（通信与信息系统专业论文）wdm光网络及多层网络生存性的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 自上世纪9 0 年代以来，数据业务的迅猛发展推动了电信传送网络向着高带宽 和多业务的方向发展。d w d m 技术的引进使得传输网络获得了潜在的无限带宽。 在这样一种高速、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，当前对于网络生存性的研究较传统网络更加迫切。 论文第二章在阅读大量网络生存性相关文献并借鉴前人分析研究成果的基础 上，对各个单层网络( 包括i p 、a t m 、s d h 、w d s 0 的生存性技术进行了全面、系 统的回顾和总结。并对多层网络生存性中的协调机制和保护资源配置方法进行了 叙述。 w d m 光层的保护恢复具有恢复速度快、可靠性高、成本低、透明性强等优点。 基于通路的保护机制由于恢复速度很快且实现简单，已成为解决网络生存性的有 效机制。由于网络业务越来越呈现出动态的特性，要求w d m 网络具有快速响应 动态业务的能力。在动态环境下，为了提高网络资源的利用效率，降低网络阻塞 率，设计良好的路由与带宽分配策略在通路保护中是非常重要的。 论文第三章在动态业务的环境下，对w d m 光网络中基于通路机制的保护算 法进行了研究。重点集中在基于专用通路保护和共享通路保护生存策略的路由解 决方案，即网络中链路权重的处理方法。最后对各种不同的动态保护算法进行了 数字仿真，分析比较了各种算法性能的优劣。 通信网络的多技术性和结构的分域分层特点，决定了网络的生存性尤其是多 层网络的生存性已成为急需突破和发展的网络关键技术。多层生存性技术并不是 各个单层生存性的简单叠加，如何建立有效的多层生存性协调机制，以避免不同 的单层恢复机制之间的竞争；提高层间备用容量的协作和共享性能，降低保护资 源的开销，是多层网络生存性研究中须解决的两个关键问题。 论文第四章研究了多层网络中空闲容量的分配问题。由于多层容量的分配跟 网络中所采取的生存策略紧密相关，论文首先提出了s d ho v e rw d m 网络中的一 种综合的生存性策略以及协调方式。基于此多层恢复机制提出了一种多层网络中 能最大共享保护资源的方法。该方法把单层网络保护资源共享的思想扩展到了多 层网络的环境中，实现了保护资源在不同网络层之间和同一网络内的同时共享。 从而大大减少了保护资源的开销。对该问题使用了整数线性规划模型( i l p ) 进行描 i 中文摘要 述并进行了实验分析。最后针对多层网络中“失效扩散”的现象，提出了一种多 层联合的资源分配方法。该方法通过正确设计上下网络层问的映射关系，保证了 下层单链路故障不会同时影响到上层的工作通路和保护通路，在此基础上我们分 几种不同的策略讨论了需预留多少的保护容量保证受影响的业务1 0 0 恢复。同时 构建了该方法的整数线性规划模型并进行了实验分析。 关键词：生存性，通路保护，多层网络，空闲容量 a b s 仃a c t a b s t r a c t s i n c et h e1 9 9 0 s ，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 d d e v e l o p m e n to ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r ki nt h ed 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 孤ei n t r o d u c t i o no fd w d mt e c h n o l o g ym a k e st h e t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka c q u i r eap o t e n t i a l l yu n l i m i t e db a n d w i d t h i ns u c hah i g h s p e e d a n dm u l t i s e r v i c et 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 ot r e m e n d o u si m p a c ta n d l o s s e s t h e r e f o r e , t h er e s e a r c hf o rs 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 i nc h a p t e r2 ，i tm a k e sa ne x t e n s i v ea n ds y s t e m a t i c a ls u m m a r i z a t i o no fs i n g l e - l a y e r n e t w o r ks u r v i v a b i l i t yb a s e do nr e a d i n gl o t so f r e f e r e n c e sa b o u ts u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g y a n df o r m e rm e t h o do nt h es u r v i v a b i l i t ys c h e m e s t h e na na n a l y s i si sm a d ef o rt h e c o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m sa n da l l o c a t i o no f s p a r ec a p a c i t yi nm u l t i l a y e rn e t w o r k s s u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g yi no p t i c a ll a y e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sr a p i d r e c o v e r y , h i g hr e l i a b i l i t y , l o wc o s ta n ds t r o n gt r a n s p a r e n c y s h a r e d - p a t hp r o t e c t i o n i sa l w a y st h eh o t s p o ti nr e s e a r c hd u et ot h eh i g h e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n df a s t e r p r o t e c t i o n b e c a u s eo ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r ko p e r a t i o n si n c r e a s i n g l y s h o w i n g , w d m n e t w o r k sr e q u i r et h ea b i l i t yt or e s p o n dq u i c k l yt od y n a m i co p e r a t i o n s i nad y n a m i ce n v i r o n m e n t , w e l ld e s i g n e dr o u t i n ga n db a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m e sa l e v e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fn e t w o r kr e s o u r o 器a n dr e d u c ec o n g e s t i o n r a t e i nc h a p t e r3 ，i tr e s e a r c h e st h ep a t hp r o t e c t i o na l g o r i t h mi nw d mn e t w o r k si nt h e d y n a m i co p e r a t i o n se n v i r o n m e n t i tf o c u s e so nt h ep r o t e c t i o no fad e d i c a t e dp a t ha n d s h a r ep a t hp r o t e c t i o ns t r a t e g yf o rs u r v i v a lr o u t i n gs o l u t i o n s ，w h i c hm e a l 坞t h en e t w o r k l i n kw e i g h t e da p p r o a c h f i n a l l y , s e v e r a ld y n a m i cp r o t e c t i o na l g o r i t h m sa r es i m u l a t e d a n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d 1 1 1 es u r v i v a b i l i t yi nm u l t i l a y e rn e t w o r k sh a sb e c o m ea k e yt e c h n o l o g yw h i c hi si n u r g e n tn e e do fab r e a k t h r o u g h t h e r ea r e t w ok e yi s s u e so ft h es u r v i v a b i l i t yi n m u l t i - l a y e rn e t w o r k s o n ei s h o wt oe s t a b l i s ha ne f f e c t i v ec o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m w h i c hc a l la v o i dc o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tl a y e r s t h eo t h e ri sh o wt or a i s et h e i a b s t r a c t l e v e lo f c o o p e r a t i o na n ds h a r i n ga m o n gs p a r ec a p a c i t y i ne h a p t e x4 ，ac o m p r e h e n s i v es t r a t e g ya n da l le f f e c t i v ec o o r d i n a t i o nm e c h a n i s mo f s d ho v e rw d mn e t w o r ka l ep r o p o s e d a f t e rt h a t ，w ea r ef o c u s e do nt h es t u d yo ft h e s p a r ec a p a c i t ya l l o c a t i o ni nm u l t i l a y e rn e t w o r k sa n dp r o p o s e an e wm e t h o do f r e s o u r c e a l l o c a t i o n t h i sm e t h o de x t e n d st h ei d e ao fr e s o u r c es h a r i n gi nas i n g l en e t w o r kt ot h e m u l t i - l a y e rn e t w o r k sa n dm a k e st h ec a p a c i t ys h a r i n g m a x i m u mi nd i f f e r e n tl a y e r s t h e n w ee s t a b l i s ht h ei n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ( i l p ) m o d e lf o rt h ea n a l y s i s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h en e wm e t h o dc a l ls i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ec o s to fp r o t e c t i n gr e s o u r c e s f i n a l l y ，a i m i n ga tt h em u l t i n e t w o r kf a i l u r ep r o p a g a t i o np h e n o m e n o n , am e t h o do f j o i n tl a y e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni sp r o p o s e d t h i sm e t h o dg u a r a n t e e st h a tl i n kf a i l u r ei n t h el o w e rl a y e rw i l ln o ta f f e c tt h ew o r k i n gp a t ha n dt h ep r o t e c t i o np a t hi nt h eu p p e r l a y e r o nt h i sb a s i sa n da c c o r d m gt o v e r a ld i f f e r e n ts c h e m e s ，w ed i s c n s s e dt h a th o w m u c hp r o t e c t i o nc a p a c i t ys h o u l db er e s e r v e dt og u a r a n t e et h er e c o v e r yo fa f f e c t e d o p e r a t i o n s m e a n w h i l e , t h ei l pm o d e l i sc o n s t r u c t e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：s u r v i v a b i l i t y , s h a r e d p a t hp r o t e c t i o n , m u l t i l a y e rn e t w o r k s ，s p a r ec 印a c i t y i v 图目录 图目录 图2 1 常用网状光网络生存性技术1 2 图2 - 2 通路保护和链路保护机制1 3 图2 3p 圈示例。 图2 - 4 多层生存性的基本框架1 6 图3 - 1s p p 的保护资源共享2 4 图3 - 2 拓扑示意图2 5 图3 - 3 网络拓扑图2 7 图3 - 4 阻塞率仿真结果2 9 图3 - 5 资源利用率仿真结果2 9 图3 - 6 负载均衡度仿真结果 图3 7 三种保护策略阻塞率比较3 0 图4 - 1 基于故障的协调方式3 5 图4 - 2s c a 方法优化过程3 6 图4 3m c s 方法优化过程3 7 图4 4 层间共享保护资源示例3 7 图4 5 上层网络拓扑图4 1 图4 6 下层网络拓扑图 f 图4 7 “失效扩散”举例 4 l 图4 _ 8 上层网络拓扑图4 9 图4 9 下层网络拓扑图4 9 v 表目录 表目录 表4 1 故障的依赖性3 3 表禾2s d h 层业务需求4 2 表4 3w d m 层业务需求一。4 2 表4 4 两种方法所需空闲容量比较4 2 表4 5 两种方法空闲容量花费比较4 3 表4 6 上下网络层分别注入的业务量5 0 表斗7 层问的映射关系5 0 表4 8 下层故障的扩散影响5 l 表4 - 9 各种策略所需预留的保护容量5 l v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 、， 日期：伽年岳月2 日 ， 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规 签名：主= 杰毖 导师签名 醐2 7 “肛日 第一章绪论 第一章绪论 1 1网络生存性问题的提出 随着时代的发展，社会的进步，人类对通信的需求越来越大，对通信质量的 要求也越来越高。从简单的电报电话业务，到i n t e r n e t 接入、远程服务、e - m a i l 收 发等等，通信网络已经在社会、经济和人们生活中扮演着越来越重要的角色，这 些都导致着电信技术的不断革新。网络技术的发展促进了通信技术的发展，它一 方面方便了我们的生活，而另一方面又使我们的生活更加依赖于通信。 【1 ) 通信技术的不断发展，加剧了网络故障的危害性 随着光纤通信技术的高速发展，现在的链路传输能力已达1 0 g b i t s ，不少公司 实验室己开发出4 0 g b i t s 的系统，而且引入d w d m 技术后，系统总传输容量已达 到1 0 t b i t s 的水平，由于w d m 技术的不断发展，将来每根光纤可传输的速率会更 高。可见，如果一根光纤或一个节点出现故障，给网络经营造成的损失将会比以 前更大。 ( 2 ) 社会对网络的依赖，导致了网络故障潜在危害性的增加 随着社会生产、生活的各个方面开始使用并依赖于网络，网络中传输的信息 价值日益加大，网络故障也会影响到社会的各个方面。通信网络的一次故障就可 能使银行、航空、铁路和公共安全等多方面陷入瘫痪，其后果将可能是金融，经 济和政治被阻断和失控，甚至还会引起社会骚乱等。根据统计数字，网络服务中 断一小时，航空公司将损失2 4 0 万美元的收入；商业用户和投资银行将损失6 0 0 万美元；而网络中断两天将足以使得银行倒闭。 通信网络的故障，将给人们的生活带来极大的不方便，甚至可能使整个社会 陷入瘫痪。并且无论人们设计多么高级的通信网络，采用多么周密的故障处理方 法，都没有完全消灭过网络故障。网络故障的重大危害性和不可避免性迫使人们 不得不利用各种技术和策略来应付可能突如其来的网络故障，网络的生存性 ( s u r v i v a b i l i t y ) 技术应运而生。 电子科技大学硕士学位论文 1 2网络生存性技术的研究现状和研究意义 网络生存性技术的研究开始于1 9 8 7 年，一直是传送网研究的重点。目前，对 于单层网络的生存性已有大量研究，也发表了很多文献。国际电信联盟 ( j 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 s y n c h r o n o u sd i g i t a lh 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。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 环，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机制的i l p 模型【l 】。gm o h a n 等人提出了动态环境下，建立工作和保护通路的方案 2 1 。研究成 果主要集中在针对某一网络技术( 口，s d h ，a t m ，d w d m ) 的某一网络结构( 环网， m e s h 网1 的保护恢复策略和算法上面。 在多层网络的环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获 得满意的故障恢复效果，因此在这样的网络中需要引入新的解决方案。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 n a c r o s s n 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 d r e s e a r c hp r o j e e t s a 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，m 网络生存性等问题。r 丌- 1 s g l 3 组已将此问题作为2 0 0 1 2 0 0 4 年期间的一个研究 课题而开始专门进行研究，目前网络的一个研究热点a s o n ，其研究内容也包括 了多层网络生存性的问题。对于多层网络情况下的生存性研究在国内外仍刚开始， 并且尚未标准化，其中有许多问题还有待进一步探讨和研究。 近年来，网络技术的发展对网络生存性提出了新的要求，主要体现在以下两 个方面： 巨大的传输容量使得网络的生存性问题更为突出。特别是w d m ( 波分复用) 技 术的商用化，单纤可以支持t h i s 的业务速率。这样巨大的传输容量，使得网络一 旦失效，将造成巨大的经济损失和社会影响。 多层网络的发展，带来了新的生存性技术课题。目前的传输网集成了各种不 同的传输技术以完成各自的功能，即由包括i p 、a t m 、s d h 和w d m 各层的技术 2 一 第章绪论 组成了一个多层的传输网络。网络每层都有各自的生存性技术，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 服务质量就是多层网络生存性机制所要解决的问题。 所以在通信日益发展的今天，网络的生存性问题被提到了前所未有的高度， 对网络的生存性进行深入研究不仅具有重要的实用价值，而且具有深远的理论意 义。 1 3本课题研究主要工作 基于以上对网络生存性研究背景、现状和意义的分析，本人在硕士学习期间 对w d m 光网络以及多层网络生存性的相关问题进行了研究和探索，主要工作包 括： ( 1 ) 对单层及多层网络中的生存性技术以及关键问题进行研究总结： ( 2 ) 对w d m 光网络中基于通路机制的动态保护算法进行了研究，并对各种不 同的算法进行了仿真比较。 ( 3 ) 重点研究了多层网络联合生存机制的相关问题。提出了一种基于故障的综 合生存策略及协调机制。 ( 4 ) 把单层网络保护资源共享的思想扩展到了多层网络的环境中，提出了一种 使保护资源在不同网络层之间和同一网络内的同时共享的多层容量分配 方法。 ( 5 ) 针对多层网络中“失效扩散”的现象，通过正确处理层间映射关系，提出 了一种多层联合的资源分配方法。 1 4 论文结构及内容安排 围绕以上工作，论文具体的结构安排如下： 第一章介绍了网络生存性的研究背景、研究现状、研究意义以及本论文的内 容、创新点和结构安排。 第二章首先介绍了网络生存性的基本概念。如生存性定义、评价指标、故障 的种类、故障恢复过程、故障恢复机制等。然后总结了各种网络( i p 、a r m 、s d h 和w d m ) q a 的生存性机制。最后介绍了多层网络中的各种生存性策略。 第三章研究了w d m 光网络中基于动态业务的专用通路和共享通路保护算法。 3 电子科技大学硕士学位论文 研究主要集中于在各种不同生存策略的路由解决方案，即网络中链路权重的处理 方法。最后对各种不同的动态保护算法进行了数字仿真，分析比较了各种算法性 能的优劣。 第四章详细分析了多层网络联合生存机制的问题。重点研究了多层网络中保 护容量的分配问题。首先提出了一种多层综合的生存性策略以及协调方式。在此 多层生存机制下，提出了一种多层网络中能最大共享保护资源的思想。最后针对 多层网络中“失效扩散”的现象，提出了一种多层联合的资源分配方法。同时构 建了整数线性规划模型并进行了实验分析。 第五章对全文进行了总结，并提出以后研究方向。 d 第二章网络生存性技术 2 1 生存性概念 第二章网络生存- 性技术 网络生存性【3 】可定义为：指网络经受各种故障后仍能维持可按受的业务 质量的能力，属于网络完整性的一部分。网络的生存能力也就是网络发生故 障时，仍可继续提供服务的能力。尽管网络的故障不可避免，但通过对网络 故障的快速检测、定位和恢复却可以使网络更为可靠。 评估网络生存性能的主要技术指标【4 】有： ( 1 ) 恢复时间：是指从网络故障发生到网络传输的业务恢复正常传输所 需的时间。这是一项最为直接、最能体现生存性技术效果的衡量指标。因为 对于网络用户来说，所在意的，也就是他所能感觉到的就是网络提供的业务 质量，而恢复时间的长短将直接影响业务的服务质量和网络的稳定性。 ( 2 ) 冗余资源：是指为了实施网络生存性技术在网络中必须提前预留的 备用资源，以便保护发生故障的链路和节点。冗余资源虽然对于用户是不可 见的，但它直接影响运营商建设网络和运营网络的成本，在市场竞争日益激 烈的今天，降低成本是所有企业生存的根本，所以减少冗余资源是网络优化 的一个重要目标。 ( 3 ) 恢复率：是指网络发生故障时所能恢复的业务占所有受损业务的比 例，它反映的是生存性技术的效率。一般情况下，冗余资源越多，恢复时间 越短，恢复率也就越高。如果允许的恢复时间越长，恢复率也就越高。如果 网络有足够的冗余资源，恢复率可能接近或达到1 0 0 。 ( 4 ) 健壮性：是指经历过一次网络故障后，网络再次承受故障的能力， 它主要是衡量生存性技术的可持续性。 其中，恢复时间和冗余资源是两个最常用到的评价指标。 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生存性指标。 网络生存性设计的主要内容包括【卅： 5 电子科技大学硕士学位论文 题。 防护：从网络的规划、安装、路由选择开始，就注意尽可能地避免 不安全因素。环形网的生存性比线形网优越得多，而网状网的生存 性就更高。 迅速检测：故障发生后如何快速发现并定位。是网络生存性设计的 基础，检测时间应在m s 量级或更低。 鲁棒性的自愈设计：包括拓扑结构、自愈算法、协议确定、执行逻 辑等。网络鲁棒性是指系统参数和结构变化时系统能否在一定误差 范围内维持原有功能。 人工修复、更换硬件、接续光纤光缆等。网络设计应方便故障后的 人工修复等操作，光纤故障定位尽量准确。 复原能力：故障排除后，将资源返还原系统。网络可采用人工复原， 或由网管中心控制自动复原。复原时网络各节点应注意协调一致。 这一点是必要的，否则难以应付未来不断出现的故障，造成连锁反 应。 其中，鲁棒性的自愈设计和复原能力两项生存性网络研究的主要热点问 2 2故障的恢复过程 2 2 1故障的分类 光网络故障按照故障的表现方式可分为软故障和硬故障【6 】。按照故障的 位置可分为节点故障和链路故障。 硬故障是指中断传输信道的意想不到的突发事件，如光纤断裂、收发单 元失效事件等。软故障是指逐步减低传输质量的事件，如光纤损耗增大等。 硬故障对网络业务影响巨大，但处理方便。软故障对网络业务的影响比较小， 但出现几率高，且不容易发现，故障定位也比硬故障难。节点故障是由于节 点中器件的故障以及人为因素的影响导致在光网络中的节点的发射机、接收 机或相关设备产生故障。链路故障是由于自然因素和人为因素的影响，导致 光纤链路切断或性能劣化，使得光网络的链路产生故障，影响传输的业务。 敷设在室外的光缆线路，由于受外界环境影响大、距离长、分布广、维护人 员相对较少等原因，是通信网中最容易出现故障的地方。 6 第二章网络生存性技术 网络的生存性使得网络能够在发生故障的情况下维持一定等级的业务。 网络生存性技术通过一个完整的过程实现。当业务流通过的路径上发生了故 障时，故障恢复须经历以下步骤：故障检测、故障定位、故障通知、故障恢 复。 2 2 2故障检测、故障定位和故障通知 故障检测和故障定位是网络各项生存性技术的基础。 如果发生了故障，只有快速的检测到故障，才能进行后续故障定位、故 障通知等恢复动作。网络中的各种故障检测机制可分为：硬件故障检测机制， 检测信号质量；软件故障检测机制：在信号流中插入控制消息。一些常见故 障类型的检铡方法有阍：电信号丢失( l 0 s l o s to f s i g n a l ) ，光丢失( l o l l o s t o fl i g h t ) ，操作、管理和维护( o a m ) 流。此外，还有基于通用多协议标签交 换( o m p l s ) 协议框架下的链路管理协议( l m p ) 实现的故障检测，以及基于 h e l l o 和k c e p a l i 。 在发现故障后，尽快分清故障类型、准确确定故障位置是光传送网保护 至关重要的一步，也是光网络尽快修复的必要条件。由于在光传送网中一处 发生故障( 光纤断裂、o a d m 故障等) ，多个相关的节点和监测点均要发生 告警，从而故障定位困难。目前典型的故障定位机制有人工测试法、通路相 关性分析法和中心控制节点分析法。 故障通知【。7 】是指在一个节点检测到故障后，必须通过信令消息通知网络 的其他节点以采取合适的恢复动作。这些信令消息根据层网络技术的特点可 以有多种实现方式，它可以是s d h 网络中的自动保护倒换( a p s ) 消息，也可 以是i p m p l s 网络中的标签交换路径( l s p ) 错误信令和通知消息，或者智能 光网络中的g m p l s 故障通知消息等。 2 2 3故障恢复策略保护和恢复 故障网络从故障中恢复是靠具体的保护和恢复8 1 措施来实现的。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 均是需要重新选择其他路由来代替故障路由。但就其具体实施方式而言，保 护和恢复方法又各有不同。 保护是利用节点之间预留专用的备用资源实施网络保护，即当一个工作 7 电子科技大学硕士学位论文 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。在r r u - t 建议中，对于符合一定条件的网络和保护措施， 保护倒换一般要求在5 0 m s 内完成。由于保护是在系统中专门预留资源来实 现的，资源利用率较低。保护的粒度可粗可细，从节点的保护，到光缆、光 纤、波长组、波长和业务均可实施保护方案。保护对拓扑结构也没有过于严 格的要求，可以在点对点系统中实现，也可以在复杂网络中实现，典型的保 护方案是环行网络的保护，因为环型网络具有自愈性。 恢复是在网络部件出现失效后实时寻找可用资源，并采用重选路由的方 法绕过失效部件。恢复需上层网管的介入，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。恢复可以利用节点之间可用的任何容量，因 而可大大节省备用资源，但所需要的时间长。恢复的粒度相对较细，它是专 门针对业务而言的，对于全光网中最小粒度就是波长，对于i po v e rw d m 系 统中，其粒度为口业务。恢复在对拓扑结构的要求上是网络的连通性要好， 而且一般用于i v i e s h 网中。 为提高网络的生存性，往往采用保护和恢复折中的办法，既要保证故障 情况下的时效性，同时又要保证网络资源的合理化利用，要求采用在一定的 约束下为工作通路预先选择好保护通路，这就相当与以网络生存性为约束条 件的资源优化的问题。由于网络优化的参数很多，所以形成很多不同的优化 方案。一般而言，保护和恢复的选择方案可依据下列原则进行：对于重要的 业务采取保护的方案，对于一些特殊的拓扑，如链形、环形或环网相交等也 采用保护方案；而对于网络拓扑连通性强，且对网络的资源利用率要求较高 的一些网络，则选用合适的r w a 算法下的恢复方案。总之，在大型网络中， 需要两种方案协同操作，来共同提高网络的生存性。 2 3各层网络的生存性技术 2 3 1i p 脚l s 在m 层中，i p m p l s 能够恢复多故障业务，同时对业务的操作粒度也 8 一 第二章网络生存性技术 很小，但d 层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在 i p m p l s 网络层中用于提高生存性采用的主要的策略是口动态路由( m d y n a m i cr o u t i n g ) 和多协议标记交换( m p l s ) 的自愈方案f 9 】，此外还有弹性分 组环( r p r ) 和动态分组传送( d p t ) 技术。 当主通路中的两个节点( 路由器) 问的链路发生故障时，内部网管协议 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，以替代网络的故 障路由，恢复故障业务。这使得疋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。m 动态路由虽然有较高的智能，但恢复时间比 较长从几十秒到几分种，而且具有一定的不可预知性。 m p l s 属于第三层交换技术，它通过预置一系列不同等级的通路，即标 记交换通路( l s p ) ，来完成自愈。一旦出现路径故障，可以根据存储的标记 快速提供另一条路径。在口层引入m p l s ，利用固定长度的标签交换技术减 少了路由器解析球包头的延时，所以在一定程度上可以实现m 层的快速恢 复。 r p r 的核心基础是以太网技术，其处理的基本数据单元是分组数据包。 与其他技术相比，r p r 的最大特点是在充分保持以太网技术组网资源利用率 高和灵活等优点的前提下，加入了s d h 系统的自愈技术，提高了原有以太 网系统的可靠性。 d p t 是一种对数据包进行优化的基于光纤传输的解决方案，事实上是最 先得到广泛应用的p r p 预标准。d p t 技术将i p 路由技术对带宽的高效利用 及丰富的业务融合能力和光纤环路的高带宽及可靠的自愈功能紧密结合，为 现存的网络提供一个保护投资的功能丰富的解决方案。 2 3 2a 玎 在a t m 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。虚连接分为两个等级，即虚通路( v p ) 和虚信道c ) 。 v p 是具有相同的虚通路标志符( v p i ) 的信元所占有的子信道，v c 是具有相 同的虚信道标志符( v c i ) 的信元所占有的子信道。一般来说，自愈技术的重 构路由方案可分为链路恢复和通路恢复。 a t m 网络的自愈以v p 为基础，目前受到广泛重视的有备份v p 自愈算 法。在a t m 网络中，每条工作v p 都预先建立有相应的备份v p ，这些信息 9 - 电子科技大学硕士学位论文 存储在路径的终结点上。当传输链路中断时，v p 的两个终接点试图恢复通 路，其中之一成为发送者，另外一个成为选择者。还有一种自愈技术就是反 应式恢复技术，通过分布式洪泛( f l o o d i n g ) 算法，可找到失效的所有替代 路由，该技术即使在多链路失效的情况下也具有较大的灵活性。因为一条失 效链路会导致多条虚通路失效，基于失效链路的反应式恢复技术可有效地减 少网络中替代路由搜索消息数目，但是，其恢复路由平均长度较大。反应式 恢复技术的最大缺点就是恢复速度慢，控制消息复杂。 2 3 3s d h 在s d h 网中最常见的自愈技术【1 0 1 是( 1 ) 自动保护切换( a p s ) ，( 2 ) 自愈环 ( s h r ) ，( 3 ) 网状自愈网。a p s 技术典型的被用于链路故障的恢复。它主要包 括1 + 1 ，l ：1 和m ：n 三种方式。这3 种保护方式的不同在于分配不同的保护 资源。基于a d m ( 分插复用器) 的s d h 自愈环是从自动保护倒换技术演变而 来的，网络结构为由a d m 构成的环状拓扑结构。是一种非常成功的网络生 存技术，它比a p s 具有更灵活的特点，可以处理节点故障和链路故障。网 状自愈网自愈技术最大的好处是可以利用网络物理设备布局的分散性来达 到经济有效的生存性，在网状自愈网中每条线路上的空闲容量都可以为其他 线路的生存性作贡献，网络的空闲资源并不为指定的线路或环恢复专用，而 是全网共享。 s d h 保护是标准化的并且能跨域操作，可提供可保护交换通路粒度的更 多控制。对点对点系统，a p s 是最好的解决方案；在环形网络中，s h r 是 最好的解决力案目前通信网络中大多使用保护方案，而在大规模的网状网 中，a p s 和s h r 可能会消耗掉更多的网络资源。因此s d h 保护在环拓扑中 限制很大，存在着备用容量使用效率不高，拓扑范围有限等缺点。 2 3 4 、d m w d m 层的生存性依据拓扑结构可分为三类：点到点机制 ( 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 h a 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 、1 ：1 、1 ：n 、n l ：n 光复 用段保护切换方案。 1 0 第二章网络生存性技术 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。1 ：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l ：1 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。光层自愈环比s d h 自愈环容量更大 且容易升级。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 o d p r i n g ) 、单向光通路共享保护环( o c h s p r i n g ) 、两纤双向光复用 段共享保护环( 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 r o 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