（电磁场与微波技术专业论文）自动交换光网络保护恢复方式的研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 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： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或枫构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 2 日期； 日期： 摘要 随着视频、多媒体等数据业务的快速发展，原本以语音为对象而设计的传统 的传输网络已经不能更好地满足业务发展的需求。由于数据业务不同于话音业 务，具有自相似性、不对称性、动态性、突发性等特点，对传送网络提出了动态、 实时进行业务提供的要求。能够适应数据业务的不确定性和不可预见性，同时也 可以降低网络管理、维护成本的网络概念一自动交换传送网应运而生。以光传送 网为基础的自动交换传送网又称为自动交换光网络a s o n ，其代表了传送网的发 展方向。自动交换光网络中，利用控制平面对网络实施动态的资源调配，采用多 种生存性机制，对网络中的故障业务进行高效、快速的保护或恢复。 本论文工作围绕a s o n 网络的生存性相关技术展开，主要对与生存性相关 的一些关键问题进行研究，主要工作如下： 1 介绍a s o n 网络结构，对基于g m p l s 的a s o n 生存性机制做了较为详 细的分析，对a s o n 网络中生存性机制的工作效率做了仿真分析。光网络生存 性仿真平台的节点结构采用标准的g m p l s 协议设计，可以模拟实际网络发生故 障时，采用不同的生存性机制进行的网络处理情况。 2 研究了p c y c l e 保护方式及其在a s o n 网络中的应用。完成了集中式 p c y c l e 保护方式在a s o n 控制平面的路由模块中的配置流程设计和实现，包含 了不同的业务类型，网络拓扑结构，路由波长分配策略以及p c y c l e 的动态和静 态两种配置策略。完成了仿真平台对p - c y c l e 算法的调用，以及单链路故障时对 静态和动念业务类型情况下的仿真分析。 创新性成果如下： 设计了重路由恢复的详细流程，应用网络仿真软件o p n e t 进行仿真，得出 了仿真数据并进行了数据分析；实现了p c y c l e 保护方式在a s o n 网络中的集中 式配置，完成了a s o n 控制平面的路由模块的配置流程设计和实现，分析了在 静态业务情况下p c y c l e 对单链路故障的保护。 关键词：自动交换光网络生存性机制保护恢复重路由p - c y c l e p r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o n 匝c h a n i s m si n a s o nn e t w o r k s a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f v i d e o & m u l t i m e d i at r a 岱c t h et r a d i t i o n a lo p t i c a lt r a n s p o r t n e t w c l r k sd e s i g n e df o rv o i c et r a f f i c sn ol o n g e rm e e tt h ed e m a n do nd a t at r a f f i c d a t a t r a f f i ci sm o r ed y n a m i ca n du n p r e d i c t a b l es oi ta s k sf o rad y n a m i cm a n a g e m e n t w e w a n tt h eu e t w o r kc a l lc o n f i g u r er e s o u r c e sa ss o o na sp o s s i b l es ow ec a l lm a k eu s eo f t h en e t w o r ke f f i c i e n t l yt op r o v i d es e r v i c e s an e t w o r kr o s eu pa tt h i sm o m e n t i ti s c a l l e da u t o m a t i c a l l ys w i t c b e d o p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ) w i t hi t sc o n t r o lp l a n e a s o nc a r lo p e r a t en e t w o r kr e s o u r c e sd y n a m i c l ya n dc a r lp r o v i d ev a r i o u ss u r v i v a b l e m e c h a n i s m sf o rn e t w o r k p r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so na s o n s u r v i v a l b i l i t ya n dc i r c l e sa r o u n daf e wo f k e yp r o t e c t i o n & r e s t o r a t i o nm e c h a n i s m s m ym a i na c h i v e m e n t sa n dw o r k sa sf o l l o w s ： t h eg m p l s b a s e da r c h i t e c t u r eo fa s o nn e t w o 呔si si n t r o d u c e d t h e l lw ed od e e p l y r e s e a r c ho ns o m ek i n d so f p r o t e c t i o n & r e s t o r a t i o nm e c h a n i s m s i na s o n e n v i o r e n m e n t e s p e c i a l l yr e r o u t i n gm e c h a n i s m s c h e m e sf o rr e r o u t i n gm e c h a n i s ma r e d e s i g n e da n de x e c u t e d a f t e rs i m u l a t i o i l d a t ai sc o l l e c t e da n da n a l y z e d p c y c l ei sap r e c o n f i g u r e dp r o t e c t i o nm e c h a n i s mi nn e t w o r k p c y c l ec a np r o v i d ef a s t p r o t e c t i o ns w i t c h i n ga n de 筋c i e n tr e s o u r c eu t i l i z a t i o ni na s o nn e t w o r k s s oi ti s v a l u a b l et oi n v e s t i g a t et h ed e p l o y m e n to fp c y c l e i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o no f p - c y c l ef o rp r o t e c t i n gb o t hs t a t i ca n dd y n a m i ct r a f f i c si na s o nn e t w o r k si ss t u d i e d s i m u l a t i o nd a t ai sc o l l e c t e da n d a n a l y z e da tl a s t k e yw o r d s ：a s o n s u r v i v a l b i l i t ym e c h a n i s mp r o t e c t i o nr e s t o r a t i o nr e r o u t i n g p c y c l e 4 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着视频、多媒体等数据业务的快速发展，电信网络从以承载语音业务为主 转向以承载数据业务为主，这给传送技术带来了巨大的挑战，在传输的业务量上 和传输的业务特性方面给传统的电信网络提出了很高的要求。由于数据业务不同 于话音业务，具有的自相似性、不对称性、动态性、突发性等特点，对传送网络 提出了动态、实时进行业务提供的要求。 通过在原有概念和技术基础上的发展，提出了自动交换光网络的概念，给现 有传输网络的体系结构带来重大的变革，对自动交换光网络的研究具有重要意 义。自动交换光网络最主要的变革是提供了一个网络的控制平面，通过控制平面 为网络提供相应的功能，按需实现网络资源动态、实时、灵活的配置。 1 2 自动交换光网络生存性 现有的传送网络提供巨大带宽的同时也增加了网络发生故障时带来的风险， 一旦发生网络故障，将导致大量的业务丢失，造成重大的损失。因此光网络的生 存性就显得格外重要，针对网络故障的保护恢复策略的研究也就显得非常必要。 网络生存性是指网络抗拒由故障造成的业务中断或干扰的能力，也就是在网络发 生故障的时候将发生故障的链路上承载的业务倒换到其他路径，以减少网络中业 务的损失。 网络生存性是依靠网络中的保护恢复措施来保障的。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，但保护和恢复方法又有所不同。保护是在故障发生前为 专门的工作业务预留的，这些网络资源不能为其他业务所占用。恢复是在故障发 生以后，为受损业务选取的一条可替代路由。保护恢复方式可以从不同的角度进 行分类：按照保护和恢复的策略分为基于链路、区段和通道的保护恢复，按照保 护资源类型分为共享和专用资源的保护；按照恢复方式分为预先配置和动态计算 的故障恢复，按照故障类型分为单链路故障、多链路故障、单节点故障和多节点 故障的保护恢复。 自动交换光网络a s o n 控制平面的引入为高效快速的网络生存性提供了良 好的条件，能够实现网络资源的动态分配，智能化的连接管理，快速高效的网络 6 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 生存性策略，能够为业务提供多种保护恢复机制。a s o n 的拓扑结构是格状的， 相对于环网来说它，格状光网络的保护恢复机制更加丰富多样，具有研究价值和 意义。 1 3 论文的研究内容及主要工作 介绍了a s o n 网络结构，对a s o n 生存性机制做了较为详细的分析，对a s o n 网络中生存性机制的工作效率做了仿真分析。基于标准的g m p l s 协议，设计了 自动交换光网络生存性仿真的节点结构，该节点可以模拟实际网络发生故障时， 采用不同的生存性机制进行的网络处理情况。设计了重路由恢复的详细流程，应 用网络仿真软件0 p n e t 进行仿真，在特定网络拓扑中得出了仿真数据并进行了 数据分析。 研究了p c y c l e 保护方式及其在a s o n 网络中的应用，分析了集中式和分布 式的配置方式，完成了集中式p c y c l e 保护方式在a s o n 控制平面的路由模块中 的配置流程设计和实现，兼容了不同的业务类型，网络拓扑结构，路由波长分配 策略以及p c y c l e 的动态和静态两种配置策略。完成了仿真平台对p - c y c l e 算法 的调用，以及单链路故障时对静态和动态业务类型情况下的仿真分析。 7 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 第二章a s o n 网络结构及网络生存性 随着视频、多媒体等数据业务的快速发展，原本以语音为对象而设计的传输 网络已经不能更好地满足业务发展的需求。自动交换光网络a s o n 正可以适应 数据业务飞速发展的需求，通过引入控制平面，能够按需实现网络资源动态、实 时、灵活的配置和提供。通过动态的指配带宽、智能化的连接管理，为业务提供 快速高效的生存性。当网络出现故障时，能够根据恢复管理策略和智能化的连接 控制能力为受影响业务提供保护或为失效的路径动态的重路由，实现网络故障的 快速保护恢复。 本章主要分析了a s o n 网络中采用的生存性机制：介绍0 p n e t 网络仿真软件； 基于标准的g m p l s 协议，设计并在o p n e t 平台上实现了自动交换光网络生存 性仿真的节点结构；设计了并实现了a s o n 网络中的重路由恢复机制，给出了详 细的工作流程，得到单链路故障情况下重路由恢复的恢复成功率和恢复时间的仿 真数据并进行分析。 2 1 自动交换光网络结构 自动交换光网络a s o n 是数据网和光网的融合的产物。g m p l s 是由m p l s 发展而来的一套比较典型的协议簇，这些协议作为控制技术的核心应用在a s o n 中。 a s o n 包括三个独立的平面，即控制平面( c p ) 、传送平面( t p ) 和管理 平面( m p ) ，三个平面通过数据通信网( d c n ) 相联系，d c n 是一个负责路由、 信令、链路资源管理以及网络管理信息传送的信令网络。控制平面( c p ) 主要 实现路由控制、连接、链路资源管理、协议处理、生存性等策略控制功能。传送 平面( t p ) 可提供用户信息端到端的单向或者双向传输。管理平面( m p ) 负责 对传送平面和控制平面进行管理。相对于传统的光传送网管理系统，相当部分的 管理功能被控制平面所取代。a s o n 的管理系统集中管理与分布智能相结合、面 向运营商的维护管理需求与面向用户的动态服务需求相结合。 8 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 图2 1 智能光网络的体系结构 控制平面是体现a s o n 网络动态选路、自动交换等智能性的核心部分。控 制平面的设计基于g m p l s 协议。因特网工程任务组i e t f 开发的g m p l s 协议 是业界最看好的a s o n 控制平面实现技术，i e t f 强大的技术推动能力以及众多 厂商的参与，使g m p l s 成为最可能先被广泛采用的技术。从功能上看，控制平 面由资源管理、自动发现、路由和信令等逻辑功能模块组成。在1 1 u t 的建议 中，把控制平面节点的核心功能组件分成八大类：呼叫控制器( c a l l c ) 、连接控 制器( c c ) 、路由控制器( r c ) 、链路资源管理器( l i t m ) 、协议控制器( p c ) 、 流量策略( t p ) 、发现代理组件( d a ) 、终端和适配组件( t a p ) 。 辘予“m p l 5 f 籽撺铡雅蛇 兜传邂肇艇 协送瓤元 i p 控稚翁避 图2 - 2 网络节点及其控制系统的结构 g m p l s 的路由、信令及链路管理是三个主要的协议，其信令协议是在m p l s 的r s v p - t e 和c r - l d p 信令的基础上经扩展而来的，在通用性、流量工程能力 和生存性能力等方面对m p l s 信令功能进行了扩展，其路由协议对o s p f 和i s i s 等基于链路状态的路由协议进行了扩展。信令网接口负责把控制和管理的消息封 装到i p 包或进行解封装，提供到路由器或其他的i p 网络设备的物理接口。传送 单元主要负责接收管理系统和控制系统的指令，对光信号进行处理，包括波长的 交叉连接以及上下路等的操作。图2 - 2 的右边部分给出了控制系统的结构，它主 9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章a s o n 网络结构及网络生存性 要由各控制功能实体和协议实体组成，来完成自动发现、链路管理、信令和路由 四个基本的a s o n 控制功能。r s v p - t e 、c c 和c a l l c 构成控制单元的信令系统， r c 负责维护路由信息数据库，该数据库中存储网络的拓扑信息和链路的资源信 息，为了实现流量工程进行了扩展。c a l l c 负责呼叫的接纳控制同时和r c 相互 协作，把呼叫消息转发到相应的目的节点。c a u c 接纳用户的呼叫请求，然后通 过c c 向r c 请求路由，获得路由之后，然后通过信令消息来创建连接。c c 和 r s v p t e 同时要负责连接的维护和拆除等操作。 2 2 自动交换光网络的生存性 现有的传送网络提供巨大带宽的同时也增加了网络发生故障时带来的风险， 一旦发生网络故障，将导致大量的业务丢失，造成重大的损失。因此光网络的生 存性就显得格外重要，针对网络故障的保护恢复策略的研究也就显得非常必要。 本节介绍了a s o n 光网络生存性的概念，先后阐述了传统光网络和自动交 换光网络中的生存性机制，以格状光网络为背景分析了a s o n 网络常用的保护 恢复方式。 2 2 1a s o n 网络的生存性概述 网络生存性是指网络抗拒由故障造成的业务中断或干扰的能力，也就是在网 络发生故障的时候将发生故障的链路上承载的业务倒换到其他路径，以减少网络 中业务的损失。传统的光网络中按照保护恢复的层次分为基于通道的保护恢复和 基于链路保护恢复，按照保护恢复的控制机制分为集中式和分布式控制恢复，按 照保护资源类型分为共享和专用资源的保护，按照重路由的方式可分为预先配置 和动态路由计算，按照故障类型分为链路故障和节点故障。在自动交换光网络中 继续沿用这些概念。 自动交换光网络可以实现网络资源的动态分配，智能化的连接管理，为快速 高效的网络生存性策略的实现提供了条件。基于g m p l s 的控制平面的引入，为 光网络提供了智能化和多样化的生存性，通过对信令、路由的扩展增加了对多种 生存性机制的支持。g m p l s 协议对开放的最短路径优先o s p f 和中间系统冲间 系统i s i s 协议进行了扩展，通过这些路由协议来广播与生存性相关的链路保护 类型和共享风险链路组等信息。g m p l s 的信令协议一基于约束路由的标签分发 协议c r l d p 和基于流量工程的资源预留协议r s v p t e 也进行了扩展，定义了 1 0 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 一些与恢复相关的新的通知消息以及n 对象等。 在自动交换光网络a s o n 中赋予了网络生存性更多的意义。a s o n 网络相比 以前的传送网络，其生存性大大提高。a s o n 网络支持更加灵活的故障保护恢复 机制，通过控制平面的路由和信令机制实现网络故障后的保护恢复，充分利用网 络中的可用资源从而提高网络的资源利用率以及网络对故障的恢复能力。a s o n 网络可以对不同等级的业务进行不同的生存性策略以便快速地完成故障恢复。 2 2 2a s o n 网络的生存性机制 基于控制平面的生存性机制，相对于传统光网络来说最能体现a s o n 网络生 存性机制的优越性，通过控制平面可以实现多种保护恢复方式。 本小节详细分析了传统光网络和a s o n 网络中的保护恢复机制，其中a s o n 网络生存性是基于采用r s v p t e 信令协议和o s p f t e 路由协议的g m p l s 协议， 着重分析基于通道保护的生存性机制。 2 2 2 1 光网络保护恢复机制 传统的光网络生存性机制总体来说分为保护和恢复两部分，详细来说又可以 按照不同的标准进行分类。保护机制是指预先建立起一条或多条保护连接以便对 已有的连接进行保护的机制：恢复机制是指通过重选路由建立新的连接以代替失 效连接的机制。按照保护路径的拓扑形状可分为基于环的保护和基于格状网的保 护。对基于环的保护又可进一步分为基于资源的和基于业务的保护，比如p c y c l e 中基于资源的r p 圈算法和基于业务的基本圈算法。基于格状网拓扑的保护方案 可以分为基于链路和基于通道的保护，进一步分为专用的和共享的。 业务濂节威 链路像护 业务掘f 节商【 业务源帛点 通道保护北务宿节点 图2 - 3 链路保护和通道保护 l l 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章a s o n 网络结构及网络生存性 在链路保护方案中，当工作通道建立后网络就要为通道的每个链路分配备用 的保护通道。在通道保护方案中，为连接请求建立工作通道的同时，在业务的源 节点和宿节点之间还要建立端到端的备用保护通道，如图2 3 所示。 一般说来，共享保护在网络资源利用率方面比专用保护高。专用保护共享 保护和链路保护，通道保护相互结合，形成了四种保护模式。专用通道保护是指 在专用通道保护( 1 + 1 或l ：l 保护) 中，当工作通道建立后，网络立即为它分配 一条专用的链路无关的备用保护通道；备用通道中的波长资源为这个连接所专用 的，不和其他的备用通道共享。共享通道保护是指在共享通道保护中，当工作通 道建立后，网络会为它分配链路无关的备用保护通道，保护通道所使用的波长可 以和其他连接的保护通道共享；由于保护通道的资源可被重复利用，故共享通道 保护在容量效率上比专用通道保护高。专用链路保护是指在专用链路保护中，工 作通道建立后，网络会针对通道经过的每条链路分配专用的备用保护通道。共享 链路保护是指在共享链路保护中，当工作通道建立后，网络立即为通道经过的每 条链路分配备用保护通道。但是分配给这条链路的备用通道可以和其他连接的备 用通道共享。 1 桔【柞1 稚 瓤翁一簿 ( a ) 通道恢复( b ) 子通道恢复( c ) 链路恢复 图2 4 格状网络中的恢复策略 恢复方案按照业务恢复的范围可以分为基于链路、基于子通道和基于通道的 三种故障恢复方式。依据控制方式的不同，恢复可分为集中式控制和分布式控制 的故障恢复；按照恢复路由的计算方式，可分为预先配置路由和动态路由计算的 故障恢复等。 不同的恢复方案如图2 4 所示。基于通道的恢复是指在通道恢复中，当一条 链路发生故障时，所有经过该故障链路的工作连接都要通过实时重路由计算得到 一条端到端的恢复通道，对故障业务进行恢复。如果其中的某个连接没有足够的 恢复资源可用，那么它就会被阻塞。基于子通道的恢复是指当光纤链路发生故障 时，故障链路的上游节点不会发送告警信息给经过故障链路的工作通道的源节 点，而尽量建立一条从故障链路的上游节点到工作通道宿端点的恢复予通道，来 恢复受影响的业务。基于链路的恢复是指在链路恢复中，当一条链路发生故障后， 故障链路的终端节点需要为经过这条链路的所有工作通道计算一条恢复通道以 避开故障链路。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章a s o n 网络结构及网络生存性 2 2 2 2a s o n 网络保护恢复机制 与传统光网络不同的是，a s o n 网络控制平面是采用基于采用r s v p - t e 信令 协议和o s p f t e 路由协议的g m p l s 协议的，应用于其控制平面的保护恢复方 式大多是通过信令交互完成的。 基于格状网的生存性技术是a s o n 网络生存性的主要技术。与环形网络拓扑 相比，格状光网络连通性更好，路由具有相当大的灵活性和多样性；格状光网络 具有更好的资源使用效率，可以满足高强度业务的需求；在格状网络中发生故障 时可为业务提供多条可选路径，提高了网络的恢复成功率，因此格状网将会成为 光网络的主流拓扑结构。典型的a s o n 网络保护恢复机制主要包括i + i 保护，m ： n 保护，共享保护和重路由恢复。 1 + i 通道保护中，工作路径和保护路径是同源同目的并且节点链路共享风 险链路组可以做到不相关，同时建立工作l s p ( 标签交换路径) 和保护l s p ，即 同时进行资源的分配和使用。工作路径和保护路径都是在业务发起时开始创建 的，并且业务数据同时在两条连接上发送，在目的端择优接收。当故障发生后， 所有的下游节点都能够发现故障，发现故障的节点是目的节点就直接切换到保护 路径，目的节点收到底层的故障通告切换业务。 在m ：n 通道保护中，有m 条专用的备用通道分配给需要保护的n 条工作通 道，l ：1 保护和1 ：n 保护都是m ：n 保护的特例。保护倒换过程如下：目的节 点发现故障后，停止额外业务并且发送故障通告消息给源节点，源节点收到后停 止额外业务并且发送故障确认消息给目的节点，目的节点收到后将业务切换到保 护路径。与1 + l 通道保护不同，故障发生后的倒换需要信令的支持。 共享链路保护的特点是同源同目的的工作l s p 和保护l s p 不是同时建立，在 建立工作l s p 的时候，只是通过软件将保护l s p 的资源进行预留，这种保护l s p 上的资源虽然处于预留状态，但是可以被用作建立低等级的业务。真正将保护 l s p 在数据层进行交叉并投入使用是在工作l s p 出现故障之后，由信令激发一个 保护l s p 的建立过程来实现的。故障发生后，发现故障的节点发送故障消息通知 源节点，源节点通过信令消息在原来预留的共享恢复路径上建立起一条连接。 1 3 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 2 3a s o n 网络重路由的仿真实现 本节首先介绍使用的网络仿真软件o p n e t 以及a s o n 网络生存性仿真平台 的节点结构，然后介绍在仿真平台上设计完成的路由模块重路由的详细实现，最 后对得出的基于通道的重路由情况下的网络仿真结果进行分析。 2 3 1o 聊嘎t 网络仿真软件 网络仿真是一种介于试验和计算之间的技术，它通过建立实际系统的数学模 型并按照相同的运行机理模拟物理系统的动态行为，是一种基于统计计算的模拟 试验方法。网络仿真软件分为高端和低端两类产品。高端产品一般具有复杂的建 模机制、比较完备的模型库、完善的外部接口、强大的功能并能够得到比较可靠 的仿真结果，例如m i l 3 公司的o p n e t 、u cb e r k e l e yn s 等；低端产品一般只 有简单的建模机制、较小的模型库、简单的外部接口，功能单一且仿真结果的可 靠性较差。 o p n e t 软件属于高端的网络仿真软件，采用基于包的建模机制，模拟实际 物理网络中“包”的流动，包括在网络设备问的流动和网络设备内部的处理过程， 模拟实际网络协议中的组包和拆包的过程，可以生成、编辑任何标准的或自定义 的包格式，可以在模拟过程中察看任何特定的包头和净荷内容。 o p n e t 软件采用离散事件驱动的模拟机理。只有网络状态发生变化时，模 拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不执行任何模拟计算。与时问驱动相 比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。我们的仿真正是基于o p n e t 仿真软件来实现的。 1 4 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章a $ o n 网络结构及网络生存性 2 3 2 仿真平台的节点结构 u l 0 - 0i p _ i l 0 _ 0 图2 - 5 a s o n 节点的结构 图2 - 5 表示了仿真平台中a s o n 节点的结构是基于g m p l s 技术来开发的控 制模块，它和底层的传送单元以及网元控制系统相互协调来完成自动发现，路由 和光通道的创建、拆除等功能。a s o n 节点之间的通信通过i p 网络。 g m p l sr s v p t e 是从r s v p 协议扩展而来的，技术相对比较成熟，同时又 具有支持组播和快速通告等功能的优势，因此我们采用g 7 7 1 3 2 定义的g m p l s r s v p t e 信令来实施对连接的管理。c c 模块运行控制单元采用r s v p - t e 协议的 信令系统，负责连接的创建，维护和拆除等操作；l r m 模块运行l m p 协议，负 责收集和维护本节点的链路资源信息，管理本地可以使用的资源； i e t f 对o s p f 和i s - i s 等基于链路状态的路由协议进行了扩展，增加了对未 编号链路、保护恢复类型、共享风险链路组( s r l g ) 信息、接口交换能力描述 符和带宽编码等的支持，使它们成为g m p l s 的路由协议。r c 模块运行o s p f t e 协议，维护了一个存储网络拓扑信息和链路资源信息的路由信息数据库，同时保 存了链路和连接与q o s 相关的信息，比如优先级等。数据库中有关本地节点的 链路特性及连接的信息通过本地链路资源管理模块获得，而对于全网的拓扑、资 源以及q o s 相关的信息是通过o s p f - t e 获得的。r c 模块对全网的拓扑、资源 信息是通过触发“泛洪”机制向整个网络通告相关的变化，网络中的各节点通过 维护两种链路状态通告l s a ( 描述节点以及与其相连的链路属性的节点l s a 和 描述单个波长链路属性的波长链路l s a ) 来更新本地的数据库。 l r m 负责收集和维护本节点的链路资源信息，在接收到来自c c 的连接创 建请求之后，将为其分配本地可以使用的资源。自动发现和链路资源管理是实现 a s o n 控制功能的前提和基础，它负责为控制平面提供抽象的传送平面资源视 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 图，同时也由它来具体实施对传送平面的控制，比如资源的分配等。 c c 模块向r c 模块请求路由ir c 模块在接收到c c 模块发来的请求之后依据 路由信息数据库，调用路由算法为c c 模块返回一条显式路由；c c 模块获得路由 之后通过信令消息来创建连接并通知l r m 模块以及业务路径上的其他节点的c c 模块；l r m 模块在接收到来自c c 模块的连接创建请求之后分配本地可以使用的 资源。 2 3 3 重路由的处理流程 基于通道的重路由恢复是考虑整个网络的拓扑和资源进行的恢复，对资源的 利用相对更加有效，因此我们将基于通道的重路由恢复作为研究重点。重路由恢 复的特点是恢复路径和工作路径同源同目的，恢复路径在工作路径失效后开始建 立，因此既可以快速恢复故障又可以有效利用带宽资源，但是由于计算路由和建 立连接需要时间，并且不一定能够保证在建立恢复路径时候存在可用资源，所以 恢复时间稍长并且恢复成功率不比保护机制高。基于通道的故障恢复时，源节点 收到故障节点发送的故障通知消息后，进行重路由，并且利用信令机制在新的路 径上重新建立连接后将业务切换到新的连接上。 图2 - 6 表示重路由恢复过程中的消息流程图，源节点a 的信令模块在收到本 节点路由模块给出的恢复路由后通过p a t h 消息和r e s v 消息建立起新的连接。 蔽黪遮告 j 慰 r e s v 溺怒 图2 - 6 基于通道的重路由恢复的消息流程图 1 6 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 重路由恢复的详细处理流程如图 敞障链路信息、中 断镳务q ，垤务类 擞，疑j 路如 黜窆 影一 静鹈奉魅踌佛摸琰辍e 从奎她数裙跨拍琢m 蜡 络捣扑 除f 锫路径澎戚耩翦l 扑 足糕墩 按照托饱僦护恢 复靠武处理 删除敞辕链髀彤胰鞭拓扑 r c 漓朋鼹l 澈强算法逛 恢受结湃和蜡蜊羰艮鲶e c c c 嫒块 慷簸路 径l 。建童连接 图2 - 7 重路由恢复实现流程 图2 7 给出了重路由恢复的实现过程，描述了业务的源节点收到故障通告消 息后的处理流程。 故障通告消息的格式如下： 故障链路上游 故障链路下游 影响的业务号 业务的保护恢复类型 业务的建议标签 源节点的c c 模块读出故障通告消息中携带的故障链路信息，受影响的业务 号，工作路由，业务的保护恢复类型。根据业务的保护恢复类型判断业务为需要 重路由的业务，询问本节点的路由模块。路由模块从自己保存的链路状态通告数 据库抽象出网络拓扑，由于对应于故障链路生成的链路状态通告l s a 的传播需要 1 7 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 时间，此时还未必能传播到该节点，因此依据从此时的路由模块数据库抽象得到 的网络拓扑还可能含有故障链路。为了保证网络拓扑是最新的，我们采用手动修 改网络拓扑的方法。首先判断是否有对恢复路径与工作路径不相关的要求，如果 没有，则搜索网络拓扑查找故障链路，从网络中删除找到的故障链路；如果要求 恢复路径和工作路径不相关，则首先从网络拓扑中删除工作路径，由于故障链路 必定在工作路径上，因此可以不再考虑故障链路。经过以上步骤以后就可以生成 新的满足要求的网络拓扑，在此拓扑上重新调用路由算法，然后经过波长选择算 法选定波长，将恢复路径的路由波长结果返回给c c 模块以便通过信令交互建立 起新的连接。 2 3 4 重路由恢复的仿真结果 采用图2 5 的网络节点结构以及图2 6 的重路由处理流程，在下图所示的每 纤1 6 个波长的n s f n e t 网络拓扑中进行了仿真，得到了基于通道的重路由恢复情 况下的故障恢复成功率和恢复时| 日j ，并进行了数据分析。 图2 8n s f n e t 网络拓扑图 1 故障恢复成功率 恢复成功率是重路由恢复时，能够恢复的受故障影响的连接占总的受故障影 响连接的比重。我们得到n s f n e t 网络拓扑中，不同业务量强度情况下的重路由 恢复成功率如图。其中动态业务到达的时间间隔服从均值为t 的泊松分布，业务 的持续时间服从均值为t 的负指数分布，此时的业务量为t t 。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 图2 - 9 重路由恢复成功率 从图2 - 9 中可以看出，业务量很小时重路由恢复的成功率为1 0 0 ，也就是完 全可以对受故障影响的业务进行恢复。随着业务量的增大，恢复成功率越来越低。 基于通道的重路由恢复是在故障发生后，根据网络的资源对受故障影响的业务重 选路由。当网络的资源不足的时候，新的连接同样要被阻塞。随着业务量增大， 网络中的资源越来越少，对于没有预留资源的重路由恢复来说，可以利用的资源 在减少，因此，随着业务量的增大，恢复成功率越来越低。 在网络规划时通过对网络中不同业务量情况下的重路由恢复成功率进行仿 真分析，可以指导网络容量规划，以便优化网络资源配置，提高网络故障情况下 对业务进行恢复的能力。 2 故障恢复时间 图2 1 0n s f n e t 中两种倍令方式的故障恢复时间 如图2 - 1 0 所示的是在n s f n e t 网络中的故障平均恢复时间，恢复时间主要包 括故障定位时间、消息传输时延、消息处理时延、交叉连接时间有关。基于l o l 的故障定位时间大概在十几个毫秒左右，仿真中设定为1 5 m s 。消息传输时延主 1 9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章a s o n 网络结构及网络生存性 要是传输距离有关，而处理时延和节点处理控制消息的时间有关，交叉连接时间 和交叉设备的速度有关，在设备确定的情况下，主要是和路由的长度( 跳数) 有 关。 重路由恢复中从故障发生到恢复路径建立的事件流是网络中发生故障，检测 到故障，进行故障定位，通知源节点，由源节点重路由，然后通过信令机制建立 恢复路径。建立恢复路径的信令机制可以是串行信令也可以是并行信令。串行信 令是在建立连接的过程中信令从源到宿依次经过每个节点，每个节点依次进行交 叉连接；并行信令是在建立连接时从源直接向路径中的每个节点进行信令传递， 路径上的节点几乎同时收到消息，同时进行交叉连接。 从图中看出，基于串行信令方式下的故障恢复时间远大于并行信令方式下的 故障恢复时间。仿真中设定每个节点的交叉时间为5 0 m s ，而并行信令的故障恢 复时间一般在8 0 m s 到l o o m s 之间，因此可以看出在重路由恢复过程中交叉时间 占很大比重，而其他时问比如消息处理时延和传输时延占比较小的比重。 2 4 本章小结 首先介绍自动交换光网络a s o n 的网络结构，对a s o n 的生存性做了概述，详 细说明了传统光网络和a s o n 网络中的生存性机制。基于o p n e t 仿真平台对a s o n 网络的重路由恢复机制进行仿真，得到仿真数据并进行了分析。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章p - c y e | e 保j p 方式在a s o n 中的应用 第三章p c y c l e 保护方式在a s o n 中的应用 环网保护具有很强的自愈性，格状网络是未来光网络发展的必然趋势，具有 灵活的选路方式以及有效的资源利用率。如果只是简单地将自愈环概念拓展到格 状拓扑结构中，会使网络的资源利用率下降，体现不出格状网络的特点。将基于 环网的网络保护方式p - c y c l e 应用到格状网络中，能够把环网快速的保护速度和 格状网络有效的资源利用率这两个优点很好地结合了起来，达到保护速度快和容 量效率高。 本章主要研究了p - c y c l e 的集中式和分布式的配置方式，完成了集中式 p - c y c l e 保护方式在a s o n 控制平面的路由模块中的配置流程设计和软件实现， 完成了仿真平台对p - c y c l e 算法的调用，以及单链路故障时对静态和动态业务类 型情况下的仿真分析。 3 1 p c y c l e 的研究价值 p - c y c l e 是指预先配置环，又称p 圈。p c y c l e 保护方式是一种基于环网的网 络保护方式，利用空闲资源预先设置一组用来保护业务的环形通道，当发生故障 时，在故障链路的两端点进行保护倒换来实现针对受损业务的快速保护功能。相 对于传统的自愈环保护法只对环上链路提供保护，p c y c l e 保护方式的最大特点 就是在允许工作通道任意选择路由的情况下，不仅能对环上链路而且能对跨接链 路( 类似于环上的弦) 的故障提供保护，这也是p c y c l e 保护方式能利用少量的 空闲资源来实现格状网络的快速保护的关键所在。对环上链路提供保护，同时对 跨接链路进行保护，能够把环网快速的保护速度和格状网络有效的资源利用率这 两个优点很好地结合了起来，从而达到保护速度快和容量效率高两者兼优。 与a s o n 网络中使用的保护恢复方式比如1 + 1 ，1 ：1 ，重路由等相比，p - c y c l e 具有自己的显著特点及其适用条件。通过仿真a s o n 网络中单链路故障，将传统 的生存性机制l + 1 、1 ：l 和重路由恢复与p 圈保护机制进行仿真对比。拓扑采 用c o s t 2 3 9 网络拓扑，动态业务环境下业务平均持续时间1 2 0 s ，业务强度从“ 到2 0 个爱尔兰，。 图3 一l 到图3 5 分别显示了各种生存性机制下网络中的网络资源冗余度、保 护成功率、保护恢复时间和控制带宽开销的比较示意图。其中，统计量的含义如 下：网络资源冗余度是指网络中保护资源数量与工作资源数量之比。保护恢复成 功率是指网络中保护成功或者恢复成功的业务个数与发生故障的业务总数之比。 保护恢复时间是指从故障发生到保护恢复完成的时间。控制带宽开销指网络中用 于控制层面通信的控制消息的最大平均带宽。 2 t 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章p - c y c l e 保护方式在a s o n 中的应用 图3 - 1 不同保护机制情况下的冗余度 如图3 一l 所示，在业务强度较小的情况下，p 圈保护方式的冗余度比i + i ，l ：l 保护方式要高，随着业务强度的增大，p 圈的冗余度则比i + i ，l ：l 方式要低。p 圈保护方式是以圈为单位进行保护容量配置的，在业务强度较小的情况下反倒不 如其他保护方式，随着业务强度的增大，才在冗余度方面体现出其保护跨接链路 的优势。而1 + 1 ，1 ：1 保护方式的冗余度对于业务强度的变化并不明显，基本是不 变的，这是因为传统的通道保护方式中，都是为每个业务同时建立一条工作路径 和一条保护路径的，而通常保护路径较工作路径长。 图3 2 不同生存性机制情况下的保护恢复成功率 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章p - c y c l e 保护方式 a s o n 中的应用 图3 3 不同生存性机制情况下的保护恢复时间 图3 4 不同生存性机制情况下的控制带宽开销 通过对上述仿真比较可知，在业务保护性能方面，传统的1 + 1 ，l ：1 保护方式 是最佳的，保护成功率为1 0 0 ，保护恢复时间也在5 0 m s 之内，当然这是以配 置专用保护资源为代价的，从图3 - 3 中可以看出，1 + 1 保护恢复时间在2 0 m s 左 右，1 ：1 由于需要执行双向协调倒换，保护恢复时间在4 0 m s 左右；而对于p 圈 保护，只要故障链路处于圈上或者是圈的跨接链路，经过该链路的所有业务都可 以得到保护是因此保护成功率也较高，但是由于可能存在某些链路既不在圈上， 也不是圈的跨接链路，一旦故障发生在这些链路上，经过这些链路的所有业务都 不能成功保护，所以其保护成功率会低于l o o ，在保护恢复时间方面p 圈保护 可以和l ：1 相媲及，除两端保护倒换时间外，还有查找保护圈时间，所以其保护 恢复时闻在4 0 5 0 m s 之间；而对于重路由方式，它是在故障发生后对被影响的业 务进行恢复，因为没有为业务预先留出保护资源，大部分网络资源都用于工作业 务了，因此其恢复成功率最低，在恢复时间上，由于重路由是在故障时需要重新 为该业务选保护路径并建立，且通常这条路由会比原来的工作路由更长，因此其 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章p c