分組傳送網(wǎng)的環(huán)保護和生存機制

摘要:在保護和恢復(fù)機制方面，分組傳送網(wǎng)絡(luò)面臨運行操作與維護(OAM)檢測性能、網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化、資源分配死鎖、資源部署阻塞等眾多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的保護和恢復(fù)機制已不能滿足分組傳送網(wǎng)絡(luò)的需求。為了提高分組傳送網(wǎng)絡(luò)保護恢復(fù)性能、網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、業(yè)務(wù)恢復(fù)可能性，減少業(yè)務(wù)部署的阻塞率，文章對交迭段保護機制、預(yù)規(guī)劃多環(huán)、沖突避免算法、延時恢復(fù)算法等新型保護恢復(fù)機制進行了研究，得出觀點：保護和恢復(fù)機制合理，由時分復(fù)用向分組承載的平滑演進、網(wǎng)絡(luò)融合和網(wǎng)絡(luò)全業(yè)務(wù)化才有可能。

關(guān)鍵字:分組傳送網(wǎng)絡(luò)；保護；恢復(fù)；阻塞率

英文摘要:In its protection and restoration mechanisms, Packet Transport Networking (PTN), is facing many challenges. Such challenges arise in the areas of Operation Administration and Maintenance (OAM) detection performance, network resource optimization, resource allocation deadlock, and resource deployment blocking. Traditional mechanisms of protection and restoration cannot meet the requirements of Packet Transport Networks. In order to improve protection and restoration, network resource use, probability of service restoration, and to decrease the probability of service blocking, this paper introduces mechanisms such as overlay section protection, pre-configure pre-planned cycle, conflict-release algorithm, and delay restoration algorithm. Finally, it concludes that only the protection and restoration mechanism can reasonably achieve network integration, network operation, and the smooth evolution from TDM to packet bearing networks.

英文關(guān)鍵字:packet transport network; protection; restoration; blocking

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)課題(2007AA01Z252)

三重播放(3-Play)等新興寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、企事業(yè)單位的以太網(wǎng)專線業(yè)務(wù)、二層虛擬專用網(wǎng)(L2VPN)業(yè)務(wù)、普通寬帶用戶的接入量和速率提升等是推動城域傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)型的主要驅(qū)動力，業(yè)務(wù)IP化和承載IP化推動著基礎(chǔ)傳送網(wǎng)向分組傳送網(wǎng)絡(luò)(PTN)[1]演進。

分組傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保持了傳統(tǒng)同步數(shù)字體系(SDH)傳送網(wǎng)的優(yōu)點，具有良好的網(wǎng)絡(luò)擴展性、豐富的運行操作維護(OAM)、快速的保護倒換等。同時增加了適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特性：分組交換、統(tǒng)計復(fù)用、面向連接的標簽交換、分組服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證、靈活動態(tài)控制。這些特性是網(wǎng)絡(luò)融合的重要基礎(chǔ)性技術(shù)。在傳送方式上，分組傳送網(wǎng)不僅能夠提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，兼容傳統(tǒng)的時分復(fù)用(TDM)業(yè)務(wù)，還能夠提供適合3G移動傳輸需求的ATM反向復(fù)用(IMA)[2]、異步傳輸模式(ATM)、多等級優(yōu)先占(用MLPPP)等功能。配套組網(wǎng)需求，設(shè)備利用多種封裝和適配技術(shù)，PTN可以將多種不同的TDM和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)統(tǒng)一到分組傳送平面，從而成為基于統(tǒng)一分組交換的多業(yè)務(wù)傳輸平臺[3]。

眾多需求，眾多的應(yīng)用環(huán)境、場合都集中存在一個問題：分組傳送網(wǎng)絡(luò)的生存性。分組傳送網(wǎng)絡(luò)的生存性直接影響網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式(環(huán)、格狀、星型)。分組傳送網(wǎng)絡(luò)的生存性還直接影響業(yè)務(wù)建立的方式(1+1或1:1通道保護)，進而影響業(yè)務(wù)(如標記交換路徑建立的阻塞率、資源的利用率、資源分配的協(xié)調(diào))[4]。分組傳送網(wǎng)絡(luò)不同于同步數(shù)字體系(SDH)網(wǎng)絡(luò)，其保護機制尚在研究中。PTN在性能上還有待提高，多種類型保護資源互補性小，造成阻塞率高。

分組傳送網(wǎng)絡(luò)的保護和恢復(fù)策略是目前影響業(yè)務(wù)性能、網(wǎng)絡(luò)資源利用率、網(wǎng)絡(luò)生存性的重要因素。隨著對分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性要求的提高，對分組傳送網(wǎng)絡(luò)的保護和恢復(fù)策略的研究就顯得更加重要。保護和恢復(fù)機制研究合理，由TDM向分組承載的平滑演進、網(wǎng)絡(luò)融合和網(wǎng)絡(luò)全業(yè)務(wù)化才有可能。

1 分組傳送網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

面向分組傳送網(wǎng)絡(luò)主要有傳送多協(xié)議標記交換(T-MPLS)[5]/多協(xié)議標記交換-流量工程(MPLS-TE)[6]、運營商骨干橋接/運營商骨干網(wǎng)傳輸(PBB/PBT)[7]，其生存性策略的研究已經(jīng)受到業(yè)界的關(guān)注。國際上許多著名研究機構(gòu)，如Alcatel[8]、Nortel[7]、Cisco[9]、Sycamore[10]、歐盟FP7[11]、美國Texas大學[12]、Stanford大學[13]、Bell Labs[14]等，都正致力于PTN的生存性機制的研究。中國廠商，如中興通訊、華為、烽火等也對生存性策略進行了研究。

國際電信聯(lián)盟電信標準部門(ITU-T)和因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)都提出了各自的需求。T-MPLS支持1＋1和1:1線性保護(G.8131)以及Wrapping和Steering環(huán)網(wǎng)保護[15](G.8132)。IETF傾向于采用多協(xié)議標記交換(MPLS)的快速重路由(FRR)[16]完成1:N線性和環(huán)網(wǎng)保護。

中國對分組傳送網(wǎng)絡(luò)的保護恢復(fù)技術(shù)處于討論、研究的階段。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商重點研究電信級的保護倒換策略。

中國通信標準化協(xié)會(CCSA)前年成立了一個論壇專門討論基于統(tǒng)一交換平面的傳送設(shè)備，2010年將開始討論T-MPLS保護機制。

總體來說研究重點主要是針對T-MPLS支持1＋1和1∶1線性保護能不能適應(yīng)目前不同業(yè)務(wù)對保護恢復(fù)機制的不同需求。需要通過通道級、鏈路級保護，以及基于通用多協(xié)議標記交換(GMPLS)智能化軟件來控制業(yè)務(wù)的快速選路、重選路，以達到多層次多等級的保護和恢復(fù)。

國際上，對基于分組網(wǎng)絡(luò)的保護早已有之，例如W.Grover最早提出了用于IP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)配置環(huán)(P-cycle)的概念[17]。在故障發(fā)生前，預(yù)先配置好一組P-cycle，遍歷所有被保護的節(jié)點和鏈路并預(yù)留資源，當故障發(fā)生時，按照預(yù)先設(shè)計好的環(huán)進行倒換動作。Robert Sultan在公開的專利中提出了一種基于服務(wù)器軌跡的消息通告機制，提高了在擁塞網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的恢復(fù)可能[18]。Sycamore的Raymond Xie提出在EtherOptics體系結(jié)構(gòu)分組傳送網(wǎng)絡(luò)中引入智能化的保護恢復(fù)機制[19-20]。

2 分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性存在的挑戰(zhàn)

分組傳送網(wǎng)絡(luò)是近幾年開展的研究項目。分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性還存在較多挑戰(zhàn)，是電信級分組傳送網(wǎng)絡(luò)走向?qū)嵱玫闹匾�環(huán)節(jié)。

(1)生存性評估和優(yōu)化方法

分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性是網(wǎng)絡(luò)中重點被關(guān)心的問題，對網(wǎng)絡(luò)生存性的評估本身就是一個比較難以確定的問題，需要確定合理的指標。而對網(wǎng)絡(luò)生存性的優(yōu)化存在優(yōu)化方法和優(yōu)化技術(shù)的限制。由于目前人類認知能力不夠和計算機計算能力的有限，使很多優(yōu)化問題成為難題。人類還不知道最好的網(wǎng)絡(luò)是什么。計算能力的有限使窮舉之路走不通。分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性的優(yōu)化只能借助于“遺傳算法”、“貪婪算法”等找到一個比較好的解，合理解決分布式網(wǎng)絡(luò)的生存性。

(2)分布式死鎖和資源競爭解決方法

分組傳送網(wǎng)絡(luò)在快速標記交換路徑(LSP)建立、1∶N保護中的搶建、快速LSP重選路等方面都不同程度遇到分布式死鎖和資源競爭。目前常采用“鴕鳥算法”來解決，可以滿足IP網(wǎng)絡(luò)的要求，但性能達不到快速保護恢復(fù)的要求。分布式死鎖這個問題沒有得到徹底解決。死鎖問題在計算機操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中是最頭疼的問題。在計算機操作系統(tǒng)理論中，Dijkstra提出了“銀行家算法”，但實用性不強。在MPLS中，死鎖問題不被重視，但在GMPLS中，Zafar Ali等開始重視死鎖問題，并在IETF提出了該問題。目前該問題正在研究中。

(3)面向分組傳送網(wǎng)絡(luò)保護恢復(fù)部署的阻塞率

現(xiàn)有類SDH的保護機制已經(jīng)開始被分組傳送網(wǎng)絡(luò)所采用，但在分布式選路的環(huán)境下，由于要建條件苛刻的保護通道，阻塞率非常高。為了解決該問題，必須提出條件寬松的保護和恢復(fù)機制，與傳統(tǒng)嚴格保護機制互補，滿足分組傳送網(wǎng)絡(luò)的特殊需要。

(4)OAM故障檢測性能

OAM主要是通過周期性交互連通檢測報文實現(xiàn)P2P的連通性狀態(tài)檢測，并輔以各種方法實現(xiàn)丟包率、延時、抖動的檢測，實現(xiàn)環(huán)回、告警抑制、告警回告等。通過自動保護倒換(APS)協(xié)議來實現(xiàn)端對端(E2E)兩條通道間的相互保護。而類SDH保護必須提供滿足電信級50 ms保護的需求。OAM引擎完成通道故障檢測報文周期不能超時太多，故障發(fā)生25 ms內(nèi)檢測到故障并觸發(fā)倒換才能保證總倒換時間小于50 ms。所以O(shè)AM故障檢測性能非常重要。

3 分組傳送網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護和生存性機制解決方案

目前分組傳送網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)以網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，所以分組傳送網(wǎng)絡(luò)的環(huán)保護有別于類SDH的保護方式。本文介紹北京郵電大學在分組傳送網(wǎng)環(huán)保護和生存性機制方面的一些研究成果。

(1)交迭段保護機制

本文通過對約束機制和交迭段保護機制的深入分析，將兩者相結(jié)合并根據(jù)工作和保護路徑分別采用動態(tài)鏈路權(quán)重調(diào)整，從而提出一種交迭段共享保護算法[21]。交迭段保護機制為整個工作路由提供了多個交迭的保護段，并給出了一種能夠合理有效選擇這些交迭保護段的方法。與以往保護算法相比，交迭段共享保護可提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，而且還通過不同交迭保護段間資源的合理共享有效地提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

段保護機制通過使用多個備份保護段來為整條端到端的工作路徑提供保護。與通道保護相比，段保護方式的主要優(yōu)點是縮小了恢復(fù)的范圍。當一處鏈路或節(jié)點發(fā)生故障時，只有與之相對應(yīng)的保護段被激活，因此縮短了恢復(fù)的時間。另外，段保護方式并不是為工作路徑中的每條鏈路都提供一個保護段，因而它比起鏈路保護又具有更高的資源利用率。交迭段保護機制是按照工作路徑中的每個工作段分別提供相交迭的備用保護段。某些工作鏈路受到多于一條的備份段的保護，從而在提高了網(wǎng)絡(luò)生存性的同時，對于網(wǎng)絡(luò)資源的分配也更加靈活可變。傳統(tǒng)的非交迭段保護無法提供對段間節(jié)點的保護，而交迭段保護成功克服了這個缺點。由于相鄰段之間的交迭，所以段間節(jié)點的故障不會導致工作和保護段同時失效。交迭和非交迭段保護如圖1所示。