光網(wǎng)絡生存性技術及其進展

張學梅

(山西廣播電影電視學校，山西太原 030012)

0 引言

近年來，光傳輸網(wǎng)絡有了長足的進步，無論是從光傳輸技術還是光傳輸網(wǎng)絡的部署和應用都日趨成熟。光網(wǎng)絡所攜帶的超大容量信息，考慮到通信中斷將會帶來的巨大經(jīng)濟損失和對社會所造成的嚴重影響，健壯的光網(wǎng)絡生存性必定為電信運營商和設備制造商所追求，更是網(wǎng)絡設計者必須首先考慮的問題。對光網(wǎng)絡生存性有所影響的因素一般可分為硬件和軟件兩個方面。從硬件和軟件兩方面來改善的方法都是側重于提高網(wǎng)絡單元的可靠性，從而改善網(wǎng)絡的生存性，這是未雨綢繆、防犯于未然的方法。但一旦網(wǎng)絡出現(xiàn)了故障，上述的方法顯然起不了作用，因此網(wǎng)絡生存性技術便呼之而出。

生存性對于光網(wǎng)絡的重要性現(xiàn)在己經(jīng)得到業(yè)界的廣泛重視，在光網(wǎng)絡快速發(fā)展的今天，研究光網(wǎng)絡的生存性技術，提出實用化的解決方法，已經(jīng)成為發(fā)展和建設光網(wǎng)絡必須解決的一個關鍵問題。

1 光網(wǎng)絡生存性技術

網(wǎng)絡的生存性定義為網(wǎng)絡抵制故障業(yè)務中斷或干擾的能力。本節(jié)主要從網(wǎng)絡生存性策略、各層網(wǎng)絡的生存性兩個方面概述各種網(wǎng)絡的生存性技術。

1.1 網(wǎng)絡生存性策略一保護和恢復

光網(wǎng)絡生存性的問題是隨著光網(wǎng)絡的發(fā)展而發(fā)展的，從最初的點對點網(wǎng)絡所采用的保護切換到環(huán)形網(wǎng)所采用的自愈環(huán)技術直至現(xiàn)在的網(wǎng)孔網(wǎng)所采用的快速重構恢復技術，網(wǎng)絡拓撲結構的日益復雜，客觀上也使得網(wǎng)絡生存性的解決方案變得更為靈活。盡管生存性技術多樣，但是它始終都是以最基本的技術為基礎，這就是網(wǎng)絡保護和恢復。

保護和恢復均是在網(wǎng)絡故障條件下，使受損的業(yè)務得以重新運行的具體措施。兩者均是需要重新選擇其他路由來代替故障路由。

保護是指利用節(jié)點間預先分配的容量實施網(wǎng)絡保護。保護往往處于本地網(wǎng)元或遠端網(wǎng)元的控制下，無需外部網(wǎng)管系統(tǒng)的介入，保護倒換時間很短，但備用資源無法在網(wǎng)絡范圍內共享，資源利用率低。保護對拓撲結構沒有過于嚴格的要求，保護既可以是針對資源的(物理層)也可以針對業(yè)務層進行。

恢復則通常利用節(jié)點之間可用的任何容量，還需要準確地知道故障點的位置，其實質是在網(wǎng)絡中尋找失效路由的替代路由，因而恢復算法與網(wǎng)絡選路算法相同。恢復通常適用于網(wǎng)狀拓撲，能最佳地利用網(wǎng)絡資源，恢復通常采用集中控制方式，但恢復倒換需要由外部網(wǎng)絡操作系統(tǒng)控制，具有相對較長的計算時間?；謴椭饕轻槍I(yè)務層來實現(xiàn)的。

為提高網(wǎng)絡的生存性，往往采用保護和恢復折中的辦法，即既要保證故障情況下的時效性，同時又要保證網(wǎng)絡資源的合理化利用，這就變成了以網(wǎng)絡生存性為約束條件的資源優(yōu)化的問題，由于網(wǎng)絡優(yōu)化的參數(shù)很多，所以這會有很多的方案。在大型網(wǎng)絡中，需要兩種方案協(xié)同操作，共同來提高網(wǎng)絡的生存性。

1.2 各層網(wǎng)絡的生存性

在不同技術的網(wǎng)絡中通常都有自己相對獨立的生存性技術。其中，IP、ATM、SDH和WDM網(wǎng)絡中的生存性技術是當前幾種具有代表性的生存性技術:

(1)IP網(wǎng)絡的生存性

在IP網(wǎng)絡中能夠恢復多種故障類型的業(yè)務，對業(yè)務的操作力度也很小，但在IP層的重選路由恢復方式速度較慢，無法在故障出現(xiàn)時進行快速的恢復。目前，在IP層中融入了多協(xié)議標簽交換MPLS技術，使得在IP網(wǎng)絡中同樣能提供面向連接且有QoS保證的業(yè)務。通常情況下，動態(tài)的重選路由方案的恢復時間長，但網(wǎng)絡資源的利用率高;而MPLS保護倒換方案的保護時間短，且對業(yè)務的恢復性能有一定的保障。

(2)ATM網(wǎng)絡的生存性

基于VP的ATM層具有強大的生存能力。VP路由和容量管理的獨立性以及分級的通道復用導致了ATM網(wǎng)絡的兩個重要特性:動態(tài)容量分配和適應性網(wǎng)絡重構，兩者均可應用于ATM層的恢復技術中，再加上OAM信元的應用，使得ATM層更能有效、快速地檢測軟故障。

(3)SDH網(wǎng)絡的生存性

SDH和WDM光網(wǎng)絡都是面向連接的復用網(wǎng)絡。SDH是基于同步數(shù)字復用的，而WDM是基于波長復用。SDH網(wǎng)絡中的生存性技術可分為保護倒換和恢復方案。其中，自動保護倒換(APS)和自愈環(huán)(SHR)是SDH網(wǎng)絡中最常用的保護方法。

自動保護倒換(APS)技術典型的被用于鏈路故障的恢復。它主要包括1+1、1∶1和M∶N三種方式。這三種保護方式的不同在于分配不同的保護資源。在1+1的方式下，工作通道和保護通道上均傳送業(yè)務，接收端比較兩個信號的質量并接收更好的信號，即所謂的“并發(fā)優(yōu)收”機制;在1∶1的方式下，信號由工作通道傳送，當接收端信號質量劣化時，信號倒換到保護通道中傳送。此時，需要APS信令協(xié)助工作通道切換到保護通道;在從M∶N的APS中，N條工作通道共享M條保護通道。

自愈環(huán)(SHR)是一種非常成功的網(wǎng)絡生存性技術，它比APS具有更靈活的特點，可以處理節(jié)點故障和鏈路故障，其基本原理是使網(wǎng)絡具備發(fā)現(xiàn)替代傳輸路由并重新建立通信的能力。在自愈環(huán)保護方式中，主要分為兩纖單向通道倒換環(huán)、兩纖雙向線路倒換環(huán)和四纖雙向線路倒換環(huán)。

在SDH網(wǎng)絡中，保護和動態(tài)恢復方案是否優(yōu)劣要取決于網(wǎng)絡的拓撲。目前，基于SDH的傳輸通信網(wǎng)絡中大多使用保護方案。

(4)WDM網(wǎng)絡的生存性

在光網(wǎng)絡中，光層的保護和恢復主要發(fā)生在WDM層。光層的保護和恢復技術又可分為:光通道層和光復用段層保護/恢復技術。光通道保護/恢復技術是針對每個通道的，也就是我們通常所說的基于波長通道的保護/恢復。當發(fā)生故障時，光網(wǎng)絡為受影響的故障波長通道分配一條完整的(通常是鏈路無關的)保護/恢復波長通道來恢復故障信道;光復用段保護恢復技術是針對復用段層的，即我們通常所說的基于鏈路的保護恢復。當發(fā)生故障時，光網(wǎng)絡為受故障鏈路上的業(yè)務尋找替代路由來恢復故障鏈路上的所有業(yè)務。

WDM光層恢復路由算法的作用是為需要恢復的業(yè)務動態(tài)地尋找一條替代路由，其恢復路由可基于故障后的最短路徑優(yōu)先選取。

2 光網(wǎng)絡生存性研究的進展

近年來，網(wǎng)絡技術的發(fā)展對網(wǎng)絡生存性提出了新的要求，主要體現(xiàn)在:

巨大的傳輸容量使得網(wǎng)絡的生存性問題更為突出。特別是WDM(波分復用)技術的商用化，單纖可以支持Tb/s的業(yè)務速率。這樣巨大的傳輸容量，使得網(wǎng)絡一旦失效，將造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

多層網(wǎng)絡的發(fā)展，帶來了新的生存性技術課題。目前的傳輸網(wǎng)集成了各種不同的傳輸技術以完成各自的功能，即由包括IP、ATM、SDH和WDM各層的技術組成了一個多層的傳輸網(wǎng)絡。網(wǎng)絡每層都有各自的生存性技術，怎么樣充分利用不同技術及其相應生存性方案的長處，取得比單層的生存性技術更經(jīng)濟、更好的服務質量就是多層網(wǎng)絡生存性機制所要解決的問題。

網(wǎng)絡生存性技術的研究開始于1987年，一直是傳送網(wǎng)研究的重點。目前，對于單層網(wǎng)絡的生存性已有大量研究，也發(fā)表了很多文獻。國際電信聯(lián)盟已制定了有關同步數(shù)字系列自愈環(huán)結構標準的 G.841和環(huán)間互連標準 G.842。SDH自愈環(huán)的成功，對WDM光傳送網(wǎng)生存性的研究產(chǎn)生了積極作用。澳大利亞Melbourne大學Grover教授領導的生存性研究小組在基于光環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)的生存性方面做了相當多的工作，提出P環(huán)，虛保護環(huán)等許多新的觀念。在網(wǎng)狀光網(wǎng)絡生存性的研究上，S.Ramamurthy等人給出了靜態(tài)業(yè)務條件下幾種保護機制的ILP模型。G.Mohan等人提出了動態(tài)環(huán)境下，建立工作和保護通路的方案。研究成果主要集中在針對某一網(wǎng)絡技術(IP，SDH，ATM，DWDM)的某一網(wǎng)絡結構(環(huán)網(wǎng)，MESH網(wǎng))的保護恢復策略和算法上面。

在多層網(wǎng)絡的環(huán)境中，僅僅利用單層的網(wǎng)絡生存性技術難以在多層網(wǎng)絡中獲得滿意的故障恢復效果，因此在這樣的網(wǎng)絡中需要引入新的解決方案。隸屬于歐洲高級通信技術和業(yè)務計劃的AC205/PANEL項目組提出了多層網(wǎng)絡恢復模型，提高了多層網(wǎng)絡整體生存性能。美國國防部高級研究計劃局DARPA-Defense也在資助相關問題的研究。例如:異構、多層網(wǎng)絡環(huán)境下的網(wǎng)絡生存性問題，綜合控制策略建立問題，上層網(wǎng)絡有效地映射到下層網(wǎng)絡以增強網(wǎng)絡的抗毀能力的問題，多點故障的相關問題，IP網(wǎng)絡生存性等問題。ITU-TSG13組已將此問題作一個研究課題而開始專門進行研究，目前網(wǎng)絡的一個研究熱點ASON，其研究內容也包括了多層網(wǎng)絡生存性的問題。對于多層網(wǎng)絡情況下的生存性研究在國內外仍剛開始，并且尚未標準化，其中有許多問題還有待進一步探討和研究。

3 小結

本文主要對光網(wǎng)絡的技術從協(xié)議層這個角度分類，對各層生存性技術作了介紹，以及概括了網(wǎng)絡生存性的進展。光網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，必定使光網(wǎng)絡的生存性技術也相應的向前發(fā)展。由組建自動交換光網(wǎng)絡ASON的呼聲、建設多層的交換光網(wǎng)絡的建議逐漸見于報端這樣與之相關的各種生存性技術就先后出臺。如何實現(xiàn)有效率的網(wǎng)絡保護和恢復，如何實現(xiàn)快速的恢復算法，始終是光網(wǎng)絡生存性技術發(fā)展的重點。

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