要求光网络不仅仅 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 是在监测到光信号的劣化和网络故障时简单地给出告警指示，而是需要智能地对 光网络所承载的业务特性、影响自身性能的各种物理参数和传输信号的质量、以 及网络拓扑变化和最佳可用路由等进行全方位感知，进而能够为光网络的资源优 化提供充足的信息和依据。 ( 3 ) 光网络的高速化趋势要求光网络必须具有高可靠性及生存性，这样才能保 证在光网络出现故障的时候，尽量减少数据的丢失。而高质量的光网络监测技术 是光网络可靠性得以保障的前提条件。这就要求更先进的光网络监测技术必须具 备准确性以及实时性。 光网络的性能包括三个参数g 误码率，光信号功率和信噪比。从9 0 年代开始， 面向客户层业务的光信道检测技术就被广泛探讨。大致分为：一般位于电子终端 的数字测量( 如b i p ) 和通常位于交换节点的模拟测量( 如光信噪比) 。 而对于光包交换来说，这种故障监测的方法在故障检测、故障隔离和故障排 除的条件下是无效的。因为它们是通过考察来自不同源节点和在不同光信道传输 的转发数据包的传输质量来评估信道的健壮性，而在短时间内，光学参数在网络 上具有任意性。因此，通过偏差的模拟测量来获得故障提示或者是通过对所有参 数都敏感的数字监测来定位根故障都是非常困难的。可以将光网络的监测分为两 个部分：对光网络性能的监测和对故障的监测。其目标是通过监测网络的健康状 态来感知光网络中的传输质量以及发现故障，为路由选择、故障定位、故障通告、 业务恢复和故障排除提供可靠的参考依据。故障定位需要定位到“哪一跳【1 6 】 。网 络的性能监视和故障监测技术被视为网络发展的使能技术【l7 1 。 1 4 本文的主要工作及其内容安排 随着光网络的快速发展，波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术被广泛采用。宽带视频、多媒体等业务也日益兴起，网络的业务量及传输速 率都达到一个空前的水平。这也带来了一个问题，一旦网络发生故障，将会造成 巨大的业务数据丢失，这对整个网络的生存性来讲是一个很严峻的问题。 因此，本文作者在阅读了大量文献资料以及三年的思考研究前提下，将研究 生阶段的研究成果归纳为本文。作者将从以下几个方面来介绍研究工作： 网络性能与故障监测紧密地联系在一起，其目标是通过监控网络的健康状态 来实时发现故障和失效事件，为故障定位、故障通告、业务恢复和故障排除提供 指示和参考信息。因此要求所设计的光网络故障监测和定位算法在保障准确性的 前提条件下，尽量缩短定位时间。在本文的第二章介绍了光网络故障监测及定位 8 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 技术，包括光网络发展对故障监测技术的要求与挑战、光网络故障监测机制、以 及目前光网络监测技术的研究现状。 目前网络故障的监测主要是根据收集到的各种网络状态信息进行判断的。收 集网络状态信息一般有两种方法：异步告警和主动轮询，网络中都是将这两种方 法结合起来使用的，从而较好地克服了异步告警不可靠性带来的影响，但主动轮 询时轮询周期难以确定的问题仍未得到解决，且现有的定周期轮询的监测开销存 在不合理性。为了解决光网络中监测技术的开销问题以及监测周期难以确定的问 题，本文在第三章对网络状态监测算法进行了自感知地调节改进，得出了具有自 感知能力的基于状态差值的监测算法和基于快速收敛的光网络监测算法。自感知 监测算法可以根据网络的监测结果即网络的健康状态实时地调整监测周期，实现 了光网络自感知技术的应用，降低网络资源开销。首先，轮询得第n 个监测周期 的监测结果；其次，判断其是否超出阈值，若超出则告警，并根据自感知监测算 法减小监测周期；若未超过则根据自感知监测算法增大监测周期。仿真结果表明： 基于状态差值的监测算法和基于快速收敛的光网络监测算法能在不同数据环境下 降低网络资源开销( 与定周期监测相比) ，这两种监测算法分别适用于波动较大的数 据和平稳性较强的数据。 光网络中发生故障对于整个网络的运行会造成不可估量的影响。因此，现今 故障监测定位技术是光网络有效运行的保障。在大量的研究比较故障监测定位算 法的基础上，第四章介绍了一种基于探测路径的光网络多故障定位算法，解决了 圈覆盖算法中难于对多故障定位的问题。首先，在启发式生成树圈覆盖算法( h s d 中为每个圈选择监测站点；其次，由h s t 算法得到潜在的故障域；再次，采用k - 最短路径算法o c s p ) 来实现监测路径的选择；最后，建立告警代码和监测路径的映 射关系。仿真结果表明：在传统h s t 圈覆盖算法的基础上改进所得的最短路径多 故障定位算法( d m f l a ) 对光网络的多故障监测定位具有很好的适应性，能够实现 光网络中双故障的完全定位。 最后一章作者总结了自己的研究工作取得的成果及不足，分析了下一步的工 作计划，对未来进行了展望。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章光网络故障监测及定位技术 第二章光网络性能监测及故障定位技术 2 1 光网络性能监测及故障定位技术的研究意义 光网络的快速发展，使得其具有高速的传输速率，正渐渐成为众多多媒体业 务主要传输载体，但与此同时，这又对光网络管理提出了新的挑战。因为在高速 的传输前提下，一个短时间的服务中断就可能会造成大量的数据中断，可见，对 高速透明传输网络的生存性管理是相当重要的。另外随着光网络的交换方式由静 态可重构向动态可重构发展，光网络朝着快速动态化方向发展，而整个传输网络 更容易受到网络故障、错误配置、信号质量恶化等因素的影响。有效地光网络性 能监测及故障定位技术才能使光网络的生存性得到保障。可见，网络的性能监视 和故障管理技术是网络发展的使能技术。 在下一代光交换网络体系结构中，通常情况下认为网络故障包含软、硬两类 故障【l 引。硬故障指由断纤、掉电、设备损坏、人为攻击等引起的突然中断通信的 事件；软故障指由器件老化、波长中心漂移等引起的恶化信号质量的事件，两者 的发生都将导致业务中断，大量数据信息丢失。 目前单纤可以支持t b s 业务速率，任何链路或者节点的失效将导致巨大损失。 据美国f c c 报告显示，每两天就有一次影响3 0 0 0 0 名客户的网络故障发生，而故 障修复的平均时间是5 1 0 小时。此外，若传输容量达t b s 的单根光纤失效，将影 响1 2 0 0 万对以上的电话业务【1 9 1 ，因此，对网络的故障监测定位等容忍机制进行深 入研究不仅具有深远的理论意义，而且具有重要的实用价值。此外，对于布设大 容量光传送网的运营商以及电信厂商来说，网络的故障监测定位等容忍策略则为 重中之重 2 0 - 2 2 1 。 2 2 光网络性能监测的方案 网络性能与故障监测紧密地联系在一起，其目标是通过监控网络的健康状态 来实时发现故障和失效事件，为故障定位、故障通告、业务恢复和故障排除提供 参考依据。因此要求所设计的光网络故障监测与定位算法在保证监测或者定位准 确性的前提条件下，尽量缩短定位时间。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章光网络故障监测及定位技术 故障监测机制是故障容忍策略( 例如故障定位、故障恢复) 能够有效实现的前提 条件，同时也是网络管理的难点之一，因为监测质量的好坏直接影响到故障容忍 策略的执行效果。故障监测的目标是通过监控网络的健康状态来实时发现故障( 包 括“隐性”故障) ，为故障定位、故障告知、业务恢复提供有效地参考信息【2 3 ，2 4 】。 除了透明性，未来的光网络向超高速、超长距离和动态统计复用资源方向发展嘲， 这给故障监测和故障容忍技术带来了前所未有的挑战。 广义网络故障的产生原因非常复杂，对所有故障产生原因都实时监测将会使 硬件成本和网络控制开销急剧上升。下面是几种主流的监测技术： l 、文献【2 6 】采用数字包封技术在光层上来完成故障的管理和监视； 2 、文献 2 7 ，2 8 提出了基于副载波复用的光性能监测与传送技术，也称“导频” 技术，发送节点对波长信道分别施加不同频率的副载波，中间节点分离一部分用 于监测多种光性能参数。 3 、文献 2 9 ，3 0 提出了一种带外、共路开销传送技术，复用承载高速数据信息 的波长信道和承载管理信息的光监视通路，网络节点通过解复用器分离并分别进 行处理。 下面就目前涉及到的光网络监测方法做下简单的介绍，主要是对探测帧监测 机制以及监测结构设计的概述。 2 2 1 探测帧监测 随着网络应用的发展，网络管理开销不容忽视，需要实现用最小的管理开销 监测整个网络状态。自适应探测具有提供在整个网络内有效地端到端的监测和故 障诊断的能力。基于算法的自适应探测通过在健康区域发送较少的探测帧；在可 疑故障区域发送较多探测帧的方法来定位网络中的故障。使用探测帧对光网络进 行性能监测是可行的，但是对于探测帧的设计问题很少有研究者进行研究。文献 3 1 】 针对光突发交换网路提出了一种故障探测帧的设计结构。该探测帧结构采用与d b 信号格式相似的格式。如图2 1 所示： 在o b s 网络中的核心交换模块中加入专门设计的探测模块，对于d b 和p b 的区分是按照如下规则进行： 1 、如果s c u 处理的是b h p ，则根据b h p 中的地址和波长等信息，配置光交 叉连接设备，使数据信道上相应的d b 被交换到相匹配的出口波长，或下路送往边 缘出口节点。 2 、如果s c u 处理的是p b h p ，那么就控制o x c 将p b 交换到探测模块，由 探测模块处理探测突发，对数据信道性能进行评估。 重庆邮电大学硕士论文第二章光网络故障监测及定位技术 ( a ) d b 信号格式示例 l a y e r l s y e r d m l a y e r 2 2 2 监测结构的设计 ( b ) p b 信号格式示例 图2 1 突发的信号格式示例 光性能监i 煲o ( o p m ) 是对物理层上信号质量的监测，从而来确定光域上的信号健 康状态【3 2 】。光网络性能的监测有两种，分别是主动探测和被动探测。如光纤不具 备监测网络性能的能力，无法根据自身的运行状况进行性能监测和产生故障告警， 所以它就属于被动探测设备。而主动监测设备中通常备有某种额外的监测设备在 网络性能发生异常的时候能够产生告警，从而为网络故障容忍策略提供可靠的依 据。 在光网络中，若对所有光包进行监测将会大大增加网络开销，甚至会出现适 得其反的状况，造成网络因监测开销过大而瘫痪。因此，我们用面向信道的性能 监测来代替测试所有的光包。各个信道的健康状况被探测包周期性的抽样并由监 测器记录监测结果。这样一旦光网络中有故障发生，就可以被及时地监测并且迅 速定位【1 4 1 。 根据w d m 网络中，数据传输的基本单元是光包或者光突发包，每个光包或 者光突发包都被分为帧头和净荷两个部分。帧头部分一般包含控制信息，会被转 换为电信号进行电域上的控制处理；而净荷部分一般不经过电域处理，直接在光 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章光网络故障监测及定位技术 域上进行传输。这样，帧头与净荷部分在输出接口重组后，它们所积累的损伤是 不同的，因为帧头是电再生的，而净荷不是。虽然在电通信网中，头部的性能能 反映包的性能，然而在光通信网中却不是这样。考虑到未来光网络向智能化发展 的趋势，光网络的性能监测不仅仅为故障提供告警依据，还要为整个网络的运作 提供依据，譬如，监测结果能够为光网络中的路由选择提供给参考依据( 根据业务 的q o s 等级选择传输质量相匹配的路径进行传输) 。 经过上述分析可知，我们在核心路由器中的性能监测模块需具备以下几个模 块：p b 生成模块，o e 模块，e o 模块，p b 分析模块，光功率统计模块，记录查 询模块、性能查询模块。如图2 1 所示： 图2 2 光网络中的探测模块设计 以上两小节主要是针对光网络中基本的监测手段以及监测模块的介绍，这是 光网络性能管理的基础。在光网络发展的新要求、新挑战下，光网络的监测手段 及监测模块的的设计都要与时俱进。光网络监测只是光网络性能管理的基础部分， 而光网络故障定位技术是光网络性能管理不可或缺的一部分，2 3 小节将对光网络 中的故障定位算法进行分类介绍。 2 3 光网络中故障的定位算法 在光网络中，虽然说发生故障的概率不是很大，但是一旦有故障发生将会造 成大量的数据丢失。这给光网络的生存性提出了严峻的考验。为了解决这一问题， 目前一些研究人员已经投入到这方面的研究工作中，并已取得了一定的研究成果。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章光网络故障监测及定位技术 网络性能与故障监测紧密地联系在一起，其目标是通过监控网络的健康状态来实 时发现故障和失效事件，为故障定位、故障通告、业务恢复和故障排除提供指示 和参考信息。因此要求所设计的光网络故障监测和定位算法在保障准确性的前提 条件下，尽量缩短定位时间。 在光网络中，如果一个网络节点发生