光傳送網(wǎng)的可移動(dòng)主控自動(dòng)保護(hù)倒換機(jī)制

唐世慶，孫以澤，王 琦,黃 蕾

（1.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2.上海貝爾股份有限公司，上海201206）

光傳送網(wǎng)的可移動(dòng)主控自動(dòng)保護(hù)倒換機(jī)制

唐世慶1，2，孫以澤1，王 琦2,黃 蕾2

（1.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2.上海貝爾股份有限公司，上海201206）

在研究光傳送網(wǎng)絡(luò)線性保護(hù)倒換和現(xiàn)存解決方案缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出一種新型可移動(dòng)主控自動(dòng)保護(hù)倒換機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)方法。介紹了可移動(dòng)主控保護(hù)倒換的結(jié)構(gòu),描述了該機(jī)制在設(shè)備多個(gè)板卡的協(xié)同工作過程。采用FPG A實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行了仿真，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行了功能測(cè)試。

光傳送網(wǎng)；保護(hù)倒換；線性保護(hù)；光通路數(shù)據(jù)單元；子網(wǎng)連接保護(hù)；自動(dòng)保護(hù)倒換；分布式實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著光傳送網(wǎng) （OTN）技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模商用的實(shí)現(xiàn)，高效、穩(wěn)定、靈活的傳送網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要，承載了數(shù)十吉比特每秒甚至太比特每秒速率業(yè)務(wù)的OTN網(wǎng)絡(luò)若出現(xiàn)光纖毀壞或其它網(wǎng)絡(luò)故障，會(huì)導(dǎo)致大量業(yè)務(wù)被迫中斷，因此，OTN網(wǎng)絡(luò)的生存能力至關(guān)重要。文獻(xiàn)[1]定義了OTN在光通路數(shù)據(jù)單元（ODUk）層面上完備的線性保護(hù)方案，接入設(shè)備到ODU核心設(shè)備的端到端子網(wǎng)工作域可通過冗余的（1+1或1：N）子網(wǎng)互連來保證網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障的恢復(fù)。文獻(xiàn)[2～5]只對(duì)OTN保護(hù)機(jī)制的原理進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]研究了倒換故障和保護(hù)算法，但沒有涉及保護(hù)倒換控制方面的研究。文獻(xiàn)[8]介紹了一種簡(jiǎn)單的用FPGA實(shí)現(xiàn)的1+1單向ODUk保護(hù)倒換控制方式，但實(shí)際應(yīng)用中的保護(hù)倒換控制遠(yuǎn)比文中提到的情況復(fù)雜,除了需要支持完整的自動(dòng)保護(hù)倒換（APS）協(xié)議外，倒換控制設(shè)備的可靠性也至關(guān)重要。目前比較常規(guī)的硬件控制實(shí)現(xiàn)方式是將保護(hù)倒換功能集中在核心主卡中，該方式在核心主卡正常工作的情況下能實(shí)現(xiàn)工作路徑和保護(hù)路徑的及時(shí)倒換，保證業(yè)務(wù)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。但是，一旦核心主卡出現(xiàn)故障，保護(hù)倒換無(wú)法完成，接入節(jié)點(diǎn)將會(huì)丟失業(yè)務(wù)包。為解決集中式保護(hù)倒換控制方式不可靠的問題，本文提出一種新型的可移動(dòng)主控自動(dòng)保護(hù)倒換機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)方法。

1 光傳送網(wǎng)的連接保護(hù)

光傳送網(wǎng)的子網(wǎng)連接保護(hù)（ODUk SNCP）能應(yīng)用于網(wǎng)狀、環(huán)狀和混合結(jié)構(gòu)等任何物理拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)。它不限制子網(wǎng)絡(luò)連接中的網(wǎng)元數(shù)量，無(wú)論是處在兩個(gè)連接點(diǎn)（CP）之間的子網(wǎng)絡(luò)連接，還是連接點(diǎn)與終結(jié)連接點(diǎn)（TCP）之間或兩個(gè)終結(jié)連接點(diǎn)之間的完整端到端網(wǎng)絡(luò)連接，都可以受到保護(hù)[9]。ODUk SNCP線性保護(hù)的保護(hù)類型有1+1、1：1和m：n。其中m：n的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中較少使用。SNCP 1+1/1：1保護(hù)示意圖如圖1所示，網(wǎng)元(NE)A和E之間有兩個(gè)獨(dú)立的SNC，一個(gè)作為工作路徑（W），一個(gè)作為保護(hù)路徑（P）。當(dāng)工作路徑發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)倒換控制單元將工作路徑倒換至保護(hù)路徑，保證業(yè)務(wù)正常傳送。APS信息在保護(hù)SNC上傳送，1+1單向保護(hù)方式不需要APS協(xié)議。

圖1 SNCP 1+1/1:1保護(hù)示意圖

保護(hù)倒換控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是保證業(yè)務(wù)正常倒換的關(guān)鍵，通常保護(hù)倒換控制功能被集中在核心主卡中，如圖2所示。核心主卡由APS FSM處理器、保護(hù)倒換表、路徑倒換、控制管理、OAM處理器和主CPU組成。當(dāng)檢測(cè)到路徑信號(hào)失效（trail signal fail，TSF）、信號(hào)劣化（signal degrade，SD）或從APS包接收到遠(yuǎn)端倒換請(qǐng)求時(shí)，APS FSM處理器把傳輸數(shù)據(jù)的路徑從工作路徑倒換至保護(hù)路徑。該保護(hù)倒換是由主CPU自動(dòng)或手動(dòng)實(shí)施的。同時(shí)，APS FSM狀態(tài)被報(bào)告至主CPU。

圖2 自動(dòng)保護(hù)倒換控制集中式實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

隨著保護(hù)倒換組數(shù)量的增加，自動(dòng)保護(hù)倒換控制集中式實(shí)現(xiàn)架構(gòu)顯露出一些問題，如需要消耗更多的FPGA或硬件資源；增加CPU負(fù)載；由于缺少合適的冗余備份導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，這些都將對(duì)電信服務(wù)造成損害。

2 可移動(dòng)主控APS機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)方式

為了解決保護(hù)倒換集中式實(shí)現(xiàn)架構(gòu)存在的問題，本文提出了一種新型的可移動(dòng)主控APS機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)方式。APS主控部件可以在任何一個(gè)卡上，根據(jù)預(yù)定義的仲裁規(guī)則來決定各卡被設(shè)為APS主控卡的優(yōu)先級(jí)，若其中一個(gè)卡為主控卡，則其它卡都為輔助卡。當(dāng)主控卡中的APS主控部件發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)從多個(gè)輔助卡中選擇一個(gè)輔助卡作為APS主控卡，以替代原有主控卡的APS主控功能，以此保證保護(hù)倒換控制功能正常實(shí)施。在分布式結(jié)構(gòu)中，保護(hù)狀態(tài)連接（Protection Status Interlink,PSIL）接口用來在主控卡和幾個(gè)輔助卡之間傳送SF/SD告警、APS信息和倒換狀態(tài)。

2.1 可移動(dòng)主控APS機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)原理

可移動(dòng)主控APS機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)方式的原理圖如圖3所示，每個(gè)可移動(dòng)APS主卡都包括APS FSM處理器（APS主控部件）、APS輔助模塊（APS輔助部件）和APS代理模塊。每個(gè)可移動(dòng)APS主卡中的APS FSM處理器通過APS代理模塊的主端口與所有可移動(dòng)APS主卡中的APS輔助模塊連接。同樣，每個(gè)可移動(dòng)APS主卡中的APS輔助模塊通過APS代理模塊的輔端口與所有可移動(dòng)APS主卡中的APS FSM處理器連接，即每個(gè)卡上的APS FSM處理器都可以與其它卡上的APS輔助模塊實(shí)施通信，則任一可移動(dòng)APS主卡中APS輔助模塊獲得的對(duì)應(yīng)保護(hù)倒換組的SF和SD都可以被發(fā)送至任一可移動(dòng)APS主卡的APS FSM處理器中，而任一可移動(dòng)APS主卡中APS FSM處理器所確定的倒換結(jié)果可以被發(fā)送至任一可移動(dòng)APS主卡的APS輔助模塊上。另外，從可移動(dòng)APS主卡端口接收的APS信息和需要發(fā)送到端口的APS信息也能在APS FSM處理器和APS輔助模塊間傳遞。分布式PSIL作為在相應(yīng)的卡之間傳送信息的接口。

當(dāng)原設(shè)定的主控卡中的APS主控部件發(fā)生故障時(shí)，使用預(yù)先定義的仲裁規(guī)則，從作為輔助卡的可移動(dòng)APS主卡中選擇一個(gè)可移動(dòng)APS主卡作為主控卡。該預(yù)定義的仲裁規(guī)則是根據(jù)各可移動(dòng)APS主卡對(duì)應(yīng)的保護(hù)倒換組組號(hào)或卡的識(shí)別號(hào)來確定各主卡作為主控卡的優(yōu)先級(jí)，通常以槽位0的卡作為默認(rèn)的主控卡，當(dāng)主控卡出現(xiàn)故障時(shí)，主控權(quán)將交給槽位1的卡；當(dāng)槽位0和槽位1的卡都出現(xiàn)故障時(shí)，主控權(quán)交給槽位2的卡，以此類推。

圖3 可移動(dòng)主控APS機(jī)制及其分布式實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)可移動(dòng)APS主卡為輔助卡時(shí)，其中的APS FSM處理器未被觸發(fā)，因此不處于工作狀態(tài)。僅當(dāng)可移動(dòng)APS主卡為主控卡時(shí)，APS FSM處理器才會(huì)被觸發(fā)進(jìn)入工作狀態(tài)。另外，多個(gè)可移動(dòng)APS主卡中只有一個(gè)可以被作為主控卡來使用。

2.2 可移動(dòng)APS主卡工作過程

可移動(dòng)APS主卡結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。APS輔助模塊包括缺陷映射單元、APS接收單元、APS發(fā)送單元和路徑倒換單元。APS代理模塊包括發(fā)送單元和接收單元。缺陷映射單元從與之對(duì)應(yīng)的保護(hù)倒換組的工作路徑中檢測(cè)到信號(hào)缺陷，并把這些缺陷映射為對(duì)應(yīng)的SD或SF。APS接收單元從與之對(duì)應(yīng)的保護(hù)倒換組的工作路徑中接收APS數(shù)據(jù)包。APS代理模塊中的發(fā)送單元把接收到的SF、SD和APS數(shù)據(jù)包發(fā)送至主控卡的APS代理模塊的接收單元中。

圖4 可移動(dòng)APS主卡結(jié)構(gòu)圖

若該卡為主控卡，APS代理模塊中的接收單元通過SF/SD合并單元合并SF或SD，并將結(jié)果發(fā)送至APS FSM處理器中。同時(shí)，APS選擇單元1將各APS輔助模塊接收到的遠(yuǎn)端APS數(shù)據(jù)選出并發(fā)送至APS FSM處理器中。SF、SD和接收到的APS數(shù)據(jù)將觸發(fā)APS FSM處理器。APS FSM處理器根據(jù)各保護(hù)倒換組的SF、SD及APS數(shù)據(jù)生成保護(hù)倒換指示并發(fā)送APS數(shù)據(jù)包。該保護(hù)倒換指示包括用于指示APS倒換的信息和告知該主控卡的APS FSM處理器被激活的使能信息。保護(hù)倒換指示和APS數(shù)據(jù)包將通過APS代理模塊的發(fā)送單元經(jīng)PSIL接口向各可移動(dòng)APS主卡廣播。

APS代理模塊中的接收單元通過APS選擇單元2從主控卡接收到APS數(shù)據(jù)，并通過APS發(fā)送單元將其插入OTN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的APS字段中。

各可移動(dòng)APS主卡通過倒換結(jié)果選擇單元獲取與自己對(duì)應(yīng)的保護(hù)倒換組的保護(hù)倒換指示信息，APS輔助模塊中的路徑倒換單元按照指示信息對(duì)其管理的保護(hù)倒換組中的工作路徑實(shí)施倒換。

2.3 PSIL接口

PSIL接口為各槽位間的多個(gè)可移動(dòng)APS主卡傳輸數(shù)據(jù)。PSIL使用8B/10B編碼，速率為25MHz，有效數(shù)據(jù)帶寬為20MHz。鏈路級(jí)接收的錯(cuò)誤和故障通過8B/10B編碼檢測(cè)，信息以小數(shù)據(jù)包的格式周期性傳輸，字節(jié)和數(shù)據(jù)包邊界支持K28.5編碼。檢測(cè)校驗(yàn)和check_sum[15：0]被加入數(shù)據(jù)包結(jié)尾，數(shù)據(jù)包級(jí)接收的錯(cuò)誤將通過check_sum和8B/10B編碼檢測(cè)。最小包間隙是12字節(jié)，PSIL接口發(fā)送的信息尺寸為40960比特，對(duì)于20MHz的鏈路，該信息可以在2.05ms內(nèi)被傳輸。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的可移動(dòng)主控APS機(jī)制可應(yīng)用于光傳輸單元（OTU）保護(hù)中，如圖5所示?？蛻艨?中有兩個(gè)10G端口（A和B），該客戶卡1相對(duì)于工作線卡和保護(hù)線卡具有主控第一優(yōu)先級(jí)。端口A和端口B的10G業(yè)務(wù)被分別送至對(duì)應(yīng)的光通路處理器并通過交叉配置連接至工作線卡和保護(hù)線卡中。端口A和端口B的10G業(yè)務(wù)被分別映射至網(wǎng)元中并進(jìn)入兩個(gè)線卡中，兩個(gè)線卡可以是OTU4接口。根據(jù)可移動(dòng)主控APS機(jī)制，工作線卡、保護(hù)線卡和客戶卡都是主控APS功能的候選者。為避免沖突，我們選擇客戶卡中的APS主控部件為最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)某線路發(fā)生故障時(shí)，默認(rèn)以客戶卡完成APS主控功能。APS主控部件將控制保護(hù)倒換并輸出APS信息到線端口。

客戶卡2同樣采用該機(jī)制，客戶卡2中的APS主控部件完成保護(hù)倒換功能并分擔(dān)系統(tǒng)中保護(hù)倒換處理的任務(wù)。

圖5 可移動(dòng)主控APS機(jī)制在OTU4中應(yīng)用實(shí)例

4 測(cè)試結(jié)果

本文根據(jù)圖5中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行模擬仿真，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了可移動(dòng)主控自動(dòng)保護(hù)倒換機(jī)制。假定客戶卡1在槽位2（slot2），客戶卡2在槽位3（slot3）。主控權(quán)初始在槽位2卡上，當(dāng)工作通道信號(hào)失效，槽位2卡根據(jù)APS協(xié)議正確進(jìn)行保護(hù)倒換控制。處理完成后，槽位2卡APS FSM處理器的處理功能（槽位2卡故障）被禁止，主控權(quán)轉(zhuǎn)移到槽位3卡上。當(dāng)工作通道信號(hào)失效時(shí)，由槽位3卡進(jìn)行保護(hù)倒換控制。主控權(quán)從slot2的中斷信號(hào)interrupt轉(zhuǎn)移到slot3的中斷信號(hào)interrupt，其仿真波形如圖6所示。通常保護(hù)倒換需在50ms內(nèi)完成，而本機(jī)制只消耗了3.03ms即完成了主控權(quán)的轉(zhuǎn)移。因此，本機(jī)制的主控權(quán)轉(zhuǎn)移時(shí)間完全可以滿足保護(hù)倒換的時(shí)間需求，對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)影響。

圖6 可移動(dòng)主控轉(zhuǎn)移仿真波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究光傳輸網(wǎng)絡(luò)線性保護(hù)倒換的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的可移動(dòng)主控自動(dòng)保護(hù)倒換機(jī)制與其分布式實(shí)現(xiàn)方法。通過這種靈活的保護(hù)倒換方式，解決了傳統(tǒng)集中式保護(hù)倒換控制方式不可靠的問題。同時(shí)，分布式實(shí)現(xiàn)方式易于增加保護(hù)組容量、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、降低功耗、增強(qiáng)設(shè)備可靠性和靈活性。本機(jī)制支持1+1和1：N保護(hù)，特別對(duì)于大容量交換設(shè)備與對(duì)可靠性要求較高的高等級(jí)業(yè)務(wù)，本機(jī)制的多重保護(hù)機(jī)制能大大降低因系統(tǒng)故障造成的業(yè)務(wù)丟失概率，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。創(chuàng)新的PSIL協(xié)議提供主控卡和輔助卡之間高質(zhì)量的通信服務(wù)，降低了設(shè)備成本，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。仿真與實(shí)驗(yàn)表明，本機(jī)制與其實(shí)現(xiàn)方式切實(shí)可行。

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Mobile master auto protection switching mechanism in optical transport network

TANG Shi-qing1,2,SUN Yi-ze1,WANG Qi2,HUANG Lei2
(1.College of Mechanical Engineering,Donghua University, Shanghai 201620,China；2.Shanghai Bell Co.Ltd,Shanghai 201206,China)

Based on investigating linear protection switching for optical transport networks and the scheme disadvantages of existing solutions,the paper proposes a novel mobile master auto protection switching mechanism and corresponding distributed implementation method.It introduces the mobile protection switching structure and descripts the cooperation among the equipment slot cards.It implements the way and simulates the mechanism on the FPGA platform,and tests the function of the method under the network environment.

OTN,protection switching,linear protection,ODUk,SNCP,APS,distributed implementation

TN92

A

1002-5561（2016）04-0005-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.002

2015-12-10。

唐世慶（1974-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)楣鈧鬏敭a(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。