SDH自愈网的工作原理

1.SDH 自愈网的特点与分类

（1）网络保护与网络恢复

当今社会对信息的依赖性越来越大，一旦通信网络出错，甚至瘫痪，将对整个社会造成极大的损失。因此在设计网络时，首先面临的问题便是如何确保网络的生存性。目前在实际应用中，一般采用以下两种方法，即网络保护和网络恢复。

网络保护一般是指利用节点间预先分配的容量实施网络保护，即当一个工作通路发生失效事件时，利用备用设备的倒换动作，使信号通过保护通路仍保持有效，如1+1保护、m∶n保护等。保护倒换的时间很短。

网络恢复一般是指利用节点间可用的任何容量实施网络中业务的恢复，它可大大节省网络资源，同时又能保证所需的网络资源，其实质是在网络中寻找失效路由的替代路由，但需要相对较长的计算时间。

网络保护是目前常用的方法，它根据不同的分类有以下不同的具体实现方式。

1）以网络的功能结构分类

若以网络的功能结构分类，网络保护可以分为路径保护和子网连接保护两大类。

①路径保护。当工作路径失效或者性能劣于某一必要的水平时，工作路径将由保护路径所代替，路径终端可以提供路径状态的信息，而保护路径终端则提供受保护路径状态的信息。这两种信息提供了保护启动的依据。路径保护包括线性复用段（MS）保护、MS共享保护环、MS专用保护环以及线性VC 路径保护。例如，复用段保护（MSP）是在两个复用段终端（MST）功能之间，提供功能的和物理媒质的冗余，也就是该复用段包括两个复用段终端（MST）功能。因此，MSP功能在一个复用段内为STM-N 信号可提供保护，克服失效。MSP功能块通过复用段开销（MSOH）的K 字节规定了面向比特的协议，它与远端MSP功能块一起协同完成保护倒换。MSP 功能块还与用于自动和人工倒换控制的同步设备维护功能块（SEMF）进行通信。其中，自动保护倒换是根据SEMF接收到的信号状态启动，人工保护倒换则是通过SEMF收到的指令执行本地和远端倒换。

②子网连接保护。当工作子网连接失效或性能劣于某一必要的水平时，工作子网连接将由保护子网连接所代替。子网连接保护可以应用于网络内的任何层，被保护的子网连接可以进一步由低等级的子网连接和链路连接级联而成。通常子网连接没有固定的监视能力，因而子网保护方案可以进一步用监视子网连接的方法来实现。在实现子网连接保护时，一般利用高阶通道连接（HPC）和低阶通道连接（LPC）的连接功能提供的倒换功能，它包括固有监测的子网连接保护及利用非介入式监测的子网连接保护。这种保护方式主要针对某一子网连接预先安排专用的保护路由，即利用HPC和LPC提供重选路由手段，因而能提供网络保护。采用这种保护时，所有点到点的连接都不需要上面所述的MS保护等手段。

2）以网络的物理拓扑分类

若以网络的物理拓扑分类，网络保护可分成自动线路保护倒换、环型网保护（利用ADM）和网状网保护（利用DXC）等。通过采用以上技术，即可实现网络保护，网络也就变成自愈网。

下面主要从网络拓扑的角度出发，重点介绍自愈网的特点与应用。

（2）自愈的概念

自愈是指通信网络发生故障时，无须人为干预，即可在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。其基本原理就是使网络具备发现故障并能找到替代传送路由的能力，在一定时限内重新建立通信。自愈是生存性网络最突出的特点，SDH 自愈网的提出主要有以下3方面的原因。

1）光纤传输网络的发展

光纤通信容量大、损耗低、信号质量高，目前已得到大量应用。但一条光纤的切断将会影响大量的业务，因此采用先进的网络保护和恢复技术是光纤网广泛发展的前提之一。

2）智能网元的出现

由数字交叉连接系统（DXC）和分插复用器（ADM）等设备构成的网络节点，能够灵活地配置网络资源，建立迂回路由，绕过失效的部件。

3）SDH 标准的制定

SDH 帧结构中定义了丰富的开销字节，可用于网络的OAM 操作，即利用SDH 开销中的嵌入控制信道或某些用途未定的字节来传送自愈消息；另一方面，这些开销为形成分布式控制的自愈网提供了可能。

SDH 的网络管理系统的管理功能分为5个部分：配置管理、故障管理、性能管理、计费管理和安全管理。其中故障管理又可分为故障检测、故障定位和故障恢复3个部分。而故障恢复分为人工和自动两个部分，自愈即是其中的自动故障恢复。不过要指出的是，自愈网的概念只涉及建立迂回路由、重新建立通信，而不管具体失效元部件的修复或更换，后者仍需人工干预才能完成，因此说通信网络的自愈实质是对业务的自愈。

（3）自愈网的种类

根据网络备用资源的使用方法和节点控制逻辑的复杂性的不同，自愈网技术可分为“保护”型和“恢复”型两大类，这一点在前面已经简要介绍过。实际上，保护型自愈要求在节点之间预先提供固定数量的、用于保护的容量配置，以构成备用路由。当工作路由失效时，业务量将从工作路由迅速倒换到备用路由。恢复型自愈所需的备用容量较小，网络中并不预先建立备用路由。当发生故障时，节点在网络管理系统的指挥下或自发利用网络中仍能正常运转的空闲信道建立迂回路由，恢复受影响的业务。

保护型自愈网对备用容量的要求很高，在正常工作时，备用容量无法在网络大范围内共享，也不能挪作他用，网络资源的利用率也较低，换取的是快速的反应时间和简单的逻辑控制。恢复型自愈网中，可以利用节点间的任何可用容量，当主用通道失效时，网络可以利用算法为业务重新选择路由，因而资源的利用率很高，但自愈算法较为复杂，恢复时间比较长，通常需要几秒至几分钟，或更长时间。

要理解自愈技术，首先要明确在采用设备情况下如何界定再生段、复用段和通道。图8.18给出了再生段、复用段和通道的基本位置，以及网元设备的配置。

图8.18　再生段、复用段和通道示意图

线路保护倒换、ADM 自愈环和DXC 网状自愈网是当前广泛研究的3种自愈技术。其中，线路保护倒换和ADM 自愈环采用的是保护型策略，其技术比较成熟，并已得到了广泛的应用；DXC网状自愈网采用的是恢复型策略，它充分开发DXC 节点的智能，利用网络内的空闲信道恢复受故障影响的通道。下面逐一介绍每一种方法的原理与应用。

2.线路保护倒换的原理与应用

线路保护倒换是最简单的自愈网形式，基本原理是：当出现故障时，由工作通道倒换到保护通道，使业务得以继续传送。线路保护倒换的特点是：业务恢复时间短（小于50 ms），但若工作段和保护段属同缆复用，则有可能导致工作光纤（主用）和保护光纤（备用）同时因意外故障而被切断，此时可采用地理上的路由保护来解决，这种方式称为分路由的APS结构（APS/DP），即工作光纤和保护光纤在不同路由的光缆中，因此这种结构可以对光缆断裂提供保护。APS/DP可以分为1∶N/DP和1∶1/DP两种结构，其APS规约与常规APS相同。线路保护倒换的成本较高，因而主要适用于有稳定大业务量的点到点的应用场合。下面分析线路保护（复用段保护MSP）的基本原理。

（1）1+1方式

如图8.19（a）所示，1+1方式采用并发优收，即工作段和保护段在发送端永久地连在一起（桥接），而在接收端根据故障情况择优选择接收性能良好的信号。图8.19中的MSA 为复用段适配，MST 为复用段终端，RST 为再生段终端，SPI为SDH 物理接口。

（2）1∶N 方式

如图8.19（b）所示，保护段（1个）由N 个工作段共用，当其中任意一个出现故障时，均可倒至保护段（利用APS协议）。其中1∶1方式是1∶N 方式的一个特例。

图8.19　线路保护倒换

（3）双局汇接

线路保护倒换结构对节点失效时的业务保护无能为力，但在接入网等具有典型汇接特点的网络中，对汇接节点的保护又尤为重要。此时可采用双局汇接的方式，即将需要保护的业务分成两部分，分别送到两个汇接局进行汇接，这样，即使其中之一的汇接节点发生失效，网络中仍然有部分业务保留（优先级较高的业务）。

3.ADM 自愈环的原理与应用

所谓自愈环（SHR），一般是指采用分插复用器（ADM）组成环型网实现自愈的一种保护方式（见图8.20）。按自愈环结构分类，有通道保护环和复用段保护环；按光纤数量分类，有二纤环和四纤环；按接收和发送信号的传输方向分类，有单向环和双向环。

图8.20　ADM 自愈环

对于通道保护环，它保护的单位是通道（对STM-1为VC-12，对STM-4为VC-12或VC-4，对STM-16为VC-4），倒换与否以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定，一般利用告警指示信号（AIS）来决定是否应进行倒换。这种环属专用保护，保护时隙为整个环专用，在正常情况下，保护段往往也传业务信号。

对于复用段保护环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点间复用段信号质量的优劣而定。当复用段出故障时，整个节点间的复用段业务信号都转向保护段。复用段保护环需要采用自动保护倒换（APS）协议，从性质上来看，多属于共享保护，即保护时隙由每一个复用段共享，正常情况下，保护段往往是空闲的。复用段保护环也有采用专用保护方式的，但目前用得很少。

自愈环具有良好的生存性和很短的恢复时间，但容易受到业务增长的影响，因此主要用于业务增长率比较稳定，增长速度比较缓慢的场合。

下面介绍目前常用的4种自愈环结构。

（1）二纤单向通道保护环

二纤单向通道保护环（Two-fiber Unidirectional Path Protection Rings）采用2根光纤实现，其中一根用于传业务信号，称W1光纤；另一根用于保护，称P1光纤（见图8.21）。基本原理采用1+1的保护方式（首端桥接，末端倒换），即利用W1光纤和P1光纤同时携带业务信号并分别沿两个方向传输，但接收端只择优选取其中的一路。

图8.21　二纤单向通道保护环

例如，节点A 至节点C进行通信（AC）。首先将要传送的支路信号同时馈入W1和P1，其中W1沿顺时针方向将该业务信号送到C，而P1沿逆时针方向将同样的信号作为保护信号也送到C，接收节点C同时收到两个方向的支路信号，按其优劣决定选取其中一路作为接收信号。正常情况下，W1中为主信号，因此在节点C 先接收来自W1的信号。节点C 至节点A的通信（CA）同理。

若BC节点间光缆中的这两根光纤同时被切断，则来自W1的AC信号丢失，按接收时择优选取的准则，在节点C 将通过开关转向接收来自P1的信号，从而使AC 业务信号得以维持，不会丢失。故障排除后，开关通常返回原来位置。

另外，从实现功能上看，此种保护属子网连接保护类型；从容量上看，环的业务容量等于所有进入环的业务量的总和，即节点处ADM 的容量为STM-N。

（2）二纤双向通道保护环

二纤双向通道保护环（Two-Fiber Bidirectional Path Protection Rings）仍采用2根光纤，并可分为1+1和1∶1两种方式，其中1+1方式与单向通道保护环基本相同（并发优收），只是返回信号沿相反方向（双向）而已。其主要优点是可利用相关设备在无保护环或将同样ADM 设备应用于线性场合下具有通道再利用的功能，从而增加总的分插业务量。

图8.22表示出了采用1+1方式的二纤双向通道保护环的结构，从图中不难分析出，正常情况下和光缆断裂情况下业务信号的传输与保护。

图8.22　二纤双向通道保护环

二纤双向通道保护也可采用1∶1方式，即在保护通道中可传送额外业务量，只在故障出现时，才从工作通道转向保护通道。这种结构的特点是：虽然需要采用APS协议，但可传送额外业务量，可选较短路由，易于查找故障等。尤其重要的是，它由1∶1方式进一步演变成M∶N 方式，由用户决定只对哪些业务实施保护，无须保护的通道可在节点间重新启用，从而大大提高了可用业务容量。缺点是：需由网管系统进行管理，保护恢复时间大大增加。

（3）四纤双向复用段共享保护环

如图8.23所示，四纤双向复用段共享保护环（Four-fiber MS Shared Protection Rings）在每个区段（节点间）采用2根工作光纤（一发一收，W1和W2）和2根保护光纤（一发一收，P1和P2），其中W1和W2分别沿顺时针和逆时针双向传输业务信号，而P1和P2分别形成对W1和W2的两个反方向的保护环，在每一节点上都有相应的倒换开关作为保护倒换之用。它的自愈原理如下所述。

图8.23　四纤双向复用段共享保护环

正常情况下，节点A 至节点C的信号（AC）沿W1顺时针传至节点C，节点C至节点A 的信号（CA）沿W2逆时针传至节点A，P1和P2中空闲。

当BC节点间光缆中的这两根光纤全部被切断时，利用APS协议，在B 和C 节点中各有两个倒换开关执行环回功能，维持环的连续性，即在B 节点，W1和P1沟通，W2和P2沟通。C节点也完成类似功能。其他节点则确保光纤P1和P2上传送的业务信号在本节点完成正常的桥接功能。从图8.23所示的信号走向，不难分析出维持信号继续传输的道理。当故障排除后，倒换开关通常返回原来位置。

四纤双向复用段共享保护环具有两种功能：其一是环倒换，即当环倒换时，受影响区段的业务量，由环的长通道的保护通道来传送；其二是区段倒换，它是一种类似于1∶1线性APS的保护机制，仅用于四纤环。其工作和保护通路不在同一根光纤中传输，失效只影响工作通路。当区段倒换时，工作业务量由该失效区段的保护通路来传送，但两者同时发生时，支持优先级高的。多个区段倒换可以在一个环内同时存在，对每一个区段倒换而言，仅占用了一个区段的保护通路。对多个失效的情况（这些仅影响一个区段的工作通路，如仅是工作通路的电气故障和光缆切断），可以用区段倒换来得到完全保护。

（4）二纤双向复用段共享保护环

二纤双向复用段共享保护环（Two-Fiber MS Shared Protection Rings）采用了时隙交换（TSI）技术，如图8.24所示。在一根光纤中同时载有工作通路W1和保护通路P2，在另一根光纤中同时载有工作通路W2和保护通路P1。

图8.24　二纤双向复用段共享保护环

每条光纤上的一半通路规定载送工作通路（W），另一半通路载送保护通路（P），在一条光纤的工作通路（S1），由沿环的相反方向的另一条光纤上的保护通路（P1）来保护；反之亦然。

对于传送STM-N 的二纤双向复用段共享保护环，实现时是利用W1/P2光纤中的一半AU-4时隙（如从时隙1到N/2）传送业务信号，而另一半时隙（从时隙N/2+1到N）留给保护信号。另一根光纤W2/P1也同样处理。也就是说，编号为m 的AU-4工作通路由对应的保护通路在相反方向的第N/2+m 个AU-4来保护。

当光纤断裂时，可通过节点B的开关倒换，将W1/P2光纤上的业务信号时隙（1到N/2）移到W2/P1光纤上的保护信号时隙（N/2+1到N）；通过节点C的开关倒换，将W2/P1光纤上的业务信号时隙（1到N/2）移到W1/P2光纤上的保护信号时隙（N/2+1到N）。于是，图8.23所示的四纤环可简化为图8.24所示的二纤环，但容量仅为四纤环的一半。当故障排除后，倒换开关通常返回原来位置。由于在一根光纤中同时支持业务信号和保护信号，因而二纤双向复用段保护环无法采用传统的复用段保护倒换方式。

4.DXC自愈网的原理与应用

DXC的拓扑结构主要是网状结构，其原因是网状网中的物理路由有许多条，可节省备用容量的配置，提高资源利用率，实现网络自愈的经济性。然而，利用DXC 设备建设自愈网的成本很高，主要原因是DXC 设备价格昂贵，控制系统复杂。但是鉴于目前DXC 设备的时间性能，网络控制算法复杂的原因，网状自愈网仍然具有很大的吸引力。

①节省备用资源，尤其是在长途网中，传输线路和再生器的投资往往大于网络节点的投资，DXC自愈网的经济性优于环型网。

②网状自愈网能够灵活地支持业务的增长，扩容能力强，网络中备用容量不仅用于自愈目的，而且可在不影响网络生存性的情况下，灵活地支持业务量的增长，从而使网络生存性和提供业务管理能够有效地结合在一起。

③即使将来的网状自愈网技术不能使网络自愈满足所有电信业务的时限（因为可能是极为困难），但考虑到在一级干线上的故障要想全面恢复而又要考虑经济性的要求，如果能够在5～10分钟内给予解决，也可以是一种折中的办法了；考虑到有些业务不需要恢复，对较重要的业务给予高的优先级，以确保这些业务在相应的时限内恢复，是比较现实的。

（1）工作原理

通过选择控制方式、倒换方式和路由表的计算方式可以有不同的自愈网络结构。在预留方式中，网络给被保护业务预先留出一定的资源，路由表是静态的；而在动态方式中，根据网络的当前状态给被保护业务提供保护容量，路由表随网络状态的不同而变化，路由表是动态的；动态和静态方式的路由表在网络发生某种失效需要提供业务恢复之前就已经形成，即时方式的路由表是在失效后通过一定的业务恢复算法而得到的。3种方式中，即时方式需要最少的保护容量，动态方式次之，静态方式需要的保护容量最大。然而，即时方式的业务恢复时间最长，静态方式的业务恢复时间最短。

图8.25给出一种结构，节点A与节点D间有12个单位业务量（12×140/155 Mbit/s），当其间的光缆被切断后，利用DXC的快速交叉连接迅速找到替代路由并恢复业务，即由A→E→D传6个单位，由A→B→E→D 传2个单位，由A→B→C→D 传4个单位，从而使AD 间的业务不至于中断。

图8.25　利用DXC的保护结构

另外，利用上述的环型网和DXC 保护相结合，可以取长补短，大大增加网络的生存性（见图8.26）。此时，自愈环主要起保护作用，DXC 4/1 起环型网间连接和通道调度作用。

图8.26　混合保护结构

利用DXC设备组网的重要特点，即能够提供良好的网络恢复能力。网络恢复方式通常有两种：区段恢复和通道恢复。区段恢复只对连接中发生故障的段落寻找替代路由，连接的其他部分仍保持原来路由；通道恢复则对整个子网连接寻找替代路由。在基于我国省际干线传输网拓扑结构和容量关系的前提下，要保证100%的恢复率，在区段恢复方式下，需要的备用容量比例约50%；在通道恢复方式下，需要的备用容量比例为20%～30%。另外，区段恢复需要网管有很强的故障定位能力，设备支持逐段的串联连接监视功能。因此，区段恢复方式需要的网络投资大于通道恢复方式，我国省际干线传输网的网络恢复应优选通道恢复方式。

（2）控制算法

有两种DXC自愈网控制结构，即集中式控制和分布式控制。

在集中式控制结构中，路由选择主要由控制中心完成，当网络发生某种失效时，各节点将信息传递到控制中心，经过控制中心的计算机处理，找出新的路由表，实现业务恢复。信息的传递和集中处理都需要较长的时间，因此集中控制方式的业务恢复时间很长。在分布式结构中，当网络发生某种失效时，智能的DXC间互相交换信息，寻找失效业务的替代路由，从而实现链路恢复或通道恢复。集中式算法较为简单，但由于在网络发生故障时，集中式算法需要解决的控制问题是多业务流问题，在网络较大时，工作量很大，导致确定路由的时间较长，因此仅适用于较小的网络，而较有前途的是分布式算法。

分布式控制无须网管系统的干预，各DXC节点具有智能性，它们协同操作恢复被破坏的通道。为了在各节点之间互通信息，通常采用网络溢满技术。一个典型的“前向溢满、后向预占”三次握手的分布式自愈算法的原理可简述如下：在网络发生故障时，发起自愈操作的源节点（SENDER）将向所有邻接的节点发出一种求助消息（HELPMESG），用于探查网络内空闲容量的分布情况。该类消息在遇到的每一个节点的所有分支上进一步溢满，直至到达与SENDER 配合执行自愈操作的宿节点（一般为故障段的另一侧，称为CHOOSER）。CHOOSER 每收到一条求助消息，将对消息沿途搜索到的空闲容量进行确认，并生成一条对应的预占消息，沿求助消息来的路由返回。在返回过程中，预占消息将沿途预占一定数量的空闲通道。最后，SENDER 生成一条对应的交叉连接消息，沿预占的路由传向CHOOSER 方向，通知路由上的各个中间节点把先前预占的空闲信道转为占用状态，执行有关的交叉连接操作，从而在SENDER 和CHOOSER 之间建立若干个替换通道，用以恢复SENDER 与CHOOSER 间的被故障中断的通道。

分布式控制自愈算法必须对控制响应消息以及路由算法都实现标准化，所有的节点都有同样的智能，并且要维护一个本地的数据库，才有可能实现分布式控制算法；另外，DXC 执行交叉连接的速度也是重要的，这对实现快速自愈操作是非常重要的；除此之外，如果能够在早期就确定备用路由，对提高自愈速度也是很有帮助的，这要求每个节点都有全网的信息（通道层上的信息），即要求网元随时传达关于网络的信息。

5.自愈网的性能比较

前面主要讨论了线路保护倒换、ADM 自愈环和DXC 自愈网，下面就应用情况作一个简单比较。

①简单的线路保护倒换方式配置容易，网络管理简单，恢复时间很短（50 ms）。但成本较高，一般用于保护比较重要的光缆连接（1+1方式）或两点间有较稳定的大业务量的情况。

②自愈环具有很高的生存性，网络恢复时间也较短（50 ms），并具有良好的业务量疏导能力。但它的网络规划较难实现，很难预测今后的发展，一般适用于接入网和中继网。在用户接入网部分，适于采用通道保护环；而在中继网上，则一般采用双向复用段保护环。至于二纤或四纤方式的选择则取决于容量要求和经济性考虑的综合比较。

③DXC的保护方式也具有很高的生存性，并且使用灵活方便，也便于规划和设计。但网络恢复时间较长，有可能会造成一些重要数据的丢失。因而DXC保护最适合于高度互连的网孔型拓扑，在长途网上应用较多。另外，利用DXC将多个环型网互连也是现在应用较多的一种方式。