分組傳送網(wǎng)的環(huán)保護(hù)和生存機(jī)制

摘要:在保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制方面，分組傳送網(wǎng)絡(luò)面臨運(yùn)行操作與維護(hù)(OAM)檢測(cè)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(hù)和恢復(fù)機(jī)制已不能滿(mǎn)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(hù)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(duì)交迭段保護(hù)機(jī)制、預(yù)規(guī)劃多環(huán)、沖突避免算法、延時(shí)恢復(fù)算法等新型保護(hù)恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行了研究，得出觀點(diǎn)：保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制合理，由時(shí)分復(fù)用向分組承載的平滑演進(jìn)、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(hù)；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(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)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(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)、二層虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(L2VPN)業(yè)務(wù)、普通寬帶用戶(hù)的接入量和速率提升等是推動(dòng)城域傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)型的主要驅(qū)動(dòng)力，業(yè)務(wù)IP化和承載IP化推動(dòng)著基礎(chǔ)傳送網(wǎng)向分組傳送網(wǎng)絡(luò)(PTN)[1]演進(jìn)。

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(diǎn)，具有良好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、豐富的運(yùn)行操作維護(hù)(OAM)、快速的保護(hù)倒換等。同時(shí)增加了適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特性：分組交換、統(tǒng)計(jì)復(fù)用、面向連接的標(biāo)簽交換、分組服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證、靈活動(dòng)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(shí)分復(fù)用(TDM)業(yè)務(wù)，還能夠提供適合3G移動(dòng)傳輸需求的ATM反向復(fù)用(IMA)[2]、異步傳輸模式(ATM)、多等級(jí)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(tái)[3]。

眾多需求，眾多的應(yīng)用環(huán)境、場(chǎng)合都集中存在一個(gè)問(wèn)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(hù))，進(jìn)而影響業(yè)務(wù)(如標(biāo)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(hù)機(jī)制尚在研究中。PTN在性能上還有待提高，多種類(lèi)型保護(hù)資源互補(bǔ)性小，造成阻塞率高。

分組傳送網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)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(duì)分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性要求的提高，對(duì)分組傳送網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和恢復(fù)策略的研究就顯得更加重要。保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制研究合理，由TDM向分組承載的平滑演進(jìn)、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(biāo)記交換(T-MPLS)[5]/多協(xié)議標(biāo)記交換-流量工程(MPLS-TE)[6]、運(yùn)營(yíng)商骨干橋接/運(yùn)營(yíng)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(guó)際上許多著名研究機(jī)構(gòu)，如Alcatel[8]、Nortel[7]、Cisco[9]、Sycamore[10]、歐盟FP7[11]、美國(guó)Texas大學(xué)[12]、Stanford大學(xué)[13]、Bell Labs[14]等，都正致力于PTN的生存性機(jī)制的研究。中國(guó)廠商，如中興通訊、華為、烽火等也對(duì)生存性策略進(jìn)行了研究。

國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(mén)(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(xiàn)性保護(hù)(G.8131)以及Wrapping和Steering環(huán)網(wǎng)保護(hù)[15](G.8132)。IETF傾向于采用多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)的快速重路由(FRR)[16]完成1:N線(xiàn)性和環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

中國(guó)對(duì)分組傳送網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)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(diǎn)研究電信級(jí)的保護(hù)倒換策略。

中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)前年成立了一個(gè)論壇專(zhuān)門(mén)討論基于統(tǒng)一交換平面的傳送設(shè)備，2010年將開(kāi)始討論T-MPLS保護(hù)機(jī)制。

總體來(lái)說(shuō)研究重點(diǎn)主要是針對(duì)T-MPLS支持1＋1和1∶1線(xiàn)性保護(hù)能不能適應(yīng)目前不同業(yè)務(wù)對(duì)保護(hù)恢復(fù)機(jī)制的不同需求。需要通過(guò)通道級(jí)、鏈路級(jí)保護(hù)，以及基于通用多協(xié)議標(biāo)記交換(GMPLS)智能化軟件來(lái)控制業(yè)務(wù)的快速選路、重選路，以達(dá)到多層次多等級(jí)的保護(hù)和恢復(fù)。

國(guó)際上，對(duì)基于分組網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)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(hù)的節(jié)點(diǎn)和鏈路并預(yù)留資源，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的環(huán)進(jìn)行倒換動(dòng)作。Robert Sultan在公開(kāi)的專(zhuān)利中提出了一種基于服務(wù)器軌跡的消息通告機(jī)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(hù)恢復(fù)機(jī)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(kāi)展的研究項(xiàng)目。分組傳送網(wǎng)絡(luò)生存性還存在較多挑戰(zhàn)，是電信級(jí)分組傳送網(wǎng)絡(luò)走向?qū)嵱玫闹匾�環(huán)節(jié)。

(1)生存性評(píng)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(diǎn)被關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存性的評(píng)估本身就是一個(gè)比較難以確定的問(wèn)題，需要確定合理的指標(biāo)。而對(duì)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(lèi)認(rèn)知能力不夠和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的有限，使很多優(yōu)化問(wèn)題成為難題。人類(lèi)還不知道最好的網(wǎng)絡(luò)是什么。計(jì)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(gè)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(jìng)爭(zhēng)解決方法

分組傳送網(wǎng)絡(luò)在快速標(biāo)記交換路徑(LSP)建立、1∶N保護(hù)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(jìng)爭(zhēng)。目前常采用“鴕鳥(niǎo)算法”來(lái)解決，可以滿(mǎn)足IP網(wǎng)絡(luò)的要求，但性能達(dá)不到快速保護(hù)恢復(fù)的要求。分布式死鎖這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有得到徹底解決。死鎖問(wèn)題在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中是最頭疼的問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)理論中，Dijkstra提出了“銀行家算法”，但實(shí)用性不強(qiáng)。在MPLS中，死鎖問(wèn)題不被重視，但在GMPLS中，Zafar Ali等開(kāi)始重視死鎖問(wèn)題，并在IETF提出了該問(wèn)題。目前該問(wèn)題正在研究中。

(3)面向分組傳送網(wǎng)絡(luò)保護(hù)恢復(fù)部署的阻塞率

現(xiàn)有類(lèi)SDH的保護(hù)機(jī)制已經(jīng)開(kāi)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(hù)通道，阻塞率非常高。為了解決該問(wèn)題，必須提出條件寬松的保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制，與傳統(tǒng)嚴(yán)格保護(hù)機(jī)制互補(bǔ)，滿(mǎn)足分組傳送網(wǎng)絡(luò)的特殊需要。

(4)OAM故障檢測(cè)性能

OAM主要是通過(guò)周期性交互連通檢測(cè)報(bào)文實(shí)現(xiàn)P2P的連通性狀態(tài)檢測(cè)，并輔以各種方法實(shí)現(xiàn)丟包率、延時(shí)、抖動(dòng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)環(huán)回、告警抑制、告警回告等。通過(guò)自動(dòng)保護(hù)倒換(APS)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)端對(duì)端(E2E)兩條通道間的相互保護(hù)。而類(lèi)SDH保護(hù)必須提供滿(mǎn)足電信級(jí)50 ms保護(hù)的需求。OAM引擎完成通道故障檢測(cè)報(bào)文周期不能超時(shí)太多，故障發(fā)生25 ms內(nèi)檢測(cè)到故障并觸發(fā)倒換才能保證總倒換時(shí)間小于50 ms。所以O(shè)AM故障檢測(cè)性能非常重要。

3 分組傳送網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)和生存性機(jī)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(hù)有別于類(lèi)SDH的保護(hù)方式。本文介紹北京郵電大學(xué)在分組傳送網(wǎng)環(huán)保護(hù)和生存性機(jī)制方面的一些研究成果。

(1)交迭段保護(hù)機(jī)制

本文通過(guò)對(duì)約束機(jī)制和交迭段保護(hù)機(jī)制的深入分析，將兩者相結(jié)合并根據(jù)工作和保護(hù)路徑分別采用動(dòng)態(tài)鏈路權(quán)重調(diào)整，從而提出一種交迭段共享保護(hù)算法[21]。交迭段保護(hù)機(jī)制為整個(gè)工作路由提供了多個(gè)交迭的保護(hù)段，并給出了一種能夠合理有效選擇這些交迭保護(hù)段的方法。與以往保護(hù)算法相比，交迭段共享保護(hù)可提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，而且還通過(guò)不同交迭保護(hù)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(hù)機(jī)制通過(guò)使用多個(gè)備份保護(hù)段來(lái)為整條端到端的工作路徑提供保護(hù)。與通道保護(hù)相比，段保護(hù)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是縮小了恢復(fù)的范圍。當(dāng)一處鏈路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，只有與之相對(duì)應(yīng)的保護(hù)段被激活，因此縮短了恢復(fù)的時(shí)間。另外，段保護(hù)方式并不是為工作路徑中的每條鏈路都提供一個(gè)保護(hù)段，因而它比起鏈路保護(hù)又具有更高的資源利用率。交迭段保護(hù)機(jī)制是按照工作路徑中的每個(gè)工作段分別提供相交迭的備用保護(hù)段。某些工作鏈路受到多于一條的備份段的保護(hù)，從而在提高了網(wǎng)絡(luò)生存性的同時(shí)，對(duì)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(hù)無(wú)法提供對(duì)段間節(jié)點(diǎn)的保護(hù)，而交迭段保護(hù)成功克服了這個(gè)缺點(diǎn)。由于相鄰段之間的交迭，所以段間節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)導(dǎo)致工作和保護(hù)段同時(shí)失效。交迭和非交迭段保護(hù)如圖1所示。