光传送网的可移动主控自动保护倒换机制

唐世庆，孙以泽，王 琦,黄 蕾

（1.东华大学机械工程学院，上海201620；2.上海贝尔股份有限公司，上海201206）

光传送网的可移动主控自动保护倒换机制

唐世庆1，2，孙以泽1，王 琦2,黄 蕾2

（1.东华大学机械工程学院，上海201620；2.上海贝尔股份有限公司，上海201206）

在研究光传送网络线性保护倒换和现存解决方案缺点的基础上,提出一种新型可移动主控自动保护倒换机制与其分布式实现方法。介绍了可移动主控保护倒换的结构,描述了该机制在设备多个板卡的协同工作过程。采用FPG A实现的方法进行了仿真，并在网络环境下进行了功能测试。

光传送网；保护倒换；线性保护；光通路数据单元；子网连接保护；自动保护倒换；分布式实现

0 引言

随着光传送网 （OTN）技术的发展和大规模商用的实现，高效、稳定、灵活的传送网络对现代社会与经济的发展至关重要，承载了数十吉比特每秒甚至太比特每秒速率业务的OTN网络若出现光纤毁坏或其它网络故障，会导致大量业务被迫中断，因此，OTN网络的生存能力至关重要。文献[1]定义了OTN在光通路数据单元（ODUk）层面上完备的线性保护方案，接入设备到ODU核心设备的端到端子网工作域可通过冗余的（1+1或1：N）子网互连来保证网络对故障的恢复。文献[2～5]只对OTN保护机制的原理进行了论述。文献[6]和文献[7]研究了倒换故障和保护算法，但没有涉及保护倒换控制方面的研究。文献[8]介绍了一种简单的用FPGA实现的1+1单向ODUk保护倒换控制方式，但实际应用中的保护倒换控制远比文中提到的情况复杂,除了需要支持完整的自动保护倒换（APS）协议外，倒换控制设备的可靠性也至关重要。目前比较常规的硬件控制实现方式是将保护倒换功能集中在核心主卡中，该方式在核心主卡正常工作的情况下能实现工作路径和保护路径的及时倒换，保证业务稳定可靠地运行。但是，一旦核心主卡出现故障，保护倒换无法完成，接入节点将会丢失业务包。为解决集中式保护倒换控制方式不可靠的问题，本文提出一种新型的可移动主控自动保护倒换机制与其分布式实现方法。

1 光传送网的连接保护

光传送网的子网连接保护（ODUk SNCP）能应用于网状、环状和混合结构等任何物理拓扑的网络。它不限制子网络连接中的网元数量，无论是处在两个连接点（CP）之间的子网络连接，还是连接点与终结连接点（TCP）之间或两个终结连接点之间的完整端到端网络连接，都可以受到保护[9]。ODUk SNCP线性保护的保护类型有1+1、1：1和m：n。其中m：n的实现较为复杂，在实际应用中较少使用。SNCP 1+1/1：1保护示意图如图1所示，网元(NE)A和E之间有两个独立的SNC，一个作为工作路径（W），一个作为保护路径（P）。当工作路径发生故障时，保护倒换控制单元将工作路径倒换至保护路径，保证业务正常传送。APS信息在保护SNC上传送，1+1单向保护方式不需要APS协议。

图1 SNCP 1+1/1:1保护示意图

保护倒换控制单元的设计与实现是保证业务正常倒换的关键，通常保护倒换控制功能被集中在核心主卡中，如图2所示。核心主卡由APS FSM处理器、保护倒换表、路径倒换、控制管理、OAM处理器和主CPU组成。当检测到路径信号失效（trail signal fail，TSF）、信号劣化（signal degrade，SD）或从APS包接收到远端倒换请求时，APS FSM处理器把传输数据的路径从工作路径倒换至保护路径。该保护倒换是由主CPU自动或手动实施的。同时，APS FSM状态被报告至主CPU。

图2 自动保护倒换控制集中式实现架构

随着保护倒换组数量的增加，自动保护倒换控制集中式实现架构显露出一些问题，如需要消耗更多的FPGA或硬件资源；增加CPU负载；由于缺少合适的冗余备份导致系统可靠性降低，这些都将对电信服务造成损害。

2 可移动主控APS机制与其分布式实现方式

为了解决保护倒换集中式实现架构存在的问题，本文提出了一种新型的可移动主控APS机制与其分布式实现方式。APS主控部件可以在任何一个卡上，根据预定义的仲裁规则来决定各卡被设为APS主控卡的优先级，若其中一个卡为主控卡，则其它卡都为辅助卡。当主控卡中的APS主控部件发生故障时，根据优先级从多个辅助卡中选择一个辅助卡作为APS主控卡，以替代原有主控卡的APS主控功能，以此保证保护倒换控制功能正常实施。在分布式结构中，保护状态连接（Protection Status Interlink,PSIL）接口用来在主控卡和几个辅助卡之间传送SF/SD告警、APS信息和倒换状态。

2.1 可移动主控APS机制与其分布式实现原理

可移动主控APS机制与其分布式实现方式的原理图如图3所示，每个可移动APS主卡都包括APS FSM处理器（APS主控部件）、APS辅助模块（APS辅助部件）和APS代理模块。每个可移动APS主卡中的APS FSM处理器通过APS代理模块的主端口与所有可移动APS主卡中的APS辅助模块连接。同样，每个可移动APS主卡中的APS辅助模块通过APS代理模块的辅端口与所有可移动APS主卡中的APS FSM处理器连接，即每个卡上的APS FSM处理器都可以与其它卡上的APS辅助模块实施通信，则任一可移动APS主卡中APS辅助模块获得的对应保护倒换组的SF和SD都可以被发送至任一可移动APS主卡的APS FSM处理器中，而任一可移动APS主卡中APS FSM处理器所确定的倒换结果可以被发送至任一可移动APS主卡的APS辅助模块上。另外，从可移动APS主卡端口接收的APS信息和需要发送到端口的APS信息也能在APS FSM处理器和APS辅助模块间传递。分布式PSIL作为在相应的卡之间传送信息的接口。

当原设定的主控卡中的APS主控部件发生故障时，使用预先定义的仲裁规则，从作为辅助卡的可移动APS主卡中选择一个可移动APS主卡作为主控卡。该预定义的仲裁规则是根据各可移动APS主卡对应的保护倒换组组号或卡的识别号来确定各主卡作为主控卡的优先级，通常以槽位0的卡作为默认的主控卡，当主控卡出现故障时，主控权将交给槽位1的卡；当槽位0和槽位1的卡都出现故障时，主控权交给槽位2的卡，以此类推。

图3 可移动主控APS机制及其分布式实现原理

当可移动APS主卡为辅助卡时，其中的APS FSM处理器未被触发，因此不处于工作状态。仅当可移动APS主卡为主控卡时，APS FSM处理器才会被触发进入工作状态。另外，多个可移动APS主卡中只有一个可以被作为主控卡来使用。

2.2 可移动APS主卡工作过程

可移动APS主卡结构图如图4所示。APS辅助模块包括缺陷映射单元、APS接收单元、APS发送单元和路径倒换单元。APS代理模块包括发送单元和接收单元。缺陷映射单元从与之对应的保护倒换组的工作路径中检测到信号缺陷，并把这些缺陷映射为对应的SD或SF。APS接收单元从与之对应的保护倒换组的工作路径中接收APS数据包。APS代理模块中的发送单元把接收到的SF、SD和APS数据包发送至主控卡的APS代理模块的接收单元中。

图4 可移动APS主卡结构图

若该卡为主控卡，APS代理模块中的接收单元通过SF/SD合并单元合并SF或SD，并将结果发送至APS FSM处理器中。同时，APS选择单元1将各APS辅助模块接收到的远端APS数据选出并发送至APS FSM处理器中。SF、SD和接收到的APS数据将触发APS FSM处理器。APS FSM处理器根据各保护倒换组的SF、SD及APS数据生成保护倒换指示并发送APS数据包。该保护倒换指示包括用于指示APS倒换的信息和告知该主控卡的APS FSM处理器被激活的使能信息。保护倒换指示和APS数据包将通过APS代理模块的发送单元经PSIL接口向各可移动APS主卡广播。

APS代理模块中的接收单元通过APS选择单元2从主控卡接收到APS数据，并通过APS发送单元将其插入OTN数据结构的APS字段中。

各可移动APS主卡通过倒换结果选择单元获取与自己对应的保护倒换组的保护倒换指示信息，APS辅助模块中的路径倒换单元按照指示信息对其管理的保护倒换组中的工作路径实施倒换。

2.3 PSIL接口

PSIL接口为各槽位间的多个可移动APS主卡传输数据。PSIL使用8B/10B编码，速率为25MHz，有效数据带宽为20MHz。链路级接收的错误和故障通过8B/10B编码检测，信息以小数据包的格式周期性传输，字节和数据包边界支持K28.5编码。检测校验和check_sum[15：0]被加入数据包结尾，数据包级接收的错误将通过check_sum和8B/10B编码检测。最小包间隙是12字节，PSIL接口发送的信息尺寸为40960比特，对于20MHz的链路，该信息可以在2.05ms内被传输。

3 应用实例

本文设计的可移动主控APS机制可应用于光传输单元（OTU）保护中，如图5所示。客户卡1中有两个10G端口（A和B），该客户卡1相对于工作线卡和保护线卡具有主控第一优先级。端口A和端口B的10G业务被分别送至对应的光通路处理器并通过交叉配置连接至工作线卡和保护线卡中。端口A和端口B的10G业务被分别映射至网元中并进入两个线卡中，两个线卡可以是OTU4接口。根据可移动主控APS机制，工作线卡、保护线卡和客户卡都是主控APS功能的候选者。为避免冲突，我们选择客户卡中的APS主控部件为最高优先级。当某线路发生故障时，默认以客户卡完成APS主控功能。APS主控部件将控制保护倒换并输出APS信息到线端口。

客户卡2同样采用该机制，客户卡2中的APS主控部件完成保护倒换功能并分担系统中保护倒换处理的任务。

图5 可移动主控APS机制在OTU4中应用实例

4 测试结果

本文根据图5中的应用实例进行模拟仿真，采用FPGA实现了可移动主控自动保护倒换机制。假定客户卡1在槽位2（slot2），客户卡2在槽位3（slot3）。主控权初始在槽位2卡上，当工作通道信号失效，槽位2卡根据APS协议正确进行保护倒换控制。处理完成后，槽位2卡APS FSM处理器的处理功能（槽位2卡故障）被禁止，主控权转移到槽位3卡上。当工作通道信号失效时，由槽位3卡进行保护倒换控制。主控权从slot2的中断信号interrupt转移到slot3的中断信号interrupt，其仿真波形如图6所示。通常保护倒换需在50ms内完成，而本机制只消耗了3.03ms即完成了主控权的转移。因此，本机制的主控权转移时间完全可以满足保护倒换的时间需求，对业务无影响。

图6 可移动主控转移仿真波形

5 结束语

本文在研究光传输网络线性保护倒换的基础上,提出了一种新型的可移动主控自动保护倒换机制与其分布式实现方法。通过这种灵活的保护倒换方式，解决了传统集中式保护倒换控制方式不可靠的问题。同时，分布式实现方式易于增加保护组容量、简化网络管理、降低功耗、增强设备可靠性和灵活性。本机制支持1+1和1：N保护，特别对于大容量交换设备与对可靠性要求较高的高等级业务，本机制的多重保护机制能大大降低因系统故障造成的业务丢失概率，具有很强的实用价值。创新的PSIL协议提供主控卡和辅助卡之间高质量的通信服务，降低了设备成本，提高了产品的竞争力。仿真与实验表明，本机制与其实现方式切实可行。

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Mobile master auto protection switching mechanism in optical transport network

TANG Shi-qing1,2,SUN Yi-ze1,WANG Qi2,HUANG Lei2
(1.College of Mechanical Engineering,Donghua University, Shanghai 201620,China；2.Shanghai Bell Co.Ltd,Shanghai 201206,China)

Based on investigating linear protection switching for optical transport networks and the scheme disadvantages of existing solutions,the paper proposes a novel mobile master auto protection switching mechanism and corresponding distributed implementation method.It introduces the mobile protection switching structure and descripts the cooperation among the equipment slot cards.It implements the way and simulates the mechanism on the FPGA platform,and tests the function of the method under the network environment.

OTN,protection switching,linear protection,ODUk,SNCP,APS,distributed implementation

TN92

A

1002-5561（2016）04-0005-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.002

2015-12-10。

唐世庆（1974-），男，博士研究生，主要研究方向为光传输产品芯片设计与验证。