基于SUPANET的故障恢复研究网络硕士论文.docx

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基于SUPANET的故障恢复研究网络硕士论文

西南交通大学

研究生学位论文

基于SUPANET的故障恢复研究

ClassifiedIndex:

TP393.05

U.D.C:

618.14

SouthwestJiaotongUniversity

MasterDegreeThesis

RESEARCHONRECOVERYbasedonsupanet

Grade:

2004

Candidate:

ChenMeiliao

AcademicDegreeAppliedfor:

Master

Major:

ComputerApplication

Supervisor:

DouJun

MAY,2007

摘要

Internet是上一世纪七十年代以文本数据传输为主的应用背景下诞生的网络，因此对正确性要求高，对实时性要求低。

但随着多媒体网络应用数据流在Internet中的增加，使得Internet的“尽其所能”的服务难以满足新数据流的服务质量的需求，成为Internet面临的一大挑战。

虽然Internet学界试图通过在IP层上增加服务质量保障技术，如资源预留协议、集成服务、区分服务，来改进Internet的服务质量。

但现有的Internet的三层数据传输平台用户数据传输效率低，实施服务质量控制困难。

针对现有网络体系结构在服务质量保障方面存在的不足,四川省网络通信技术重点实验室提出了“单物理层用户数据传输与交换平台体系结构”（SUPA–SinglePhysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）网络（SUPANET）。

SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，而利用面向以太网的物理帧时槽交换（EPFTS–Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching）技术将用户数据传输与交换平台（U-platform）简化为单物理层结构，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。

SUPA在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择（ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR）、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现了SUPANET的服务质量保障。

因为网络中的资源可能出现故障，所以为提高网络的可靠性SUPANET需要提供故障恢复能力。

SUPANET的故障恢复机制是采用保护切换的方法，保护切换是一种可以在虚通路上的虚线路或节点出现故障时，使其上传输的业务流经过很小的中断后能快速的从故障中得到恢复的方法。

在保护切换中，备份虚通路是故障发生之前预先建立的，当虚通路出现故障时，数据会被在切换点从失效了的虚通路切换到备份的虚通路上。

SUPANET中基本的保护切换有四个步骤。

首先，备份的虚通路必须在故障发生前事先建立。

第二，SUPANET需要对故障进行检测。

第三，检测到故障的节点必须向切换节点通知故障信息。

第四，切换节点将业务流转发到备份虚通路上而不是原本的虚通路。

在进行理论研究的同时，本文利用OPNET网络仿真软件对受保护的虚通路中的业务流进行了保护切换的仿真实验。

建立了一个简化的SUPA网络模型，对切换处理过程中的数据丢失进行了仿真统计，仿真结果基本符合保护切换的特征，验证了保护方法的可行性。

关键词：

SUPA；服务质量；故障恢复；保护切换；虚通路；OPNET

Abstract

Internetwasdevelopedfortext-orientednetworkapplicationsinthe1970s,anditrequestscorrectnessofcontestwithoutreal-timerequirement.ButwithincreaseofmultimediaapplicationtrafficinInternet,the“besteffort”serviceprovidedbyInternetdoesnotabletosatisfyusers’differentQoSrequirementsandbecomeoneofchallengestoInternet.AlthoughtheInternetcommunitattemptstoimprovethetechnologyintheIPleveltoimprovethequalityofservice,theyareRSVP、IntegratedService、DifferentiatedServiceandetc.Butthelowefficiencyoftheexisting3-layersuser-dataswitchingplatformisdifficulttoinsuretheQoSoftheservice.

Tosolvetheseproblems,SichuanNetworkCommunicationTechnologyKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversityhasdefinedanewnetworkarchitecturecalledSUPA（SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）.TheSUPAsimplifiesUser-datatransfer&switchingplatform（U-platform）intoasinglephysicallayerplatformbyadoptingtheout-bandsignalingconcept.ThekeytechniqueenablingthesingleU-platformiscalledEPFTS（Ethernet-orientedPhysicalFrameTimeslotSwitching）,andguaranteetheQoSofthedata.

SUPAhasdefinedasetofmechanismsbothintheS&M-platformandU-platform.InS&M-platformtheyareQoSNegotiationProtocol（QoSNP）,QoS-basedlambdaRoutingInformationProtocol（λQoSRIP）,TrafficMonitoring&ExchangeProtocol（TMEP）,CallAdmissionControl（CAC）,andtogetherwiththemechanisminU-platformtheyguaranteetheQoSofSUPANET（networksupportsSUPA）.AnimportantcomponentofprovidingQoS,istheabilitytodosoreliabilityandefficiency.TomakeSUPANETreliablethereisneedforfailurerecoverymecasimsinSUPANET.ThefailurerecoverymecasiminSUPANETisProtectionSwitching,whichisamethodofensuringrecoveryfromlinkornodefailurewithoutdisruptiontothedatatraffic.InProtectionSwitching,thebackupVPispre-provisioned,whentheprimarypathisfailed,datatrafficeisswitchedfromthefailedVPtoabackupVP.

Thebasicprotectionswitchingconsistsoffoursteps.First,backupVPmustbeestablished.Second,theSUPANETmustbeabletodetectthefailure.Third,nodesthatdetectthefailuremustnotifyswitchingnodeintheSUPANETofthefailure.Forth,insteadofsendingtrafficontheprimaryVPswitchingnodemustsendtrafficonthebackupVPinstead.

OPNETisusedtosimulatetheprotectioninSUPANETtovalidateitsavailabilityandefficiencybyconstitutingasimplifiedSUPAnetworktopologystructurewhiledoingfundamentalresearch.TherelevantsimulationresultsindicatethevalidityofprotectioninSUPAnetworkswhichbasicallycomplieswiththefeatureofrestorationprocedure.

KeyWords:

SUPA;qualityofservice;faultrestoration;protectionswitching;VP:

virtualpath;SimulationtoolOPNET;

目录

第1章绪论1

1.1本课题的研究的背景1

1.1.1三网合一的大趋势1

1.1.2现有网络体系结构存在的问题2

1.2SUPA的提出4

1.3国内外研究现状与本课题的研究意义5

1.4本论文的组织安排6

第2章SUPA技术框架7

2.1基本术语7

2.2带外信令控制技术8

2.3SUPA的协议层次模型和接口8

2.4SUPA基本工作过程11

2.5“面向以太网帧时槽交换”（EPFTS）技术12

第3章网络故障恢复的层次考虑16

3.1网络故障恢复的概述16

3.1.1网络中可能出现的各种故障16

3.1.2不同业务对故障恢复的不同要求17

3.1.3网络故障恢复的目标17

3.2现有网络中的各种故障恢复方法18

3.2.1DWDM层故障恢复技术18

3.2.2IP层故障恢复技术21

3.2.3MPLS故障恢复技术22

3.2.4SDH故障恢复技术23

3.2.5ATM故障恢复技术24

3.3故障恢复的层次考虑25

第4章SUPANET的故障恢复27

4.1SUPANET故障恢复技术分析27

4.1.1SUPANET故障恢复的必要性27

4.1.2SUPANET故障恢复思想概述27

4.1.3SUPANET保护切换方法的分类30

4.1.3SUPANET故障恢复基本过程32

4.2QoSNP介绍34

4.2.1QoSNP概述34

4.2.2QoSNP的基本工作原理35

4.3QoSNP用于虚通路保护的扩展36

4.3.1恢复参数36

4.3.2记录路径参数37

4.3.3备份路径参数38

4.4虚通路的建立39

4.4.1普通虚通路的建立过程39

4.4.2受保护的主虚通路的建立41

4.4.3路径保护方法中备份虚通路的建立41

4.4.4局部保护中备份虚通路的建立43

4.4.5备份虚通路与主虚通路的绑定44

4.5虚通路失效的检测46

4.6用户数据平台的转发47

4.7切换后主虚通路的维护50

4.7.1场景描述50

4.7.2工作过程50

4.7.3原虚通路资源的释放51

第5章SUPANET故障恢复仿真53

5.1OPNET仿真平台53

5.1.1OPNET的概述53

5.1.2OPNET的特点53

5.1.3OPNET的建模过程54

5.2模型仿真及结果分析55

5.2.1仿真的网络场景55

5.2.2仿真的数据走向56

5.2.3数据统计及分析58

结论及展望60

致谢62

参考文献63

攻读硕士学位期间发表的论文67

第1章绪论

1.1本课题的研究的背景

本课题的研究大背景是四川省网络通信技术重点实验室关于下一代Internet体系结构的研究工作。

通信技术高速化和网络应用数据的多媒体化传输使传统的Internet技术难以满足实时音、视频数据的传输服务质量需求和网络高速化的要求。

因此，实验室提出了单物理层用户数据传输与交换平台体系结构（SUPA–SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）[1-6]。

SUPA利用带外信令控制思想将用户数据传输平台（U平台）与信控、管理平台（S&M平台）相分离，进而将U平台简化为单物理层平台，将服务质量保障机制嵌入该平台之中，直接保障用户数据交换的服务质量。

在信控、管理平台支持服务质量协商、最少跳数（hop）的基于服务质量的波长路径选择（ShortestPath-LambdaQoSRouting,SP-LQR）、呼叫入网控制（CAC）一系列服务质量保障措施和策略，与用户平台的内嵌的服务质量保障机制，共同实现单数据流和多数据流类服务质量保障。

基于网络中的任何资源都有可能发生故障这一状况，为保障用户业务的服务质量，网络必须具备从故障中快速恢复的能力，使业务尽量不受网络故障的影响。

这就是本论文的研究对象——基于SUPANET的故障恢复研究。

1.1.1三网合一的大趋势

光通信技术的快速发展特别是DWDM技术将单根光纤的传输速率提高到40/80Gbps,即将随着达到160Gbps，从而使单根光纤的传输能力达到Tbps数量级，相当于大、中城市电话网、有线电视网和计算机网络的干线总吞吐率。

这一传输能力意味着在单根光纤上能够同时传输15,625,000路未压缩的普通话路（64Kbps/每路），或者同时传输7,142套未压缩有线电视节目（140Mbps/每套），或者同时传输1000套未压缩的高清晰度电视节目（1.04Gbps/每套）。

换言之，光纤通信技术已经能够支持大中城市综合数字业务网络信息传输的需要，如果计算机网络技术能够适应DWDM高速传输能力的需要，将有可能将传统的有线电视网络、电话交换网络和计算机网络3个独立的网络合并为一个分组化、数字化的综合业务网络[6-8]。

1.1.2现有网络体系结构存在的问题

1、因特网体系结构不适应综合业务数据网的需求

Internet是上一世纪七十年代发展起来的网络技术，当初设计的目的以传输文本数据为主，因此对正确性要求高，但实时性要求低。

而当时的低通信线路速率（Kbps-Mbps）虽然能够满足其要求，但误码率高（10-5~10-6），必须在网络体系结构中设置数据链路层通过分帧和检错重传来提高传输的正确性。

因为Internet提供是一种“尽其所能”的服务（BestEffortService），而且Internet的网络层采用无连接的IP协议,所以可能造成报文丢失和错序。

因此，只能通过TCP进行端到端重新排序和检错重传来提高数据的正确性。

对于文本数据传输，端到端重传造成的传输时延是可以接受的技术；但是，当多媒体数据流在网络应用中比重逐渐增加时，由于其服务质量的需要与文本数据正好相反（吞吐率、传输时延和时延抖动要求高，而少量数据丢失与误码影响相对较小），因此，难以保障语音、视频数据的服务质量。

目前国内外对NGI的研究大都局限于用IPv6取代IPv4问题。

但是，IPv6除了将地址长度改变为原来的4倍，解决了地址匮乏的问题和IP结构有所简化，对IP报头进行了部分改进外，在体系结构上没有实质性的变化。

因此，以IPv6为基础的Internet在服务质量保障问题上与基于IPv4的Internet面对同样的困难。

2、综合业务数字网络（B-ISDN）

B-ISDN采用带外信令控制（Out-bandSignaling）技术，将网络层排除在用户数据传输平台之外，在数据链路层提供了以53字节固定长的信元（Cell）为基础的数据复用与交换技术，为多媒体数据提供永久虚电路（PermanentVirtualCircuit,PVC）和交换虚电路（SwitchedVirtualCircuit,SVC）服务。

B-ISDN存在问题包括：

信控、管理平台使用通信网络中专用协议（如7号信令）为基础的协议桟，在大型网络上配置管理以及与Internet的互联都极为复杂，较难被Internet界认同。

ATM信元长度较短，其净荷部分（Payload）仅48字节长（有效载荷率仅90％），与用户网络中使用最广的数据链路层协议（PPP,EthernetMAC）数据单元或网络层的IP报文长度相比太短，需要进行分段和重组进行适配。

ATM信元（53字节）与物理层SDH净荷（261字节）之间接口也需要分段和重组。

3.多协议标签交换（MPLS）和通用多协议标签交换（GMPLS）

与B-ISDN类似，MPLS也采用带外信令控制的思想。

由于它将现有的Internet协议栈保留在信控、管理平台上，并予以增强，从而保证能够与现有Internet互联互通。

另一方面，MPLS并未定义任何数据链路层协议，而试图在现有的数据链路层服务之上增加标签交换子层，将用户数据传输平台变为通用的面向连接的两层传输平台。

首先，它不必处理相对复杂的IP报头（而代之以相对简单的标签），4/16字节的地址字段被20比特的标签取代，可节省路径表空间，其传输效率比三层的Internet高。

其次，面向连接的服务更适应多媒体应用中流传输的需要。

应当指出：

MPLS本身并未直接提供服务质量保障的机制，而只是将标签（Label）与它所依托的通信子网中的服务质量保障机制，即所谓“前传等价类”（ForwardEquivalenceClass,FEC）挂钩。

换言之，如果通信子网中具有提供服务质量保障的能力，MPLS即能够提供服务质量保障，反之，在服务质量的保障方面MPLS并未增加任何新功能。

事实上，目前的MPLS主要依托ATM信元子层或帧中继子网，由于该两类网络本身提供了较好的服务质量保障机制，因此服务质量保障问题较容易得到解决；当数据链路层为无连接MAC或共享同一连接的PPP时，由于他们仅提供无连接或共享同一连接的服务，很难将标签连接与数据链路层服务挂钩，因此对标签子层的支持则较弱，服务质量较难得到保障。

GMPLS进一步将MPLS推广为包括光纤交换、波长交换、时槽交换和分组/帧交换在内的各种物理层通信子网的通用子层，由于上述网络提供的服务质量的离散性，在混合网络环境下利用标签交换为不同用户提供不同的服务质量就更为困难，对不同网络的管理问题也更为复杂。

极端情况如波长/光纤交换，标签维系的前传等价类（FEC）只能代表波长/光纤传输总能力中“假想”的部分传输能力，因此，当GMPLS跨越多种通信子网时，通路上服务质量的差异使端到端的服务质量的难以得到保障。

因此，目前关于MPLS和GMPLS交换技术，并没有真正解决好服务质量保障问题。

1.2SUPA的提出

上一节讨论了目前主要的一些网络体系结构的特点和其所存在的问题。

进一步分析表明：

服务质量实质上最终表现为物理层传输质量参数，如吞吐速率（Throughput）、传输时延（TransitDelay）、传输时延抖动（Jitter）等，采用MPLS即使数据链路层能很好地支持服务质量保障（如：

ATM信元服务），如果物理层缺少相应的支持，但也很难确保用户数据的服务质量。

因此，即使是采用ATM信元交换或帧中继（FR）数据链路层技术，如果物理层采用TDM（如SDH/PDH）技术，只要数据链路层能够为一条虚连接分配足够的时槽（Timeslot），用户数据流要求的数据吞吐率完全可以得到保障；反之，如果物理层不具备支持服务质量保障的机制，即使是ATM或FR也难以保障应用数据流要求的服务质量。

换言之，能否提供良好的服务质量保障，问题的关键还在于物理层。

基于上述分析，针对三网合一的发展趋势和现有网络体系结构不能满足三网合一的网络的高速传输、交换和服务质量保证的现状，实验室提出了单物理层用户数据传输与交换平台体系结构（SUPA–SinglephysicallayerUser-datatransfer&switchingPlatformArchitecture）。

1.3国内外研究现状与本课题的研究意义

网络故障可能是链路故障（如光纤断裂等）或者节点故障（如路由器硬件或软件上的故障等）是任何一个网络都必须面对的现实。

然而这在过去仅仅意味着确保在一个故障之后中重建网络的连通性，但在当前的网络中则意味着，不但要重建网络的连通性，还要满足一定的约束性和性能水平，以便不影响到业务流的服务质量[9]。

将目前的网络按层次来分析，不同的层次采取着各自不同的故障恢复技术。

光（DWDM）层现在已经有能力提供动态的环或Mesh的重建功能。

利用自动保护切换（APS），以及自愈环和Mesh重建体系结构，可以给同步数字层（SDH）提供生存性能力。

SDH层的生存性机制主要包括自动保护倒换机制和自愈环。

ATM网络的自愈以VP为基础，目前受到广泛重视的是备份VP自愈算法。

采用IP的动态路由协议可以动态地发现可连接的处于工作状态的路由器，使得IP路由可以对网络的故障自适应。

然而，IP层的路由重建发生在一个路由收敛周期之后，可能需要几秒钟或几分钟来完成。

基于MPLS的生存性策略是指快速并完全地重建MPLS网络中受故障影响的流量。

故障可能是由IP层或者传输IP流量的低层检测到的。

通过在分组头上追加一个标签栈，可以建立一系列标签交换路径（LSP），利用LSP作为保护路径，可以实现业务的保护或恢复（重路由）。

而在SUPANET中，可能某些原因导致某虚通路无效，从而影响到此虚通路上业务流的服务质量。

这些故障可能是DWDM恢复机制无法解决的高层故障，因此研究基于虚通路的故障恢复技术能为SUPANET中业务流提供更细粒度保护，同时可以加速故障恢复速度。

1.4本论文的组织安排

本文主要是对单物理层用户数据传输平台体系结构的故障恢复的研究。

针对SUPAET中实时性要求高的业务流，分析可能的各种保障业务流服务质量的故障恢复机制。

提出了基于虚通