第六章网络的生存性0606Word文档下载推荐.docx
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另外，控制器的失败不影响传输信息通量，而仅仅影响网络管理的可视性。
2）节点失效是另一个被考虑的可能的问题。
整个的中心（交换）局有可能失效，这通常是由于一些灾难事件。
火灾、水灾、地震等。
这些事件很少出现，但它们发生时，会引起大范围的中断。
4．保护的设置
保护设备被大量用于网络维护。
典型地，在对链路提供服务之前，首先利用保护设计把在该链路上的传输信息通量切换到另一个替换路由上。
这个技术也被用于网络的节点或链路被升级的时候。
在大多数的情况下，保护设计被设计构建成：
能够阻止单个失效事件或者进行维护操作。
如果网络很大，可能就需要提供处理多于一个的并行的失效或者进行维护操作的能力。
处理这个问题的一种方法，是将网络分成几个较小的子网，并且将保护设计的操作限制在子网之内。
它能够处理每一个子网在任何给定的时刻具有一个失效的情况。
处理这个问题的另一种方法，是确保修复一个失效的平均时间比连续两次失效之间的时间要小得多。
在大多数情况下，它保证了在另一个失效发生之前，已经失效的链路已经被修好。
然而，我们要研究的网络的一些保护设计，必须能够保证网络避免几种类型的失效同时发生。
5．关于修复时间的问题
所需要的修复时间将根据被携带的数据的应用或者类型来决定。
对于SONET/SDH网络，最大的允许修复时间是60ms。
这样的修复时间要求来自于这样的一个事实，即如果连接断开的时间比60ms长得多，那网络中的某些设备将丢弃音频呼叫。
然而，在由数据信息、而不是音频信息主宰的世界里，60ms这个数值可能并不是一个严格的要求。
操作者可能希望能有稍微长一点的修复时间。
另一个观点是，当网络中的数据速率增加时，修复时间要求可能变得更加严格。
在10Gb/s上中断1秒相当于丢失了10Gbit的数据。
当今大多数的IP网络基于“尽力”的原则提供服务，而并不是保证网络的可行性。
也就是说，它们试图以它们所能做到的最好的方式来路由传输信息通量，但是数据穿过网络时的时延是随机的，如果存在阻塞，它就可能被丢弃。
5．保护的位置
生存性可以在网络的更多层中被访问。
保护可以在物理层被执行，物理层包括SONET/SDH层和光学层。
保护也可以在链路层上执行，链路层包括ATM层和作为IP网络一部分的多协议标记交换（MPLS）层。
最后，保护也可以在网络层上执行，例如IP层上。
这是由于：
每一层可以保护以阻止一定类型的失效，但是可能并不能有效地阻止所有类型的失效。
§
6.1基本概念
当今网络使用许多保护设计。
我们将讨论工作路径和保护路径。
工作路径在正常操作时携带传输信息通量，保护路径在失效时提供另外一条路径，以携带传输信息通量。
工作路径和保护路径通常以不同的方式被路由选择，因此在单个失效时这两个路径都不会丢弃。
保护设计被设计（即：
基于）在一个网络拓扑结构范围之内进行操作，其中一些工作在点到点链路。
环路拓扑在SONET/SDH网络中特别常用，环状拓扑是在失效时提供另外一个交替的路由的最简单的拓扑结构。
在光学层，许多保护设计已经被设计操作于实际的网状拓扑结构中。
保护可能是专有的（dedicated），也可能是共享的（shared）。
在专有保护中，每一个工作连接在网络中安排有其自身专有的带宽，通过它可以重新路由以防失效。
在共享保护中，基于在网络中的所有工作连接不会同时失效这样的一个实事，通过精心设计，可以使多个工作路由共享保护带宽。
这有利于降低网络中保护所需的带宽。
共享保护的另一个作用是，保护带宽在正常情况下能够携带低优先级的传输信息通量。
当这个带宽需要用来保护一个连接时，这个低优先级的传输信息通量在失效发生时丢失。
保护设计既可以是可逆的也可以是不可逆的。
在两种方法中，如果一个失效发生了，那么传输信息通量就从工作路径交换到保护路径。
在一个不可逆设计中，传输信息通量保留在保护路径上，直到它被手动地交换回原来的工作路径上，通常是一个网络用户通过网络管理系统来进行手动操作。
在一个可逆设计中，一旦工作路径被修复，传输信息通量自动地从保护路径交换回工作路径。
专有的保护设计可以是可逆的，也可以是不可逆的。
然而，共享的保护设计通常是可逆的，因为多个工作连接共享一个共用的保护带宽，在原来的失效被修复后，保护带宽必须被尽快地释放，以便在另一个失效事件发生时，它能够被用于保护其它连接。
保护带宽可以是单向的也可以是双向的。
这不要与在一根光纤上是单向传输还是双向传输混淆。
单向保护倒换：
是保护倒换的一种，在这里，对于一个单向故障来说（即故障只影响一个方向的传输），仅仅是（“路径”或“子网连接”）受影响的方向倒换到保护通路。
双向保护倒换：
是保护倒换的一种，在这里，对于一个单向故障来说（即故障只影响一个方向的传输），两个方向，包括受影响的方向和不受影响的方向，均倒换到保护通路。
图6-1-1给出了两根光纤对，用于点对点链路上的两种设计情况，其中每一根光纤承载一个方向的传输信息通量（单向传输）。
在单向保护切换中，每一个方向的传输信息通量的处理与另一个方向无关。
因此，在一个单个光纤被切断时，只有一个方向的传输信息通量被切换到保护光纤上，而其它方向的传输信息通量还保留在原来的工作光纤上。
而在双向开关保护中，两个方向的传输信息通量都被交换到保护光纤上。
在双向传输被使用时，默认的开关交换大多数是双向的。
因为当一个光纤被切断时，两个方向的传输信息通量都丢失了。
图6-1-1单向和双向保护切换
a）给出在正常情况下的链路
b）单向保护切换。
在一个单向的光纤被切断后，只有影响的方向上数据被切换到保护光纤
c）双向保护切换。
在一个单向的光纤被切断后，两个方向上数据都被切换到保护光纤
单向保护交换与专有保护设计通常联合使用，因为通过在接收端将传输信息通量从工作路径转换到保护路径，很容易执行。
而在接收机和发射机之间并不需要一个信号发送协议。
例如在图6-1-1中，如果一个承载着从左到右的光纤被切断，而不影响从右到左的光纤，那么左边的发射机不会意识到已经发生了一个失效。
在单向专有保护的情况下，如果传输信息通量同时在工作路径和保护路径上被发射，那么在这条路径末端的接收机简单地选择两个到达信号中的较好的那一个。
然而，如果需要双向开关交换，那么接收机需要通知该发射机已经发生了折断。
这就需要一个信号发送协议，称为自动保护切换（automaticprotection-switching,APS）协议。
一个简单的自动保护切换（APS）协议工作如下：
如果在一个节点处的接收机检测到了一根光纤被切断，它就关闭它的工作光纤上的发射机，然后将传输信息通量开关交换到保护光纤上并发射。
在另一个节点处的接收机也检测到在工作光纤上的信号损耗，然后将它传输信息通量开关交换到保护光纤上。
实际中SONET/SDH网络和光网络上的APS（自动保护切换）协议要复杂的多。
在一个双向的通信系统中，传输信息通量在一根光纤上，以两个方向发射，那么源和目的都能检测到光纤的切断。
在共享保护设计的情况下，一个APS（自动保护切换）协议用来定位到共享保护带宽的入口。
因此，大多数共享保护设计使用双向保护切换，因为与单向开关交换相比，它更适于在一个复杂的网络中控制和管理。
另一个问题是发生在失效时，传输信息通量如何进行路由选择以及路由到哪里。
这里将区分路径交换、跨度交换和环状交换。
图6-1-2给出了这些概念。
在路径交换中（如图6-1-2b）所示），从它的源到目的的连接将沿着另一条交替的路径，被端到端的重新选择路由。
在跨度交换中（如图6-1-2c）所示），这个连接在邻近失效的节点之间被重新路由选择到一个空闲的链路上。
在环状交换中（如图6-1-2d）所示），连接在邻近失效的节点之间的一个环上被重新路由选择。
图6-1-2路径、跨度和环状交换
a）正常操作下的连接工作路径
b）路径交换，其中连接在另一个交替的路径上被端到端进行重新路由选择
c）跨度交换，其中连接在与失效邻近的节点之间的空闲的链路上被重新路由选择
d）环状交换，其中连接在邻近失效的节点之间的一个环路上被重新路由选择
最后不同的保护设计工作在网络的不同层上（例如:
SONET/SDH、ATM、MPLS、IP的不同层），以及在一个层的不同子层上。
一种保护设计，是在一根光纤上保护所有的连接。
在SONET网络中，该设计工作于路径层，在SDH网络中，该设计工作于线路（在SDH的复用节段）层。
6.2光网络的拓扑结构
WDM光网络本质上是一组节点和一组点到点的光纤链路的集合。
节点的结构划分为光部件和电部件两个部分。
光部件是一个波分复用/解复用器和光开关矩阵构成的波长路由交换机（WRS），它可以使选定的光通道通过光节点或者与其它链路进行交叉连接，或在本地上路或下路；
电部件指电的分插复用和交叉连接设备，它通过有限数目的光发射/接收设备连接到节点的光部件上。
任何通信网络都有两种拓扑结构：
物理拓扑和逻辑拓扑（也称虚拓扑）。
其中物理拓扑表征网络节点的物理结构；
逻辑拓扑表征网络节点间的业务分布。
6.2.1物理拓扑
网络的物理拓扑就是网络节点的物理连接关系。
从组织上讲，它是网络节点和光缆链路的集合。
在波分复用技术发展的早期，点到点的连接是唯一的应用方式。
随着节点技术的发展，WDM网络受到了重视，光分插复用器（OADM）和光交叉互连器（OXC）的出现使各种物理拓扑的实现成为可能。
除了简单的点到点的连接之外，基本的物理拓扑有以下几种，分别由图6-2-1所示：
1．线形：
图6-2-1（a）所示
当所有的网络节点以一种非闭合的链路连接在一起时，就构成了线形拓扑。
通常这种结构的端节点是波分复用终端，中间节点是光分插复设备。
这种结构的优点是可以灵活上下光载波，但其生存性差。
因为节点或链路的失效将把整个网络割裂成独立的若干部分，而无法实现有效的网络通信。
图6-2-1光网络基本物理拓扑结构
2．星形：
图6-2-1（b）所示
当所有网络节点中只有一个特殊节点与其它所有节点有物理连接，而其它节点之间都没有物理连接时就构成了星形结构（也称枢纽结构）。
其中特殊节点被称为中心节点，它通常由具有OXC（光交叉连接起）功能的节点承担；
而其它节点被称为从节点，可以使用波分复用终端设备。
在这种结构中，除中心节点外，其他任何节点之间的通信都要经中心节点的转接，这位网络带宽的管理提供了有利的条件，但一个潜在的危险是中心节点的失效。
另外这种网络结构要求中心节点要有非常强的业务处理能力，以疏导各从节点与中心节点以及从节点之间的业务通量。
这种结构与下面的树形网络通常用于业务分配网络，在这两种网络中，除与中心节点外，各节点之间的通信要求比较低。
3．树形：
图6-2-1（c）所示
树形网络是星形和线形拓扑的结合，也可以看成是星形网络的拓展。
可以使用分割概念对树形拓扑进行分析，即把它分割成若干个星形与线形子网络的有机集合，在子网络分析的基础上进行综合。
4．环形：
图6-2-1（d）所示
环型拓扑实际上就是将线型拓扑的首尾之间再相互连接，从而任何一点都不对外开放，即为环型拓扑。
在环形拓扑中，任何两个网络节点之间都有长短两条传递方向相反的路由，这就为网络的保护提供了有利的物理基础。
环形拓扑的优点是实现简单，生存性强，在各种场合中都能够使用。
这种环型网在网中应用比较普遍，主要是因为它具有一个很大的优点，即很强的生存性，这在当今网络设计及维护中尤为重要。
由于环形拓扑良好地保护性，使其成为使用和研究的重点。
5．网孔形：
图6-2-1（e）所示
在保持连通的情况下，所有网络节点之间至少存在两条不同的连接的非环形拓扑结构就是网孔形拓扑。
如果所有节点两两之间都有直接的物理连接，则成为理想的网孔形。
为了实现网络强连接的要求，构成网孔形网络的节点至少应该是OADM，通常是OXC，显然与其它拓扑相比，网孔形拓扑形式两点间通讯有多种路由可选、可靠性高、生存性强且不存在瓶颈问题和失效问题。
但结构复杂，成本也高，相关的控制和管理也是一种挑战，通常只在要求可靠性高的骨干网中使用。
综上所述，各种拓扑结构各有优缺点，各种拓扑结构各有特点，在选用时，应该根据建设成本、站点分布、业务需求、网络的生存性、网络的可扩展性、适于新业务的引进等多方面因素综合考虑。
一般来说，用户网适于星型拓扑和环型拓扑，中继网适于环型和线型拓扑，长途网适于树型和网孔型的结合。
6.2.2逻辑拓扑
逻辑拓扑指的是网络节点之间的业务分布情况。
它与物理拓扑紧密联系。
比较常见的有以下几种：
如图6-2-2所示。
1．星形：
如图6-2-2（a）、（b）所示
星形逻辑拓扑有单星形和双星形两种，分别如图6-2-2（a）、（b）所示。
在单星形结构中，存在一个中心节点（M）负责与其它从节点（S）沟通。
这样，除中心节点外，其他节点间的所有通信联系都要经过中心节点中转。
这给网络节点之间的通信带来不便。
在单中心节点的情况下，中心节点的失效，将使整个网络瘫痪，因此它的可靠性比较差。
为了加强可靠性，可以使用双中心节点配置，如图6-2-2（b）所示，M1和M2是两个中心节点，S1~S3是从节点。
在这种配置中，所有从节点都与两个中心节点有通信，同时中心节点之间也有通信联系。
这样即使一个中心节点失效，也不会影响从节点之间的通信，从而提高了网络的可靠性。
图6-2-2基本逻辑拓扑结构
2．平衡式拓扑：
这种网络拓扑结构只存在于线形与环形物理拓扑网络中，在这种结构中，只有存在物理连接的节点之间才有业务联系。
这样，没有物理连接的节点之间的通信将要通过中间节点的中转才能够实现。
从本质上，这是一种点到点通信的方式的背靠背组合形式，因而在很大程度上丧失了全光网络的灵活性，通常只用于邻节点有业务的的情况。
3．网状拓扑：
则在网孔形逻辑中，除了可以保证所有网络节点都能建立通信连接之外，绝大部分节点对都存在直接的通信通道。
这种逻辑拓扑有很强的生命力，但相应的控制和管理都会相当复杂，而在实际中有时最常见的网络拓扑。
6.2.3拓扑结构与网络设计的关系
波分复用网络的物理拓扑是指由网络节点和波分复用链路构成的网络物理连接结构，与光缆线路的敷设路有直接相关，通常不可能随业务改变而随时改变。
利用光通道概念构成的逻辑拓扑与节点之间的业务分布情况相关，可以有软件配置而比较容易改变。
物理拓扑和逻辑拓扑的主要区别：
1．物理拓扑是面向节点的物理连接，逻辑拓扑是面向节点的逻辑连接。
2．物理拓扑中的选路节点视为波分复用网络节点光部件的抽象，边代表光纤链路；
逻辑拓扑中的终端节点视为波分复用网络节点电部件的抽象，边代表光通道。
3．物理拓扑中节点的物理连接度由与该节点有链路连接的节点数目和波长选路开关的端口数量决定；
逻辑拓扑中节点的逻辑连接度由该节点光发射机/接收机数目以及电开关的端口数目决定。
4．逻辑拓扑的结构可以不同于网络的物理拓扑，但是物理拓扑是实现一个逻辑拓扑的基础。
5．物理拓扑设计是在保证网络传输能力的前提下，选择节点位置和可用部件，使建设费用最小的方案；
逻辑拓扑设计是在物理拓扑的基础上，结合节点和业务的分布，选择通道构成方案，使信息性能达到最佳。
将光网络的结构划分为物理拓扑和逻辑拓扑的思想简化了网络的设计过程，使设计可以依据不同的条件和面向不同的目标设计最佳的网络结构形式。
用于传送分组业务的分组波分复用网络，其节点间的分组通信可以经过一个或者多个光通道，称为分组信息在逻辑拓扑上的选径。
逻辑拓扑的结构设计、光路径在物理拓扑上的选路和波长分配、以及分组选径过程统称为网络的逻辑拓扑设计优化问题。
确定最佳的网络逻辑拓扑结构和光路径选路方案，可以充分利用有限数量的光收发机和可利用的资源，最大可能地减小节点上存储转发操作，使网络的性能指标达到最优。
6.2.3环形光网络的结构
在光网络的各种拓扑结构中，环形网络是最简单也是最重要的一种组织形式。
环形网络可以通过区段保护或环回倒换，在无须人为干预的情况下，就能在极短的时间内（10ms量级）从失败故障中自动恢复中断业务，而使使用者几乎察觉不到故障。
基于传统SDH传输方式的自愈环形网的结构及性能，已经得到了广泛的应用。
但它只能提供小于10Gb/s的速度，且容量不易升级。
采用光交叉互联和光分插复用设备组成的WDM光自愈环形网络，其容量大而且易于升级，因此得到广泛的重视。
一、物理结构
WDM环形网络的组网方案非常灵活。
按照节点间波长通道来、去业务的传输方向，可以将WDM环形网络分成单向环和双向环两种。
对一个节点而言，在同一条光通道中，如果来业务的波长传输方向与去业务的波长传输方向相同（都是顺时针或逆时针），则称为单向环；
如果传输方向相反，则称为双向环。
1．两纤环
环路相邻节点由信号传输方向向反的两根光纤连接，一般当一个方向用作工作光纤时，另一个方向的光纤就用作保护光纤。
双纤环可以是单向环也可以是双向环。
单向环的优点是：
实现简单，控制方便。
但是在提供保护时，单向环的一个通道要占用整个环路的一个等效波长，因此波长的使用效率低。
双向环控制比较复杂，但波长的分配相当灵活，波长的使用效率大大提高。
因为双向环中，一对节点之间的通信通道只占用该通道所包含区段的一个等效波长资源，在其他区段，该波长可以重新被使用。
2．四纤环
四纤环通常以双向环方式组织。
在四纤环中，线路节点由四条光纤连接，他们可以分为传输方向相反的两对光纤。
其中一对是工作光纤，另一对是保护光纤。
与两纤双向环类似，四纤环具有波长的重用能力。
在相同的网络规模（相同的节点数目和波长数目）情况下，四纤环的环路最大容量是两纤环的2倍。
在保护方式上，除了提供两纤环的通路保护和环路保护方式外，四纤环中相邻节点的保护工作业务可以由同区段的保护光纤提供保护，这种保护方式称为区段保护。
它要比环路更容易实施，而且倒换时间短。
但相关的控制将更复杂，而且环路使用的光纤数目量多，网络的硬件投资大。
3．多纤环
多纤环是指环路相邻节电之间使用多于四根光纤连接的网络。
为了方便处理，所有环路光纤可以按照信号传输方向分为顺时针和逆时针两组，其中每组N条光纤。
根据不同的保护要求这两组光纤可以用两纤环的方式组织，也可以用四纤环方式组织。
在多纤环中，其实质就是用空间复用（不同光纤传输相同光波长）方式减少网络对光波长数量的要求。
多纤环中，在相邻节点之间复用波长数目相同的情况下，由于采用了空间复用，单根光复用的波长数目将减少，显然波长的重用性也提高了。
这降低了系统对光器件和光源的要求，但代价是系统控制的复杂化和工程造价的提高。
二、逻辑结构
WDM环形网络的逻辑结构与波长配置方案直接相关，采用不同的波长分配方案，可以形成不同的逻辑连接。
主要有：
星型、网状、多跳型网络和平衡式连接网络几种。
1．星型结构
在星型结构网络中，中心节点（HUB节点）负责与所有从节点（Slaver）的通信。
从节点之间的通信要经过中心节点才能实现。
通常的实现方法是：
从节点把数据随同节点（起止节点）信息通过一定的波长传输到中心节点，由中心节点经过解复用，对数据进行重新安排，再使用预定的波长发出去。
为了简化中心节点的寻址过程，星型结构中通常预先规定各节点使用的波长。
星型结构有两种实现的方式：
单星型和双星型
1）单星型：
如图6-2-3（a）
单星型结构的优点是：
实现简单，控制也较为简单，而且要求波长数目少，其最大的缺点是中心节点的失效将是整个网络陷入瘫痪，网络的抗容性能很差。
2）双星型：
如图6-2-3（b）
为了提高网络的生存性能，在单星型的基础上，增加一个中心节点，构成双星型结构。
在该结构中，每个从节点分别与两个中心节点进行通信，某一个中心节点的失效将不会影响该从节点与网络中其他从节点的通信。
从而大大提高了网络的生存能力。
2．网状连接：
如图6-2-3（c）
在网状拓扑中，环路中每一对节点之间用一个波长建立通信。
节点之间的连接可以使用完全不同的波长建立，也可以在物理连接不会发生冲突的情况下，重用网络波长，以降低整个网络的波长需求。
如前述的双向双纤环和四纤环等物理连接就提供了这种能力。
在这几种逻辑结构中，网状连接的生存能力最强。
但所需要的波长数目也最多。
如果不考虑波长分配策略，以目前可用的多波长光源为参考，网状网的节点数目将限制在10以下。
如图6-2-3WDM网络的逻辑结构
（a）单星型结构（b）双星型结构（c）网状连接（d）多跳网（e）平衡式连接
3．多跳网：
如图6-2-3（d）
网状连接是理想的连接状态，但网络需求的波长数目较多，增加了对光源的压力。
多跳网允许节点之间在经过规定数量内的转接后建立通信，以一定的透明度为代价，降低了对光源和管理的压力。
图中显示了所有可能的连接状态，在这里节点之间最大跳距为2。
4．平衡式连接：
如图6-2-3（e）
在这种连接结构中，只有相邻节点才有直接连接通道，从本质上讲，它是点对点结构的串联形式。
这种连接方式的灵活性很差，而且破坏了WDM网络的通道透明性。
一般使用于分布式业务环境。
6.3光网络的生存性
网络的生存性是指网络在经受各种故障后能够维持可接受业务服务的能力，特别是在战火、失火、地震、光纤断裂、有害辐射以及其它人为地或自然的灾害中维持业务质量的能力。
网络生存性是网络完整性的一部分。
尽管人们在网络设计和运行中采用了各种方法来保证网络的完整性，但网络从未达到100%的可用性。
在设计网络时，网络的生存性是至关重要的部分，网络的设计和规划人员必须考虑如何避免在不同的层间恢复方案的争用、促进彼此之间合作并共享空余容量、一定的投资预算增
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