（通信与信息系统专业论文）wdm全光传送网生存性研究.pdf

摘要 随着现代社会对通信依赖性的增强，光网络的生存性问题越来越突出。光 层保护恢复具有保护速度快、可靠性高、成本低、透明性强等优点，因而成为研 究的热点问题。然而由于光传送网处理的是光信号，以具有模拟特征的波长为单 位，使得光通信网的光层生存性技术与比较成熟的s d h 生存性技术相比，有了 许多新的特点，有许多问题期待解决。本文的研究重点是光层自愈方案与关键技 术问题。 本文首先分析了当前光传送网生存性研究的现状，然后对光网络生存性的 概念、光传送网的分层结构、电层网络生存性技术进行了描述，主要探讨了光层 网络生存性技术、特点，提出了一种光层保护r w a ( 路由波长分配) i l p ( 整数 线性规划) 算法和两种r w a 启发式算法，对它们的内容和性能做了详细描述，还 详细讨论了光层生存性关键技术。本文还针对网络最常出现的故障一一光纤断 裂，设计完成了一个光层复用段保护系统，给出了详细的硬、软件解决方案、通 信协议，指明了生存性各关键技术在本系统的实现，最后还给出了测试结果，并 对测试结果给出了分析总结。该系统已通过天津市科委组织的技术鉴定，并荣获 市科技进步二等奖。 关键词：光层保护生存性r w a 光纤监测 a b s t r a c t w l t ht h ei n c r e a s eo fm o d e m s o c i e t y sd e p e n d e n c e o nc o m m u n i c a t i o n s u r v i v a b i l i t y o f o p t i c a l n e t w o r kh a sb e c o m eac r u c i a l p r o b l e m o p t i c a ll a y e r s e l f - h e a l i n g f e a t u r e si ni t sf a s t p r o t e c t i o nr a t e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o w c o s ta n d t r a n s p a r e n t h o w e v e r , s u r v i v a b l et e c h n i q u e i no p t i c a ll a y e ro f a l l o p t i c a ln e t w o r k si s d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fs d hb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n to b j e c th a n d l e db yt h et w o l a y e r s al o to f p r o b l e m o f s u r v i v a b i l i t yi no p t i c a ll a y e rn e e d t ob es o l v e d t h ec o s t e f f e c t i v e s u r v i v a b l es c h e m eo n o p t i c a ll a y e ra n dk e yt e c h n i q u e s a r et h e t o p i c si nt h i st h e s i s f i r s to fa l l ，a na n a l y s i so fp r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o ni s g i v e n i n t h i st h e s i s ， s e c o n d l y ，t h ec o n c e p to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks u r v i v a b i l i t y ，t h el a y e r s t r u c t u r eo ft h i sn e t w o r ka n ds u r v i v a b i l i t yo nc i r c u i tl a y e ra l ed i s c f i b e d s u r v i v a b i l i t y o no p t i c a ll a y e ra n di t sc h a r a c t e r s ，s o m ek e yt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e dw i t hal o to f e m p h a s i s ，i nw h i c hak i n do fr w a i l pa n dt w ok i n d so fh e u r i s t i cm e t h o d sa r e p r e s e n t e dw i t h t h e i rc o n t e n t sa n dp e r f o r m a n c e s t h e na no m s p r o t e c t i o ns c h e m eo n o p t i c a ll a y e ri sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nc h a p t e r3 a i m e dt o d e a lw i t ht h em o s t c o m m o nc o m m u n i c a t i o nf a i l u r e ，f i b e r r u p t u r e ，ap r o t e c t i o n s c h e m ei s g i v e n ， d e s c r i b i n g t h et e c h n i c a ls c h e m e ，r e a l i z a t i o no fk e yt e c h n o l o g i e so fo p t i c a l l a y e r p r o t e c t i o n ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t t h e r e s u l ts h o w st h es y s t e mi ss a f ea n de f f i c i e n tt ot h ep r o t e c t i o no f t h et r a n s p o r tn e t w o r k k e yw o r d s ：o p t i c a ll a y e rp r o t e c t i o n ，s u r v i v a b i l i t y , r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ( r w a ) ，o p t i c a l f i b e rm o n i t o r i n g 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名：微 签字日期：卯年年又月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：习丧氟星导师签名： 签字日期：1 d 口4 年a 月2 日 喏啦试 签字同期：o 膊。月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络生存性问题的提出 自从贝尔发明电话以来，通信技术不断发展，它一方面方便了我们的生活， 另一方面又使我们的生活更加依赖于通信，特别是在政治、军事、经济等方面， 各种通信网络的结构愈加复杂，功能不断扩大，其发展更依赖于通信技术等信息 技术。通信网络的故障，将给人们的生活带来极大不便，甚至可能使整个社会陷 入瘫痪。 另外，技术进步和社会需求要求传输线路的速率越来越高。近年来，数据通 信业务和语音业务都在不断增长，其中以i p 业务的增长最为显著，保守的估计 是每6 个月翻一番。据太平洋贝尔公司报道，该公司的i p 业务量在1 9 9 5 年已经 达到语音业务量，而在2 0 0 1 年，a t t 公司则宣称其i p 数据业务已经超过语音 业务。如此迅猛的数据业务增长势头促使光网络传送速率不断提高。单波长信道 传送速率已由早期的2 5 g b i t s 发展到了现在的4 0 g b i t s ，尽管如此，昂贵的 经济代价已经不允许用单波长通信来满足未来数据业务的要求。于是如何利用光 纤近5 0 t b i t s 的理论带宽容量成为各国竞相研究的热点技术。在这一研究过程 中，波分复用w d m ( w a v e l e n g t hd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、密集波分复用d w d m ( d e n s ew d m ) 由于其优越的性能价格比，渐渐走向成熟，而成为通信网扩容最 有效的方法之一。目前，波分复用信道数由几个发展到了几十个、几百个，据报 道，一个总容量为3 2 t b s ( 2 0 g b s 1 6 0 信道) 的系统，在不采用前向纠错编码 的情况下，能成功传输1 5 0 0 k m ，误码率小于1 0 - 9 i ”。超大容量将成为下一代光网 络的基本特征。 也正因为如此巨大的传输带宽，和人们对于网络的依赖，网络中任一网元失 效，都将造成巨大的经济损失和社会影响。例如在一个单根光酐中实现4 0 个波 长的w d m 系统中，按目前已商用化的i o g b i t s 传输速率计算，单纤故障就会影 响几千万话路呼叫，如果一根2 4 芯的光缆因意外事故切断，则可能影响几亿话 路的通信。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。传输网络故障比以往任何时候产生的影响都要大。 网络故障的发生可以通过提高系统的可靠性来尽量减少，但要求网络业务百 分百的可通率则是不现实的。据美国联邦通信委员会报告，在美国，平均每两天 就会发生一次影响超过3 万用户的通信事故。在我国，此类事故也不在少数。减 少网元失效次数是解决问题的一种途径，而在网络设计之初，考虑到网元失效的 第一章绪论 不可避免性，使网络本身就具有抵抗失效的能力和预先设定网络恢复策略，则是 解决问题的另一种途径，尤其是在光纤网络中，后者显得尤为重要。再者，随着 电信市场的开放，通信业的竞争越来越激烈，仅仅提供无保护能力的传输通道已 经满足不了通信市场的需求，为了赢得信誉，提高综合竞争力，网络运营管理者 迫切需要考虑如何提高网络生存能力( s u r v i v a b i t y ) 、自愈( s e l f h e a l i n g ) 能力。网络的生存能力成为现代网络，特别是下一代网络设计中需要关注的重要 内容之一。在这样的背景下，一个新的研究领域一一网络生存性研究在近些年来 得到快速发展，同时也成为通信网络研究的前沿重点之一。 1 2 全光传送网生存性研究国内外发展现状 由于网络生存性问题越来越突出，业界已经对光传送i 稠 2 1 的生存性进行了大 量研究，提出了多种光层保护或恢复的方案。研究的重点集中在两个方面：一是 在可接受的生存性等级条件下，寻找提高资源利用率的方法，也就是寻求最大的 减低成本的办法；二是在资源( 光纤、波长) 数量一定的条件下，寻找更高的生 存性保证，包括缩短光路失效时间，提高保护效率等。 s d h 自愈环的成功，对光传送网保护的早期研究产生了积极作用。0 g e r s t e l 、 r r a m a s w a m i 和g h s a s a k i 研究了w d m 点到点链路和带有限波长转换的环形 网络的三种故障情况( 链路、节点、信道故障) ，提出了每种情况的恢复机制【3 1 。 按照方案要求的硬件和管理开销，对方案进行了对比。同时还提出了一个集成的 方案，通过有限节点的协调可处理所有类型的故障。 由于网络分层结构向简单化方向的发展趋势，i p o v e r w d m 生存性的研究成 为一个热点。l s a h a s r a b u d d h e ，s r a m a m u r t h y 和b m u k h e r j e e 研究了i p o v e r w d m 的两种故障管理技术：w d m 共享通道保护和i p 恢复【4 】。用数学方法阐述 了故障管理问题，提出了在典型网络中寻找有效方案的启发式算法，并分析了两 种技术的最大网络保证容量和恢复时间。结果表明在每个节点每个波长有一个收 发机的条件下，w d m 层保护技术胜过i p 恢复技术。 d z h o u 和s s u b r a m a n i a m 对现有光层保护方案的功能特征以及适用环境进 行了定性分析和比较垆i 。0 g e r s t e l 和r r a m a s w a m i 阐述了不同光层保护方案的背 景，从服务提供者的角度阐述了它们的优缺点1 6j 。从实现的角度分析了光层保护 方案需要考虑的几个事项，如支持快速保护、支持低优先级业务、支持网状网保 护、支持所有的故障模型以及波长转换对保护的影响【7 】。 将1 ：n 波长保护结构用于w d m 主干网和枝干网时需要对物理层作相应的 要求，c d i m o p o u l o sa n dd s i m e o n i d o u 对此做了理论研究【8 1 。他们在波长路由主 干网和枝干网中，对生存信道由于e d f a 增益交叉饱和导致单波长错误而产生的 第一章绪论 q 因子恶化采用动态计算机模拟的方法进行估计。试验发现，接收端阈值不一致 时，通常会产生大的q 因子恶化，但同光噪比相关的q 因子恶化的下降量很小。 这个结果表明，为了使1 ：n 波长保护结构成功地得到应用，接收器自动增益控制 ( a g c ) 或者阈值优化应该控制在几微妙的错误之内。 近几年在w d m 网络中，节点维护和备用容量规划方法已经有所发展，这些方 法大都已经考虑了静态业务要求，且对不同的消耗模型和生存性范例进行了网络 消耗的优化。但在动态业务下，需要将w d m 网络不同的操作阶段处理为单独的整 数线性规划( i l p ) 优化闷题，这样就避免了服务同连接发生分裂。然而，优化 问题的复杂性使方程只能用于网络协议和离线重构，直接用这种方法进行在线重 构的话，只能用于有限的带有几十个波长的小网络。因此，为了解决这个问题， m u r a r is r i d h a r a n ，m u r t iv s a l a p a k a ，a n da r u nk s o m a n i ，提出了一种建立 在l p 松弛技术基础上的用于快速在线重构的启发式算法【9 】，并且他们提供了从 松弛问题中推导出一个可行解的方法。这个算法分为两步：第一步，根据需要解 决的问题对网络拓扑进行处理。第二步，把处理的拓扑作为输入来计算和解决 l p 问题。这种l p 启发式算法在他们所进行的所有的试验中都得到了可行的解， 而且他们试验的结果表明启发式算法的运行时间很快，足以用于在线重构。 由于w d m 网络的物理保护需要大量的冗余资源而难以实现，所以出现了一种 新的结合w d m 层和高层通道的网络保护策略一一设计保护 10 1 ，其主要思想就是在 “设计层”实现对w d m 网络故障的处理，而w d m 网络自身并不直接恢复被中断的 光路径。 网络的发展趋势是从线形网到环形网，再到网状网，对网状网的生存性研究 已经成为研究的重点。s r a m a m u r t h y 和b i s w a n a t hm u k h e r j e e 研究了w d m 网状 光网络单链路故障保护的各种方案，以全网使用的波长总数( 包括工作光路使用 的波长和为保护光路预留的波长) 最少为优化目标，给出了在静态业务条件下， 专门通道保护、共享通道保护和共享链路保护的i l p 描述【1 ”。比较了三种保护方 案的波长容量要求，得出了共享通道保护能够节省容量的结论，他门还分析了不 同保护方案的自愈时间【1 2 】，得出结论是：在交叉连接配置时间低( 1 0 us ) 时， 共享链路保护自愈时间最短，共享通道保护自愈时间最长；在交叉连接配置时间 高( 5 0 0 m s ) 时，专用通道保护自愈时间最短，共享通道保护自愈时间最长。 继静态业务条件下处理故障的网络设计f 1 3 , j 4 】之后，动态恢复方案成为研究的 重点。g m o h a n 等人提出了一个动态建立工作和保护通道的方案【l ”。他们在建 立工作通道同时为每一个要求保护的工作通道分配共享方式的保护通道，只要工 作通道链路不相关，备用通道可复用到相同的信道上。其主要观点称为主一备复 用。在这里，一个预先分配的保护通道可分配给一个新的工作通道，因此恢复失 第一章绪论 效是在故障发生时进行。但其研究结果表明：轻载时在恢复保证率( 代表一个链 路故障时能恢复的连接平均值) 为9 0 ，可达到9 0 的阻塞性能增益( ( b o o - b 。) ( b , o o - b 。) ，b ；是对于保证率为x 的阻塞率) ，重载时其阻塞性能增益也大于恢 复保证率的减少。 随着光网络技术的发展，多光纤网络性能的研究正逐步被重视起来。s t e f a n o b a r o n i 等人研究了具有抗毁机制的多纤波长路由光网络( w r o n ) 的设计l l “， 给出了以全网络使用的光纤数最小为优化目标的路由波长分配问题( r w a ) 的 i l p 描述，包括有波长转换和无波长转换两种情况。并提出了相应的启发式算法。 得出以下结论：( 1 ) 对于小型网络，通道恢复方案最佳。( 2 ) 在没有恢复或有恢 复但终端设备波长可调谐的情况下，o x c 引入波长变换好处不大。( 3 ) 物理连 通度和网络大小的结合对故障恢复需要的额外容量有着重要影响。( 4 ) 如果高层 设有自愈方案( 如s o n e t s d h 环) ，可以节省许多高层容量。( 5 ) 业务增长时， 波长转换可以提高资源利用率，收益的大小取决于网络的大小、物理连通度、 波长复用数。 但是，在以往的研究中，大部分文献的工作主要集中在解释光层保护的基本 原理、各种保护方案的分类、网络设计优化等，具体详尽的保护恢复方案相对较 少。对光层保护一些关键技术的研究还不深入，一些问题尚待解决，譬如备用光 信道的性能监测问题、故障定位问题等。而且保护方案多是基于对多种故障的考 虑，缺乏针对性。此外，对成本也缺乏考虑。 1 3 本文章节安排 本文共分五章： 第一章绪论。提出下一代光网络的特点及其对生存性的要求，介绍前人在 全光传送网生存性技术上己做的工作，指出期待解决的问题，为下文的工作明确 方向。并叙述论文的主要内容。 第二章全光传送网生存性技术。介绍网络生存性的概念，网络层次结构， 并主要阐述了光层生存性技术及其特点和关键技术。 第三章1 ：l 光层0 m s 多路保护系统的设计与实现。针对光网络中最常出现的 故障一一光纤断裂，设计了一种网络光层保护方案，从硬件，软件两方面进行了 详细的描述。 第四章对第三章所设计系统进行测试。 第五章结束语。给出论文的结论，指出尚存在的问题和以后的改进设想。 第一二章全光传送刚生存性技术 第二章全光传送网生存性技术 2 1 网络生存性概念 网络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够维持可按 受的业务质量的能力1 7 】，它是网络完整性的一部分。完整性包括通信质量、可靠 性和生存性等。可靠性与生存性意义不同。可靠性是指器件或局部的正常使用寿 命，是通过统计预测来确定的。但生存性则基本上与统计寿命无关，它描述的是 怎样在意外情况下维持生存系统的能力。为了满足网络生存性的需求，自愈的概 念应运而生。所谓自愈是指在网络发生故障时，无需人为干预，即可在极短的时 间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到出现故障。自愈是生 存性网络最突出的特点，本文中的生存性合自愈性意义基本一致。其基本原理就 是使网络具备发现故障并找到替代路由的能力，在较短时间内重新建立通信。替 代路由可以采用备用设备或利用现有设备中的冗余能力，以满足端到端的业务恢 复或指定优先级业务不受影响。在自愈过程中，没有通话或业务中断，甚至对用 户是透明的，用户感觉不到网络已经发生了重组。 表征网络生存性的主要技术指标有： 冗余度：网络中总空闲容量与总工作容量之比。为了节约网络资源，冗 余度应尽可能低，最多不能超过5 0 。但如果过低会使生存性难以保证。 恢复率：已恢复的通道数与原来失效的总通道数之比，或已恢复容量与 原失效的总容量之比。网络的自愈方案应试恢复率尽量高，一般应达到 9 9 以上，以维持通信的畅通。 自愈时间：以一定的恢复率为目标，网络自愈的时间。自愈时间应尽量 低，保持在m s 量级或更低。 开销以及复杂度：为了提高网络的生存性所附加的设备开销和负责度应 尽量低。 此外，还要考虑初始成本、易于操作运行维护、升级或增加节点的灵活性等 等。 网络生存性设计的主要内容包括： _ 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。环形网的生存性就比线形网优越得多，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重要一 环，检测时间应在m s 量级或更低。 第二章全光传送网生存性技术 一鲁棒性的自愈设计：包括拓扑结构、自愈算法、协议确定、执行逻辑等。 人工修复、更换硬件、接续光纤光缆：网络设计应方便故障后的人工修 复等操作，硬件易于插拔，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 其中鲁捧性的自愈设计和复原能力两项是生存性网络研究的主要热点问题。 2 2 全光传送网分层结构 电路层 通道层 复用段层 再生段层 物理层( 光 纤) 电路层 电通道层 电复用段层 光层 物理层( 光 纤) 电路层电路层虚通道 p d h 通道层s d h 通道层虚通道 电复用段层电复用段层( 没有) 光信道层 光复用段层 光传输段层 物理层( 光纤) 图2 - 1全光传送网络的分层结构 为适应光网络技术的发展，i t u tg 8 7 2 为全光传送网的分层结构做了定义， 在原传送网络结构中加入了光层，如图2 1 所示。光层紧邻物理层( 光纤) ，将 i p 、s d h s d h 、a t m 等作为客户信号层，为其提供一个透明的公共传送平台。 光层又细分为光信道层( o c h ：o p t i c a lc h a n n e ll a y e r ) 、光复用段层( o m s ：o p t i c a l m u l t i p l e x i n g s e c t i o n l a y e r ) 和光传输段层( o t s ：o p t i c a l t r a n s m i s s i o ns e c t i o nl a y e r ) 。 相邻层之间形成客户服务者( c l i e n t s e r v e r ) 关系，每一层网络为相邻上一层网络 提供传送服务，又使用下一层网络所提供的传送服务 t s l 。 光信道层负责为电复用段层的客户信息选择路由和分配波长，为各种业务信 号提供光信道上端到端的透明传送。其主要功能包括：为网络路由提供灵活的光 信道层连接重排；确保光信道层适配信息的完整性以及光信道开销的处理能力； 确保网络运营与管理功能得以实现的光信道层监测能力。根据g 7 0 9 的建议【1 9 1 ， 光信道层的特征信息是一个光传送单元( o t u ) 。光信道层网络的边界是光信道 层的路径终端功能，它要执行连续完整性的合法性确认、传输质量的评估阻及传 输缺陷检测和指示等功能。在光传送网中，传输、信号的处理、交叉连接和分插 复用都在光域上进行，对信号的质量难以直接测量和评估其传输质量。这是制约 光传送网发展的重要因素，有必要进行深入的研究和探讨。 6 第二章全光传送网生存性技术 光复用段层是把许多不同波长的光波复用到一起的光复用层，它为多波长光 信号提供了联网功能。其主要功能包括：确保多波长光复用段适配信息的完整性 以及光复用段开销的处理能力；为保证段层操作与管理能力而提供的光复用段监 测功能。一个光复用段层网络的特征信息由两个分离的逻辑信号组成：由光复用 段路径终端开销构成的数据流；由光信道层适配信息组成的数据流。 光传输段层为光信号在不同类型的光传输媒质上( 如g , 6 5 2 、g 6 5 3 、g 6 5 5 光纤等) 提供传输功能、传输段开销处理功能以及实现对光放大器或中继器的检 测和控制功能。n 阶光传输段支持相同阶的一个光复用段数据单元( 含有n 个 光信道) 。o t s 的特征信息包含两个独立的逻辑信息：o m s 层的适配信息和o t s 路径终端专用的管理、维护开销。物理上它由一个n 阶的复用光信号和光监控 信道构成。 2 3 电层生存性技术 2 3 1l p 层的生存性技术 在i p 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很小， 但i p 层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在网络层i p m p l s 完成的生存性方案通常考虑的是动态重路由方案和多协议标记交换( m p l s ) 的自 愈方案【2 0 】，此外还有弹性分组环( r p r ) 和动态分组传送( d p t ) 技术。 当主通道中的两个节点( 路由器) 间的链路发生故障时，内部网管协议可以 动态的计算和寻找到一条两个节点问的有效备用路由，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。 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。 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 l 】。 第二章全光传送网生存性技术 2 3 2 s d h 层的生存性技术 s d h 帧结构中安排了丰富的开销比特。这些开销比特包括了段开销( s o h ) 和通道开销( p o h ) ，因而使网络的o a m 能力大大增强，用这些字节可以方便 的对网络进行故障检测、区段定位、端到端性能监视、单端维护等。对于s d h 传送网而言，层间自愈机制的协调配合相对简单，在转向处理底层自愈保护行动 前可以采用实施超时的方法来避免层间冲突。 s d h 网的自愈保护方法有很多，从网络功能结构划分，s d h 保护可以分为 路径( 包括段和通道) 保护和子网连接保护。子网连接保护在网络中的配置保护 连接方面具有很大的灵活性，特别适用于不断变化、对未来传输需求不能预测的、 根据需要就可以灵活增加连接的网络，故而它能够应用于干线网、中继网、接入 网等网络，以及树形、环形、网状的各种网络拓扑。保护功能的实现可以采用利 用服务层固有可用的数据所得到的信息来启动保护动作的固有监视方案也可以 采用使用桥接到子网连接的路径中断来监视子网的非介入监视方案。 2 4 光层生存性技术 2 4 1 光层自愈的必要与可能性 1 p 、a t m 和s d h 层都拥有自愈技术。像s d h 可以直接在光纤上传输，其 它的层也能在光纤上运行，并且不依赖其它层处理自愈功能。结果，这些层的每 一层都有自己的自愈功能。那么，为什么还需要光层来提供自己的一套自愈机制， 原因如下： 在光层以上的一些功能层不能完全提供网络需要的全部自愈功能。例如， s d h 层提供综合性自愈，而不依赖光层。然而，其它层( a t m 、i p ) 的自愈 技术在故障情况下不能提供足够的网络恢复能力。i po v e rw d m 直接在光纤 上运行而不使用s d h 层。而i p 在路由器级有故障容限，不能快速提供满足 要求的q o s 。在这种情况下，需要光层提供快速保护以满足传输层的抗故障 要求。 大多数运营商在传统设备上有大量的投资，而这些设备根本不提供任何自愈 机制，但又不能全部不用它，光层在这些设备和光纤之间的无缝引进提供了 一个低费用光纤链路的升级，而且提高了自身的生存能力。 光纤的故障恢复能力可以用来提供一个附加级的网络伸缩性。例如，许多传 送网络一般一次只能处理单项故障，而不是多项故障。而光纤的故障恢复能 力可提供伸缩性，以防多项故障的发生。 第二章全光传送州生存性技术 光层自愈能高效率处理某些故障类型( 像光纤切断) 。 利用光层的自愈能力可节省大量的费用。 另一方面，d w d m 光传送网是支持多协议、多业务的综合传送平台，其光层 自愈能够为各种信号提供一个公共生存平台，而且与平台承载的业务信号的内在 自愈能力不相关。此外d w d m 光网络节点可以为一条路径上的所有波长提供自 愈，因此完全可以在光层上提供网络生存能力。从网络建设来说，随着e t d m 、 d w d m 技术的进步，不仅光传输系统的波长通道速率越来越高，复用波长数量 越来越多，应用也从单纯的点对点发展到引入o a d m 组成可分插波长的光环路 或线形网路，这使得光层环网自愈成为可能。关于不同传送网络结构的光层自愈 技术，正在探讨开发之中。o x c 是网形网络的关键网元，其技术发展迅速，已 经进入现场试验阶段，距商品化越来越近。基于光层o x c 自愈的光传送网也将 变成现实。 2 4 2 光层自愈的特点 光层自愈与业务层的自愈相比，有下列特点： 夺自愈颗粒粗、速度快 光层保护是对波长进行操作，自愈的基本颗粒( 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。 夺透明性 光层自愈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自愈能力。 夺预测性 现有光传输系统的传输监测在光信道阻断前不能发现光缆故障征兆，做不到 提前预警，而采用光信道监控保护设备则可根据信道的光信号质量的变化趋势做 出预警，这样就可以预防通信的中断。 夺可靠性高 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，造成自愈失效的问题。 夺自愈成本低 光层自愈比高层自愈需要更少的协调性，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。 9 第二章拿光传送阿生存住技术 2 4 3 光层自愈技术 2 4 3 1 自动保护倒换( a p s ) a p s 是指当工作通道中断或性能劣化到一定程度后，系统将光信号自动转至 备用光纤系统的方法。a p s 具体实现可以采用1 + 1 、1 ：1 、或1 ：h 保护方式。 1 + 1 光层保护利用光耦合器把光信号分成相同的两路分别送入工作光纤和 保护光纤的通道中。其中任意一条光纤被切断，接收端的光开关把线路切换到保 护光纤，由另一条光纤承载数据。这种保护是单端倒换的保护方式，不需要a p s 协议，自愈快，且不需要恢复到原状态，但增加了3 d b 功率损耗。此外，与s d h l + l 保护不同，1 + l 光层保护并不是对传输来的两路信号进行检测并不断选出最佳信 号，而是接收机并不知道保护光纤的任何状态信息就切换到保护光纤上【2 “。 l ：1 光层保护方案与l + 1 光层保护方案的不同之处在于业务流量并不是被永 久地桥接到工作和保护光纤上。而只是在出现故障时，才在工作光纤和保护光纤 之间进行一次切换，保护光纤可以承载额外业务。可见，备用通道很难得到监视， 如何同时监视工作路和备用通路性能是需要认真研究的。但是1 ：1 光层保护属于 双端自愈的方式，存在收发两端保护切换的协调问题，需要协议和信令的支持。 其信令内容需包括桥接倒换请求、状态、源和目的地址。1 ：1 的保护方式可以直 接扩充为1 ：”的保护方式。 在1 ：h 的a p s 中，”条工作通路共享l 条备用通路，工作光纤修复后，信号 由保护光纤返回原工作光纤。相对于1 + 1 保护，1 ：1 和l ：n 保护方式的业务恢复时 间较长，但对网络带宽资源的利用更加充分。 2 4 3 2 自愈的备用路由 自愈的备用路由可以由两种方式获得，根据路由的获得方式的不同，自愈可 以分为：保护( p r o t e c t i o n ) 和恢复( r e s t o r a t i o n ) 。两者的主要区别在于适用的网 络拓扑、业务的恢复速度以及保护容量的确定性等因素。保护是利用节点之间预 先分配的容量提供快速自愈，适用特定拓扑的技术( 例如线形或环形) 。它往往 处于本地网元或远端网元的控制之下，无需外部网管系统介入，自愈时间很短， 但备用资源无法在网络范围共享，资源利用率低。恢复是利用网络提供的富余度 使得由于故障而带来的阻塞快速而准确地重新安排路由而确保畅通。其实质是在 网络中寻找失效路由的替代路由，恢复算法与网络选路算法相同。恢复通常可以 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、网络的专用容量 乃至低优先级的额外容量，因而可大大节省备用资源。但恢复机制通常需要外部 网管介入或很多节电协同工作，时间较慢，恢复响应不确定，业务恢复时间可能 长达数秒至分钟量级。恢复算法要求恢复时间尽量短，因此在路由和波长分配选 第二章全光传送嗣生存性技术 择上可以选择时间复杂度低的算法来保证恢复时间。 保护方案可以分为专用和共享两种模式。采用专用模式时，备用路径与工作 路径同时建立，当工作路径出现故障时，保护切换操作只在连接的源和目的节点 进行，速度较快，但需要更多保护资源。专用保护通常包括l + l 和1 ：1 保护。采 用共享模式时，备用路径在工作路径正常时并未建立，无相同链路和节点的工作 路径之间可以共享备用路径资源。与专用模式相比，共享模式能更有效地利用资 源，但在工作路径故障建立备用路径时，需要备用路径上的所有节点间传送一些 信令以及其它必要操作，因而恢复速度较慢。专用保护机制与共享保护相比，实 现起来简单，恢复速度稍快，但需要更多的冗余资源幽】。如果工作光路的故障概 率在统计上是独立的，则共享保护机制可提供与专用保护机制相同的保护【2 。 实现网络生存性的另一种措施一一恢复的前提有3 个：一是网络中要有o x c 作为网络节点设备，传送业务依靠o x c 设备的调度和管理；二是网络中要有一 定的备用资源；三是网络管理系统要具备网络恢复功能。o x c 的核心部分是交 叉连接功能。每个输入信号被解复用成多个并行的交叉连接信号。然后，内部交 叉连接网采用交换技术按照预先布放的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对 这些交叉连接通道进行重新安排，然后再利用复用功能将这些重新安排后的信号 复用成高速信号输出。整个交叉连接过程由连至o x c 的本地操作系统或连至电 信管理网( t m n ) 的支持设备进行控制和维护。利用o x c 实现保护恢复的实质 就是o x c 网络恢复算法与网络容量优化分配的问题。 o x c 恢复可以采用集中控制或者分布控制。集中控制的具体实施方法有三 种：手工配置式、预置式与动态式。手工配置可达数小时，是不得已的恢复方式； 预置式按照实际网络情况预先存储交叉连接图，设置了一个或多个备用路由，一 旦出现问题，只要查询一下交叉连接图就可以立即按实现预置的备用通道将业务 倒换过去，速度很快，但所选路由未必最理想。主要适用于单点失效故障；第三 种是一旦出现问题即动态、实时的对全网资源进行查询和计算，以选择替代路由， 显然只有这种方式才能选择最佳路由，且适用于多地点故障，然而网络恢复所需 花费的时间也较长。恢复时间视网络空闲容量的大小而定，可能达到数十分钟， 因此对业务的影响较大。各种分布式控制方法基本上都是基于网络泛洪法。这种 方法无需全网的信息，每个节点只要存储局部的在该节点终结的链路容量信息即 可，因而业务恢复较快。但是这种方法的消息数量、涉及的无用节点数以及虽无 用却仍需保留一段时间的空闲容量数却相当大，还有潜在的网络拥塞问题。 光网络的动态恢复算法是在网络的空闲可用资源中为故障业务动态找到一 条优化的路由和波长，它属于路由波长分配( r 、a ) 问题，通常先为所需目的 一源节点对分配光纤通路，再为它们分配波长。光网络的恢复路由可以基于最短 第二章争光传送嘲生存性技术 路径优先选取。恢复业务的波长选择可以采取r w a 问题中的波长分配算法。主 要有：随机分配( r a n d o mw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ：r ) 算法、首次命中( f i r s t f i t ：f f ) 算法、最小使用( l e a s t u s e d ：l u ) 算法、最大使用( m o s t u s e d ：m u l 算法、最小乘 r ( m i n - p r o d u c t ：m p ) 算法、最小负载( l e a s t l o a d ：l l ) 算法、全局最 大总和( m a x s u m ) 算法、相对容量损失( r e l a t i v ec a p a c i t yl o s s ：r c l ) 最小算法、最 小影响( 1 e a s t i n f l u e n c e ：l i ) 算法、相对最小影响( r e l a t i v el e a s ti n f l u e n c e ：r l i ) 算法。 r 算法并不考虑波长的占用情况，f f 算法略有改进，l u 算法使光连接在所有波 长上尽可能平均的分配业务，而m u 算法尽可能地利用有已经占用过地波长，实 验表明，m u 算法通常效果较好。其它算法较少使用。 2 4 3 3 自愈所处层面 光传送网的结构分光信道层、光复用段层、光传送段层三个层次。光层的自 愈可以在不同的层面上实施，分别称为光信道层自愈、光复用段层自愈、光传送 段层自愈。0 g t 保护是针对每个信道的，保护的单位是波长，故障时由每个工作 光信道道的源、目的节点负责将业务倒换到备用信道。0 m s 保护是针对复用段层 的，能保护光纤中的所有波长，保护的单位是光纤，故障时故障链路的两端节点 负责检测故障弗将故障链路上的所有业务倒换到旁路故障的保护信道。光复用段 层和光信道层保护的自愈需要结合o a d m 的功能。在光复用段自愈中，在o a d m 节点的自愈模块处将工作光纤上的工作波长都倒换到保护光纤上，可以有效地对 光纤断裂情况实现自愈。而在光信道自愈中，只是针对每个波长提供1 ：1 或1 + l 保 护，发生故障时，信号源节点和目的节点动作实现自愈，此类保护恢复比光复用 段灵活，可以提供收发端机故障的保护，但控制比光复用段保护复杂。 aj 下常b 链路自愈c 通道自愈 图2 2 链路自愈、通道自愈示意图 2 4 3 4 自愈的对象 自愈的对象可以是网络中一条工作链路，也可以是一条完整的工作通路。根 据自愈的对象的不同，网络自愈方法可以分为两种：链路自愈和通路自愈，如图 2 2 。链路自愈是指只对连接中发生故障的链路寻找替代路由，而未发生故障的 1 2 笫二章全光传送州生存性技术 其它部分仍保留原来的路由，属于o m s 层自愈，要求网管系统具备很强的故障 定位能力。通路自愈是指对整个子网连接寻找替代路由，即当检测到通路的部分 链路故障时，在避开原通路的物理拓扑上，为整个通路寻找一条备用路由来取代， 属于o c h 层自愈，无需故障定位。由于通路自愈是针对每条受故障影响的业务， 故障链路上的所有光通路均需要切换，自愈动作涉及到多节点动作。但通路自愈 能选择当前网络的最优路由，同时能较好地处理该故障路由上的多故障情况。表 面看来，链路自愈似乎比较简单，实则不然，要专门为发生故障的链路从复杂网 络的备用路由中寻找一个路由并不简单，它远不如用一个完整的备用路由来取代 发生故障的整个通路容易。而且链路自愈无法选取当前网络中的最优资源，对网 络中的资源分配效率不高，而且当故障业务路由上故障多时，效果不好。实际上， 若要保证1 0 0 的生存率，采用链路自愈方式需要的备用容量比例约为工作容量 的5 0 ，而采用通路自愈方式需要的备用容量比例仅为工作容量的2 0 3 0 ，因 此w d m 传送网应优选通路自愈方式。 在寻求备用通道时，由于一般的i l p 法的计算复杂性高，只适合于分析较小 规模的网络。当网络规模较大时，它们的有效性就难以达到了。经过对光层自愈 方法的特殊性研究，本文提出了两种实现专用通路保护的新算法和一种实现共享 通路恢复的路由波长分配新算法【2 5 】。三种算法所需的求解时间( 或运行时间) 和 解的波长利用率不同。 算法i ：通道对、波长分配0 - 1