保护组叠加倒换方法的研究与应用

侯 磊

(上海欣诺通信技术股份有限公司，上海 201613)

0 引言

光传送网(Optical Transport Network，OTN)广泛应用于骨干传送网，基于波分复用技术，可以和现网中的光同步数字传输网(SDH) 和波分复用(WDM) 设备融合，提供大颗粒度的复用、交叉和配置，显著提升传输网对高带宽数据的适配和传送效率[1]。同时OTN设备还提供了灵活的基于电层和光层的业务保护功能，如基于光通路数据单元(ODUk)层的子网连接保护(SNCP)和共享环网保护等[2-3]。

在实际网络环境中，对于某些重要业务配置多个不同层次的保护是必不可少的，当其中一个保护失效时还能确保其他的保护通道为这些业务提供保护，保证重要业务不会发生中断[4]。这样就会出现多重保护组叠加的情况，即一个保护组的工作或保护通道可能同时作为另一个保护组的工作或保护通道。如何进行正确的业务切换是一个严峻的问题[5-6]。另外，在多重保护组叠加的情况下，为了防止同一个故障引起多个保护组一起倒换，这些不同层次保护组的保护倒换处理通常都是串行执行[7]，也就是优先倒换其中一个主要保护组，其他的保护组设置一个等待时间，在这个等待时间内故障不会触发其他保护组的保护倒换，在主要保护组失效的情况下，由于等待时间的原因，其总的保护倒换耗时随着保护组叠加的层数的增加呈线性增长，保护倒换总耗时将较长，难以满足业务恢复时间小于50 ms的要求[8]。

因此本文提出一种应用于光传输网的保护组叠加倒换方法，实现多重保护的同时，倒换时间能够降低到几毫秒，加快倒换时间，提高系统稳定性。

1 保护组系统架构

图1为实现叠加保护的原理示意图。如图所示，利用多种保护方式叠加保护重要的OTN业务，该条业务在光传送网络正常无故障时通过光通信设备A和B之间的工作路径传输，当工作通道发生故障时业务会自动切换到A和B之间的保护通道#1上，当A和B之间的工作通道和保护通道#1同时发生故障时，业务会切换到经过光通信设备C的保护通道#2上，实现通过高阶保护和低阶保护来叠加保护一条业务，增强了系统可靠性。

图1 OTN设备间的工作通道及保护通道走向图

图2为OTN设备之间的业务通过工作通道的示意图，采用交叉芯片方案实现光通信设备D和E的保护通道，每个光通信设备包括多块板卡：业务盘、交叉盘和线路盘。在OTN中以D为本地网元设备，以E为远端网元设备，本地网元设备D的本地业务通过业务盘接入系统，通过交叉盘交换到线路盘并通过光纤传送到远端网元设备E。在交叉盘上有业务交叉芯片及保护状态机，具体的业务交叉配置以及倒换计算都是在交叉盘中完成的。每个线路盘上包含光通信单元，例如OTN成帧器，OTN业务通过光纤进入OTN成帧器，把光信号转换成电信号，将保护协议所需要的开销字节传入保护状态机进行保护计算，具体业务数据则进入业务交叉矩阵进行交换。各线路卡作为网元设备的通信单元，本地和对端网元设备的多块线路卡之间可以建立多个保护组，并且这些保护组可以相互叠加。比如图2的线路盘1和线路盘2组成高阶保护组，线路盘1上的业务被线路盘2上的保护通道#1保护；线路盘1和线路盘3组成低阶保护组，线路盘1上的业务同时还能被线路盘3上的保护通道#2保护。这条业务在网络无故障时的业务路径走向如图2所示，当高阶保护组和低阶保护组都是1+1保护时，发送方向业务会从业务盘广播到线路卡1、2和3，接收方向会通过线路盘1上的工作通道接收业务。各通信单元间形成有多个保护组，进一步加大了保护的力度。

图2 OTN设备之间的业务通过工作通道的示意图

2 保护组叠加倒换方法

本文通过FPGA实现的保护组叠加倒换方法，具体分为以下3个步骤：

(1)每个保护状态机独立进行与其预先关联的至少一个保护组的自动保护倒换协议运算。

自动保护倒换协议运算的结果包括：保护组的保护倒换状态、代表本网元设备APS协议状态如果发生更新，将会向对端网元设备发送APS字节、对受故障影响的业务需进行的保护倒换操作的倒换结果。FPGA通过HAPS硬件总线检测多个通信单元(即成帧器)的倒换触发信息，倒换触发信息包括故障状态信息或发生变化的APS字节信息；在检测到倒换触发信息时，FPGA可获知其相关的业务信息，并通过硬件总线发送报文以通知与该业务信息所涉及的保护组对应的保护状态机，保护状态机执行自动保护倒换协议运算，倒换触发条件可以是本地或远端网元设备的工作端口或保护端口的故障状态信息。

(2)FPGA根据自动保护倒换协议运算结果更新用于记录各保护组状态的至少一个保护状态表，并根据保护状态表更新用于执行通信单元间业务交叉的交叉表。

交叉表中存储有多条交叉记录，每条交叉记录对应于一源点至宿点的业务，其中，源点和宿点为通信单元，交叉记录包含对应的源点字段及宿点字段，源点字段的内容是源点的索引信息，宿点字段的内容是宿点的索引信息。保护状态表中存储有至少部分业务中与其源点及宿点相关的各个高阶保护组和低阶保护组的保护组记录，每个高阶或低阶保护组由工作通道及保护通道构成，每条保护组记录包含一保护组的工作通道字段、保护通道字段及保护倒换状态字段，工作通道和保护通道字段的内容分别为工作通道和保护通道对应通信单元的索引，保护倒换状态字段显示保护组当前业务处于工作通道还是保护通道。

(3)FPGA将更新后的交叉表配置至交叉芯片，以供交换芯片根据交叉表执行业务交叉。

FPGA将交叉表配置进交叉芯片，就从硬件上建立了一条物理业务交叉通路。整个过程能有效地克服现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

图3 4层保护叠加的业务流的拓扑示意图

图3为高阶保护组叠加低阶保护组结构图，某条单向业务，源点是A点，宿点是B点，其中A点受到一组低阶保护组(工作通道A，保护通道a)的保护，而该低阶保护组工作通道A点和保护通道a点分别受到一组高阶保护组(工作通道A，保护通道A′)、(工作通道a，保护通道a′)的保护；同样，B点受到一组低阶保护组(工作通道B，保护通道b)的保护，而该保护组的工

作通道B点和保护通道b点又分别受到一组高阶保护组(工作通道B，保护通道B′)、(工作通道b，保护通道b′)的保护。

对于这条单向业务，其源点A的业务将被广播到4个宿点：B点、B′点、b点和b′点，而该业务有4个备选源点：A点、A′点、a点和a′点，应当根据各保护组的实际倒换状态选择其中一个逻辑源点作为业务源端。

3 具体实现案例及分析

根据上述理论步骤描述，采用具体实施方案做进一步的详细解释。本方案采用如图4所示的交叉盘实现4层保护叠加的桥接和选收路径的建模。模型中对业务的发送和接收端都采用高阶保护组叠加低阶保护组方案。

图4 4层保护叠加的桥接和选收路径模型

用户创建OTU-2端口2 ODU1#2到OTU-2端口4 ODU1#4的双向交叉连接，并且创立了以下保护组：

(1)高阶ODU2保护组#1 (工作通道:OTU-2端口2,保护通道:OTU-2端口1)；

(2)高阶ODU2保护组#2 (工作通道:OTU-2端口4,保护通道:OTU-2端口3)；

(3)高阶ODU2保护组#3 (工作通道:OTU-2端口6,保护通道:OTU-2端口5)；

(4)高阶ODU2保护组#4 (工作通道:OTU-2端口8,保护通道:OTU-2端口7)。

并且在上述高阶ODU2保护组#1中叠加创建了以下低阶保护组：

低阶ODU1保护组#1 (工作通道:OTU-2端口2 ODU1#2,保护通道:OTU-2端口6 ODU1 #4)。

图5为保护组叠加倒换方法实现的硬件系统结构示意图。FPGA通信连接至光通信设备中的交叉芯片及一或多个光通信单元，交叉芯片用于执行多个光通信单元的业务交叉，当然，也可以在其他方案中实现业

图5 硬件系统的结构示意图

务交叉，并不局限于某一种案例。

根据上述原理，具体说明交叉表更新方法的原理：

(1)一条单向交叉，源点是B，宿点是A。首先在高阶保护状态表查找是否包含有宿点A的高阶保护组，在上述配置中可以查到，A点是高阶保护组#1的工作通道，所以逻辑宿点为A；

(2)在低阶保护状态表查找包含有逻辑宿点A的低阶保护组，结果在上述配置中可以查到，A点是低阶保护组#1的工作通道，所以逻辑宿点仍然为A；

(3)在交叉表查找包含有逻辑宿点A的交叉记录，结果可以查到，则业务#2，A点为宿点，逻辑源点设为B点；

(4)在低阶保护状态表查找包含有逻辑源点B的低阶保护组，结果可以查到，低阶保护组#2，当前业务走在保护通道b，所以逻辑源点设为b；

(5)在高阶保护状态表查找包含有逻辑源点B的高阶保护组，结果可以查到，高阶保护组#4，当前业务走在工作通道b，所以逻辑源点仍然为b。

因此这条单向交叉的宿点是A，源点是b。将此运算结果更新至交叉表中，如图6所示。

图6 交叉表更新运算的示意图

从图6可见，整个查表过程中，是以交叉和保护组的宿点的索引作为一条交叉和保护组的索引，算法中的查询操作就成了以宿点为索引的读表操作，一条寻址指令就可以完成，而且与表的内容的长度无关，是一个微秒级的恒定值。

通过上述方式，在硬件上实现了保护倒换叠加功能并能极大地提高叠加保护倒换性能，可将倒换时间降低到几毫秒。

4 结论

本文提出的保护组叠加倒换方法，通过FPGA实现多个保护状态机，交叉芯片在业务交叉过程中以宿点作为对保护状态表和交叉表进行读取操作的索引，将倒换时间降低到几毫秒，极大地提高了保护倒换性能。本文模拟实际应用场景进行分析，该方法能够实现多重保护的同时，提高了倒换速率，具有重要的应用价值。