城域光网络中一种双归属保护方案及实现

孙 捷，李连涛，姚 尧，曹 睿（成都信息工程大学通信工程学院，成都610225）



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城域光网络中一种双归属保护方案及实现

孙 捷，李连涛，姚 尧，曹 睿
（成都信息工程大学通信工程学院，成都610225）

摘要：分析了城域光网络中接入环和汇聚环之间现有的互联方式及存在的不足，提出了一种新颖的接入环和汇聚环互联的双归属保护方案，分析了该方案的优缺点，给出了该方案的网络拓扑连接、详细的工作原理、双归属A PS协议包格式和双归属A PS方案的实现框图。

关键词：城域光网络；双归属保护；自动保护倒换协议数据单元；连续性检测消息；等待回复

0　引言

城域光网络组网层次一般分为两层，分别是接入层、汇聚层，有的地区根据地域规模还有核心层［1］。接入层和汇聚层一般都是环状物理拓扑的接入环和汇聚环，而且随着城域光网络的全分组化和IP化转型趋势以及移动回程应用的爆发性增长，接入层和汇聚层普遍采用了基于分组的PTN网络及TMPLS/MPLS-TP网络协议［2］，接入环和汇聚环之间的互联及保护成为城域光网络组网中一种必须考虑的关键技术。

双节点环互联保护是一种效果较好且实际应用较多的接入环和汇聚环互联方式，由于接入环和汇聚环的环保护协议要协同工作，一般只适用于接入环和汇聚环是同种网络的情况：比如接入环和汇聚环都是PTN MPLS-TP环网或都是以太ERP环网，而且互联节点实现较复杂；如果接入环和汇聚环是不同种类的网络，比如接入环是PTN MPLS-TP环网而汇聚环是以太ERP环网或OTN网络，由于不同种类网络环保护协议格式及具体协议行为不同，协议无法互通而无法实现双节点双环保护。因此，本文就此问题提出了一种双归属保护解决方案。

1　接入和汇聚环互联的双归属保护方案

1.1双归属保护方案

保护倒换包括线性保护倒换（1∶1保护倒换或1+1保护倒换）和环保护倒换。ITU-T G.8031和G.8131规范了1∶1保护，基本原理是在系统中配置一个工作通道和一个保护通道，客户业务在工作通道上传输，保护通道不传业务。工作通道出故障时，客户业务倒换到保护通道上传输［3］。ITU-T G.8032规范了以太网环保护，基本原理是指在系统中配置一个环保护链路（RPL），正常情况下RPL处于阻塞状态，以防止业务成环。当环上出现故障时，RPL则处于连通状态，让东/西向受故障影响的业务可以倒换到西/东向链路上传输［4］。

图1　双归属保护方案网络拓扑图

本文研究了ITU-T G.8131 T-MPLS线性保护和G.8032以太网环保护的的工作原理，并借鉴移动回传网络中的双归属（dual-homing）概念，提出一种接入和汇聚环互联的新颖的双归属保护方案。该方案将MPLS-TP的1∶1隧道保护和以太网环保护ERP相结合，因信号失效（SF）或信号劣化（SD）故障造成的数据丢失时间可以小于50ms。

双归属保护方案如图1所示，接入环上联节点NodeA配置两个上联端口：主端口和备端口，通过两条独立的上联链路 （主链路Main-Link和备链路Spare-Link）连接到汇聚环的两个下联节点NodeB和NodeC上。在接入环上联节点上除了正常配置有接入环的环保护外，还在Main-Link和Spare-Link之间配置双归属保护；在NodeB和NodeC上，只配置了汇聚环的环保护，不用为双归属保护做额外配置。这是本方案的优点，即只需在接入环上联节点NodeA上实现双归属保护，汇聚环下联节点NodeB和NodeC按照自身正常的汇聚环保护工作，无需为实现双归属保护提供额外功能。

这种双归属保护方案相较于链路聚合保护方式，不仅可以处理上联链路故障，还可以处理下联节点故障，且倒换时间优于链路聚合方式。相较于双节点环互联保护方式，不仅适用于接入环和汇聚环是不同种类的网络的互联保护，而且上、下联节点实现较为简单。特别对于汇聚环下联节点，无需额外的保护配置。双归属保护方案的一个缺点是无法处理接入环上联节点NodeA故障，不过这个缺点可以通过配置板卡级的设备保护来解决（即把上联节点的主端口和备端口配置在两个接口板卡上，在这两个接口板卡上配置板卡级的设备保护，这样双归属保护方案就可以处理NodeA的板卡和上联端口SFP的物理故障），可以部分减少双归属保护方案这个缺点的实际影响。

1.2双归属保护APSPDU协议包格式

图2　双归属保护APSPDU包格式

双归属保护方案的自动保护倒换协议数据单元（APSPDU）包格式如图2所示。双归属APS协议包借用了G.8032中环保护R-APS协议包格式，目的MAC地址使用固定多播地址01-19-A7-00-00-01。源MAC地址根据APS包从主端口或备端口发送，分别使用主端口或备端口的MAC地址，包类型EtherType=0x8902表示以太网OAM包。

在双归属APSPDU中维护实体级别MEL，即端口上使能快速 CCM时配置 MEP的 MEL。version= 0b00000，表示ERP版本为1。OpCode=40（0x28）表示是环保护的R-APS包。在双归属APS特定信息域中，Node ID是节点的MAC地址，Sub-Code固定为0。另外R-APS特定信息域中有两个对本方案很关键的字段：即请求/状态域Request/Status和MAC地址刷新控制域DNF。当请求/状态域Request/Status=0b1011时，表示环上有信号失效；当MAC地址刷新控制域DNF= 0时，表示收到该R-APS的节点需要进行MAC地址的刷新。

如果汇聚环是PTN网络，双归属APS协议包前面还应加上MPLS包头。

1.3双归属保护倒换原理及过程

双归属保护方案支持链路故障自动倒换以及根据用户命令做主动倒换。自动倒换中一般靠3.3ms快速CCM检测链路故障，单向或双向故障都可以触发自动倒换。命令倒换支持LockOut（锁定主链路命令，工作通道锁定在主链路Main-Link上，即使Main-Link有链路故障）、Force（强制备链路工作命令，工作通道锁定在备链路Spare-Link上，即使Spare-Link有链路故障）、Manual to Spare（在备链路Spare-Link没有故障时手动倒换到备链路）、Manual to Main（在主链路Main-Link没有故障时手动倒换到主链路）和Clear（清除保护组上的倒换命令）。

当在同一个保护组中自动倒换条件和命令倒换同时存在时，状态机会根据最高优先级的请求来做决定。优先级从高到低排列如下：LockOut＞Force＞自动倒换＞Manual to Main＞Manual to Spare。

下面详述本双归属倒换方案在自动倒换和命令倒换时的工作原理和倒换过程。

①上联链路故障自动倒换。上联链路发生故障时，NodeA的快速CCM模块会检测到故障并在故障链路连接的端口上产生LOC（连接丢失）告警。NodeA判断故障是否在当前工作链路上，如果不在，不进行任何动作；如果故障在当前工作链路上，NodeA的FPGA会第一时间以最快的速度在没有故障的链路上连续发3帧双归属APS协议包，将链路故障通知到远端的NodeB或NodeC网元。这样即使有一个或两个APS包丢失，对系统也没有影响。为达到50ms的保护倒换时间，这3帧APS协议包时间间隔可以设为3.3ms，与快速CCM的包发送时间间隔一致。然后，NodeA在发送APS包的同时会触发双归属倒换，把开关倒换到备用链路上，即接入环上行数据发到备用链路上，同时从备用链路接收汇聚环下行数据。

由于双归属APS协议包借用了环APS包格式，且NodeB和 NodeC上并未配置双归属保护，因此NodeB或NodeC收到NodeA发送的双归属APS协议包后，会将其作为普通的环保护APS协议包进行处理。由于双归属APS协议包中Request/Status=1011（SF）且DNF=0，NodeB或NodeC收到这个编码组合的APS协议包，即认为汇聚环有信号失效告警且需要地址刷新，NodeB或NodeC就执行地址刷新动作，强制重新进行地址学习，并通告汇聚环上其它节点。因为NodeA已经把接入环上行数据发到备用链路上，因此汇聚环就从备链路上学习到了接入环的地址，这样汇聚环发往接入环的业务也会从备链路发送出去，完成双向业务倒换。

②下联节点故障自动倒换。下联节点NodeB或NodeC故障时，由于下联节点故障无法发送CCM包，NodeA在对应的上联端口上也会产生LOC告警，其后续自动倒换行为类似上联链路故障。

③命令倒换。此时没有LOC告警，但收到主动倒换命令后也会进行倒换。倒换原理和过程与自动倒换类似，但双归属APS协议包总是在倒换前的工作通道上发送。

环保护中，即使保护状态没有变化，也要每5s发送一次APS协议包。双归属保护中，在保护状态没有变化期间不发送双归属APS协议包，这样既简化了本方案的复杂性，也可以防止汇聚环的额外多余倒换。

双归属倒换还支持可恢复Revertive和不可恢复not-Revertive两种模式。Revertive模式在主链路故障时倒换到备链路，在主链路故障消失后，则会再倒换回主链路。为防止主链路在恢复过程中链路状态时好时坏导致CCM告警不稳定，造成保护组频繁倒换，会设置一个等待恢复时间（WTR）；在主链路故障消失后不是马上倒回主链路，也不发送双归属APS包，而是启动WTR timer进行等待，只有在这个时间段内主链路一直没有故障，WTR timer时间到后才倒回主链路，并同时在备链路上连发3帧双归属APS协议包。WTR时间一般是5min。not-Revertive模式在主链路故障消失后仍然工作在备链路上，不再倒换回主链路。not-Revertive模式可以减少一次倒换，一般用于主备链路质量相近情况下。如果主链路质量比备链路好，可以使用Revertive模式。

图3　双归属保护实现框图

2　双归属保护方案的实现框图

双归属保护方案的实现框图如图3所示。在接入环上联节点NodeA的主上联端口和汇聚环下联节点NodeB的下联端口之间配置一组3.3ms快速 CCM，NodeA的备上联端口和汇聚环另一个下联节点NodeC的下联端口之间配置另一组3.3ms快速CCM。这两组CCM用于监测主备上联链路故障。NodeA的主备端口收到的快速CCM包送到FPGA的快速CCM处理模块。该模块根据快速CCM故障检测机制工作，能在10ms内检测出主备上联链路故障产生或消失，故障可分为SF和SD两种。

SF/SD故障产生/消失经告警保持定时器延时后进入优先级判定逻辑。告警保持定时器作用是在接入环和汇聚环之间有多种保护机制共存时协调各种保护机制的作用时间。除了主备端口信号失效故障SF_W、SF_P以及主备端口信号劣化故障SD_W、SD_P外，用户的倒换请求命令如LockOut、Force和Manual等也送入优先级判定逻辑。如果只有一个请求，该请求就被直接送到双归属保护状态机；如果同时有多个请求，优先级判定逻辑会选择最高优先级请求送到双归属保护状态机。

双归属保护状态机会根据最高优先级倒换请求和保护组的当前状态决定为主用还是备用链路工作，这个决定会通过主备端口开关选择作用于主备端口以选择从主用或备用上联链路收发数据。同时这个决定还会通过网元的嵌入式软件通知给网管系统，使网络管理员可以知道双归属保护当前的工作链路及倒换原因。状态机还会控制APS包产生器生成双归属APS包发给汇聚环的下联节点。对Revertive情况，在主用链路SF_W和SF_D故障消失时，状态机会启动WTR定时器，WTR定时时间到后会触发状态机重新选择主链路为工作链路。若在WTR时间内主链路再次产生告警，状态机会复位WTR定时器。

3　结束语

本文分析了城域光网络中接入环和汇聚环现有的各种互联方式及其优缺点，提出了一种接入环和汇聚环互联的双归属保护方案。该方案将上行链路信号失效或信号劣化故障造成的数据丢失时间控制在50ms内，达到了传统的SDH线路保护的倒换时间。

参考文献：

［1］余征然.面向LTE的城域传送网网络架构分析及演进策略研究［J］.电信传输，2012（5）∶38-40.

［2］黄晓庆，唐剑峰，徐荣.PTN-IP化分组传送［M］.北京∶邮电大学出版社，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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中图分类号：TN913.7

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0013-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.004

收稿日期：2016-01-08。

作者简介：孙捷（1965-），男，教授，研究方向为光网络技术。

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