（计算机软件与理论专业论文）光传输设备中采用clos交叉矩阵的保护机制研究.pdf

摘要 摘要 网络业务爆炸式增长和高带宽需求业务的大量涌现，使得光网络成为了下一 代核心传输网基础。目前，光网络技术的快速发展，特别是密集波分技术以及新 型光纤技术的不断进步，光网络的传输能力以达到t 比特级，甚至更高。巨大的 传输容量和业务即时性使网络生存性问题尤为突出，一旦网络失效，将带来巨大 的经济损失和社会影响。因此，如何保证光网络中业务的可靠传输，已经成为光 传输网技术的核心问题之一。 光交叉连接设备( o x c ) 作为全光网络中的核心路由设备，除了完成基本的光 信号交换外，还作为光通道管理器，对光网络提供配置调度，实现保护倒换和恢 复等重要功能。因此，o x c 的可靠性和高效性直接决定着网络的生存性。本文主 要对光网络中基于c l o s 交叉矩阵结构的光交换设备的保护机制进行分析和研究， 全文工作和贡献包括如下三个方面： 一分析了基于c l o s 交叉矩阵结构的交叉连接设备在网络中的保护倒换原 理，实现了在网络发生故障情况下，交叉连接设备传输单播业务和组播业务时的 保护倒换算法。为了验证c l o s 交叉矩阵的倒换性能，并对算法的性能进行了仿真。 从仿真结果可以看出，c l o s 交叉矩阵的规模是保护倒换中的重要因素，交叉矩 阵规模越大，保护倒换的重构次数明显减少，重构时间降低，成功概率增大。而 且组播算法中，扇出值也是影响保护倒换的因素，越大的扇出值会造成c l o s 交叉 矩阵的内部拥塞，倒换性能下降。同时，c l o s 交叉矩阵随业务负载增大，特别当 负载o 9 时，交叉矩阵内部重构次数增多，大大的降低了网络保护倒换的效率和 成功率。 二分析了交叉矩阵无故障和有故障时的内部阻塞性能，根据c l o s 交叉矩阵 内部故障的不同特点，分别建立了模块故障和链路故障两类故障模型，并对模型 进行故障性能仿真；针对c l o s 交叉矩阵和故障类型的特点，本文从硬件和软件两 个方面提出保护策略。硬件方面利用c l o s 交叉矩阵的冗余特性和可扩展性对故障 进行保护。软件方面利用了交叉矩阵的模块性和路径多样性进行故障时的保护倒 换。最后提出c l o s 交叉矩阵的容错算法，并对其仿真实现，仿真结果表明在容错 算法下，c l o s 交叉矩阵保护倒换性能较没有容错之前有了较大提升。 三将传统c l o s 交叉矩阵改进为多链路结构的c l o s 交叉矩阵。文中针对新结 构中多链路的特点，提出了新的保护倒换和容错算法。并对其性能进行仿真。 关键词：光交叉连接设备c l o s 交叉矩阵保护倒换容错 a b s t r a c t a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，i np a r t i c u l a r d w d mt e c h n o l o g y , 雏w e l la sn e wf i b e r - o p t i ct e c h n o l o g y , m a k e so p t i c a ln e t w o r k t r a n s m i s s i o nc a p a c i t yh a sr e a c h e dtb i f f sa n de v e nh i g hl e v e l 1 1 1 ep r o b l e mo f s u r v i v a b i l i t yf o rn e t w o r kb e c o m e sm o r es t a n d so u tb e c a u s eo ft h eh u g ec a p a c i t yo f n e t w o r ka n dr e a lt i m es e r v i c e s o n c et h en e t w o r kf a i l e d ，i tw i l lb r i n gs e r i o u se c o n o m y e x p e n s ea n ds o c i a li n f l u e n c e t h e r e f o r e ，h o w t oe n s u r et h er e l i a b l eb u s i n e s s t r a n s m i s s i o nh a sb e c o m eo n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e si no p t i c a ln e t w o r k a sac o r er o u t i n ge q u i p m e n ti no p t i c a ln e t w o r k , t h eo p t i c a lc r o s s c o n n e c t ( o x c ) p l a y si m p o r t a n tr o l e si no p t i c a ln e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dm a n a g e m e n te x c e p tf o r i t s b a s i cf u n c t i o no fo p t i c a lr o u t i n g t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fo x c d e c i d et 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 t i l i sp a p e rp r e s e n t sas u r v e yo ft h e s u r v i v a b i l i t ym e c h a n i s m so fo x c b a s e do nc l o sc r o s s m a t r i xf o ro p t i c a ln e t w o r k t h e m a i nj o b sa n dc o n t r i b u t i o n si nt h i sp a p e ra r ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 f i r s tt h eo x cb a s e do nc l o sc r o s s - m a t r i xp r o t e c t i o np r i n c i p l eh a sb e e n a n a l y z e d w h e nt h en e t w o r ki sf a i l e d , t h ep r o t e c t i o nr o u t i n ga l g o r i t h m so nu n i c a s ta n d m u l t i c a s tb u s i n e s st r a n s m i s s i o nh a v eb e e nr e a l i z e d i no r d e rt ov e r i f yt h ep r o t e c t i o n r o u t i n gp e r f o r m a n c e ，t h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tb yo p n e t s o f t w a r e 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt h es i z eo fc l o sc r o s s m a t r i xa n dt h ef a n - o u tv a l u ea r ei m p o r t a n t f a c t o r si no x c p r o t e c t i o np e r f o r m a n c e ，n l el a r g e rs c a l e so fc l o sc r o s s m a t r i xa n dt h e g r e a t e rv a l u eo ff a n - o u t ，t h ep r o t e c t i o na l g o r i t h m sh a v ea b e t t e rp e r f o r m a n c e 2 1 1 1 eb l o c k i n gp e r f o r m a n c eo fc l o sc r o s s m a t r i xa n dt h ef a u l tc h a r a c t e ro fc l o s c r o s s m a t r i xh a v eb e e na n a l y z e d f o rd i f f e r e n tt y p e so ft h ef a u l t , t w of a u l tm o d e l sa r e p r o p o s e df o rt h en e x tr e s e a r c h s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt ot e s tt h ef a u l tm o d e la n d t h ec o n c l u s i o ns h o w st h a tc l o sc r o s s m a t r i xh a sh i g h e rb l o c k i n gp r o p e r t yw i mh e a v y t r a f f i cl o a da n df a u l tc o n d i t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ef a u l tt o l e r a n c ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r k , n e wf a u l tt o l e r a n ta l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e da n dab e t t e rf a u l tt o l e r a n c e p e r f o r m a n c ei sp r o v e db yl a t e rs i m u l a t i o n s 3 n l eg e n e r a lc l o sc r o s s - m a t r i xi si m p r o v e dt om u l t i - l i n k sc l o sc r o s s - m a t r i x ， a n dt h ep r o t e c t i o na l g o r i t h m sf o rn e ws t r u c t u r ea r ep r o p o s e di no r d e rt og e tag o o d p r o t e c t i o na n df a u l tt o l e r a n tp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o ni s c a r d e do u ta n d 也er e s u l t s h o w st h em u l t i l i n k sc l o sc r o s s m a t r i xh a sag o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：o x cc l o sc r o s s m a t r i xp r o t e c t i o n f a u l tt o l e r a n c e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二塞堡i 警 日期掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：之幺益一羞 期 期 日 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着网络业务爆炸式增长和光传输技术的发展，光传送网作为下一代通信网 的基础传送网络已经成为人们的共识。目前，光传输技术，尤其是d w d m ( d e n s e w a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n g ) 技术和新型光纤技术以及光纤放大器技术的不断进步， 单根光纤的传输能力在突飞猛进的发展，单播长信道传送速率由2 5 g b i t s 到 1 0 g b i t s ，再到4 0 g b i t s ，波分复用行道树有几个到几十个，再到上百个。而且从 传统的电报电话业务，逐渐扩展到了能够支持网络会议、远程教学、网络电视和 远程医疗等各种形式的多媒体应用。超大容量和传输业务的复杂多样性成了下一 代光网络的基本特征。 巨大的传输容量和业务即时性使得网络生存性问题尤为突出，一旦网络失效， 将带来巨大的经济损失和社会影响。按目前己实用化和商用化的1 0 g b i t s 传输速 率计算，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，而传 输容量达t b i 佻的光纤失效，将影响更难以估量。因此，如何保证业务可靠的传 输，已经成为光传输网技术的核心问题之一。 为了保证网络的可靠性，目前，全光网络已经提出了包括：链路保护，复用 段保护，环网保护及其m e s h 网络保护等多种保护策略。其中，作为全光网络中 的核心路由设备，交叉连接( o x c ) ，在保护机制中起到了至关重要的作用。o x c 设备的可靠性和高效性直接决定着网络的生存性。本文将主要针对c l o s 交叉矩阵 的保护机制做些研究工作。 1 2 光交换网络中的核心设备( o x c ) 在现有的光传送网络中，核心的网络结点设备【1 】【2 】包括：光分叉复用器 o a d m ( o p t i c a la d d d r o pm u l f i p l e x e r ) p j 和光交叉连接设备o x c ( o p t i e a l c r o s s c o n n e c t ) t 4 。o a d m 主要实现光信息颗粒度在波长级的本地结点分解和插 入，一般用于规模较小的链型和环形网络；而o x c 功能比较复杂，除了在m e s h 网络中实现子波长级、波长级以及波带级和光纤级的交换应用外，同时，o x c 还 作为光通道管理器，对光网络提供保护倒换和恢复，实现配置调度等重要功能。 此外，o x c 也可以单独用于特殊业务的宽带网，例如f d d i 、c a t v 、h d t v 等， 以单向、双向或广播的形式传输宽带数据、视频和音频信号。 2光传输设备中采用c l o s 交叉矩阵的保护机制研究 本文主要是针对光网络传输过程中的保护机制进行研究，这些功能要由光网 络中的路由设备来实现。如上文所述，o a d m 主要用来完成本地节点的分叉复用， 规模较小，功能简单，不能满足保护倒换复杂的要求。而交叉连接设备o x c 功 能强大，效率高，所以光网络中的保护机制主要由它来实现。因此，本文研究对 象将主要以o x c 设备为主。 目前，基于电交叉矩阵的o x c 设备已经成熟，并在网络中大量采用。但全 光交叉矩阵o x c 设备由于目前技术还不很成熟，而且造价昂贵，并未得到广泛 应用。不过能够预测，随着今后新技术的发展和网络业务质量的不断提升，全光 交叉矩阵o x c 代替电交叉矩阵将会成为必然趋势。 现实应用中的全光交叉连接设备o x c ，应提供以下基本功能： 1 ) 超大容量。以d w d m 技术为基础实现多方向、大容量的传输能力，能够 满足未来不断增长的传输容量要求。 2 ) 大容量无阻塞光交叉连接能力。能够实现波长颗粒度的交叉连接。 3 ) 多种业务接入方式。对于接入信号中所承载的业务是透明的，及接入信号 可以承载多种不同的宽带业务。 4 ) 光层动态带宽管理。随着更多光纤和波长接入光网络节点，带宽管理就变 得极为重要。o x c 亦能够在光纤和波长两个层次上提供这样的管理。 5 ) 光网络的保护和恢复功能。能够以预置路由和自动实时计算两种方式支持 各种拓扑结构网络的路由保护和恢复。 6 ) 完善的网络管理系统。实现节点内部节点管理功能。 图1 1o x c 功能模块示意图 o x c 设备主要由光交叉矩阵模块、输入接口、输出接口、管理控制单元等模 块组成【5 】，如图1 1 所示。为增加o x c 的可靠性，每个模块都需要具有主用和备 用的冗余结构，o x c 可以自动进行主备的倒换。输入接口、输出接口直接与光纤 链路相连，主要包括掺饵光纤放大- 器( e d f a ) 和波长通路光功率均衡器，对输k 第一章绪论 3 输出信号进行适配、放大。管理控制单元通过可编程器件对光交叉连矩阵、输入 接口模块、输出接口模块进行监测和控制。监测的内容包括输入输出信号丢失， 输出信号劣化，激光器恶化，激光器失效( 温度超出范围或失控) ，o x c 内部运行 状态等。控制内容包括：交叉连接控制，主备保护倒换等。光交叉矩阵是o x c 的 核心，要求无阻塞、低延迟、高带宽和高可靠性。它是由光复用解复用器、光开 关阵列、光波长转换单元等组成。 o x c 的实现结构有很多【6 儿7 1 ，以使其完成多颗粒度的交换功能，但是从目前 的发展情况来看，最典型的两种结构是基于空间交换的o x c 结构和基于波长变 换的o x c 结构。实现空分光交换的关键器件是基于空分交换单元的光开关。可 以划分为单级结构和由拓扑连接组成的多级结构，实现技术比较成熟；基于波长 变换的o x c 一般由复用解复用，交叉矩阵和全光波长转换器组成。采用的波长 转换器可以极大的提高o x c 设备的灵活性。 按照目前o x c 设备的发展需求，要求其具有大容量，高速率，低阻塞率， 可扩展性，良好的可靠性，低成本等特性。要实现这些特性关键在于o x c 设备 交换网络的设计和构建上，交换网络的构建具有极大的灵活性，它的波长模块性 或者是链路模块性，使得要进行容量扩充变得简单易行，可以通过引入冗余性设 计，采用各种改进的保护机制提高o x c 设备的可靠性。 针对其功能需求的特点，对交叉连接设备设计有以下要求： 1 ) 光开关节点数目 未来的d w d m 光网络每根光纤将承载上百个波长，o x c 的端口数也将非常 大，光开关矩阵单元规模和集成度反映了o x c 光交换模块的成本。对给定的交 换容量来说，光开关矩阵单元数目越少越好。因此在进行交换网络的设计时，应 尽量减少光开关节点数目。 2 ) 透明传输性能 具有透明性的o x c 节点中光器件性能和工作方式无关，适合于骨干网光信 号长距离传输；而不透明光交叉连接节点在故障检测与定位，以及光信号再生等 方面具有优势。但不透明o x c 需要大量光电( 电光) 转化器件的特性，不利于 光网络向全光化方向发展，因此，随着光器件的日益成熟，o x c 必将向透明性方 向发展，透明传输程度也是未来评价其性能的一个指标。如何利用现有各种可以 实现的技术，来构建具有一定透明性的o x c 设备是o x c 研究的重点之一。 3 ) 可扩展能力 多波长光网络具有容量扩展机理，因此希望光交叉连接也可以随业务升级。 其内部的交换网络最好具有模块性，在组网初期不完全扩展，降低组网的成本； 此后随着光网络的发展而只需添加新的模块来进行扩展，而不必或尽量少地改变 原有的器件和连接结构。因此，是否具有较高的可扩展能力，也是衡量o x c 设 4光传输设备中采用c l o s 交叉矩阵的保护机制研究 备交换网络可适应性的重要指标。 4 ) 多播能力 随着网络业务愈演愈烈的多样性，o x c 设备交换网络不仅要具有支持单播能 力，还得有良好的组播完成能力，实现信息从一个源节点到多个目的节点的传送， 而鉴于光交叉矩阵对信息的交换全是在光域中进行，光信息的不可复制性使得对 光交叉矩阵实现组播功能提出一大挑战，故在构建光交叉矩阵时，能否使其具备 良好的组播功能也成为光交叉矩阵的一个重要性能指标。 1 3c l o s 结构的交叉矩阵 1 9 5 3 年由贝尔实验室的c h a r l e sc l o s 提出的c l o s 网络【8 】性能优越，一直以来 都是通信研究的重点领域。基于c l o s 交叉矩阵构架的大、中型路由设备，交换设 备已经非常普遍。由于具有良好的可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 、高度的灵活性( f l e x i b i l i t y ) 和可靠性( r e l i a b i l i t y ) 优点，正好满足构造光交叉连接设备的条件，所以本文中研 究的光交叉连接设备将采用c l o s 交叉矩阵构架。 首先对c l o s 网络概述，c l o s 网络的研究大体可以分为两个阶段，第一个阶段 是在电路交换的背景下，围绕c l o s 网络无阻塞条件的研究，这个阶段从1 9 5 3 一 直持续到现在，一直都是c l o s 网络研究的一个热点；第二个阶段是在分组交换( 网 络多颗粒度交换) 的背景下，对c l o s 网络调度算法的研究。这个阶段是目前c l o s 网络研究的热点和难点，对大容量路由器交换网络，o x c 交换网络和光突发交换 等研究都具有重要的意义。下面将c l o s 网络进行简单的介绍。一个简单的c l o s 网络结构如图1 2 所示： 输入 0 1 n - i 图1 2 三级c l o s 网络c ( m ，1 1 ，r ) c l o s 网络属于多级网络结构，它是由三级交换模块构成，每级交换模块又由多 个c r o s s b a r 交换单元组成，是c l o s 网络最基本的交换单位。一个n x n 的三级 c l o s 网络n - - - n r 。第一级输入交换模块由r 个n x m 的交换单元组成，第二级中间 剃。， 纠 栉=州一 州一 州：加；：咿舻 第一章绪论 5 交换模块由m 个r x r 的交换单元组成。第三级输出交换模块由r 个m x n 个交换 单元组成。 c l o s 网络中，每个交换单元的一个输入端口，可以和本交换单元任意输出端 口相连。用符号表示为c ( m ，玛r ) 。网络的相邻两级每个交换单元之间有且只有一 条链路连接，因而，一次成功路由请求是从第一级输入端口经中间级交换单元转 发到第三级输出端口。如果业务经过的链路或者交换单元发生故障，或者被其它 业务所占用，则这次路由请求失败，网络产生阻塞。 ve b e n e s 9 1 按照c l o s 网络建立连接和使用不同的中间级交换单元策略的 不同，将c l o s 网络可分为以下三种无阻塞状态： 1 ) 严格无阻塞( n o n b l o c k i n gi nt h es t r i c ts e n s e ) ：指不管采用何种选路策略都 不存在任何阻塞状态。当且仅当c l o s 网络满足：聊2 n 。 2 ) 广义无阻塞( n o n b l o c k i n gi nt h ew i d es e n s e ) ：指的是当且仅当合理的为每个 i 、i 呼叫分配路径，就不存在阻塞。当且仅当满足：聊if2 一1 _ bl ，其中互“为 l le ，_ ，j 斐波纳契数列。 3 ) 可重配置无阻塞( r e a r r a n g e a b l e ) ：指的是给定一组正在进行的呼叫在必 要时对当前进行中的呼叫重选路由，进行链路调整阻塞就不会发生。仅当满足： m , ( 仅是充要条件) 。 以上关于c l o s 网络的无阻塞的条件总结如表1 1 所示： 表1 1 三级c l o s 网络c ( m ，n ，r ) 无阻塞条件 阻塞类型 条件 严格无阻塞 m 2 n 一1 ( 该条件是充要条件) 广义无阻塞 在p 渊n g 策虾聊l ( 2e 1 = h 其中互为斐波纳契数列。 可重配置无阻塞 肼疗( 该条件是充要条件) 从理论基础上，c l o s 网络从提出到现在半个多世纪的发展中积累的丰富的研 究成果，对c l o s 网络应用于传送设备交叉矩阵具有良好的指导意义。从网络架构 上，通过较小交换单元构建的三级大容量交叉矩阵，在任意一对输入输出端口对 间都有多条路径可供选择，为交叉矩阵的自动保护倒换提供了物理上的基础，使 得交叉矩阵具有很好的可靠性；而且c l o s 网络结构的模块性和可扩展性优点，使 得交叉矩阵能够很容易实现平滑扩展，具有良好的可扩展性。因此，可以说c l o s 网络是一种可以满足传输设备对交叉矩阵要求的理想交叉矩阵； 6光传输设备中采用c l o s 交叉矩阵的保护机制研究 在本课题的下一步研究中，将主要针对传输设备采用c l o s 交叉矩阵的网络可 靠性问题进行研究。 1 4 论文组织形式 本文的主要研究内容和组织结构如下： 第一章概述了全光网络保护技术的研究动机和相关背景，并介绍了与之相关 的技术设备。第二章介绍了目前光网络中所采用的保护倒换机制，分析了常用保 护倒换方案的原理及其实现的优缺点。第三章首先分析了c l o s 交叉连接设备进行 保护倒换的原理和机制，再将c l o s 交叉连接设备路由业务分为单播业务和组播业 务两种情况，对不同业务下c l o s 交叉矩阵保护倒换性能进行仿真。第四章主要实 现c l o s 交叉链接设备内部的容错保护，首先分析了c l o s 交叉矩阵内部故障发生 时的性能，再从硬件和软件两方面提出容错解决方案，分析并建立了两种容错故 障模型，最后对c l o s 交叉矩阵容错后的性能进行仿真。第五章将原有的c l o s 交 叉矩阵改进成为多链路c l o s 交叉矩阵，首先分析了其中的优缺点，然后对新结构 下的保护倒换和容错方案的性能进行仿真实现。第六章总结全文。 第二章光网络中的保护倒换机制 7 第二章光网络中的保护倒换机制 目前，网络上的重要应用越来越多，传输网必须能够保证其业务传输的实时 性、连续性和服务质量。另一方面，随着光纤技术的发展，链路传输速率已达数 十g b i t ，一条链路的损坏将导致大量的业务中断，从而造成严重服务质量问题以 及网络性能的下降。因此，网络的可靠性成为了一个重要问题。网络的保护与故 障恢复机制【1 0 】【1 1 】是网络生存性( s u n ，i v a b i l 耐) 的关键，如何实现信息的可靠保护与 故障恢复已迫在眉睫。 网络的生存性是指网络经受各种故障，甚至灾难性大故障后，仍然能维持可 接受的业务质量的能力。网络的生存性指标是衡量一个网络设计优劣的重要指标 之一。传送网的生存性直接影响着通信网的完整性，因而在传送网演进过程中提 高其生存性是一个重要的课题。 通常，影响传送网生存性的主要因素有： 1 ) 传输信道的故障：它是传送网故障的主要部分，如施工造成的故障，自然 条件下的故障以及连接元件发生故障等； 2 ) 结点设备故障：主要由设备元件、部件失效引起： 3 ) 软件的缺陷：实际应用中，软件开发设计过程中没有发现的缺陷在一定的 运行条件下被暴露出来引起故障。 所以，提高网络生存性是一项全面的系统工程，现有的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 ) 交换网络，提供了多种保护恢复技术来增强网络的生存性。按 照受保护网络的拓扑类型可以大致分为链路保护倒换、环网保护倒换和m e s h 网 络保护倒换，而每种保护方案中又包括了具体的保护倒换策略，下文将对其常用 的保护方案进行讨论。 2 1 11 + 1 保护 2 1 链路保护倒换 1 + 1 保护倒换的原理如图2 1 ( a ) 所示，从节点b 发出的业务信号，通过lx 2 耦合器分束后同时沿工作通道和保护通道到达接收端a ，接收端a 对业务信号进 行持续的监视和独立的故障检测，通过比较选择质量最优的一端作为有效信号接 受。当工作通道中的业务信号性能劣化到一定程度，或者发生故障时，如图( b ) 所 示，接收端a 改变保护倒换开关p s w 的状态，自动切换到保护通道，实现线路 8 光传输设备中采用c 1 0 s 交叉矩阵的保护机制研究 保护倒换。1 + 1 系统不需要信令或信号来指示保护倒换动作，能在最小的损耗时 间内恢复业务，但在故障排除后，接收端不切换到原来的工作通道上。 1x 2 呻协。1 0 4p 8 “p - s 1 c o u pj e r ( a ) 正常情况下网络业务沿工作通道传输，保护通道备用 。m 佃8 k 屯 入一 1 、_ - l x 2 p ”1 “m 曲 p 一汀 c o u p l e r ( b ) 当工作通道发生故障时，网络业务沿保护通道传输，通信得到保护 2 1 21 ：1 保护 图2 11 + 1 保护倒换的原理图 1 ：1 的保护倒换方案与1 + 1 保护倒换方案类似，不同点是业务量并不是被永 远地桥接到工作和保护通道上。在正常情况下，如图2 2 ( a ) 所示，保护通道用于 传送低优先级业务。当工作通道发生故障时，保护通道中的低优先级业务被终止， 如图( b ) 所示，空闲出的保护通道用来实现对工作通道中高优先级业务的保护。因 此，发送端不再采用通过1 2 耦合器实现的并发方式，而是使用保护倒换开关来 选择高优先级业务或低优先级业务。当工作通道发生故障时，发送端和接收端都 要进行保护倒换。故1 ：1 保护倒换属于双端倒换方式，为了协调双端的保护倒换 开关，需要使用自动保护倒换协议a p s ( a u t o m a t i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n g ) 。 “) 正常情况下发送端和接收端的2 x 2 保护倒换开关p 一甜l 和p - 趼2 处于直通状态 b ) 工作通道发生故障后。p - b l f l 和p - s w 2 在 p ：5 协议的协谭下，同时改变为交叉状杏 图2 21 ：1 保护倒换原理图 第二章光网络中的保护倒换机制 9 2 1 3m ：n 保护 在1 ：1 保护倒换方式中，需要为每一个工作通道配置一个保护通道，因此当 网络业务量较大、工作通道很多时，需要的保护通道也很多。这样就需要比较多 的网络设备与投资，增加了网络的运行成本。为了提高效率，可以采用工作通道 的m ：n 保护方式，即为了实现对n 个工作通道的保护，配置m 个保护通道， 正常情况下保护通道用来传送低优先级业务。当某一个工作通道发生故障时，保 护通道中优先级最低的业务被中止，空闲出来的保护通道用来对发生故障的工作 通道进行保护。 以下图2 3 为例，来说明w d m 传输系统采用的链路保护原理【1 2 1 。该系统由 发送终端、接收终端和连接它们的l ：1 传输系统构成。系统可以传送n 个高优 先级业务，分别为h i ，h 2 ，h n ；同时还传输m 个低优先级的业务l l ，l 2 ，l n i ， 当n 个高优先级业务中的一个或几个发生故障时，保护通道会自动中止正在传送 的低优先级业务，而实施对高优先级业务的保护。 图2 3 w d m 传输系统采用的链路保护方式 在发送终端中，n 个高优先级业务和m 个低优先级业务的光信号，输入到一 个( n + m ) ( n + m ) 保护倒换光开关s 1 。经过光开关的交换后，n 个高优先级业务 通过n 个工作通道o t u ( o p t i c a lt r a n s p o n d e ru n i t ) 九l k 转换成符合i t u t 建议 g 6 9 2 标准的w d m 信号波长；同时，m 个低优先级业务也转换成标准波长，并 与前n 个信号通过复用器m u x 复用成w d m 信号输出。 当传送n 个高优先级业务九l k 中的一个，如网络中的监测模块在发现故障 后，将启动对该通道传输业务的保护。这时，低优先级业务中优先级最低的业务， 如批将被中止。保护开关s 1 将把高优先级业务h i 切换到o u t 砷k ，实现了对 l o光传输设备中采用c l o s 交叉矩阵的保护机制研究 高优先级业务h i 的保护。同样，接收终端也可以根据监控信道l s c 传送来的指令， 通过s 2 开关的倒换，实现高优先级业务的保护。 对于1 + 1 、1 ：1 和m ：n 的链路保护，只在工作通道发生故障时需要在源和 宿端进行保护倒换，其使用策略相同，都利用设备中冗余资源来对故障领路进行 保护，但不同方法间的效率和可靠度不同。1 + 1 链路保护使用备用的保护通道来 进行故障倒换，所以可靠性最高，但资源利用率低，只能达到5 0 。1 ：1 保护倒 换在光网络正常工作下，在备用保护链路中传输低优先级业务，在故障发生时才 进行保护倒换，这样不但保证了保护倒换的成功率，而且也增加了资源的利用率。 m ：n 和前两种方式相比，虽然硬件需要波长转换，分叉复用等设备，软件算法 相对较复杂外，但使用n 条备用链路来保护m 条工作链路，资源利用率最高， 大大节省了网络成本，在实际应用中较前两种保护倒换方式广泛。 2 2 环网保护倒换 环形拓扑网络中，任意两节点之间都存在两个不同路由的传输通道，为网络 保护提供了必要的物理基础。在光传送网络中，存在光复用段保护和光通道保护 两种保护方式。它们分别在光复用段子层和光信道子层上实施保护倒换操作。 w d m 环形网络的保护不同于链路保护，在网络故障检测、故障恢复判断、倒换 协调以及光功率管理等有关方面产生了特殊的需求，下面我们就以环形拓扑网络 进行介绍。 p 六( ! ，、 ( a ) 正常运行时a d 业务所使用路由( b ) b c 段故障时的复用段重建保护 ( c ) b c 段故障时的通道重建保护 图2 4 复用段重建保护和通道重建保护比较 我们首先介绍复用段保护和通道保护的概念：复用段保护是指网络发生故障 时，网络能自动找出一条路由来代替发生故障的链路，而不改变其他的链路：通 道保护是在网络发生故障时，能自动找出另一条通路代替原来的通路，即从起始 节点到目的节点都由另一条路由代替。如图2 4 所示：在正常情况下( a ) ，从a 到d 的路由是a b c - d ，当b c 间发生故障时，采用复用段保护( b ) ，保护通道 为a bfc - d ，链路中用b f - c 替代发生故障的b c 链路，而采用通道保护( c ) ， 保护通路为a efd ，重新选择了一条新路由代替了原来的路由。通道保护可以 提高网络的利用率，但是网络恢复时间较慢，而复用段保护的网络恢复时间较快， 但有可能选取的不是最佳网络路由。 第二章光网络中的保护倒换机制 1 1 将上面的两种保护方式应用到环网中，我们可以将环网保护分为通道保护环 和复用段保护环。通道保护环的原则是利用冗余环路对工作通道进行保护。倒换 发生条件是检查是否产生通道告警指示a i s 信号( a i s - a l a r mi n d i c a t i o ns i g n a l ) 。 复用段共享保护环故障时，复用段链路一般是全环共享的，任一复用段出现中断 都可以用其他复用段的保护环。所以，通道保护环一般用专用保护，实际应用中 主要为二纤单项通道保护环；而复用段保护环一般用公用保护，应用主要为二纤 单向复用段保护环和二纤双向复用段保护环以及四纤双向复用段保护环等。下面 我们将对不同的保护方式进行详细介绍。 2 2 1 二纤单向通道保护环 二纤单向通道保护环原理，如图2 5 所示，采用“源端桥接，宿端倒换”的 结构。所有业务信号都沿逆时针方向在工作光纤s 上传输，如图2 5 ( a ) ；同时在 保护光纤p 上沿顺时针方向传输同样的备份信号。以业务信号a c 为例，接收端 节点c 同时收到两个方向的分路信号( 经s ，a d c ；经p ，a b c ) ，节点c 按 照优劣程度选取其中一路作为接受信号，一般情况下，以工作光纤送来的信号为 主信号。当c ，d 间光纤断裂时，工作光纤上a c 业务信号丢失，节点c 开关倒 换，接收从保护光纤上相反方向传来的备份信号，如图2 5 ( b ) 。一旦排除故障， 开关返回原来位置。而c 到a 的业务信号c a 仍经工作光纤到达，不受影响。二 纤单向通道保护环实际上是单端操作的1 + 1 保护倒换系统。 图( a ) 正常工作状态 图( b ) 故障发生时保护倒换 图2 5 二纤单向通道保护环原理图 2 2 2 二纤单向复用段保护环 二纤单向复用段保护环原理如下图2 6 所示，通常工作光纤传送业务信号， 1 2光传输设备中采用c l o s 交叉矩阵的保护机制研究 保护光纤是空闲的。当b ，c 间光纤断裂时，节点b 和节点c 的保护开关将利用 a p s 协议执行环回功能，此时节点a 到节点c 的业务传输链路为a b 环回一 b a d c 一环回c ，而从节点c 到节点a 的业务不受影响。这种环回交换功能保 证在故障状态下仍能保持环的连续性，故障排除后，交换开关返回原来的位置。 ( 1 ) 正常工作状杏下，节点 、c 闻的j 信，保护环鲁用( ”光缆故障袄杏下保护环启用 图2 6 二纤单向复用段保护环原理图 对比二纤单向通道保护环和二纤单向复用段保护环能够看出，由于两种环形 网络保护方式的不同，决定了它们在保护时间、保护粒度、网络规模、节点数目 和网络资源利用率等方面各具特点，具体表现如下： 保护时间：在通道保护环形网络中，保护是通过接收端单端倒换实现的，在 保护过程中不需要a p s 协议。因此当光缆发生故障时，网络可以在较短的时间内 完成保护倒换；而在复用段保护环形网络中，当光缆发生故障时，需要故障点两 端的节点同时控制保护倒换开关，属于双端倒换，因此需要a p s 协议来协调。这 样，不可避免地会带来一定的延时影响了保护倒换的速度。 保护粒度：在通道保护环形网络中，网络保护的粒度是单个的波长通道。因 此，当某一个通道发生故障时，只需在该通道的接收端实施保护倒换即可，不会 影响其他波长通道的正常运行；而在复用段保护环形网络中，当一个波长通道发 生故障时，整个复用段中所有的波长通道都不得不随着故障通道接受保护倒换。 由于保护倒换通过迁回方式实现，因此倒换后一些波长通道需要通过更长的传输 线路，从而引起这些波长通道性能恶化。 网络覆盖范围：在通道保护环形网络中，两个节点之间最大的传输距离总是 小于环形网络的周长，因此环形网络的周长可以等于光信号的透明传输最大距 离；而在复用段保护环形网络中，在保护状态下光信号以环回方式沿工作环和保 护环传输，因此两个节点之间的最大传输距离将会接近环形网络周长的2 倍，所 以，网络的最大周长只能是通道保护环形网络周长的一半。 节点数目；在通道保护环形网络中，保护倒换在接收端通过单端倒换完成， 不需要a _ p s 协议，因此对节点数目没有明确的限制；而在复用段保护环形网络中， 需要使用a p s 协议来协调与故障点相邻的两个节点进行保护倒换。由于a p s 通 常通过光监控信道传输，在每一个节点中都需要进行光到电和电到光的转换和处 第二章光网络中的保护倒换机制 1 3 理，从而引入一定的延时。因此为了在i t u t 建议规定的时间内完成保护倒换， 环形网络中节点的数目会受到一定的限制，通常要求少于1 6 个节点。 网络资源利用率：通道保护环形网络属于1 + 1 保护方式，正常工作状态下工 作环和保护环用来传输同样的业务。此外，在每个网络节点处需要两套节点设备， 才能同时从工作环和保护环中接收两个同波长的信道，并对其传输质量进行监测。 因此网络资源利用率较低；而在线路保护环形网络中，采用1 ：1 保护方式，正常 情况下保护环可以用来传送低优先级业务。此外，在每个网络节点处只需要一套 节点设备，通过两个附加的保护倒换开关即可以完成保护倒换，因此网络资源的 利用率较高。 综上所述，通道保护环形网络在保护时间、保护粒度、网络规模、节点数目 等方面具有一定的优势，然而最大的问题是网络资源利用率较低，因此网络的运 行成本较高。 2 2 3 四纤双向复用段保护环 四纤双向复用段保护环工作原理，如图2 7 所示，两根工作光纤s 1 ，s 2 构成 双向工作通路，两根保护光纤p 1 ，p 2 构成双向保护通路。业务信号a b 沿s 1 按 顺时针方向传输。业务信号b a 沿s 2 按逆时针方向传输，p 1 ，p 2 一般是空闲的。 四纤双向复用段保护环存在着两种保护方式：段保护方式和环保护方式。如果两 节点间发生同时影响工作通路和保护通路的故障，如四纤同时被切断或节点故障 用环保护：即a 、b 节点间光缆被切断后，a 、b 两节点执行倒换，s 1 与p 1 沟通， s 2 和p 2 沟通，a b 业务由s 1 转到p 1 光纤上传输，b a 业务由s 2 转到p 2 光纤 上传输。如果故障只影响到业务通路，如发送、接收设备故障或只是业务光纤被 切断时采用段保护方式：类似于1 + 1 保护系统，即a 、b 节点间业务光纤被切断 后，a 、b 节点进行倒换，a 节点将s 1 、p 2 光纤沟通，b 节点将s 2 、p l 光纤沟 通，s 1 信号由p 2 传，s 2 信号