光网络生存性技术及其进展

张学梅

(山西广播电影电视学校，山西太原 030012)

0 引言

近年来，光传输网络有了长足的进步，无论是从光传输技术还是光传输网络的部署和应用都日趋成熟。光网络所携带的超大容量信息，考虑到通信中断将会带来的巨大经济损失和对社会所造成的严重影响，健壮的光网络生存性必定为电信运营商和设备制造商所追求，更是网络设计者必须首先考虑的问题。对光网络生存性有所影响的因素一般可分为硬件和软件两个方面。从硬件和软件两方面来改善的方法都是侧重于提高网络单元的可靠性，从而改善网络的生存性，这是未雨绸缪、防犯于未然的方法。但一旦网络出现了故障，上述的方法显然起不了作用，因此网络生存性技术便呼之而出。

生存性对于光网络的重要性现在己经得到业界的广泛重视，在光网络快速发展的今天，研究光网络的生存性技术，提出实用化的解决方法，已经成为发展和建设光网络必须解决的一个关键问题。

1 光网络生存性技术

网络的生存性定义为网络抵制故障业务中断或干扰的能力。本节主要从网络生存性策略、各层网络的生存性两个方面概述各种网络的生存性技术。

1.1 网络生存性策略一保护和恢复

光网络生存性的问题是随着光网络的发展而发展的，从最初的点对点网络所采用的保护切换到环形网所采用的自愈环技术直至现在的网孔网所采用的快速重构恢复技术，网络拓扑结构的日益复杂，客观上也使得网络生存性的解决方案变得更为灵活。尽管生存性技术多样，但是它始终都是以最基本的技术为基础，这就是网络保护和恢复。

保护和恢复均是在网络故障条件下，使受损的业务得以重新运行的具体措施。两者均是需要重新选择其他路由来代替故障路由。

保护是指利用节点间预先分配的容量实施网络保护。保护往往处于本地网元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入，保护倒换时间很短，但备用资源无法在网络范围内共享，资源利用率低。保护对拓扑结构没有过于严格的要求，保护既可以是针对资源的(物理层)也可以针对业务层进行。

恢复则通常利用节点之间可用的任何容量，还需要准确地知道故障点的位置，其实质是在网络中寻找失效路由的替代路由，因而恢复算法与网络选路算法相同。恢复通常适用于网状拓扑，能最佳地利用网络资源，恢复通常采用集中控制方式，但恢复倒换需要由外部网络操作系统控制，具有相对较长的计算时间。恢复主要是针对业务层来实现的。

为提高网络的生存性，往往采用保护和恢复折中的办法，即既要保证故障情况下的时效性，同时又要保证网络资源的合理化利用，这就变成了以网络生存性为约束条件的资源优化的问题，由于网络优化的参数很多，所以这会有很多的方案。在大型网络中，需要两种方案协同操作，共同来提高网络的生存性。

1.2 各层网络的生存性

在不同技术的网络中通常都有自己相对独立的生存性技术。其中，IP、ATM、SDH和WDM网络中的生存性技术是当前几种具有代表性的生存性技术:

(1)IP网络的生存性

在IP网络中能够恢复多种故障类型的业务，对业务的操作力度也很小，但在IP层的重选路由恢复方式速度较慢，无法在故障出现时进行快速的恢复。目前，在IP层中融入了多协议标签交换MPLS技术，使得在IP网络中同样能提供面向连接且有QoS保证的业务。通常情况下，动态的重选路由方案的恢复时间长，但网络资源的利用率高;而MPLS保护倒换方案的保护时间短，且对业务的恢复性能有一定的保障。

(2)ATM网络的生存性

基于VP的ATM层具有强大的生存能力。VP路由和容量管理的独立性以及分级的通道复用导致了ATM网络的两个重要特性:动态容量分配和适应性网络重构，两者均可应用于ATM层的恢复技术中，再加上OAM信元的应用，使得ATM层更能有效、快速地检测软故障。

(3)SDH网络的生存性

SDH和WDM光网络都是面向连接的复用网络。SDH是基于同步数字复用的，而WDM是基于波长复用。SDH网络中的生存性技术可分为保护倒换和恢复方案。其中，自动保护倒换(APS)和自愈环(SHR)是SDH网络中最常用的保护方法。

自动保护倒换(APS)技术典型的被用于链路故障的恢复。它主要包括1+1、1∶1和M∶N三种方式。这三种保护方式的不同在于分配不同的保护资源。在1+1的方式下，工作通道和保护通道上均传送业务，接收端比较两个信号的质量并接收更好的信号，即所谓的“并发优收”机制;在1∶1的方式下，信号由工作通道传送，当接收端信号质量劣化时，信号倒换到保护通道中传送。此时，需要APS信令协助工作通道切换到保护通道;在从M∶N的APS中，N条工作通道共享M条保护通道。

自愈环(SHR)是一种非常成功的网络生存性技术，它比APS具有更灵活的特点，可以处理节点故障和链路故障，其基本原理是使网络具备发现替代传输路由并重新建立通信的能力。在自愈环保护方式中，主要分为两纤单向通道倒换环、两纤双向线路倒换环和四纤双向线路倒换环。

在SDH网络中，保护和动态恢复方案是否优劣要取决于网络的拓扑。目前，基于SDH的传输通信网络中大多使用保护方案。

(4)WDM网络的生存性

在光网络中，光层的保护和恢复主要发生在WDM层。光层的保护和恢复技术又可分为:光通道层和光复用段层保护/恢复技术。光通道保护/恢复技术是针对每个通道的，也就是我们通常所说的基于波长通道的保护/恢复。当发生故障时，光网络为受影响的故障波长通道分配一条完整的(通常是链路无关的)保护/恢复波长通道来恢复故障信道;光复用段保护恢复技术是针对复用段层的，即我们通常所说的基于链路的保护恢复。当发生故障时，光网络为受故障链路上的业务寻找替代路由来恢复故障链路上的所有业务。

WDM光层恢复路由算法的作用是为需要恢复的业务动态地寻找一条替代路由，其恢复路由可基于故障后的最短路径优先选取。

2 光网络生存性研究的进展

近年来，网络技术的发展对网络生存性提出了新的要求，主要体现在:

巨大的传输容量使得网络的生存性问题更为突出。特别是WDM(波分复用)技术的商用化，单纤可以支持Tb/s的业务速率。这样巨大的传输容量，使得网络一旦失效，将造成巨大的经济损失和社会影响。

多层网络的发展，带来了新的生存性技术课题。目前的传输网集成了各种不同的传输技术以完成各自的功能，即由包括IP、ATM、SDH和WDM各层的技术组成了一个多层的传输网络。网络每层都有各自的生存性技术，怎么样充分利用不同技术及其相应生存性方案的长处，取得比单层的生存性技术更经济、更好的服务质量就是多层网络生存性机制所要解决的问题。

网络生存性技术的研究开始于1987年，一直是传送网研究的重点。目前，对于单层网络的生存性已有大量研究，也发表了很多文献。国际电信联盟已制定了有关同步数字系列自愈环结构标准的 G.841和环间互连标准 G.842。SDH自愈环的成功，对WDM光传送网生存性的研究产生了积极作用。澳大利亚Melbourne大学Grover教授领导的生存性研究小组在基于光环网实现的生存性方面做了相当多的工作，提出P环，虚保护环等许多新的观念。在网状光网络生存性的研究上，S.Ramamurthy等人给出了静态业务条件下几种保护机制的ILP模型。G.Mohan等人提出了动态环境下，建立工作和保护通路的方案。研究成果主要集中在针对某一网络技术(IP，SDH，ATM，DWDM)的某一网络结构(环网，MESH网)的保护恢复策略和算法上面。

在多层网络的环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获得满意的故障恢复效果，因此在这样的网络中需要引入新的解决方案。隶属于欧洲高级通信技术和业务计划的AC205/PANEL项目组提出了多层网络恢复模型，提高了多层网络整体生存性能。美国国防部高级研究计划局DARPA-Defense也在资助相关问题的研究。例如:异构、多层网络环境下的网络生存性问题，综合控制策略建立问题，上层网络有效地映射到下层网络以增强网络的抗毁能力的问题，多点故障的相关问题，IP网络生存性等问题。ITU-TSG13组已将此问题作一个研究课题而开始专门进行研究，目前网络的一个研究热点ASON，其研究内容也包括了多层网络生存性的问题。对于多层网络情况下的生存性研究在国内外仍刚开始，并且尚未标准化，其中有许多问题还有待进一步探讨和研究。

3 小结

本文主要对光网络的技术从协议层这个角度分类，对各层生存性技术作了介绍，以及概括了网络生存性的进展。光网络的不断发展，必定使光网络的生存性技术也相应的向前发展。由组建自动交换光网络ASON的呼声、建设多层的交换光网络的建议逐渐见于报端这样与之相关的各种生存性技术就先后出台。如何实现有效率的网络保护和恢复，如何实现快速的恢复算法，始终是光网络生存性技术发展的重点。

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