第9章光纖通信網(wǎng)絡(luò)的生存性

第9章光纖通信網(wǎng)絡(luò)的

生存性9.1網(wǎng)絡(luò)生存性基本概念9.2SDH網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)9.3IP網(wǎng)絡(luò)的生存性9.4光學(xué)層保護(hù)9.5ASON網(wǎng)絡(luò)的生存性《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.1網(wǎng)絡(luò)生存性基本概念9.1.1生存性定義和措施9.1.2工作路徑和保護(hù)路徑9.1.3單向保護(hù)切換和雙向保護(hù)切換《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.1.1生存性定義和措施網(wǎng)絡(luò)的生存性（Survivability）是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)失效時(shí)能夠繼續(xù)為用戶提供服務(wù)的能力，保護(hù)切換是確保網(wǎng)絡(luò)生存性的關(guān)鍵技術(shù)，保護(hù)通常以分布式方式執(zhí)行。保護(hù)要求時(shí)間短，一般為50ms；而恢復(fù)完成時(shí)間長(zhǎng)，一般要求在200ms或數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)。提高網(wǎng)絡(luò)生存性的方法之一是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)采用備份制或迂回路由制，如備份路由，備份端機(jī)等。生存性措施可以在網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)層次采取，但保護(hù)通常只在物理層（L1）進(jìn)行，物理層包括SDH層和光傳輸層?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮通常IP網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)需要幾分鐘的自愈恢復(fù)時(shí)間，如此低的切換速度會(huì)造成大量高速數(shù)據(jù)的丟失，無(wú)法滿足通信質(zhì)量的要求。ATM網(wǎng)絡(luò)使用了虛通道（VP）路由和分級(jí)通道復(fù)用技術(shù)，加入了操作、管理與維護(hù)（OAM）信元，采用了動(dòng)態(tài)帶寬分配、流量管理和調(diào)度技術(shù)，使得ATM層能夠有效、快速地為用戶服務(wù)，檢測(cè)出故障，使網(wǎng)絡(luò)的可靠性大大提高。SDH網(wǎng)絡(luò)采用線路保護(hù)方式和具有自愈功能的環(huán)網(wǎng)，與ATM層的恢復(fù)技術(shù)相比，其恢復(fù)速度更快。WDM網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分層的網(wǎng)絡(luò)，WDM的恢復(fù)方案有保護(hù)切換和OXC重選路由兩種。WDM的保護(hù)切換既可以在光通道層進(jìn)行，也可以在光復(fù)用段層實(shí)施，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)；OXC的重選路由在網(wǎng)狀拓?fù)涞墓馔ǖ缹訉?shí)現(xiàn)。9.1.1生存性定義和措施（緒）《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.1.2工作路徑和保護(hù)路徑工作路徑是網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行時(shí)攜帶信息的通道，保護(hù)路徑是在網(wǎng)絡(luò)失效時(shí)提供的另一條備份通道，如圖9.1.1a所示。保護(hù)有專(zhuān)用保護(hù)和共享保護(hù)之分，前者是為只為一個(gè)工作路徑備份的，而后者是為多個(gè)路徑共享的。共享保護(hù)是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即不可能多個(gè)路徑同時(shí)發(fā)生故障，這可以保證多個(gè)路徑共享備份路徑的帶寬，節(jié)省費(fèi)用。另外，通常給共享路徑安排一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，一旦有一條路徑發(fā)生故障，它就丟棄低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，替換故障路徑。保護(hù)路徑設(shè)計(jì)可以是不可逆的，也可以是可逆的。不可逆保護(hù)路徑設(shè)計(jì)是，當(dāng)工作路徑被修復(fù)后，必須由網(wǎng)絡(luò)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)切換；而可逆保護(hù)路徑設(shè)計(jì)是，一旦工作路徑被修復(fù)好，保護(hù)路徑上傳輸?shù)男盘?hào)就自動(dòng)切換到工作路徑上傳輸。這種可逆設(shè)計(jì)使保護(hù)帶寬盡可能快速釋放，以便為另一個(gè)工作路徑可能發(fā)生失效讓路?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.1.3單向保護(hù)切換和雙向保護(hù)切換（a）正常工作時(shí) （b）單向保護(hù)切換 （c）雙向保護(hù)切換圖9.1.1單向保護(hù)切換和雙向保護(hù)切換比較《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮圖9.1.2保護(hù)切換的種類(lèi)（a）正常工作路徑 （b）路徑切換（c）跨度切換（d）環(huán)狀切換

圖9.1.2保護(hù)切換的種類(lèi)《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.2SDH網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)如果SDH網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致局部甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，所以網(wǎng)絡(luò)必須具有自愈功能。所謂自愈功能是指，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠在無(wú)需人為干預(yù)的條件下，在極短的時(shí)間內(nèi)從失效狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到工作狀態(tài)，使用戶感覺(jué)不到網(wǎng)絡(luò)已出現(xiàn)了故障。要想使網(wǎng)絡(luò)具有自愈功能，網(wǎng)絡(luò)必須具有備份終端和路由。SDH的自愈保護(hù)分為線路保護(hù)切換、環(huán)路保護(hù)切換、格狀網(wǎng)保護(hù)恢復(fù)及混合保護(hù)恢復(fù)等方式《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.2.1路徑保護(hù)1+1保護(hù)保護(hù)路徑也熱備份(工作)；如果工作路徑失效，熱備份路徑對(duì)此保護(hù)；保護(hù)切換速度很快《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮1:1路徑保護(hù)如果工作路徑失效，保護(hù)路徑對(duì)此保護(hù)；平時(shí)，熱備份保護(hù)系統(tǒng)用來(lái)傳送低等級(jí)的額外業(yè)務(wù)。一旦發(fā)生切換，備份保護(hù)系統(tǒng)原來(lái)傳輸?shù)牡偷燃?jí)業(yè)務(wù)將自行丟失；需要APS協(xié)議，保護(hù)切換速度比1+1慢?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮1:n路徑保護(hù)

在幾條路徑中有一條用于保護(hù),即n條工作路徑共享一條保護(hù)路徑。平時(shí)，熱備份的保護(hù)系統(tǒng)可以用來(lái)傳送低等級(jí)的額外業(yè)務(wù)。一旦發(fā)生切換，則主用工作系統(tǒng)的信號(hào)將轉(zhuǎn)向備份保護(hù)系統(tǒng)傳輸，備份保護(hù)系統(tǒng)原來(lái)傳輸?shù)牡偷燃?jí)業(yè)務(wù)將自行丟失。《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮雙纖單向環(huán)路徑保護(hù)單向環(huán)由二根光纖構(gòu)成，一根為工作光纖，另一根為保護(hù)光纖。輸入的光信號(hào)同時(shí)在工作光纖和保護(hù)光纖傳輸。保護(hù)切換是用一個(gè)倒向開(kāi)關(guān)完成的。假如系統(tǒng)全部開(kāi)通容量可加倍《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮四纖雙向環(huán)路徑保護(hù)雙向環(huán)由四根光纖構(gòu)成，兩根為工作光纖，另兩根為保護(hù)光纖。輸入的光信號(hào)同時(shí)在工作光纖和保護(hù)光纖傳輸。保護(hù)切換是用一個(gè)倒向開(kāi)關(guān)完成的。假如系統(tǒng)全部開(kāi)通容量可加倍《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮1+1保護(hù)和1:n保護(hù)1+1保護(hù)時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)和工作系統(tǒng)在發(fā)送端同時(shí)一直工作，接收端則對(duì)收到的兩路信號(hào)進(jìn)行擇優(yōu)選取，如圖9.2.1（a）所示，在兩端之間不需要協(xié)議信號(hào)發(fā)送協(xié)議。應(yīng)該指出，因?yàn)檫B接是全雙工的，所以工作光纖和保護(hù)光纖各用一對(duì)光纖。1:n保護(hù)時(shí)，n個(gè)工作系統(tǒng)共用一個(gè)并列的保護(hù)系統(tǒng)，如圖9.2.1（c）所示。當(dāng)n個(gè)工作系統(tǒng)中有一個(gè)失效時(shí)，STMN信號(hào)可以切換至保護(hù)路徑傳輸。平時(shí)，不使用保護(hù)光纖，所以保護(hù)系統(tǒng)可以用來(lái)傳送低等級(jí)的額外業(yè)務(wù)。一旦發(fā)生切換，則主用工作系統(tǒng)的信號(hào)將轉(zhuǎn)向備份保護(hù)系統(tǒng)傳輸，備份保護(hù)系統(tǒng)原來(lái)傳輸?shù)牡偷燃?jí)業(yè)務(wù)將自行丟失?，F(xiàn)在這種應(yīng)用已經(jīng)不常使用，不過(guò)可以用于盡力而為的IP業(yè)務(wù)。在這種保護(hù)方式中，信號(hào)發(fā)送需要一個(gè)自動(dòng)保護(hù)切換（APS）協(xié)議。《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.2.2環(huán)路保護(hù)

工作正常時(shí)，A節(jié)點(diǎn)的輸入信號(hào)經(jīng)光纖1到節(jié)點(diǎn)B，然后再到節(jié)點(diǎn)C的輸出端；當(dāng)BC間路徑失效后，A節(jié)點(diǎn)的輸入信號(hào)切換到光纖2，經(jīng)光纖2到節(jié)點(diǎn)E和D到節(jié)點(diǎn)C的輸出端?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮（b）復(fù)用段保護(hù)

當(dāng)BC段失效后，B節(jié)點(diǎn)將失效段環(huán)回（用紅色線表示），輸入信號(hào)經(jīng)光纖2返回到節(jié)點(diǎn)A，經(jīng)節(jié)點(diǎn)E和D到節(jié)點(diǎn)C的輸出端。《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮圖9.2.3SDH分插復(fù)用器（ADM）

單向環(huán)路徑保護(hù)（a）AC間正常工作時(shí)（保護(hù)環(huán)電流方向沒(méi)有畫(huà)出）（b）AD間被切斷，保護(hù)切換后AC間的信號(hào)流方向《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.2.3路由保護(hù)

圖9.2.4表示一個(gè)46曼哈頓街區(qū)網(wǎng)絡(luò)（MSN），它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的格狀形網(wǎng)絡(luò)，由N行M列組成，行與列相交處為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)由單向通信線路連接而成。假如01號(hào)節(jié)點(diǎn)和02號(hào)的路徑斷裂，它們之間就無(wú)法進(jìn)行通信，為此01號(hào)節(jié)點(diǎn)可以選擇紅色的路由，分別通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后到達(dá)02號(hào)節(jié)點(diǎn)，其路由是0131303534333202?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.2.4保護(hù)切換準(zhǔn)則保護(hù)切換準(zhǔn)則是當(dāng)出現(xiàn)下列3種情況時(shí)進(jìn)行切換：第一種是當(dāng)光纜線路系統(tǒng)出現(xiàn)告警指示信號(hào)時(shí)（如信號(hào)丟失、幀丟失、高階/低階通道告警），第二種是超過(guò)規(guī)定的誤碼極限或閾值時(shí)，第三種是指針丟失時(shí)。一旦檢測(cè)到符合開(kāi)始切換的條件后，保護(hù)切換應(yīng)該在50ms內(nèi)完成，且不能產(chǎn)生誤碼。完成切換后應(yīng)向同步設(shè)備管理系統(tǒng)報(bào)告保護(hù)切換事件。在可逆方式下，當(dāng)失效工作系統(tǒng)已經(jīng)從故障狀態(tài)中恢復(fù)時(shí)，必須至少等待5～12分鐘后才能被重新使用?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.3IP網(wǎng)絡(luò)的生存性IP網(wǎng)絡(luò)故障的恢復(fù)很慢，約需幾秒鐘的時(shí)間，這是由它的本質(zhì)決定的，即基于一跳一跳（HopbyHop）的分布式動(dòng)態(tài)路由選擇機(jī)理。IP包的保護(hù)與在IP層失效后在第一時(shí)間就能檢測(cè)到這一失效事件有關(guān)。在默認(rèn)狀態(tài)，路由器每10秒發(fā)送一次問(wèn)候信息。如果連續(xù)3次都沒(méi)有收到發(fā)去的數(shù)據(jù)包，則表明這條鏈路失效。這樣，路由器每30秒才可以檢測(cè)到一個(gè)失效。為了縮短發(fā)現(xiàn)失效路徑的時(shí)間，目前最小的時(shí)間間隔規(guī)定為1秒鐘，這樣路由器就可以約在10秒內(nèi)檢測(cè)到失效?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.3.1IP/MPLS備用通道恢復(fù)圖9.3.1基于MPLS的IP網(wǎng)絡(luò)的旁路保護(hù)方式MPLS在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間預(yù)先安排2條標(biāo)記交換通道（LSP），當(dāng)1條失效時(shí)，可以馬上切換到備用LSP。也可以使用一條預(yù)先建立的LSP，保護(hù)一條或多條LSP。

《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.3.2IP/MPLS的LSP通道保護(hù)（a）正常工作狀態(tài)下，使用工作LSP（b）工作LSP發(fā)生故障，切換到保護(hù)LSP

圖9.3.2IP/MPLSLSP1+1保護(hù)《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮圖9.3.3IP/MPLSLSP1:1保護(hù)（a）正常工作狀態(tài)下，使用工作LSP（b）工作LSP發(fā)生故障，切換到保護(hù)LSP1:1路徑保護(hù)可以擴(kuò)展為M:N保護(hù)，即M條工作路徑對(duì)應(yīng)N條保護(hù)路徑。在正常工作時(shí)，分配給保護(hù)路徑的資源可以由低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)使用。此外，如果若干條工作路徑?jīng)]有共同的路徑和節(jié)點(diǎn)，這就意味著它們同時(shí)出現(xiàn)故障的可能性很小，那么它們可以共享一條保護(hù)路徑?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.4光學(xué)層保護(hù)9.4.1光學(xué)層保護(hù)技術(shù)9.4.21+1光信道專(zhuān)用保護(hù)9.4.3格狀網(wǎng)的保護(hù)9.4.4WDM網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、生存和互連《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.4.1光學(xué)層保護(hù)技術(shù)

（a）IP層保護(hù)（b）光學(xué)層保護(hù)圖9.4.1a表示工作線路和保護(hù)線路各用一套設(shè)備和線路的情況，在這種情況下，光學(xué)層不提供保護(hù)。圖9.4.1b表示的網(wǎng)絡(luò)與前者具有同樣的功能，路由器一個(gè)端口的失效同樣用保護(hù)端口來(lái)替換，但光纖斷裂的保護(hù)卻由光學(xué)層實(shí)現(xiàn)?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮圖9.4.2SDH環(huán)的光學(xué)層保護(hù)（a）正常工作時(shí) （b）光纖斷裂，重新進(jìn)行路由選擇《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.4.21+1光信道專(zhuān)用保護(hù)用戶光信號(hào)在輸入端被分成兩束光，分別送到工作光纖和保護(hù)光纖用的波分復(fù)用器輸入端，合路信號(hào)分別經(jīng)工作光纖和保護(hù)光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端，經(jīng)波分解復(fù)用后分別送到光開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)比較經(jīng)工作光纖和保護(hù)光纖傳輸后的信號(hào)質(zhì)量，選擇質(zhì)量較好的那路信號(hào)送入轉(zhuǎn)發(fā)器?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.4.3格狀網(wǎng)的保護(hù)（a）環(huán)形網(wǎng)路徑保護(hù) （b）格狀網(wǎng)共用備用路徑保護(hù)《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.4.4WDM網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、生存和互連波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)能夠直接在光層上提供通信網(wǎng)絡(luò)的生存能力。它通過(guò)OXC和OADM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)信道的動(dòng)態(tài)重構(gòu)功能，使網(wǎng)絡(luò)資源得到最有效的利用。因此，在網(wǎng)絡(luò)的各種生存性技術(shù)中，光層生存性技術(shù)具有響應(yīng)快、簡(jiǎn)單高效靈活的特點(diǎn)，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。許多高速和寬帶系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就必須采取許多保護(hù)措施。這些措施可以在輸入級(jí)采用，如進(jìn)行1+1或1:N設(shè)備保護(hù)，也可以進(jìn)行波長(zhǎng)、光纖和節(jié)點(diǎn)備份。

《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮圖9.4.5雙環(huán)DWDM網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和生存性

《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.5ASON網(wǎng)絡(luò)的生存性在8.5節(jié)已介紹了自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON），從中我們知道，ASON引入了控制平面，提高了光網(wǎng)絡(luò)的智能化程度。另外，由于控制平面的引入，也改變了傳統(tǒng)光傳輸網(wǎng)絡(luò)生存性機(jī)制不靈活、資源利用率不高的現(xiàn)狀。ASON從IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)中借鑒了優(yōu)秀的生存性機(jī)制，通過(guò)智能化的控制平面為光網(wǎng)絡(luò)引入了快速重選路由等多種新的保護(hù)和恢復(fù)方式。

《光纖通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.5.1ASON網(wǎng)絡(luò)生存性新特點(diǎn)在傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)中，其生存性是由管理平面在初始配置以后靠其自身來(lái)實(shí)施保證的，即生存性實(shí)施信令和業(yè)務(wù)同時(shí)一起傳送。而在ASON中，傳輸層的生存性在管理平面配置以后，具體實(shí)施是由控制平面來(lái)保證的?？刂破矫婧蛡鬏斊矫孢壿嬌贤耆?dú)立，在物理上可以分屬于兩個(gè)不同的物理網(wǎng)絡(luò)，也可以為同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)。不過(guò)網(wǎng)絡(luò)的控制平面和傳輸平面對(duì)應(yīng)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)，比對(duì)應(yīng)同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)其生存性要高。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)，信令與信號(hào)隨路傳輸，所以傳輸平面的生存性其實(shí)是由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和算法機(jī)制決定的。而在ASON中，傳輸平面的生存性不僅取決于自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和算法，而且還取決于控制網(wǎng)絡(luò)的控制，所以控制網(wǎng)絡(luò)自身應(yīng)該具有更高的生存性。但是控制網(wǎng)絡(luò)本身就是一個(gè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（DCN），其自身的生存性沒(méi)有其他層次的網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證，必須自身保證自身的生存性?！豆饫w通信簡(jiǎn)明教程》原榮9.5.2基于控制平面的保護(hù)基于控制平面的保護(hù)發(fā)生在控制平面保護(hù)域的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間，出現(xiàn)故障的時(shí)候，保護(hù)不涉及備用路由，僅僅涉及源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的連接控制器。傳統(tǒng)的生存性控制策略，如自愈控制算法，主要采用基于網(wǎng)管的集中式管理和配置策略，無(wú)需DXC之間進(jìn)行通信，因而不同廠家設(shè)備間的兼容性比較容易實(shí)現(xiàn)。然而，基于TMN的動(dòng)態(tài)恢復(fù)，由于TMN數(shù)據(jù)庫(kù)在故障發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況的不同步，因此會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)速度慢。而基于ASON控制平面的保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)基于信令控制的光網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)策略，實(shí)現(xiàn)分布式恢復(fù)功能。這種機(jī)制可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，使恢復(fù)路徑的計(jì)算更加準(zhǔn)確；而且，路由計(jì)算和相應(yīng)的連接建立在網(wǎng)絡(luò)中斷故障路徑的所有邊界網(wǎng)元上，這使得故障業(yè)務(wù)的恢復(fù)可以在以秒計(jì)算的量級(jí)內(nèi)完成，而不是像基于TMN的動(dòng)態(tài)恢復(fù)在幾分鐘內(nèi)完成。可以采用1+1端對(duì)端路徑保護(hù)、1:1或M:N端對(duì)端