IPoverWDM的生存性策略.docx
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IPoverWDM的生存性策略
前言
从上世纪90年代以来,Internet网络规模、用户数量以及业务量呈指数增长。
对电信市场的研究表明,到2005年,数据业务量(特别是IP业务量)和话音业务量之比将成99:
1。
同时,美国NorwestVenturePartners公司的风险投资家VabGoel在光通信国际会议“OFC(OpticalFiberCommunicationConferenceandExhibit)”的主题演讲中,针对光通信的发展前景做了以下阐述:
“影视信息的发行、在线存贮以及文件共享等,今后前途远大的网络应用都将以IP技术为基础。
由于所有信息的传输都将基于IP技术,因此光通信当然也必须与IP网络相结合,而不是像过去那样采取封闭式网络的形式。
IP技术将推动光通信向前发展”。
因此,IPoverWDM技术被人们一致看好,IPoverWDM生存性策略尤其值得我们讨论。
第1章IPOVERWDM概述
1.1绪论IP直接overWDM的网络构架有利于充分利用光纤带宽、减小处理延时和节约网络建设成本,加上在IP层支持QoS(服务质量)的DiffServ技术已日渐成熟,IPoverWDM很有希望成为今后若干年Internet骨干网的主要形式。
多协议波长交换(MPλS)是最近才提出的新概念,它可能是IPoverWDM网络的未来发展方向,将在后面介绍。
但是,波分复用的做法使WDM网络在网络部件失效时可能遭受比传统网络更大的损失,比如一根光纤断裂会使经过它的所有光路同时失效,因此抗毁机制对于IPoverWDM网络显得更加重要。
传统的IP动态路由机制虽然有失效恢复能力,但是存在以下缺点:
(l)传统的IP路由机制依靠路由器之间定时交换网络状态信息,并且可以采用重选路由的方式绕过出问题的链路或节点,恢复受影响的业务,但是由于IP层的重选路由必须等路由表收敛以后才能进行,因此对于规模较大的网络失效恢复的延时相当大(一般会达到秒的数量级)。
(2)传统IP网络采用的动态路由协议,在网络部件出现故障需要重选路由时并未考虑保证备用路由上已存在业务流的QoS,因此路由改变之后的业务流可能损害已存在业务流的QoS,导致网络已不再是真正意义上的自愈网络了。
因此有必要结合IP网络和WDM网络各自的特点来研究IPoverWDM网络的生存性。
1.2目前多层网络结构和协议栈1.2.1单层的和多层的恢复机制
宽带的传输网可以被看作是多层的栈,每一层是单一的技术网络,可以为上层提供传输功能。
因此,传输网络实质是多层网络。
恢复机制可以通过单层的网络或几层网络来实现。
多层的恢复机制很复杂,但为了提供足够的高的生存性,还是很有必要的。
在低层完成恢复通常可以有效地解决诸如:
光纤断裂等故障,但低层不能很好解决发生在高层的故障。
例如:
SDH层无法恢复由于ATM设备引起的ATM连接:
这种故障需要在高层提供特别的恢复机制。
最低层的恢复是最合适和有效的恢复物理故障的机制,诸如光纤断裂。
在另外一方面,最高层的恢复可以针对不同用户,提供不同可靠性的恢复。
1.2.2目前IPoverWDM的协议栈结构
目前要实现IPoverWDM,网络中所采用的协议栈,如图1.1,IP分组使用PPP/HDLC帧封装后,直接在光路上传送。
汇集到边缘IP路由器的分组流通过OADM(光分插复用器)到波长上,然后由OXC(光交叉连接器)的访问端口注入WDM网络。
由于IP路由器和OADM直接相连,可以在两个访问端口之间建立端到端的光路传送IP分组流,如果由于物理网络的限制(如光收/发器数目限制、链路容量限制)无法在源—目的路由器之间建立直接的光路,分组就需要经过若干条首尾相连的光路到达目的路由器,光路与光路之间需要在电层相连(通过光/电/光转换实现)。
1.3网络的生存性策略1.3.1网络故障通常一个装备有Tbit传输系统的光缆的断裂会使2.5亿的电话呼叫中断;尤其是在长途传输网中这种现象经常发生,因此我们有必要关注网络故障。
网络故障可能是链路故障,例如:
光缆断裂,或者节点故障,例如:
特定的设备电源故障。
故障可以是单一的,当网络进行恢复时,没有其他故障发生,也可以是同时发生的多个故障。
1.3.2生存性策略
(1)定义不同的生存性策略可以由网络技术单独定义。
通常是从终端用户的角度以恢复速度来衡量恢复机制的好坏。
恢复过程包括以下几个步骤:
——告警监测/显示——告警的相关性/恢复过程的触发——恢复机制的执行——路由的确认——网络元件的重新装配生存性策略是为一系列的可预见的故障情形设计的,并期望能对任何一种故障提供适当恢复。
(2)分类
网络采用的生存性机制一般可以分为两大类:
(1)保护机制
采用预先规划(pre-planed)的方法分配网络资源,防止未来预期可能出现的网络失效。
优点是由于保护通路的路由和需要的资源已预留,失效恢复时间很短;缺点是灵活性不足,无法恢复预期范围以外的失效,如采用的保护机制是针对防止单链路失效而网络出现多处失效的情况。
(2)恢复机制
在网络出现失效以后,动态寻找可用资源并采用重选路由的方法绕过失效部件。
恢复机制能比保护机制更有效地利用网络资源但失效恢复时间较长,恢复机制的灵活性强于保护机制,可用于网络出现预期范围以外失效时的业务恢复。
合适的生存性策略定义为由网络服务中断引起的收入损失和执行该策略所需费用的折衷。
第2章WDM环形保护
2.1光波分复用(WDM)技术概述
光波分复用(WDM:
WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中能同时传输多个波长的光信号的一种技术。
其基本原理是在发端将不同波长的光信号复用起来,在接收端又将光信号解复用,并送入不同的终端。
WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力、实现超高速通信等具有十分重要的作用。
由采用了WDM技术后,可以使原来只能采用一个波长的光作为载波的单一光信道变成数个不同波长的光信道同时在光纤中传输,因而使光纤通信的容量成倍提高。
此外利用WDM技术还可以实现单纤全双工传输,以及在光纤用户网中增加组网的灵活性。
WDM技术已取得很大进展,目前已经应用于光纤长途干线通信容量升级扩容,以及其他多种形式的光纤网络,是光纤通信发展到一个更高的水平。
目前10GB/s(4×2.5GB/s)的WDM传输设备已经商用化,100GB/s的WDM海底光缆传输系统已在商用海缆线路上进行了试验,160GB/s(16×10GB/s)系统和340GB/s(17×20GB/s)系统也已相继试验成功。
光波分复用(WDM)技术是一种既能将不同波长的光信号组合(合波)起来传播,又能将光纤中组合传输的光信号分开(分波)送入几个不同的通讯终端或指定光纤的一种光通信技术。
具有这种合波分波功能的器件称为光分复用器,根据不同的光学原理可以构成不同的结构,但都具有合波分波功能,合波与分波功能如2.1所示。
由图2.1可以看出,几个信道的不同波长的光信号分别由光纤引入合波器,
合波器能把几个具有不同波长的光信号同时送入传输光纤,而分波器则具有相反的功能,它把同一根光纤中传输的几个信道的光信号分开使之各自独立传送。
2.2光传输网的分层结构
在ITU-T标准G.otn和G.872发布之前,许多学者根据不同的侧重点对光传输网对分层结构进行了研究。
以发布的G.872建议,已明确在光传输网络加入光层,按建议,光层由光信道层,光复用段层和光传输层组成,如图2.2所示.
2.2.1光信道层
光信道层(opticalchannellayer)负责为来自电复用段层的客户信息选择路由并分配波长,为灵活的网络选路安排光信道连接,处理光信道开销,提供光信道的检测或管理功能。
并在故障发生时,通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护切换和网络恢复。
电路层
电通道层
电复用段层
光层
物理层(光纤)
电路层电路层虚通道
PDH通道层SDH通道层虚通道
电复用段层电复用段层(没有)
光信道层
光复用段层
光传输段层
物理层(光纤)
(a)WDM网络(b)光层分解
图2.2光通信网络的分层结构
2.2.2光复用段层
光复用段层(opticalmultiplexingsectionlayer)保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输,为多波长信号提供网络管理。
其主要包括:
为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能;为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销;为网络的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能。
2.2.3光传输段层
光传输段层(opticaltransmissionsectionlayer)为光信号在不同类型的光传输媒质(G.652,G.653,G.655)上提供传输功能,同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。
2.3光节点设备
2.3.1光交叉连接设备(OXC)
OXC的功能与DXC的功能也基本相同,其两个主要功能是:
光通道的交叉连接功能和本地上下路功能。
本地上下路功能可以使某些光通道在本地下路,进入本地网络;同时允许本地的光通道上路,复用到输出链路中传输。
2.3.2分插复用设备(OADM)
光分插复用设备(OADM)可以看成OXC结构的功能简化,它是WDM环行网络的基本组成单元。
一般的,OADM节点用解复用器解出需要下路的光波长,同时把要插入的波长经过复用器复用到光纤上传输。
用不同的方法实现上下路波长的分出与插入就可以构成不同的OADM结构。
使用不同功能的OADM可以构成不同的物理网络。
2.4WDM环形保护
环形网络是一种常见的通信网络拓扑形式。
和网孔结构相比,环形网络在保持较高生存性的同时更容易实现和管理,因此广泛应用于同步数字体系(SDH)传送网中。
OADM的出现促进了WDM环形网的研究和发展。
WDM环形网保留了环形结构的自愈特性,同时在不改变系统结构的情况下,进行容量的平滑升级。
2.4.1环形网的分类
OADM是WDM环形网络的基本组成单元。
WDM环形网络的实现方法多种多样。
1)按节点间波长通道来去业务的传输方向,可以分为单向环和双向环两种。
单向环——来业务的波长传输方向与去业务的波长传输方向相同(如都是顺时针传输或都是逆时针传输)。
双向环——两个传输方向相反。
2)按连接环路中相邻节点的光纤数目,环形网络可分成单纤环、四纤环和多纤环。
其中在单纤环中不容易实现保护功能,故很少使用。
我们主要介绍两纤环、四纤环和多纤环。
1单向两纤环结构
这种结构是当前研究最多,也是比较成熟的一种环形网物理结构。
工作光纤和保护光纤在不同的环路上。
工作光纤复用波长来携带工作业务,备用光纤复用保护波长。
在这种环状结构中,节点之间的通信业务由预定波长携带,对应的来业务方向与去业务方向是同时传输的。
节点之间通过波长连接实现通信。
2双向两纤环
在双向环中,一个双向光通道使用在相同路由上反向传输的波长组来建立。
由于这种结构提供了波长重用的潜在可能性,所以引起人们的广泛关注。
这是因为在双向环中,一个双向通道所使用的波长,只占用该通道包含的区段的波长资源,在环上的其它区段,该波长可以重新用来组织通信。
这种通信有两种实现方法:
1)一种是工作通道占用一根光纤,由单根光纤传输双向业务,另一根用作保护,即单向双纤传输方式,这种方法需要双向的波分复用器和双向的光放大器。
2)一种是工作通道使用两根光纤传输,也就是内外环光纤复用的波长一般用于
传输工作业务,另一半波长保留下来,用于提供保护。
即双纤双向工作方式,在这种结构中,为了提供保护能力,外环光纤的工作波长将由内环光纤的保护波长提供保护,内环光纤的工作波长由外环光纤的保护波长提供保护。
通常,我们使用后一种方法。
图2.3所示环形网络是双纤双向工作方式,也是通常意义上的两纤双向环。
其中右图代表节点在没有波长转换能力情况下,内外环传输光纤中工作波长与保护波长组的配置情况,这里假设波长复用总数为N。
在这种环型结构中,分别由在两根光纤上反向传输的波长建立环路节点之间的双向通信通道,依据节点是否
提供波长转换能力,可以使用相同波长或不相同波长建立这种通信通道。
在节点不提供波长转换能力的情况下,考虑到环路保护的需要,建立一条双向通道时,内外环的工作波长组是不一样的,即λ与λ‘不同;在节点提供波长转换能力的情况下,内外环可以使用相同的波长组,也可以使用相同的波长组,这要依据网络的波长资源分配方案确定。
从图中还可看到,节点A、B之间的通信使用了λ和λ‘,节点C、D之间也使用相同的波长配置构成通信通道,这就是两纤双向环的波长重用能力,可见这种配置方式提高了波长资源的利用效率,同时双向两纤环的控制比单向环也要复杂的多。
3四纤WDM环
在四纤环中,相邻节点用四根光纤连接它们可以分成传输方向相反的两对光纤,其中一对为工作光纤,另一对为保护光纤。
节点之间的通道由顺时针传输的波长和逆时针传输的波长构成。
4多纤环
多纤环是指环路相邻节点之间使用多于四根光纤连接的网络,为了方便处理,所以环路光纤可以分成顺时针和逆时针两组,其中每组有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。
2.4.2环形网的保护
按自愈环被保护的对象划分,得出的两种保护方式:
通道保护和复用段保护,所下面对此做以介绍。
对通道恢复方式,通常是使用1+1或1:
1配制方式,而其中1+1采用“源端
桥接,宿端选优”的配置方式,不需要协议就可以完成,故通道恢复方式通常采用1+1方式。
复用段恢复,也称共享保护,指组成环的每个复用段(一个区段)的保护容量由所有其它区段共享。
以图2.3所示的配置方式为例,区段AB有一定的保护容量,在区段BC、CD或AD出现故障的时候,都可以使用区段AB的保护容量,这就是共享保护的意义所在。
首先,通道倒换环业务量的保护是以通道为基础的,自动倒换的执行是依据离开环的每一个通道传送信号的质量来确定的;复用段倒换环,业务量的保护是以复用段为基础的,自动倒换的执行是依据两个节点间的复用段信号的质量来确定。
其次通道保护通常是简单的利用通道AIS信号来触发,而复用段保护中则利用复用段开销字节k1和k2来探测故障并触发倒换机制。
另外,通道保护中若探测到线路故障,则自动倒换工作就可以在通道层上执行,而与其他的通道状态无关;在复用段保护中,倒换工作在段层上完成,不涉及通道层,当某一复用段发生故障,整个节点间的此复用段业务信号都转向保护环,所以属于共享保护。
WDM环网的保护与SDH环网的保护基本是相同的,所以这里我们不在作太多的介绍,仅以两纤单向配置环和内外环传输方向不同的两纤双向配置环为例对WDM环网的保护作以介绍。
两纤单向环、两纤双向环的复用段保护示意图2.4(a),2.4(b)
图2.4(a)两纤单向复用段保护
1)在单向环中,假设外环光纤做工作光纤,则内环光纤为保护光纤。
一旦一个方向上工作光纤出现故障则受故障影响的区段的工作光载波将被切换到反向传输的内环,绕环传输到对端节点,由接收端从内环中选择光信号实现业务的恢复;另一个方向的工作光载波由于不受故障影响,而保持着原来的传输状态。
2)对于双向环,通常采用内外环都载运工作波长的配置方式,如图2.3,在这种配置中,如果某个传输区段出现故障,则相邻的两个节点都把往故障区段发送的光信号切换到反向传输光纤的保护波长组,绕环传输到对端节点,如图2.4所示在环路保护实施过程中,只是切换了工作波长的传输通道,环路节点的配置状态并没有改变。
在环形网络中,当环路处于正常工作状态时,环路的保护容量可以用来承载不受保护的低优选级业务,即额外业务。
这种额外业务在环路处于故障状态时,必须予以撤消。
第3章IP层的恢复策略
3.1序言
现今,研究领域对INTERNET的QoS问题已经投入很大的努力。
直到最近,才有较少得人关注以IP为上层的网络恢复问题。
但是,随着INTERNET的商业化,以及实时业务的发展基于连接的服务,例如IP电话的恢复性,已经成为以IP为上层的网络设计的核心问题。
在这一部分中,将介绍IP的选路原理、恢复和网络生存性问题,同时,也将提到关于恢复问题的需要和目标在下一代网络结构中的如何定义。
我们将考虑影响IP恢复机制的众多因素,这其中包括IP下层网络对它的影响。
最后,我们会给出一些提高以IP为上层的网络恢复能力的方法。
在IP层,它的自愈机制由其选路机制来体现。
下面将介绍IP层的选路原理。
3.2IP路由选择原理
IP选路在第三层实现,基于无连接逐跳转发。
IP路由器每收到一个IP包就按照包头中的目的地址,通过路由查找以确定下一跳,从而将IP包转发到下一路由器。
路由查找是基于最长地址的匹配,既要在路由表中搜寻与目的地址具有最长地址的匹配的表项,这种查找的开销比较大,特别是路由表很庞大时,成为路由器的瓶颈。
3.2.1分类路由选择有两种类型:
静态路由选择和动态路由选择。
二者之中,只有动态路由选择使用路由选择协议,因而动态路由选择的功能更强,也更复杂。
路由器能以上述两种基本方式进行路由选择。
它们可以使用预先设置好的静态路由,或使用一种动态路由选择协议来动态的计算路由。
路由器可以使用动态路由选择协议来发现路由,然后把分组(或数据报)转发到那些路由上。
3.2.2动态路由选择协议
有三种广义上的动态路由选择协议:
Ø距离矢量路由选择
Ø链路状态路由选择
Ø混和路由选择
1距离矢量路由选择
在基于距离矢量算法(有时也叫贝尔曼——福特算法)的路由选择中,该算法定期给直接相邻的的网络邻居传输它们路由选择表的副本。
每个接受者将一个距离矢量(那就是它自己的距离“值”)加到表中,并转发给它的邻居。
这个过程导致了每一个路由器都能了解其他路由器的情况,并且形成了关于网络“距离”的累计透视图。
该累计图用来更新每个路由器的路由选择表。
完成之后,每个路由器都大概了解了关于到网络资源的“距离”的信息。
它并没有了解其他路由器任何专门的信息或网络的真正拓扑。
因此它们很适用于非常小网络,这些网络没有或者有很少的冗余路径,它们也没有严格的网络性能要求。
2链路状态路由选择链路状态路由选择算法,逐渐成为最短路径优先(SPF,shortestpathfirst),开放最短路径优先(OSPF)是链路状态路由选择协议中的一种。
,链路状态协议支持着一个关于网络拓扑结构的复杂的数据库。
不像距离矢量协议,它建立和维护了关于网络路由器以及它们是怎样互联的整体知识。
这是通过与网络中其他路由器交换链路状态通告(LSA,Link-stateadvertisement)来实现的。
通过链路状态路由选择使用事件(例如变化)来驱动更新(而不是固定间隔的定时),使会聚可以在拓扑发生变化后,很快开始。
它们最好用于大型复杂的网络或必须具有高度可扩展性的网络。
3混合路由选择
路由选择规定的最后一种形式是混合路由选择。
平衡混合路由选择协议使用距离矢量度量,但强调比传统的距离矢量协议更精确的度量,它们还比距离矢量协议会聚更快,却避免了链路状态更新的负担。
平衡路由选择是事件驱动的,而不是定时驱动的,因而把带宽都留给了真正的应用。
3.2.3会聚
1会聚的概念
会聚是指,无论何时网络的拓扑或形状发生变化,网络中的所有路由器必须产生对网络拓扑结构的一个清晰认识的过程。
这个过程通过路由器相互之间共享信息来完成,每个路由器从不同视角独立地计算拓扑变化对它们自己路由的影响,相互形成对新拓扑结构的共识,这称为“会聚”到这个共识。
2引出的问题
会聚可以产生出新的网络合成图,引起拓扑结构的变化。
在正常的工作条件,这种独立和分布式的智能是巨大优势的来源。
但在网络拓扑发生变化期间,会聚过程会实际地带来不稳定和路由选择的问题。
3.3开放路径最短优先(OSPF)
OSPF(OpenShortestPathFirst)是由INTERNET特别任务组(IETF)版的基于链路状态的内部网关路由选择协议。
OSPF网关寻径表依赖一张表示整个网间网中网关与网络拓扑结构的无向图。
各网关根据这张图通过Dijkstra算法计算出路由转发表。
3.3.1OSPF的特点
ØOSPF具有鉴别报文的能力
Ø它能提供多条路径到指定目的地。
Ø它能使用多种因素来定义链路状态。
如,链路长度、比特率等。
Ø能更好的响应用户的需求。
例如,当用户发送较小的报文时,可以用低比特率的链路发送,当传送大型文件时,就可以使用支持高比特率的链路来完成任务。
3.3.2基本概念
1路由选择表
路由选择表的更新,也称作链路状态公告(LSA),直接传输到某个路由器内的其他所有邻居。
每个路由器同过交换LSA,可以建立一个拓扑结构的数据库。
2路由器类型
根据区域的组成部分,可以将OSPF网络范围内的路由其分成三类:
●内部路由器
●区域边缘路由器
●主干路由器
3.3.3路由计算
①计算路由和会聚的能力决定了路由选择协议能力好坏。
路由选择协议进行路由计算取决于下面几个因素:
●协议是否计算和储存每个目标的多个路由
●发起路由选择更新的形式
●计算距离或代价所用的度量
②储存多个路由
③开始更新
一些协议使用时间消息来路由选择更新,另一些使用事件驱动,只要一检测出拓扑发生变化就开始更新。
保持其他变量不变,事件驱动的更新比定时更新花费更少的会聚时间。
④路由选择度量
路由选择协议确定了另一个重要的机制:
度量。
例如,简单的距离矢量协议使用一个委婉的度量:
距离。
它通常只是在两点间的站点数。
⑤链路状态协议(如OSPF)提供基于几个因素计算路由的能力:
●通信负载
●可用带宽
●传播时延
●一个连接的网络代价(尽管这个度量更多的是估计值,而不是实际值)
指定路由代价计算都是将该路由器上所有涉及到的接口的代价求和。
到已知目标的代价之和被记录保存到OSPF最短路径树中。
1)使用自动计算
OSPF能够自动计算接口的代价,此算法依据每类接口支持的带宽。
对指定路由器中所有接口值的求和运算构成了OSPF路由选择决策的基础,这些值能使OSPF根据冗余路由中每条链路的最小可用带宽来计算路由。
图3.1所示的网络对此原理作了说明。
图3.1自动计算的链路代价
在图3.1中,网络193.1.3.0中的一个主机和网络193.1.4.0中的终端系统之间WAN路由代价是138。
此代价是处于这两个网络之间的两条T1链路之和,每条链路的代价为64,加上到网络193.1.4.0的以太网接口代价。
源与目标的以太网接口代价未算入OSPF代价计算中,因为OSPF只计算路由器接口以外的代价。
2)使用缺省路由代价
通常OSPF在有些使用场合可以利用缺省路由代价来计算路由。
3)最短路径树
网络中的每个路由器通过拓扑视图来寻找路由,下面我们通过一个例子说明路由器如何通过最短路径树寻找路由。
如图3.1,该网络的最短路径树随路由器的不同而不同。
例如图3.2展示的树是从路由器3看过去的网络视图。
根路由器(此例中为路由器3——193.1.3.0)能迅速把沿着到指定目标路由所遇到的每个接口代价相加得出总和。
根据路由器3的视图可以把到其他各网络的路由选择代价之和汇总于表3.1中。
对于多于一个站点远的目标,其接口代价汇总在括号中,这样能够使我们通过图3.1中的网络找出所有通。
目标站点距离累积代价
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