有关光传送网保护与恢复的若干技术分析

前言

网络生存性是指网络在经受各种故障时仍能维持可接受的业务质量等级的能力，是现代网络规划设计和运行的关键因素，也是网络完整性的重要组成部分。光网络的生存性基于共享资源和动态恢复资源。在光网络的各种生存性技术中，光层的生存性技术具有响应快速、灵活的特点，能够有效提高网络的服务质量(QoS)，减少业务的丢失，因此，对光层的生存性研究具有十分重要的意义。光层的生存性包括保护和恢复两种技术。

保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资源。当网络发生故障时，受影响业务被安排到预先分配好的保护路由进行传送，以此来恢复受影响的业务。保护往往处于本地网元或远端网元的控制下，无须外部网管系统的介入，因而保护倒换时间很短。但由于备用资源无法在网络范围内共享，导致网络资源利用率低，这是保护机制的缺点。

恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中剩余资源(包括预留的专用空闲备用容量，网络专用的、甚仍至低优先级业务可释放的额外容量)，并通过利用这些剩余资源，在网络中寻找失效路由的替代路由，以便快速而准确地消除由于故障所带来的阻塞。恢复技术能动态搜索网络中的所有空闲容量，可大大节省备用资源，因而大大提高了网络资源的利用率。但由于恢复通常需要外部网管系统介入，时间较慢，恢复响应不确定，业务恢复时间相对较长，这是恢复机制的不足之处。恢复通常主要用于网状网，以便能最佳地利用网络容量资源。

保护和恢复都可采取重选路由机制，但两者又各有其优缺点。保护技术的保护倒换时间短，但网络资源利用率低；恢复技术大大提高了网络资源的利用率，但业务恢复时间相对较长。在实际应用中，若采用保护与恢复相结合(PRC)的技术策略，将最能满足运营商所希望的业务保护水平需求。鉴于环网和网状网是光传送骨干网的两种主要网络结构，本文将就这两种网络结构中保护与恢复的某些重要技术问题进行分析。

1　环形网的保护

在环形光网络中，主要采用保护方式来恢复受故障影响的业务。目前，环形网的保护主要有邻近节点环回和源节点重路由两种解决方案。以下分别对环形网的这两种保护方案进行分析。

1.1　邻近节点环回方式

邻近节点环回是现有环形网中的常规保护方式。根据该解决方案，当信息从源节点向目的节点传输过程中，若其间某段线路发生故障，系统将在邻近故障的节点进行保护倒换，将受影响的业务倒换到保护通道上进行传输，即受影响的业务在邻近节点处以邻近节点环回方式避开线路故障，并通过保护通道顺利到达目的节点。

如由西安？兰州？银川？呼和浩特？北京石家庄郑州7个主要节点构成的环形网。当信息从西安途径兰州传送到石家庄时，若北京石家庄之间的光纤发生断裂，与事故发生地邻近的北京节点将采取保护倒换措施将业务倒换到保护通道，即业务将在北京节点环回，并沿保护通道到达石家庄。

以邻近节点环回方式为业务提供保护的同时也引发了另一个问题，即信息的传输距离比正常情况下大得多，这样，信息的传输时延将大大增加。

正常路径下，西安石家庄(经兰州)的路径传输时延为t1=17.25 ms；当北京？石家庄光纤发生故障时，通常邻近节点环回路由的传输时延为t2=36.35 ms。

显然，采用邻近节点环回方式保护倒换后，信息从源节点到目的节点的传送时延大幅增加。这里的计算还没有包括节点设备引起的传送时延。通常，信息从源节点到达目的节点中途要经过许多节点设备，若将这些节点设备引起的传送时延计算在内，采用邻近节点环回方式引起的传送时延增加问题将更加突出，由此必然严重影响网络系统的性能。

1.2　源节点重路由方式

在环形网中采用常规邻近节点环同保护方式虽然可为业务提供有效保护，但同时却使信息的传输距离比正常情况下大幅增加。传输距离的增加导致了信息传输时延的相应增加，进而严重影响网络系统的性能。为解决上述问题，业界提出了源节点重路由方式，如上海贝尔阿尔卡特的源节点重路由解决方案很好地解决了邻近节点环回方式所带来的传输延时增加问题。

当信息从西安途径兰州传送到石家庄时，若北京？石家庄之间的光纤发生断裂，这时，源节点重路由解决方案将在源节点(西安节点)处进行重新路由，把需要传送的信息直接倒换到保护通道上。，信息直接途径郑州传送到目的节点(石家庄节点)，无须再经过兰州、北京来迂回完成传输。比较邻近节点环回方式，源节点重路由解决方案大大减少了信息的传输距离，它的信息传输时延小得多。采用源节点重路由保护倒换后信息的传输时延为t3=35.85 ms，与采用邻近节点环回方式保护倒换后的传输时延相比，其优势显而易见。此外，若进一步考虑传输途中所通过的中间各节点引入的时延，源节点重路由方式的优势将更为明显。

环形网结构具有较好的生存性，网络恢复时间短(可小于50 ms)。但是，若在大型长途骨干网中采用环形网结构，则由于在许多情况下信息传送要通过迂回路由实现，往往传输路径过长，传输经过的节点数过多。这些都将导致整个信息的端到端传送时延过大，尤其是当环形网光纤线路发生故障、网络系统采用邻近节点环回方式保护倒换后，时延问题尤为突出。过大的传送时延不但对话音等实时性业务产生严重影响，而且对网络的IP化也十分不利，不仅会引起IP系统(TCP/IP系统)的吞吐量迅速下降、导致网络利用率的迅速降低，而且还将使数据分组的丢失概率上升，最终导致整个网络系统性能的严重恶化。

此外，环形网的缺点还体现在网络规划较困难。在进行网络规划时，很难预计将来的发展，因此，在开始时需要规划较大的容量。这种结构所需空闲容量即使在业务量比较平衡时也高达100%，有些甚至要求高达150%。实践证明：环形网在短距离、拓扑结构简单时具有较大的优势；而在大规模长途骨干网中，网状网的应用优势则更为突出。

2　网状网的保护与恢复

网状网的多路由形式使得它的可靠性大大优于其他网络拓扑结构。利用网状网的多路由形式、应用交叉连接设备、采用最短路径优先选路功能，可保证即使在网络出现故障情况下，仍使网络具有最优的传输路径。

网状网中，网络的保护和恢复都可使用重选路由机制。对于保护而言，通道保护技术可为每一路工作通道预留一条专用的端到端保护通道，也可使用1+1或1：1的保护倒换。链路保护(或称光复用段保护)可采用另一条专用的平行光纤，也可采用被路由到在网络中与该链路不相交的其他光纤，还可以采用共享方式，如采用M：1结构。保护技术具有保护倒换时间短的优势，但因需要为光网络的承载业务提供预留的保护资源而存在网络资源利用率低的缺陷。

网状网中采用恢复策略具有很高的生存性，恢复技术能动态搜索网络中的所有空闲容量为受影响的业务寻找新的路由，从而能最佳地利用网络容量资源。在同样的网络生存性条件下，所需要的附加空闲容量可远小于环形网，通常为30%-60%，因此，恢复比保护在容量使用效率方面具有优势。一般来说，网络拓扑较复杂时，如在高度互联的长途网中，采用网状网恢复比环形网更为经济灵活，也便于规划和设计。由于网状网提供的是网络范围内的恢复，因而对付严重的网络故障的能力较强，对网络拓扑的限制也最小，但是，网状网恢复也存在业务恢复时间长的缺点。值得注意的是，在网状网中，对于全网优化的恢复方案，由于网络保护倒换时要进行全网的资源优化分析，因而网络保护倒换的时间较长，而对于局部优化的恢复方案，则可大大减少资源优化分析的时间，快速地进行网络保护倒换和业务的恢复。

基于保护和恢复的各自优缺点存在互补性，在实际应用中，业界提出了采用PRC的技术策略，如上海贝尔阿尔卡特率先提出、引领业界最高水平的PRC解决方案。上海贝尔阿尔卡特的PRC解决方案将保护与恢复有机结合，在充分发挥保护与恢复各自优势的同时，又克服了它们各自存在的缺陷，能最大限度地满足运营商的实际应用需要。

在光网状网中，每个节点存在多个路由，一旦某节点发生故障或光缆中断，业务可以很容易地被转换到另一条通路上。采用上海贝尔阿尔卡特的PRC解决方案，网状网可实现网络的自动故障诊断、业务的自动恢复和路由的优化；并且保护倒换时间可小于50 ms，满足电信级要求。如此，使得网状网的生存能力最能支持运营商所希望的业务保护水平。换句话说，使用PRC解决方案，运营商可充分利用网状网的优异生存能力和可靠性，根据SLA协议，灵活地管理各种级别的业务，为各种级别的业务提供不同的保护和业务恢复时间。

正常情况下，业务通过源节点与目的节点之间的一条主用路由传输。为了保证高优先级业务传输的安全，网络系统采用最短路径优先原则，计算出一条预置的保护路由，当主用路由出现故障时，网管系统将自动把该业务倒换到预置的保护路由上。由于保护倒换时间满足电信级要求(小于50 ms)，所以，客户端不会受到影响。

若保护路由再次出现故障，网管还可根据网络资源找出第三条可用路由，并将业务倒换到该路由上。同样，由于保护倒换时间小于50 ms，客户端也不会受到影响。

在实际情况中，当使用PRC方式保护时，若第三条保护路由也出现问题，网管系统还可以进一步动态地寻找更新的可用路由。

3　网状网和环形网相结合的保护与恢复

目前，国内各大运营商骨干光传送网主要采用“多个环网互联+部分支线”的网络结构，提供的业务恢复类型仅为环/线保护和不保护两种。根据环网和网状网的优缺点，结合国内各大运营商骨干传送网的实际，若在我国大规模长途骨干网中引入网状拓扑，将我国大规模长途骨干网建成网状网和环网相结合的网络拓扑结构，则可为业务提供环网保护、1+1/1：N线性保护以及网状网PRC等多种组合的保护与恢复方式。换言之，采用网状网和环网相结合的网络拓扑结构，利用SLA功能，运营商可为不同类型的客户灵活地提供具有一定差异性的各种等级类型业务。

4　结束语

环网主要采用保护方式来恢复受故障影响的业务。在环网保护方式中，源节点重路由解决方案能很好地克服目前大量使用的常规邻近节点环回方式存在的缺陷。环网具有较好的生存性、网络恢复时间短(可小于50 ms)，在短距离、拓扑结构简单时具有较大的优势。但随着网络规模的不断扩大，网络结构越来越复杂时，环网所固有的传送时延问题、网络规划困难、很难预计将来发展以及所需备用容量过大的缺陷将日益突现。

网状网的多路由形式使得它的可靠性大大优于所有其他网络拓扑结构。网状网具有规模经济效益的特点，在大规模长途骨干网中，网状网的应用优势尤为突出。在网状网中，采用PRC解决方案使运营商可充分利用网状网的优异生存能力和可靠性，更加灵活、有效地进行网络恢复、业务自动配置和流量管理。结合SLA，运营商还可灵活地管理各种级别的业务，为各种级别的业务提供不同的保护和业务恢复时间；利用Grooming功能可实现对带宽的动态调整以及带宽的按优先级分配，为高等级业务提供通道级恢复；所有这些都将为运营商开展利润丰厚的新型增值业务带来无限商机。