一种光传送网络线性保护快速控制的通用方案设计与实现

摘要：保护技术是提高网络生存能力的关键技术，研究光传送网保护机制，提供高质量的设计与实现无疑具有重要的实践意义。本文提出了一种光传送网络线性保护快速控制的通用方案设计，该方案已在FPGA中实现。仿真和测试结果表明，该方案具有优越的快速保护性能。文中重点介绍了如何实现该保护方案的通用化设计，以提高产品质量和减少设计工作量。

关键词：光传送网；线性保护；通用化设计；FPGA

一、引言

随着5G大规模商用部署的实现，对于光传送网（Optical Transport Network，OTN）的带宽、时延和保护性能提出了更高的要求。保护技术是提高网络生存能力的关键技术，研究OTN保护机制，提高保护的可靠性和快速性，在实践上有着重要的意义[1]。从保护信号类型上，可分为网络级保护和设备级保护。网络级保护主要包括端到端业务电层和光层的保护，设备级保护主要发生在互为保护的设备（例如板卡）之间[2]。从保护实现方式上，可以分为基于软件的保护方案、基于专用芯片的保护方案和基于FPGA芯片的保护方案。基于软件的保护方案具有灵活性强的优点，缺点是发生故障切换时间长[3]。基于专用芯片的保护方案优点是功耗低、速度快，缺点是缺乏通信协议演化的灵活性[4]。而基于FPGA芯片的保护方案则结合了二者的优点，将通信协议升级的灵活性和硬件处理的快速性结合起来。本文提出了一种光传送网络线性快速保护的通用方案设计与实现机制，将传统的硬件保护和光通道分组保护有机融合在一起，减少保护倒换时间，更好地满足低延时、高速率、大带宽、可靠性等客户需求。

二、线性自动保护控制通用化设计

（一）线性自动保护控制原理介绍

一个线性1+1保护组包含一个工作通道和一个保护通道。各自通道的信号缺陷信息关联到各自的SD/SF（Signal Degrade，信号恶化；Signal Fault，信号故障）信号上，并输入线性保护控制器。同时，它接收对端发送的APS（Automatic Protection Switch，自动保护切换）报文信息。线性保护控制器根据这些输入信息结合当前状态，发出倒换命令给倒换控制逻辑做进一步的倒换控制动作，同时向对端发送APS报文信息[5]。其原理如图1所示。

（二）线性自动保护控制方案设计介绍

本文介绍的线性自动保护控制方案实现功能框图如图2所示。该方案可以支持上百个保护组，可以实现快速的保护倒换。同时，它可以适用多种保护场景，并且适配不同外部接口。

一个完整的线性自动保护控制设计包含自动保护主控制模块（APS master（FSM））、自动保护从控制模块（APS slaver）、APS代理模块（APS_agent）和板间控制信息传输链路模块（OH_iLink）。其中，各个模块可以由上层软件通过内部总线进行配置。各个功能模块介绍如下：

1.自动保护主控制模块（APS master（FSM））

自动保护控制主模块实现ITU-T G.873.1标准[2]中定义的控制功能。根据接收到的SD_SF，APS Msg等信息，结合当前的工作状态，得出下一工作状态，并发送APS报文信息，同时向自动保护倒换模块发送倒换指令。

2.自动保护从控制模块（APS slaver）

自动保护从控制模块包括倒换控制模块（switch_proc）和信号缺陷处理模块（defect_proc）

（1）倒换控制模块（switch_proc）

倒换模块负责根据自动保护控制主模块或上层软件下发的命令，打开或关闭接口光模块。当自动保护控制主模块发出新的命令时，生成中断报送上层软件处理。

在正常情况下，倒换控制模块接收自动保护控制主模块发出的倒换指令。但是，如果自动保护控制主模块没有在工作或者传递倒换指令的板间控制信息传输链路中断，倒换模块将恢复到工作正常模式。

（2）信号缺陷处理模块（defect_proc）

信号缺陷处理模块可以用于检测、收集和过滤信号缺陷。来自各板间信号缺陷处理模块处理后的故障会被汇集到保护板上的信号缺陷处理模块，产生的SD/SF信号输出到自动保护控制主模块。这些信号缺陷可以来自业务芯片、可检测的本地信号以及由上层软件查询的信号。

（3）APS报文信息处理模块（APS_oh_proc）

负责提取和插入业务处理模块APS报文信息。

3.APS代理模块（APS_agent）

负责多个APS slaver和APS master之间保护信息的汇集和分发。

4.板间控制信息传输链路模块（OH_iLink）

通过板间控制信息传输链路，各板间可以共享保护相关信息（APS_Msg，SD_SF，switch）。APS IP（intellectual property）知识产权模块2#～n#具备类似上述模块功能。

（三）保护控制方案通用化设计

1.通用化设计

通用化设计不仅可以减少设计工作量，还能提高设计质量，是产品取得成功的重要技術之一。本保护控制方案除了参数定制化外，还通过以下方式来实现通用化设计。

（1）多保护组和多通道的通用化设计

将各通道虚拟成逻辑通道，通过映射配置将物理通道和逻辑通道绑定。一个保护组可以分成工作和保护两个通道，通过映射配置绑定保护组通道与逻辑通道。以信号缺陷传送为例，示意图如图3所示。这样，上层软件可以对资源进行灵活分配和管理。不同应用场景中，业务芯片接口会有不同，这时只需要适配物理通道接口即可，不需要对整个IP内部做任何改动。

（2）将保护功能分解成自动保护主控制模块和自动保护从控制模块

自动保护主控制模块和自动保护从控制模块通过APS代理模块和板间控制信息传输链路模块实现相互通信。所有自动保护从控制模块与主模块之间通信路径几乎相同，从设计上消除多路径延时差。

（3）倒换控制模块通用化设计

在倒换控制模块中，既可以直接对光模块进行控制，也可以通过中断通知软件进行控制。在直接对光模块进行控制的情况下，引入真值表设计（如表1所示），实现多控制输入与单控制输出的灵活配置，实现对光模块控制的通用化设计，如图4所示。

（4）板间控制信息传输链路模块通用化设计

在一些应用情况下，一个板卡会与网元内其他多块板卡一起协同工作，因此会存在多条板间控制信息传输链路[6]。本板控制信息可以广播到多条链路上。内部链路通过交叉设计，可以连接到任意物理传输链路上，也可以环回，从而实现控制信息传输链路的物理解耦。

2.通用化设计应用场景举例

通过通用化设计，该保护方案可以适用多种保护场景，如SNCP（Subnetwork Connection Protection，子网连接保护），Y-cable，OPSB（Optical Protection Switch Card，光保护倒换卡）等。接下来，将介绍这些应用。

（1）SNCP保护方案

在SNCP保护方案中，如图5所示，用户信道接入线路侧网元交换芯片后分成工作（working）通道和保护（protection）通道。这样只要在接入线路侧板卡上配置使能一个完整的保护控制IP（intellectual property，知识产权）即可，工作和保护通道都在一个保护控制从模块内。网元NE1（Network Element）和NE2构成子网（sub network）连接，客户设备（client ADM）的发送端（TX）和接收端（RX）分别与网元NE1和网元NE2相连接。

（2）Y-cable保护方案

在Y-cable保护倒换方案中（如图6所示），不同于SNCP，用户发送信道（Tx）通过无源分合光器（Splitter/joiner）分成工作（working）通道和保护（protection）通道，接收信道则将工作信道和保护信道合成用户接收信道（Rx）。这就要求接收时，只能一个通道在工作，另外一个通道必须关闭。

Y-cable保护控制可以配置如下：

保护板上配置使能完整保护控制IP，在工作板上配置使能除自动控制主模块外的其他功能模块。工作板上的保护控制从模块负责将工作通道上的信号缺陷信息通过板间通信链路发送到保护板上的工作通道上，同时接收来自保护板上的保护主控制模块发送过来的倒换指令去控制开关光模块。保护板上的保护控制从模块则负责传送保护通道上的信号缺陷信息和APS报文信息给保护控制主模块，发送来自主模块的APS报文信息和根据接收的倒换指令去控制开关本板光模块。

（3）OPSB保护方案

在OPSB保护方案中，如图7所示，当通道上有信号缺陷发生时，IO（Input/Output，输入输出）板上需要关闭该通道上的光信号，然后通知OPSB板卡進行倒换。

为实现这一功能，可以在IO板（图中对应working和protection）上进行配置使能完整保护控制IP。使能一个保护组，保护通道悬空默认无信号缺陷，工作通道正常配置。当IO板上检测到有信号缺陷时，APS主控制模块会发出倒换命令给倒换控制模块，关闭与OPSB板卡连接的光模块，OPSB板卡检测到该通道无信号，就会进行业务倒换。

（四）保护控制设计方案倒换性能仿真测试

该线性保护方案适合在芯片实现，可以全程硬件控制，实现从输入信号缺陷到控制输出的快速倒换。对该Y-cable保护控制方案进行了仿真，该设计最大支持保护组512个，通道1024个。仿真结果如图8所示，展示了从信号缺陷输入到倒换控制信号输出以及中断产生的各信号时序图。

图中external_defects和switch_points为保护控制主模块的输入输出信号，clock为时钟信号。从图中可以看出，从保护板保护通道上外部信号缺陷（external_defects）产生到倒换控制开关信号输出（switch_points）总共时长为3.79ms。这样的保护倒换时间相对于通信网要求的50ms倒换时间无疑是非常快速的。在产品实际测试中，也同样体现了保护快速倒换的优越性能。

三、结束语

本文提出的线性保护控制方案通过抽象和虚拟化，以及合理划分功能模块的方式，实现了通用化设计，使得同一设计可以适配不同物理接口，并且通过合理配置可以适用多种保护应用场景。通用化设计极大节省了设计工作量，同时可以提高设计质量。该方案已经通过FPGA实现，从仿真和产品测试结果可以看出，该线性保护控制方案可以进行快速保护倒换，性能突出。它被广泛应用于光传送网络产品中，为网络的可靠运行提供了有力支撑。

参考文献

[1]ITU-T. G.873.1Optics transport network linear protection， 2011， 1-30.

[2]崔静，周凯.光线路保护倒换系统在通信网中的应用[J].科学时代，2012（3）：196-198.

[3]王红，李杰.浅谈继电保护装置与光通信设备接口互连问题[J].科技信息，2012（33）：404-405.

[4]孙传见，王炜.光通信设备的运维对光纤差动保护装置的影响[J].电力系统通信，2007，28（6）：9-11.

[5]陈映晖，刘大林，王琦.一种光传送网接入设备的用户侧板保护方案[J].光通信研究，2017（4）：8-10.

[6]唐世庆，孙以泽，王琦，黄蕾.一种光传送网交叉共享设备保护机制[J].光通信技术，2016，40（12）：35-37.