（通信与信息系统专业论文）光网络的多层保护策略及其算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 数据业务的迅猛发展推动电信传送网络向高带宽和多业务的方向发 展。w d m 技术使传输网络获得巨大的带宽，直接利用w d m 技术承载 i p 业务的i po v e rw d m 光网络成为下一代网络的理想选择。在这种 高速、多业务的传送网中出现任何故障都会造成巨大的影响和损失，因此， 当前网络的生存性研究较传统网络更加迫切。 论文首先分析了i po v e rw d m 光网络各层生存策略，指出根据网络单 层特性产生的单层生存策略，不能满足整个网络生存性需要。譬如，i p 层 生存策略可以提供较高的资源利用率但故障恢复缓慢；w d m 层生存策略 故障恢复迅速但资源利用率低。如何利用各层生存策略的优点为整个网络 提供高效的多层生存策略成为网络生存性研究亟待解决的问题。 在分析已有的多层生存性策略的基础上，本文提出了一种支持业务区 分和层间备用资源共享的多层保护策略。根据业务的传输时延和恢复时间 的不同要求，将业务分为三个等级，并对各等级业务提供不同保护策略。 第一等级业务主要是实时性要求的业务，要求恢复时间短。可采用光层1 ： l 专享通道保护第一等级业务，以保证故障发生时能快速恢复。并且第一 等级业务的备用资源在无故障情况时，可以被低优先级业务使用，从而提 高了资源的利用率。第二等级业务对恢复时间要求低，无需在光层保护， 可采用i p 层共享l s p 保护：第三等级业务是尽力而为的业务，不用保护。 本文提出的多层保护策略能为不同等级的业务提供不同的保护策略，并能 有效实现层间资源共享，提高了资源的利用率。 最后，论文回顾光网络中的r w a 并对i po v e rw d m 网络中一种动态 多层保护算法进行研究分析，总结其优缺点。在此基础上提出一种实现多 层保护策略的多层保护算法。该算法对不同类型的业务采用不同的通道保 护算法，并在原有通道保护算法基础上对链路权值和路径代价进行修改， 使其符合业务需求。通过网络仿真，新的多层保护算法与以往没有层间资 源共享的多层保护策略相比在降低时延和降低网络平均阻塞概率方面均 有明显改善。 关键词：多层保护区分服务质量层间共享光层保护l s p 保护 摘要 a b s t r a c t 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 f t h et e l e c o m m u n i c a t i o n t r a n s m i s s i o nn e t w o r k i n t h e d i r e c t i o no f h i g h b a n d w i d t ha n dm u l t i s e r v i c e w d mt 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 n n e t w o r k sh a v eh u g eb a n d w i d t h i po v e rw d mo p t i c a ln e t w o r ki sa b e s tc h o o s e f o rn e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k i ns u c ha h i g h s p e e d a 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 er e s e a r c ho ns 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 l n e t w o r k f i r s t l y ，d i f f e r e n ts u r v i v a b i l i t ys t r a t e g yo fi pl a y e ra n dw d ml a y e ra r e a n a l y z e d a n dc o m p a r e di nt h ep a p e r w ef i n ds i n g l el a y e rs u r v i v a b i l i t 7 s t r a t e g yc a n tr e s o l v et h es u r v i v a b i l i t yo fi po v e rw d m n e t w o r ke f f i c i e n t l y f o re x a m p l e ，t h es u r v i v a b i l i t ys t r a t e g yo fi pl a y e ra l w a y su s e sr e s o u r c e e f f i c i e n t l yb u tc a n t r e c o v e rf r o mf a i l u r eq u i c k l y a n dt h es u r v i v a b i l i t y s t r a t e g yo fw d ml a y e r i s o p p o s i t i o n h o wt o u s ed i f f e r e n ts u r v i v a b i l i t y s t r a t e g y t or e s o l v es u r v i v a b i l i t yo ft h en e t w o r kb e c o m e sa ni m p o r t a m p r o b l e m b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ee x i s t i n gs t r a t e g yo ft h em u l t i - l a y e r s u r v i v a b i l i t y ，aq o s - a w a r em u l t i - l a y e rp r o t e c ts t r a t e g yt h a tc a l ls h a r er c s o u r c e b e t w e e nt w ol a y e r si sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td e m a n do nd e l a y a n dr e c o v e r yt i m e ，t h et r a f f i c sa r ec l a s s i f i e di n t ot h r e ec l a s s e s t h ef i r s tc l a s s t r a f f i ci sm a i n l yr e a lt i m et r a f f i ca n di t sr e c o v e r yt i m ei ss h o r t o p t i c a ll a y e r d e d i c a t e dp r o t e c t i o ni sa d o p t e dt oa s s u r ei t ss h o r tr e c o v e r yt i m e a n dw h e n t h e r ei sn of a u l t ，t h eb a c k u pr e s o u r c ec a l lb eu s e db yt h el o wc l a s s e st o i m p r o v et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h es e c o n dc l a s st r a f f i ch a sl o wd e m a n do n r e c o v e r yt i m e a n di tc a l lb ep r o t e c t e db yi pl a y e rs h a r e dp r o t e c t i o n t h et h i r d c l a s si sb e s t e f f o r tt r a f f i ca n di td o n tn e e dt ob ep r o t e c t e d t h ep r o p o s e d m u l t i l a y e rp l o t e c ts t r a t e g yc a l lp r o v i d ed i f f e r e n ts t r a t e g yf o rd i f f e r e n tc l a s s t r a f f i c s a n di tc a ne f f i c i e n t l ys h a r er e s o u r c eb e t w e e nt w ol a y e r sa n di m p r o w t h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n f i n a l l y ，d i f f e r e n tr w aa l g o r i t h ma n dam u l t i l a y e rp r o t e c t i o na l g o r i t h m a r ea n a l y z e d ，a n dt h em e r i ta n dd e m e r i to ft h em u l t i l a y e rp r o t e c t i o n a l g o r i t h ma r es u m m a r i z e d t h e n ，an o v e lq o s - a w a r em u l t i l a y e rp r o t e c t i o n i i 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h ea l g o r i t h ma d o p t sd i f f e r e n ts t r a t e g yf o rd i f f e r e n t t r a f f i c a n di ta d j u s tt h ec o s to fl i n ka n dp a t ht om e e tt h ed e m a n do ft r a f f i c a c o m p l e t es e to fs i m u l a t i o n sp r o v e st h a tt h i ss c h e m ec a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s e t h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n de n d t o e n dd e l a y ，c o m p a r e dw i t ht h em u l t i l a y e l p r o t e c t i o ns c h e m ew i t h o u ti n t e r - c l a s sb a c k u pr e s o u r c es h a r i n g k e y w o r d s ：m u l t i l a y e rp r o t e c t i o n ，q u a l i t yo fs e r v i c e - a w a r e ，i n t e r 1 e v e l s h a r i n g ，l i g h t p a t h - l e v e lp r o t e c t i o n ，l s p l e v e lp r o t e c t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 从历史上来看，光网络的发展经历了两代：第一代光网络是s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ) 网 络。它的特点是以点到点波分复用( 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 ) 传输系统为基础，提供大容量、长距离、高可靠的业务传送，但所 有的交换和选路在电路层实现。9 0 年代中期发展的密集波分复用( d w d m ，d e n s e 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 ) 光网络技术进一步挖掘了光纤的带宽潜力，提高 了网络的传输性能，但在联网技术上没有实现统一。第二代光网络是i t u t 于上 世纪末提出的光传送网( o t n ，o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 。其主要特点是在光层实 现交换、选路等功能，从而成为真正意义上的“光”网络。光分插复用：器( o a d m ， o p t i c a la d d - d r o pm u l 邱l e x e r ) 、光交叉连接器( o x c ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 等光节 点技术的成熟为o t n 的发展铺平了道路，光网络的拓扑形式从环网向格形网演 化，一些复杂的网络功能( 如保护和恢复) 也得以实现。由此可以预见，随着光网 络各方面技术的不断发展，光网络会向超高速，多粒度，多业务的方向发展。 近年来，随着m 业务的蓬勃发展，许多骨干网中超过9 0 的容量己用于承载 m 业务，而且m 承载的业务也呈现出多样性，包括语音、视频、数据等多种业 务类型。丰富的业务类型对于口承载网和传送网的服务质量、安全性和可靠性都 提出了更高的要求，但与此同时，业务收入的增长却相对缓慢。如何高效承载口 业务，同时降低网络建设和运维成本，成为运营商在传送网建设中最关注的问题。 针对此问题，经历了i po v e ra t m 、i po v e rs d h 等一系列演变，i po v e rw d m 以 其简单的网络结构，合理的开销和极大带宽资源，成为走向全光网络的关键技术。 目前商用化的w d m 系统的容量已达到了4 0 0 g b i t s ，单纤可提供4 0 8 0 1 6 0 个波长的波分复用传输，单波长传送容量可达到2 5 g b i t s 、l o g b i t s 、4 0 g b i t s 。 巨大的传输容量也向整个网络的生存性提出了挑战。据美国有关资料分析，如果 通信中断1 小时，航空公司要损失2 5 0 万美元，投资银行要损失6 0 0 万美元；如 果通信中断两天，足以使投资银行倒闭，因此如何提高网络的生存性是网络运营 管理者所迫切要考虑的重要问题，也正因为光网络的不断发展，使网络所能承载 的信息容量和通信速率成阶梯型增长，这种现状使网络的生存性问题被提到了前 所未有的高度，从实用价值和理论的角度而言，研究网络的生存性具有非常重要 的意义。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 研究现状 在国际上，国际电信联盟( i t u ，i n t e r n 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 ) 已制定 了有关同步数字系列( s d h ) 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w d m 光传送网生存性的研究产生了积极作用。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 ) 项目组提出了多层网络恢复模 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 e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa 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，对于光网络的生存性已有大量研究如澳大利亚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 c y c l e ，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和恢复机制的i l p ( i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 模型【l 捌。g m o h a n 等人提出了动态环境下在i po v e rw d m 光网络中，为不同需求 的业务建立工作和保护通路的方案【3 j ；m a r i op i c k a v e t 等人以i po v e rw d m 网络为 例，总结了当前存在的各种层间协调机制和层间资源分配 4 1 。 在国内，许多著名高校和研究机构也一直在从事光网络生存性方面的研究。 比如，成都电子科技大学的李乐民教授等人针对w d m 层的不同故障类型，不同的 业务类型等情况下都提出了多种保护算法并对i po v e rw d m 对等模型下的动态业 务的通道保护算法进行了广泛的研究。北京邮电大学的顾畹仪教授等人也针对 w d m 层中利用现有的多种保护算法根据不同的光纤数，波长数等现实情况进行了 大量的研究比较，从而提出现实可行的生存策略。 此外，由于光网络生存性技术的前瞻特性，国内外的理论研究也在多方面展 开，主要围绕故障检测方式、生存策略配置、各种生存路由算法等方面展开。 纵观国内外的研究情况，光网络生存性技术的研究热点集中在生存策略和路 由算法两个方面。生存策略又可分为单层生存策略和多层生存策略。根据单层特 性产生的单层生存策略，不能满足整个网络生存性需要。这样，多层网络生存策 略和路由算法的研究成为热点中的热点。所以，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、更好的服务质量是多层 网络生存性机制需要解决的问题。本文将针对多层网络生存策略和路由算法进行 进一步研究。 2 重庆邮电大学硕士论文 1 3 论文内容和组织结构 网络多层生存策略是近年来光通信领域研究的热点，对网络多层生存策略的研 究具有巨大的经济及现实意义。 本文的主要内容分为以下几点： 研究了网络生存技术的背景知识。包括网络生存技术发展现状、当前网络 的业务状态和各层生存技术特点。 在研究现有多层网络生存策略的基础上，结合现有业务的特点，提出了一 种支持业务区分和层间备用资源共享的多层保护策略。 在研究了已有多层保护路由算法的基础上，提出了一种支持业务区分和层 间备用资源共享的多层保护算法，来改善网络的阻塞率，提高网络的资源 利用率，降低了端到端的时延。 论文的整体结构包括五章： 第一章绪论，介绍了研究的背景知识： 第二章介绍了i po v e rw d m 网络生存性的基础知识。包括：i p 层的生存技术 和w d m 层的生存技术。 第三章在研究现有的多层生存策略的基础上，针对现有的网络业务多样化的 特点提出了一种新的区分服务质量的多层保护策略，分析了这种策略的保护方法 配置和层间资源利用。 第四章介绍了现有的一种多层通道保护路由算法，探讨该算法的优缺点，在 此基础上提出了一种新的区分服务质量的多层保护算法，并通过仿真验证了该算 法的性能。 第五章总结整篇论文，概括了论文的内容和结构，并指出论文的不足以及需 要进一步研究的方向。 重庆邮电大学硕士论文第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 2 1 概述 生存性是网络的一个重要指标，其实现是靠具体的保护和恢复措施来保证 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。 两者均需要重新选择其他路由来代替故障路由。但就具体实施方式而言，保护和 恢复方法又各有不同。 保护是指利用节点间预先分配的容量实施网络保护，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， 但备用资源无法在网络范围内共享，资源利用率低。 恢复则通常利用节点之间可用的任何容量，包括预留的专用空闲备用容量、 网络专用的容量乃至低优先级业务可释放的额外容量，还需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。 考察生存性策略的重要指标包括：资源利用率、请求阻塞率、恢复倒换时间、 故障恢复率、恢复粒度、控制复杂度、单或多故障的容忍度、及可扩展性。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 策略来提高网络的某些生存性指标。 i p o v e r w d m 光网络中的生存性技术可以从不同的角度进行分类，主要包括： 根据备用资源的分配在故障发生前后的不同，可分为保护和恢复两种方案；按照 处理层次来分，可分为单层和多层网络生存性问题，而多层网络的生存性是指在 分层网络之间生存性方案的嵌套以及这些方案之间的相互作用；从保护的策略上 来分，有基于链路和通道的保护、共享和专用资源的保护等：从恢复的策略上来 分，包括基于链路的和基于通道的故障恢复、预先规划和动态计算的故障恢复等； 从控制方式的角度来说，有基于集中式控制和分布式控制的故障恢复：依据适用 的故障类型，有针对单链路故障、单节点故障和多点故障的生存性机制。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 2 2i p 层的生存策略 2 2 1 概述 i p 层的故障恢复技术能够恢复多种故障类型的业务，对业务的操作粒度也 很小，但在i p 层的重路由恢复方式速度较慢，无法在故障出现时进行快速的恢复。 目前，在p 层中融入了多协议标签交换( m p l s ，m u l t i p r o p o c o ll a b e ls w i t c h i n g j 技术，使得在口网络中同样能提供面向连接且有q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证的业 务。i p 层的生存策略主要包括：动态的恢复路由方案和多协议标签交换( m p l s ) 的保护倒换方案，两种方案都可以基于链路级或通道级进行。通常情况下，动态 的重路由方案的恢复时间长，但网络资源的利用率高：而m p l s 保护倒换方案的 保护时间短，且对业务的恢复性能有一定的保障。下面将对这两种机制进行详细 分析。 2 2 2 动态路由方式 i n t e m e t 可以看作由许多自治系统( a s ，a u t o n o m o u ss y s t e m ) 组成，而每一 个a s 由属于同一个管理域的路由器组成。一个a s 中的路由器通过内部网管协议 ( i g p ，i n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 交换路由信息，常用的i g p 是开放式路由最短 协议( o s p f ，o p e ns h o r t e s t p a t hf i r s t ) 。当主通道中的两个节点( 路由器) 间的 链路发生故障时，i g p 可以动态的计算和寻找到一条两个节点间的有效备用路由， 以此替代网络的故障路由，恢复故障业务。这使得i p 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。具体来说就是：路由器检测到线路故障 后将重新计算受影响的路由并更新路由表，然后将更新的路由信息通过u p d a t e 消息，如链路状态发布( l s a ，l i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t ) 或边界网关协议( b o r d e r g a t e w a yp r o t o c o l - 4 ) ，通知邻接的路由器。可见，动态重路由方案能充分利用网络 的空闲资源，不受网络资源拓扑改变的影响，但由于重选路由必须等路由表收敛 以后才能进行，因此对规模较大的网络失效恢复的延时相当大。此外，由于口属 于“尽力而为，其操作具有不可预测性。为了克服上述缺点，出现了一些在路 由协议基础进行行改进的方法，目前已经提出的缩短恢复时间的方案有以下几种 【5 ，6 7 1 ： 第一种方案是等价多路转发，其基本思路是：由口源节点发出的i p 包经过多条 不同路由到达口宿节点，这样即便是一条路由上的某一段链路或某一节点发生故 障，在恢复时间内仍有部分p 包( 口包的数目取决于转发的多路数目) 可以由正常工 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 作的路径转发。这些路径在新的路由确定后，可能被拆除。这种方法的本质是：在 维持恢复时间不变的前提下，减少在重路由确定前的丢包数。如图2 1 所示。节点a 到节点b 的路径p a t h l 上的一段链路失效后，f h p a t h 2 和p a t h 3 两条路径转发。 图2 1 等效多路转发 第二种方案是将i p 网络分割成多个子网( s u b n e t ) ，这些子网由基于链接状态的 路由协议( 如：o s p f ) 确定。当网络发生故障时，首先确定故障发生在哪一个子网， 然后仅对该子网进行重路由，这样明显地缩短了重路由时间，从而提高了恢复速 度。 第三种方案是通过减少h e l l o 的间隔时间，达到缩短故障检测的时间，进而提 高恢复速度。在这种情形下，h e l l o 消息以很高的频率的发送，或者快速率地p i n g i n g i c m pe c h o 请求。虽然故障的检测时间缩短了，但这是以增加控制开销为代价的。 2 2 3m p l s 保护倒换方式 这种保护方式可以克服动态路由的时延长的缺陷。基于m p l s 的故障恢复机 制阳1 的基本思想是在工作路径( w o r kp a t h ) 之外建立恢复路径( r e c o v e r yp a t h ) ， l 一- 保护路径一工作路径 图2 2 m p l s 保护倒换 恢复路径从路径切换节点( p s l ，p a t hs w i t c hl s r ) 开始，到路径聚合节点( p m l ，p a t h 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 m e r g el s r ) 结束。如图2 2 所示，p s l 是负责工作路径和恢复路径之间流量切换 和复制的l s r ，工作路径发生故障时由p s l 将流量切换到恢复路径。p m l 既接收 工作路径又接收恢复路径上流量的l s r ，如果p m l 不是目的节点，它将把从恢 复路径上收到的流量汇聚到工作路径上，如果是目的节点，则将数据分组交由高 层协议处理。 保护路径的选择方式主要包括保护交换( 静态的预先建立) 和重路由( 动态 的故障后搜索) 两种。保护交换因保护路径是在故障出现之前预先建立好的，因 而故障发生后的业务恢复速度很快。预先建立的保护路径应与工作路径上的节点 和链路分离，保护路径上的网络资源可以预留，也可在工作路径正常时动态地分 配给低优先权业务使用。工作路径一旦发生故障，让位给原来由工作路径承载的 业务。重路由方式则是上游l s r ( 标签交换路由器) 在得到故障通知后，再利用 q o s 路由协议和信令协议选择保护路径和预留资源，这种方式的故障恢复速度相 对前一方式较慢，但上游l s r 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。重路由虽能保证无间断的业务恢复，但却难以保证所选 的保护路径是最优路径。所用信令可以是针对m p l s 扩展的资源预留协议 ( r s v p m p l s ) 也可以是标签分配协议( l d p ，l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 或基 于约束的l d p ( c r - l d p ) 。为保证重路由的成功，可定期重新计算保护路径，以 便可能达到最优。 r 逻辑链路lsp 一 图2 3 路径保护( l s p 通道保护) m p l s 的保护交换可分为路径保护和局部保护。路径保护是在入口l s r 与出 口l s r 之间寻找一条保护路径，该路径与故障路径完全无关，如图2 3 所示。由 于m p l s 的路径保护的原理与光层的通道保护( 下面将介绍到) 的原理非常相似， 所以除了用1 + 1 的专享保护方式外还可以用1 ：1 的专享保护方式进而扩展到m ： 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 n 的共享保护方式，如图2 4 所示，两条分离的工作路径主用l s p i 和主用l s p 2 源节点l 源节点2 。一i p 主用l s p 2 逻辑链路 一l s p 一一一一一一 图2 4 共享路径保护 的备用路径备用l s p i 和备用l s p 2 ，可以共享逻辑链路d e 。正是由于与光层保 护的诸多相似之处，我们又把m p l s 的路径保护叫做p 层的l s p 通道保护；局 部保护则是在故障链路两端的两个l s r 之间寻找一条保护路径，如图2 5 所示。 b 逻辑链路lsp 图2 5 局部保护 这两种方式也各有特点，路径保护优点是简单、快速，但对节点故障、多链 路故障的处理较困难，局部保护则相对复杂，但对节点故障、多链路故障的处理 能力较前者更强。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章r po v e rw d m 网络中各层的生存策略 2 3w d m 层的生存策略 2 3 1 光层生存性特点 随着w d m 系统的广泛应用，尤其是o a d m 的引入，组网方式从点对点 发展到建设大量环网，网络拓扑还要向格形网络演化，以便充分利用冗余的备份 光纤和设备资源。光网络技术的进步使得直接由光层提供网络保护功能己经从希 望走向现实。光传送网的保护与恢复机制虽然与s d h 网络相似，但是操作在光域， 处理的对象是光波长，光层的保护恢复模式和能力不是s d h 网络的保护与恢复可 以比拟的。总的所来看，光层生存性以下特点： ( 1 ) 保护颗粒粗、保护恢复速度快。光层保护恢复是对波长进行操作，保护 恢复的基本粒度( g r a n u l a r i t y ) 是波长，而不是时隙，从而使网络保护的总带宽提高 了一两个数量级，大大提高了保护恢复速度。 ( 2 ) 恢复成本低。光层恢复比高层恢复需要更少的协调性，不需要业务层恢复 所必须的数目众多的电子器件，简化了相应的通信、管理、控制系统，极大地降 低了成本。 ( 3 ) 可靠性高。光层处于光传送网络结构的底层，可以避免高层网络恢复由于 不清楚物理层拓扑结构，而出现工作路由与替代路由共享光纤链路，造成保护恢 复失效的问题。 ( 4 ) 透明性。光传送网是一个支持多协议、多业务的综合传送平台。光层波长 路由保护恢复技术独立于高层使用的协议，可以为各种速率、各种传输格式的信 号提供一个公共生存平台，不管该信号是否具有内在恢复能力。 w d m 层的生存性技术虽然拥有很多的优越性，但仍然有一定的局限性，。如： 不能处理所有类型的故障，无法检测到网络所有的故障；不能对高层的故障进行 保护，无法对不同的业务提供不同等级的保护；光网络的某些限制条件也会限制 链路的保护能力。所以，对网络的生存性而言需要多层保护机制。 2 3 2 光层生存性技术 光层的保护恢复技术可分为：光通道( o c h ，o p t i c a lc h a n n e l ) , l 罢- 和光复用段 ( o m s ，o p t i c a lm u l t i p l e xs e g m e n t ) 层保护恢复技术( 如图2 6 所示) 。o c h 保护 恢复技术是针对每个光通道的，当故障时，光网络为受影响的故障通道分配一条 完整的( 通常是通道无关的) 保护恢复通路来恢复故障通道，如图2 6 ( a ) 所示；o m s 保护恢复技术是针对光复用段层的，当故障发生时，光网络为受故障链路寻找一 9 重庆邮电大学硕士论文第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 条替代路由来同时恢复故障链路上的所有业务【9 1 ，故又称为光链路保护恢复，如 图2 6 ( b ) 所示。 a 备用路由 ( a ) 光通道o c h 保护，恢复技术 工作路由 ( b ) 光链路o m s 保护，恢复技术 图2 6 光层保护恢复技术 通常空闲资源既能专用保护( 空闲资源为某条工作通路专用) 同时又能用作共 享保护( 空闲资源能同时为多条工作通路提供保护) ，如图2 7 所示。专用保护通常 工作路由l 一- b( ： 工作路由 一 abc 一一 备用路由 c a ) 专享保护foh 一- 工作路由2 ( b ) 共享保护 图2 7 光层专享共享通道保护 是指1 4 - l 和1 ：1 通路保护。1 + 1 通路保护时，工作通路和保护通路同时传送，宿 节点终端动态监测接收信号的质量来决定选取工作通路信号还是保护通路信号； 1 ：1 保护通路时，仅在工作通路传送信号，保护通路配置好之后预留资源，但保护 1 0 d 重庆邮电大学硕士论文 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 通路可以传送业务优先级低的额外业务。共享保护允许空闲的波长由多个备用光 路共享以作为保护通路，其中工作路由l 和工作路由2 必须分离。当故障发生时， 中断的业务由保护资源传送。在操作上需要一些信令来通知网络节点新的传送通 路，并确保保护通路在不同链路上的保护波长能构成保护【1 0 l 。所以，整个光层的 生存技术的分类情况可表示为如图2 8 所示。 光层保护恢复 1r 1r 厂| o c n 层c 通蝴h厂一蝴c 链鼢卜 专用共享专用共享 + 陪用通道保护恢复 共享通道保护恢复 专用链路保护恢复共享链路保护恢复 ( 1 + 1 通道) ( 1 ：n 通道) ( 1 + l 链路) ( 1 ：h 链路) ( 1 ：1 通道) 共享通道波长 ( 1 ：1 链路) 两纤，四纤 自愈环 图2 8 光层生存技术分类 w d m 层的生存性依据拓扑结构又可分为三类：点到点机带l j ( p o i n t - t o p o i n t ) ， 环形系统( 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，经常采用的是1 + 1 、l ：1 、1 ：n 、m ：n 光复用段保 护切换方案。当使用1 + 1 保护时，承载于光信号上的业务是被同时送到两条并行 的工作光纤和保护光纤的通路中来实现保护目的。在正常工作情况下，目的端接 收机收到两条同样的业务流并且选择其中一条进行处理。当工作光纤故障时，在 接收端的光开关就把接收通路切换到保护光纤上。l ：l 保护方案与1 + 1 保护方案很类 似，都是同时利用两条光纤通路来避免故障对业务的影响。但是在1 ：l 保护中，在 正常情况下保护光纤不承载业务流量，只有当工作光纤发生故障时才进行切换， 因而保护光纤可以承载额外业务。m ：n 保护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。m = i 时，m ：n 保护就为l ：n 保护，即n 个工作通路共享同 一条保护通路。 ( 2 ) 环形光网络生存性 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i ：i 匕s d h 自愈环容量更大容易升级。 光层保护环主要生存性结构：有单向光通路专用保护环( o c h d p r i n g ) 、单向光通 重庆邮电大学硕士论文 第二章i po v e rw d m 网络中各层的生存策略 路共享保护环( o c h s p r i n g ) 、两纤双向光复用共享保护环( 2f i b e ro m s s p r i n g ) 和四纤双向光复用段共享保护环( 4f i b e ro m s - s p r i n g ) 。 典型的光复用段共享保护环结构有两纤环和四纤环两种。在两纤环中，每根 光纤都是工作光纤，在每根光纤中的一半容量作为保护资源预留。出现故障时， 故障的两个邻接节点将使用预留的保护资源将故障业务环回。在四纤环中，工作 通路和保护通路分别由不同的光纤来承载。出现故障时，故障链路邻接节点将工 作链路倒换到保护链路上，以环回受到影响的业务。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，在保护通路空闲的情况下可以传送一些等级 低的业务，适合于环网各节点之间的业务量相对均匀的情况。缺点是保护路径过 长，信道均衡比较麻烦。光通路保护环通常是1 + 1 保护方案，因为对信号的每个连 接在两个环上都运行。当故障出现并影响到一个信号时，节点上的a d m 将决定哪 个信道的信号更好，并选择此信道。单向光通路保护目前应用最多，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。缺点是要消耗 整个环网的容量。 ( 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。网状光网的生存性问题 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。 2 4 本章小结 本章通过的i po v e rw d m 网络中每层的生存策略进行了分析对比，阐述了各层 生存策略的优点和缺点，进一步说明单层生存策略不能很好的解决整个网络的生 存问题。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章i po v e rw d m 网络中的多层生存策略 第三章i po v e rw d m 网络中的多层生存策略 3 1 多层生存策略的必要性 在i po v e rw d m 网络中，整个网络由i p 层和w d m 层组成，由前一章可以看 到，不同层次都有各自的生存策略。然而任何单层的生存性机制都不能很好的解 决所有网络中出现的故障，比如：i po v e rw d m 网络中，光层虽然可以有效快速 恢复光缆断裂情况下的业务失效，但对于节点失效的恢复作用不大，也无法应付 路由器发生故障。生存性是i p 所固有的，但i p 这种重路由生存性机制需要的恢复 时间太长，无法满足实时业务的要求，例如当发生光缆断裂时，可导致成千上万 的i p 包丢失，如果要靠i p 层恢复，会引起大量路由器的重新选路容易引起振荡， 恢复时间会大大延时。虽然i p 层引入m p l s ，在一定程度上能实现快速恢复，但 是却存在扩展性差等缺点。而且网络所承载的业务已从单一业务向多业务的方向 发展。各种业务所要求的服务质量( q o s ) 也不尽相同。不同的服务可靠性要求恢复 机制应靠近传输网络中业务流的实际注入点，而业务流可能从不同的层次注入传 输网络所以，在网络中引入相互协作的多层恢复机制显得尤为重要。 所谓多层生存策略是指网络内不同网络层的生存技术的组合以及这些技术 之间进行交互的方式。由于可供实现多层生存性网络的策略选择很多，目前尚无 单层生存性抄术 层 间 生 存 策 略 协 调 图3 1 多层生存性的基本框架 一个简单的方案去建立一个有效的多层生存策略，必须综合考虑每种方案的经济 性，恢复速度、恢复性能和实现复杂度等多种因素，进行比较权衡，同时恢复策 1 3 重庆邮电大学硕士论文 略的选择也应随不同的业务对恢复的不同要求而变化。 3 2 多层生存策略分析 3 2 1 各层生存策略的协调 在进行多层恢复时，如果缺少层间的协调，会造成不同层间故障恢复的冲 突。一个单物理层故障可能会触发在高层的许多警报，造成警告爆炸( a l l a r m e x p l o s i o n ) ，所有的层试图恢复同一个故障，可能会触发多层恢复机制的并行动作， 造成如下不良后果：a ：故障时延的增加：b ：网络资源的浪费；c ：网络维护过程 复杂；d ：将网络引入一种不稳定的状态。因此，在多层网络生存性机制中引入层 间协调是实现联合的多层生存性策略的一个关键。层间协调又包括层间协调机制 和协调顺序【l 引。 协调机制指的是对每个故障由网络哪个层来负责其恢复。包括：最底层恢复 最高层恢复和多层恢复【4 】。 ( 1 ) 最低层恢复方法：指当网络发生故障后，在尽可能最低的一层来恢复受影 响的业务。此时，生存性是在离故障发生的源层