分組傳送網的環保護和生存機制

摘要:在保護和恢復機制方面，分組傳送網絡面臨運行操作與維護(OAM)檢測性能、網絡資源優化、資源分配死鎖、資源部署阻塞等眾多挑戰。傳統的保護和恢復機制已不能滿足分組傳送網絡的需求。為了提高分組傳送網絡保護恢復性能、網絡資源的利用率、業務恢復可能性，減少業務部署的阻塞率，文章對交迭段保護機制、預規劃多環、沖突避免算法、延時恢復算法等新型保護恢復機制進行了研究，得出觀點:保護和恢復機制合理，由時分復用向分組承載的平滑演進、網絡融合和網絡全業務化才有可能。

關鍵詞:分組傳送網絡;保護;恢復;阻塞率

In its protection and restoration mechanisms， Packet Transport Networking (PTN)， is facing many challenges. Such challenges arise in the areas of Operation Administration and Maintenance (OAM) detection performance， network resource optimization， resource allocation deadlock， and resource deployment blocking. Traditional mechanisms of protection and restoration cannot meet the requirements of Packet Transport Networks. In order to improve protection and restoration， network resource use， probability of service restoration， and to decrease the probability of service blocking， this paper introduces mechanisms such as overlay section protection， pre-configure pre-planned cycle， conflict-release algorithm， and delay restoration algorithm. Finally， it concludes that only the protection and restoration mechanism can reasonably achieve network integration， network operation， and the smooth evolution from TDM to packet bearing networks.

packet transport network; protection; restoration; blocking

三重播放(3-Play)等新興寬帶數據業務、企事業單位的以太網專線業務、二層虛擬專用網(L2VPN)業務、普通寬帶用戶的接入量和速率提升等是推動城域傳送網轉型的主要驅動力，業務IP化和承載IP化推動著基礎傳送網向分組傳送網絡(PTN)[1]演進。

分組傳送網絡技術保持了傳統同步數字體系(SDH)傳送網的優點，具有良好的網絡擴展性、豐富的運行操作維護(OAM)、快速的保護倒換等。同時增加了適應數據業務的特性:分組交換、統計復用、面向連接的標簽交換、分組服務質量(QoS)保證、靈活動態控制。這些特性是網絡融合的重要基礎性技術。在傳送方式上，分組傳送網不僅能夠提供分組數據業務，兼容傳統的時分復用(TDM)業務，還能夠提供適合3G移動傳輸需求的ATM反向復用(IMA)[2]、異步傳輸模式(ATM)、多等級優先占(用MLPPP)等功能。配套組網需求，設備利用多種封裝和適配技術，PTN可以將多種不同的TDM和數據業務統一到分組傳送平面，從而成為基于統一分組交換的多業務傳輸平臺[3]。

眾多需求，眾多的應用環境、場合都集中存在一個問題:分組傳送網絡的生存性。分組傳送網絡的生存性直接影響網絡的組網方式(環、格狀、星型)。分組傳送網絡的生存性還直接影響業務建立的方式(1+1或1:1通道保護)，進而影響業務(如標記交換路徑建立的阻塞率、資源的利用率、資源分配的協調)[4]。分組傳送網絡不同于同步數字體系(SDH)網絡，其保護機制尚在研究中。PTN在性能上還有待提高，多種類型保護資源互補性小，造成阻塞率高。

分組傳送網絡的保護和恢復策略是目前影響業務性能、網絡資源利用率、網絡生存性的重要因素。隨著對分組傳送網絡生存性要求的提高，對分組傳送網絡的保護和恢復策略的研究就顯得更加重要。保護和恢復機制研究合理，由TDM向分組承載的平滑演進、網絡融合和網絡全業務化才有可能。

1 分組傳送網絡研究現狀

面向分組傳送網絡主要有傳送多協議標記交換(T-MPLS)[5]/多協議標記交換-流量工程(MPLS-TE)[6]、運營商骨干橋接/運營商骨干網傳輸(PBB/PBT)[7]，其生存性策略的研究已經受到業界的關注。國際上許多著名研究機構，如Alcatel[8]、Nortel[7]、Cisco[9]、Sycamore[10]、歐盟FP7[11]、美國Texas大學[12]、Stanford大學[13]、Bell Labs[14]等，都正致力于PTN的生存性機制的研究。中國廠商，如中興通訊、華為、烽火等也對生存性策略進行了研究。

國際電信聯盟電信標準部門(ITU-T)和因特網工程任務組(IETF)都提出了各自的需求。T-MPLS支持1+1和1:1線性保護(G.8131)以及Wrapping和Steering環網保護[15](G.8132)。IETF傾向于采用多協議標記交換(MPLS)的快速重路由(FRR)[16]完成1:N線性和環網保護。

中國對分組傳送網絡的保護恢復技術處于討論、研究的階段。網絡設備廠商重點研究電信級的保護倒換策略。

中國通信標準化協會(CCSA)前年成立了一個論壇專門討論基于統一交換平面的傳送設備，2010年將開始討論T-MPLS保護機制。

總體來說研究重點主要是針對T-MPLS支持1+1和1∶1線性保護能不能適應目前不同業務對保護恢復機制的不同需求。需要通過通道級、鏈路級保護，以及基于通用多協議標記交換(GMPLS)智能化軟件來控制業務的快速選路、重選路，以達到多層次多等級的保護和恢復。

國際上，對基于分組網絡的保護早已有之，例如W.Grover最早提出了用于IP網絡的預配置環(P-cycle)的概念[17]。在故障發生前，預先配置好一組P-cycle，遍歷所有被保護的節點和鏈路并預留資源，當故障發生時，按照預先設計好的環進行倒換動作。Robert Sultan在公開的專利中提出了一種基于服務器軌跡的消息通告機制，提高了在擁塞網絡中業務的恢復可能[18]。Sycamore的Raymond Xie提出在EtherOptics體系結構分組傳送網絡中引入智能化的保護恢復機制[19-20]。

2 分組傳送網絡生存性存在的挑戰

分組傳送網絡是近幾年開展的研究項目。分組傳送網絡生存性還存在較多挑戰，是電信級分組傳送網絡走向實用的重要環節。

(1)生存性評估和優化方法

分組傳送網絡生存性是網絡中重點被關心的問題，對網絡生存性的評估本身就是一個比較難以確定的問題，需要確定合理的指標。而對網絡生存性的優化存在優化方法和優化技術的限制。由于目前人類認知能力不夠和計算機計算能力的有限，使很多優化問題成為難題。人類還不知道最好的網絡是什么。計算能力的有限使窮舉之路走不通。分組傳送網絡生存性的優化只能借助于“遺傳算法”、“貪婪算法”等找到一個比較好的解，合理解決分布式網絡的生存性。

(2)分布式死鎖和資源競爭解決方法

分組傳送網絡在快速標記交換路徑(LSP)建立、1∶N保護中的搶建、快速LSP重選路等方面都不同程度遇到分布式死鎖和資源競爭。目前常采用“鴕鳥算法”來解決，可以滿足IP網絡的要求，但性能達不到快速保護恢復的要求。分布式死鎖這個問題沒有得到徹底解決。死鎖問題在計算機操作系統和網絡中是最頭疼的問題。在計算機操作系統理論中，Dijkstra提出了“銀行家算法”，但實用性不強。在MPLS中，死鎖問題不被重視，但在GMPLS中，Zafar Ali等開始重視死鎖問題，并在IETF提出了該問題。目前該問題正在研究中。

(3)面向分組傳送網絡保護恢復部署的阻塞率

現有類SDH的保護機制已經開始被分組傳送網絡所采用，但在分布式選路的環境下，由于要建條件苛刻的保護通道，阻塞率非常高。為了解決該問題，必須提出條件寬松的保護和恢復機制，與傳統嚴格保護機制互補，滿足分組傳送網絡的特殊需要。

(4)OAM故障檢測性能

OAM主要是通過周期性交互連通檢測報文實現P2P的連通性狀態檢測，并輔以各種方法實現丟包率、延時、抖動的檢測，實現環回、告警抑制、告警回告等。通過自動保護倒換(APS)協議來實現端對端(E2E)兩條通道間的相互保護。而類SDH保護必須提供滿足電信級50 ms保護的需求。OAM引擎完成通道故障檢測報文周期不能超時太多，故障發生25 ms內檢測到故障并觸發倒換才能保證總倒換時間小于50 ms。所以OAM故障檢測性能非常重要。

3 分組傳送網絡環保護和生存性機制解決方案

目前分組傳送網絡核心網以網狀網結構為主，所以分組傳送網絡的環保護有別于類SDH的保護方式。本文介紹北京郵電大學在分組傳送網環保護和生存性機制方面的一些研究成果。

(1)交迭段保護機制

本文通過對約束機制和交迭段保護機制的深入分析，將兩者相結合并根據工作和保護路徑分別采用動態鏈路權重調整，從而提出一種交迭段共享保護算法[21]。交迭段保護機制為整個工作路由提供了多個交迭的保護段，并給出了一種能夠合理有效選擇這些交迭保護段的方法。與以往保護算法相比，交迭段共享保護可提高網絡連接的可靠性，而且還通過不同交迭保護段間資源的合理共享有效地提高網絡資源的利用率。

段保護機制通過使用多個備份保護段來為整條端到端的工作路徑提供保護。與通道保護相比，段保護方式的主要優點是縮小了恢復的范圍。當一處鏈路或節點發生故障時，只有與之相對應的保護段被激活，因此縮短了恢復的時間。另外，段保護方式并不是為工作路徑中的每條鏈路都提供一個保護段，因而它比起鏈路保護又具有更高的資源利用率。交迭段保護機制是按照工作路徑中的每個工作段分別提供相交迭的備用保護段。某些工作鏈路受到多于一條的備份段的保護，從而在提高了網絡生存性的同時，對于網絡資源的分配也更加靈活可變。傳統的非交迭段保護無法提供對段間節點的保護，而交迭段保護成功克服了這個缺點。由于相鄰段之間的交迭，所以段間節點的故障不會導致工作和保護段同時失效。交迭和非交迭段保護如圖1所示。

(2)預規劃多環方案

針對網狀網中保護發生故障點恢復不確定的問題，本文提出一種新的預規劃多環(P-mcycle)恢復方案。該方案應用了P-mcycle生成的ILP優化算法和Sub-cycle二次選路算法，在故障業務恢復時間有效的前提下提高了故障保護成功率和預留保護資源的容量效率，從而改善了分組傳送網絡快速恢復的有效性和可靠性。

P-mcycle生成算法基于整數線性規劃(ILP)，以ILP為基礎形成故障獨立通道保護P環，但計算時間復雜度過大。小型網絡計算需要1 h，大型網絡計算會達到2 d。ILP優化算法由于將動態業務分布、業務對稱性等變量和約束條件放至二次選路時獨立解決，純ILP模型僅用于尋找最優的P環組合，計算量顯著減少，從而變成網絡拓撲的靜態規劃。

由于變量數和約束條件的減少，計算復雜度大為降低，將采用一種有效的預選擇方法來縮小ILP問題的解空間。在給定的網絡拓撲中使用改進的深度優先搜索算法(DFS)搜索出全部簡單環，在環集合中依次判斷環上鏈路是否滿足限制。選取M個AE值最大的環構成次優解搜索空間，使用ILP優化算法求解出一組P-mcycle，既滿足保護所有的工作波長，又不超過網絡中預先設置的最大預留波長。即用最少的預留資源實現100%業務恢復能力。

這里應用了P-mcycle生成算法及二次選路算法。使用二次選路分擔了傳統P-cycle預配置的計算復雜度，而且優化了切換保護選路。改進的P-mcycle故障恢復時間符合分組傳送網絡嚴格的生存性要求，并且在故障保護成功率、保護資源占用率、容量效率等方面比傳統P-cycle有所提高。據仿真數據顯示在平均節點度低的格狀網(Mesh)網絡優化效果更加明顯。

后續工作將著重于以下幾個方向的進一步研究:根據節點故障恢復，多鏈路/多節點恢復實現基于P-mcycle算法的優化;在P-mcycle建立候選環的過程中引入對業務分布的動態變化，生成更加合理的P-mcycle資源分布更加合理;考慮業務的方向性，進一步研究二次選路的流量工程，以更少的網絡資源，實現更高的業務保護成功率。

(3)沖突避免算法降低建路和保護阻塞率

在建路的時候會出現下面一種情況，兩個路徑請求在一條鏈路的兩端同時預留相同的資源(端口或者波長λ)并發出預定消息。當預定消息到達鏈路的對端時，發現資源已經被占用。過去采用的方法是在發現資源被占時，節點認為建路失敗，回復預定錯誤消息。這樣一條鏈路的兩端同時發現資源被占，同時認為建路失敗，浪費了建路資源。

這里構想了一種新的方法避免這種沖突。如圖2所示。原理是對同時發出的預定消息采用一種優先級比較策略，使其中一條路建成[22]。如，在節點C和D之間發生沖突，C為路徑(Path)1分配的資源和D為路徑2分配的資源相同。當C向D發的預約(Resv)1消息到達D端時發現資源已經被占用了，這時D端只能認為建路失敗;同樣C端在收到D發的預約2消息時也同樣認為建路失敗。兩條路都無法建成。沖突避免算法在發路徑消息的時候攜帶一個計數器i，在源節點將其設為0。當路徑消息到達一個節點的時候計數器加1，同時在節點存放當前計數器的值。當路徑消息到達目的節點的時候i的值就是建路成功需要經過的鏈路數。圖中A到E建路需要經過5條鏈路，E到B建路需要經過4條鏈路。

采用沖突避免算法在長距離建路時，成功的概率可能比較小。例如一個請求A建路需要經過7條鏈路，另一個B請求只需要3條。其中發生沖突的鏈路距離A請求源節點有2條鏈路而離B請求源節點還有1條鏈路的情況下，B請求建路成功，而A失敗，這樣A請求之前建成的5條路就都必須拆掉，浪費了很多的資源。

(4)延時恢復算法

延時恢復算法是在網絡出現故障的時候所采用的一種機制。其主要的思想是在網絡故障恢復的過程中采用一種順序延時的處理方法。

采用的方法是在發生故障以后，讓業務的源節點延時發送通報(Notify)消息。如圖3所示。兩條通報消息之間插入一段時間間隔t發送。采用這樣處理方法，會減小在故障恢復時業務的再路由和發信令過程中發生資源沖突的幾率。圖3中，兩條方向相對的業務在恢復的時候，順序發信令過程中沒有發生資源沖突的問題。

4 結束語

分組傳送網是未來發展的一個重要方向，它的環保護和生存性是直接影響服務質量的重要技術。但目前在故障檢測、網絡部署、保護恢復的新方案方面還存在很多挑戰。傳統現有的一些保護恢復方法已不能滿足分組傳送網的需求，需要新型網絡保護和恢復機制。這些挑戰在未來會得到逐漸的解決。

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收稿日期:2010-03-15

陸月明，西安交通大學博士畢業;北京郵電大學教授、中國計算機學會會員，長期從事計算機網絡、分組傳送網絡、智能光網絡等研究工作;主持和參與了5項國家級基金項目，獲國家發明專利授權11項;發表論文70余篇。