鐵路數據網故障恢復與OTN網絡保護間協調策略探討

岳銘凱

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

鐵路數據網故障恢復與OTN網絡保護間協調策略探討

岳銘凱

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

在研究數據網故障恢復技術及OTN網絡保護方式基礎上，結合鐵路數據網及傳輸OTN網絡建設情況，重點分析探討鐵路數據網故障恢復與OTN網絡保護間協調策略。

故障恢復；保護；協調策略

1 概述

OTN技術是在SDH和WDM技術基礎上發展起來的傳輸技術， OTN網絡保護主要包括電層保護、光層保護方式，數據網為實現快速路由收斂采用FRR、BFD等協議。為保證數據網業務的可靠性，數據網要求其OTN承載網絡啟用保護功能，在OTN鏈路或節點失效時，應做好鐵路數據網故障恢復與OTN網絡保護間協調策略。

2 OTN網絡保護方式

2.1 電層保護

OTN電層線性保護指在ODUk層采用子網連接保護（SNCP），它可用于網狀網、環網或混合結構的物理拓撲以及分層網絡中通道層，根據服務層故障、客戶層信息或通道的性能信息進行倒換。根據保護路徑是否可共享，OTN電層線性保護倒換機制可分為ODUk層線性1+1、線性1∶1、線性1∶n和線性m∶n保護倒換結構。

OTN電層環形網保護指基于ODUk的共享環網保護， 受保護的子網絡連接是兩個終結連接點之間的完整端到端網絡連接。環網結構中的工作通路和保護通路可在同一根光纖中，也可在不同的光纖中， 具體方式可由用戶配置指定。ODUk環網保護僅支持雙向倒換，保護粒度為ODUk。OTN電層環網保護分為雙纖ODUk共享環網保護和四纖共享環網保護。

2.2 光層保護

OTN光層線性保護包括光通路線性保護和光復用段線性保護。光通路線性保護是指在光波長層面采用的子網連接保護， 是一種專用端到端的保護機制，可用于網狀網、環網或混合結構的物理拓撲，通過光通路保護單元的雙發選收或選發選收功能，利用不同的光纖或同一光纖中不同波長等對業務提供保護。光復用段線性保護是指通過光復用段保護單元的雙發選收或選發選收功能，利用相同或不同光纜中的一對光纖，對合波后的光復用段信號提供保護，其中，光復用段保護單元在合分波器與光放大器之間為類型I，光復用段保護單元在光放大器與光纖之間為類型II。OTN光層線性保護從倒換結構上可以劃分為線性1+1、線性1∶1、線性1∶n保護倒換。

OTN光層環網保護包括通路環網保護和光復用段環網保護。OTN光通路環網保護指基于波長的共享環保護，工作波長和保護波長可在同一根光纖中，也可在不同光纖中， 具體方式可由用戶配置指定。光通路環網保護支持雙向倒換，保護粒度為波長，在業務上下節點發生保護倒換動作。OTN光復用段環網保護指基于復用段的共享環保護，工作路徑和保護路徑的一對光纖可在同一根光纜中，也可在不同光纜中，具體方式可由用戶配置指定。光復用段環網保護支持雙向倒換。

3 數據網故障恢復

3.1 故障恢復過程

當網絡發生鏈路故障時，與故障鏈路相連的網絡設備及時探測到故障并更新到備用鏈路重新進行流量轉發過程即為網絡故障恢復過程。

網絡檢測到故障后，并不是立即擴散路由信息并進行路由計算，數據網絡一般會啟用FRR（在MPLS的環境下，一般會啟用MPLS FRR/MPLS TE FRR）機制，首先倒換到備用路由進行流量轉發，然后全網路由重新收斂，在此期間使用備份路由轉發。啟用FRR后，倒換到備用路由時間一般可在50 ms之內，這樣數據網故障恢復的關鍵就在于快速故障檢測。

如果通過鏈路層來進行故障檢測，那么鏈路層協議不同，故障檢測時間也不同。例如鏈路層協議為POS時，可以在50 ms內檢測到鏈路故障；而當兩臺路由器通過以太網相連時，如果一臺路由器接口狀態為Down，而另一臺路由器接口狀態仍為Up時，只能通過協議自身握手機制來檢測鏈路故障。IS-IS通過Hello報文進行鏈路故障檢測，故障檢測時間在1 s以上，無法滿足快速收斂（ms級）要求，而在以太網鏈路上啟用BFD機制，就能完成快速故障檢測。

3.2 BFD協議

BFD提供一種通用的、標準化的、協議無關的快速故障檢測機制，為各上層協議如路由協議、MPLS等統一地快速檢測兩臺路由器間雙向轉發路徑的故障。

BFD在兩臺路由器上建立會話，用來監測兩臺路由器間的雙向轉發路徑，為上層協議服務。BFD本身并沒有發現機制，而是靠被服務的上層協議通知其該與誰建立會話，會話建立后如果在檢測時間內沒有收到對端的BFD控制報文則認為發生故障，并通知被服務的上層協議，上層協議進行相應的處理。

由于BFD報文的標準與協議無關，可以通過硬件芯片處理BFD探測報文的收發，提高報文的收發速度以及探測速度，實現50 ms以內的快速故障探測。

BFD控制報文包括強制部分和可選認證部分。強制部分格式如圖1所示。

圖1 BFD控制報文強制部分

可選認證部分格式如圖2所示。

圖2 BFD控制報文可選認證部分

控制報文各字段的含義如下：

*Vers：BFD協議版本號，目前為1；

*Diag：診斷字，標明本地BFD系統最后一次會話Down的原因；

*Sta：BFD本地狀態；

*P：如果標記該標志，表示參數發生改變或發送系統進行連接時，請求對方立即進行確認和響應。否則，不請求對方進行確認和響應；

*F：響應P標志置位的回應報文中必須將F標志置位；

*C：轉發/控制分離標志，一旦置位，控制平面的變化不影響BFD檢測，如：控制平面為ISIS，當IS-IS重啟/GR時，BFD可以繼續監測鏈路狀態；

*A：認證標識，置位代表會話需要進行驗證；

*D：查詢請求，置位代表發送方期望采用查詢模式對鏈路進行監測；

*R：預留位；

*Detect Mult：檢測超時倍數，用于檢測方計算檢測超時時間；

*Length：報文長度；

*My Discreaminator：BFD會話連接本地標識符；

*Your Discreaminator：BFD會話連接遠端標識符；

*Desired Min Tx Interval：本地支持的最小BFD報文發送間隔；

*Required Min RX Interval：本地支持的最小BFD接收間隔；

*Required Min Echo RX Interval：本地支持的最小Echo報文接收間隔（如果本地不支持Echo功能，則設置0）；

*Auth Type：認證類型，目前協議提供有Simple Password，Keyed MD5，Meticulous Keyed MD5，Keyed SHA1和Meticulous Keyed SHA1；

*Auth Length：認證數據長度；

*Authentication Data：認證數據區。

4 鐵路OTN網絡建設

4.1 OTN網絡架構

目前鐵路光傳送網網絡結構分為骨干層、匯聚層（局內干線）和接入層。骨干層傳輸網主要完成各路局至鐵路總公司、路局之間業務的傳送及調度，并為鐵路局組網提供迂回保護通道。匯聚層（局內干線）傳輸網主要完成局內骨干節點之間業務傳送，實現業務從接入層到路局內骨干節點匯聚。接入層傳輸網則提供豐富的業務接口，實現多種業務的接入，為路局內各種接入業務提供通道。

4.2 OTN網絡保護方式

鐵路骨干層OTN網絡在電層面，承載IP數據業務的子波啟用ODUk SNCP的保護方式，承載SDH業務的子波啟用SDH自有的環網保護。在光層面，敷設2條光纜的鐵路線，啟用OLP 1+1保護方式（光復用段線性保護類型II）。對于2條光纜敷設時間間隔較長、光纜指標相差較大區段，則采用OMSP保護（光復用段線性保護類型I）。匯聚層（局內干線）OTN網絡在電層面，承載SDH業務的子波啟用SDH自有的環網保護。承載IP數據業務的子波，則根據各路局的實際情況，啟用或不啟用ODUk SNCP保護方式。在光層面，由于路局光纜條件不一，除客運專線外，大多數鐵路兩側的光纜敷設時間不一致，因此各路局根據光纜情況決定是否啟用OLP保護方式。

5 鐵路數據網建設

5.1 數據網網絡構架

鐵路數據網分為骨干網絡和各鐵路局區域網絡2級結構。鐵路總公司作為骨干網匯接節點，北京、西安、武漢、上海、成都作為骨干網轉發節點、各路局設置骨干網接入節點。北京、西安、武漢骨干網轉發節點間組成半網狀連接，相鄰轉發節點互聯，各轉發節點與鐵路總公司節點直接互聯，骨干網接入節點同時與兩個大區轉發節點互聯。骨干網節點間采用10 GE接口互聯。骨干數據網由鐵路骨干層OTN網絡承載。

鐵路局區域網絡由核心節點（鐵路局所在地）、匯聚節點和接入節點組成。對于匯聚節點到核心節點間、接入節點到匯聚節點間的連接，在城域范圍內或有需求的節點，采用環形或星形方式接入上層節點，在鐵路沿線范圍，采用鏈型雙歸方式接入上層節點。目前，隨著鐵路局局內OTN網絡的建設，數據網匯聚節點到核心節點間、接入節點到匯聚節點間的連接鏈路，主要由局干OTN網絡或MSTP傳輸系統（GE接口）提供，同城鏈路及接入節點間的鏈路直接承載在光纖上。

5.2 數據網故障恢復

隨著鐵路OTN網絡的建設，鐵路數據網主要由OTN網絡和光纖承載。鐵路骨干數據網，對于OTN承載數據網的10 G鏈路，數據網路由器10 GE接口的成本為10 G POS接口成本的40%～50%，而目前的OTN設備的10 G和10 GE接口成本差別不大，因此一般采用10 GE接口類型。鐵路局區域網絡，主要以GE鏈路為主。

為保證數據網對業務承載的可靠性，針對網絡故障恢復，在其關鍵過程啟用了BFD完成快速鏈路故障探測；并先期在骨干網絡轉發節點間進行了MPLS-TE FRR部署，在積累運維經驗后進一步結合多種技術，優化數據網對業務的承載。

6 鐵路數據網故障恢復與OTN網絡保護間協調策略

OTN承載數據網絡，主要鏈路類型為10 GE、GE，這樣，數據網啟用了BFD協議實現快速感知鏈路故障。當鏈路故障時，采用首先啟用OTN保護機制，再啟用數據網故障恢復機制的原則。

不啟用BFD時，當OTN鏈路出現故障，OTN設備在50 ms內完成倒換，對IP業務沒有影響；當OTN鏈路出現故障，而OTN保護無法處理時，數據網會自己完成故障恢復，但恢復時間較長，一般大于1 s。

啟用BFD時，當OTN鏈路出現故障，OTN進行保護倒換，但因數據網的故障恢復時間變短，有時會出現OTN和數據網同時進行鏈路倒換情況。這樣就需要OTN網絡保護機制、數據網故障恢復機制協調配合來共同保證數據網業務的可靠性。

6.1 鐵路數據網故障恢復與OTN單層網絡保護間協調策略

在OTN網絡對于數據業務采用ODUk SNCP 或OLP或OMSP單層網絡保護機制時，OTN系統完成對故障的保護倒換總體時間包括檢測時間（目前鐵路OTN網絡均采用1+1單向倒換的保護，檢測時間在10 ms以內）+保護倒換時間（50 ms）+鏈路傳輸時間（5 us/km）+設備傳輸延遲時間（us級，可忽略）。根據鐵路數據網構架，最長鏈路（西安—烏魯木齊）按3 000 km考慮，鏈路傳輸時間為15 ms， 則OTN系統完成對故障的保護倒換總體時間小于75 ms。

BFD報文的各種參數在會話建立后都可動態改變，不影響會話當前狀態，其中可以動態改變的參數有：DMTI、RMRI、使能去使能ECHO功能、使能去使能查詢功能、使能去使能認證等。在異步模式下，由于檢測位置是在對端，所以對端計算檢測時間時需要用到本端的檢測倍數，公式如下：檢測時間=接收的遠端DM×max（bfd.RMRI,接收到的DMTI）。

為了先啟用OTN保護機制，通過設置路由器的BFD時間，適當增加故障檢測時間，可以保證OTN首先進行倒換并且不觸發IP層的倒換機制，因此，對于BFD，可設置max(bfd.RMRI,接收到的DMTI)為40 ms，DM為3，則檢測時間為120 ms，完成OTN保護與數據網故障恢復的協同工作。

6.2 數據網故障恢復與OTN多層網絡保護間協調策略

在OTN網絡對于數據業務將電層ODUk SNCP與光層OLP或OMSP網絡保護機制同時啟用時，OTN系統一般先啟用光層OLP或OMSP保護，對于ODUk SNCP做拖延時間設置，一般設置30 ms～40 ms，這樣，根據鐵路數據網構架，最長鏈路（西安—烏魯木齊）按3 000 km考慮， 則OTN系統對故障的保護倒換總體時間小于115 ms。

BFD報文的各種參數在會話建立以后都可動態改變，不影響會話當前狀態，其中可以動態改變的參數有：DMTI、RMRI、使能去使能ECHO功能、使能去使能查詢功能、使能去使能認證等。在異步模式下，由于檢測的位置是在對端，所以對端計算檢測時間時需要用到本端的檢測倍數，公式如下：檢測時間=接收的遠端DM×max（bfd.RMRI,接收到的DMTI）。為了先啟用OTN的保護機制，通過設置路由器的BFD時間，適當增加故障檢測時間，可以保證OTN首先進行倒換并且不觸發IP層的倒換機制，因此，對于BFD，可設置max（bfd. RMRI,接收到的DMTI）為60 ms，DM為3，則檢測時間為180 ms，完成OTN保護與數據網故障恢復的協同工作。

7 結束語

當數據網由OTN網絡承載時，由于OTN網絡保護倒換時間較短，當鏈路出現故障，一般采用首先啟用OTN保護機制原則。在具體工程應用中，要綜合考慮OTN各種保護方式及多層保護同時啟用的情況，采用有效策略做好與數據網故障恢復機制的協調，以保證數據網業務的可靠性。

［1]李允博.光傳送網（OTN）技術的原理與測試[M].北京：人民郵電出版社，2013.

［2]中華人民共和國工業和信息化部.YD/T 1990-2009 光傳送網（OTN）網絡總體技術要求[S].北京：人民郵電出版社，2009.

［3] RFC 5881 Bidirectional Forwarding Detection (BFD) for IPv4 and IPv6 (Single Hop)[S].

Based on the research on the fault recovery technology of railway data network and OTN network protection methods, the paper analyzes and discusses the coordination strategy between fault recovery of railway data network and OTN network protection methods considering the current construction situation of railway data network and OTN network.

fault recovery; protection; coordination strategy

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.008

2015-04-01）

中國鐵路總公司科技研究開發重大課題項目（BK-2013X003-A1-1）