摘要：保護(hù)技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)生存能力的關(guān)鍵技術(shù)，研究光傳送網(wǎng)保護(hù)機(jī)制，提供高質(zhì)量的設(shè)計與實現(xiàn)無疑具有重要的實踐意義。本文提出了一種光傳送網(wǎng)絡(luò)線性保護(hù)快速控制的通用方案設(shè)計，該方案已在FPGA中實現(xiàn)。仿真和測試結(jié)果表明，該方案具有優(yōu)越的快速保護(hù)性能。文中重點介紹了如何實現(xiàn)該保護(hù)方案的通用化設(shè)計，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少設(shè)計工作量。

關(guān)鍵詞：光傳送網(wǎng)；線性保護(hù)；通用化設(shè)計；FPGA

一、引言

隨著5G大規(guī)模商用部署的實現(xiàn)，對于光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）的帶寬、時延和保護(hù)性能提出了更高的要求。保護(hù)技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)生存能力的關(guān)鍵技術(shù)，研究OTN保護(hù)機(jī)制，提高保護(hù)的可靠性和快速性，在實踐上有著重要的意義[1]。從保護(hù)信號類型上，可分為網(wǎng)絡(luò)級保護(hù)和設(shè)備級保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)級保護(hù)主要包括端到端業(yè)務(wù)電層和光層的保護(hù)，設(shè)備級保護(hù)主要發(fā)生在互為保護(hù)的設(shè)備（例如板卡）之間[2]。從保護(hù)實現(xiàn)方式上，可以分為基于軟件的保護(hù)方案、基于專用芯片的保護(hù)方案和基于FPGA芯片的保護(hù)方案。基于軟件的保護(hù)方案具有靈活性強的優(yōu)點，缺點是發(fā)生故障切換時間長[3]?；趯Ｓ眯酒谋Ｗo(hù)方案優(yōu)點是功耗低、速度快，缺點是缺乏通信協(xié)議演化的靈活性[4]。而基于FPGA芯片的保護(hù)方案則結(jié)合了二者的優(yōu)點，將通信協(xié)議升級的靈活性和硬件處理的快速性結(jié)合起來。本文提出了一種光傳送網(wǎng)絡(luò)線性快速保護(hù)的通用方案設(shè)計與實現(xiàn)機(jī)制，將傳統(tǒng)的硬件保護(hù)和光通道分組保護(hù)有機(jī)融合在一起，減少保護(hù)倒換時間，更好地滿足低延時、高速率、大帶寬、可靠性等客戶需求。

二、線性自動保護(hù)控制通用化設(shè)計

（一）線性自動保護(hù)控制原理介紹

一個線性1+1保護(hù)組包含一個工作通道和一個保護(hù)通道。各自通道的信號缺陷信息關(guān)聯(lián)到各自的SD/SF（Signal Degrade，信號惡化；Signal Fault，信號故障）信號上，并輸入線性保護(hù)控制器。同時，它接收對端發(fā)送的APS（Automatic Protection Switch，自動保護(hù)切換）報文信息。線性保護(hù)控制器根據(jù)這些輸入信息結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)，發(fā)出倒換命令給倒換控制邏輯做進(jìn)一步的倒換控制動作，同時向?qū)Χ税l(fā)送APS報文信息[5]。其原理如圖1所示。

（二）線性自動保護(hù)控制方案設(shè)計介紹

本文介紹的線性自動保護(hù)控制方案實現(xiàn)功能框圖如圖2所示。該方案可以支持上百個保護(hù)組，可以實現(xiàn)快速的保護(hù)倒換。同時，它可以適用多種保護(hù)場景，并且適配不同外部接口。

一個完整的線性自動保護(hù)控制設(shè)計包含自動保護(hù)主控制模塊（APS master（FSM））、自動保護(hù)從控制模塊（APS slaver）、APS代理模塊（APS_agent）和板間控制信息傳輸鏈路模塊（OH_iLink）。其中，各個模塊可以由上層軟件通過內(nèi)部總線進(jìn)行配置。各個功能模塊介紹如下：

1.自動保護(hù)主控制模塊（APS master（FSM））

自動保護(hù)控制主模塊實現(xiàn)ITU-T G.873.1標(biāo)準(zhǔn)[2]中定義的控制功能。根據(jù)接收到的SD_SF，APS Msg等信息，結(jié)合當(dāng)前的工作狀態(tài)，得出下一工作狀態(tài)，并發(fā)送APS報文信息，同時向自動保護(hù)倒換模塊發(fā)送倒換指令。

2.自動保護(hù)從控制模塊（APS slaver）

自動保護(hù)從控制模塊包括倒換控制模塊（switch_proc）和信號缺陷處理模塊（defect_proc）

（1）倒換控制模塊（switch_proc）

倒換模塊負(fù)責(zé)根據(jù)自動保護(hù)控制主模塊或上層軟件下發(fā)的命令，打開或關(guān)閉接口光模塊。當(dāng)自動保護(hù)控制主模塊發(fā)出新的命令時，生成中斷報送上層軟件處理。

在正常情況下，倒換控制模塊接收自動保護(hù)控制主模塊發(fā)出的倒換指令。但是，如果自動保護(hù)控制主模塊沒有在工作或者傳遞倒換指令的板間控制信息傳輸鏈路中斷，倒換模塊將恢復(fù)到工作正常模式。

（2）信號缺陷處理模塊（defect_proc）

信號缺陷處理模塊可以用于檢測、收集和過濾信號缺陷。來自各板間信號缺陷處理模塊處理后的故障會被匯集到保護(hù)板上的信號缺陷處理模塊，產(chǎn)生的SD/SF信號輸出到自動保護(hù)控制主模塊。這些信號缺陷可以來自業(yè)務(wù)芯片、可檢測的本地信號以及由上層軟件查詢的信號。

（3）APS報文信息處理模塊（APS_oh_proc）

負(fù)責(zé)提取和插入業(yè)務(wù)處理模塊APS報文信息。

3.APS代理模塊（APS_agent）

負(fù)責(zé)多個APS slaver和APS master之間保護(hù)信息的匯集和分發(fā)。

4.板間控制信息傳輸鏈路模塊（OH_iLink）

通過板間控制信息傳輸鏈路，各板間可以共享保護(hù)相關(guān)信息（APS_Msg，SD_SF，switch）。APS IP（intellectual property）知識產(chǎn)權(quán)模塊2#～n#具備類似上述模塊功能。

（三）保護(hù)控制方案通用化設(shè)計

1.通用化設(shè)計

通用化設(shè)計不僅可以減少設(shè)計工作量，還能提高設(shè)計質(zhì)量，是產(chǎn)品取得成功的重要技術(shù)之一。本保護(hù)控制方案除了參數(shù)定制化外，還通過以下方式來實現(xiàn)通用化設(shè)計。

（1）多保護(hù)組和多通道的通用化設(shè)計

將各通道虛擬成邏輯通道，通過映射配置將物理通道和邏輯通道綁定。一個保護(hù)組可以分成工作和保護(hù)兩個通道，通過映射配置綁定保護(hù)組通道與邏輯通道。以信號缺陷傳送為例，示意圖如圖3所示。這樣，上層軟件可以對資源進(jìn)行靈活分配和管理。不同應(yīng)用場景中，業(yè)務(wù)芯片接口會有不同，這時只需要適配物理通道接口即可，不需要對整個IP內(nèi)部做任何改動。

（2）將保護(hù)功能分解成自動保護(hù)主控制模塊和自動保護(hù)從控制模塊

自動保護(hù)主控制模塊和自動保護(hù)從控制模塊通過APS代理模塊和板間控制信息傳輸鏈路模塊實現(xiàn)相互通信。所有自動保護(hù)從控制模塊與主模塊之間通信路徑幾乎相同，從設(shè)計上消除多路徑延時差。

（3）倒換控制模塊通用化設(shè)計

在倒換控制模塊中，既可以直接對光模塊進(jìn)行控制，也可以通過中斷通知軟件進(jìn)行控制。在直接對光模塊進(jìn)行控制的情況下，引入真值表設(shè)計（如表1所示），實現(xiàn)多控制輸入與單控制輸出的靈活配置，實現(xiàn)對光模塊控制的通用化設(shè)計，如圖4所示。

（4）板間控制信息傳輸鏈路模塊通用化設(shè)計

在一些應(yīng)用情況下，一個板卡會與網(wǎng)元內(nèi)其他多塊板卡一起協(xié)同工作，因此會存在多條板間控制信息傳輸鏈路[6]。本板控制信息可以廣播到多條鏈路上。內(nèi)部鏈路通過交叉設(shè)計，可以連接到任意物理傳輸鏈路上，也可以環(huán)回，從而實現(xiàn)控制信息傳輸鏈路的物理解耦。

2.通用化設(shè)計應(yīng)用場景舉例

通過通用化設(shè)計，該保護(hù)方案可以適用多種保護(hù)場景，如SNCP（Subnetwork Connection Protection，子網(wǎng)連接保護(hù)），Y-cable，OPSB（Optical Protection Switch Card，光保護(hù)倒換卡）等。接下來，將介紹這些應(yīng)用。

（1）SNCP保護(hù)方案

在SNCP保護(hù)方案中，如圖5所示，用戶信道接入線路側(cè)網(wǎng)元交換芯片后分成工作（working）通道和保護(hù)（protection）通道。這樣只要在接入線路側(cè)板卡上配置使能一個完整的保護(hù)控制IP（intellectual property，知識產(chǎn)權(quán)）即可，工作和保護(hù)通道都在一個保護(hù)控制從模塊內(nèi)。網(wǎng)元NE1（Network Element）和NE2構(gòu)成子網(wǎng)（sub network）連接，客戶設(shè)備（client ADM）的發(fā)送端（TX）和接收端（RX）分別與網(wǎng)元NE1和網(wǎng)元NE2相連接。

（2）Y-cable保護(hù)方案

在Y-cable保護(hù)倒換方案中（如圖6所示），不同于SNCP，用戶發(fā)送信道（Tx）通過無源分合光器（Splitter/joiner）分成工作（working）通道和保護(hù)（protection）通道，接收信道則將工作信道和保護(hù)信道合成用戶接收信道（Rx）。這就要求接收時，只能一個通道在工作，另外一個通道必須關(guān)閉。

Y-cable保護(hù)控制可以配置如下：

保護(hù)板上配置使能完整保護(hù)控制IP，在工作板上配置使能除自動控制主模塊外的其他功能模塊。工作板上的保護(hù)控制從模塊負(fù)責(zé)將工作通道上的信號缺陷信息通過板間通信鏈路發(fā)送到保護(hù)板上的工作通道上，同時接收來自保護(hù)板上的保護(hù)主控制模塊發(fā)送過來的倒換指令去控制開關(guān)光模塊。保護(hù)板上的保護(hù)控制從模塊則負(fù)責(zé)傳送保護(hù)通道上的信號缺陷信息和APS報文信息給保護(hù)控制主模塊，發(fā)送來自主模塊的APS報文信息和根據(jù)接收的倒換指令去控制開關(guān)本板光模塊。

（3）OPSB保護(hù)方案

在OPSB保護(hù)方案中，如圖7所示，當(dāng)通道上有信號缺陷發(fā)生時，IO（Input/Output，輸入輸出）板上需要關(guān)閉該通道上的光信號，然后通知OPSB板卡進(jìn)行倒換。

為實現(xiàn)這一功能，可以在IO板（圖中對應(yīng)working和protection）上進(jìn)行配置使能完整保護(hù)控制IP。使能一個保護(hù)組，保護(hù)通道懸空默認(rèn)無信號缺陷，工作通道正常配置。當(dāng)IO板上檢測到有信號缺陷時，APS主控制模塊會發(fā)出倒換命令給倒換控制模塊，關(guān)閉與OPSB板卡連接的光模塊，OPSB板卡檢測到該通道無信號，就會進(jìn)行業(yè)務(wù)倒換。

（四）保護(hù)控制設(shè)計方案倒換性能仿真測試

該線性保護(hù)方案適合在芯片實現(xiàn)，可以全程硬件控制，實現(xiàn)從輸入信號缺陷到控制輸出的快速倒換。對該Y-cable保護(hù)控制方案進(jìn)行了仿真，該設(shè)計最大支持保護(hù)組512個，通道1024個。仿真結(jié)果如圖8所示，展示了從信號缺陷輸入到倒換控制信號輸出以及中斷產(chǎn)生的各信號時序圖。

圖中external_defects和switch_points為保護(hù)控制主模塊的輸入輸出信號，clock為時鐘信號。從圖中可以看出，從保護(hù)板保護(hù)通道上外部信號缺陷（external_defects）產(chǎn)生到倒換控制開關(guān)信號輸出（switch_points）總共時長為3.79ms。這樣的保護(hù)倒換時間相對于通信網(wǎng)要求的50ms倒換時間無疑是非?？焖俚?。在產(chǎn)品實際測試中，也同樣體現(xiàn)了保護(hù)快速倒換的優(yōu)越性能。

三、結(jié)束語

本文提出的線性保護(hù)控制方案通過抽象和虛擬化，以及合理劃分功能模塊的方式，實現(xiàn)了通用化設(shè)計，使得同一設(shè)計可以適配不同物理接口，并且通過合理配置可以適用多種保護(hù)應(yīng)用場景。通用化設(shè)計極大節(jié)省了設(shè)計工作量，同時可以提高設(shè)計質(zhì)量。該方案已經(jīng)通過FPGA實現(xiàn)，從仿真和產(chǎn)品測試結(jié)果可以看出，該線性保護(hù)控制方案可以進(jìn)行快速保護(hù)倒換，性能突出。它被廣泛應(yīng)用于光傳送網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中，為網(wǎng)絡(luò)的可靠運行提供了有力支撐。

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