保護(hù)組疊加倒換方法的研究與應(yīng)用

侯 磊

(上海欣諾通信技術(shù)股份有限公司，上海 201613)

0 引言

光傳送網(wǎng)(Optical Transport Network，OTN)廣泛應(yīng)用于骨干傳送網(wǎng)，基于波分復(fù)用技術(shù)，可以和現(xiàn)網(wǎng)中的光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)(SDH) 和波分復(fù)用(WDM) 設(shè)備融合，提供大顆粒度的復(fù)用、交叉和配置，顯著提升傳輸網(wǎng)對(duì)高帶寬數(shù)據(jù)的適配和傳送效率[1]。同時(shí)OTN設(shè)備還提供了靈活的基于電層和光層的業(yè)務(wù)保護(hù)功能，如基于光通路數(shù)據(jù)單元(ODUk)層的子網(wǎng)連接保護(hù)(SNCP)和共享環(huán)網(wǎng)保護(hù)等[2-3]。

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對(duì)于某些重要業(yè)務(wù)配置多個(gè)不同層次的保護(hù)是必不可少的，當(dāng)其中一個(gè)保護(hù)失效時(shí)還能確保其他的保護(hù)通道為這些業(yè)務(wù)提供保護(hù)，保證重要業(yè)務(wù)不會(huì)發(fā)生中斷[4]。這樣就會(huì)出現(xiàn)多重保護(hù)組疊加的情況，即一個(gè)保護(hù)組的工作或保護(hù)通道可能同時(shí)作為另一個(gè)保護(hù)組的工作或保護(hù)通道。如何進(jìn)行正確的業(yè)務(wù)切換是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題[5-6]。另外，在多重保護(hù)組疊加的情況下，為了防止同一個(gè)故障引起多個(gè)保護(hù)組一起倒換，這些不同層次保護(hù)組的保護(hù)倒換處理通常都是串行執(zhí)行[7]，也就是優(yōu)先倒換其中一個(gè)主要保護(hù)組，其他的保護(hù)組設(shè)置一個(gè)等待時(shí)間，在這個(gè)等待時(shí)間內(nèi)故障不會(huì)觸發(fā)其他保護(hù)組的保護(hù)倒換，在主要保護(hù)組失效的情況下，由于等待時(shí)間的原因，其總的保護(hù)倒換耗時(shí)隨著保護(hù)組疊加的層數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)，保護(hù)倒換總耗時(shí)將較長(zhǎng)，難以滿足業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間小于50 ms的要求[8]。

因此本文提出一種應(yīng)用于光傳輸網(wǎng)的保護(hù)組疊加倒換方法，實(shí)現(xiàn)多重保護(hù)的同時(shí)，倒換時(shí)間能夠降低到幾毫秒，加快倒換時(shí)間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 保護(hù)組系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為實(shí)現(xiàn)疊加保護(hù)的原理示意圖。如圖所示，利用多種保護(hù)方式疊加保護(hù)重要的OTN業(yè)務(wù)，該條業(yè)務(wù)在光傳送網(wǎng)絡(luò)正常無(wú)故障時(shí)通過(guò)光通信設(shè)備A和B之間的工作路徑傳輸，當(dāng)工作通道發(fā)生故障時(shí)業(yè)務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到A和B之間的保護(hù)通道#1上，當(dāng)A和B之間的工作通道和保護(hù)通道#1同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，業(yè)務(wù)會(huì)切換到經(jīng)過(guò)光通信設(shè)備C的保護(hù)通道#2上，實(shí)現(xiàn)通過(guò)高階保護(hù)和低階保護(hù)來(lái)疊加保護(hù)一條業(yè)務(wù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

圖1 OTN設(shè)備間的工作通道及保護(hù)通道走向圖

圖2為OTN設(shè)備之間的業(yè)務(wù)通過(guò)工作通道的示意圖，采用交叉芯片方案實(shí)現(xiàn)光通信設(shè)備D和E的保護(hù)通道，每個(gè)光通信設(shè)備包括多塊板卡：業(yè)務(wù)盤(pán)、交叉盤(pán)和線路盤(pán)。在OTN中以D為本地網(wǎng)元設(shè)備，以E為遠(yuǎn)端網(wǎng)元設(shè)備，本地網(wǎng)元設(shè)備D的本地業(yè)務(wù)通過(guò)業(yè)務(wù)盤(pán)接入系統(tǒng)，通過(guò)交叉盤(pán)交換到線路盤(pán)并通過(guò)光纖傳送到遠(yuǎn)端網(wǎng)元設(shè)備E。在交叉盤(pán)上有業(yè)務(wù)交叉芯片及保護(hù)狀態(tài)機(jī)，具體的業(yè)務(wù)交叉配置以及倒換計(jì)算都是在交叉盤(pán)中完成的。每個(gè)線路盤(pán)上包含光通信單元，例如OTN成幀器，OTN業(yè)務(wù)通過(guò)光纖進(jìn)入OTN成幀器，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將保護(hù)協(xié)議所需要的開(kāi)銷字節(jié)傳入保護(hù)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行保護(hù)計(jì)算，具體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則進(jìn)入業(yè)務(wù)交叉矩陣進(jìn)行交換。各線路卡作為網(wǎng)元設(shè)備的通信單元，本地和對(duì)端網(wǎng)元設(shè)備的多塊線路卡之間可以建立多個(gè)保護(hù)組，并且這些保護(hù)組可以相互疊加。比如圖2的線路盤(pán)1和線路盤(pán)2組成高階保護(hù)組，線路盤(pán)1上的業(yè)務(wù)被線路盤(pán)2上的保護(hù)通道#1保護(hù)；線路盤(pán)1和線路盤(pán)3組成低階保護(hù)組，線路盤(pán)1上的業(yè)務(wù)同時(shí)還能被線路盤(pán)3上的保護(hù)通道#2保護(hù)。這條業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)無(wú)故障時(shí)的業(yè)務(wù)路徑走向如圖2所示，當(dāng)高階保護(hù)組和低階保護(hù)組都是1+1保護(hù)時(shí)，發(fā)送方向業(yè)務(wù)會(huì)從業(yè)務(wù)盤(pán)廣播到線路卡1、2和3，接收方向會(huì)通過(guò)線路盤(pán)1上的工作通道接收業(yè)務(wù)。各通信單元間形成有多個(gè)保護(hù)組，進(jìn)一步加大了保護(hù)的力度。

圖2 OTN設(shè)備之間的業(yè)務(wù)通過(guò)工作通道的示意圖

2 保護(hù)組疊加倒換方法

本文通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)的保護(hù)組疊加倒換方法，具體分為以下3個(gè)步驟：

(1)每個(gè)保護(hù)狀態(tài)機(jī)獨(dú)立進(jìn)行與其預(yù)先關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)保護(hù)組的自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議運(yùn)算。

自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議運(yùn)算的結(jié)果包括：保護(hù)組的保護(hù)倒換狀態(tài)、代表本網(wǎng)元設(shè)備APS協(xié)議狀態(tài)如果發(fā)生更新，將會(huì)向?qū)Χ司W(wǎng)元設(shè)備發(fā)送APS字節(jié)、對(duì)受故障影響的業(yè)務(wù)需進(jìn)行的保護(hù)倒換操作的倒換結(jié)果。FPGA通過(guò)HAPS硬件總線檢測(cè)多個(gè)通信單元(即成幀器)的倒換觸發(fā)信息，倒換觸發(fā)信息包括故障狀態(tài)信息或發(fā)生變化的APS字節(jié)信息；在檢測(cè)到倒換觸發(fā)信息時(shí)，F(xiàn)PGA可獲知其相關(guān)的業(yè)務(wù)信息，并通過(guò)硬件總線發(fā)送報(bào)文以通知與該業(yè)務(wù)信息所涉及的保護(hù)組對(duì)應(yīng)的保護(hù)狀態(tài)機(jī)，保護(hù)狀態(tài)機(jī)執(zhí)行自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議運(yùn)算，倒換觸發(fā)條件可以是本地或遠(yuǎn)端網(wǎng)元設(shè)備的工作端口或保護(hù)端口的故障狀態(tài)信息。

(2)FPGA根據(jù)自動(dòng)保護(hù)倒換協(xié)議運(yùn)算結(jié)果更新用于記錄各保護(hù)組狀態(tài)的至少一個(gè)保護(hù)狀態(tài)表，并根據(jù)保護(hù)狀態(tài)表更新用于執(zhí)行通信單元間業(yè)務(wù)交叉的交叉表。

交叉表中存儲(chǔ)有多條交叉記錄，每條交叉記錄對(duì)應(yīng)于一源點(diǎn)至宿點(diǎn)的業(yè)務(wù)，其中，源點(diǎn)和宿點(diǎn)為通信單元，交叉記錄包含對(duì)應(yīng)的源點(diǎn)字段及宿點(diǎn)字段，源點(diǎn)字段的內(nèi)容是源點(diǎn)的索引信息，宿點(diǎn)字段的內(nèi)容是宿點(diǎn)的索引信息。保護(hù)狀態(tài)表中存儲(chǔ)有至少部分業(yè)務(wù)中與其源點(diǎn)及宿點(diǎn)相關(guān)的各個(gè)高階保護(hù)組和低階保護(hù)組的保護(hù)組記錄，每個(gè)高階或低階保護(hù)組由工作通道及保護(hù)通道構(gòu)成，每條保護(hù)組記錄包含一保護(hù)組的工作通道字段、保護(hù)通道字段及保護(hù)倒換狀態(tài)字段，工作通道和保護(hù)通道字段的內(nèi)容分別為工作通道和保護(hù)通道對(duì)應(yīng)通信單元的索引，保護(hù)倒換狀態(tài)字段顯示保護(hù)組當(dāng)前業(yè)務(wù)處于工作通道還是保護(hù)通道。

(3)FPGA將更新后的交叉表配置至交叉芯片，以供交換芯片根據(jù)交叉表執(zhí)行業(yè)務(wù)交叉。

FPGA將交叉表配置進(jìn)交叉芯片，就從硬件上建立了一條物理業(yè)務(wù)交叉通路。整個(gè)過(guò)程能有效地克服現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

圖3 4層保護(hù)疊加的業(yè)務(wù)流的拓?fù)涫疽鈭D

圖3為高階保護(hù)組疊加低階保護(hù)組結(jié)構(gòu)圖，某條單向業(yè)務(wù)，源點(diǎn)是A點(diǎn)，宿點(diǎn)是B點(diǎn)，其中A點(diǎn)受到一組低階保護(hù)組(工作通道A，保護(hù)通道a)的保護(hù)，而該低階保護(hù)組工作通道A點(diǎn)和保護(hù)通道a點(diǎn)分別受到一組高階保護(hù)組(工作通道A，保護(hù)通道A′)、(工作通道a，保護(hù)通道a′)的保護(hù)；同樣，B點(diǎn)受到一組低階保護(hù)組(工作通道B，保護(hù)通道b)的保護(hù)，而該保護(hù)組的工

作通道B點(diǎn)和保護(hù)通道b點(diǎn)又分別受到一組高階保護(hù)組(工作通道B，保護(hù)通道B′)、(工作通道b，保護(hù)通道b′)的保護(hù)。

對(duì)于這條單向業(yè)務(wù)，其源點(diǎn)A的業(yè)務(wù)將被廣播到4個(gè)宿點(diǎn)：B點(diǎn)、B′點(diǎn)、b點(diǎn)和b′點(diǎn)，而該業(yè)務(wù)有4個(gè)備選源點(diǎn)：A點(diǎn)、A′點(diǎn)、a點(diǎn)和a′點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)各保護(hù)組的實(shí)際倒換狀態(tài)選擇其中一個(gè)邏輯源點(diǎn)作為業(yè)務(wù)源端。

3 具體實(shí)現(xiàn)案例及分析

根據(jù)上述理論步驟描述，采用具體實(shí)施方案做進(jìn)一步的詳細(xì)解釋。本方案采用如圖4所示的交叉盤(pán)實(shí)現(xiàn)4層保護(hù)疊加的橋接和選收路徑的建模。模型中對(duì)業(yè)務(wù)的發(fā)送和接收端都采用高階保護(hù)組疊加低階保護(hù)組方案。

圖4 4層保護(hù)疊加的橋接和選收路徑模型

用戶創(chuàng)建OTU-2端口2 ODU1#2到OTU-2端口4 ODU1#4的雙向交叉連接，并且創(chuàng)立了以下保護(hù)組：

(1)高階ODU2保護(hù)組#1 (工作通道:OTU-2端口2,保護(hù)通道:OTU-2端口1)；

(2)高階ODU2保護(hù)組#2 (工作通道:OTU-2端口4,保護(hù)通道:OTU-2端口3)；

(3)高階ODU2保護(hù)組#3 (工作通道:OTU-2端口6,保護(hù)通道:OTU-2端口5)；

(4)高階ODU2保護(hù)組#4 (工作通道:OTU-2端口8,保護(hù)通道:OTU-2端口7)。

并且在上述高階ODU2保護(hù)組#1中疊加創(chuàng)建了以下低階保護(hù)組：

低階ODU1保護(hù)組#1 (工作通道:OTU-2端口2 ODU1#2,保護(hù)通道:OTU-2端口6 ODU1 #4)。

圖5為保護(hù)組疊加倒換方法實(shí)現(xiàn)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。FPGA通信連接至光通信設(shè)備中的交叉芯片及一或多個(gè)光通信單元，交叉芯片用于執(zhí)行多個(gè)光通信單元的業(yè)務(wù)交叉，當(dāng)然，也可以在其他方案中實(shí)現(xiàn)業(yè)

圖5 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

務(wù)交叉，并不局限于某一種案例。

根據(jù)上述原理，具體說(shuō)明交叉表更新方法的原理：

(1)一條單向交叉，源點(diǎn)是B，宿點(diǎn)是A。首先在高階保護(hù)狀態(tài)表查找是否包含有宿點(diǎn)A的高階保護(hù)組，在上述配置中可以查到，A點(diǎn)是高階保護(hù)組#1的工作通道，所以邏輯宿點(diǎn)為A；

(2)在低階保護(hù)狀態(tài)表查找包含有邏輯宿點(diǎn)A的低階保護(hù)組，結(jié)果在上述配置中可以查到，A點(diǎn)是低階保護(hù)組#1的工作通道，所以邏輯宿點(diǎn)仍然為A；

(3)在交叉表查找包含有邏輯宿點(diǎn)A的交叉記錄，結(jié)果可以查到，則業(yè)務(wù)#2，A點(diǎn)為宿點(diǎn)，邏輯源點(diǎn)設(shè)為B點(diǎn)；

(4)在低階保護(hù)狀態(tài)表查找包含有邏輯源點(diǎn)B的低階保護(hù)組，結(jié)果可以查到，低階保護(hù)組#2，當(dāng)前業(yè)務(wù)走在保護(hù)通道b，所以邏輯源點(diǎn)設(shè)為b；

(5)在高階保護(hù)狀態(tài)表查找包含有邏輯源點(diǎn)B的高階保護(hù)組，結(jié)果可以查到，高階保護(hù)組#4，當(dāng)前業(yè)務(wù)走在工作通道b，所以邏輯源點(diǎn)仍然為b。

因此這條單向交叉的宿點(diǎn)是A，源點(diǎn)是b。將此運(yùn)算結(jié)果更新至交叉表中，如圖6所示。

圖6 交叉表更新運(yùn)算的示意圖

從圖6可見(jiàn)，整個(gè)查表過(guò)程中，是以交叉和保護(hù)組的宿點(diǎn)的索引作為一條交叉和保護(hù)組的索引，算法中的查詢操作就成了以宿點(diǎn)為索引的讀表操作，一條尋址指令就可以完成，而且與表的內(nèi)容的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，是一個(gè)微秒級(jí)的恒定值。

通過(guò)上述方式，在硬件上實(shí)現(xiàn)了保護(hù)倒換疊加功能并能極大地提高疊加保護(hù)倒換性能，可將倒換時(shí)間降低到幾毫秒。

4 結(jié)論

本文提出的保護(hù)組疊加倒換方法，通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)多個(gè)保護(hù)狀態(tài)機(jī)，交叉芯片在業(yè)務(wù)交叉過(guò)程中以宿點(diǎn)作為對(duì)保護(hù)狀態(tài)表和交叉表進(jìn)行讀取操作的索引，將倒換時(shí)間降低到幾毫秒，極大地提高了保護(hù)倒換性能。本文模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多重保護(hù)的同時(shí)，提高了倒換速率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。