城域光網絡中一種雙歸屬保護方案及實現

孫 捷，李連濤，姚 堯，曹 睿（成都信息工程大學通信工程學院，成都610225）

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城域光網絡中一種雙歸屬保護方案及實現

孫 捷，李連濤，姚 堯，曹 睿
（成都信息工程大學通信工程學院，成都610225）

摘要：分析了城域光網絡中接入環和匯聚環之間現有的互聯方式及存在的不足，提出了一種新穎的接入環和匯聚環互聯的雙歸屬保護方案，分析了該方案的優缺點，給出了該方案的網絡拓撲連接、詳細的工作原理、雙歸屬A PS協議包格式和雙歸屬A PS方案的實現框圖。

關鍵詞：城域光網絡；雙歸屬保護；自動保護倒換協議數據單元；連續性檢測消息；等待回復

0　引言

城域光網絡組網層次一般分為兩層，分別是接入層、匯聚層，有的地區根據地域規模還有核心層［1］。接入層和匯聚層一般都是環狀物理拓撲的接入環和匯聚環，而且隨著城域光網絡的全分組化和IP化轉型趨勢以及移動回程應用的爆發性增長，接入層和匯聚層普遍采用了基于分組的PTN網絡及TMPLS/MPLS-TP網絡協議［2］，接入環和匯聚環之間的互聯及保護成為城域光網絡組網中一種必須考慮的關鍵技術。

雙節點環互聯保護是一種效果較好且實際應用較多的接入環和匯聚環互聯方式，由于接入環和匯聚環的環保護協議要協同工作，一般只適用于接入環和匯聚環是同種網絡的情況：比如接入環和匯聚環都是PTN MPLS-TP環網或都是以太ERP環網，而且互聯節點實現較復雜；如果接入環和匯聚環是不同種類的網絡，比如接入環是PTN MPLS-TP環網而匯聚環是以太ERP環網或OTN網絡，由于不同種類網絡環保護協議格式及具體協議行為不同，協議無法互通而無法實現雙節點雙環保護。因此，本文就此問題提出了一種雙歸屬保護解決方案。

1　接入和匯聚環互聯的雙歸屬保護方案

1.1雙歸屬保護方案

保護倒換包括線性保護倒換（1∶1保護倒換或1+1保護倒換）和環保護倒換。ITU-T G.8031和G.8131規范了1∶1保護，基本原理是在系統中配置一個工作通道和一個保護通道，客戶業務在工作通道上傳輸，保護通道不傳業務。工作通道出故障時，客戶業務倒換到保護通道上傳輸［3］。ITU-T G.8032規范了以太網環保護，基本原理是指在系統中配置一個環保護鏈路（RPL），正常情況下RPL處于阻塞狀態，以防止業務成環。當環上出現故障時，RPL則處于連通狀態，讓東/西向受故障影響的業務可以倒換到西/東向鏈路上傳輸［4］。

圖1　雙歸屬保護方案網絡拓撲圖

本文研究了ITU-T G.8131 T-MPLS線性保護和G.8032以太網環保護的的工作原理，并借鑒移動回傳網絡中的雙歸屬（dual-homing）概念，提出一種接入和匯聚環互聯的新穎的雙歸屬保護方案。該方案將MPLS-TP的1∶1隧道保護和以太網環保護ERP相結合，因信號失效（SF）或信號劣化（SD）故障造成的數據丟失時間可以小于50ms。

雙歸屬保護方案如圖1所示，接入環上聯節點NodeA配置兩個上聯端口：主端口和備端口，通過兩條獨立的上聯鏈路 （主鏈路Main-Link和備鏈路Spare-Link）連接到匯聚環的兩個下聯節點NodeB和NodeC上。在接入環上聯節點上除了正常配置有接入環的環保護外，還在Main-Link和Spare-Link之間配置雙歸屬保護；在NodeB和NodeC上，只配置了匯聚環的環保護，不用為雙歸屬保護做額外配置。這是本方案的優點，即只需在接入環上聯節點NodeA上實現雙歸屬保護，匯聚環下聯節點NodeB和NodeC按照自身正常的匯聚環保護工作，無需為實現雙歸屬保護提供額外功能。

這種雙歸屬保護方案相較于鏈路聚合保護方式，不僅可以處理上聯鏈路故障，還可以處理下聯節點故障，且倒換時間優于鏈路聚合方式。相較于雙節點環互聯保護方式，不僅適用于接入環和匯聚環是不同種類的網絡的互聯保護，而且上、下聯節點實現較為簡單。特別對于匯聚環下聯節點，無需額外的保護配置。雙歸屬保護方案的一個缺點是無法處理接入環上聯節點NodeA故障，不過這個缺點可以通過配置板卡級的設備保護來解決（即把上聯節點的主端口和備端口配置在兩個接口板卡上，在這兩個接口板卡上配置板卡級的設備保護，這樣雙歸屬保護方案就可以處理NodeA的板卡和上聯端口SFP的物理故障），可以部分減少雙歸屬保護方案這個缺點的實際影響。

1.2雙歸屬保護APSPDU協議包格式

圖2　雙歸屬保護APSPDU包格式

雙歸屬保護方案的自動保護倒換協議數據單元（APSPDU）包格式如圖2所示。雙歸屬APS協議包借用了G.8032中環保護R-APS協議包格式，目的MAC地址使用固定多播地址01-19-A7-00-00-01。源MAC地址根據APS包從主端口或備端口發送，分別使用主端口或備端口的MAC地址，包類型EtherType=0x8902表示以太網OAM包。

在雙歸屬APSPDU中維護實體級別MEL，即端口上使能快速 CCM時配置 MEP的 MEL。version= 0b00000，表示ERP版本為1。OpCode=40（0x28）表示是環保護的R-APS包。在雙歸屬APS特定信息域中，Node ID是節點的MAC地址，Sub-Code固定為0。另外R-APS特定信息域中有兩個對本方案很關鍵的字段：即請求/狀態域Request/Status和MAC地址刷新控制域DNF。當請求/狀態域Request/Status=0b1011時，表示環上有信號失效；當MAC地址刷新控制域DNF= 0時，表示收到該R-APS的節點需要進行MAC地址的刷新。

如果匯聚環是PTN網絡，雙歸屬APS協議包前面還應加上MPLS包頭。

1.3雙歸屬保護倒換原理及過程

雙歸屬保護方案支持鏈路故障自動倒換以及根據用戶命令做主動倒換。自動倒換中一般靠3.3ms快速CCM檢測鏈路故障，單向或雙向故障都可以觸發自動倒換。命令倒換支持LockOut（鎖定主鏈路命令，工作通道鎖定在主鏈路Main-Link上，即使Main-Link有鏈路故障）、Force（強制備鏈路工作命令，工作通道鎖定在備鏈路Spare-Link上，即使Spare-Link有鏈路故障）、Manual to Spare（在備鏈路Spare-Link沒有故障時手動倒換到備鏈路）、Manual to Main（在主鏈路Main-Link沒有故障時手動倒換到主鏈路）和Clear（清除保護組上的倒換命令）。

當在同一個保護組中自動倒換條件和命令倒換同時存在時，狀態機會根據最高優先級的請求來做決定。優先級從高到低排列如下：LockOut＞Force＞自動倒換＞Manual to Main＞Manual to Spare。

下面詳述本雙歸屬倒換方案在自動倒換和命令倒換時的工作原理和倒換過程。

①上聯鏈路故障自動倒換。上聯鏈路發生故障時，NodeA的快速CCM模塊會檢測到故障并在故障鏈路連接的端口上產生LOC（連接丟失）告警。NodeA判斷故障是否在當前工作鏈路上，如果不在，不進行任何動作；如果故障在當前工作鏈路上，NodeA的FPGA會第一時間以最快的速度在沒有故障的鏈路上連續發3幀雙歸屬APS協議包，將鏈路故障通知到遠端的NodeB或NodeC網元。這樣即使有一個或兩個APS包丟失，對系統也沒有影響。為達到50ms的保護倒換時間，這3幀APS協議包時間間隔可以設為3.3ms，與快速CCM的包發送時間間隔一致。然后，NodeA在發送APS包的同時會觸發雙歸屬倒換，把開關倒換到備用鏈路上，即接入環上行數據發到備用鏈路上，同時從備用鏈路接收匯聚環下行數據。

由于雙歸屬APS協議包借用了環APS包格式，且NodeB和 NodeC上并未配置雙歸屬保護，因此NodeB或NodeC收到NodeA發送的雙歸屬APS協議包后，會將其作為普通的環保護APS協議包進行處理。由于雙歸屬APS協議包中Request/Status=1011（SF）且DNF=0，NodeB或NodeC收到這個編碼組合的APS協議包，即認為匯聚環有信號失效告警且需要地址刷新，NodeB或NodeC就執行地址刷新動作，強制重新進行地址學習，并通告匯聚環上其它節點。因為NodeA已經把接入環上行數據發到備用鏈路上，因此匯聚環就從備鏈路上學習到了接入環的地址，這樣匯聚環發往接入環的業務也會從備鏈路發送出去，完成雙向業務倒換。

②下聯節點故障自動倒換。下聯節點NodeB或NodeC故障時，由于下聯節點故障無法發送CCM包，NodeA在對應的上聯端口上也會產生LOC告警，其后續自動倒換行為類似上聯鏈路故障。

③命令倒換。此時沒有LOC告警，但收到主動倒換命令后也會進行倒換。倒換原理和過程與自動倒換類似，但雙歸屬APS協議包總是在倒換前的工作通道上發送。

環保護中，即使保護狀態沒有變化，也要每5s發送一次APS協議包。雙歸屬保護中，在保護狀態沒有變化期間不發送雙歸屬APS協議包，這樣既簡化了本方案的復雜性，也可以防止匯聚環的額外多余倒換。

雙歸屬倒換還支持可恢復Revertive和不可恢復not-Revertive兩種模式。Revertive模式在主鏈路故障時倒換到備鏈路，在主鏈路故障消失后，則會再倒換回主鏈路。為防止主鏈路在恢復過程中鏈路狀態時好時壞導致CCM告警不穩定，造成保護組頻繁倒換，會設置一個等待恢復時間（WTR）；在主鏈路故障消失后不是馬上倒回主鏈路，也不發送雙歸屬APS包，而是啟動WTR timer進行等待，只有在這個時間段內主鏈路一直沒有故障，WTR timer時間到后才倒回主鏈路，并同時在備鏈路上連發3幀雙歸屬APS協議包。WTR時間一般是5min。not-Revertive模式在主鏈路故障消失后仍然工作在備鏈路上，不再倒換回主鏈路。not-Revertive模式可以減少一次倒換，一般用于主備鏈路質量相近情況下。如果主鏈路質量比備鏈路好，可以使用Revertive模式。

圖3　雙歸屬保護實現框圖

2　雙歸屬保護方案的實現框圖

雙歸屬保護方案的實現框圖如圖3所示。在接入環上聯節點NodeA的主上聯端口和匯聚環下聯節點NodeB的下聯端口之間配置一組3.3ms快速 CCM，NodeA的備上聯端口和匯聚環另一個下聯節點NodeC的下聯端口之間配置另一組3.3ms快速CCM。這兩組CCM用于監測主備上聯鏈路故障。NodeA的主備端口收到的快速CCM包送到FPGA的快速CCM處理模塊。該模塊根據快速CCM故障檢測機制工作，能在10ms內檢測出主備上聯鏈路故障產生或消失，故障可分為SF和SD兩種。

SF/SD故障產生/消失經告警保持定時器延時后進入優先級判定邏輯。告警保持定時器作用是在接入環和匯聚環之間有多種保護機制共存時協調各種保護機制的作用時間。除了主備端口信號失效故障SF_W、SF_P以及主備端口信號劣化故障SD_W、SD_P外，用戶的倒換請求命令如LockOut、Force和Manual等也送入優先級判定邏輯。如果只有一個請求，該請求就被直接送到雙歸屬保護狀態機；如果同時有多個請求，優先級判定邏輯會選擇最高優先級請求送到雙歸屬保護狀態機。

雙歸屬保護狀態機會根據最高優先級倒換請求和保護組的當前狀態決定為主用還是備用鏈路工作，這個決定會通過主備端口開關選擇作用于主備端口以選擇從主用或備用上聯鏈路收發數據。同時這個決定還會通過網元的嵌入式軟件通知給網管系統，使網絡管理員可以知道雙歸屬保護當前的工作鏈路及倒換原因。狀態機還會控制APS包產生器生成雙歸屬APS包發給匯聚環的下聯節點。對Revertive情況，在主用鏈路SF_W和SF_D故障消失時，狀態機會啟動WTR定時器，WTR定時時間到后會觸發狀態機重新選擇主鏈路為工作鏈路。若在WTR時間內主鏈路再次產生告警，狀態機會復位WTR定時器。

3　結束語

本文分析了城域光網絡中接入環和匯聚環現有的各種互聯方式及其優缺點，提出了一種接入環和匯聚環互聯的雙歸屬保護方案。該方案將上行鏈路信號失效或信號劣化故障造成的數據丟失時間控制在50ms內，達到了傳統的SDH線路保護的倒換時間。

參考文獻：

［1］余征然.面向LTE的城域傳送網網絡架構分析及演進策略研究［J］.電信傳輸，2012（5）∶38-40.

［2］黃曉慶，唐劍峰，徐榮.PTN-IP化分組傳送［M］.北京∶郵電大學出版社，2009.

［3］ITU-T G.8131/Y.1382.Linear protection switching for transport MPLS （T-MPLS）networks Amendment［S］.2006.

［4］ITU-T G.8032/Y.1344.Ethernet Ring Protection Switching［S］.2010.

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中圖分類號：TN913.7

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0013-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.004

收稿日期：2016-01-08。

作者簡介：孫捷（1965-），男，教授，研究方向為光網絡技術。

Dual-homing protection scheme and
its realization in metropolitan area optical network

SUN Jie，LI Lian-tao，YAO Yao，CAO Rui
（Institute of Telecom Engineering，CUIT，Chengdu 610225，China）

Abstract：In this paper，a current usual scheme and its shortage are analyzed firstly.This scheme is used in interconnection of access ring and convergence ring in metropolitan area optical network.On account of this shortage，a novel scheme named dual-homing protection is put forward，which can be used in the interconnection above.Then the merit and demerit of the scheme are also analyzed.After this，a series of research results of the new scheme are given in sequence，including network topological link，detailed working principle，dual-homing APS protocol packet format and dual-homing APS implementation block diagram.

Key words：metropolitan area optical network，dual-homing protection，APSPDU，CCM，WTR