本科毕业设计sdh自愈机制及其应用.docx
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本科毕业设计sdh自愈机制及其应用
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
SDH自愈机制及其应用
学生姓名
曹家运
学号
37011342
院系
计算机与通信工程学院
专业
通信技术
班级
370113
指导教师
龚佑红讲师、工程师
顾问教师
杜文龙
二〇一三年十月
摘要
现代社会离不开通信，而通信网络的安全性，即网络的生存性也越来越显示出其重要的地位。
自愈网的概念由此而产生，就是说网络在出现意外故障时能够在极短时间内且无需人为干涉自动恢复所携带业务，即网络具备发现替代传输路由并重新确立通信的能力。
SDH环形网保护就是实现自愈网的方法之一。
SDH自愈环保护是使现代大容量光纤网络具有很高生存性的手段之一。
自愈环分通道保护环和复用段共享保护环。
本文描述了自愈环的分类，自愈环的结构及保护机理，同时对各种自愈环结构的特点、应用环境等作出了分析和比较，以供工程中参考。
关键词：
SDH自愈环复用段共享保护
Abstract
Withoutcommunicationinmodernsociety,andthesecurityofthecommunicationnetwork,thenetworksurvivabilityisbecomingmoreandmoreshowsitsimportantposition.Self-healingnetworkconcept,thismeansthatthenetworkincaseofaccidentalfailurecanbeinaveryshortperiodoftimewithouthumaninterventioncarriedbyautomaticrecovery,networkhavefoundalternativetransmissionrouteandre-establishtheabilityofcommunication.SDHringnetwork.
SDHself-healingringprotectionistomakethemodernoneofthemeansofhigh-capacityopticalnetworksurvivabilityhasaveryhigh.Self-healingringchannelprotectionringandmultiplexingsegmentSharedprotectionring.Thisarticledescribestheclassificationofself-healingring,self-healingringstructureandprotectionmechanism,atthesametimetoallsortsofself-healingringstructurecharacteristics,applicationenvironment,etc,theanalysisandcomparisonofreferencefortheengineering.
Keywords：
SDH;Self-healingring;MultiplexingsegmentSharedprotection
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1SDH的概述1
1.2SDH产生的背景1
1.3SDH的特点1
1.3.1SDH技术的优点1
1.3.2SDH技术的不足2
第二章SDH的保护方式及结构5
2.1自愈的分类5
2.1.1常见的保护类型5
2.1.2自愈环保护方式的选择5
2.2自愈环结构及保护机理7
2.2.1两纤单向复用段保护环7
2.2.2四纤双向复用段保护环7
2.2.3两纤双向复用段保护环8
2.2.4两纤单向通道保护环8
2.2.5两纤双向通道保护环9
2.3自愈环保护的分析比较9
第三章SDH的主要应用11
3.1自愈网的应用11
3.2网络拓扑设计12
3.3SDH在工程综合中应用13
3.4泽州县网通传输网现状14
3.5对各种接入的支持16
3.5.1支持窄带宽带业务16
3.5.2支持IP业务16
第四章总结与展望19
4.1总结19
4.2展望19
4.2.1SDH强大的发展生命力19
4.2.2SDH网络管理发展19
4.2.3SDH应用传输媒介扩展20
致谢21
参考文献23
第一章绪论
1.1SDH的概述
SDH是同步数字体系（SynchronousDigitalHierarchy）的缩写，根据ITU-T的建议定义，它为不同速度的数字信号的传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的一个技术体制。
它是一种新的数字传输体制，被称为电信传输体制的一次革命。
我们可将信息高速公路同目前交通上用的高速公路做一个类比：
公路将SDH传输系统信号，立交桥将是大型ATM交换机，SDH系列中的上下话量复用（ADM）就是一些小的立交桥或叉路口，而在“SDH高速公路”上跑的“车”，就将是各种电信业务（语音、图像、数据等）。
与以往传统传输技术不同的是，SDH技术就好比集装箱列车，各种货物（业务）贴上标签（各种开销：
Overhead）后装入集装箱。
然后小箱子装入大箱子，一级套一级，这样通过各级标签，就可以在高速行驶的列车上准确地将某一包货物取下，而不需将整个列车“翻箱倒柜”（通过标签可准确地知道某一包货物在第几车厢及第几级箱子内），因此，只有在SDH中，才可以实现简单地上下电路。
1.2SDH产生的背景
传统的数字通信制式是准同步数字系列（PDH）。
所谓准同步是指各级比特率相对其标称值有一个规定容限的偏差，而且是不同源的。
在数字通信发展初期，准同步数字系列起到了很大作用，使数字复用设备能先于数字交换设备得到开发。
但在数字网技术迅速发展的今天，这种基于点对点的体制正暴露出一些固有的弱点，无法适应新技术发展要求，难以很好地支持新一代网络。
为了适应新的电信网的发展，新一代公认的理想的传输体制，即同步数字系列（SDH）应运而生。
所谓SDH是由一些网络单元（如复用器等）构成的，在光纤（或微波）上进行同步信息传输、复用的方式。
SDH的问世之所以被称为是通信传输体制上的重大变革，完全因为它具有许多PDH所不及的优点。
SDH是电信网朝着高速化、数字化、综合化及智能化方向发展的必然结果。
SDH传输体制正迅速地代替不适应现代通信网发展的PDH体制，成为推动传输网实现新变革的基础。
1.3SDH的特点
1.3.1SDH技术的优点
SDH技术是大容量同步光通信网络的国际标准，是以提供经济、灵活的通信网络基础结构的同步数字传输系统。
SDH传输网体系特点如下：
（1）统一的网络接口点
对网络接口（NNI）进行了统一的规范，它包括数字速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理系统。
SDH实现了横向兼容，可以容纳北美、日本和欧洲的现有数字系列，使得PDH体系信号在STM-1等级上获得了统一。
（2）统一的光接口标准
SDH传输体系采用了NRZ码加扰码的光线路码型，克服了PDH体系信号在光接口上传输速率不同的缺点，实现不同厂家生产的设备在光线路上的互通。
（3）传输速率高，传输容量大
高速的SDH信号是通过讲STM（同步传送模块）信号按字节间插或按码块间插同步复接而成。
商用的40Gbit/s的光纤系统已经投入使用。
（4）良好的兼容性
SDH网络不仅与现有的PDH网络完全兼容，还能容纳各种新业务信号，例如，光纤分布式数据接口信号FDDI、城域网的分布排队双总线信号DQDB、宽带ISDN中的异步转移模式ATM及以太网数据等。
SDH体现了前向和后向的兼容性，成为公共的传输平台。
（5）灵活的复用映射结构
SDH标准规定了严格的映射复用方法，并采用指针技术，支路信号在线路信号中的位置是透明的，可以直接从STM-N中灵活地上下支路信号，无需直接通过逐级复用就可以实现分插功能，从而减少了设备的数量，简化了网络的结构，提高了传输性能。
（6）完善的保护和恢复的机制
SDH网络具有智能检测的网管系统和网络动态配置功能，自愈能力极强。
当设备或系统发生故障时，能迅速恢复业务，从而提高了网络的可靠性，降低了维护费用。
（7）强大的网络管理能力
SDH的帧结构中有丰富的开销比特（大约占信号的5%），因而网络运行、管理和维护（OAM）能力极强。
由于SDH采用的是分层的网络结构，能实现分布式管理，所以每一层网络系统的信号结构中都安排了足够的开销比特来实OAM。
综合上述特点，SDH最核心的特点是同步复用、标准的光接口及强大的网管能力。
1.3.2SDH技术的不足
SDH作为一中的新的技术体制还存在一些缺陷，主要表现如下：
（1）频带利用率低
我们知道有效性和可靠性是一对矛盾增加了有效性必将降低可靠性，增加可靠性也会相应的使有效性降低。
例如，收音机的选择性增加，可选的电台就增多，这样就提高了选择性。
但是由于这时通频带相应的会变窄，必然会使音质下降，也就是可靠性下降。
相应的，SDH的一个很大的优势是系统的可靠性大的增强了（运行维护的自动化程度高），这是由于在SDH的信号——STM-N帧中加了大量的用于OAM功能的开销字节，这样必然会使在传输同样多有效信息的情况下，PDH信号所占用的频带（传输速率）要比SDH信号所占用的频带（传输速率窄）即PDH信号所用的速率低。
例如：
SDH的STM-1信号可复用进63个2Mbit/s或3个34Mbit/s（相当于48个2Mbit/s）或1个140Mbit/s相当于（64个2Mbit/s）的PDH信号。
只有当PDH信号是以140Mbit/s的信号复用进STM-1信号的帧时，STM-1信号才能容纳642Mbit/s的信息量，但此时它的信号速率是155Mbit/s，速率要高于PDH同样信息容量的E4信号（140Mbit/s），也就是说STM-1所占用的传输频带要大于PDHE4信号的传输频带（二者的信息容量是一样的）。
（2）指针调整机理复杂
SDH体制可从高速信号（例如STM-1）中直接下低速信号（例如2Mbit/s），省去了多级复用/解复用过程。
而这种功能的实现是通过指针机理来完成的，指针的作用就是时刻指示低速信号的位置，以便在“拆包”时能正确地拆分出所需的低速信号，保证SDH从高速信号中直接下低速信号的功能的实现。
可以说指针是SDH的一大特色。
但是指针功能的实现增加了系统的复杂性。
最重要的是使系统产生SDH的一种特有抖动由指针调整引起的结合抖动。
这种抖动多发于网络边界处（SDH/PDH），其频率低，幅度大，会导致低速信号在拆出后性能劣化，这种抖动的滤除会相当困难。
（3）软件的大量使用对系统安全性的影响
SDH的一大特点是OAM的自动化程度高，这也意味软件在系统中占用相当大的比重，这就使系统很容易受到计算机病毒的侵害，特别是在计算机病毒无处不在的今天。
另外，在网络层上人为的错误操作、软件故障，对系统的影响也是致命的。
这样系统的安全性就成了很重要的一个方面。
SDH体制是一种新生事物，尽管还有这样那样的缺陷，但它已在传输网发展中，显露出了强大的生命力，传输网从PDH过渡到SDH已是一个必然的趋势。
第二章SDH的保护方式及结构
2.1自愈的分类
SDH网络保护的方式可以分为两大类，即：
路径保护和子网连接保护。
路径保护包括线性系统的复用段保护和环网的通道保护等等，都已经得到了广泛的应用。
2.1.1常见的保护类型
SDH自愈环一般是由若干分插设备ADM首尾相连构成的环形结构网。
这种结构的网具有很高的生存性。
自愈环结构分为通道保护环和复用段（线路）共享保护环。
通道保护环业务量的保护倒换发生条件是根据离开环的通道信号质量好坏决定，一般看是否产生通道AIS信号，复用段共享保护环以每一对节点间的复用段信号优劣而定，出故障时整个节点间的复用段业务全部转向保护环。
通道保护环一般用专用保护，即正常情况下保护段也传业务信号，而复用段保护环一般用公用保护，即正常情况下保护段空闲。
根据进入环的支路信号与由该支路信号分路节点返回的支路信号方向是否相同，自愈环分为单向环和双向环，根据一对节点间所用光纤的最小数目又分为二纤环和四纤环。
通道倒换环一般工作在单向二纤方式，目前也有的工作在双向两纤方式下，复用段倒换环可以工作在两纤、四纤、单向、双向，图2-1自愈的分类。
图2-1自愈的分类
由上图可以看出，自愈环分五种典型结构：
两纤单向、两纤双向、四纤双向复用段保护环和两纤单向、两纤双向通道保护环。
2.1.2自愈环保护方式的选择
分插复用设备ADM的环状网结构具有强大的自愈功能，自愈是它的一个重要特征。
所谓自愈是指在发生故障时，网络自动地在极短的时间内（ITU-T规定为50ms以内）使业务自动从故障中恢复，用户几乎感觉不到网络出了故障，整个过程不需要人为干预。
自愈环之所以可以自动从故障中恢复业务，主要是因为这种环网络在故障发生时，可以找到一条新的传输路由来替代原来的路由进行通信。
可以采用备用设备作为替代路由，或者利用现有设备中的备用通道来实现业务的恢复。
由此可以知道网络具有自愈能力的先决条件是有冗余的路由、网元强大的交叉能力以及网元一定的智能。
自愈只是靠备用设备或备用信道将失效的业务恢复，故障的部件和线路的修复或更换，仍然是要靠人工的操作才可以完成修复工作，这就像断了的光缆还需人工接好。
自愈环的保护方式有多种，可根据自身需要采取不同的保护方式。
自愈环按照实现保护的传输单位可分为通道保护环和复用段保护环。
通道保护环中，业务的保护是以通道为基础的，环上的某一支路PDH信号的传输质量来决定是否发生倒换，它不涉及APS协议的处理过程，在收端收到TUAIS信号时，来决定该通道进行倒换。
复用段倒换环是以复用段为基础的，复用段信号所传送信号的质量劣化是启动倒换的先决条件。
复用段保护倒换启动时通过APS协议来实现的，启动保护倒换的信息由SDH帧中的K1、K2（b1-b5）字节所携带，当复用段的信号劣化到一定水平时，倒换启动，环上相应的备用信道就承担起原有业务通道的信号输。
如果按照一对节点间所用光纤的最小数量来分，还可以分为二纤环和四纤环。
图2-2SDH自愈结构。
图2-2自愈结构
2.2自愈环结构及保护机理
2.2.1两纤单向复用段保护环
图2-3两纤单向复用段保护所示，S表示业务光纤，P表示保护光纤，支路信号从S1光纤插入，P1光纤一般空闲。
各节点中高速线路上都有一个保护倒换开关。
B、C间光纤断后，B节点开关倒换，S1上的AC线路信号经P1沿相反方向传到C节点，经C节点倒换开关再从P1光纤回到S1光纤落地分路。
图2-3两纤单向复用段保护
2.2.2四纤双向复用段保护环
图2-4中，两根业务光纤S1、S2构成双向业务通路，两根保护光纤P1、P2构成双向保护通路。
从节点A进入环以C节点为目的地的信号沿S1按顺时针方向传输，从C节点到A节点的信号沿S2按逆时针方向传输。
P1、P2一般是空闲的。
四纤双向复用段保护环存在着两种保护方式：
段保护方式和环保护方式。
如果两节点间发生同时影响业务通路和保护通路的故障，如四纤同时被切断或节点故障，用环保护，即：
当B、C节点间光缆被切断后，B、C两节点执行倒换，S1与P1沟通，S2和P2沟通，AC业务由S1转到P1光纤上传输CA业务由S2转到P2光纤传输。
当故障只影响到业务通路的时候，如发送、接收设备故障或只是业务光纤被切断时，应采用段保护方式，类似于1+1保护系统，即：
当B、C节点间业务光纤被切断后，A、C节点进行倒换，A节点将S1、P2光纤沟通，C节点将S2与P1沟通，S1信号由P2传，S2信号由P1传。
环保护要占用整个保护通路，因此环倒换开关与段倒换开关不能同时启动，段倒换开关的优先级应较高。
图2-4四纤双向复用段保护
2.2.3两纤双向复用段保护环
在上面提到的四纤环中，S1、P2上信号的传输方向相同，S2、P1上信号的传输方向相同，在两纤双向复用段保护环中，将S1、P2上的信号合为一根光纤来传输，S2和P1上的信号也合为一根光纤传输，都各占一半时隙。
S1/P2光纤上业务时隙携带的信号由S2/P1光纤上保护时隙来保护，S2/P1上的业务信号由S1/P2上的保护时隙执行保护。
在这里一条光纤上既传业务信号又传保护信号，当光缆或节点发生故障时，总是同时影响工作通路和保护通路，所以不能应用段保护方式。
图2-5两纤双向复用段保护
图2-5两纤双向复用段保护
2.2.4两纤单向通道保护环
图2-6两纤单向通道保护，所有业务信号都沿顺时针方向在S1光纤上传输，同时在保护光纤上沿逆时针方向传输着同样的备份信号，如B、C间光纤断，S1上的业务信号丢失，则接收节点处开关倒换，接收从P1上相反方向传来的备份信号。
两纤单向通道保护环实际上是单端操作的1+1保护倒换系统。
图2-6两纤单向通道保护
2.2.5两纤双向通道保护环
图2-7两纤双向通道保护，两纤双向通道保护环中其1+1方式与单向保护环基本相同，只是返回信号沿相反方向返回，主要优点是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功能，使总业务量增加。
从A节点到C节点的AC业务信号同时馈入S1、P1光纤，如B、C间光纤断，C节点倒换，选择P1反方向过来的保护信号，这与两纤单向通道保护环一样，不同的是从节点C到节点A的CA信号同时馈入S2、P2光纤，方向与两纤单向通道保护环中的正好相反。
图2-7两纤双向通道保护
2.3自愈环保护的分析比较
（1）保护/恢复时间是衡量自愈能力的一个重要指标，以DXC选路为基础的自愈网需要几分钟，而自愈环保护可达50～200ms，其中通道保护环一般可达到30～50ms以下，但采用网管系统介入恢复过程的M：
N两纤双向通道保护环需要几分钟。
复用段共享保护涉及到必须采用SDH中的K字节在倒换时通信，需要的保护倒换时间长于通道保护，一般在200ms左右。
（2）在节点设备故障时，相临两节点在进行复用段保护倒换时可能发生错连，即倒换前后通路的起点并未连向相同的终点，如倒换前节点连向目的节点B，而倒换后连向“目的节点”C。
在通道倒换中不会发生此问题。
（3）通道保护可以实现部分通道保护，即部分通道在发端只发向一个方向，收端也不需倒换这样，可以将本来做保护通道的现在用来开更多的业务，增大业务量。
复用段共享保护不能实现部分通道保护。
（4）复用段共享保护环工作在线路等级，保护倒换基于线路等级的失效而非整个端到端连接完整路由和积累性能，因为只能按一段一段实现链路保护，不可能有端到端的保护能力。
而通道级保护与网络拓扑无关，不局限于环形结构，具有端到端的网络保护能力。
（5）复用段共享保护环的基本容量单位为VC-4，适合大业务量场合，一般应至少为STM-16（16×VC-4），STM-4一般没有必要用复用段共享保护，STM-1则根本不能使用。
通道保护可以提供VC12、VC3、VC4等各种容量等级，灵活性很大。
（6）将业务量分为两种分布类型：
分散分布和集中分布。
对于通道倒换环来说，无论分散分布还是集中分布，由于进入环中的所有支路信号都要经过两个方向传到接收节点，相当于要通过整个环传输，因此环的业务量等于设备的系统容量STM-N。
对于复用段共享保护环，其业务量与业务的分散集中程度有关。
用表2.1来描述可以看出，业务如果呈分散分布，则选用复用段共享保护，虽然倒换时间较长，但可以提供更多的通路数。
如果业务明显集中于一两个节点，则选择通道保护，因为它所提供的通路数接近于复用段共享保护，而且没有K字节之间的通信，倒换时间短。
表2.1k为节点函数
第三章SDH的主要应用
3.1自愈网的应用
（1）随着现代社会对通信的依赖性越来越大，通信网络的生存性已成为至关重要的问题，自愈网概念的产生，给提高通信网络的生存性提供了极为重要的途径和方法。
所谓自愈网就是网络具备替代传输路由，无需人为干预，网络就能在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，用户感觉不到网络已出故障。
其基本原理就是使网络具备自我诊断自动恢复通信的能力。
（2）按照自愈网的定义可以有多种手段来实现，各种自愈网都需要考虑下面一些共同的因素：
初始成本、要求恢复的业务量的比例、用于恢复任务所需的额外容量、业务恢复的速度、升级或增加节点的灵活性、易于操作运行和维护等等。
对于业务量足够大（1890个B通道）的业务大户，或者党政军等重要用户，可采用双路由的1+1保护方式。
（3）由于SDH环形网络可以进一步改善网络的生存性，降低成本，在接入网中主要是提倡以环形网组网为主，接入网的保护方式也主要地是以SDH自愈环保护为主。
电信网中的业务量分布只要有三种：
集中型、均匀型、相邻型。
而接入网的业务量分布是典型的集中型，其业务量一般都集中在一个节点——交换母局，即使考虑到用户业务的双主或双归，其业务量仍然属于集中型。
四纤复用段保护环虽然既支持环倒换，也支持跨距段倒换，某些多个故障情况可以完全得到保护。
但对于接入网集中型的业务量分布来说，这种跨距段的保护显示不出其优越性。
（4）从成本上来看，四纤环能提供较二纤环高的业务容量，适用于业务容量足够大的情况。
但对于接入网应用环境，由于处于网络的边缘，业务容量低，因此简单的二纤环的应用更显得经济。
从网络的保护/恢复时间来看，通道保护环由于不需要自动保护协议（APS），其保护时间一般可以做到小于50ms，而复用段保护环涉及APS，需要有高效的通信协议和硬件实现，因此保护倒换时间普遍较通道保护环高。
复用段保护环工作在线路等级，保护倒换基于线路等级的失效而非整个端到端连接完整路由和积累性能，因而只能按一段一段实现链路保护，而不可能有端到端的保护能力。
通道等级的保护是基于通道级信号的质量，因而传送设备在线路等级上的速率、格式和特性对通道级是全透明的，于是通道级保护可以在网络支路接入等级上实现，而与传送设备的类型无关，具有很大的灵活性，也由于保护倒换发生在支路接入级，失效检测的范围可以超过线路级，而基于整个端到端连接的积累性能，无论线路级上的失效还是支路接入级上的失效都能检测到。
可见通道级的保护倒换与网络拓扑无关，并不局限于环形结构，适应面更宽，具有端到端的网络保护能力。
在接入网应用场合，对于四种结构的自愈环，其比较见表3.1接入网应用场合自愈环的比较。
表3.1接入网应用场合自愈环的比较
项目
二纤单向通道保护环（1+1）
二纤双向通道保护环（1+1）
四纤双向复用段共享保护环
二纤双向复用段共享保护环
节点数
K
K
K
K
保护容量
1
1
1
1
基本容量单位
VC12/3/4
VC12/3/4
VC4
VC4
保护时间（ms）
<50
<50
≥50
≥50
成本
低
低
高
中
APS协议
无
无
有
有
端到端保护
有
有
无
无
应用灵活性
好
好
差
中
在接入网中可用性
好
好
不好
不好
充分比较几种环的结果可见，对于接入网应用场合，由于接入网是处于网络的连界处，业务容量要求低，而且大部分业务量汇集在一个节点（端局）上，因而适合这种业务量需求模型
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