瑞斯康达保护倒换技术白皮书

1.1 保护倒换技术原理1.1.1 故障检测机制保护倒换机制能够在发生故障时迅速切换到备份路径上，首先能够及时发现故障，亦即故障检测机制。目前常用的故障检测机制有以下几种：a） 物理层检测方法，直接检测物理端口的状态、接收光功率等；b） 链路层OAM检测方法，如802.3ah，可以通过link event等来检测；c） 业务层OAM，如Y.1731等，可以通过检测业务存活状态来检测，关于业务层OAM，请参阅瑞斯康达CFM技术白皮书1.1.2 源宿协商机制对于1+1单向保护倒换来说，源宿不存在协商问题，源端永久将流量发送到主备链路上。对于其他保护倒换类型来说，存在源宿协商的问题，源端需要切换流量至备用链路，并将这个切换通知宿端，宿端需要选择在哪条链路上接收，并把这个信息也通知到源端。目前一般采用APS（AutoProtectionSwitch自动保护倒换）协议，APS协议可以承载在多种PDU上。APS协议定义了正常状态消息，故障状态消息，故障恢复消息，定时器超时消息、管理员指令等多种消息类型，这些消息有优先级高低的区分。APS通过自身算法来计算应该采取的动作。下文提到的多种具体保护倒换技术都采用了APS协议。源宿协商机制一般有一步法，两步法，三步法等三种工作模式，这里的一步两步三步指的是协议报文的交互次数a) 一步法，宿端通知源端故障，然后源宿同时切换，该模式仅适用于1+1或1:1b) 两步法，宿端通知源端故障，源端再通知宿端其所选择路径，然后源宿完成切换c) 三步法，宿端通知源端故障，源端通知宿端其所选择路径，宿端再通知源端其所选择路径，适用于所有场景，但也最复杂1.1.3 返回机制当流量倒换到备用路径之后，主用链路如果从故障中恢复了，那么保护倒换机制面临两种选择，是将流量再切换至原主用链路，还是保持不变，这称之为返回机制。切换回原主用链路的，称之为返回模式，保持不变的，称之为非返回模式。返回模式的优点是一般主用链路往往有更好的网络质量，或者备用链路有其他的流量。而非返回模式的优点在于实现简单。1.1.4 定时机制保护倒换机制需要各种定时器来维护源宿两端及链路的状态，主要的定时器有：a)Holdofftimer，该定时器在故障被检测到时启动，定时器超时后再次检测故障，如果还存在则启动倒换。该定时器的作用在于，网络是分层分域的，如EoS，每一层都可能有自己的保护倒换方案，当底层网络已经实施保护倒换之后，其客户层网络不需要实施保护倒换；分域的情况与之类似。b)WTR（waittorestore），该定时器的作用是在返回模式下，检测到故障恢复后，须等待一定时间再返回主用链路。其防止了网络不稳定导致的频繁切换。c)GuardTimer，该定时器是在环网保护中，防止因为循环发送而导致收到过时消息，在该定时器时效内不处理保护倒换协议消息d)其他定时器种类请参阅相关标准1.2 保护倒换技术优势保护倒换技术是一种提高网络可靠性的手段，通过及时对故障的检测以及流量的切换、源宿节点的协商，保证业务在出现故障时能够快速得到修复，电信级的保护倒换技术可以保证业务中断时间不超过50ms，使得业务损伤降到最低。2. 保护倒换的典型技术不同的网络技术适用各种不同的具体的保护倒换技术。2.1.1 链路聚合LAG链路聚合（Link aggregation /LAG）是一种端口级的冗余技术，它通过将多个物理端口聚合为一个逻辑端口来提供额外的冗余性或更高的带宽，这些物理端口的工作模式必须是一样的。LAG是一项点到点的技术，亦即必须在直接相邻的两个以太网设备之间启用。其所遵从的标准是802.3ad。LAG方式不保证50ms保护倒换时间。LAG技术关键点如下：LAG保护模式（静态或手工） LAG有两种工作模式：静态模式和手工模式，在静态模式下，两端启用LACP协议进行协商；手工方式下，由管理员指定聚合端口。在任何情况下，两端的配置必须一致。负载分担方式LAG可以工作在负担分担方式下，该方式下每个聚合组最多可以有16个端口，流量在组内的端口上通过一定的算法进行分配，实现带宽的聚合功能。常用的分配算法有根据源或者目的MAC分配、根据源或者目的IP分配，根据源或者目的TCP/IP端口号进行分配。当组内某端口发生故障时，分配算法会进行调整，将流量分配给组内剩余端口，同样可以提供网络冗余，恢复业务的正常发送。非负载分担方式该方式下端口之间是n:1保护的方式，初始状态下业务流量全部在主用链路上发送，备用链路空闲，当主用链路发生故障时，聚合组其余端口就选出一条承载流量。该方式业务倒换速度更快。一般典型应用是1：1.2.1.2 G.8031G.8031是ITU定义的以太网业务级线性保护倒换协议，又叫ELPS（EthernetLinearProtectionSwitch）。该协议使用CFM（connectivity fault management连接性故障管理，是一种二层以太网OAM协议）协议检测业务状态，并通过Y.1731的PDU来承载其协议报文，实现源宿的协商。G.8031是一项端到端的技术，亦即保护的源宿端不必是直接相邻的，工作和保护链路上都可以有其他设备。G.8031主要原理如下：保护模型G.8031保护的是基于VLAN的业务，其采用端口事件和CFM进行故障检测。G.8031采用Y.1731的PDU来承载APS协议报文，其用一步模式进行源宿协商，支持返回和非返回模式，支持单向和双向1+1或双向1:1。协议报文始终在？备用链路？上发送。在稳定状态下，协议报文以较慢的频率发送（5s），而当状态发生变化，如链路故障或管理员进行保护倒换相关操作时，为了提高可靠性，防止报文丢失、实现快速倒换，该状态变化的协议报文以较快频率（3.3ms）连续发送3个。事件处理G.8031c处理来自三种事件：a)本地的事件如本地故障、管理员指令等；b)对端的事件，也就是协议报文所携带的消息；c)定时器超时触发，如上文提到的hold off timer以及WTR。G.8031不断地接收这三类事件，通过协议计算出本端所应完成的动作。典型场景本节试图举例说明G.8031保护倒换的过程，具体细节请参阅相关标准。该场景是非返回模式的1:1双向倒换：a)宿端检测到故障，切换自己的发送和接收链路，并将检测到的故障通知源端b)源端收到故障通知，切换发送和接收链路c)进入稳定状态后，源宿按照上文提及的5s的频率发送稳定状态协议消息，但该消息内容与链路无故障状态时不一样d)故障清除时，源宿互相发送故障清除但不切换的协议报文，流量不切换2.1.3G.8032G.8032是ITU定义的以太网业务级环网保护倒换协议，又叫ERPS（EthernetRingProtectionSwitch）。与G.8031类似，该协议使用CFM协议检测业务状态，并通过Y.1731的PDU来承载其协议报文，实现源宿的协商。与G.8031不同的是，环网本身在网络架构上就提供了冗余度，G.8032所提供的保护倒换方式是首先将一段链路阻塞，这样环网从逻辑上就成为了一个线性网络，而当网络中发生故障时，再将被阻塞的链路启用，这样仍然可以保证网络之间各点的连通性，使得业务能够正常转发。G.8032最初设计的时候只支持单环，如今最新的标准已经可以支持相切环、相交环等多种复杂拓扑。G.8032同样存在返回模式的区分，其返回模式是指当故障消失后，原被阻塞链路再次被阻塞，故障链路投入使用；其非返回模式是指当故障消失后，原阻塞链路不阻塞，故障链路保持断开状态，亦即网络的逻辑连接在故障恢复前后不发生变化。协议机制G.8032同样采用CFM来检测链路故障，并且通过Y.1731的PDU来携带其协议报文在环上的节点，每两个之间要配置一对MEP来监测它们之间链路状态。稳定情况下，只有环的主节点发送G.8032协议报文，当发生状态变化时，发生变化的节点要发送协议报文。与G.8031类似，稳定状态下报文发送周期是5s，而状态发生变化时的发送周期是3.3ms。2.1.4PTN线性保护PTN网络中的线性保护倒换，又称之为G.8131，是MPLS-TP网络中的保证网络高可靠性的协议。其与G.8031非常相似，从检测机制，协议交互，都是参考了G.8031的实现。所不同的是其所保护的是PTN的端到端业务，一般是LSP层或PW层，其检测机制依赖的是MPLS-TP的OAM，即，而其自身协议报文的封装也是采用的PDU，封装了APS协议消息。G.8131同样支持1+1和1:1，在1+1单向的情况下，不需要协议报文的参与。2.1.5PTN环网保护和G.8131不同的是，PTN的环网保护并没有参考G.8032环网保护的实现，而是采用了Wrapping和Steering的机制。由于PTN是采用基于标签的转发方式，所以标签就代表了转发路径，不需要通过阻塞路径来防止环路，而当故障发生时，原先经过该故障链路的路径就不通了，这时采用将业务从反方向发送出去，并且打上相应的标签，就可以保证业务不断。Wrapping和Steering的机制分别如下：正常情况：如图所示，A、B、C、D构成一个环网，分为内环和外环，假设在此种情况下B-D的路径是B-A-D，当A到D之间的链路发生故障时，Wrapping和Steering的处理方式分别如下：如图所示，B-D的路径现在变成B-A-B-C-D，亦即从A绕路的方式该方式实现机制简单，收敛快，但路径会变长，并且会多占用链路带宽。如图所示，B-D的路径变成直接走另外一个环，即B-C-D，即抄近路的方式该方式节约带宽、路径短，但需要收敛时间。这两种方式都需要有相应的标签分配机制，目前这方面的标准尚未确定。2.1.6PW双归保护网络中不仅存在链路失效，还存在节点失效，尤其是业务终结点失效，此时需要特别的保护倒换技术来保证业务及时恢复。PTN网络中常用的是PW双归技术。相对于G.8131的同源同宿拓扑，该技术实现了同源不同宿的保护倒换。如图，PW2保护PW1；TUNNEL2保护TUNNEL1，而TUNNEL1承载PW1；TUNNEL4保护TUNNEL3，而TUNNEL3承载PW2；Tunnel的保护提供了额外的冗余度，而这不是必须的。该保护倒换方式不仅需要传送设备参与，业务终结设备（如RNC）也需要参与与一般的线性保护不同的是，双归保护可以保护业务终结设备接入链路的故障（包括该设备的板卡故障等），在这种情况下，PTN设备感知相应业务接口故障之后，产生客户信号失效（CSF）的OAM消息，发送至接入点，接入点PTN设备会将业务切换到备用PW上去2.1.7MSP保护MSP（MultiplexSectionProtection复用段保护）是SDH网络中实现电信级保护倒换的技术，其采用的也是APS协议，除了报文发送周期之外，线性MSP保护的模式和机制与G.8031几乎完全一样。MSP采用SDH复用段的开销K1、K2字段来传递保护倒换的协议消息