基于SUPANET的故障恢复研究网络硕士论文.docx

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基于SUPANET的故障恢复研究网络硕士论文

西南交通大学

研究生学位论文

基于SUPANET的故障恢复研究

申请学位级别硕士

专业计算机应用技术

ClassifiedIndex:

TP393.05

U.D.C:

618.14

SouthwestJiaotongUniversity

MasterDegreeThesis

RESEARCHONRECOVERYbasedonsupanet

Grade:

2004

Candidate:

ChenMeiliao

AcademicDegreeAppliedfor:

Master

Major:

ComputerApplication

Supervisor:

DouJun

MAY,2007

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

Internet是上一世纪七十年代以文本数据传输为主的应用背景下诞生的网络，因此对正确性要求高，对实时性要求低。

但随着多媒体网络应用数据流在Internet中的增加，使得Internet的“尽其所能”的服务难以满足新数据流的服务质量的需求，成为Internet面临的一大挑战。

虽然Internet学界试图通过在IP层上增加服务质量保障技术，如资源预留协议、集成服务、区分服务，来改进Internet的服务质量。

但现有的Internet的三层数据传输平台用户数据传输效率低，实施服务质量控制困难。

针对现有网络体系结构在服务质量保障方面存在的不足,四川省网络通信技术重点实验室提出了“单物理层用户数据传输与交换平台体系结构”（SUPA–SinglePhysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）网络（SUPANET）。

SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，而利用面向以太网的物理帧时槽交换（EPFTS–Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching）技术将用户数据传输与交换平台（U-platform）简化为单物理层结构，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。

SUPA在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择（ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR）、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现了SUPANET的服务质量保障。

因为网络中的资源可能出现故障，所以为提高网络的可靠性SUPANET需要提供故障恢复能力。

SUPANET的故障恢复机制是采用保护切换的方法，保护切换是一种可以在虚通路上的虚线路或节点出现故障时，使其上传输的业务流经过很小的中断后能快速的从故障中得到恢复的方法。

在保护切换中，备份虚通路是故障发生之前预先建立的，当虚通路出现故障时，数据会被在切换点从失效了的虚通路切换到备份的虚通路上。

SUPANET中基本的保护切换有四个步骤。

首先，备份的虚通路必须在故障发生前事先建立。

第二，SUPANET需要对故障进行检测。

第三，检测到故障的节点必须向切换节点通知故障信息。

第四，切换节点将业务流转发到备份虚通路上而不是原本的虚通路。

在进行理论研究的同时，本文利用OPNET网络仿真软件对受保护的虚通路中的业务流进行了保护切换的仿真实验。

建立了一个简化的SUPA网络模型，对切换处理过程中的数据丢失进行了仿真统计，仿真结果基本符合保护切换的特征，验证了保护方法的可行性。

关键词：

SUPA；服务质量；故障恢复；保护切换；虚通路；OPNET

Abstract

Internetwasdevelopedfortext-orientednetworkapplicationsinthe1970s,anditrequestscorrectnessofcontestwithoutreal-timerequirement.ButwithincreaseofmultimediaapplicationtrafficinInternet,the“besteffort”serviceprovidedbyInternetdoesnotabletosatisfyusers’differentQoSrequirementsandbecomeoneofchallengestoInternet.AlthoughtheInternetcommunitattemptstoimprovethetechnologyintheIPleveltoimprovethequalityofservice,theyareRSVP、IntegratedService、DifferentiatedServiceandetc.Butthelowefficiencyoftheexisting3-layersuser-dataswitchingplatformisdifficulttoinsuretheQoSoftheservice.

Tosolvetheseproblems,SichuanNetworkCommunicationTechnologyKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversityhasdefinedanewnetworkarchitecturecalledSUPA（SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）.TheSUPAsimplifiesUser-datatransfer&switchingplatform（U-platform）intoasinglephysicallayerplatformbyadoptingtheout-bandsignalingconcept.ThekeytechniqueenablingthesingleU-platformiscalledEPFTS（Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching）,andguaranteetheQoSofthedata.

SUPAhasdefinedasetofmechanismsbothintheS&M-platformandU-platform.InS&M-platformtheyareQoSNegotiationProtocol（QoSNP）,QoS-basedlambdaRoutingInformationProtocol（λQoSRIP）,TrafficMonitoring&ExchangeProtocol（TMEP）,CallAdmissionControl（CAC）,andtogetherwiththemechanisminU-platformtheyguaranteetheQoSofSUPANET（networksupportsSUPA）.AnimportantcomponentofprovidingQoS,istheabilitytodosoreliabilityandefficiency.TomakeSUPANETreliablethereisneedforfailurerecoverymecasimsinSUPANET.ThefailurerecoverymecasiminSUPANETisProtectionSwitching,whichisamethodofensuringrecoveryfromlinkornodefailurewithoutdisruptiontothedatatraffic.InProtectionSwitching,thebackupVPispre-provisioned,whentheprimarypathisfailed,datatrafficeisswitchedfromthefailedVPtoabackupVP.

Thebasicprotectionswitchingconsistsoffoursteps.First,backupVPmustbeestablished.Second,theSUPANETmustbeabletodetectthefailure.Third,nodesthatdetectthefailuremustnotifyswitchingnodeintheSUPANETofthefailure.Forth,insteadofsendingtrafficontheprimaryVPswitchingnodemustsendtrafficonthebackupVPinstead.

OPNETisusedtosimulatetheprotectioninSUPANETtovalidateitsavailabilityandefficiencybyconstitutingasimplifiedSUPAnetworktopologystructurewhiledoingfundamentalresearch.TherelevantsimulationresultsindicatethevalidityofprotectioninSUPAnetworkswhichbasicallycomplieswiththefeatureofrestorationprocedure.

KeyWords:

SUPA;qualityofservice;faultrestoration;protectionswitching;VP:

virtualpath;SimulationtoolOPNET;

目录

第1章绪论1

1.1本课题的研究的背景1

1.1.1三网合一的大趋势1

1.1.2现有网络体系结构存在的问题2

1.2SUPA的提出4

1.3国内外研究现状与本课题的研究意义5

1.4本论文的组织安排6

第2章SUPA技术框架7

2.1基本术语7

2.2带外信令控制技术8

2.3SUPA的协议层次模型和接口8

2.4SUPA基本工作过程11

2.5“面向以太网帧时槽交换”（EPFTS）技术12

第3章网络故障恢复的层次考虑16

3.1网络故障恢复的概述16

3.1.1网络中可能出现的各种故障16

3.1.2不同业务对故障恢复的不同要求17

3.1.3网络故障恢复的目标17

3.2现有网络中的各种故障恢复方法18

3.2.1DWDM层故障恢复技术18

3.2.2IP层故障恢复技术21

3.2.3MPLS故障恢复技术22

3.2.4SDH故障恢复技术23

3.2.5ATM故障恢复技术24

3.3故障恢复的层次考虑25

第4章SUPANET的故障恢复27

4.1SUPANET故障恢复技术分析27

4.1.1SUPANET故障恢复的必要性27

4.1.2SUPANET故障恢复思想概述27

4.1.3SUPANET保护切换方法的分类30

4.1.3SUPANET故障恢复基本过程32

4.2QoSNP介绍34

4.2.1QoSNP概述34

4.2.2QoSNP的基本工作原理35

4.3QoSNP用于虚通路保护的扩展36

4.3.1恢复参数36

4.3.2记录路径参数37

4.3.3备份路径参数38

4.4虚通路的建立39

4.4.1普通虚通路的建立过程39

4.4.2受保护的主虚通路的建立41

4.4.3路径保护方法中备份虚通路的建立41

4.4.4局部保护中备份虚通路的建立43

4.4.5备份虚通路与主虚通路的绑定44

4.5虚通路失效的检测46

4.6用户数据平台的转发47

4.7切换后主虚通路的维护50

4.7.1场景描述50

4.7.2工作过程50

4.7.3原虚通路资源的释放51

第5章SUPANET故障恢复仿真53

5.1OPNET仿真平台53

5.1.1OPNET的概述53

5.1.2OPNET的特点53

5.1.3OPNET的建模过程54

5.2模型仿真及结果分析55

5.2.1仿真的网络场景55

5.2.2仿真的数据走向56

5.2.3数据统计及分析58

结论及展望60

致谢62

参考文献63

攻读硕士学位期间发表的论文67

第1章绪论

1.1本课题的研究的背景

本课题的研究大背景是四川省网络通信技术重点实验室关于下一代Internet体系结构的研究工作。

通信技术高速化和网络应用数据的多媒体化传输使传统的Internet技术难以满足实时音、视频数据的传输服务质量需求和网络高速化的要求。

因此，实验室提出了单物理层用户数据传输与交换平台体系结构（SUPA–SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）[1-6]。

SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，进而将U平台简化为单物理层平台，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。

在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择（ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR）、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现单数据流和多数据流类服务质量保障。

基于网络中的任何资源都有可能发生故障这一状况，为保障用户业务的服务质量，网络必须具备从故障中快速恢复的能力，使业务尽量不受网络故障的影响。

这就是本论文的研究对象——基于SUPANET的故障恢复研究。

1.1.1三网合一的大趋势

光通信技术的快速发展特别是DWDM技术将单根光纤的传输速率提高到40/80Gbps,即将随着达到160Gbps，从而使单根光纤的传输能力达到Tbps数量级，相当于大、中城市电话网、有线电视网和计算机网络的干线总吞吐率。

这一传输能力意味着在单根光纤上能够同时传输15,625,000路未压缩的普通话路（64Kbps/每路），或者同时传输7,142套未压缩有线电视节目（140Mbps/每套），或者同时传输1000套未压缩的高清晰度电视节目（1.04Gbps/每套）。

换言之，光纤通信技术已经能够支持大中城市综合数字业务网络信息传输的需要，如果计算机网络技术能够适应DWDM高速传输能力的需要，将有可能将传统的有线电视网络、电话交换网络和计算机网络3个独立的网络合并为一个分组化、数字化的综合业务网络[6-8]。

1.1.2现有网络体系结构存在的问题

1、因特网体系结构不适应综合业务数据网的需求

Internet是上一世纪七十年代发展起来的网络技术，当初设计的目的以传输文本数据为主，因此对正确性要求高，但实时性要求低。

而当时的低通信线路速率（Kbps-Mbps）虽然能够满足其要求，但误码率高（10-5~10-6），必须在网络体系结构中设置数据链路层通过分帧和检错重传来提高传输的正确性。

因为Internet提供是一种“尽其所能”的服务（BestEffortService），而且Internet的网络层采用无连接的IP协议,所以可能造成报文丢失和错序。

因此，只能通过TCP进行端到端重新排序和检错重传来提高数据的正确性。

对于文本数据传输，端到端重传造成的传输时延是可以接受的技术；但是，当多媒体数据流在网络应用中比重逐渐增加时，由于其服务质量的需要与文本数据正好相反（吞吐率、传输时延和时延抖动要求高，而少量数据丢失与误码影响相对较小），因此，难以保障语音、视频数据的服务质量。

目前国内外对NGI的研究大都局限于用IPv6取代IPv4问题。

但是，IPv6除了将地址长度改变为原来的4倍，解决了地址匮乏的问题和IP结构有所简化，对IP报头进行了部分改进外，在体系结构上没有实质性的变化。

因此，以IPv6为基础的Internet在服务质量保障问题上与基于IPv4的Internet面对同样的困难。

2、综合业务数字网络（B-ISDN）

B-ISDN采用带外信令控制（Out-bandSignaling）技术，将网络层排除在用户数据传输平台之外，在数据链路层提供了以53字节固定长的信元（Cell）为基础的数据复用与交换技术，为多媒体数据提供永久虚电路（PermanentVirtualCircuit,PVC）和交换虚电路（SwitchedVirtualCircuit,SVC）服务。

B-ISDN存在问题包括：

信控、管理平台使用通信网络中专用协议（如7号信令）为基础的协议桟，在大型网络上配置管理以及与Internet的互联都极为复杂，较难被Internet界认同。

ATM信元长度较短，其净荷部分（Payload）仅48字