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基于a s o n 的l p 网络多层保护恢复策略碰用研究 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于a s o n 的i p 网络多层保护恢复策略应用研究 通信与信息系统 杜春生 胡乐明教授 摘要 本论文深入研究分析了当前i p 网在网络保护恢复方面使用的技术以及 存在的问题，结合i p 网和光网络最新研究成果和发展方向，设计提出了一 种基于a s o n 的i p 网络多层保护恢复策略，对此策略进行了详细的技术分 析、经济分析及试验验证，并对运营商应用本策略提出了相关建议。 关键词：i p a s o nm p b a 保护恢复 学位论文 基于a s o n 的i p 网络多层保护恢复策略庸用研究 t i t l e ： m u l t i _ l a y e rp r o t e c t i o n & r e s t o r a t i o n f o ri pn e t w o r kb a s e do na s o n m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ： c h u n s h e n g d u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl e m i n g h u a b s t r a c t t h i sp a p e re x t e n s i v e l yr e s e a r c h sc u r r e n tt e c h n o l o g yu s e di ni pn e t w o r k p r o t e c t i o n & r e s t o r a t i o n ，a n da n a l y z e s t h ep r o b l e m si ti n t r o d u c e d b a s e do nt h e s t a t eo fa r tt e c h n o l o g y d e v e l o p e d i ni pa n d o p t i c a ls c o p e ，t h i sp a p e rs u p p l i e s a s t r a t e g y t oo v e r c o m ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m sl i e di ni pn e t w o r k ，w h i c h i s c a l l e dm u l t il a y e rp r o t e c t i o n & r e s t o r a t i o nf o ri p n e t w o r kb a s e do na s o n t h e p a p e r a l s oe x t e n s i v e l yc o n d u c t e dt e c h n o l o g ya n de c o n o m ya n a l y s i s ，a sw e l la s e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n so nt h ep r o p o s e ds t r a t e g y f i n a l y , s o m ea d v i c e sa r e g i v e n o u tf o rc a r r i e r sh o w t ou s ei t k e y w o r d s ：i pa s o nm p b a p r o t e c t i o n & r e s t o r a t i o n 学位论文 智能光网络技术及应用研究 1 1 问题提出 第1 章引言 i p 网最初是为了满足美国军方和大学科研机构计算机数据交换而诞生的，简 单、开放的体系架构以及w e b 、e m a i l 服务的成功应用使其在短短3 0 年间迅速发 展为全球性无处不在的信息交换平台。最初的i p 网是非盈利的网络，人们利用 它免费( 除了收取定的接入使用费) 进行网页浏览、收发邮件，由于是免费的 服务，运营商当然不会也没有义务严格保障网络的服务质量，用户对此也乐于接 受，这时的i p 网完全是个尽力而为的网络。 在基本解决了规模覆盖问题之后，i p 网运营商逐渐把目光投向了如何实现i p 网盈利的问题上。i p 网实现盈利首先需要解决q o s 这个基本问题，惟有如此才 能使v o i p 、网络视频、v p n 等增值业务和应用的顺利开展成为可能，因此，发展 具有q o s 保障的电信级i p 网已经成为运营商的必然要求。 作为实现q o s 的技术基础，i p 网可用率问题越来越引起业界的关注，o s p f r e s t a r t 、n o ns t o pr o u t i n g 、m p l sf a s tr e r o u t i n g 、路由器备份、模块化路由 等等技术都是为改善i p 网可用率所作的不懈努力。这些技术的确为改善i p 网性 能提供了很好的基础，但这些技术目前都只用在i p 层或光网络层单独实施，属 于单层网络生存性改善措施，要求i p 网提供大量带宽资源用于故障后的保护倒 换和恢复，事实证明这是一种昂贵的解决方案。 其实保护恢复功能是光网络的特长，在光网络层面实施保护恢复不仅造价低 廉而且速度很快。而i p 网之所以有今天的发展，主要受益于服务提供方面的开 放性，并不在于其是否提供强大的网络保护恢复能力。因此，可否实现这样一种 体系架构：光网络与i p 网相结合的多层网络保护恢复? 让i p 网主要致力于其最 适合的开放性业务提供方面，而网络的保护恢复功能则主要交给底层的光网络来 完成。在这种架构z t ，可以充分发挥i p 网和光网络各自的技术特长，在保障 网络可用率目标的前提下，充分降低全网综合成本。 本研究即针对以上存在的问题和设想而展开。 学位论文 智能光 6 9 络技术及心用研究 1 2 本文贡献 本文在收集了当前i p 网可用率状况、生存性保障措施的基础上，提出了一种 基于a s o n 的i p 网络多层保护恢复机* 0 m p s a ( m u l t i l a y e rp r o t e c t i o na n d r e s t o r a t i o nf o ri pb a s eo na s o n ) ，深入分析了其对i p 网可用率的改善以及 应用后产生的经济效益，并且通过试验加以验证。最后，结合目前运营商网络现 状提出m p b a 的应用建议。 学位论文 智能光网络技术及应用研究 第2 章提高ip 网可用率的意义 2 1 i p 网的演进 虽然过去几年业界的炒作导致了r r 泡沫的产生，但d 网络流量的飞速增长 确是有目共睹的事实，研究表明，9 9 年至2 0 0 1 年国内口网络带宽年均增长率 一度高达将近3 0 0 ，2 0 0 2 年后逐渐下滑至平稳发展期，并且今后相当长的时期 内将保持1 0 0 的年增长率。 自从p 技术发明之初。d 网就在经历着不断的演进。从宏观上看，目前为 止可以划分为三个阶段，见图表2 1 i 。 p h a s e d e f i n i n g d e v e l o p m e n t ： 图表2 卜1i p 网的演进阶段 在篼一阶段，口网的主要属性是弹性( 并非本文所指的可以保障q o s 的生 存性) ；第二阶段，随着口协议在企业局域网大量应用，口被拓展到广域网中并 成为商业网络；在目前的第三阶段中，口得到飞速发展，在各大运营商网络中 得到应用。 伊发展到今天的程度主要是因为由几个“杀手应用”在推动：屯子部件， w w w ，新闻组，文件传送。这些应用都有一个共同属性：非关键性( n o n - m i s s i o n c r i t i c a l ) ，用户使用这些业务时对网络时延和中断不敏感。关键性业务则继续由 传统p s t n 、a t m 、s d h 这些稳定但昂贵的网络来提供。数据表明，网为国 内运营商带来的收益仅占电信业务总收入的不足1 0 ，更糟糕的是，每单位口 网流量的收益还在以每年5 0 的幅度下降。 2 2 提高i p 网可用率的驱动因寨 传统i p 网应用并不要求网络具有很高的可用率，偶尔的服务中断不会引起 用户的抱怨。然而，以下两种趋势将导致这一状况的重大改变：关键性业务应用 学位论文 智能光网络技术及应用研究 在伊网中的提供；各种协议向坤公共网络平台的融合。 ( 1 ) 关键性应用 i p 网的继续发展不仅需要现有应用的推动，还要由新型的应用来牵引。这 些新型应用由于大多涉及实时通信，在保障运营商能够盈利的同时，将要求p 网具有高度的可用率。 在公众客户方面，m 新业务应用目前主要包括v o i p 、在线游戏、流媒体娱 乐服务。v o i p 和在线游戏目前已经拥有客观的用户群，并且已经在盈利；流媒 体的音乐和视频服务也吸引了大量用户，正处于商业运作的初级阶段。对这些用 户来说，哪怕是几秒钟的服务中断都将是无法忍受的。在美国市场，这些应用产 生的流量已经占口网总流量的1 0 左右，并且随着用户的增长，这个比例还将 不断提高。 商业客户对口网新业务的需求主要由a t m 和f r 网络发展而来。业务需求 包括金融交易、e r p 、电子商务等。这些应用具有实时性，网络可靠与否直接关 系到这些重要的商业进程能否正常开展，一次业务中断就可能导致公司无法挽回 的经济损失。 ( 2 )网络融合 基于节省投资和降低运行维护成本的考虑，运营商热切希望将现有的多个 网络融合至4 个公共的网络平台之中。由于流量的飞速增长和相对低廉的综合成 本，i p 自然成为这个融合平台的首选技术。为此，要求m 网必须达到非常高的 可用率指标。 2 3i p 网络故障造成的经济损失 在网络边缘，一台路由器故障可能只影响几百个用户，但在核心网络中则 可能同时影响到几十万的用户，发生全网范围的故障时，受影响的用户更是可能 多达成百上千万之多。在故障发生后，有些应用可能会得到自动恢复，但有些应 用，比如v o i p ，即使经历几秒钟的轻微故障也会掉线。 网络故障对商业用户影响巨大，往往超出他们在提供网络服务本身的支出， 图表2 3 1 引用r h k 的研究数据： 学位论文 智能光网络技术及应用研究 f i n a r , 蒯s e r v i c e s f i n a n o a l5 e n , - k ；e s e n t e 娃a m n r t t r e t a 目 r e t a i l t r a n s p o d a 幻n e n l ：e r t a h m e r i t r 幽蚰硎m g e c r e d i tg a r da 哦h o n z a b p a v p e r - w w h o m es h o p p i n gs e l v c e s c 出i o gs a l e s 撕r t i n er e s e r v a t i o n s t e t e p h o 口) e t i c k e l s a l e s s 6 4 5 m i i ! i o n s 2 6 m i l l i o n s 1 5 0 2 5 0 s 1 1 3 7 5 0 $ 9 0 ，0 0 0 $ 8 9 , 5 0 0 辐9 0 0 0 s o t , a c e - c o 瞻蟹e n 碍刊删囝跚曲 脚? 脚 删岫铲叼卿删嘲酽啦甜瞄删铀吐艇掰 图表2 3 - l i p 网络故障对部分商业用户造成的经济损失 2 4 高度可靠是i p 网下一步演进的主要目标 提高i p 网可用率对运营商未来的盈利至关重要。不提高目前的网络可用率 水平将无法提供增值服务，无法阻止当前不断下滑的a r p u 值，这将很快发展 到运营商无以承受的程度。更坏的是，在改善网络可用率方面如果落后竞争对手， 运营商还将承受丧失既有市场的风险。 有理由相信，提高可用率水平达到运营级的高度可靠性将是i p 网络下一阶 段演进的重要目标，见图表2 4 一i 。 图表2 4 - ii p 网演进的新阶段 学位论文 智能光网络技术及应用研究 第3 章lp 网可用率状况 i p 网可用率数据的统计需要长期的数据收集，由于本研究的时间有限，同 时国内运营商目前在网维护方面尚缺乏有效的故障收集手段和统计上报制 度，因此本文的调查数据均取自国外数据设备制造商a v i c i 发表的研究成果1 ， 并进行适当的整理分析。 3 1 i p 网络可用率 根据m i c h i g a n 大学对美国几个大型口服务商网络3 年运行数据的统计分 析，口核心网的可用率远远低于p s t n 网，其可用率指标只有9 9 7 6 8 ，相当于 每年有1 2 1 9 分钟的故障时间，由于其数据收集的局限性，如果再加上没有收集 的数据，实际的可用率可能只有9 9 左右。 3 2 影响l p 网可用率的因素 根据m i c h i g a n 大学的研究统计， 维护操作；链路故障；路由器故障。 口网故障来源主要包括3 大方面：路由器 见图表3 2 1 。 图表3 2 - 1i p 核心网故障来源 路由器维护操作是引起可用率不高的第一大原因，约占3 6 。主要包括： 路由器安装、机架升级、路由器升级、端口卡板安装、更改配置等a 为降低这些 因素的影响，运营商需要尽量减少这些升级、扩容、改变拓扑等操作，并将这些 维护工作放在流量较低的晚上来进行。 1 c l a b o v i t z ，a a h u j a ，ej a h a n i a n ；“e x p e r i m e n t a ls t u d yo fi n t e m e ts t a b i l i t ya n dw i d e 。a r e a b a c k b o n ef a i l u r e s ”，m e r i tn e t w o r k ，i n e a n du n i v e r s i t yo f m i c h i g a n 学位论文 智能光网络技术及廊用研究 链路故障是第二大原因，约占3 2 。为降低这些因素的影响，运营商需要 仔细规划网络路由和保护方案。 路由器故障是第三大影响因素，约占2 3 。为此，运营商需要采用高稳定 性的路由器产品，以及采用双机备份措施。 由于路由器的操作维护属于可控动作，影响网络的主要因素其实在于链路 故障和路由器故障，如果排除维护操作因素，则由链路故障和路由器故障引起的 故障时间分别占3 2 ( 3 2 + 2 3 ) = 5 8 和2 3 ( 3 2 + 2 3 ) = 4 2 。 学位论文 智能光嘲络技术及应用研究 第4 章当前ip 网可用率保障技术及存在的问题 为保障i p 网有尽量高的可用率，业界进行着不懈的努力，0 s p fr e s t a r t 、 n o ns t o pr o u t i n g 、m p l sf a s tr e r o u t i n g 、路由器备份、模块化路由等新概念 新技术层出不穷，大体上这些技术都可以划分为两大类：设备层和网络层 4 1 设备层技术 根据咨询公司n e 觚o ns 订a t e g y p a r t n e r s 调查表明2 ，软硬件故障是导致路由 器设备故障的主要原因，而软件故障又是第一位的因素，见图表4 1 1 。 图表4 1 - 1 路由器故障的原因 与a t m 和f r 网不同，它们的控制平面基本是静态的，而口网的控制平面 时刻都在进行着路由更新，因此发生软件故障的概率相对较大。 业界对降低路由器硬件故障已经进行了很多工作，但在改善软件质量方面的 工作还相对较少，这里对这方面的技术进行简单介绍。 ( 1 )路由协议扩展与不间断路由 对路由协议扩展和发展不间断路由技术基本都是为了同一个目的：即使在 控制平面或路由引擎故障的情况下，保障路由器仍然可以进行正常流量转发。见 图表4 1 2 。 2 “c a u s e s o f r o u t e r f a i l u t c s ”，l i g h t r e m i n g ，2 0 0 33 6 8 学位论文 智能光网络技术及应用研究 图表4 1 - 2 路由引擎保护流程 路由协议扩展方法的工作流程为： 当路由引擎发生故障后，路由器首先中断它与其它设备的会话，然后用扩 展的路由协议告诉它们仍然照常转发自己的流量，而自己也按照故障前的砖发表 继续流量转发。当故障恢复后，它通知其它相邻路由器向自己发送路由表更新， 生成新的路由表。 目前主要由i e t f 在进行路由协议更新的标准化，包括： b g pg r a c e f u lr e s t a r t 、h i t l e s so s p fr e s t a r t 、o s p fr e s t a r ts i g n a l i n g 、o s p f l i n k l o c a ls i g n a l i n g 、r e s t a r ts i g n a l i n gf o ri s i s 、f a u l tt o l e r a n c ef o rl d p 、g r a c e f u l r e s t a r tm e c h a n i s mf o rl d p 。 不中断路由技术的工作原理如下： 路由器采用一个或多个备份路由引擎，备份引擎保存着路由表信息和路由 状态的备份，当工作引擎故障发生时，路由器立即无缝倒换到备份引擎。不间断 路由技术不需要中断正在进行的路由会话，因此相邻路由器不会知道发生了故 障，从而不会影响业务中断。 ( 2 )双路由备份 既然路由器本身可用率不高，双路由器结构自然有了应用需求，目前各大 运营商普遍在核心i p 网中采用了双路由备份的组网结构，见。 学位论文 智能光网络技术及应用研究 图表4 卜3 双路由备份结构 显然，双路由备份造成了运营商网络投资的倍增，但在当前路由器可用率 条件下也是不得已而为之的无奈之举。 ( 3 )其它提高路由器可用率的做法 出了以上提高路由器可用率措施之外，还有其它不可缺少的技术手段： 模块化软件设计：将软件进程相互隔离，使一个软件模块的故障限制在模块 本身。 在线软件升级：不中断业务地升级路由器软件版本。 硬件冗余备份：提供路由控制器、交叉矩阵盘、电源板的冗余热备份。 逻辑路由：在一台物理路由器上划分出几台逻辑路由器，逻辑路由器共享一 个物理数据转发平台，但各自运行相互独立的路由协议。 4 2 网络层技术 i p 网提供的最终服务是通过路由器组网实现的，园此单单依靠路由器的高度 稳定还是不够的，必须结合合适的网络层面组网技术共同作用才能达到最终网络 可用率的提高。 学位论文 智能光| 尚9 络技术及应用研究 i p 网的故障可划分为两大类：链路故障，如：光纤中断、线路信号劣化；路 由器故障，如：设备宕机、线路卡板损坏等。当前口网应对网络故障的保护恢 复是在单一的i p 层面进行的。 4 2 1 链路故障 ( 1 )传统i p 网 传统口网中链路故障后的保护恢复由路由协议实现，从故障发生到流量再 次可以正确传送的目的地的时间称为路由协议的会聚时间。下面以图表4 2 1 为 例对工作原理进行介绍。 b ，c 段链路发生故障，下游路由器c 经过一段故障检测时间后确认链路中断， 然后再等待一段“h o l d o f f ”时间，如果这段时间里b c 段故障还没有清除，则 路由器c 就通过路由协议发送相应l s a 给所有路由邻居，进入全网链路状态更 新过程，更新过程根据网络规模的不同一般需要几秒至几分钟。在全网所有路由 器都进行了链路状态更新后，每个路由器便形成了反映当前网络拓扑的一致的链 路状态数据库，根据这个新的数据库，路由器重新计算和安装路由表。至此，链 路故障后的网络恢复完成，所有m 数据包恢复被正确投递。 在故障发生至故障恢复的这段时间里，所有经过故障点的数据都将被丢掉， 从a 到c 的流量将发生数据丢失。 ( 2 )m p l s 网 图表4 2 - 1i p 网链路故障后的保护恢复 与传统i p 网不同，m p l s 是面向连接的技术，因此，可以提供更多的保护恢 复机制。目前m p l s 网络中可以提供的保护恢复类型大致可以分为3 类：动态重 路由：路径备份：快速重路由3 。 3 i e t f d r a f t i e t f - m p l s - r s v p l s p - f a s t r e r o u t e 0 6t x t 学位论文 智能光i 尚9 络技术及应用研究 动态重路由机制( d y n a m i cr e r o u t i n g ) 与传统i p 网的恢复机制比较相似， 故障发生后需要经历全网路由会聚过程，不同之处仅仅在于：路由会聚之后传统 i p 网即可恢复正常发送数据，而在m p l s 中路由会聚后，源端路由器还需要发起 信令重新建立一条l s p ，之后，受影响的原l s p 流量才能恢复正常传递。工作原 理见图表4 2 2 。 图表4 2 2 肝l s 动态重路由 路径备份机制( s e c o n d a r yp a t h ) 与s d h 的1 + 1 通道保护技术比较相似， 源端路由器同时建立一主一备两条l s p ，不同之处在于：s d h 的1 + 1 通道保护采 用“双发选收”，发端设备在主备用通道里同时发送数据，故障发生后收端设备 自动倒换至工作正常的通道，发端设备与收端设备无需信令过程；m p l s 中则采 用的是“选发双收”，正常状况下源端路由器只向主l s p 发送数据，目的端路由 器则同时从主备用l s p 上接受数据，主l s p 路径上某段链路发生故障后，故障点 上游路由器向受影响的l s p 源端路由器发送信令，通告l s p 路径故障，源端路由 器收到通告后才向备用l s p 上发数据。工作原理见图表4 2 3 。 学位论文 智能光网络技术及应用研究 图表4 2 - 3i u p l s 路径备份 为了提高保护倒换速度，提供5 0 m s 内的保护性能，i e t f 正在制定称为“快 速重路由”( f a s tr e r o u t i n g ) 的保护机制，属于一种“本地修复”( l o c a lr e p a i r ) 技术。在快速重路由机制中，必须为主用l s p 路径本地修复段建立一条备用l s p ， 备用l s p 两端分别终结在“本地修复点”p l r 和“标签合并点”m p ，p l r 和m p 是 主用l s p 和备用l s p 的路径连接点，为了同时保护链路和路由器故障，p l r 和m p 之间的主用l s p 本地修复段最少必需包含台中间路由器。当本地修复段发生中 间路由器故障或链路故障时，p l r 直接执行倒换动作，把数据通过已建立好的备 用l s p 发送到m p ，m p 收到数据后将数据标签交换到下游主用l s p 上。保护倒换 由p l r 本地执行，无需发送故障通告信令至主用l s p 的源端路由器，从而消除了 故障通告信令所引起的时延，达到5 0 m s 内的快速保护倒换。由快速重路由的工 作原理可知，如果对一条穿越n 个节点的l s p 进行保护，最多可能会需要同时建 立n 一1 条备用l s p 。 在i e t fd r a f t f a s t r e r o u t e 中定义了两种快速冲路由机制，分别称为 “o n e t o o n eb a c k u p ”和“f a c i l i t yb a c k u p ”，分别相当于通道层和链路层保 护机制。在“o n e t o o n eb a c k u p ”中，每条备用l s p 只对应保护一条主用l s p ： “f a c i l i t yb a c k u p ”中，备用l s p 隧道采用堆栈标签，可同时保护本地修复段 上的多条主用l s p 。工作原理见图表4 2 - 4 。 学位论文 智能光网络技术及应用研究 图表4 2 - 4m p l s 快速重路由 由工作原理可以知道，目前f d p l s 的3 中保护恢复机制中，动态重路由是恢复 机制，时问最长，一般可能需要几秒至几分钟；路径备份是保护机制，倒换时间 相对短了很多，大约在l o o m s 量级；快速重路由也是保护机制，倒换时间最短， 可以在5 0 m s 内完成。在实际应用中，根据不同的应用策略，这几种保护恢复机 制可以同时应用在一条被保护的l s p 上，如：为了最快实现故障修复，可以首先 采用快速重路由机制实现业务倒换，然后源端路由器再通过路径备份机制换进行 倒换，以实现全网资源优化，这时可能网络又发现了一条更优的路径，则可以用 动态重路由机制再进行倒换。 灵活的m p l s 保护恢复机制可以使运营商针对不同业务等级采取不同恢复策 略，如：对尽力而为业务不恢复，对突发丢包非常敏感的业务采取快速重路由保 护，对一般v p n 业务采取动态重路由方式恢复等，从而以较好的性价比为不同用 户提供不同的恢复性能。 4 2 。2 路由器故障 由于路由器自身稳定性比较差，尤其是发生软件故障的概率很大，虽然制造 商也在不断改进设备性能，但相对传输交换等电信设备而言，其可用性还是要差 很多。 1 4 掌位论文 智能光网络技术及应用研究 在大型i p 网中，为了充分实现网络的可扩展性，往往采用分级的组网结构， 由上至下依次为核心层、汇聚层和接入层，为了消除路由器单点故障可能引起的 流量阻断以及实现负载均衡，每层的p o p 点需要进行双路由器备份，下层的每台 路由器通过双归方式接入上层p o p 点内的两台路由器，如图表4 2 5 所示。 图表4 2 5 分级组网结构中路由器故障下的保护恢复 通过双路由器备份和双归上联网络设计，当其中一台路由器发生故障后，通 过上节介绍的保护恢复机制，流量最终就可以通过其备份路由器绕道到达目的 地。 4 3 当前i p 网可用率保障技术存在的问题 以上介绍的各种技术手段的综合应用从技术原理上讲应该能够保障电信级 i p 网的可用性要求，但都是在口网本身的技术范畴内提出的解决方案，属于单 层网络故障保护恢复技术。 提供足够的带宽是保证电信级口网实现保护恢复的基本前提，为了保证故 障过程中所有业务依然保持原有q o s 水平，网络带宽必须有足够的冗余，在现 有分级p 网拓扑的单层保护恢复机制下，全网带宽冗余度最少要达到5 0 ，否 则就要损失低等级业务的q o s 水平。当然，目前运营商网络带宽利用率不足5 0 还有一个重要考虑：在网络正常工作状态下保证时延、抖动等网络q o s 指标， 但据法国电信的研究试验表明4 ，依靠轻载网络保障q o s 是完全比必要的，在合 4 “f l o w b a s e dn e t w o r k i n g ”l i g h tr e a d i n g 2 0 0 31 2 1 7 1 5 学位论文智能光网络技术及应用研究 理设计带宽分配和采用d i f f s e r v 技术的基础上，网络在带宽利用率高达9 0 的时 候仍然可以提供令人满意的实时服务。所以，完全有理由认为，提供保护恢复能 力是球网带宽利用率低下的实质原因。 因此，在中国电信正在实施的c n 2 中，每条链路的设计峰值带宽利用率最 多只能为5 0 ，也就是说，c n 2 网络中全网5 0 的资源是用来故障保护的，目 前这种单层保护恢复机制使运营商付出了高昂的代价。 学位论史 智能光网络技术及应用研究 5 1 a s o n 定义 第5 章a s o n 技术介绍 a s o n 自动交换光网络又称智能光网络。i t u t 建议c 。8 0 7 5 将其定义为：“通 过控制平面来实现配置连接管理的光传送网”。具体来讲，a s o n 将数据网的分 布式智能引入光网络，通过扩展的数据网路由和信令功能动态管理带宽资源，实 现自动连接管理功能，可以看作是具有自动交换功能的新一代光传送网。 5 2 网络结构及特点 a s o n 网络功能模型如图表5 2 1 图表5 2 - 1a s o n 网络模型 a s o n 网络按照功能可划分为三个部分，即：传送平面( t p ) ，控制平面( c p ) ， 管理平面( m p ) 。各平面功能如下： 传送平面：负责用户信息的传递，也负责部分网络控制和管理信息的传递。 传送平面采用分层的网络结构，它相当于g 8 0 5 所定义的“传送网”。在a s o n 中，传送平面可以是o t n 或s d h 。 控制平面：完成呼叫控制和连接控制功能。通过信令，控制平面可以自动 建立和释放连接，并且当网络发生故障时完成连接的恢复。由于控制平面是新增 加的功能，在a s o n 技术标准中，各项规范和建议大多都是针对它展开的。 5 i t u t r e c o m m e n d a t i o n g 8 0 7 ：r e q u i r e m e n t s f o r a u t o m a t i c s w i t c h e d t r a n s p o r t n e t w o r k s ( a s t n ) 1 7 学位论文 智能光网络技术及应用研究 管理平面： 负责传送平面、控制平面及整个系统的维护管理，同时还负责 三个平面之间的协调工作。管理平面可以完成m 3 0 1 0 规定的五大t m n 功能： 性能管理，故障管理，配置管理，客户管理，安全管理。 图表5 2 - 2 控制平面逻辑接口 控制平面逻辑接口代表了平面内各控制实体之间的相互关系，它由实体间 传递的信息所决定。 共有三种接口类型：u n i ，i - n n i ，e - n n i 。 u n i 是客户层网络与a s o n 网络之间的接口，传递的控制信息有：端点名 称地址，连接请求认证，连接控制消息。 i - n n i 是同一运营商网络内部的接口，传递的控制信息有：网络拓扑路由 信息，连接控制消息，用于网络资源控制的其它附加信息。 e n n i 是不同运营商网络之间的接口，传递的控制信息有：网络可达性信 息，连接请求认证，连接控制消息。 一般来讲，运营商之间不希望自己网络的内部状态为对方可见，在网络资 源管理上相互间是一种不信任关系，因此需要使用e - n n i 接口来屏蔽自己的网 络细节；同一运营商内部的网络设备之间基于相互信任关系，可以使用i - n n i 传递网络资源拓扑信息，以最大限度地发挥控制平面的分布式智能。 但是同一运营商内部为了将整个网络划分为多个不同的管理域也需要使用 e n n i 接口，划分管理域的原因主要有： 网络由多个不同厂家设备子网构成； 】8 学位论文智能光网络技术及应用研究 行政管理区域划分的需要； 为了减少网络拓扑信息传递数量。 ( 2 )a s o n 支持的基本连接类型 a s o n 定义了三种基本连接类型：永久连接( p c ) 、交换连接( s c ) 、软永 久连接( s p c ) 。 这种类型的连接是通过向连接通路所经过的每个网元发送相应配置命令来 建立的，配置命令由网管系统或手工方式发起，无须控制平面参与。永久连接的 二三二) 1 一7 i 配鲎请配置请d配置请氧 l 年荽j 玲 、 篮耋芏亘7 图表5 2 - 3 永久连接方式 交换连接： 这种类型的连接由用户端系统通过u n i 发起请求命令，在控制平面里通过 信令方式进行动态协议消息交换来完成连接的建立。消息交换通过的参考点是 i - n n i 或e n n i 。 窒垫重蕉+ 图表5 2 - 4 交换连接方式 1 9 掌位论文 智能光厨络技术及膻用研究 软永久连接： 这种连接方式其实是上述两种连接建立方式的混合，在网络的边缘处，用 户端系统以永久连接方式与网络相连：在网络的内部，则以交换连接方式建立网 络边缘点间的连接。在软永久连接方式下用户端系统无须通过u n i 接口与网络 相连。在用户看来，软永久连接与永久连接是没有分别的。 永久连接 交换连接 永久连接 软永久连接 图表5 2 - 5 软永久连接方式 以上三种连接方式的主要区别在于负责建立连接的主体不同。在永久连接 方式中，连接的建立由网络操作人员来负责，而在交换连接方式中，连接的建立 还需要用户侧的参与。 关于u n i 接口需要说明的是，目前网上大量存在着传统s d h 传送网络，通 过其网管系统可以实现业务自动配置，因此可以在现有网管系统的基础上开发业 务代理以模拟a s o n 控制实体功能，用户通过u n i 与代理进行标准信令消息传 递，代理接收到用户的连接请求后传递相应信息给网管系统，最后由网管系统自 动配置网络，生成所需的业务连接。这样对现有网络稍做改造后，现有网络就可 以近似实时地实现a s o n 交换连接功能。 ( 3 )控瓶平面蹰带来韵魏巍 a s o n 只所以区别于传统意义上的传送网，根本原因就在于控制平面的引 入。控制平厩的主要组成部分有两个：信令和路由。通过信令可以自动建立、维 护及拆除端到端的网络连接，以及进行网络故障自动恢复，而路由功能则是根据 网络资源状态动态地计算这些网络连接的最佳路径。 引入控制平面所带来的最大创新就是使光传送网从现有的静态承载网向动 态业务网的重大转变成为可能。 学位论文 智能光嘲络技术及应用研究 在传统网络中，网络连接由操作人员通过网管系统来创建，是静态的永久 连接，所提供是静态带宽承载通道；而在a s o n 自动交换光网络中，控制平面 叮以动态管理网络资源，网络连接的创建是通过信令的自动控制实时完成的，可 以满足用户多样化的端到端连接业务需要。与传统的静态网络相比，a s o n 自动 交换网络带来的直接好处就是可以大大减少业务提供过程中操作人员的参与，近 乎实时地响应用户的多样化带宽需求，以及大大改善网络带宽的利用率。 除了实现向业务网的转变之外，控制平面的引入还带来了其他一系列的好 处： 实现流量工程，进行网络资源动态分配； 使用开放的标准的控制平面协议代替目前专用的私有网管协议进行网 络资源管理； 可扩展的信令功能； 实现多厂商设备、多运营商网络环境下的连接控制和业务互通； 根据网络状态进行动态业务恢复； 便于开展基于传送网的增殖业务。如：闭合用户群，o v p n ，按需带宽 等； 快速业务提供； 不同传送网技术之间控制协议的共享； 5 3 控制平面技术 控制平面的引入是a s o n 自动交换光网络区别于一般光网络的关键所在 在此对其进行单独介绍。 介绍控制平面技术之前首先需要对其标准化情况做一简单描述，具体情况 在后续章节逐一介绍。目前涉及控制平面标准化工作的组织主要是i t u 、i e t f 、 o i f ，由于这三个标准化组织( 严格来讲o i f 只是社团组织) 是各自独立的，之 间不存在附属关系，因此在智能光网络控制平面标准制定上存在着微妙的斗争妥 协，但总体来讲它们是互为补充、相互借鉴的。a s o n 是r r u 提出的智能光网 络体系结构，i t u 重在对控制平面的体系结构和功能要求做总体规范。而g m p l s 是i e t f 提出的对等概念，i e t f 重在对控制平面的具体协议进行规范。因此从各 自负责的工作范围来讲，i e t f 与i t u 并无必然冲突，i t u 在规范了a s o n 总体 技术要求之后，会对部分g m p l s 具体协议进行评估修订并最终采纳为i t u 建议。 学位论文 智能光网络技术及应用研究 o i f 处于i t u 和i e t f 之间，平衡协调二者相关标准工作，主要负责o - w n i 和 e - n o n i 的具体标准制定。 目前i t u t 已经基本完成对a s o n 体系结构总体技术要求的制定，正在对 其具体功能模块的要求和协议制定相应建议。a s o n 控制平面涉及的三项主要基 本功能是信令、路由和自动发现，此外还涉及呼叫接纳控制、链路资源管理等功 能。在此对a s o n 的信令、路由和自动发现技术进行简单介绍。 5 3 1 信令 信令功能负责完成所有呼叫连接管理，即：连接的建立、删除、修改、查 询，并且还负责连接的故障恢复功能。 为了充分利用已有的技术，加快标准化进程，a s o n 信令协议都是基于原 有数据网信令协议扩展而来。r r u t 于2 0 0 3 年1 月的大会上已经通过了三个信 令协议，分别基于：p n n i ( g 7 7 1 3 1 ) 、r s v p t e ( g 7 7 1 3 2 ) 、c r - l d p ( g 7 7 1 3 3 ) 。 其中p n n i 是由a t m 的p n n i 协议扩展而来，r s v p t e 和c r - l d p 则是基于i e t f 的g m p l s 协议族。这三种信令协议都满足a s o n 的信令功能要求，功能上没有 本质差别，但之间却互不兼容，三种协议共存是由历史原因和i t u 各方利益妥 协原因造成的，在实际应用中选择具体信令协议时为设备商和运营商造成了压 力。根据调查显示，三种信令协议中，目前r s v p t e 在设备厂家和运营商中获 得了最为广泛的支持。 5 3 。2 路由 路由功能负责网络拓扑及链路资源状态信息的发布和收集，形成和维护相 应链路状态数据库，并按照约束条件查找计算符合要求的连接建立通路。 为了满足光网络中的流量工程要求以及基于网络扩展性方面的考虑，a s o n 提出了分级路由模型( h i e r a r c h i c a l r o u t i n g ) ，将网络划分为多个不同逻辑级别的路 由域，不同级别路由域之间、同一级别路由域之间，以及域内路由和域间路由之 间在实现方式和采用的具体协议可以相互独立。 同样，a s o n 路由协议也基于原有数据网路由协议扩展而来。目前己获得 提议的a s o n 路由协议有g m p l s 的o s p f t e 、i s i s t e ，和o i f 的d d r p 。其 中d d r p 获得了较多的关注，它不是一个全新的路由协议，而是由o s p f i s i s 扩展而来，支持分级链路状态路由。 学位论文 智能光网络技术及应用研究 a s o n 要求所采用的路由协议支持流量工程( t e ) 。t e 在数据网和电路交 换网络中有不同的使用方法。按照通常的理解，t e 主要功能是改善网络性能和 利用率。具体到不同网络条件下，以包交换网的角度来看，t e 目标是减少丢包 率、减少时延、增加网络吞吐量；而对电路交换网来讲，t e 目标主要集中在网 络利用率、通路稳定性、通路分类等级上。 在电路交换网中，t e 作用在于在满足网络利用率、用户需求等限制条件下 为连接的建立选择最佳路由。t e 参数主要包括：链路复用能力、最大，最小带宽、 s r l g 、保护类型等。 a s o n 路由协议在满足传统路由协议所有功能之外增加了流量工程的能力， 其链路状态广播包l s a 中不仅包含资源可用性信息还带有t e 参数，当网元收到 这些数据后就可以按照用户的流量工程要求进行路由计算，最终算出满足要求的 最佳路径。 5 3 3 自动发现 自动发现技术在a s o n 中主要用于辅助资源管理和路由功能，类似提供即 插即用的特性。a s o n 信令路由等功能实体为了正常运行，需求事先了解必要的 邻居、链路等信息，这些信息可以由人工手工输入，也可以通过自动发现技术自 动获取。a s o n 自动发现技术可以大大减少人工的参与以及由此带来的出错机 率。 5 3 4 连接建立过程 为了说明控制平面各部分功能如何协同工作，这里我们以连接的建立为例 对其过程进行剖析。 图表5 3 1 表示各网元之间运行着o s p ft e 路由协议，相互传递的协议数据 单元包含了转发信息f w 和流量工程参数t e 。 兰竺! 兰! 一一 竺壁兰竺竺苎查竺竺! 竺竺 - _ _ _ - - _ _ _ _ - - ，一一 图表5 3 一l 运行0 s p ft e 路由协议 现在假设用户要建立一条从n 2 到n 9 的带宽为v c 4 4 c 的连接( 见图表 5 3 2 ) 。过程如下： 图表5 3 2 连接建立过程中信令消息的相互传递 首先，用户通过网管或u n i 接口向n 2 发出连接请求，请求参数包含：连 接带宽、源节点目的节点信息、流量工程要求( 必须经过n 4 和n 6 ) 等。 n 2 接收到连接请求之后，启动o s p f t e 路由计算进程，根据用户的连接请 求参数算出一条满足要求的最佳路由。然后启动信令进程，开始建立l s p 标签 交换路径，根据算出的路由，n 2 发送标签请求消息给其下一跳节点n 4 ，n 4 收 到消息之后经过简单处理再转发给下一跳n 6 ，最后到达目的节点n 9 。n 9 收到 标签请求后进行内部交叉连接，将标签映射消息发给n 7 ，此后每个节点收到标 签映射消息后都重复进行内部矩阵交叉连接、发送标签映射消息的过程，这个过 程一直持续到源节点n 2 ，此时l s p 最终完成建立。 学位论义 智能光网络技术及应用研究 5 4 # , s o n 标准化进展 新技术的应用离不开标准化的支持，智能光网络的概念在1 9 9 8 年一经提出， 立刻引起设备制造商和运营商以及研究机构的广泛关注，他们纷纷加入相关标准 化组织，积极推动着a s o n 的标准化进程。目前参与a s o n 标准制定的标准组 织主要有：i t u t 、i e t f 、o i f 、t 1 。 ( 1 )i i i ? u t i t u t 目前主要从功能体系结构和总体要求方砸制定a s o n 标准，由s g l5 研究组主要负责，目前已经通过的相关建议有：g 8 0 7 、g 8 0 8 0 、g 7 7 1 2 、g 7 7 1 3 、 g 7 7 1 4 、g