光傳送網(wǎng)保護與恢復(fù)的若干技術(shù)分析

作者:甘朝欽

0前言

網(wǎng)絡(luò)生存性是指網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)受各種故障時仍能維持可接受的業(yè)務(wù)質(zhì)量等級的能力，是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計和運行的關(guān)鍵因素，也是網(wǎng)絡(luò)完整性的重要組成部分。光網(wǎng)絡(luò)的生存性基于共享資源和動態(tài)恢復(fù)資源。在光網(wǎng)絡(luò)的各種生存性技術(shù)中，光層的生存性技術(shù)具有響應(yīng)快速、靈活的特點，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，減少業(yè)務(wù)的丟失，因此，對光層的生存性研究具有十分重要的意義。光層的生存性包括保護和恢復(fù)兩種技術(shù)。

保護是指為光網(wǎng)絡(luò)的承載業(yè)務(wù)提供預(yù)留的保護資源。當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，受影響業(yè)務(wù)被安排到預(yù)先分配好的保護路由進行傳送，以此來恢復(fù)受影響的業(yè)務(wù)。保護往往處于本地網(wǎng)元或遠端網(wǎng)元的控制下，無須外部網(wǎng)管系統(tǒng)的介入，因而保護倒換時間很短。但由于備用資源無法在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)共享，導致網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，這是保護機制的缺點。

恢復(fù)是指為光網(wǎng)絡(luò)的承載業(yè)務(wù)動態(tài)尋找網(wǎng)絡(luò)中剩余資源(包括預(yù)留的專用空閑備用容量，網(wǎng)絡(luò)專用的、甚仍至低優(yōu)先級業(yè)務(wù)可釋放的額外容量)，并通過利用這些剩余資源，在網(wǎng)絡(luò)中尋找失效路由的替代路由，以便快速而準確地消除由于故障所帶來的阻塞�；謴�(fù)技術(shù)能動態(tài)搜索網(wǎng)絡(luò)中的所有空閑容量，可大大節(jié)省備用資源，因而大大提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。但由于恢復(fù)通常需要外部網(wǎng)管系統(tǒng)介入，時間較慢，恢復(fù)響應(yīng)不確定，業(yè)務(wù)恢復(fù)時間相對較長，這是恢復(fù)機制的不足之處�；謴�(fù)通常主要用于網(wǎng)狀網(wǎng)，以便能最佳地利用網(wǎng)絡(luò)容量資源。

保護和恢復(fù)都可采取重選路由機制，但兩者又各有其優(yōu)缺點。保護技術(shù)的保護倒換時間短，但網(wǎng)絡(luò)資源利用率低；恢復(fù)技術(shù)大大提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，但業(yè)務(wù)恢復(fù)時間相對較長。在實際應(yīng)用中，若采用保護與恢復(fù)相結(jié)合(PRC)的技術(shù)策略，將最能滿足運營商所希望的業(yè)務(wù)保護水平需求。鑒于環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)是光傳送骨干網(wǎng)的兩種主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文將就這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中保護與恢復(fù)的某些重要技術(shù)問題進行分析。

1環(huán)形網(wǎng)的保護

在環(huán)形光網(wǎng)絡(luò)中，主要采用保護方式來恢復(fù)受故障影響的業(yè)務(wù)。目前，環(huán)形網(wǎng)的保護主要有鄰近節(jié)點環(huán)回和源節(jié)點重路由兩種解決方案。以下分別對環(huán)形網(wǎng)的這兩種保護方案進行分析。

1.1鄰近節(jié)點環(huán)回方式

鄰近節(jié)點環(huán)回是現(xiàn)有環(huán)形網(wǎng)中的常規(guī)保護方式。根據(jù)該解決方案，當信息從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸過程中，若其間某段線路發(fā)生故障，系統(tǒng)將在鄰近故障的節(jié)點進行保護倒換，將受影響的業(yè)務(wù)倒換到保護通道上進行傳輸，即受影響的業(yè)務(wù)在鄰近節(jié)點處以鄰近節(jié)點環(huán)回方式避開線路故障，并通過保護通道順利到達目的節(jié)點。

如由西安、蘭州、銀川、呼和浩特、北京石家莊鄭州7個主要節(jié)點構(gòu)成的環(huán)形網(wǎng)。當信息從西安途徑蘭州傳送到石家莊時，若北京石家莊之間的光纖發(fā)生斷裂，與事故發(fā)生地鄰近的北京節(jié)點將采取保護倒換措施將業(yè)務(wù)倒換到保護通道，即業(yè)務(wù)將在北京節(jié)點環(huán)回，并沿保護通道到達石家莊。

以鄰近節(jié)點環(huán)回方式為業(yè)務(wù)提供保護的同時也引發(fā)了另一個問題，即信息的傳輸距離比正常情況下大得多，這樣，信息的傳輸時延將大大增加。

正常路徑下，西安石家莊(經(jīng)蘭州)的路徑傳輸時延為t1=17.25 ms；當北京？石家莊光纖發(fā)生故障時，通常鄰近節(jié)點環(huán)回路由的傳輸時延為t2=36.35 ms。

顯然，采用鄰近節(jié)點環(huán)回方式保護倒換后，信息從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳送時延大幅增加。這里的計算還沒有包括節(jié)點設(shè)備引起的傳送時延。通常，信息從源節(jié)點到達目的節(jié)點中途要經(jīng)過許多節(jié)點設(shè)備，若將這些節(jié)點設(shè)備引起的傳送時延計算在內(nèi)，采用鄰近節(jié)點環(huán)回方式引起的傳送時延增加問題將更加突出，由此必然嚴重影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。

1.2源節(jié)點重路由方式

在環(huán)形網(wǎng)中采用常規(guī)鄰近節(jié)點環(huán)同保護方式雖然可為業(yè)務(wù)提供有效保護，但同時卻使信息的傳輸距離比正常情況下大幅增加。傳輸距離的增加導致了信息傳輸時延的相應(yīng)增加，進而嚴重影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。為解決上述問題，業(yè)界提出了源節(jié)點重路由方式，如上海貝爾阿爾卡特的源節(jié)點重路由解決方案很好地解決了鄰近節(jié)點環(huán)回方式所帶來的傳輸延時增加問題。

當信息從西安途徑蘭州傳送到石家莊時，若北京、石家莊之間的光纖發(fā)生斷裂，這時，源節(jié)點重路由解決方案將在源節(jié)點(西安節(jié)點)處進行重新路由，把需要傳送的信息直接倒換到保護通道上。，信息直接途徑鄭州傳送到目的節(jié)點(石家莊節(jié)點)，無須再經(jīng)過蘭州、北京來迂回完成傳輸。比較鄰近節(jié)點環(huán)回方式，源節(jié)點重路由解決方案大大減少了信息的傳輸距離，它的信息傳輸時延小得多。采用源節(jié)點重路由保護倒換后信息的傳輸時延為t3=35.85 ms，與采用鄰近節(jié)點環(huán)回方式保護倒換后的傳輸時延相比，其優(yōu)勢顯而易見。此外，若進一步考慮傳輸途中所通過的中間各節(jié)點引入的時延，源節(jié)點重路由方式的優(yōu)勢將更為明顯。

環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有較好的生存性，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間短(可小于50 ms)。但是，若在大型長途骨干網(wǎng)中采用環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)，則由于在許多情況下信息傳送要通過迂回路由實現(xiàn)，往往傳輸路徑過長，傳輸經(jīng)過的節(jié)點數(shù)過多。這些都將導致整個信息的端到端傳送時延過大，尤其是當環(huán)形網(wǎng)光纖線路發(fā)生故障、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用鄰近節(jié)點環(huán)回方式保護倒換后，時延問題尤為突出。過大的傳送時延不但對話音等實時性業(yè)務(wù)產(chǎn)生嚴重影響，而且對網(wǎng)絡(luò)的IP化也十分不利，不僅會引起IP系統(tǒng)(TCP/IP系統(tǒng))的吞吐量迅速下降、導致網(wǎng)絡(luò)利用率的迅速降低，而且還將使數(shù)據(jù)分組的丟失概率上升，最終導致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的嚴重惡化。

此外，環(huán)形網(wǎng)的缺點還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃較困難。在進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，很難預(yù)計將來的發(fā)展，因此，在開始時需要規(guī)劃較大的容量。這種結(jié)構(gòu)所需空閑容量即使在業(yè)務(wù)量比較平衡時也高達100%，有些甚至要求高達150%。實踐證明：環(huán)形網(wǎng)在短距離、拓撲結(jié)構(gòu)簡單時具有較大的優(yōu)勢；而在大規(guī)模長途骨干網(wǎng)中，網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢則更為突出。

2網(wǎng)狀網(wǎng)的保護與恢復(fù)

網(wǎng)狀網(wǎng)的多路由形式使得它的可靠性大大優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。利用網(wǎng)狀網(wǎng)的多路由形式、應(yīng)用交叉連接設(shè)備、采用最短路徑優(yōu)先選路功能，可保證即使在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障情況下，仍使網(wǎng)絡(luò)具有最優(yōu)的傳輸路徑。

網(wǎng)狀網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的保護和恢復(fù)都可使用重選路由機制。對于保護而言，通道保護技術(shù)可為每一路工作通道預(yù)留一條專用的端到端保護通道，也可使用1+1或1：1的保護倒換。鏈路保護(或稱光復(fù)用段保護)可采用另一條專用的平行光纖，也可采用被路由到在網(wǎng)絡(luò)中與該鏈路不相交的其他光纖，還可以采用共享方式，如采用M：1結(jié)構(gòu)。保護技術(shù)具有保護倒換時間短的優(yōu)勢，但因需要為光網(wǎng)絡(luò)的承載業(yè)務(wù)提供預(yù)留的保護資源而存在網(wǎng)絡(luò)資源利用率低的缺陷。

網(wǎng)狀網(wǎng)中采用恢復(fù)策略具有很高的生存性，恢復(fù)技術(shù)能動態(tài)搜索網(wǎng)絡(luò)中的所有空閑容量為受影響的業(yè)務(wù)尋找新的路由，從而能最佳地利用網(wǎng)絡(luò)容量資源。在同樣的網(wǎng)絡(luò)生存性條件下，所需要的附加空閑容量可遠小于環(huán)形網(wǎng)，通常為30%-60%，因此，恢復(fù)比保護在容量使用效率方面具有優(yōu)勢。一般來說，網(wǎng)絡(luò)拓撲較復(fù)雜時，如在高度互聯(lián)的長途網(wǎng)中，采用網(wǎng)狀網(wǎng)恢復(fù)比環(huán)形網(wǎng)更為經(jīng)濟靈活，也便于規(guī)劃和設(shè)計。由于網(wǎng)狀網(wǎng)提供的是網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的恢復(fù)，因而對付嚴重的網(wǎng)絡(luò)故障的能力較強，對網(wǎng)絡(luò)拓撲的限制也最小，但是，網(wǎng)狀網(wǎng)恢復(fù)也存在業(yè)務(wù)恢復(fù)時間長的缺點。值得注意的是，在網(wǎng)狀網(wǎng)中，對于全網(wǎng)優(yōu)化的恢復(fù)方案，由于網(wǎng)絡(luò)保護倒換時要進行全網(wǎng)的資源優(yōu)化分析，因而網(wǎng)絡(luò)保護倒換的時間較長，而對于局部優(yōu)化的恢復(fù)方案，則可大大減少資源優(yōu)化分析的時間，快速地進行網(wǎng)絡(luò)保護倒換和業(yè)務(wù)的恢復(fù)。

基于保護和恢復(fù)的各自優(yōu)缺點存在互補性，在實際應(yīng)用中，業(yè)界提出了采用PRC的技術(shù)策略，如上海貝爾阿爾卡特率先提出、引領(lǐng)業(yè)界最高水平的PRC解決方案。上海貝爾阿爾卡特的PRC解決方案將保護與恢復(fù)有機結(jié)合，在充分發(fā)揮保護與恢復(fù)各自優(yōu)勢的同時，又克服了它們各自存在的缺陷，能最大限度地滿足運營商的實際應(yīng)用需要。

在光網(wǎng)狀網(wǎng)中，每個節(jié)點存在多個路由，一旦某節(jié)點發(fā)生故障或光纜中斷，業(yè)務(wù)可以很容易地被轉(zhuǎn)換到另一條通路上。采用上海貝爾阿爾卡特的PRC解決方案，網(wǎng)狀網(wǎng)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動故障診斷、業(yè)務(wù)的自動恢復(fù)和路由的優(yōu)化；并且保護倒換時間可小于50 ms，滿足電信級要求。如此，使得網(wǎng)狀網(wǎng)的生存能力最能支持運營商所希望的業(yè)務(wù)保護水平。換句話說，使用PRC解決方案，運營商可充分利用網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)異生存能力和可靠性，根據(jù)SLA協(xié)議，靈活地管理各種級別的業(yè)務(wù)，為各種級別的業(yè)務(wù)提供不同的保護和業(yè)務(wù)恢復(fù)時間。

正常情況下，業(yè)務(wù)通過源節(jié)點與目的節(jié)點之間的一條主用路由傳輸。為了保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸?shù)陌踩�，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用最短路徑優(yōu)先原則，計算出一條預(yù)置的保護路由，當主用路由出現(xiàn)故障時，網(wǎng)管系統(tǒng)將自動把該業(yè)務(wù)倒換到預(yù)置的保護路由上。由于保護倒換時間滿足電信級要求(小于50 ms)，所以，客戶端不會受到影響。

若保護路由再次出現(xiàn)故障，網(wǎng)管還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源找出第三條可用路由，并將業(yè)務(wù)倒換到該路由上。同樣，由于保護倒換時間小于50 ms，客戶端也不會受到影響。

在實際情況中，當使用PRC方式保護時，若第三條保護路由也出現(xiàn)問題，網(wǎng)管系統(tǒng)還可以進一步動態(tài)地尋找更新的可用路由。

3網(wǎng)狀網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)相結(jié)合的保護與恢復(fù)

目前，國內(nèi)各大運營商骨干光傳送網(wǎng)主要采用“多個環(huán)網(wǎng)互聯(lián)+部分支線”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供的業(yè)務(wù)恢復(fù)類型僅為環(huán)/線保護和不保護兩種。根據(jù)環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)缺點，結(jié)合國內(nèi)各大運營商骨干傳送網(wǎng)的實際，若在我國大規(guī)模長途骨干網(wǎng)中引入網(wǎng)狀拓撲，將我國大規(guī)模長途骨干網(wǎng)建成網(wǎng)狀網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，則可為業(yè)務(wù)提供環(huán)網(wǎng)保護、1+1/1：N線性保護以及網(wǎng)狀網(wǎng)PRC等多種組合的保護與恢復(fù)方式。換言之，采用網(wǎng)狀網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，利用SLA功能，運營商可為不同類型的客戶靈活地提供具有一定差異性的各種等級類型業(yè)務(wù)。

4結(jié)束語

環(huán)網(wǎng)主要采用保護方式來恢復(fù)受故障影響的業(yè)務(wù)。在環(huán)網(wǎng)保護方式中，源節(jié)點重路由解決方案能很好地克服目前大量使用的常規(guī)鄰近節(jié)點環(huán)回方式存在的缺陷。環(huán)網(wǎng)具有較好的生存性、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間短(可小于50 ms)，在短距離、拓撲結(jié)構(gòu)簡單時具有較大的優(yōu)勢。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜時，環(huán)網(wǎng)所固有的傳送時延問題、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃困難、很難預(yù)計將來發(fā)展以及所需備用容量過大的缺陷將日益突現(xiàn)。

網(wǎng)狀網(wǎng)的多路由形式使得它的可靠性大大優(yōu)于所有其他網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)具有規(guī)模經(jīng)濟效益的特點，在大規(guī)模長途骨干網(wǎng)中，網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢尤為突出。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，采用PRC解決方案使運營商可充分利用網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)異生存能力和可靠性，更加靈活、有效地進行網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)、業(yè)務(wù)自動配置和流量管理。結(jié)合SLA，運營商還可靈活地管理各種級別的業(yè)務(wù)，為各種級別的業(yè)務(wù)提供不同的保護和業(yè)務(wù)恢復(fù)時間；利用Grooming功能可實現(xiàn)對帶寬的動態(tài)調(diào)整以及帶寬的按優(yōu)先級分配，為高等級業(yè)務(wù)提供通道級恢復(fù)；所有這些都將為運營商開展利潤豐厚的新型增值業(yè)務(wù)帶來無限商機。