劉昊，霍曉莉，胡騫，丁一

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

過去，光通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)相對獨立，設(shè)備廠商需要同時提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相配套的管控系統(tǒng)及服務(wù)。然而，從網(wǎng)絡(luò)運維的視角來看，這種單一的網(wǎng)絡(luò)管理模式存在數(shù)據(jù)不透明、故障定位效率低、業(yè)務(wù)恢復不及時等問題。日益增長的流量需求導致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增多且組網(wǎng)環(huán)境愈發(fā)復雜，上述問題更加顯著，給網(wǎng)絡(luò)運維帶來了巨大挑戰(zhàn)。

隨著通信技術(shù)邁入數(shù)字化時代，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software 2efine2 network，SDN）技術(shù)[1]的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理模式。構(gòu)建開放的光網(wǎng)絡(luò)生態(tài)圈不僅僅是口號，正在深刻影響著整個光通信產(chǎn)業(yè)。目前，基于SDN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制器已經(jīng)從IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到光傳送網(wǎng)，傳送SDN技術(shù)成為了光網(wǎng)絡(luò)管控領(lǐng)域的熱門研究課題[2]。按照規(guī)范性的南向與北向應(yīng)用程序接口（application programming interface，API），將業(yè)務(wù)平面和控制平面進行分離，基于傳送網(wǎng)控制器最終實現(xiàn)異廠商設(shè)備統(tǒng)一管控。這種統(tǒng)一管控的模式能夠化繁為簡，對所有廠商的設(shè)備資源、性能和告警等關(guān)鍵項綜合呈現(xiàn)，有助于快速識別網(wǎng)絡(luò)風險和定位故障；而對于運維人員來說，也降低了操作復雜度。

雖然傳送網(wǎng)控制器的應(yīng)用已經(jīng)能提高定位網(wǎng)絡(luò)故障的能力，但其只對相同管理域內(nèi)的設(shè)備提供服務(wù)，而對于實際組網(wǎng)環(huán)境中的邊緣節(jié)點之間則存在故障定位能力不足的問題。例如，交換機/路由器與傳輸設(shè)備之間的部分，兩類設(shè)備隸屬不同的專業(yè)領(lǐng)域，目前很難形成有效的協(xié)同，當這種域間網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后難以做到快速定位。針對上述問題，本文首先介紹了一種開放的光傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，隨后基于該架構(gòu)提出一些域間光網(wǎng)絡(luò)故障定位技術(shù)并加以實踐，包括網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的獲取、遠端光模塊管控、性能管理和故障根因分析等，最后總結(jié)故障定位技術(shù)并對未來新技術(shù)進行展望。

1 開放的光傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

光傳送網(wǎng)絡(luò)的開放性旨在為用戶提供開放的網(wǎng)絡(luò)編排能力，終端用戶通過定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和標準接口，實現(xiàn)對底層不同廠商傳輸設(shè)備的綜合管控。接入型光傳送網(wǎng)絡(luò)（optical transport network，OTN）統(tǒng)一管控系統(tǒng)[2]和盒式波分控制器[3]是兩個具有代表性的應(yīng)用實例。接入型OTN設(shè)備統(tǒng)一管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，與中國通信標準化協(xié)會（China Communications Stan2ar2s Association，CCSA）制定的控制器層間接口技術(shù)標準相似，接入型OTN設(shè)備也制定了北向接口企業(yè)標準，在設(shè)定的相同管理域內(nèi)能夠?qū)Σ煌瑥S商的局端OTN以及接入型OTN設(shè)備進行統(tǒng)一管控[4-6]。盒式波分設(shè)備的統(tǒng)一管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，它能夠同時管理不同廠商的電層設(shè)備和光層設(shè)備，有助于實現(xiàn)電層設(shè)備和光層設(shè)備解耦。兩者均采用標準網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議（network configuration protocol，NETCONF）和另一代的新模型（yet another next generation，YANG），從而具備對物理層OTN設(shè)備和波分復用（wavelength 2ivision multiplexing，WDM）設(shè)備的綜合管控能力。

從物理連纖來看，接入型OTN設(shè)備主要部署于運營商接入機房或客戶機房，與客戶設(shè)備直接相連[5]。而面向城域應(yīng)用的盒式波分電層設(shè)備客戶側(cè)端口與數(shù)據(jù)設(shè)備（如交換機、路由器等）相連，它們分屬不同的管理域。這些直接對接客戶設(shè)備和跨專業(yè)設(shè)備互聯(lián)的位置相對比較特殊，屬于管控的“真空”地帶，在出現(xiàn)故障的時候往往需要多個專業(yè)領(lǐng)域的運維人員共同排查，難以保障故障恢復的時效性。因此，為了提高故障定位效率，本文考慮將現(xiàn)有的傳送網(wǎng)管控范圍延展到遠端相連接的設(shè)備，進而使其具備對域間故障定位的能力。

2 域間故障定位技術(shù)

光傳送網(wǎng)絡(luò)域間故障定位技術(shù)主要用于邊緣接入節(jié)點，電層設(shè)備的客戶側(cè)端口連接到遠端客戶設(shè)備端口或其他專業(yè)設(shè)備（如交換機/路由器）端口，利用傳輸設(shè)備的綜合管控系統(tǒng)或控制器分析診斷遠端光模塊故障或者域間光路故障。故障定位基本思路是當管控系統(tǒng)或控制器監(jiān)測到某一客戶側(cè)端口產(chǎn)生告警后，首先找到與之相連接的對端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置，再通過具體的告警信息進一步判斷故障位置和根因。

2.1 網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系獲取

確定網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系是故障定位的基礎(chǔ)，多數(shù)情況下域間光纜中斷造成業(yè)務(wù)信號丟失時，無法對其所承載的每條業(yè)務(wù)快速找到連接關(guān)系，也就不能及時發(fā)現(xiàn)遠端設(shè)備位置。

目前，獲取網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的方法已有較為成熟的標準可以參考。對于以太網(wǎng)類型的客戶業(yè)務(wù)，電氣電子工程師學會（Institute of Electrical an2 Electronics Engineers，IEEE）發(fā)布了鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（link layer 2iscovery protocol，LLDP）[7]，其中定義了多種幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式，用戶能夠通過擴展不同類型/長度/值（type/length/value，TLV）將設(shè)備、端口、光模塊等物理位置信息封裝到數(shù)據(jù)單元，通過以太網(wǎng)二層傳輸協(xié)議實現(xiàn)信息共享。而國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（International Telecommunications Union Telecommunications Stan2ar2ization Sector，ITU-T）[8-9]明確了OTN類型業(yè)務(wù)的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，重用OTN幀結(jié)構(gòu)，使OTN設(shè)備能夠完成光網(wǎng)絡(luò)同層網(wǎng)元節(jié)點間的鄰居發(fā)現(xiàn)。

2.2 遠端光模塊管控

域間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接關(guān)系找到后，也就相當于找到了光模塊之間的連接關(guān)系。光模塊作為攜帶業(yè)務(wù)的載體，在光傳送網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色。通常情況下，本地傳送綜合網(wǎng)管能夠監(jiān)控本端的光模塊信息，卻不能獲取遠端光模塊的數(shù)據(jù)。對于任意一條光路的監(jiān)控和故障診斷，都需要提供端到端的信息。一種可行的遠端光模塊管控方案是使用調(diào)頂技術(shù)，將光模塊信息通過調(diào)頂信號進行傳遞[10]。具體來說，在光模塊內(nèi)部生成低頻小幅度調(diào)制信號與高速業(yè)務(wù)信號疊加，形成混合信號后通過光纖隨路傳輸。對端收到信號后分離出調(diào)頂信號，解析光模塊數(shù)據(jù)。如今調(diào)頂技術(shù)已經(jīng)在N×25 Gbit/s前傳半有源系統(tǒng)中得到應(yīng)用，其中N為波分復用系統(tǒng)的通道數(shù)[11-13]，更高速率和復雜調(diào)制碼型的調(diào)頂技術(shù)有待進一步探索。

本文研究了多通道100 Gbit/s光模塊調(diào)頂技術(shù)，并制定了相應(yīng)的調(diào)頂信號傳輸協(xié)議，包括調(diào)制速率、編碼方式、幀結(jié)構(gòu)以及幀傳輸方式等。對于多通道光模塊，明確選擇一個子通道作為調(diào)頂信號傳輸通道，能夠有效降低模塊功耗與成本。如何保證調(diào)頂信號不會對原始業(yè)務(wù)信號造成影響是重點考慮的問題，對光模塊電路設(shè)計要求較高。因為調(diào)頂信號對于業(yè)務(wù)信號而言是噪聲，接收機接收的光功率越低，調(diào)頂信號對業(yè)務(wù)信號的干擾越大。調(diào)頂信號對接收靈敏度的影響如圖3所示，分別顯示了兩支100GE-LR4光模塊在有、無調(diào)頂信號時的誤碼率與接收光功率變化曲線，測試結(jié)果表明調(diào)頂信號會對光模塊的接收靈敏度造成影響，后續(xù)可考慮電路優(yōu)化設(shè)計或者重新設(shè)置接收靈敏度指標。

圖3 調(diào)頂信號對接收靈敏度的影響

調(diào)頂技術(shù)使得遠端光模塊的基本信息和數(shù)字診斷監(jiān)控（2igital 2iagnostic monitoring，DDM）數(shù)據(jù)以光信號的形式發(fā)送，保存在本地光模塊指定寄存器中，本地網(wǎng)管再通過管理接口獲取這些寄存器數(shù)據(jù)。同時，本地網(wǎng)管也能通過本地光模塊向遠端光模塊發(fā)送一些基本操作指令（如開啟/關(guān)閉激光器、環(huán)回等）以輔助進行故障定位。

2.3 性能實時監(jiān)控

在開放的光傳送網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)平臺上，引入遙測（telemetry）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的秒級上報[14]。考慮到光模塊使用量大，在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中失效率也較高，實時監(jiān)控光模塊的DDM數(shù)據(jù)有助于及時發(fā)現(xiàn)問題。過去傳輸網(wǎng)管性能監(jiān)控的最短周期為15 min，無法感知瞬態(tài)變化，模塊性能劣化無法提前識別。而實時監(jiān)控能夠在模塊早期出現(xiàn)異常時及時預警，防止后期真正出現(xiàn)故障時再耗費大量時間進行定位。為了更加精確地定位光模塊故障，引入激光器偏置電流波動和發(fā)送光功率波動兩個參數(shù)，波動范圍過大表明光模塊出現(xiàn)異常。

對于telemetry訂閱實時功能的使用，按需訂閱被認為是一種切實可靠的方式，以規(guī)避由數(shù)據(jù)采集量過大導致服務(wù)器宕機的風險。

2.4 故障根因分析

當網(wǎng)絡(luò)因為發(fā)生故障造成業(yè)務(wù)中斷或丟包時，找到故障根因是確保業(yè)務(wù)快速恢復的重要手段。域間網(wǎng)絡(luò)的故障根因分析基于本地綜合管控系統(tǒng)進行，將上報的告警和實時采集的數(shù)據(jù)相結(jié)合（含遠端光模塊告警和數(shù)據(jù)），對有關(guān)告警進行主次排序，最終篩選出根告警作為故障根因。通常情況下在根告警消失后，其他有關(guān)告警將自動消除。

域間網(wǎng)絡(luò)的根告警可以總結(jié)為光路故障和光模塊故障兩類。為了更直接地反饋光路故障，網(wǎng)管增加了雙向的鏈路中斷告警，監(jiān)測調(diào)頂信號的狀態(tài)以實現(xiàn)告警產(chǎn)生或消失。光模塊故障除了通過分析常規(guī)性能越限告警外，還引入了激光器偏置電流和發(fā)送光功率波動告警。

2.5 應(yīng)用實踐

本文開發(fā)了一套傳輸網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量分析原型系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)對域間網(wǎng)絡(luò)故障定位技術(shù)進行了實驗驗證。開放的光傳送網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，說明了整個網(wǎng)絡(luò)的管控系統(tǒng)架構(gòu)，原型系統(tǒng)包括針對域間網(wǎng)絡(luò)故障定位技術(shù)所開發(fā)的性能管理模塊和故障根因分析兩個核心模塊，與底層傳輸設(shè)備通過南向引擎交互。南向引擎服務(wù)于主業(yè)務(wù)系統(tǒng)，它包括標準NETCONF處理模塊、遠程過程調(diào)用（remote proce2ure call，RPC）擴展接口處理模塊、安全外殼（secure shell，SSH）協(xié)議底層連接控制模塊等核心模塊，并以一種基于超文本傳輸協(xié)議（hypertext transfer protocol，HTTP）且具有更簡潔的開發(fā)風格的RESTful內(nèi)部接口提供管理設(shè)備的能力并實時轉(zhuǎn)發(fā)來自設(shè)備的告警和通知。

圖4 開放的光傳送網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)架構(gòu)

光傳送網(wǎng)域間故障定位實驗環(huán)境如圖5所示，兩支具備調(diào)頂功能的100GE-LR4光模塊分別插在傳輸設(shè)備電層板卡的客戶側(cè)端口和一臺支持LLDP功能的客戶交換機，光模塊使用短纖互聯(lián)。Web門戶能夠獲取交換機的位置信息和端口信息，也能查看遠端光模塊的實時數(shù)據(jù)。在光模塊之間的光纖斷開后，網(wǎng)管上報鏈路中斷的根告警。受限于光模塊數(shù)量，無法進行復雜的組網(wǎng)，但初步驗證了本文介紹的域間故障定位技術(shù)的可行性。

圖5 光傳送網(wǎng)域間故障定位實驗環(huán)境

3 結(jié)束語

本文闡述了不同專業(yè)設(shè)備管控系統(tǒng)難以協(xié)同帶來的域間網(wǎng)絡(luò)故障定位困難的痛點，提出了基于開放光傳送網(wǎng)絡(luò)綜合管控系統(tǒng)下的域間故障定位技術(shù)方案，并最終在原型系統(tǒng)上得到了驗證。

如今“云網(wǎng)融合”正推動運營商向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。全光網(wǎng)2.0技術(shù)白皮書提出“運營智慧化”的發(fā)展愿景[15]。隨著傳輸、接入、數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施逐漸云化部署，基于SDN的控制器和管控系統(tǒng)深耕于各專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備之上，全網(wǎng)資源有望實現(xiàn)協(xié)同編排和數(shù)據(jù)共享，屆時域間網(wǎng)絡(luò)故障定位難的問題將得到解決。最后，相信未來人工智能和機器學習等前沿技術(shù)都將助力光傳送網(wǎng)絡(luò)向智慧化運營演進。