1 WDM光网络保护(APS)技术介绍

光网络保护技术介绍北研所网管开发部王振宇2002.11.18一、APS概述二、APS基本原理三、APS系统实现主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 第一部分APS概述一、保护倒换的必要性 光网络承载的业务量巨大网络一旦出现故障损失巨大随着信息业务需求的急剧增长，特别是互联网业务爆炸性的增长，要求传输速率越来越高，容量越来越大。 网络故障难以避免光纤断裂、节点失效、信号劣化等所以，需要一种快速、可靠的保护方法，提高网络的生存性，即网络出现故障时，必须有自愈功能。光缆断裂：假设32波×10G×100根光纤＝32Tbps的通信容量。原因：建筑施工、自然灾害、动物咬伤、人为错误。另一主要原因时铺设的光纤与其它公共传输媒体如自来水管道、天然气管道、有限电视网等共用同一通道。海底光缆被渔船拖网扯断的例子。节点故障：对用户造成的影响远远超过光缆断裂的破坏力。与之相连的所有用户的通讯连接都会造成破坏。原因：自然灾害、人为错误、硬件老化等。二、保证网络的生存性的手段 网络恢复保护的特点（与恢复比较）：网络生存性（Survivability）是指当网络设备发生故障时，无需人为干预，可在极短的时间内网络能够维持某种可容忍的服务水平的能力。 网络保护利用节点间预先分配的容量实施网络保护，即当工作通道发生失效事件时，利用设备的倒换动作，使信号通过保护通路仍然保持有效。利用节点间任意可用的冗余容量实施网络中业务的恢复，可大大提高资源利用率，但速度较慢。时间快、可靠性高；资源利用率低 单通道传输容量的不断增大（2.5Gbps-10Gbps-40Gbps）比较IP层保护、ATM层保护、SDH层保护三、保护的发展趋势——光网络的保护信息量的不断增加，客观要求传输网络规模的不断扩大 WDM技术的出现与发展（8波-32波-80波-160波）使得电层完成交换、选路与中继的系统出现瓶颈提供了实际组网可以灵活交换(波长级)的应用带宽 光交叉设备（波长级和链路级）的出现与发展实现光层互联的OTN成为光通讯领域的发展趋势OADM-OXC-ASTN/ASON在当前形势下，WDM光层的保护已成为发展趋势四、光层网络保护(DWDM光传送网)的优点 高速 简单 高效 透明光层设备最先检测到故障，可以更大限度减小损失它比高层的保护需要更少的协调性可更有效地利用网络资源(光层为不同的服务层所共享)波长/链路的路由保护技术是独立于高层使用的协议的五、光网络保护技术的发展现状 SDH网络的保护(电层)已较为成熟 WDM光层保护正日趋完善ITU-T标准协议：G.841协议、G.842协议G.841协议描述了在SDH网络上实现各种可供选用的保护结构在设备级所必须的说明G.842协议提供了网络保护结构互连的特性中国高速信息示范网（CAINONET）项目中的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，基本上遵守了G.841协议，继承了原有SDH上的保护技术，并根据光网络的特殊性对协议进行了修改。ITU-T最近形成的G.gps草案六、光网络保护的应用环境 链型(Linear)或环型(Ring)网络如传统的SDH网络、WDM网络的OADM 网状（Mesh）网络如OXC网络、ASTN/ASON网络且能够支持恢复七、保护倒换的分类分类标准：保护层次、保护资源类型、网络结构、W/P关系八、光网络保护的基本要求  在网络出现故障时，保护时间应尽可能的短；  应能详尽区别专用保护和共享保护；  应能区别保护业务的不同粒度；   应能区别保护业务的不同优先级；  尽量使用标准协议，以增加网络的可兼容性；  本层面上的保护不应影响其它层面上的保护。九、光网络保护的关键指标——倒换时间 无影响门限：50ms这种中断是透明的，几乎无影响，作为APS门限 低影响门限：200ms交换业务的连接丢失概率为5%；不影响信令网中已建立的呼叫 可恢复门限：2s交换业务的连接丢失概率将增加，数据通信会话可保持不超时，图象业务有丢帧现象，但并不严重 不可恢复门限：大于2s所有电路交换业务都将丢失连接，2s又称连接丢失门限（CDT）。第二部分APS基本原理1.11+1复用段保护（并发优收）一、线路保护倒换1.21+1通道保护（并发优收）OTUOMUODUOBAOPAOTUOLA受保护的业务受保护的业务又可进一步分为设备1＋1冗余保护和设备不冗余保护。设备冗余保护可以抵抗业务收发设备故障，相当于用设备冗余的代价增强了保护的可靠性。  保护通道/复用段是专用的，不可被其它工作通道共享；   不需要信令的支持，实现简单；  可用于任意网络结构（点到点、环和网格网）；  可自动回复的保护（接收端OTU应冗余配置）；  缺点是带宽利用率低，成本高。1.31＋1保护的特点OPOTUOMUODUOBAOPAOTUOLAOLAOP比较：1:1收发倒换 缺点:需要收发端协议应答. 优点:多一路不受保护的业务.1.41:1复用段保护---收发倒换OTUOMUODUOBAOPAOTUOLA比较：1:1收发倒换 缺点:需要收发端协议应答. 优点:多一路不受保护的业务.1.51:1通道层保护受保护的业务受保护的业务  保护通道/复用段专用，可加载优先级较低的额外业务；  需要信令的支持，实现过程相对1+1方式要复杂；   可应用于环和网格网结构中；  是一种可回复性的保护；   带宽利用率较高，成本较1+1方式低。1.61:1保护的特点1.71+1保护与1:1保护的主要差异 1+1保护操作简单（仅目的端倒换），1:1保护需要收发端协议应答； 1+1保护资源利用率较低（50％），1:1资源利用率较高，保护通道可以加载额外业务（不受保护可被挤占）。开关矩阵工作1工作n开关矩阵1.8m:n保护保护1保护m业务1业务n1.9m:n保护的特点  保护通道是被多条工作通道所共享的；  需要信令的支持，实现过程相对要复杂；  可应用于环和网格网结构中；  是一种可回复性的保护；  带宽利用率较高，但代价是保护可靠性降低。二、环网保护倒换 两纤单向复用段共享保护（ULSR） 两纤单向通道共享保护（UPSR） 两纤双向复用段共享保护（BLSR） 两纤双向通道共享保护（BPSR） 四纤双向环网保护环形网络是一种常见的通信网拓扑结构。环形网络在保持较高生存性的同时更容易实现和管理。2.1环网保护的基本概念 环的单向和双向的含义 共享保护的含义 环的长径和短径的含义单向：环上的所有工作业务的传送方向均沿环的同一方向（顺时针/逆时针）。双向：环上的工作业务的传送方向分别沿环的两个方向（顺时针和逆时针）。长径：远离启动桥接请求跨段（故障跨段）的路经短径：启动桥接请求跨段（故障跨段）所在的路经由n个工作实体共享m个保护实体（m:n）的一种保护结构。当保护实体不用于保护时，也可用来传送额外业务。2.2两纤单向复用段共享保护 系统结构2.2两纤单向复用段/通道共享保护 倒换原理2.3两纤双向复用段/通道共享 系统结构两纤是指两根光纤环，可称为内环和外环。对于32波系统，内环的前16波是工作波长，后16波是保护波长。外环的前16波是保护波长，后16波是工作波长。即波长的分布是互补的。工作波长平时传业务，保护波长平时不传业务（也可能传额外业务）。因为内外环都有工作波长，业务可以双向传输。所以称为两纤双向。2.3.1两纤双向复用段共享 倒换原理2.3.2两纤双向通道共享 倒换原理2.4两纤单向共享与两纤双向共享的比较 业务配置角度两纤单向共享环：业务只能配置在工作环上，保护环完全用于保护。两纤双向共享环：两个子环互为工作/保护关系，业务可以配置在任何子环上（工作通道）。 资源利用角度两纤单向共享环：由于业务的单向配置，资源利用率低两纤双向共享环：业务可双向灵活配置，资源利用率高 保护倒换角度两纤单向共享环：完全复用段级的倒换操作，实现简单两纤双向共享环：需要通道/通道组级的倒换，相对复杂2.5四纤双向共享环保护特点：业务可以双向传输，倒换方式为复用段级倒换，实现简单分别包含两个相反方向传输的工作纤和保护纤，相当于两个两纤单向环的反向合并，所以资源利用率同两纤单向环；三、网状网的保护基本原理：分而治之，在网格拓扑中抽象出若干逻辑环或链四、保护过程中错连现象错连的定义：错连现象产生的根源：在发生保护倒换时，一条业务被传送到另外的节点而不是预定的节点并且没有纠正动作的情形。对于保护环的同一波长的通道，是由对应工作通道上的多条工作业务所共享的，从这个角度说，错连现象的产生是共享保护的副面效应。4.1错连现象的图示分析4.2错连现象的压制（阻错）处理思路：思路一：根据当前节点业务配置信息、网络结构和当前故障跨段情况，判定出潜在错连的业务，关断相应业务。根据全网业务配置信息、网络结构和当前故障跨段情况，查出将会发生错连的业务，关断相应业务。思路二：比较：思路二需要辅助信息较少，绕过了直接判别业务是否实际错连的繁琐过程，而是将问题转化为：通过判别潜在错连业务的过程，过程大大简化。4.3阻错的实现过程分析潜在错连业务形成条件：对于一波长为1业务T1，如果它的工作路径发生故障的同时，保护路径也发生故障，那么显然该业务为不可保护业务或潜在错连业务。实际错连发生条件：如果环上还存在另外一条波长为1业务T2，也因为同样的故障成为潜在错连业务，那么T1、T2将会形成实际的错连业务。阻错问题上的等价处理潜在错连业务虽然未必会导致错连，但由于其已经不可保护，所以按照错连压制掉并不会造成不良影响；通过压制潜在错连的业务，必然包含了实际错连的业务，所以可以等效处理。第三部分APS过程实现一、基于状态的信令（K字节）处理过程任何情形下，信令通道中连续传送K字节信息，维持稳定的状态；当某一节点发生变化（网管命令、故障告警）导致系统稳态被打破时，相应节点产生新的K字节信息并插入到信令队列中传送到目的节点；当其它节点检测到新的K字节时，根据协议规则进行处理，生成新的K字节插入到队列中，进行应答处理；各个节点通过反复信令应答，整个系统最终达到一个新的稳态，同时在相应节点产生倒换命令，最后发送给执行单板完成具体倒换动作。1.1APS节点模型1.2K字节的定义（K1字节）Sheet1 桥接请求码（第1-4比特） 目的地节点ID（第5-8比特） 比特1 比特2 比特3 比特4 比特5 比特6 比特7 比特8 1111保护锁定（跨段）LP-S或保护信号失效SF-P 目的地节点ID置为Ｋ1字节要送达的那个节点的ID值。 1110跨段强制倒换FS-S 目的地节点ID总是它的相邻节点的ID（缺省的APS字节除外）。 1101环强制倒换FS-R 1100跨段信号失效SF-S 1011环信号失效SF-R 1010保护信号劣化SD-P 1001跨段信号劣化SD-S 1000环信号劣化SD-R 0111跨段强制人工MS-S 0110环人工倒换MS-R 0101等待恢复WTR 0100跨段演习EXER-S 0011环演习EXER-R 0010跨段反向请求RR-S 0001环反向请求RR-R 0000无请求NRSheet2 Sheet3 1.3K字节(K2字节)Sheet1 桥接请求码（第1-4比特） 目的地节点ID（第5-8比特） 比特1 比特2 比特3 比特4 比特5 比特6 比特7 比特8 1111保护锁定（跨段）LP-S或保护信号失效SF-P 目的地节点ID置为Ｋ1字节要送达的那个节点的ID值。 1110跨段强制倒换FS-S 目的地节点ID总是它的相邻节点的ID（缺省的APS字节除外）。 1101环强制倒换FS-R 1100跨段信号失效SF-S 1011环信号失效SF-R 1010保护信号劣化SD-P 1001跨段信号劣化SD-S 1000环信号劣化SD-R 0111跨段强制人工MS-S 0110环人工倒换MS-R 0101等待恢复WTR 0100跨段演习EXER-S 0011环演习EXER-R 0010跨段反向请求RR-S 0001环反向请求RR-R 0000无请求NRSheet2 源节点ID（第1-4比特） 长/短 状态（第6-8比特） 比特1 比特2 比特3 比特4 比特5 比特6 比特7 比特8 源节点ID置为节点本身的ID 0=短径 111MS-AIS 1=长径 110MS-RDI 101保留 100保留 010已桥接和倒换 001已桥接 000空闲Sheet3 1.5APS协议执行过程1.4基于IP包中断的信令传递方式鉴于目前基于K字节的信令传递方式中传输信息量小的局限性，引入了基于IP包的信令传递方式。特点： 整个信令系统大多情形下处于一个静止的状态，即节点间无信令应答发生； 当某一节点发生变化（网管命令、故障告警）时，通过IP包的形式将信令信息打包，通过IP方式发到目的节点 主要优点在于信令数据的大小几乎没有限制，可以灵活地同时支持多个保护配置。二、保护倒换的节点实现2.1APS总线结构2.2保护组模型2.2.1节点属性2.2.2保护组属性2.2.2.1保护组端口属性（一） 链型复用段1+1链型通道层1+1环型通道层二纤双向1+1 倒换1x2光开关端口 1 工作输入通道检测端口 2 保护输入通道检测端口 32.2.2.2保护组端口属性（二）2.2.2.3保护组端口属性（三） 环型通道层二纤双向共享 A向输入复用段检测端口 1 B向输入复用段检测端口 2 保护倒换端口 32.2.3保护组业务信息2.1两纤双向复用段共享节点结构－正常状态 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 结构的基本思路为，保护波长只经过滤波器，不经过合分波器到通道层。交织滤波器将输入光分成奇数波长(粗线、绿色)和偶数波长(细线、红色)。正常工作时，四个复用段光开关为直通，A向输入奇数波长（也是工作波长，粗线、绿色）经过节点下半部分的OPA、16波分、合波器、OBA，到B向输出；A向输入偶数波长（也是保护波长，细线、红色）要绕过节点上半部分再下来，经过OBA到B向输出，中间只有很小的插损；B向输入偶数波长（也是工作波长，细线、红色）经过节点上半部分的16波分、合波器，到A向输出；B向输入奇数波长（也是保护波长，粗线、绿色）要绕过节点下半部分再上来，到A向输出。当B向光纤出现故障时，四个复用段光开关将处于如图3的状态，即右侧的两个光开关倒换。A向输入奇数波长（也是工作波长，粗线、绿色）经过节点下半部分的OPA、16波分、合波器，再折回到节点上半部分，从A向输出；A向输入偶数波长（也是保护波长，细线、红色）要绕过节点上半部分，经过节点上半部分的OPA、16波分、合波器，再到A向输出。2.2两纤双向复用段共享节点结构－倒换状态右侧区段故障，B向倒换（考虑本节点上路业务）；左侧区段故障，A向倒换（考虑本节点下路业务）。3.1两纤双向通道共享保护节点结构－正常状态3.2两纤双向通道共享保护节点结构－右侧倒换3.31＋1/1：1通道共享保护3.4保护倒换的返回式/非返回式返回式：当工作路径上的故障被修复后，系统能够自动将业务从保护资源倒换回到工作资源的处理方式。3.4WTR(WaittoReturn)3.5APR(AutomaticPowerReduction)定义：光缆断开、设备失效或光连接器拔出等均会导致光功率丢失，出于人眼安全的考虑，在主光通道内一个光段内光功率丢失的情况下，在受限地点的所有光输出端功率应减成0dBm输出电平以下。光缆断裂：假设32波×10G×100根光纤＝32Tbps的通信容量。原因：建筑施工、自然灾害、动物咬伤、人为错误。另一主要原因时铺设的光纤与其它公共传输媒体如自来水管道、天然气管道、有限电视网等共用同一通道。海底光缆被渔船拖网扯断的例子。节点故障：对用户造成的影响远远超过光缆断裂的破坏力。与之相连的所有用户的通讯连接都会造成破坏。原因：自然灾害、人为错误、硬件老化等。两纤是指两根光纤环，可称为内环和外环。对于32波系统，内环的前16波是工作波长，后16波是保护波长。外环的前16波是保护波长，后16波是工作波长。即波长的分布是互补的。工作波长平时传业务，保护波长平时不传业务（也可能传额外业务）。因为内外环都有工作波长，业务可以双向传输。所以称为两纤双向。设计结构的基本思路为，保护波长只经过滤波器，不经过合分波器到通道层。交织滤波器将输入光分成奇数波长(粗线、绿色)和偶数波长(细线、红色)。正常工作时，四个复用段光开关为直通，A向输入奇数波长（也是工作波长，粗线、绿色）经过节点下半部分的OPA、16波分、合波器、OBA，到B向输出；A向输入偶数波长（也是保护波长，细线、红色）要绕过节点上半部分再下来，经过OBA到B向输出，中间只有很小的插损；B向输入偶数波长（也是工作波长，细线、红色）经过节点上半部分的16波分、合波器，到A向输出；B向输入奇数波长（也是保护波长，粗线、绿色）要绕过节点下半部分再上来，到A向输出。当B向光纤出现故障时，四个复用段光开关将处于如图3的状态，即右侧的两个光开关倒换。A向输入奇数波长（也是工作波长，粗线、绿色）经过节点下半部分的OPA、16波分、合波器，再折回到节点上半部分，从A向输出；A向输入偶数波长（也是保护波长，细线、红色）要绕过节点上半部分，经过节点上半部分的OPA、16波分、合波器，再到A向输出。