ASON网格状网络的设计
发布时间：2005-06-30 18:34:42 热度：3715
6/30/2005,随着ASON在国内得到越来越多的商用，网格状网络正日益成为核心传送网首选的建网方式。网格状网有着与传统环网不同的设计方法，为使其充分发挥多路由、高效率的优势，我们必须研究对光纤层和SDH链路层分别进行连通度、跳数、实际距离等多方面的考虑。上海贝尔阿尔卡特作为一家在光通信领域拥有多年网络设计经验的设备供应商，可以提供专业的网络分析规划工具来进行包括网格状网络在内的传送网络优化设计，我们将帮助运营商共同建设新一代基于网格状网络的智能光传送网。
1. 概述
构建光传送网中存在着多种拓扑结构选择可供选择，包括链形、星形、环形和网格形(Mesh)等。由于环形网络有着小于50ms快速倒换及初期投资相对较小的优势，故在SDH出现后被广泛应用在各级光传送网中。但是，随着用户对网络安全性和传送有效性的要求不断提高，特别是智能光网络技术(ASON)和大容量交叉连接设备的出现，目前在核心层的网络中，网格形网络正逐步取代环形网络，成为主要的网络拓扑。本文着重介绍在构建网格状网络时需要考虑的因素及步骤。
2. 网格状网络的优势
网格状网络指网络中存在一个以上的节点，其连接度（与其直接相连的节点的数目）大于2（环形网络中每个节点的连接度均为2）。如果网络中任意两个节点间均有直接相连的链路，则称之为全网格状网络。
与传统的环网相比，网格状网络的最大优势体现在以下三方面：
高效直达，方便扩容： 传送网在达到一定恢模之后，一个网络中往往存在许多环，此时，大量的环间转接会降低网络的整体质量和业务开通速度；另外，环形网往往不得不因为环中某个跨段发生阻塞而对全环进行升级，容易造成浪费。而网格状网络则可以实现任意点间的高效直达传送，且可以方便地对某一发生拥塞的跨段进行扩容而无需改变其它跨段。
可以对抗多重失效：环形网络仅可对抗单个节点或光纤故障，而网格状网络中根据连接度的不同存在1条以上的备用路由，因此完全可以对抗多重失效。
更有效的备用带宽利用效率：环网中必须安排50％的带宽作为备用带宽以实现50ms内的倒换，而网格状网络中根据网格化程度度的不同，可以用小于50％的带宽来保护全网的电路。
3. 网格状网络的设计
3.1 定义
在研究网格状网络设计步骤前，我们首先来定义几个概念：
系统可靠度 （Psys）：系统可靠度指系统在一段较长的观察时间T（通常为1年）内中断时间D与观察时间T间的比值－Psys＝1－D/T。
在SDH传送网络中，系统可靠性Psys可进一步分为链路可靠度Pi和节点可靠度Pnode
连通度 (c)：一个SDH节点的连通度指其在网络中存在的与其直接相连的SDH节点的数目。
节点间距离(d)：在这个研究中节点间距离指两个SDH节点间最短的跳数（hop）
3.2 分层的概念
在设计一个网格状网络时，我们必须考虑业务层、SDH层和光纤层等不同的层面，这样才能真正设计一个能对抗多重失效的网格状网络。
如图1所示，网格状网络中往往存在着3个不同的网络拓扑层：业务层、SDH层和光纤层，彼此直接不一定完全一一对应。通常，光纤层的网格化程度往往最低，而业务层则最高。如图1所示，BF间不存在直达的光纤，但有逻辑上的的SDH链路，其真正的光纤路由可能是BEF（或BCF）。所以假设BE间的光纤发生断裂，则不仅将影响BE间的SDH链路，同时也将影响到BF间的SDH链路。
3.3 设计的方法与原则
网格状网络的设计通常存在着以下几个步骤：
1)确定业务节点
首先，可以根据网络地位的重要性确定网格状网络中的业务节点。核心节点应尽量有较多的光纤出口方向(连通度)，从而可以拥有更多的迂回路由，降低所需的备份带宽的数量
图2：连通度对于备份带宽的影响
图2(a)是环形结构，由于只存在一条迂回路由，故保护带宽与工作带宽在任意保护机制下都是1：1。而在图2(b)中由于存在两条迂回路由，网络的安全性提高了，同时每条迂回路由只要留50％的工作电路带宽就可以了保护带宽与工作带宽之比为0.5:1。推而广之，如图2(c),在一个网格状网络中，若某个节点有N个出口，则存在N－1条迂回路由，保护带宽与工作带宽之比可以达到1/(N-1):1。
2)确定业务保护类型
在确定了业务节点后，就可以得到业务矩阵表。此时可以对业务矩阵表中不同类型的业务安排不同的保护类型。网格状网区别于传统SDH网络的一个重要特点就在于其上可以承载不同保护方式的业务。通常，对于一般重要的业务（如GE/FE业务），我们可以安排恢复(Restoration)的保护方式以降低保护带宽的数量。而对于重要的业务，我们可以安排端到端的通道保护，甚至还可以安排保护与恢复相结合的方式(PRC，即工作电路发生故障时首先在50ms内倒换到保护通道，同时系统在网络中寻找第二条可能的备份路由，一旦保护通道再次发生故障，则倒换到第二条备份路由。该方式既可对抗多重失效，同时每次倒换时间均保证在50ms内)。
3)确定光纤层网络拓扑
光纤层拓扑与网络安全性密切相关，关于这一点，我们可以参考G. Höhne和W. Frohberg的研究结果：
首先我们做如下假设：
网络中每个节点具有完全一样的连接度（我们将研究连接度为3、4和6时的系统可靠度），如图3所示。为降低网络边缘节点的较低连接度的影响，我们研究的网络将具有49个节点。
图3：不同的连接度
– 网络中每一条链路的可靠度Pi均为0.99
– 网络中每一个节点的可靠度Pnode均为1
– 并行链路的可靠度为：Psys=P1+P2-P1*P2; 串行链路的可靠度为： Psys=P1*P2
经过计算，我们得出如下结果（见表及和图6，计算过程见G. Höhne, W. Frohberg: Bewertung von Netzstrukture hinsichtlich der Verfügbarkeit von Nachrichtenverbindungen
Nachrichtentechnik - Elektronik 32 (1982) vol 9, pp. 391 – 393）：
表1：不同连接度和不同距离对于网络可靠度的影响
图4：不同连接度和不同距离对于网络可靠度的影响
– 连接度每增加1网络的可靠度会增加1个数量级
– 恢复利用了节点间的连接度
– 连通度“c” 越大则恢复的可能性越大
– 保护仅使用一条预定义的电路
– 任何连接度>2时应用恢复方案均会改进网络的可靠度
– 在大多数案例中连接度达到6已可以得到足够的网络可靠度，更高的可靠度对提高网络可靠度的影响较小
– 恢复对于距离“d”的依存度小于保护
4)确定SDH层网络拓扑
SDH链路层的拓扑结构，而SDH层的拓扑与网络造价和网络的效率密切相关。从传送效率的角度来看，任意点间设置直达的SDH链路应该是最高效的做法，此时节点间距离为1跳(hop)。同时，从设备配置的角度来看，任意点间设置直达的SDH链路将使整体的网络端口数降到最低。
图5：不同SDH链路组织对设备端口数的影响
如图5所示，图5(a)中各节点间均存在直达路由，共需3条SDH链路，对应6个SDH端口，而图5(b)中A到C不存在直达路由，需经B点转接，这样总计需要4条SDH链路，对应8个SDH端口，故理论上在任意有业务的节点间建立直达路由是最高效、最经济的做法。
但是，事实上的情况要复杂得多，我们在选择建立SDH链路的时候还必须考虑节点间业务的数量以及节点间的距离。如图5(c)所示，假设BC间的链路具有较大的空闲带宽，那么AC间的业务经B点转接后可以归并到原BC间的SDH链路上传输，这样我们所需的SDH链路数量同样是3条，对应6个SDH端口，与图5(a)的数量相同。另外，假如AC间距离较长（比如大于40km）,而AB和BC间的距离较短（小于40km），此时如果要建立直达路由，就必须应用长距光口，而目前通常长距光口的价格要比短距光口要高得多，故即使使用直达路由的方式可以省下一些端口数，但实际投资不一定最低。
最后，如果网络中存在一些核心节点和一些汇聚节点，那么假设所有汇聚节点均开设直达核心节点的SDH链路的话（为保证网络安全性，必须同时建立2条以上的SDH链路），核心节点所需的容量将会迅速膨胀，而反过来汇聚节点的连通度就无法得到进一步地提高。此时，如果让某些边缘汇聚节点的业务由其它较靠近核心节点的汇聚节点归并一下再传送到核心节点的话，将不仅降低核心节点的负荷，同时可以提高带宽的利用效率，并提高网络所有节点的平均连通度，进而提高网络的可靠性。
1. 概述
构建光传送网中存在着多种拓扑结构选择可供选择，包括链形、星形、环形和网格形(Mesh)等。由于环形网络有着小于50ms快速倒换及初期投资相对较小的优势，故在SDH出现后被广泛应用在各级光传送网中。但是，随着用户对网络安全性和传送有效性的要求不断提高，特别是智能光网络技术(ASON)和大容量交叉连接设备的出现，目前在核心层的网络中，网格形网络正逐步取代环形网络，成为主要的网络拓扑。本文着重介绍在构建网格状网络时需要考虑的因素及步骤。
2. 网格状网络的优势
网格状网络指网络中存在一个以上的节点，其连接度（与其直接相连的节点的数目）大于2（环形网络中每个节点的连接度均为2）。如果网络中任意两个节点间均有直接相连的链路，则称之为全网格状网络。
与传统的环网相比，网格状网络的最大优势体现在以下三方面：
高效直达，方便扩容： 传送网在达到一定恢模之后，一个网络中往往存在许多环，此时，大量的环间转接会降低网络的整体质量和业务开通速度；另外，环形网往往不得不因为环中某个跨段发生阻塞而对全环进行升级，容易造成浪费。而网格状网络则可以实现任意点间的高效直达传送，且可以方便地对某一发生拥塞的跨段进行扩容而无需改变其它跨段。
可以对抗多重失效：环形网络仅可对抗单个节点或光纤故障，而网格状网络中根据连接度的不同存在1条以上的备用路由，因此完全可以对抗多重失效。
更有效的备用带宽利用效率：环网中必须安排50％的带宽作为备用带宽以实现50ms内的倒换，而网格状网络中根据网格化程度度的不同，可以用小于50％的带宽来保护全网的电路。
3. 网格状网络的设计
3.1 定义
在研究网格状网络设计步骤前，我们首先来定义几个概念：
系统可靠度 （Psys）：系统可靠度指系统在一段较长的观察时间T（通常为1年）内中断时间D与观察时间T间的比值－Psys＝1－D/T。
在SDH传送网络中，系统可靠性Psys可进一步分为链路可靠度Pi和节点可靠度Pnode
连通度 (c)：一个SDH节点的连通度指其在网络中存在的与其直接相连的SDH节点的数目。
节点间距离(d)：在这个研究中节点间距离指两个SDH节点间最短的跳数（hop）
3.2 分层的概念
在设计一个网格状网络时，我们必须考虑业务层、SDH层和光纤层等不同的层面，这样才能真正设计一个能对抗多重失效的网格状网络。
如图1所示，网格状网络中往往存在着3个不同的网络拓扑层：业务层、SDH层和光纤层，彼此直接不一定完全一一对应。通常，光纤层的网格化程度往往最低，而业务层则最高。如图1所示，BF间不存在直达的光纤，但有逻辑上的的SDH链路，其真正的光纤路由可能是BEF（或BCF）。所以假设BE间的光纤发生断裂，则不仅将影响BE间的SDH链路，同时也将影响到BF间的SDH链路。
3.3 设计的方法与原则
网格状网络的设计通常存在着以下几个步骤：
1)确定业务节点
首先，可以根据网络地位的重要性确定网格状网络中的业务节点。核心节点应尽量有较多的光纤出口方向(连通度)，从而可以拥有更多的迂回路由，降低所需的备份带宽的数量
图2：连通度对于备份带宽的影响
图2(a)是环形结构，由于只存在一条迂回路由，故保护带宽与工作带宽在任意保护机制下都是1：1。而在图2(b)中由于存在两条迂回路由，网络的安全性提高了，同时每条迂回路由只要留50％的工作电路带宽就可以了保护带宽与工作带宽之比为0.5:1。推而广之，如图2(c),在一个网格状网络中，若某个节点有N个出口，则存在N－1条迂回路由，保护带宽与工作带宽之比可以达到1/(N-1):1。
2)确定业务保护类型
在确定了业务节点后，就可以得到业务矩阵表。此时可以对业务矩阵表中不同类型的业务安排不同的保护类型。网格状网区别于传统SDH网络的一个重要特点就在于其上可以承载不同保护方式的业务。通常，对于一般重要的业务（如GE/FE业务），我们可以安排恢复(Restoration)的保护方式以降低保护带宽的数量。而对于重要的业务，我们可以安排端到端的通道保护，甚至还可以安排保护与恢复相结合的方式(PRC，即工作电路发生故障时首先在50ms内倒换到保护通道，同时系统在网络中寻找第二条可能的备份路由，一旦保护通道再次发生故障，则倒换到第二条备份路由。该方式既可对抗多重失效，同时每次倒换时间均保证在50ms内)。
3)确定光纤层网络拓扑
光纤层拓扑与网络安全性密切相关，关于这一点，我们可以参考G. Höhne和W. Frohberg的研究结果：
首先我们做如下假设：
网络中每个节点具有完全一样的连接度（我们将研究连接度为3、4和6时的系统可靠度），如图3所示。为降低网络边缘节点的较低连接度的影响，我们研究的网络将具有49个节点。
图3：不同的连接度
– 网络中每一条链路的可靠度Pi均为0.99
– 网络中每一个节点的可靠度Pnode均为1
– 并行链路的可靠度为：Psys=P1+P2-P1*P2; 串行链路的可靠度为： Psys=P1*P2
经过计算，我们得出如下结果（见表及和图6，计算过程见G. Höhne, W. Frohberg: Bewertung von Netzstrukture hinsichtlich der Verfügbarkeit von Nachrichtenverbindungen
Nachrichtentechnik - Elektronik 32 (1982) vol 9, pp. 391 – 393）：
表1：不同连接度和不同距离对于网络可靠度的影响
图4：不同连接度和不同距离对于网络可靠度的影响
– 连接度每增加1网络的可靠度会增加1个数量级
– 恢复利用了节点间的连接度
– 连通度“c” 越大则恢复的可能性越大
– 保护仅使用一条预定义的电路
– 任何连接度>2时应用恢复方案均会改进网络的可靠度
– 在大多数案例中连接度达到6已可以得到足够的网络可靠度，更高的可靠度对提高网络可靠度的影响较小
– 恢复对于距离“d”的依存度小于保护
4)确定SDH层网络拓扑
SDH链路层的拓扑结构，而SDH层的拓扑与网络造价和网络的效率密切相关。从传送效率的角度来看，任意点间设置直达的SDH链路应该是最高效的做法，此时节点间距离为1跳(hop)。同时，从设备配置的角度来看，任意点间设置直达的SDH链路将使整体的网络端口数降到最低。
图5：不同SDH链路组织对设备端口数的影响
如图5所示，图5(a)中各节点间均存在直达路由，共需3条SDH链路，对应6个SDH端口，而图5(b)中A到C不存在直达路由，需经B点转接，这样总计需要4条SDH链路，对应8个SDH端口，故理论上在任意有业务的节点间建立直达路由是最高效、最经济的做法。
但是，事实上的情况要复杂得多，我们在选择建立SDH链路的时候还必须考虑节点间业务的数量以及节点间的距离。如图5(c)所示，假设BC间的链路具有较大的空闲带宽，那么AC间的业务经B点转接后可以归并到原BC间的SDH链路上传输，这样我们所需的SDH链路数量同样是3条，对应6个SDH端口，与图5(a)的数量相同。另外，假如AC间距离较长（比如大于40km）,而AB和BC间的距离较短（小于40km），此时如果要建立直达路由，就必须应用长距光口，而目前通常长距光口的价格要比短距光口要高得多，故即使使用直达路由的方式可以省下一些端口数，但实际投资不一定最低。
最后，如果网络中存在一些核心节点和一些汇聚节点，那么假设所有汇聚节点均开设直达核心节点的SDH链路的话（为保证网络安全性，必须同时建立2条以上的SDH链路），核心节点所需的容量将会迅速膨胀，而反过来汇聚节点的连通度就无法得到进一步地提高。此时，如果让某些边缘汇聚节点的业务由其它较靠近核心节点的汇聚节点归并一下再传送到核心节点的话，将不仅降低核心节点的负荷，同时可以提高带宽的利用效率，并提高网络所有节点的平均连通度，进而提高网络的可靠性。
