光傳送網保護與恢復的若干技術分析
前言
網絡生存性是指網絡在經受各種故障時仍能維持可接受的業務質量等級的能力，是現代網絡規劃設計和運行的關鍵因素，也是網絡完整性的重要組成部分。光網絡的生存性基于共享資源和動態恢復資源。在光網絡的各種生存性技術中，光層的生存性技術具有響應快速、靈活的特點，能夠有效提高網絡的服務質量(QoS)，減少業務的丟失，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兩種技術。
保護是指為光網絡的承載業務提供預留的保護資源。當網絡發生故障時，受影響業務被安排到預先分配好的保護路由進行傳送，以此來恢復受影響的業務。保護往往處于本地網元或遠端網元的控制下，無須外部網管系統的介入，因而保護倒換時間很短。但由于備用資源無法在網絡范圍內共享，導致網絡資源利用率低，這是保護機制的缺點。
恢復是指為光網絡的承載業務動態尋找網絡中剩余資源(包括預留的專用空閑備用容量，網絡專用的、甚仍至低優先級業務可釋放的額外容量)，并通過利用這些剩余資源，在網絡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。恢復技術能動態搜索網絡中的所有空閑容量，可大大節省備用資源，因而大大提高了網絡資源的利用率。但由于恢復通常需要外部網管系統介入，時間較慢，恢復響應不確定，業務恢復時間相對較長，這是恢復機制的不足之處。恢復通常主要用于網狀網，以便能最佳地利用網絡容量資源。
保護和恢復都可采取重選路由機制，但兩者又各有其優缺點。保護技術的保護倒換時間短，但網絡資源利用率低；恢復技術大大提高了網絡資源的利用率，但業務恢復時間相對較長。在實際應用中，若采用保護與恢復相結合(PRC)的技術策略，將最能滿足運營商所希望的業務保護水平需求。鑒于環網和網狀網是光傳送骨干網的兩種主要網絡結構，本文將就這兩種網絡結構中保護與恢復的某些重要技術問題進行分析。
1 環形網的保護
在環形光網絡中，主要采用保護方式來恢復受故障影響的業務。目前，環形網的保護主要有鄰近節點環回和源節點重路由兩種解決方案。以下分別對環形網的這兩種保護方案進行分析。
1.1 鄰近節點環回方式
鄰近節點環回是現有環形網中的常規保護方式。根據該解決方案，當信息從源節點向目的節點傳輸過程中，若其間某段線路發生故障，系統將在鄰近故障的節點進行保護倒換，將受影響的業務倒換到保護通道上進行傳輸，即受影響的業務在鄰近節點處以鄰近節點環回方式避開線路故障，并通過保護通道順利到達目的節點。
如由西安？蘭州？銀川？呼和浩特？北京石家莊鄭州7個主要節點構成的環形網。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生斷裂，與事故發生地鄰近的北京節點將采取保護倒換措施將業務倒換到保護通道，即業務將在北京節點環回，并沿保護通道到達石家莊。
以鄰近節點環回方式為業務提供保護的同時也引發了另一個問題，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(經蘭州)的路徑傳輸時延為t1=17.25 ms；當北京？石家莊光纖發生故障時，通常鄰近節點環回路由的傳輸時延為t2=36.35 ms。
顯然，采用鄰近節點環回方式保護倒換后，信息從源節點到目的節點的傳送時延大幅增加。這里的計算還沒有包括節點設備引起的傳送時延。通常，信息從源節點到達目的節點中途要經過許多節點設備，若將這些節點設備引起的傳送時延計算在內，采用鄰近節點環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絡系統的性能。
1.2 源節點重路由方式
在環形網中采用常規鄰近節點環同保護方式雖然可為業務提供有效保護，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增加，進而嚴重影響網絡系統的性能。為解決上述問題，業界提出了源節點重路由方式，如上海貝爾阿爾卡特的源節點重路由解決方案很好地解決了鄰近節點環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生斷裂，這時，源節點重路由解決方案將在源節點(西安節點)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點(石家莊節點)，無須再經過蘭州、北京來迂回完成傳輸。比較鄰近節點環回方式，源節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，與采用鄰近節點環回方式保護倒換后的傳輸時延相比，其優勢顯而易見。此外，若進一步考慮傳輸途中所通過的中間各節點引入的時延，源節點重路由方式的優勢將更為明顯。
環形網結構具有較好的生存性，網絡恢復時間短(可小于50 ms)。但是，若在大型長途骨干網中采用環形網結構，則由于在許多情況下信息傳送要通過迂回路由實現，往往傳輸路徑過長，傳輸經過的節點數過多。這些都將導致整個信息的端到端傳送時延過大，尤其是當環形網光纖線路發生故障、網絡系統采用鄰近節點環回方式保護倒換后，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務產生嚴重影響，而且對網絡的IP化也十分不利，不僅會引起IP系統(TCP/IP系統)的吞吐量迅速下降、導致網絡利用率的迅速降低，而且還將使數據分組的丟失概率上升，最終導致整個網絡系統性能的嚴重惡化。
此外，環形網的缺點還體現在網絡規劃較困難。在進行網絡規劃時，很難預計將來的發展，因此，在開始時需要規劃較大的容量。這種結構所需空閑容量即使在業務量比較平衡時也高達100%，有些甚至要求高達150%。實踐證明：環形網在短距離、拓撲結構簡單時具有較大的優勢；而在大規模長途骨干網中，網狀網的應用優勢則更為突出。 #p#
2 網狀網的保護與恢復
網狀網的多路由形式使得它的可靠性大大優于其他網絡拓撲結構。利用網狀網的多路由形式、應用交叉連接設備、采用最短路徑優先選路功能，可保證即使在網絡出現故障情況下，仍使網絡具有最優的傳輸路徑。
網狀網中，網絡的保護和恢復都可使用重選路由機制。對于保護而言，通道保護技術可為每一路工作通道預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絡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結構。保護技術具有保護倒換時間短的優勢，但因需要為光網絡的承載業務提供預留的保護資源而存在網絡資源利用率低的缺陷。
網狀網中采用恢復策略具有很高的生存性，恢復技術能動態搜索網絡中的所有空閑容量為受影響的業務尋找新的路由，從而能最佳地利用網絡容量資源。在同樣的網絡生存性條件下，所需要的附加空閑容量可遠小于環形網，通常為30%-60%，因此，恢復比保護在容量使用效率方面具有優勢。一般來說，網絡拓撲較復雜時，如在高度互聯的長途網中，采用網狀網恢復比環形網更為經濟靈活，也便于規劃和設計。由于網狀網提供的是網絡范圍內的恢復，因而對付嚴重的網絡故障的能力較強，對網絡拓撲的限制也最小，但是，網狀網恢復也存在業務恢復時間長的缺點。值得注意的是，在網狀網中，對于全網優化的恢復方案，由于網絡保護倒換時要進行全網的資源優化分析，因而網絡保護倒換的時間較長，而對于局部優化的恢復方案，則可大大減少資源優化分析的時間，快速地進行網絡保護倒換和業務的恢復。
基于保護和恢復的各自優缺點存在互補性，在實際應用中，業界提出了采用PRC的技術策略，如上海貝爾阿爾卡特率先提出、引領業界最高水平的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有機結合，在充分發揮保護與恢復各自優勢的同時，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用需要。
在光網狀網中，每個節點存在多個路由，一旦某節點發生故障或光纜中斷，業務可以很容易地被轉換到另一條通路上。采用上海貝爾阿爾卡特的PRC解決方案，網狀網可實現網絡的自動故障診斷、業務的自動恢復和路由的優化；并且保護倒換時間可小于50 ms，滿足電信級要求。如此，使得網狀網的生存能力最能支持運營商所希望的業務保護水平。換句話說，使用PRC解決方案，運營商可充分利用網狀網的優異生存能力和可靠性，根據SLA協議，靈活地管理各種級別的業務，為各種級別的業務提供不同的保護和業務恢復時間。
正常情況下，業務通過源節點與目的節點之間的一條主用路由傳輸。為了保證高優先級業務傳輸的安全，網絡系統采用最短路徑優先原則，計算出一條預置的保護路由，當主用路由出現故障時，網管系統將自動把該業務倒換到預置的保護路由上。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故障，網管還可根據網絡資源找出第三條可用路由，并將業務倒換到該路由上。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問題，網管系統還可以進一步動態地尋找更新的可用路由。
3 網狀網和環形網相結合的保護與恢復
目前，國內各大運營商骨干光傳送網主要采用“多個環網互聯+部分支線”的網絡結構，提供的業務恢復類型僅為環/線保護和不保護兩種。根據環網和網狀網的優缺點，結合國內各大運營商骨干傳送網的實際，若在我國大規模長途骨干網中引入網狀拓撲，將我國大規模長途骨干網建成網狀網和環網相結合的網絡拓撲結構，則可為業務提供環網保護、1+1/1：N線性保護以及網狀網PRC等多種組合的保護與恢復方式。換言之，采用網狀網和環網相結合的網絡拓撲結構，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務。
4 結束語
環網主要采用保護方式來恢復受故障影響的業務。在環網保護方式中，源節點重路由解決方案能很好地克服目前大量使用的常規鄰近節點環回方式存在的缺陷。環網具有較好的生存性、網絡恢復時間短(可小于50 ms)，在短距離、拓撲結構簡單時具有較大的優勢。但隨著網絡規模的不斷擴大，網絡結構越來越復雜時，環網所固有的傳送時延問題、網絡規劃困難、很難預計將來發展以及所需備用容量過大的缺陷將日益突現。
網狀網的多路由形式使得它的可靠性大大優于所有其他網絡拓撲結構。網狀網具有規模經濟效益的特點，在大規模長途骨干網中，網狀網的應用優勢尤為突出。在網狀網中，采用PRC解決方案使運營商可充分利用網狀網的優異生存能力和可靠性，更加靈活、有效地進行網絡恢復、業務自動配置和流量管理。結合SLA，運營商還可靈活地管理各種級別的業務，為各種級別的業務提供不同的保護和業務恢復時間；利用Grooming功能可實現對帶寬的動態調整以及帶寬的按優先級分配，為高等級業務提供通道級恢復；所有這些都將為運營商開展利潤豐厚的新型增值業務帶來無限商機。
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