（通信与信息系统专业论文）光突发交换网络的故障监测技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 光突发交换结合了较大粒度的光路交换( 光传送网) 和较细粒度的光分 组交换两者的优点，并克服了两种交换方式的不足，因而受到业界的广泛 关注。然而，众多研究大部分专注在o b s 网络的资源预留调度、突发汇聚、 信令协议定义和网络性能分析上，很少有研究o b s 网络中故障监测的。鉴 于它对o b s 网络正常运行的重要性，本文对此进行了初步探索。 本文在分析第一代和第二代i po v e rw d m 系统所采用的故障监测技术 基础上，结合o b s 的体系结构、信令机制提出了探测突发的概念和基于探 测突发的光突发交换网络数据信道性能与故障监测机制：网元节点向数据 信道周期性地或以某种特定方式发送探测突发，并在每个下一跳节点监测 探测突发的误码情况，分析其误码特点，依此来评估每两个节点间的数据 信道状态，判断被监测网络是否有故障发生。 针对光突发交换网状网中采用逐跳探测的故障监测方法监测成本过高 的缺陷，提出了基于探测圈覆盖的故障监测机制。该机制利用启发式深度 优先搜索、最短路径欧拉匹配和启发式生成树圈覆盖三种典型的圈发现算 法来搜索o b s 网状网的圈覆盖，然后为每个圈安放一个故障探测模块，构 成基于圈覆盖的监测机制。计算和统计结果表明，该机制相对于逐跳探测 机制能节约大量监测成本。 、 除此之外，本文还探索了将w d m 的光性能监铡技术引入到光突发交 换网络的可行性与存在的问题，提出了基于光性能监测的告警过滤机制。 该机制针对传统光网络性能监测方法在光突发交换网络环境下必然产生 过多误告警的缺陷，充分利用突发控制分组所包含的数据信道信息，控制 监测点的告警允许时间，使故障监测点为故障定位模块提供更为可靠的告 警信息，从而达到快速故障检测和故障定位的目的。仿真和分析表明该机 制能有效减少误告警数目，而几乎不产生漏告警，特别是在需要的故障检 测时间越短时，过滤掉的误告警数目越多。 关键词：探测突发，圈覆盖，告警过滤，故障监测 重庆邮电大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) c o m b i n e st h eb e s t o fo p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n ga n dp a c k e ts w i t c h i n g o t nw h i l ea v o i d i n gt h e i rs h o r t c o m i n g s ，h a s b e e na t t r a c t i n gm o r ea n dm o r er e s e a r c hi n t e r e s tf r o mb o t hi n d u s t r ya n d a c a d e m i a b u tt h em a j o r i t yo fp r e v i o u ss t u d i e sh a v eb e e nf o c u s e do nr e s o u r c e r e s e r v a t i o na n ds c h e d u l i n g ，t h eb u r s ta s s e m b l e ，s i g n a l i n gp r o t o c o ld e f i n i t i o n a n di m p l e m e n t a t i o n ，a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，f e ws t u d i e sh a v eb e e nd o n eo n t h es u b j e c to ff a u l td e t e c t i o nt h o u g hi ti sc r i t i c a l i m p o r t a n tt oe n s u r et h e n o r m a lo p e r a t i o no fo b s n e t w o r k s ，s o1w a se n c o u r a g e dt oe x p l o r ei t t h ef a u l td e t e c t i o nm e t h o d sa d o p t e di nt h ef i r s tt w os t a g e so fi po v e r w d m s y s t e ma r ei n t r o d u c e da sw e l la st h ea r c h i t e c t u r ea n ds i g n a l i n gs c h e m e s o fo b sn e t w o r k s b a s e do nt h e s e ，ac o n c e p to fp r o b eb u r s ti sp r o p o s e dt o s u p p o r tan o v e lp e r f o r m a n c ea n df a u l tm o n i t o r i n gs c h e m eo fd a t ac h a n n e lf o r o b sn e t w o r k s ：v i as e n d i n gp r o b eb u r s t so naw a v e l e n g t hc h a n n e lp e r i o d i c a l l y o ri nac e r t a i nw a yp r e d e f i n e db yt h ep r o t o c o l ，a n dd e t e c t i n gt h e i ri n c o r r e c t s t a t u si nt h en e x t h o pn o d e ，c h a n n e ls t a t eb e t w e e nt w on o d e sc a nb ea c q u i r e d ， f u r t h e rm o r ef a u l t sc a nb ed e t e c t e di fi th a sh a p p e n e d a ne c o n o m i c a lf a u l td e t e c t i o nm e t h o d ，e m p l o y i n gc y c l ec o v e rt h e o r y , i s p r o p o s e di nt e r m so fc o s t l ys i n g l e h o pt e s tm o d u l ei nm e s h e do b s n e t w o r k s t h r e ek i n d so fc y c l ec o v e rf i n d i n ga l g o r i t h m s ，h e u r i s t i cd e p t hf i r s ts e a r c h i n g ( h d f s ) ，s h o r t e s tp a t he u l e r i a nm a t c h i n g ( s p e m ) a n dh e u r i s t i cs p a n n i n g - t r e e ( h s t ) b a s e dc y c l ef i n d i n g ，a r eu s e dt o f i n d c y c l ec o v e rf o rm e s h e do b s n e t w o r k s t h e ne a c hc y c l ei sa s s i g n e dap r o b em o d u l e ，a n daf a u l td e t e c t i o n m e c h a n i s mb a s e do np r o b ec y c l ec o v e ri sf o r m e d w es h o w t h r o u g h c o m p u t a t i o na n ds t a t i s t i ct h a to u rp r o p o s e dm e c h a n i s mc a nr e d u c et h ec o s to f f a u l td e t e c t i o nd e e p l yc o m p a r e dt os i n g l e h o pt e s ts c h e m ei nm e s h e do b s n e t w o r k s b e s i d e s ，t h ef e a s i b i l i t i e sa n dt h ep r o b l e m sa r ea n a l y z e dw h e no p t i c a l p e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ( o p m ) t e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e dt om o n i t o rf a u l t s a n e wf a u l tm o n i t o r i n gm e c h a n i s mf o ro b sn e t w o r k si sp r o p o s e dp e r t i n e n tt o t h a tal o to ff a l s ea l a r m sw i l lb eg e n e r a t e di no b sc i r c u m s t a n c ei ft r a d i t i o n a l 重庆邮电大学硕士论文 英文摘要 0 p mm e t h o di so n l yu s e d u s i n gd a t ac h a n n e li n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nb u r s t h e a d e rp a c k e to fo b s ，t h em e c h a n i s mc a nc o n t r o lt h ea l a r m - p e r m i t t i n gt i m e a n dd i s c a r dr e d u n d a n t a l a r m i n gi n f o r m a t i o n s oi t c a np r o v i d er e l i a b l e a l a r m i n gi n f o r m a t i o nf o rf a u l tl o c a t i o nm o d u l e ，a n de f f e c t i v e l yd e c r e a s e n u m b e ro ff a l s ea l a r m sw h i l ea l m o s tn om i s s i n ga l a r m sh a p p e n s i m u l a t i o n r e s u l t sv a l i d a t et h a tt h es h o r t e rt i m et h ef a u l td e t e c t i o nn e e d s ，t h em o r ef a l s e a l a r m sa r ef i l t e r e d k e yw o r d s ：p r o b eb u r s t ( p b ) ，c y c l ec o v e r ，a l a r mf i l t e r ，f a u l td e t e c t i o n m 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，也不包含为获得重庞 韭电太堂或其他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。 学位论文作者签名：嗥灸高 签字日期：孔，d 7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废壑电太堂有关保留、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。本人授权重废邮电太堂可以将学位论文的 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适用本授权书) 学位论文作者签名：糌? 师签名： 蟛季 签字日期： 劲呷年石月日签字日期：弘夕年月f 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 由于i p 业务量的指数增长以及波分复用密集波分复用( w d m d w d m ) 在传送网中的主导地位，将i p 业务直接承载于w d m 系统的i p o v e r w d m 光 网络成为理想的选择 1 - 3 j 。基于i p 的d w d m 光通信网络格局的形成是全球 信息化发展和建设的必然结果。i po v e rw d m 光网络的过程大致可分为三 个阶段，即：i po v e r 点到点w d m 、i po v e r 光传送网( o t n ) 和光分组交换。 这个过程是光层功能不断丰富和发展的过程。这个过程在不断改进网络运 行、减少设备投入、降低网络成本。然而，管理光网络的复杂性却在逐阶 段增加，尤其是故障监测【4 1 。本章在第一节介绍了这三个阶段的光网络的 主要特征，在第二节分析了光网络演变对故障监测技术提出的新要求和挑 战，在第三节列举了现有的各种故障监测技术。 1 1i po v e r w d m 网络的演变 i po v e r 点到点w d m 为第一代i po v e rw d m 系统，它由电子交换开关 和点到点的光纤链路构成。在此系统中，w d m 只是用作相邻路由器之间 的宽带传输管道，光层具有极少的智能功能。为了提取控制和开销信息， 光信号在每个节点都要经过“光电光”转换。 目前，单根光纤承载的信道波长数已超过1 0 0 、每信道速率为1 0 g b i t s 的系统已经商业化。更密集的波长复用和4 0 g b i t s 甚至更高的信道速率也 已出现，传输已经进入t b i t s 时代【5 1 。尽管过去的几年基于硬件的高速i p 电 交换有所发展，但是仍无法与w d m 光传输信道带宽匹配。这就是大家经 常讨论的“电子瓶颈”问题。为此，人们开始了全光交换的研究。 i po v e ro t n 为第二代i po v e rw d m 系统，其中o t n 可看做是可动态重 构的w d m 。在这类结构中，由于o x c ( 或o a d m ) 节点设备的引入，从而可 以实现透明直通光路，减轻路由器的处理负担。通过适当配置o x c 的交叉 连接状态，任何一个路由器均可与网内任何其它路由器的端口相连，从而 实现路由器直接连接的任意配置。o t n 以建立、取消、管理和维护光通路 为基础，因此又称为光路交换网络【6 ，7 1 。光路交换网络的核心问题是路由 和波长分配( r w a ) 问题【g j 。这个问题在网络规模不是很大，通路的建立和 取消不是十分频繁的情况下都是一个非常复杂的问题，其计算需要很长时 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 间。因此这一阶段的光网络动态化程度不高，光层带宽利用率低。考虑到 这样的实际情况，一个通路一旦被建立就会实际保留相当长的一段时间， 甚至从几个月到几年也不足为奇1 9 】。 光学技术的进一步研究和光网络的商业发展最终使得光网络规模不 断扩大，动态化程度不断加强，最终使得光层具有复杂的路由交换功能、 实时灵活调度资源功能、和超长距离无电中继的透明传送功能【2 ，7 1 0 儿j ， 即第三代i po v e rw d m 系统。 光分组交换要求光节点能在一个分组接着一个分组的基础上交换信 号。而不是象光路交换那样，仅仅在通路建立和取消的时刻才配置一下光 开关。因此它需要高速大规模的光交换矩阵、随机光存储器和成熟的光逻 辑技术，其中光交换技术的交换速度已基本不成问题，主要是大规模矩阵 的造价奇高；随机光存储可以暂时用体积庞大、配置复杂的光纤延迟线 ( f d l ) 来替代，虽然不够理想；比较起来似乎光逻辑技术离实用化距离最 远。因此，研究中的光分组交换的控制信息处理一般仍在电域内进行，而 业务数据放到光域内传输交换。这样，就诞生了一些采用带外控制信令的 光分组交换的替代方案，光突发交换技术就是在这样的背景下产生的。本 文的第二章对光突发交换技术进行了详细介绍。 1 2 光网络演变对故障监测技术的要求和挑战 光层的发展改进了网络运行，减少了设备投入、降低了成本。然而， 管理透明光网络的复杂性与这些好处并存，其难点之一就是性能与故障监 测。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【1 2 ，1 3 】。网络由众多元器件构成，我们并不希望对 每个器件都进行实时监测。站在网络生存性的立场上，我们需要为通道， 子通道和链路保护提供切换指示信息1 1 4 l ，因此期望在极短的时间内就能确 定出是哪两个节点之间的信道产生了故障，所以本文致力于当故障出现 时，故障监测机制能迅速指出是“哪一跳( 哪两个光节点间) ”发生了故 障。 本文所指的故障包含了软硬两类故障i ”，1 6 】。硬故障指那些由断纤、掉 电、激光器或接收机损坏、人为攻击等引起的突然中断通信的事件，它的 发生使得接收端接收不到数据和途中的大量数据信息的丢失。硬故障性质 恶劣，期望极短的故障发现时间。软故障指那些由器件老化、波长中心漂 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 移等引起的慢慢恶化信号质量的事件。软硬故障均可通过信号质量监测获 得。误码率对这两类故障均敏感，一般不会漏检故障。但误码率的获得在 透明网络中是十分困难的。因此很多光性能监测( o p m ) 技术被研究用于 信号质量评估和故障监测，如光功率监测常用于发现断纤类硬故障。基于 诸如光信号功率、光信噪比等参数监视的非直接监测信号质量方法( 即光 性能监测法) ，在光网络的故障监测中也有很重要的作用，因为它们一样 可以用于测量网络的某些特性，在其参数闺值设置合理的情况下，可对特 定的故障类型送出告警或触发保护切换。 除了透明性，光网络向超高速超长距离方向发展、向动态统计复用资 源方向发展【1 0 】，都给故障监测带来了前所未有的挑战。 1 2 1 透明性的影响 在完全透明的w d m 网络中，波长信道能够承载模拟信号和具有任意 比特率和协议形式的数字信号。这是光网络的理想状况，它允许承载任何 信号，方便新业务的加入。然而这样的网络是非常难以监测管理的，因为 中间交换节点不能预先知道网络中将要使用的协议和比特率信息，无法访 问传送信号的开销信息，也不能够确定测量到的光功率和光信噪比等是否 在可接受的范围内。 在另外一个极端是第一代i po v e rw d m 系统，它是一个完全不透明的 网络，所有的光信号都会被转换成电信号，所有的信息都可被每个中间节 点识别，信号质量常通过误码校验方式检出。i p 协议通过分组头校验实现 信号质量监测，a t m 通过c r c 1 0 实现信号质量监测，s d h s o n e t 通过 b 字节校验实现信号质量监测【1 7 】。信号质量监测结果通过协议开销字节在 相邻节点之间传递，从而通过事先的协议约定，每个节点都能够识别是否 有故障发生。 当今所采用的光网络处于这两个极端情况之间，并从完全不透明向完 全透明的方向发展，目前是一种透明网络与不透明网络共存的局面。如图 1 1 所示例，r i r 6 为i p 路由器，如e 为全光交换节点，这些节点通过 w d m 链路相互连接。i p 路由器之间的直接邻接是第一代i p o v c r w d m 系 统形式。i p 路由器使用光交换节点建立的光通道形成邻接关系的，是第二 代i po v c rw d m 系统形式。电信号在i p 路由器产生和终止，信号的校验 和质量评估也常在这些路由器完成，采用的技术仍然是电信号校验方法。 a e 作为全光交换节点，不再对信号的比特率、帧结构和协议做任何限制， 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 任其透明传送。结果a 、b 、c 、d 和e 的信号质量监测便只能通过新的技 术解决，各种光性能监测技术被研究以获得光信号的误码性能【4 ，1 8 。们，如 q 因子监测法，抽样统计法等，它们可以粗略估计误码状况，但对业务信 号只能做到部分透明，且耗时一般较长，从而发现故障不及时。 图1 1 透明网络与不透明网络共存示意图 1 2 2 高速长足巨离传送的影响 巨大的而且仍在不断增加的传输容量使得光网络的故障监测问题更 为突出，一旦网络故障，将造成巨大的经济损失和社会影响l ”1 。按目前已 实用化和商用化的1 0 g b i t s 传输速率计算，t 一根2 4 芯的光缆因意外事 故切断，则可能丢失几十万话路的信息。若传输容量达t b i t s 的单根光纤 失效，将影响1 2 0 0 万对以上的电话业务。据美国明尼苏达大学的研究结 果估计，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2 天，则足以使投资银行倒闭，因此， 及早发现故障并予以修复是网络运营管理者所迫切要求考虑的问题。 全光信号越来越长的传送距离也向故障监测、定位和隔离提出了新的 挑战。首先是光链路长度的增长增大了故障发生的概率，其次是光信号从 离开源节点就不断累积损伤，在途中又不经历3 r 再生，因此途中某点故 障导致的损伤大幅度增加，会使后续的所有监测点报告该故障。如图1 2 所示，由于光节点8 处的o a d m 故障导致光信噪比大幅度下降，后续的 光节点信噪比监测设备便都能检测到该问题，直至最后的光电转换节点监 测出误码率大幅度恶化。假如这个恶化可以导致8 3 0 的每个节点都送出 故障告警，那么故障定位模块在判断故障根源上就有很大困难。究其原因 是由于光网络的模拟特性导致故障传播造成的，即信号不经历3 r 再生无 法隔离损伤特性【1 8 2 。这样，即使在每个节点都采用q 因子监测或抽样 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 统计法获得了误码率，也不可能像电网络那样将故障范围定位在“一跳( 两 个节点之间1 ”范围内。事实上，光网络的动态统计复用特性使得8 2 9 的节点就上述情况，在判别是否有故障发生，从而决定是否送出故障告警 上，存在巨大困难，如1 2 3 节所述。 051 01 52 02 5 3 0 o p t i c a ln o l e 图1 2 全光长距离传送对故障监测的挑战示意图1 4 j 1 2 3 动态性影响 光网络的发展一方面表现为全光信号传送距离的不断增长，另一方面 表现为光节点的不断增加。节点间传送信息从永久性地使用特定波长，到 第二代系统低效共享使用波长，向第三代系统高效统计复用波长方向发 展，从而产生了子波长的概念1 1 7 2 2 1 。在第三代系统中，每波长在短时间内 都可能有来自不同源节点，累积了完全不同损伤，去往不同目的节点的信 号经过，从而使该波长上的信号没有固定的光功率、光信噪比或误码率， 它们总是在一个很大的范围内变化，为性能与故障监测带来了巨大困难 【2 3 1 。 光网络的这个发展趋向一方面使得基于静态网络的故障监测机制失 效，另一方面其潜在特性又可能便于新监测方案另辟蹊径。本文提出的基 于探测突发的光突发交换网络故障监测方案就注意到了这一点，使用探测 突发开辟了一条虚监测通道。从而使监测点不再监测波长上的所有信号， 转而只监测用于性能和故障监测的开销信号。这些信号所经历路径固定， 从而有固定的损伤。用这个损伤来评估该段路径的健康状态一方面避免了 监测所有业务对透明性的破坏，另一方面可以降低对监测设备处理速度的 要求，因为探测突发只占波长带宽的一个很小比例。 5 ；5 ； 筋 侣 富p)世zo 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 光网络的故障监测机制 故障监测和定位机制对业务的快速恢复是至关重要的。采用什么样的 机制，如何安排开销信息和如何监控是故障监测机制所要解决的问题。在 点到点的w d m 系统中，每个节点都对信号进行光电变换，一方面进行误 码校验和信号3 r 再生，另一方面读取和插入开销信息，包括信号踪迹、 信号丢失指示帧丢失指示、远端故障指示、信号劣化误码性能通告等， 如s d h s o n e t 帧结构中的b 字节和j 字节等就分别完成了这些功能。i p 协议的故障监测机制与此类似，它依靠链路资源管理协议来检查路径的健 康状态。相邻路由器之间通过交换“h e l l o ”消息或“k e e p a l i v e ”消息来检 查路径的连通性，通过l o p ( 1 0 s so fp a c k e t ) 和l o f ( 1 0 s so ff r a m e ) 指示与对 等路由器之间路径的健康状况【2 4 1 。 图1 3 光层的三种开销传送技术 光网络的发展趋势使得性能与故障监测的开销不能再采用简单的随路 方式传送，因为中间节点不再对信号进行识别。在光路交换阶段，开销传 送技术得到了一定发展，有三种主要技术【9 2 5 】；数字包封( d i g i t a l w r a p p o r ) 1 2 引，副载波复用( s c m ) 1 2 7 ，2 引，光监控信道( o s c ) t 2 5 ，2 9 1 。其中数字 包封技术和副载波复用技术仍为随路开销传送技术，光监控信道技术为共 路开销传送技术。通过对开销信息的功率监视、信噪比监视、q 因子测量 和误码率测量来估计传送信号的质量和信道的健康状态，也有很多问题需 要解决。因为在开销随路传送情况下，开销的性能确实在很大程度上能反 映业务信号的质量，但其在中间节点不易接入和重新读写。而开销共路传 送方式正好与此相反，开销与业务信号的解耦，使得两种信号所受损伤差 异很大，业务信道上的故障并不定能被开销信号所反映，比如某e d f a 的掉电并不会影响带外监控信道的健康状态，从而该故障不能被带外开销 6 彦黧醮4叫j光数 砂腓 一圜一 凇珀，鬲下仟裟 目 霭 i l _ 一指擎用或光网，数 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 信号所反应。这三种技术处理开销信息的位置如图1 3 所示。 1 3 1 数字包封技术 数字包封技术适用于光电转换节点，采用如图1 4 所示的帧格式，主要 由光信道净负荷、光信道开销和前向纠错( f e c ) 三部分组成，i t u t ( 3 8 7 2 规定了数字包封所提供的网络管理功能主要有光层上的性能监控、f e c 以 及环路保护。 i 兰竺兰翌竺l 兰竺兰竺! 兰兰巨! 竺竺兰兰i 图1 4 数字包封的帧结构示意图 将图1 4 的数字包封结构和s d h 的帧结构进行简单的对比就可看出， 数字包封技术将原在s d h s o n e t 层完成的某些功能移到了光层上来完 成，突出了在光层的管理监视能力。但数字包封技术仅适用于具有光电转 换功能的节点，在o t n 中完成对光通道的性能监视，所以它无法实现小 于通道跨度的故障定位。 1 3 2 副载波复用技术 基于副载波复用( s c m ) 的光性能监测与传送技术也称“导频”技术，其 工作原理是：在发送节点，对w d m 信号的每个波长信道分别施加不同频 率的副载波，在中间节点( 这里的中间节点不要求必须是交换节点) 分离 出一小部分光信号用于监测，大部分光信号继续传输到下一节点。对分离 出的小部分光信号只需简单的电路就可将副载波分量解调出来，用于监测 诸如光功率、波长、o s n r 等多种光性能参数。由于复用的副载波跟随光 信号在网络中传输，因而在动态重构光网络中通过跟踪相应的副载波即可 识别每路w d m 信号的光通路，并结合光信噪比监测、q 因子监测等方法 获得副载波的信号质量，从而推断出业务信号的质量。这种推断仍然是有 相当误差的，因为副载波频率与信号频率并不重叠，从而同一系统对不同 频段的响应特性可能有很大差别。比如，不位于放大器增益中心的副载波 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在放大器增益带宽稍微交窄或增益幅度略微减小后，性能可能急剧恶化， 而业务信号几乎不受影响。 副载波复用技术的优点是实现了带内开销传送而没有牺牲一个可用波 长。但每个光通路的副载波仍起始和终结于光网元的通道层，沿途的光节 点只能监听，不能修改，从而仍然无法解决1 2 2 节所描述的问题，进而 仍无法实现小于通道跨度的故障定位。它的更致命的缺点是无法适应大型 光网络，当光网络节点数目增多，波道数巨大时，不可能让每一通道终端 节点发出的每一个波都有一个特定的副载波。 1 3 3 光监控信道技术 光监控信道( o s c ) 在o t n 中是一种带外、共路开销传送技术，主要是 指利用额外的光频率在光传输段实体间传递开销信息的光载波。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在传输过程中复用，只 在网络节点( 这里的节点不单指交换节点) 处通过解复用器分离分别进行 处理，从而实现带外方式的开销通信。 监控信道选用位于e d f a 增益带宽之外的波长传送开销，此时开销信 号不能通过e d f a ，也就是说必须在e d f a 之前取出( 下光路) ，在e d f a 之 后插上( 上光路) 。可选用波长为1 3 1 0 n m 、1 4 8 0 n m 、1 5 1 0 n m ，其中1 4 8 0 n m 很少采用，而采用1 3 1 0 n m 为光监控信道波长。虽然波分复用器简单、便 宜，但是o s c 占用了今后可利用的宝贵波长区。目前i t u t 建议采用 1 5 1 0 n m 波段。 这种方式与数字包封技术和副载波复用技术相比，监控信息的起始和 终止跨度确实缩减了很多，几乎位于了任何两个光元件之间。但这样又会 造成信号监测点的设置过于密集、监测信息冗余过多，而且监测信息不在 交换节点，从而也就不方便管理。 1 3 4 保护信道的监测技术 上述三种监测机制均为o t n 的光通道中存在信号时的故障监测方案。 在第二代i po v e r w d m 网络中，经常采用备用通道来实现网络的生存性策 略。当工作通道正常工作时，备用通道将长时间处于没有信号传送的空闲 状态。如何对其进行监测，是个值得研究的问题。文献【3 0 l 通过漏光或加载 额外业务的方法使保护信道处于准工作状态，从而实现了保护信道的监 8 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 测。 但在第三代i po v e rw d m 系统中，信道被统计复用，信道上光信号的 有无是随机的，并且无信号传输的时间长短也是随机的，文献1 3 0 】所述方法 不能再使用。在实际应用中，无信号传输空隙有可能达到2 0 1 3 1 1 ，忙时又 有可能长久被工作信号占用本文对此进行了分析，并提出了告警过滤机制 来解决该问题。 1 4 本文的主要工作与内容安排 本文主要研究了使用光突发交换的第三代i po v e rw d m 网络的故障监 测方法，针对数据信道的全光透明特性和统计复用特性，在光电接口层提 出了基于探测突发的数据信道性能与故障监测机制，它充分保留了单跳校 验模型的优点，而又不需要数据业务进行光电转换；针对其监测成本过高 的缺陷，提出了探测圈覆盖策略；在w d m 层提出了基于告警冗余过滤的 故障监测办法，它能有效过滤传统监测机制在光突发交换环境下必然产生 的过多误告警。 本文内容安排如下： 第一章，绪论。介绍了i po v e r w d m 网络的演变过程，和这个发展过 程对故障监测技术提出的要求与挑战。简单介绍了前两个阶段采用的故障 监测技术，并指出了这些监测技术应用于第三代i po v e r w d m 网络时需要 解决的问题。 第二章，光突发交换技术。介绍光突发交换技术的网络体系结构、关 键技术及其协议。 第三章，基于探测突发的故障监测机制。结合o b s 的体系结构、信令 机制提出了探测突发的概念和基于探测突发的光突发交换网络数据信道 性能与故障监测机制：网元节点向数据信道周期性地或以某种特定方式发 送探测突发，并在每个下一跳节点监测探测突发的误码情况，分析其误码 特点，依此来评估每两个节点间的数据信道状态，判断被监测网络是否有 故障发生该机制能在较短时间内定位突然中断或恶化的故障信道，还可 对所监视网络的老化等软故障进行有效的预警和评估。 第四章，基于探测圈覆盖的经济型监测方法。针对光突发交换网状网 中采用逐跳探测的故障监测方法监测成本过高的缺陷，提出了基于探测圈 覆盖的故障监测机制。该机制利用启发式深度优先搜索( h d f s ) 、最短路 径欧拉匹配( s p e m ) 和启发式生成树圈覆盖( h s t ) 三种典型的圈发现算 9 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 法来搜索网状网的圈覆盖，然后为每个圈安放一个故障探测模块，构成基 于圈覆盖的监测机制。计算和统计结果表明，该机制相对于逐跳探测机制 能节约大量监测成本。 第五章，o b s 网络基于光性能监测的告警过滤机制。该机制针对传统 光网络性能监测方法在光突发交换网络环境下必然产生过多误告警的缺 陷，充分利用突发控制分组所包含的数据信道信息，控制监测点的告警允 许时间，使故障监测点为故障定位模块提供更为可靠的告警信息，从而达 到快速故障检测和故障定位的目的。仿真和分析表明该机制能有效减少误 告警数目，而几乎不产生漏告警，特别是在需要的故障检测时间越短时， 过滤掉的误告警数目越多。 第六章，结论及未来的工作。本章总结全文，并展望下一步的研究方 向。 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换技术 第二章光突发交换技术 光突发交换被认为是一种能极尽密集波分复用传送能力，有效支持i p 业务的i po v e rw d m 网络的光交换技术。它以纽约州立大学b u f f a l o 分校 的c h u n m i n gq i a o 博士和华盛顿大学的j o n a t h a ns t u r n e r 在同一期的 ( j o u r n a lo f h i g hs p e e dn e t w o r k ) ) 期刊上，分别发表的论文【3 2 】和【3 3 】为诞生 标志。尽管两人在提法上不完全一样。q i a o 称之为“o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) ”，而t u r n e r 称之为“t e r a b i tb u r s ts w i t c h i n g ”，但核心思想却是 一样的：将控制信息与数据从时间和信道上分离，一个突发控制分组先发 出，去预约适量的带宽和输出端口，而相应的数据突发分组无需收到确认 消息而随后发出。在此，我们必须要佩服q i a o 在命名上的水平，o b s 已 经成为国际上“光突发交换”英文缩写的事实标准。 下面分别从网络体系结构、汇聚算法、信令协议、竞争解决、信道调 度算法等几个方面分别加以介绍。 2 1 网络结构 l i s t a n t i 阐述了整个交换光网的结构和功能，他将整个网络分成两层 1 1 1 1 ，外围是电网络，执行业务汇聚和电分组的路由；内层是交换式光网 ( s o n ：s w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ) ，主要基于光技术，执行传输和光层交 换功能。边缘节点( e d g en o d e ) 完成电网络和光网络的接口转换，将发往同 一个目的边缘节点的电业务分组封装到一个光分组中。当光分组封装完成 后，即被送至s o n ，s o n 负责将光分组从入口边缘节点传送至目的出口边 缘节点。光分组在目的边缘节点处被分解成普通电分组，然后继续在电网 络中转发。s o n 中的光交换机又称为核心节点( c o r en o d e ) ，它执行光分 组在光域内的转发和w d m 带宽的统计复用。它的这种功能模型同样适用 于光分组交换网，只是光突发交换网络在交换粒度、信令和资源预约方面 还有自己一些新的特点。 o b s 的网络结构如图2 1 所示【3 4 1 。它由若干边缘节点和核心节点通过 w d m 链路连接组成：边缘节点负责业务汇聚和还原，连接客户网( i p 、 a t m 、s d h 等电网络) 和o b s 核心网，对每一个在核心网中传送的数据 突发来讲，边缘节点又分为入口边缘节点和出口边缘节点：入口边缘节点 1 l 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换技术 负责将到达的电分组按照出口边缘节点和q o s 等要求汇聚成数据突发；汇 聚完成后，首先产生一个控制分组，它包含此数据突发的路由等信息，沿 w d m 链路中专用的控制信道( c o n t r o lc h a n n e l ) 进入o b s 核心网，数据突 发等待一段偏移时间( o f f s e tt i m e ) 后，随即沿数据信道( d a t ac h a n n e l ) 进入o b s 核心网；通常，若干数据信道共享一个控制信道；核心节点负责 提取控制分组，并进行电处理，为即将到来的数据突发分配资源、配置交 换通道、再生控制分组等，并将更新后的控制分组沿适当的控制信道发往 下一跳；如果没有足够的资源，那么新到达的突发及其控制分组要么被丢 弃，要么对已预约资源的低优先级突发进行分段或丢弃处理，这些要根据 网络所使用的具体冲突解决策略而定。如果数据突发早于它相应的控制分 组进入核心节点，这个突发肯定是要被丢弃的。 e c 扣n o d o o b sn e t w o r ki i n k 图2 1o b s 的网络结构 2 2 网络节点结构 2 2 1 边缘节点 c o l en o d e m a t l j ) c 对每一个数据突发，它有自己的源( 边缘) 节点和目的( 边缘) 节点。 对一个边缘节点i ”】而言，它有自己的发送部分和接收部分，发送和接收都 是相对于数据突发而言的。发送部分的结构如图2 2 ( a ) 所示，各种传统 业务数据单元，以后统称为“分组”，经由线卡( l i n ec a r d ( r ) ) 接入，按 照不同的目的边缘节点，经由交换单元进入不同的突发汇聚单元( b u r s t a s s e m b l e r ) 调度器负责为控制分组和数据突发分配信道并控制发送时间。 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换技术 数据突发和控制分组发射模块负责完成光电转换。接收部分的结构如图 2 2 ( b ) 所示，f d l 的作用是补偿控制分组的处理时间，控制分组和数据突 发接收机负责完成光电转换，突发解汇聚单元( b u r s td i s a s s e m b l e r ) 负责 将数据突发还原为分组，交给输入线卡；输入线卡单元将分解好的分组经 由交换单元，交换至相应输出端口( 输出线卡) ，进入电客户网络，继续 传送。 压三五卜 s w i t c h 啊= 赢1 一一 肫l ；d a t a 栩地b g m a pc 嗽f m 由州妯柚帅# r 糖- ( a ) 发送部分 l1 h n 一卜 s w i t c h i i j “r m r ，卜 2 2 2 核心节点 ( b ) 接收部分 图2 2o b s 的边缘节点的功能结构1 3 5 j 核心节点结构上总的来说可以分为光层或电层两部分1 1 1 】。光层部分由 光交换矩阵( s w i t c h i n gf a b r i c ) 、复用解复用器( m u x d e m u x ) 、光纤延迟线 ( f d l ) 等组成；电层包含输入模块( i n p u tm o d u l e ) ，突发控制分组路由器( b c p r o u t e r ) 、缓存和调度器( b u f f e ra n ds c h e d u l e r ) ，输出模块( o u t p u tm o d u l e ) 等， 如图2 3 所示。 解复用器将输入控制信道( i n p u tc o n t r o lc h a n n e l ，i c c ) 上的控制分 组送往电层的输入模块，同时将m 个输入数据信道上的数据突发解复用， 送入光交换矩阵或f d l ( 输入缓存情况下) ：光交换矩阵在调度器控制下 将数据突发交换至相应端口，进入相应的输出数据信道( o u t p u td a t a c h a n n e l ，o d c ) ；电层的缓存负责解决控制分组之问的竞争，而调度器则 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换技术 根据控制分组携带的信息为相应的数据突发配置交换路径，向光交换矩阵 发出指令( 存入指令队列，在特定的时间进行光开关的配置) ；输出模块 负责将修改后的控制分组进行光电转换，然后送至相应的输出控制信道 ( o u t p u tc o n t r o lc h a n n e l ，o c c ) ；复用器( m f i x ) 将有关的o d c s 和o c c s 复用到同一个w d m 输出链路中。此外，光交换矩阵是核心交换部件，目 前单个光开关的交换速度可以做到纳秒量级，但高速大规模光交换矩阵技 术尚不成熟，这也是阻碍o b s 走向实用化的一个主要障碍之一。 2 3 汇聚算法 口删口 图2 3o b s 的核心节点功能结构 目前汇聚算法【3 6 ，3 7 l 主要有以下四种：固定汇聚时间算法( f i x e d a s s e m b l yp e r i o d ，f a p ) 、固定突发长度算法( f i x e db u r s tl e n g t h 、f b l ) 、 最小突发长度最大汇聚时间算法( m i n i m u mb u r s tl e n g t hm a x i m u m a s s e m b l yp e r i o d ，m b l m a p ) 。 固定汇聚时间算法是一种很直观的方法。边