（通信与信息系统专业论文）综合业务传输网络拓扑结构的可靠性及其实现技术研究.pdf

摘要 随着网络技术的发展，全球通信业务呈现出一种爆炸式增长的趋势，对传输 网络的带宽要求也越来越高。光纤作为一种高带宽低损耗的优良传输介质，已经 而且必将成为未来信息网络的骨干支柱。然而，由于电领域的技术限制，光纤的 容量还远远没有得到充分利用。光波分复用技术( w d m ) 允许在根光纤中同时传 输若干路不同波长的光信号，是目前充分利用光纤容量的方法中最具吸引力的一 种。利用w d m 传输技术和波长路由选择在物理网络上构架光层( o p t i c a ll a y e r ) 或虚拓扑层，为高层提供大容量且结构灵活可变的传输通道，将成为未来通信骨 干网的核心传输方式。在这种网络中，即使是几秒钟的网络中断都可能丢失大量 的数据，所以在这种网络中加入保护路，提高网络的容错能力，使网络在一些工 作路不可用的情况下仍能对用户透明地传输数据。本文主要研究w d m 光传送网针 对通路保护情况下，可靠性及相关的问题以及s d h 自愈环的可靠性分析方法。并 对中国联通成都分公司光传输网络的可靠性分析。 本文第一章介绍了w d 技术及相关概念及其发展情况，提出了光网络中高可 靠性要求的的必要性。第二章研究了光网络中的可靠性的分析方法。第三章研究 了w d m 网络中。针对多种保护情况的可靠性的分析，及其对现在的光网络设计的 重要意义。第四章对中国联通成都分公司综合业务传输网的可靠性进行评估。由 于该网络大量使用了s d h 两纤环状结构，本文就该结构从节点和链路的失效出 发，分析了它对业务支撑的可靠性。第五章介绍了网络的流量控制。第六章为全 文总结。 关键词$ d hw d m通路保护s h r 可靠性 h 子利技人学￥硕十论文 a b s t r a c t w it ht h ed e v e l o p m e n to fb e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e sa n dnews e r v i c e so f i n t e r n e t ，t h e r eis a ne x p lo s iv eg r o w t ht r e n do fi n t e r n e tt r a f f i c ，w h i c h n e e d str e m e n d o u sn e t w o r kb a n d w i d t h s i n e eo p t i c a lf i b e th a sh ig h b a n d w i d t ha n dl o ww a s t a g ea t t r i b u t e i th a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr 0 1 e i nt h ep h y s i c a t r a n s p o r t i o nl a y e rint h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k h o w e v e r ， t h e i rb a n d w i d t hi ss t i l lu n d e r u t i l iz e d b e c a u s eo ft h e1 i m j t a t i o no f e l e c t r o n i ed o m a i n w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) isap r o m is in g a p p r o a c ht h a tcan uset h ee n o r m o u sb a n d w i d t ho ft h eo p t i c a lf i b e r as i n g l e f i b e rcanb ee m p l o y e df o rm u l t i p ed a t as t r e a m ss i m u l t a n e o u s l y a 1 l o p t i c a ln e t w o r k se m p l o y i n gt h ec o n c e p to fw d ma n dw a v e l e n g t ht o u t i n g a r ec o n s i d e r e da st h et r a n s p o r tn e t w o r k sf o rt h ef u t u r e i nt h eb a c k b o n e n e l o r k ，e v e ns e v e r a ls e c o n do u t a g ec a u s e db yaf a i l u r ecanm a k eh u g e1 0 s e o i ld a t a ，s oi tisn e c e s s a r yt op r o t e c tt h ew o r k p a t hw i t hb a c k u p p a t h f o r t h ef a il u r e o fw o r k p a t h ，a n dt h i sm a k e st h ew h o l en e t w o r km o r e r e l i a b l e c u s t o m e rw i l ln o tk n o wt h ef a i l u r et ot a k ep l a c ei nt h en e t w o r k w i t ht h ist e c h n o l o g y t h em a i np o i n t so ft h i sa r t i c l earet h er e l i a b i l i t y o fp a t h su n d e rv a r i o u sp r o t e c ts c h e m ei nw d m a n d h o wt oa n a l y s et h e t e l i a b i l i t yo f s e l f h e a lr i n g ( s h r ) o fs d h ，a n dl a s t t h ea n a l y s iso f r e l i a b i l i t yo fc h e n g d uf i l i a l eo fc h i n a o p t i c a ln e t w o r k c h a p t e r1w i l1g i v es o m eb r i e fv i e wa n dd e v e l o p m e n to fw d m ，c o n c l u d e t h en e c e s s a r yo fh i g hr e l i a b i l i t yi no p t i c a ln e t w o r k s i nc h a p t e r2w e a n a l y s et h em e t h o d so fh i g hr e l i a b i l i t y ，a n da n a l y s et h er e l i a bj l i t yu n d e r v a t i o u sp r o t e c ts c h e m ei nw d mn e t w o r ki nc h a p t e r3 w ed ot h er e l i a b i l i t y a n a l y s i sw o r ko fc h e n g d uf i l i a l eo fc h i n a i n t e g r a t es e r v ic en e t w o r k i nc h a p t e r4 a st h ef r e q u e n tu s a g eo f s d hr i n g ，w ed ot h ea n a l y s i so f r e l i a b i l i t yf o rt h ec a s eo fn o d ef a i l u r ea n dl i n kf a i l u r ei ns d hr i n g t r a f f i cc o n t r o lisd i s c u s s e di nc h a p t e r5 c h a p t e r6i st h es u m m a r i z eo f t h ew h 0 et h e s js k e y w o r d s s d h w d m p a t h p r o t e c t s h r r e l i a b i l i t y 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：。胁v 年，二月；o e i 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定) 签名：导师签名 旌纽讥 日期：矽降，2 月夕目 1 1 w d m 光网络概述 第一章w d m 光网络技术 1 1 1 w d m 技术及特点 随着全球“信息高速公路”的发展，以及宽带视频、多媒体等业务的r 益 兴起，特别是通信运营商综合业务的快速增长，剥广域骨干网的带宽提出了越 来越高的要求。由于光纤具有巨大的潜在带宽( 接近5 0 t b s ) ，同时还具有成 本低、信号失真和衰减低( 可达0 2 d b k m ) 、功率要求低以及空i n j 要求低等优， 因此，日前在骨干网中大多使用光纤链路来传输数据。但是，山于传统的 s d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd ig i t a ll i e r a r c h y s v n ( ：h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 技术只能以特定的传输速率( 如25 g b i t s ) 在光纤中的单个波长信道上传输 数据，此时要增加传输带宽只能单纯依靠提高单波长的传输速率来实现。从理 论上看，单路波长的传输速率上限主要受限于集成电路硅材料和砷化镓材料的 电子迁移率：其次，还受限于传输媒质的色散和极化模色散以及所开发系统的 性能价格比是否合算。目前看来，材料问题已不是主要限制，已有人在进行 1 6 0 g b i t s 速率的试验：但是，后两项限制使这一速率的实用化前景变得十分 暗淡，目前认为4 0 g b i t s 为单路波长的最高实用化速率。可见，采用电的时分 复用( t i m ed iv is i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 来提高传输容量的做法已经逐渐 接近极限，没有太多潜力可挖。因而唯一的出路是转向光的波分复用 ( 1 a v e l e n g t hd iv is i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 方式。波分复用技术是节省光纤线 路，提升传输容量的最优技术。它具有传输容量大，对高层协议和技术适应性 强，以及易于扩展等优点。采用w d m 技术可以将每根光纤的巨大带宽分成许多 互不重叠的波长信道，每个信道都可以并行、异步和高速地按当前电子处理数 据的极限速率来传输数据，从而可以充分利用光纤的巨大带宽，提供丰富而且 廉价的带宽资源。因此，使用光分插复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ， o a d m ) 和光交叉连接设备( o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ，o x c ) 的w d m 光传输网络 ( o p t i c a it r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 将逐渐在骨干网中占据主导地位。 经过近十年的发展，w d m 技术已经取得了巨大的突破，目前在单光纤上的 容量可达6 4 t b s 甚至1 6 t b s ，在单根光纤上的波分复用数可达1 0 2 2 个。欧 洲的1 2 1 网络中，采用f f d m 技术使一条路出上的通信容量高达1 0 0 0 t b s 。目 前点到点的w d m 传送技术已经成熟，并且已经大量在长途干线和海底光缆系统 中使用。全球实际铺设的w d m 系统已超过5 0 0 0 个，一些产品，如同本h i t a c 儿 的f l 抓6 0 0 0 、l u c e n t 的w a v e s t a ro l s 4 0 0 g 以及n o r t e l 的m u l ：iw 孙e l e n g t h o p t ic a lr e p e a t e r ( m o r ) p 1l 】ss v s i e m 等都可以处理高达3 2 0 g b i t s 或 4 0 0 ( ；b it s 的数据传输率。自1 9 9 5 年以来，美国各大长途电话公司已经在其干 线网络中逐步引入w d m 设备，到1 9 9 9 年底其干线上已经基本实现w d m 传输。我 国从1 9 9 7 年开始引入w d m 发备，同前光通信的发展已经初具规模。我国在多条 省缎光缆干线上已经使用了w d m 技术，在2 0 0 02 0 0 4 年间又采用w d m 技术对我 国“八纵八横”光缆网进行改造、扩容和升级2 0 0 0 年1 0 月2 8 广1 ，中国嘲通 开通宽带高速互联网c x c n e t ，该工程一期工程己建成8 4 9 0 公里，10 6 个中继站， l7 个节点贯通了东南部的l7 个重点城市，网络总传输带宽高达4 0 g b p s 。 采用w d m 技术虽然可以充分利用光纤的潜在带宽，从而能够极大地提高线 路的传输能力。但是，山于目前的传输网中，光技术仅仅局限在点到点的应用， 在节点上采用的是电时分复用技术，还需要进行光一电转换，这大大限制了网 络的速度和灵活性。另外，目前电子交换的发展已逼近电子速率的极限，为了 摆脱电层交换瓶颈的制约，引入光交换技术己成为必然趋势。光交换技术分为 光路交换( o p t ic aj c if c u ils w i t c h ln g ) 、光突发交换( o p t ic u lb u r s l s w i t c h i n g ) 和光分组交换( o p t ic a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 三种。由于受到成本 和技术方面一些问题的制约，如缺少光随机访问存储介质以及对光分组头的同 步比较困难等，直接在全光域中完成分组级交换的实用化还需待以时日。目前 受到青睐的是光路交换和光究发交换。相对光分组交换和光突发交换而言，基 于光路交换的w d m 光传送网更容易实现，而且其特有的波长重用( w a v e l e n g t h r e u s e )能力也使它具有良好的可扩展性。因此采用光交叉连接设备( o x c ) 和 光分插复用器( o a d m ) ，提供可调度光路的w d m 光传输网被认为是下一代 i n t e r n e t 的极具竞争力的候选者。 我国的一些研究机构也开展了光传输网的研究工作。“七血”和“八五”期 间，中国“8 6 3 ”主题开展了光交换基础技术的研究工作，在“十五”8 6 3 计划 中又开展了光通信技术专题研究。1 9 9 8 年5 月，国家自然科学基金委员会又发 布了重大项目“w d m 全光网基础研究”，由我国的一些知名高校，如清华大学、 北京大学等，以及其它一些单位共同承担，这些单位在各自的领域都取得了可 喜的成果，这无疑将为我国全面推广w d m 光传输网技术奠定坚实的理论基础。 1 9 9 9 年6 月，国家高技术项目智能计算机主题、光电子主题和通信主题联合提 出实施“中国高速信息示范网( c a i n o n e t ) ”研究开发项目，建立一个基于光 因特网技术的高速信息网实验环境，为以光因特网技术为代表的先进网络技术 的研究、开发和测试提供一个实验平台。 从上面的介绍可以看出，随着光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备 ( o x c ) 的出现，已经使w d m 技术从最初的点到点传输技术逐渐转变为一种网络 技术。基于w d , i 技术的光传输网已在世界范围内引起了广泛关注。w d m 宽带光 联网已经成为继s d h 电联网之后的又一次新的光通信发展高潮。而且近年来在 w d m 传输技术、吉比特以太网以及吉比特太比特交换路由技术等方面的长足进 步，都为基于i p 业务的w d m 光联网的发展创造了极好的条件。 在近来全球网络用户的大量增长和大容量业务的发展的同时，带宽需求量 成线性增长，如何有效地增加骨干网的传输能力成为众多通信业务提供商必须 面对的重要问题。传统的s d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 技术只能以特定的传输速率( 如 2 5 g b i t s s ) 在光纤中的单个波长通道上传输数据，单纯依靠增加单波长传输速 率的方法，已经不能满足现有的要求了。但是波分复用( 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 in g ，w d m ) 技术可以充分利用光纤的低损耗带宽，在一根光纤中的不 同波长上异步、高速地传输各种格式的信号，是挖掘光纤巨大带宽资源的最佳 技术。 近年来，基于w d m 技术的骨干网以其容量大和可靠性高等特点推动了 i n t e r n e t 的迅猛发展。网络结构由于能够提供快速有效的容量配置，现已成为 长距离骨干网的主要组网方式。网状d m 网提供的基本业务是在两个业务接 入点间建立一系列波长通道，即光路( l i g h t p a t h ) ，在网络边缘的客户( 如 i p a t 、m 路由器) 使用这些光路由作为传输数据话音业务的大容量管道。由于 一条光路由可能聚合了大量的用户业务，但光路由的失效将会造成巨大的损失。 因此基于w d m 技术的网络生存性问题得到了特别地关注。 目前网络生存性技术有多种。基于通路的保护机制出于恢复速度快而且实 现简单，已成为网络生存性的有效机制 2 - 6 1 。它的工作原理是为每个光路需求 建两条“物理分离”的光路，分别为工作路由和保护路由。一旦工作路由失效， 可以立刻切换到保护路由上运行。物理分离根据失效程度不同具有多种含义， 如节点分离、链路分离和区域分离等。i e t f 于2 0 0 1 年在草案中提出了共享风 险链路组( s h a r e dr i s kl i n kg r o u p s ，s r l g ) 的概念，对叫勿理分离”概念 进一步抽象和扩展。s r l g 是指共享相同物理资源( 或共同失效风险) 的一组链 路。每个s r l g 都有唯一的标识，称为s r l g 标识( s r l gi d e n t i f i e u ) 。网络操 作者通过指定物理链路属于不同的s r l g 来满足不同用户对可靠性的要求。显 然，s r l g 概念的引入，能更灵活地保证网络生存性。 通路保护机制中的备用光路可用专用方式，也可用共享方式。共享方式只 在对应的工作光路均为链路( 或s r l g ) 分离而损坏的是单链路时有效，优点是 资源利用较好。在网状w d m 网中，通路保护机制可分为专用保护( d e d i c a r e d 电子科技犬学工程硕十论文 p r o t e c t i o n ) 和共享保护( s h a r e dp r o t e c t i o n ) 【，5 。6 1 。专用保护中，不同保护 路由问不共享资源，任何工作路由的故障和保护路由的激活不会影响其他的工 作路由与保护路由，典型的例子如l + l 保护与l ：l 保护。而在共享保护中，只 要工作路由是s r l g 分离的，彼此没有共享风险，它们的保护路由就可以共享资 源：这种方式可以恢复任何单个s r l g 故障。显然，共享保护所需的备份资源比 专用保护要少，提高了网络资源利用率。 波分复用( d m ) 实质是光域上的频分复用( f d m ) 技术，每个波长通路通过频 域的分割实现，每个波长通路占用一段光纤的带宽。w 蹦技术使用独立的电比 特流调制各自的光载波，经复用后在同一根光纤上传送。由于它们的光谱成分 不同，在大气传输中是各不干扰的。在接收端使用解复用器( 等效于光通带滤波 器) 将各个载波上的光信号分开。 型埘丽订医趟 童速：p 莲备 竺斗叫、赢升骘 掺铒光纤放大器( 光纤线路中可根据需要设置光线路放大器) 送入光纤中传输。 w d m 技术具有下述特点： 电子科技人学i 科硕十沦文 号需要使用一对光纤，而对于w d m 系统，不管有多少个信号，整个复用系统只 需要刈光纤。 2 对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号 等，并能对其进行合成和分解。 3 ，网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要 换端机和增加一个附加光波长就可咀引入任意新业务或扩充容量，因此w d m 技 术是理想的扩容手段。 4 组建动态可重构的光网络时，在网络节点使用光分插复用器( o a d m ) 或者使用 光交义连接设备( o x c ) ，可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光 网络。可以想像，要是网络的一条通路坏掉了，那么损失的数据是非常大的， 代价也是很大的，在现在的高容量网络中考虑高可靠性显得尤为重要了! 正是因为w d m 技术的上述特点，使其在近几年得到了迅猛的发展，并且随 着研究的不断深入，w d m 技术将更广泛地应用于未来超高速的传输网巾，随之而 来的就是我们下面文章主要处理的目标，让网络的可靠性达到我们设计的水平。 1 1 2 帅埘：1 支术的发展 目前点到点的w d m 传送技术已经成熟，并已应用于长途干线和海底光缆系 统。自1 9 9 5 年以来，美国的各大长途电话公司已经在其干线网络中逐步引入 w d m 设备，到1 9 9 9 年底，已在其干线上基本实现w 删传输。w d m 设备自】9 9 7 年进入中国市场，1 9 9 8 年一1 9 9 9 年度，中国电信在多条省级光路干线上使用了 w d m 技术。2 0 0 0 年6 月，南京一武汉光缆干线3 2 0 g 波分复用实验工程正式开工， 这标志着我国建设超大容量传输骨干网正式拉开了帏幕。中国电信准备在2 0 0 0 - - 2 0 0 4 年问，采用w d m 技术对我国“八纵八横”光缆网进行改造、扩容和升级。 2 0 0 0 年1 0 月2 8r ，中国网通宽带高速互联网c n c n e t 一期工程正式开通试运 营，该工程一期工程已建成8 4 9 0 公里，1 0 6 个中继站，1 7 个节点，贯通了东南 部的1 7 个重点城市，网络总传输带宽高达4 0 g b p s 。这些都标志着中国信息业 务已从窄带逐步发展到宽带，同时也拉近了中国信息基础设施建设与国外的距 离，为中国信息产业进一步繁荣与发展奠定了基础。 w d m 技术虽然能极大地增加线路的传输容量但同时也对交换系统提出了 更高的要求。目前的电子交换的发展已逼近电子速率的极限，为解决电层交换 瓶颈的制约问题，引入光交换己事在必行。相对光分组交换而言，采用光路交 换的w 蹦光传输网比较容易实现，其特有的波长复用能力也使之具有良好的可 扩展性。因此，采用波长分配和路由选择的w d m 光传输网( 。下n ，o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ) 技术，被认为是未来骨干通信网向宽带、大容量发展的首 选方案。 5 9 0 年代以来，w d m 光传输网已成为网络界的研究热点。早在2 0 世纪9 0 年 代初，欧洲就已经在其r a c e ( 欧洲先进通信方式的研究与技术开发) 计划中将多 波长传输网列为研究目标。在后继的a c t s ( 先进的通信技术与服务) 计划中，又 在欧洲各地建立了一系列实验性的w d m 光传输网，如o p e n ，p h o t o n 和m e t o n 等。美国在d a r p a ( 国防部高级研究计划局) 的资助下，组建了多个研究团体， 建立了一系列的光传输实验网，如由a t & t 、b e l l c o r e 和朗讯科技牵头建设的 m o n e t ( 多波长光网络) 实验网，用于实验和验证各种新技术。1 9 9 7 年开始建设 并由加拿大政府资助的加拿火研究和教育i n t e r n e t 骨干网( c a n a d ar e s e a i e h a n de d u c a t ior li n t e r n e tb a c k b o n e ) c an e t 3 采用高速路由器和w d m 设备直接 相连的i po v e 一w d m 结构，开创了光互联网( o p t i c a li n t e r n e t w o r k i n g ) 建设的 先例。同本则是以大公司的投资建设为主，如n t t 建立的o p n 。同际标准化组 织i t u t 也正在积极地制定有关光传输网的建议。 我国的一些研究机构也开展了光传输矧的研究工作。1 9 9 8 年j 月，困家自 然科学基金委员会发布了重大项目“w d m 全光网基础研究”，由我国的一些知 名高校，如清华大学、北京大学等，以及其它一些单位共同承担，这些单位在 各自的领域都取得了可喜的成果，这无疑将为我国全面推广w d m 光传输网技术 奠定坚实的理论基础。1 9 9 9 年6 月，国家高技术项目智能计算机主题、光电子 主题和通信主题联合提出实施“中国高速信息示范网( c a i n o n e t ) ”研究开发 项目，建立种基于光因特网技术的高速信息网实验环境，为以光因特网技术 为代表的先进网络技术的研究、开发和测试提供一个实验平台。 从以上国内外的研究进展情况可以看出，基于w d m 技术的光传输网已在世 界范围内引起了广泛关注。在未来的一段时间里，人们将继续对光传送网的关 键技术进行全面、深入的研究。这些关键技术包括：业务接入和一体化技术 ( i p - o v e r w d m ，s d h o v e r w d m 等) ；光分插复用技术；光交叉连接技术：光放 大技术；全光的波长转换技术：波长选路和波长分配技术；光网络重构技术以 及光网络的管理和控制技术等。 就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤传输链路都升级为w d m 传输， 就可以在这些w d m 链路的交叉处设置光父叉连接设备( o x c ) 和进行光上下路的 光分插复用器( o a d m ) ，则在原来由光纤链路组成的物理层上就会形成一个新的 光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨 越多个o x c 和o a d m 的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根 据需要灵活动态地建立和释放，形成新一代的w d a 全光网络。 1 2 网络的节点设备 b 子科技人学i ：群顶十论文 网状拓扑结构由于配置灵活、能够提供快速有效的容量配置、带宽利用率 高等优点现已成为长距离骨干网的主要组网方式。如图1 2 所示，网状网络物 理拓扑出具有w d m 接口的边缘端节点和由o x c 节点组成的波长路由核心网通过 光纤互连而成。其中，边缘端节点形成了源到目的的业务量，需要能汇聚业务 的电处理设备柬实现业务汇聚。核心网中的o x c 节点具有多种标准的光纤接 1 2 1 ，可对任一光纤信号或其波长信号与其他光纤信号进行可控的连接和再连接， 它具有波长转换能力，不过只能以波长级的粒度交换业务。下面简单介绍一下 i r d m 删络节点设备。 幽1 2w d m 网络 w d m 网络中的节点o a d m 和o x c 设备，通常由w d 复用解复用器、光交换 矩阵( 由光开关和控制部分组成) 、波长转换器和节点管理系统组成。主要完成 光路上下、光层的带宽管理、光网络的保护、恢复和动态重构等功能。 o x c 和o a d m 的工作模型如图1 3 所示。o x c 节点的功能类似于s d h 网络中 的数字交叉连接设备( d x c ) ，只不过是以光波信号为操作对象在光域上实现的， 无需进行光电电光转换和电信号处理。o x c 又分为静态节点和动态节点，在静 态节点中，不同光路信号的物理连接状态是固定的，其技术实现的难度比较小， 目前研究开发的o x c 节点基本上属于这一类。o x c 对传输的光信号是完全透明 的，即其操作实现与光信号的调制方式和信号格式无关。 o x c 主要由光交叉连接矩阵、波长转换接口及管理控制单元等模块组成。 光交叉连接矩阵是关键部分，当有多条( 例如m 条) 光纤输入和输出，每条光纤 上有n 个波长，则光交叉连接矩阵实现全交叉的容量应为( m n ) x ( m n ) 。 分捅复用节点变叉且垃节点分捅复用节点 幽1 3o x c 平o a d m 的j 。作模袒 o x c 可分为无波长变换和有波长变换( 也可以是部分端口有波长变换或波 长变换的范围有限) 两种：无波长变换o x c 的作用是将一根输入光纤上的某一波 长信号连到另一根输出光纤的同一波长一h ，即波长是连续的；有波长变换则是 将一根输入光纤上的某一波长信号连到另一根输出光纤的另一波长上。 o x c 在未来的全光通信网络中，起着十分重要的作用，甚至可以说，它是 真正意义上的网络节点。当光缆中断或节点失效时，o x c 能自动完成故障隔离、 重选路由、重新配置网络等操作，使传输业务不中断。当业务发展需要对网络 结构进行调整时，o x c 可以简单迅速地完成网络的调度和升级。 1 3 光网络的可靠性及保护的分类 在现在的社会生活中越来越多地联系到了网络，网络对人们的影响越来越 大，生活中的很多事情都有和网络联系，像视频会议、电话、传真、银行金融 等等。用户对网络的可靠性的要求也是越来越高。w d m 光网络中，网络承载了 大量的数据业务，单纤可承载高达t 比特秒的传输容量，一旦光纤节点失效， 会造成大量业务中断。那么对w d m 网络进行可靠性的估算和分析就显得尤为重 要了，在网络设计阶段，要是能有目标有方法地设计高可靠性的网络，就能为 用户提供不断增长的可靠性网络。在网络中提高可靠性的方法有多种，像冗余 设备保护、业务保护、减少人为的操作失误等等。在下面的可靠性分析中，只 对业务保护进行分析。 1 3 1 保护的分类方式 光网络中光路的恢复应根据保护路的建立是在出错发生前和出错发生后分 为实时的保护( r e a c t i v e ) 和预期的保护( p r o a c t i v e ) ；亦可根据保护的对象 8 e 于科技人学嘲￥硕士论文 是链路还是整个光路又分为链路保护( 1 i n k - - b a s e d ) 、通路保护( p a t h b a s e d ) 以及基于这两种保护形式的综合保护形式( w o r k p a t h - b a c k u p a t h m u l t i p l e x i n g ) ：根据网络业务是静念的还是动态的又分为专用保护、共享保护、 工作路和保护路共享等等。图l 一4 为光路保护方式的分类。 佩扩订j 广- l 链路像护逋蹦釉1 ，。j一 缸蹄恢舡 厂上_ t 专川通路保jc 亨i 路f 晷护 训擎保婶蝴褂计铲煞器完蝴 扩 “” 1 h i 关太效干h ，毛失效 幽卜4 光路保护方式分类圈 1 3 2 基于通路的保护恢复方案 丁作蹄一f 采护蹿非完全逋路 丹离保护 1一 非相芰失效 h 黄走效 在通路保护中，每条光路在建立时就已经预设了一条端到端的备用通路并 预留了备用波长，可以分为专用通路保护( 1 ：1 和l + 1 保护) 和共享通路保护。 专用通路保护：工作光路在建立时，同时为它准备一条端到端的备用通路 并预留相应的备用波长。该备用通路和工作光路在链路上是完全分离的，即它 们不共享任何链路。在备用通路上预留的备用波长专门预留给该连接使用，其 它连接对应的备用通路和工作通路都不能使用该波长。 共享通路保护：备用通路在各条链路上预留的备用波长可以在多条备用通 路问共享，只要这些备用通路不会同时被要求启用。因此，共享通路保护比专 用通路保护能够更充分地利用波长资源。 通路恢复机制则是在网络发生失效以后，实时寻找端到端的备用路由和可 用的空闲资源来恢复受到影响的网络业务。基于专用资源的保护机制可以提供 比动态恢复更快的恢复速度，并保证考虑范围内失效的恢复能力。基于动念寻 路的恢复策略可以更有效地利用网络资源，并且能恢复多种类型的失效( 如多 链路同时失效) 。 9 士 1 3 3 基于链路的保护恢复方案 链路保护方案是在网络设计阶段，在工作光路经过的链路附近设置备用路 由，并同时预留相应的备用波长。当一条链路失效时，使用它的所有工作光路直 接在此链路附近寻找备用路由和备用波长，绕过失效部分而无需源一目节点的参 与。工作光路上未失效的部分则保持原状。链路保护方案分为专用链路保护和 共享链路保护。 专用链路保护：工作光路在建立时，同时在其经过的链路附近设置备用路 由，并同时预留相应的备用波长，预留的波长资源是专用的。其它备用通路或 工作光路不能使用。由于要求业务的恢复对光路连接的源一目的节点透明，并且 不影口向原路由上的其他未失效链路。所以预留的波长应该和工作光路使用的波 长相同。专用链路保护并不是任何时候都能实施，如在环状w d m 网络中，可能 无法做到为所有光路预留专用的波长资源。 共享链路保护：工作光路在建立时，同时在其经过的链路附近设置备用路 由并同时预留相应的备用波长。允许在多条备用通路间共享预留的波长资源， 只要这些备用通路应付的失效不会同时出现。因此，共享链路保护比专用链路 保护更能充分利用波长资源。 链路恢复：链路失效时，该链路的端节点按照一定的寻路原则为经过该链 路的所有光路寻找备用路由和备用波长以避开该失效链路。没有找到合适的备 用路由和备用波长的连接被丢弃。 从保护机制的实现过程来看，链路保护的主要优点是链路失效时的重路由 只限于局部范围内，而无须通知光路的源目的节点，在较大的网络中这一特点 可以使业务恢复的速度比通路保护更快，代价是多数情况下网络需要预留比通 道保护下更多的冗余资源。通路保护恢复机制因为是端到端地预留备用通路和 波长，所以可以全局优化资源的配置，从而减少冗余资源的预留，提高网络资 源的利用率。通路保护恢复的另一个优点是工作光路发生失效时，无需对失效 位置精确定位，因为保护光路和工作光路是链路完全分离的。 1 3 4 光网络中常用的几种保护的示意图 a 基于通路保护 1 0 电子利技人学l ：群硕十论文 件路 供护糟 图卜5l ：l 专川保护 保护路 图卜61 ：2 保护 w l 图1 71 ：n 保护 l l 信信节点 信源节点 信宿节点 信源节点 电子科技人。学 群颂十论之 w l 图l 一82 ：1 保护 图1 9m ：1 保护 图卜l o 共享保护( p 5 共享) 1 2 信宿节占 信源节占 信宿节点 信源节点 信宿节点 信宿节点 信源节占一 信源节点 电子科技大学i 程硕+ 论文 b 基于链路保护的 圈11 l0 - - 5 的 作路的链路保护 1 3 2 1 可靠性的简介 2 1 1 可靠性的定义 第二章可靠性 设随机变量t 为系统从正常工作到整个系统变坏而不可用的时间大小，即 生存时间。f ( t ) 为系统生存时间t 的分布函数。 r ( ，) = p ( t f ) = l f ( ，) ( 2 1 ) 在一段时问内，尸f ，为系统( 元件) 不出错的概率。r ( t ) 代表 0 ，t 没有 错误发生。 从广义的角度来看，当考虑了系统坏掉后进行修复的情况时，此时的系统 从时间上来看是一个更新过程，r ( t ) 可以说是系统在从正常工作到坏掉不可用 这段随机时间上的概率，r ( t ) 的取值范围为 0 ，胡自变量t 的范围为o ，o 。) ，一 般设r ( o ) = l 。 罩孳孳 m r 7 f = e t 】= i f f ( t ) d t = 一i f d ( 1 一f ( f ) ) = i r ( t ) d t ( 2 2 ) ；i 随机变量t 的期望就是系统考虑维修的情况下的m t t f ( m e a nt i m et o f a i l u r e ) 。当针对一条通路时，即为从用户角度来看，该通路在 0 ，t 没有错误 发生。当通路有保护时，即便有可能在中间某- - o 寸1 司工作路坏了，但是业务立 即切换到保护路上，并且不考虑切换时间，即切换没有时间消耗，这时，从用 户角度来看，工作路的出错是透明的，只有工作路和保护路都坏了，整个通路 才算坏掉，不可用。 2 1 。2 串联系统的可靠性 串联系统如图2 - 1 所示。 图2 - 1n 个元件串联的系统 设e 为事件 五 f ，即为第i 个元件在时间t 时仍处于工作状态，h 为事件 t t ，即为系统在时间t 时仍处于工作状态。 用巨和量分别代表第i 个元件处于正常工作和坏掉，r ，( t ) 和卜r ( f ) 分别代 表第i 元件在一次更新过程中的随时间大小变换的可靠率和坏掉的概率，即为 1 4 元件由正常工作到出错发生经历的时间段内( m t t f ) 的概率。 j d ( ) = j d ( n 巨) ( 2 - 3 ) j = l 尺( f ) = 兀r ( ，) 可见，串联系统是在每个元件都是可用的情况下，整个系统才是可用的 串联系统的可靠率比系统中的任何一个元件的可靠性还要低，在光网络中，要 提高网络的可靠性，那么就应该避免网络中有太多的串连通路和太长的串连通 路。 2 1 3 并联系统的可靠性 图22n 个元件并联的系统 p ( h ) = p ( u 巨) 卢1 r ( t ) = l ll ( 1 一月o ) ) ( 2 6 ) i = 1 从并联公式可以看出，相对于串联情况，并联提高了系统整体的可靠性， 相当于有一个工作元件，其它的与之并联的为保护元件，这样从用户角度来看 系统的可靠性增加了。这也是光网络中加入保护链路、保护通路和冗余节点的 初衷。在下面对w d m 网络各种通路保护方式的分析中，用到了很多的，串、并 联的可靠性分析知识。 2 。2 出错率的简介 系统在一次生存周期中，会在不同的时间段上出现不等的出错数目，当时 削段趋于一个时间点时，出错的趋势就定义为出错率z ( r ) ，通常一般的系统的 出错率的图形为盆地状( b a s e ) 也可认为是相当于密度的东西，而z ( f ) - m 就是 系统的一个出错发生在( f ，f 十西) 的概率。 z ( f ) d t = p t t j z “1 出：p t t - p t - t + d t pttprf ( 2 7 ) ( 2 8 ) 电子科技人学1 梓硕十论文 可见，已知了生存时问的分布，即系统f 常工作的时间变量t 的分mj ，就 能得到生存时间内任何时间点的出错率。在实际分析中，为了简化，往往假设 了出错率为固定值，常常用到的生存时间( 系统f 常工作时间) 的分布为负指 数分布，也可以在时间轴上看作出错的到达是p o is s o n 过程，这个时候，出错 率应咳为一定值。 ：o ) - d t =p t f 一p t f + d t e m e 一2 7 + 小 i 西i t 广 一 z ( t 1 = 旯 2 3 可靠性和出错率的关系 = l e 一”= 2 d t + d ( 曲) ( 2 一g ) 可靠性是一个时间函数的概率值，表示系统在正常工作时间段内，相对于 现在及以后的某一时间段内不出错的概率，体现了该系统工作的稳定性。出错 率则是从系统在正常工作时间段内的一个时间点来看，处于该点的出错的密度 ( 强度) ，是系统在每个时间点的属性。 1 6 第三章光网络常用保护机制的可靠性研究 背景简介 光网络可靠性在现在的网络初期设计中已经得到了很大的重视，但是还没 有很好的分析方法和分析软件对一个光网络的整体的可靠性进行全面的、准确 的分析，本文以w d m 光网络为对象分析网络的可靠性，由于w d m 网络中有多种 保护机制，本文从实际出发，选择了实际中常用到的几种通路保护进行分析。 并设定网络中的业务矩阵已经确定，对于每对业务都通过相应的保护机制确定 了工作路和保护路，不考虑路由的问题。 3 1 中国联通成都分公司综合业务传输网，针对业务要求提高网络 可用性 在不断增长的业务趋势下，联通成都分公司现有的网络呈现出很大的压力， 网络出现了拥塞，数据包丢失增大，而且这些不断增长的业务对可靠性的要求 也在增加，现有的网络的可靠性已经不能满足市场的需求。为了确保今后的发 展，联通成都分公司综合业务传输网必须进行改建和增容，在改建过程中，我 们需要考虑的就是如何在现有的基础上最大地优化和提高网络的可靠性。在下 一章中，我们将引人中国联通成都分