城域光網(wǎng)絡(luò)中一種雙歸屬保護(hù)方案及實現(xiàn)

孫 捷，李連濤，姚 堯，曹 睿（成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院，成都610225）

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城域光網(wǎng)絡(luò)中一種雙歸屬保護(hù)方案及實現(xiàn)

孫 捷，李連濤，姚 堯，曹 睿
（成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院，成都610225）

摘要：分析了城域光網(wǎng)絡(luò)中接入環(huán)和匯聚環(huán)之間現(xiàn)有的互聯(lián)方式及存在的不足，提出了一種新穎的接入環(huán)和匯聚環(huán)互聯(lián)的雙歸屬保護(hù)方案，分析了該方案的優(yōu)缺點，給出了該方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接、詳細(xì)的工作原理、雙歸屬A PS協(xié)議包格式和雙歸屬A PS方案的實現(xiàn)框圖。

關(guān)鍵詞：城域光網(wǎng)絡(luò)；雙歸屬保護(hù)；自動保護(hù)倒換協(xié)議數(shù)據(jù)單元；連續(xù)性檢測消息；等待回復(fù)

0　引言

城域光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)層次一般分為兩層，分別是接入層、匯聚層，有的地區(qū)根據(jù)地域規(guī)模還有核心層［1］。接入層和匯聚層一般都是環(huán)狀物理拓?fù)涞慕尤氕h(huán)和匯聚環(huán)，而且隨著城域光網(wǎng)絡(luò)的全分組化和IP化轉(zhuǎn)型趨勢以及移動回程應(yīng)用的爆發(fā)性增長，接入層和匯聚層普遍采用了基于分組的PTN網(wǎng)絡(luò)及TMPLS/MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［2］，接入環(huán)和匯聚環(huán)之間的互聯(lián)及保護(hù)成為城域光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中一種必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

雙節(jié)點環(huán)互聯(lián)保護(hù)是一種效果較好且實際應(yīng)用較多的接入環(huán)和匯聚環(huán)互聯(lián)方式，由于接入環(huán)和匯聚環(huán)的環(huán)保護(hù)協(xié)議要協(xié)同工作，一般只適用于接入環(huán)和匯聚環(huán)是同種網(wǎng)絡(luò)的情況：比如接入環(huán)和匯聚環(huán)都是PTN MPLS-TP環(huán)網(wǎng)或都是以太ERP環(huán)網(wǎng)，而且互聯(lián)節(jié)點實現(xiàn)較復(fù)雜；如果接入環(huán)和匯聚環(huán)是不同種類的網(wǎng)絡(luò)，比如接入環(huán)是PTN MPLS-TP環(huán)網(wǎng)而匯聚環(huán)是以太ERP環(huán)網(wǎng)或OTN網(wǎng)絡(luò)，由于不同種類網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)協(xié)議格式及具體協(xié)議行為不同，協(xié)議無法互通而無法實現(xiàn)雙節(jié)點雙環(huán)保護(hù)。因此，本文就此問題提出了一種雙歸屬保護(hù)解決方案。

1　接入和匯聚環(huán)互聯(lián)的雙歸屬保護(hù)方案

1.1雙歸屬保護(hù)方案

保護(hù)倒換包括線性保護(hù)倒換（1∶1保護(hù)倒換或1+1保護(hù)倒換）和環(huán)保護(hù)倒換。ITU-T G.8031和G.8131規(guī)范了1∶1保護(hù)，基本原理是在系統(tǒng)中配置一個工作通道和一個保護(hù)通道，客戶業(yè)務(wù)在工作通道上傳輸，保護(hù)通道不傳業(yè)務(wù)。工作通道出故障時，客戶業(yè)務(wù)倒換到保護(hù)通道上傳輸［3］。ITU-T G.8032規(guī)范了以太網(wǎng)環(huán)保護(hù)，基本原理是指在系統(tǒng)中配置一個環(huán)保護(hù)鏈路（RPL），正常情況下RPL處于阻塞狀態(tài)，以防止業(yè)務(wù)成環(huán)。當(dāng)環(huán)上出現(xiàn)故障時，RPL則處于連通狀態(tài)，讓東/西向受故障影響的業(yè)務(wù)可以倒換到西/東向鏈路上傳輸［4］。

圖1　雙歸屬保護(hù)方案網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本文研究了ITU-T G.8131 T-MPLS線性保護(hù)和G.8032以太網(wǎng)環(huán)保護(hù)的的工作原理，并借鑒移動回傳網(wǎng)絡(luò)中的雙歸屬（dual-homing）概念，提出一種接入和匯聚環(huán)互聯(lián)的新穎的雙歸屬保護(hù)方案。該方案將MPLS-TP的1∶1隧道保護(hù)和以太網(wǎng)環(huán)保護(hù)ERP相結(jié)合，因信號失效（SF）或信號劣化（SD）故障造成的數(shù)據(jù)丟失時間可以小于50ms。

雙歸屬保護(hù)方案如圖1所示，接入環(huán)上聯(lián)節(jié)點NodeA配置兩個上聯(lián)端口：主端口和備端口，通過兩條獨立的上聯(lián)鏈路 （主鏈路Main-Link和備鏈路Spare-Link）連接到匯聚環(huán)的兩個下聯(lián)節(jié)點NodeB和NodeC上。在接入環(huán)上聯(lián)節(jié)點上除了正常配置有接入環(huán)的環(huán)保護(hù)外，還在Main-Link和Spare-Link之間配置雙歸屬保護(hù)；在NodeB和NodeC上，只配置了匯聚環(huán)的環(huán)保護(hù)，不用為雙歸屬保護(hù)做額外配置。這是本方案的優(yōu)點，即只需在接入環(huán)上聯(lián)節(jié)點NodeA上實現(xiàn)雙歸屬保護(hù)，匯聚環(huán)下聯(lián)節(jié)點NodeB和NodeC按照自身正常的匯聚環(huán)保護(hù)工作，無需為實現(xiàn)雙歸屬保護(hù)提供額外功能。

這種雙歸屬保護(hù)方案相較于鏈路聚合保護(hù)方式，不僅可以處理上聯(lián)鏈路故障，還可以處理下聯(lián)節(jié)點故障，且倒換時間優(yōu)于鏈路聚合方式。相較于雙節(jié)點環(huán)互聯(lián)保護(hù)方式，不僅適用于接入環(huán)和匯聚環(huán)是不同種類的網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)保護(hù)，而且上、下聯(lián)節(jié)點實現(xiàn)較為簡單。特別對于匯聚環(huán)下聯(lián)節(jié)點，無需額外的保護(hù)配置。雙歸屬保護(hù)方案的一個缺點是無法處理接入環(huán)上聯(lián)節(jié)點NodeA故障，不過這個缺點可以通過配置板卡級的設(shè)備保護(hù)來解決（即把上聯(lián)節(jié)點的主端口和備端口配置在兩個接口板卡上，在這兩個接口板卡上配置板卡級的設(shè)備保護(hù)，這樣雙歸屬保護(hù)方案就可以處理NodeA的板卡和上聯(lián)端口SFP的物理故障），可以部分減少雙歸屬保護(hù)方案這個缺點的實際影響。

1.2雙歸屬保護(hù)APSPDU協(xié)議包格式

圖2　雙歸屬保護(hù)APSPDU包格式

雙歸屬保護(hù)方案的自動保護(hù)倒換協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APSPDU）包格式如圖2所示。雙歸屬APS協(xié)議包借用了G.8032中環(huán)保護(hù)R-APS協(xié)議包格式，目的MAC地址使用固定多播地址01-19-A7-00-00-01。源MAC地址根據(jù)APS包從主端口或備端口發(fā)送，分別使用主端口或備端口的MAC地址，包類型EtherType=0x8902表示以太網(wǎng)OAM包。

在雙歸屬APSPDU中維護(hù)實體級別MEL，即端口上使能快速 CCM時配置 MEP的 MEL。version= 0b00000，表示ERP版本為1。OpCode=40（0x28）表示是環(huán)保護(hù)的R-APS包。在雙歸屬APS特定信息域中，Node ID是節(jié)點的MAC地址，Sub-Code固定為0。另外R-APS特定信息域中有兩個對本方案很關(guān)鍵的字段：即請求/狀態(tài)域Request/Status和MAC地址刷新控制域DNF。當(dāng)請求/狀態(tài)域Request/Status=0b1011時，表示環(huán)上有信號失效；當(dāng)MAC地址刷新控制域DNF= 0時，表示收到該R-APS的節(jié)點需要進(jìn)行MAC地址的刷新。

如果匯聚環(huán)是PTN網(wǎng)絡(luò)，雙歸屬APS協(xié)議包前面還應(yīng)加上MPLS包頭。

1.3雙歸屬保護(hù)倒換原理及過程

雙歸屬保護(hù)方案支持鏈路故障自動倒換以及根據(jù)用戶命令做主動倒換。自動倒換中一般靠3.3ms快速CCM檢測鏈路故障，單向或雙向故障都可以觸發(fā)自動倒換。命令倒換支持LockOut（鎖定主鏈路命令，工作通道鎖定在主鏈路Main-Link上，即使Main-Link有鏈路故障）、Force（強(qiáng)制備鏈路工作命令，工作通道鎖定在備鏈路Spare-Link上，即使Spare-Link有鏈路故障）、Manual to Spare（在備鏈路Spare-Link沒有故障時手動倒換到備鏈路）、Manual to Main（在主鏈路Main-Link沒有故障時手動倒換到主鏈路）和Clear（清除保護(hù)組上的倒換命令）。

當(dāng)在同一個保護(hù)組中自動倒換條件和命令倒換同時存在時，狀態(tài)機(jī)會根據(jù)最高優(yōu)先級的請求來做決定。優(yōu)先級從高到低排列如下：LockOut＞Force＞自動倒換＞Manual to Main＞Manual to Spare。

下面詳述本雙歸屬倒換方案在自動倒換和命令倒換時的工作原理和倒換過程。

①上聯(lián)鏈路故障自動倒換。上聯(lián)鏈路發(fā)生故障時，NodeA的快速CCM模塊會檢測到故障并在故障鏈路連接的端口上產(chǎn)生LOC（連接丟失）告警。NodeA判斷故障是否在當(dāng)前工作鏈路上，如果不在，不進(jìn)行任何動作；如果故障在當(dāng)前工作鏈路上，NodeA的FPGA會第一時間以最快的速度在沒有故障的鏈路上連續(xù)發(fā)3幀雙歸屬APS協(xié)議包，將鏈路故障通知到遠(yuǎn)端的NodeB或NodeC網(wǎng)元。這樣即使有一個或兩個APS包丟失，對系統(tǒng)也沒有影響。為達(dá)到50ms的保護(hù)倒換時間，這3幀APS協(xié)議包時間間隔可以設(shè)為3.3ms，與快速CCM的包發(fā)送時間間隔一致。然后，NodeA在發(fā)送APS包的同時會觸發(fā)雙歸屬倒換，把開關(guān)倒換到備用鏈路上，即接入環(huán)上行數(shù)據(jù)發(fā)到備用鏈路上，同時從備用鏈路接收匯聚環(huán)下行數(shù)據(jù)。

由于雙歸屬APS協(xié)議包借用了環(huán)APS包格式，且NodeB和 NodeC上并未配置雙歸屬保護(hù)，因此NodeB或NodeC收到NodeA發(fā)送的雙歸屬APS協(xié)議包后，會將其作為普通的環(huán)保護(hù)APS協(xié)議包進(jìn)行處理。由于雙歸屬APS協(xié)議包中Request/Status=1011（SF）且DNF=0，NodeB或NodeC收到這個編碼組合的APS協(xié)議包，即認(rèn)為匯聚環(huán)有信號失效告警且需要地址刷新，NodeB或NodeC就執(zhí)行地址刷新動作，強(qiáng)制重新進(jìn)行地址學(xué)習(xí)，并通告匯聚環(huán)上其它節(jié)點。因為NodeA已經(jīng)把接入環(huán)上行數(shù)據(jù)發(fā)到備用鏈路上，因此匯聚環(huán)就從備鏈路上學(xué)習(xí)到了接入環(huán)的地址，這樣匯聚環(huán)發(fā)往接入環(huán)的業(yè)務(wù)也會從備鏈路發(fā)送出去，完成雙向業(yè)務(wù)倒換。

②下聯(lián)節(jié)點故障自動倒換。下聯(lián)節(jié)點NodeB或NodeC故障時，由于下聯(lián)節(jié)點故障無法發(fā)送CCM包，NodeA在對應(yīng)的上聯(lián)端口上也會產(chǎn)生LOC告警，其后續(xù)自動倒換行為類似上聯(lián)鏈路故障。

③命令倒換。此時沒有LOC告警，但收到主動倒換命令后也會進(jìn)行倒換。倒換原理和過程與自動倒換類似，但雙歸屬APS協(xié)議包總是在倒換前的工作通道上發(fā)送。

環(huán)保護(hù)中，即使保護(hù)狀態(tài)沒有變化，也要每5s發(fā)送一次APS協(xié)議包。雙歸屬保護(hù)中，在保護(hù)狀態(tài)沒有變化期間不發(fā)送雙歸屬APS協(xié)議包，這樣既簡化了本方案的復(fù)雜性，也可以防止匯聚環(huán)的額外多余倒換。

雙歸屬倒換還支持可恢復(fù)Revertive和不可恢復(fù)not-Revertive兩種模式。Revertive模式在主鏈路故障時倒換到備鏈路，在主鏈路故障消失后，則會再倒換回主鏈路。為防止主鏈路在恢復(fù)過程中鏈路狀態(tài)時好時壞導(dǎo)致CCM告警不穩(wěn)定，造成保護(hù)組頻繁倒換，會設(shè)置一個等待恢復(fù)時間（WTR）；在主鏈路故障消失后不是馬上倒回主鏈路，也不發(fā)送雙歸屬APS包，而是啟動WTR timer進(jìn)行等待，只有在這個時間段內(nèi)主鏈路一直沒有故障，WTR timer時間到后才倒回主鏈路，并同時在備鏈路上連發(fā)3幀雙歸屬APS協(xié)議包。WTR時間一般是5min。not-Revertive模式在主鏈路故障消失后仍然工作在備鏈路上，不再倒換回主鏈路。not-Revertive模式可以減少一次倒換，一般用于主備鏈路質(zhì)量相近情況下。如果主鏈路質(zhì)量比備鏈路好，可以使用Revertive模式。

圖3　雙歸屬保護(hù)實現(xiàn)框圖

2　雙歸屬保護(hù)方案的實現(xiàn)框圖

雙歸屬保護(hù)方案的實現(xiàn)框圖如圖3所示。在接入環(huán)上聯(lián)節(jié)點NodeA的主上聯(lián)端口和匯聚環(huán)下聯(lián)節(jié)點NodeB的下聯(lián)端口之間配置一組3.3ms快速 CCM，NodeA的備上聯(lián)端口和匯聚環(huán)另一個下聯(lián)節(jié)點NodeC的下聯(lián)端口之間配置另一組3.3ms快速CCM。這兩組CCM用于監(jiān)測主備上聯(lián)鏈路故障。NodeA的主備端口收到的快速CCM包送到FPGA的快速CCM處理模塊。該模塊根據(jù)快速CCM故障檢測機(jī)制工作，能在10ms內(nèi)檢測出主備上聯(lián)鏈路故障產(chǎn)生或消失，故障可分為SF和SD兩種。

SF/SD故障產(chǎn)生/消失經(jīng)告警保持定時器延時后進(jìn)入優(yōu)先級判定邏輯。告警保持定時器作用是在接入環(huán)和匯聚環(huán)之間有多種保護(hù)機(jī)制共存時協(xié)調(diào)各種保護(hù)機(jī)制的作用時間。除了主備端口信號失效故障SF_W、SF_P以及主備端口信號劣化故障SD_W、SD_P外，用戶的倒換請求命令如LockOut、Force和Manual等也送入優(yōu)先級判定邏輯。如果只有一個請求，該請求就被直接送到雙歸屬保護(hù)狀態(tài)機(jī)；如果同時有多個請求，優(yōu)先級判定邏輯會選擇最高優(yōu)先級請求送到雙歸屬保護(hù)狀態(tài)機(jī)。

雙歸屬保護(hù)狀態(tài)機(jī)會根據(jù)最高優(yōu)先級倒換請求和保護(hù)組的當(dāng)前狀態(tài)決定為主用還是備用鏈路工作，這個決定會通過主備端口開關(guān)選擇作用于主備端口以選擇從主用或備用上聯(lián)鏈路收發(fā)數(shù)據(jù)。同時這個決定還會通過網(wǎng)元的嵌入式軟件通知給網(wǎng)管系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)管理員可以知道雙歸屬保護(hù)當(dāng)前的工作鏈路及倒換原因。狀態(tài)機(jī)還會控制APS包產(chǎn)生器生成雙歸屬APS包發(fā)給匯聚環(huán)的下聯(lián)節(jié)點。對Revertive情況，在主用鏈路SF_W和SF_D故障消失時，狀態(tài)機(jī)會啟動WTR定時器，WTR定時時間到后會觸發(fā)狀態(tài)機(jī)重新選擇主鏈路為工作鏈路。若在WTR時間內(nèi)主鏈路再次產(chǎn)生告警，狀態(tài)機(jī)會復(fù)位WTR定時器。

3　結(jié)束語

本文分析了城域光網(wǎng)絡(luò)中接入環(huán)和匯聚環(huán)現(xiàn)有的各種互聯(lián)方式及其優(yōu)缺點，提出了一種接入環(huán)和匯聚環(huán)互聯(lián)的雙歸屬保護(hù)方案。該方案將上行鏈路信號失效或信號劣化故障造成的數(shù)據(jù)丟失時間控制在50ms內(nèi)，達(dá)到了傳統(tǒng)的SDH線路保護(hù)的倒換時間。

參考文獻(xiàn)：

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［4］ITU-T G.8032/Y.1344.Ethernet Ring Protection Switching［S］.2010.

中文核心期刊

中圖分類號：TN913.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0013-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.004

收稿日期：2016-01-08。

作者簡介：孫捷（1965-），男，教授，研究方向為光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

Dual-homing protection scheme and
its realization in metropolitan area optical network

SUN Jie，LI Lian-tao，YAO Yao，CAO Rui
（Institute of Telecom Engineering，CUIT，Chengdu 610225，China）

Abstract：In this paper，a current usual scheme and its shortage are analyzed firstly.This scheme is used in interconnection of access ring and convergence ring in metropolitan area optical network.On account of this shortage，a novel scheme named dual-homing protection is put forward，which can be used in the interconnection above.Then the merit and demerit of the scheme are also analyzed.After this，a series of research results of the new scheme are given in sequence，including network topological link，detailed working principle，dual-homing APS protocol packet format and dual-homing APS implementation block diagram.

Key words：metropolitan area optical network，dual-homing protection，APSPDU，CCM，WTR