全光传送网的生存性技术

全光传送网的生存性技术
林新棋;吴大鹏
【摘要】互联网和其他通信网络的爆发性成长,导致对更大带宽、更高生存性业务的需求急剧增长.在网络故障的情况下,为了使光通路的数据丢失最小化,我们可以使用不同的保护和恢复方案.好的保护方案可以使网络业务更快地从故障中恢复过来,满足光网络对故障恢复时间的苛刻要求(毫秒级).本文主要讨论光通路的保护方案.【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2007(030)019
【总页数】4页(P49-51,54)
【关键词】光网络;点到点保护;环形保护;网状网保护
【作者】林新棋;吴大鹏
【作者单位】福建师范大学,网络安全与密码实验室,福建,福州,350007;北京邮电大学,通信网络综合技术研究所,北京,100876;北京邮电大学,通信网络综合技术研究所,北京,100876
【正文语种】中文
【中图分类】TN915
福建省教育厅基金(JB05331)
1 引言
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接受的业
务质量的能力[1]，他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，他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，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[2]。

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 50%。

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。

网络的自愈方案应使恢复率尽量高，一般应达到99%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ms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复杂度应尽量低。

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。

2 WDM传送网的生存性技术
WDM传送网可以采用的生存性机制有两种：基于专用资源的保护和实时寻找可
用资源的动态恢复。

在保护方案中，网络提供的生存性服务是利用专用资源实现的，可以针对每个可能的失效预留专用的空闲资源，也可以在多个不会同时出现的失效之间共享这些空闲资源。

在恢复方案中，控制机制是在网络部件出现失效以后实时寻找可用资源来恢复受影响的业务。

相比之下，动态的恢复方案在资源利用效率上
高于保护方案，因为前者实现了空闲资源的完全共享，并且由于是实时寻找可用资源，因此可以应付多种类型的失效(如多链路同时失效)。

但是，保护机制能够获得更快的恢复速度，并且能够确保100%的业务恢复。

下面按照光传送网结构的发展演变顺序，简单描述各种生存性技术。

2.1 点到点的保护倒换
对于点到点的线路系统，经常采用的是1+1,1∶1,1∶n,m∶n的保护倒换方案，如图1所示。

图1 1+1,1∶1,1∶n,m∶n保护
1+1光层保护是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。

当工作光纤故障时，接收端的光开关把线路切换到保护光纤。

这种保护是单端倒换的保护方式,不需要APS协议，保护倒换快，且不需要恢复到原状态，但增加了3 dB功率损耗。

此外，与SDH 1+1 保护不同，1+1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，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。

1∶1光层保护方案与1+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，因而保护光纤可以承载额外业务。

但是1∶1光层保护属于双端保护倒换的方式，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。

m∶n的保护方式是典型的共享保护方式，即为m条工作通路准备n条保护通路。

由于是共享保护，信令内容除要包括桥接倒换请求、状态、源和目的地址外，还要携带使用和已经使用了的保护通路符号。

当n=1时，m∶n保护就变为m∶1保护，即m个工作实体共享同一个保护通路。

2.2 环型光传送网的生存性技术
环形网络是一种常见的通信网拓扑形式，和网状网相比，环形网在保持较高生存性的同时更容易实现和管理。

光层自愈环比SDH自愈环容量更大且容易升级。

光层保护环主要生存性结构有：区段保护(span protection)、单向光通道专用保护环(OCH-DPRING)、单向光通道共享保护环(OCH-SPRING)和双向光复用段共享保
护环(OMS-SPRING)。

区段保护如图2所示，是在相邻点之间有两根光纤:一根光纤双向传输,另一根光纤备用。

工作光纤故障时，区段两段节点光开关动作，将双向业务切换到备用光纤。

这种保护方式实现起来简单方便，但要确保两根光纤不同时故障。

图2 区段保护
单向光通道专用保护采用并发选收的方法，当工作通道发生故障时，自动切换到保护通道；当工作通道恢复正常后，可设置为返回方式或不返回方式。

如图3所示。

他是按光通道级失效指示进行切换的。

单向光通道保护目前应用最多，其特点是实现简单、可靠性高、无须协议支持、保护时间短、组网应用灵活，根据业务需要可实现部分波长保护;主要缺点是要消耗整个环网的容量。

图3 两纤单向光通道保护环
光复用段共享保护环基于光复用段失效指示进行倒换，提供基于光复用段的保护，其结构有两纤环和四纤环两种。

图4为两纤双向光复用段共享保护环结构。

在两
纤环中，每根光纤都是工作光纤，但是在每根光纤中都分配出一半的波长用作保护目的(譬如，外环：工作波长λ1…λn/2，保护波长λn/2…λn；内环：工作波长
λn/2…λn，保护波长λ1…λn/2)。

出现故障时，由故障两端的节点启动保护倒换，将受影响的工作业务迂回到另一根光纤中的保护容量上。

在四纤环中，工作通道和保护通道分别由不同的光纤来承载。

双向光复用段保护可实现全部业务在光层的保护,保护效率高，在保护通路闲置情况下可以传送一些低等级业务，适合于环网各
节点之间的业务量相对均匀的情况。

不足之处是：保护路径过长，信道均衡比较麻
烦，在不需要光层保护的情况下，某些业务(如SDH)存在多层保护的竞争和协调问题。

图4 两纤双向光复用段共享保护环
双向光通道共享保护环结构如图5所示，与光复用段共享保护环结构基本相同，不同之处在于光通道共享保护环是基于光通道失效指示倒换模式，实现的是对单个光通道的保护。

保护倒换的位置在受故障影响业务连接的终端节点，而不是故障相邻节点。

双向光通道保护实现开销较大，由于光通道不是1+1方式，因此存在保护通道监视困难的问题。

图5 两纤双向光通道共享保护环
2.3 网状(Mesh)光传送网的生存性
尽管环形网络具有很强的自愈能力，但环网覆盖面小，长度不能过长，资源利用率不高，因此网络拓扑结构的发展趋势是逐步向网状网过渡，对MESH网生存性的研究也是一个重点。

网状光网络生存性是通过相关OXC的重新配置(重选路由)来实现的，也分为保护和恢复两种类型。

保护是在网络建立时预留好保护路由，网络故障时将受损业务直接重选路由到预先分配好的保护路由上。

根据保护资源能否共享，保护机制可分为专用保护和共享保护。

在专用保护情况下，工作光路和保护光路一一对应，并且为保护光路预留相应的波长资源，这些波长资源不能被其他保护光路使用。

图6是光通道专用保护的一个示例。

正常情况下主信道传送业务，保护信道空闲。

因此只知道主信道的状态，而保护通道无法监视。

因此如何同时监视主通道和恢复通道的告警及通道性能是需要认真研究的。

图6 Mesh网专用通道保护示例
在共享保护情况下，对于网络部件失效时不会同时失效的工作光路，他们的保护光路可以共享保护波长。

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[3]。

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[4]。

共享保护又可分为共享通道
保护和共享链路保护。

共享通道保护是在网络设计阶段端到端的为每条工作光路设置链路分离的保护路由，并在保护路由经过的链路上预留相应波长，不会同时失效工作光路的保护光路可以共享链路上的预留波长。

图7为一个1∶3的共享通道保护示例。

共享链路保护是在网络设计阶段，在工作光路经过的链路周围设置备用路由同时预留相应的备用波长，当某条物理链路出现故障时使用他的所有工作光路只在故障链路周围寻找备用路由和备用波长，原先工作光路上的其他链路段都保持不变。

链路上预留的备用波长可以被多条备用路由共享，只要这些备用路由不会同时启动。

图8为共享链路保护的示例。

图7 Mesh网共享通道保护(1∶3)示例
图8 Mesh网共享链路保护示例
网状网的恢复按重选路由的计算和执行原理，可以分为集中式和分布式恢复；按重选路由的类型，分为基于通道(Path-based)和基于链路(Link-based)的恢复方法；按失效发生后路由计算的时效性，分为实时和预计算的恢复。

不依赖于故障的分布式预先计算路由的方案是比较实用的[4]。

不依赖于故障的恢复方案是基于不相交通道的思想，边不相交通道保护是基于通道保护恢复方案的特例，要求保护通道与工作通道除了源节点和目的节点外，不能有相同的节点和链路。

他分为专用和共享两种模式。

采用专用模式时，保护通道与工作通道同时建立，当工作通道出现故障时，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。

采用共享模式时，保护通道在工作通道正常时并未建立，无相同链路和节点的工作通道之间可以共享保护通道资源，与专用模式相比，共享模式能更有效地利用资源，但在工作通道故障建立保护通道时，需要保护通道上的所有节点参与操作，因而恢复速度较慢。

在动态业务情况下，波长路由WDM网络给业务提供保护，目标是使连接请求的
阻塞概率最小。

为动态业务提供共享的通道保护，已被众多研究证明是切实可行的。

当新的连接请求时，网络以并行的方式查询是否有足够的波长资源，为连接请求建立链路分离的工作光路和保护光路。

网络有足够资源则接纳此连接请求，否则拒绝。

两个连接请求，只要不同时发生故障，则可以在保护光路上共享相同的波长资源。

3 结语
本文首先对光网络的生存性以及相关的概念进行了详细的介绍，并且列举了当前比较常用的3种保护方法，分别是点到点保护、环形保护以及网状网保护。

在第二
部分对这些方法的基本工作原理进行了细致的阐述，同时对各种方法的优缺点进行了阐述。

参考文献
[1] Dongyun Zhou,Suresh Subramaniam.Survivability in Optical Networks,IEEE Network,2000.
[2] Laxman Sahasrabuddhe,Ramamurthy,Mukherjee.Fault Management in
IP over WDM Networks:WDM Protection Versus IP Restoration[J].IEEE Select.Areas Comm.,2002,20:21-33.
[3] 王烨，李乐民，王晟.网状WDM网络的抗毁设计[J].通信学报，
2001,22(1):22-29.
[4] Shengli Yuan,Jason P Jue.Shared Protection Routing Algorithm for Optical Network[C].The Opticomm 2001 Conference,2001.。