中華大學碩士論文

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中華大學碩士論文

題目：考慮雙鏈結故障下之最佳化自癒型 DWDM 網路規劃

Optimizing Self-Healing DWDM Network Planning While Considering Dual Failures

系所別：科技管理研究所學號姓名：M09503007 林韋亨指導教授：張丁才博士

中華民國九十七年八月

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授權書

(博碩士論文)

本授權書所授權之論文為本人在中華大學(學院)科技管理研究系所九十五學年度第二學期取得碩(博)士學位之論文。

論文名稱：考慮雙鏈結故障下之最佳化自癒型 DWDM 網路規劃

□^ˇ同意 □不同意

本人具有著作財產權之論文全文資料，授予行政院國家科學委員會科學技術資料中心、國家圖書館及本人畢業學校圖書館，得不限地域、時間與次數以微縮、光碟或數位化等各種方式重製後散布發行或上載網路。

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□ˇ同意 □不同意

本人具有著作財產權之論文全文資料，授予教育部指定送繳之圖書館及本人畢業學校圖書館，為學術研究之目的以各種方法重製，或為上述目的再授權他人以各種方法重製，不限地域與時間，惟每人以一份為限。

上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行權利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述同意與不同意之欄位若未勾選，本人同意視同授權。

指導教授姓名:張丁才博士

研究生簽名: 學號:M09503007 (親筆正楷) (務必填寫) 日期:民國年月日

1.本授權書請以黑筆撰寫並影印裝訂於書名頁之次頁。

2. 授權第一項者，請確認學校是否代收，若無者，請個別再寄論文一本至台北市 106-36 和平東路二段 106 號 1702 室國科會科學技術資料中心王淑貞。(本授權書諮詢電話:02-27377746) 。

3. 本授權書於民國 85 年 4 月 10 日送請內政部著作權委員會(現為經濟部智慧財產局) 修正，89.11.21 部份修正定稿。

4. 本案依據教育部國家圖書館 85.4.19 台(85)圖編字第 712 號函辦理。

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中華大學碩士班研究生論文指導教授推薦書

科技管理研究所碩士班林韋亨君所提之論文考

慮雙鏈結故障下之最佳化自癒型 DWDM 網路規劃，係由本人指導撰述，同意提付審查。

指導教授 ^(簽章)

中華民國九十七年七月

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中華大學碩士班研究生論文口試委員會審定書

科技管理研究所碩士班林韋亨君所提之論文，考

慮雙鏈結故障下之最佳化自癒型 DWDM 網路經本委員會審議，符合碩士資格標準。

論文口試委員會召集人

^(簽章)

委員

^(簽章)

所長

^(簽章)

中華民國九十七年七月二十三日

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謝辭

首先誠摯的感謝指導老師張丁才博士，老師細心的教導，使我得以一窺網路自復規劃研究領域的深奧，並不時的相互討論與指導我正確的方向，使得我在這兩年中獲益匪淺。老師對學問的嚴謹更是我輩學習的典範。

本論文的完成亦得感謝許良僑博士與翁偉泰博士於口試時不吝指導與協助，使的本論文能夠更臻完整而嚴謹。

兩年的研究所生活，實驗室裡共同的生活點滴，學業上的討論、言不及義的玩鬧，以及讓人又愛又怕的宵夜、趕作業的革命情感、因為睡太晚而偷偷摸摸遲到進去教室…等，都成為最美的回憶，感謝各位學長姐、同學、學弟妹的共同砥礪，大家的陪伴讓這兩年的研究生活變的絢麗多彩。

感謝在趕論文期間中給予我幫助的同學們，你們總能在我迷惘時給為我解惑，也感謝在網路上一直陪伴我的朋友，雖然不知道你們的姓名，但後默默給我的鼓勵與建議，讓我走過這段特別的日子，當然還包括後半年一直陪我的麗羽及家人。

最後，僅以此文獻給我摯愛的雙親。

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摘要

本研究提出一個考慮雙鏈結故障(dual-failures)的自癒型網路的規劃，其應用在高密度分波多工器(Dense Wavelength Division Multiplexing; DWDM)的網狀拓樸(Mesh Topology)架構。將各種不同動態傳輸(end-to-end)需求下，以漸進的方式，將各種傳輸需求加入網路中。利用短跳躍共用機制(Short Leap Shared Protection; SLSP)的概念，把工作路徑分割成數段，再利用先前保留的備用路徑估算新進的傳輸需求之備用路徑，其目的在避免因共享風險鏈路組(Shared Risk Link Group)的問題，而產生備用路徑需求量大增。透過切割工作路徑的保護方式，能夠減少備用頻寬，以求得考慮雙鏈結故障時之整體備用容量最小化。本研究提供了一個起點，利用 SLSP 方法於考量雙鏈結故障的情況下，減少備用頻寬。期望本文之研究結果可以提供網路業者(Internet Service Provider; ISP)建構光纖網路時，另一種自癒型網路的規劃時的恢復方式。

關鍵詞：雙鏈結故障、高密度分波多工器、短跳躍共用機制、共享風險鏈路組。

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ABSTRACT

This work deals with the planning problem for self-healing network which considering dual-failures in DWDN mesh topology. The transmit end-to-end demands dynamically generated are progressively taken into the network and processed one by one. We utilize the concept of SLSP to cut the working path requested for the new transmit demand into several sections and try to find out a better reserve protection path which will increase the wavelengths required is minimal. It is possible, through the new protected mode that cuts working path into sections, to reduce for the wavelengths reserve required for the network.

We hope this research can offer a new starting point, utilizing SLSP method to deal with the dual-failure problem, and can reduce for the wavelengths reserve required. It may be a useful recovery way in real world application while Internet Service Provider trying to construct the optic fiber network.

Keywords：Dual-failures、DWDN、SLSP、SRLG。

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表次

表1 光徑需求表………...………...………...37

表2 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程………...39

表3 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程，分割成二段. ... 40

表4 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程，分割成三段 ... 41

表5 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程，分割成四段 ... 43

表6 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程，分割成五段 ... 44

表7 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程，分割成六段. ... 46

表8 尋找(e1)-(a5)備用路徑的流程，分割成七段.. ... 47

表9 整體光徑需求遞增表... 53

表10 是否分段保護與是否考慮雙鏈結比較表... 56

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圖次

圖1 論文架構圖... 4

圖2 分波多工系統的基本組成... 12

圖3 雙纖單向傳輸... 14

圖4 單纖雙向傳輸... 15

圖5 在單一光鏈路發生故障下仍具有存活能力的各種方式... 18

圖6 鏈路與路徑尋找備用路徑表示圖... 19

圖7 保護機制的兩種方式... 20

圖8 SRLG 範例圖 ... 22

圖9 MPLS 標籤崁入圖 ... 24

圖10 MPLS 之傳輸方式 ... 24

圖11 SLSP 示意圖... 26

圖12 減少 SRLG 限制圖 ... 27

圖13 各種路徑保護方式圖... 30

圖14 有 SRLS 情況的網路圖 ... 30

圖15 共享備用路徑分攤花費圖... 32

圖16 計算流程圖... 35

圖17 初始網路圖... 36

圖18 加入第一個需求(d1)-(a6)之工作路徑與備用路徑網路圖 ... 38

圖19 極端切割情形説明... 39

圖20 加入第二個需求(e1)-(a5)及做(c3-b3)分割調整後... 41

圖21 考慮雙鏈結失敗時之路徑圖... 47

圖22 加入第三個需求(f2)-(b7)後之不可行的錯誤備用路徑。... 48

圖23 加入第三個需求(f2)-(b7)後之可行的備用路徑... 49

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圖24 加入第三個需求(f2)-(b7)後之完整圖... 50

圖25 加入第四個需求(f6)-(b3)之路徑圖... 50

圖26 加入第四個需求(f6)-(b3)之完整規劃圖... 51

圖27 加入第五個需求(f7)-(a1)之路徑圖... 52

圖28 加入第五個需求(f7)-(a1)之完整規劃圖... 53

圖29 使用分段保護及考慮雙鏈結失敗規劃圖... 54

圖30 使用分段保護但未考慮雙鏈結狀態... 55

圖31 未使用分段保護的備用路徑規劃圖... 55

圖32 未使用分段保護考慮雙鏈結失敗規劃圖... 56

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第一章緒論

隨著時代進步，科技不斷的發展下帶給人們更為方便及舒適的生活。然而網際網路(Internet Network)也漸漸成為人們生活中不可或缺的必需品，從以往簡單的資料傳遞，到現在各式各樣多元化的需求，使得網路業者(ISP)除了擴大網路的頻寬來應付日漸劇增的需求外，還必須提供一個可靠度高與存活度 (Survivability)高的網路，以供應一些需要高品質網路的服務需求，如：視訊會議(Video Conference)。因此，除了使得網路速度大幅度的提升外，如何讓整體網路具有高度存活度的各種保護與恢復機制由此誕生，同時也成為各家網路業者建構網路時必需考量的重要課題。

第一節研究背景

經過近十年的演進，今天的電腦網路已經和大眾日常生活息息相關，譬如：

銀行的自動提款機，透過電腦網路的連接，不但可以讓你用甲銀行的提款機提領你在乙銀行帳戶裡的存款，郵局通儲的帳戶/提款機也可以與銀行的系統互通使用。隨著網路的方便性和快速發展，更衍生出許多不同的需求與服務，如：

視訊會議、互動視訊教學、電子商務、銀行諮詢服務，…，等。然而，當人們對網路的依賴性越高時，網路業者必需提供的網路傳輸速度與頻寬供給量也要相對提升，再加上許多需要大量傳輸的服務出現，使得這些日益增加的龐大封包流量漸漸成為網路的負擔，進而讓光纖網路的發展逐漸被人們所重視。Walter (2001)指出光纖網路擁有：高頻寬(理論上可達 300THz)、低位元錯誤率(Bit Error Rates，約10⁻¹⁰，甚至更佳)、中繼器間之距離可達 120Km 以上、不受電磁干擾、

高安全性等特性。而頻寬升級也較其他媒介容易且花費較低，加上光纖具體積小和重量輕等等優點，及近幾年分波多工(Wavelength Division Multiplexing;

WDM)技術迅速的發展，使得利用光纖網路的架構已成為網路不可或缺的要件。

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第二節研究動機

Brackett (1990) 提出利用 WDM 技術將可大幅度提升目前光網路的頻寬。

WDM 將原本的光介質利用波長分割多工技術使原有的頻譜分割成許多不同的頻道(Channel)，或稱為波長(Wavelength)。利用不同波長來傳輸大量資料就不需要更改現有的光纖網路設備，即可獲得數倍的頻寬。高密度波長分割多工 (DWDM)，則是將原有的光纖網路切割成更多波長，使頻寬更富拓展性。DWDM 技術賦予光纖網路具有高的傳輸速度與頻寬容量，反過來看，當故障發生時，

就算是在極小的時間內，其所損失的封包數量也較以往更為龐大。由此可見保護與恢復機制更顯得重要，尤其是在高品質網路服務需求時，如：視訊會議若發生大於0.5 微秒的延遲，就會被使用者明顯的感覺到延遲的發生。然而 DWDM 的技術誕生時，並沒有太多針對 DWDM 特色去設計的保護與恢復機制，再加上光網的特性能夠架構大型的網路，不使用中繼站也可以長達120 km 之外，甚至新的大樓都可以設計光纖到府，讓光網直接連接到家裡，讓全光網路涵蓋的範圍不管是面積還是長度都比以往的網路來的寬廣。Schupke and Prinz (2003)提出，出現雙鏈結故障(dual-failures)的機率會隨著光網的長度而增加，因此以往學者針對單一鏈結故障設計的保護與恢復機制，更顯的不足以應付現代DWDM 技術下的光纖網路，所以有需要依照 DWDM 特性設計一套雙鏈結故障的網路保護與恢復機制。

第三節研究目的

保護與恢復機制中，分別有以鏈路(Link)及路徑(Path)為基礎的兩種方式，

但兩者各有其優缺點。Ho and Hussien (2002)提出短跳躍共用機制(SLSP)，以分段為基礎建立數個保護區塊，在鏈路與路徑兩種機制中尋求一個平衡的效果，

並能夠減少為了防止共享風險鏈路組(SRLG)發生而預留的較大備用頻寬。

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本研究考量在各種不同動態的端對端(end-to-end)訊務需求下，以漸進式的方式，逐漸的把各種訊務需求加入網路中，並利用 SLSP 的概念把整條路徑分段，並評量先前訊務所預留的備用頻寬，逐步去尋求不同分段情況所需留下的備用頻寬，在共用備用鏈路上把最大與次大波長做加總，以做為該鏈路上預留備用頻寬的大小，其目的在為建構雙鏈結故障發生時的自復方案，以尋求考量雙鏈結故障的情狀下之整體網路所需保留的備用頻寬最小化。

第四節論文架構

本論文將依序分為五個章節如圖 1 所示，依次是緒論、相關文獻探討、研究方法、範例模擬與分析以及最後的結論與未來建議。

第一章緒論，敘述研究背景、研究動機及研究目的，並對現況做一個介紹。

第二章文獻探討將蒐集與整理相關文獻，針對光纖通信、波長分割多工、光網之保護及復原機制、共享風險鏈路組及多通用重通訊協定標籤交換等作說明。

在第三章研究方法，利用短跳躍共用機制與考慮雙鏈結故障建立求解模式。而第四章將以一個小型網路配上五種不同的訊務需求做為分析範例。最後於第五章中，說明模擬的結果的討論與未來的建議。

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圖

1

論文架構圖

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第二章文獻探討

本章探討過去學者提出的相關許多方法，並依序介紹光纖通訊、分波分割多工、恢復與保護機制、共享風險鏈路組及通用多重通訊協定標籤交換。

第一節光纖通訊

由願生華(2005)所著「光纖通信技術」一書中整理出相關光纖網路的發展史、發展現況及光纖網路的特點。

一、光纖網路發展史

隨社會的進步與發展，以及人們日益增長的物質與生活品質需求，通信朝向大容量、長距離的方向發展已經是必然的趨勢。由於光波具有極高的頻率(大約 3 億兆赫茲(MHz))，也就是說具有極高的寬頻(寬頻的定義是在電傳通訊當中，指的是頻寬 (Bandwidth) 大於語音等級(4KHz)的通道，依照這定義 56kbps 以上就是寬頻)，從而可以容納巨大的通信訊息，所以用光波作為載體來進行通信是人們幾百年追求的目標。

Kao and Hockham (1966) 在 PIEE (Proceedings of the IEEE)雜誌上發表了一篇著名的文章 --- 「用於光頻的光纖表面波導(waveguide)」，該文從理論上分析與證明了用光纖作為傳導媒體以實現光纖通信的可能性，並設計了通信用光纖的波導節(waveguide segment)。更重要的是，預測了製造通信用的超低耗光纖的可能性，在加強原材料純度並加入適當的摻染劑，可以把光纖的衰減係數降低到 20dB/km 以下，即能夠讓「光波」在其中傳輸一公里，仍有原來 1%的光能量，那麼「光纖」就能夠像電纜一般，來做為傳輸工具。而當時世界上，只能製造用於工業、醫學方面的光纖，其衰減在1000dB/km 以上。因而，製造衰減在20dB/km 以下的光纖，當時被認為是可望而不可及的。然而，以後的事態發

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展証明了高錕博士文章的理論與科學大膽預測的正確性，所以這篇文章被譽為光纖通信的里程碑。

1970 年，美國康寧玻璃公司(Corning Glass Work)根據高錕文章的假設，用改良式化學氣相沈積法(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)，製造出當時世界第一根超低損耗光纖，從此正式拉開光纖通訊的序幕，成為光纖通信競相發展的導火線。雖然當時康寧玻璃公司製造出的光纖只有幾米長，衰減約 20dB/km，而且幾個小時後之後便損壞了。但它畢竟証明了使用當時的科學技術與工藝方法，製造通信用的超低損耗光纖是有可能的，也就是說找到了實現低損耗傳輸光波的理想傳輸媒介，是光通信研究的重大實質突破。1970 年以後，

世界各先進國家對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力，使光纖通信技術取得極為驚人的發展。

從光纖的信號衰減來看，1970 年是 20dB/km，1972 年是 4db/km，1974 年是1.1db/km， 1976 年是 0.5dB/km，1979 年是 0.2dB/km，1990 年是 0.14dB/km，

已經接近石英光纖的理論衰耗極限值0.1dB/km。從光元件來看，1970 年美國貝爾實驗室研製出世界上第一根在溫室工作的連續波砷化鎵半導體激光器，為光纖通信找到了適合的光源元件。後來逐漸發展到性能更好、壽命達幾萬小時的異質結條形激光器和現在的分佈反饋式單縱模激光器(Distributed Feedback;

DFB)以及多量子井激光器(Multiple-Quantum Well, MQW)。光接收器件，也從簡單的矽PIN 光二極管(Silicon PIN Photodiodes)發展到量子效率達 90%的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光二極管(Avalanche Photodiode; APD)。

1976 年美國在亞特蘭大開通了世界第一個實用化光纖通信系統，傳輸速度為 45Mbit/s，中繼距離為 10km。1980 年，多模(Multi-mode)光纖通信系統商用化(140Mbit/s)，並著手單模(Single-mode)光纖通信系統的現場實驗工作。1990 年，單模光纖通信系統進入商用階段(565Mbit/s)，並開始進行無色散偏移光纖 (Dispersion shifted fiber)和分波多工(WDM)的現場試驗，而且陸續制定出同步數

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位階層(Synchronous Digital Hierarchy; SDH)的技術標準。1993 年，SDH 產品開始商用化(622Mbit/s 以下)。1995 年，2.5GBit/s 的 SDH 產品進入商用化階段。

1996 年，10GBit/s 的 SDH 產品進入商用化階段。1997 年，採用分波多工技術 (WDM)20Gbit/s 和 40Gbit/s 的 SDH 產品試驗取得重大突破。

二、光纖通信發展的現況

1976 年美國在亞特蘭大進行的現場試驗，標誌著光纖通信從基礎研究發展到商業應用的新階段。此後，光纖通信技術不斷創新：光纖從多模發展到單模，

工作波長從0.8μm 發展到 1.31μm 和 1.55μm，傳輸速度從原有的 45Mbit/s 發展現有的40Gbit/s。另一方面，隨著技術的進步和大規模產業的形成，光纖價格持續性的下降，應用範圍不斷擴大：從初期市話局間的中繼到長途幹線，進一步延伸至光纖到府，從數位電話到有線電視(Cable Television; CATV)，從單一類型訊息的傳輸到多種業務的傳輸。目前光纖已成為訊息寬頻傳輸的主要媒介，

光纖通信系統將成為未來國家通信基礎設施的支柱。

總而言之，從 1970 年到現在雖然只有短短 30 多年的時間，但光纖通信技術卻取得了極其驚人的發展，使用頻寬極寬的光波作為傳送訊息的載體通信。

這百年來人們夢寐以求的幻想，在今天已成為活生生的現實。然而，就目前光纖通信而言，其實際應用僅是潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們去發展和利用。因此光纖通信技術並未停滯不前，而是向更高階段發展。

三、光纖通信的特點

光纖通信之所以受到極大重視，是因為和其他通信方式相比，具有無與倫比的優越性。

(一)、通信量大

從理論上來講，僅有一根頭髮粗細的光纖可以同時傳輸 1000 億路電話通

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信。雖然目前尚未達到如此高的傳輸容量，但用一根光纖同時傳輸24 萬路電話通信的實驗已經獲得成功，比傳統的明線、同軸電纜、微波等要高出幾十甚至上千倍通信量。

(二)、中繼距離長

光纖具有極低的衰耗係數(目前商用化石英光纖已達 0.19dB/km 以下)，這是傳統的電纜(1.5km)、微波(50km)等根本無法與之相比擬的。因此，光纖通信特別適用於長途通信的骨幹網路，在不久的將來實現全球無中繼的光纖通信也是有可能的。

(三)、保密性能好

光波在光纖中傳輸時只能在其蕊區進行，基本上沒有光“洩漏＂出去，其保密性能極好。

(四)、抗電磁干擾能力強

銅導體的信號傳輸系統經常要考慮到地面的電位，往往因為要接地而頭痛不已，但是光纖由電絕緣的石英材料製成，本身就是個極好的絕緣體，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電電擊的損壞。無金屬光纜，非常適合於存在強電磁場的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆環境中使用。

(五)、體積小、重量輕、便於施工維護

光纜的鋪設方式方便靈活，即可以直接埋設、管道鋪設，也可以在水底或架空架設。其原料來源豐富，潛在價格低廉，製造石英光纖的最基本原料是二氧化矽，即沙子，而沙子在大自然中幾乎是取之不盡、用之不竭。因此其潛在價格是十分低廉的。

第二節波長分割多工

分波多工(Wavelength Division Multiplexing; WDM)技術，已經廣泛的被使用

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於光纖網路中，利用波長分割的技術大幅提升了光網的頻寬，即在單一光纖上使用多個互不重疊之波長同時來傳輸資料。其中DWDM (Dense WDM)與 WDM 最大不同在於 DWDM 每個波長間之距離較 WDM 小，DWDM 為 1 奈米 (nanometer; nm)甚至 0.1 nm，而 WDM 為 10nm 左右，因此 DWDM 的傳輸量更遠大於WDM。一般認為波道間距(channel spacing)大於 1nm，且波道總數低於 8 以下，稱之為 WDM 系統。反之，若波道間距小於 1nm，且波道數大於 8 以上者，即稱之為DWDM 系統，為目前常見的商用系統。

以下整理於願生華(2005)「光纖通信技術」一書中提出的光波多工的基本概念、光波多工的特點、WDM 的系統形式與 WDM 的關鍵技術。

一、光波多工的基本概念

隨著語音服務飛速的增長和各種新網路服務不斷的湧現，特別是IP (Internet Protocol)技術日新月異的發展，網路容量必將會受到嚴重的挑戰。傳統的傳輸網路擴充容量的方法採用分空多工(Space Division Multiplexer; SDM)或分時多工 (Time Division Multiplexer; TDM)兩種方式。多工(Multiplex)指多個訊號通道透過多工器，整合成為單一訊號，再由接收端的多工器解多工(Demultiplex)轉回原來的通道。

(一)、分空多工

分空多工是靠增加光纖數量的方式線性增加傳輸容量，傳輸設備也線性增加。在光纜製造技術已經成熟的今天，幾十蕊的帶狀光纜已較為普遍，而且先進的光纖接續技術也使光纜工程變的簡單，但光纖數量的增加，無疑地，將會給施工以及未來線路的維護帶來了諸多不便。並且對於已有的光纖線路而言，

如果沒有足夠的光纖數量，而透過重新鋪設光纜來擴充容量，工程費用將會成倍增長，而且，這種方式並沒有充分利用光纖的傳輸寬頻，也造成光纖寬頻資源上的浪費。作為通信網路的建設，不可能總是採用鋪設新光纖的方式來擴充

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容量，事實上，在工程初期也很難預測日益增長的服務需求和規劃應該鋪設的光纖數目。因此，分空多工的擴充容量方式十分受限。

(二)、分時多工

分時多工也是一項比較常用的擴充容量方式，指訊號以時間為模組結構來分開，通過分時多工技術，可以成倍地提高光傳輸訊息的容量，降低每條電路在設備與線路方面投入的成本，並且採用這種多工方式可以很容易在數據流中抽取某些特定的數位信號，尤其適合在需要採取自癒環保護策略的網路中使用。

但是分時多工的擴充容量方式有兩個缺陷：第一是影響服務，即在“整體

＂升級至更高的速率時，網路接口及其設備需要完整更換，所以在升級的過程中，不得不中斷正在運作的設備。第二是速率的提升缺乏靈活性。以SDH 設備為例，當一個線路速率為155 Mbit/的系統被要求提供兩個 155 Mbit/s 的通道時，

就只有將系統升級到622 Mbit/s，即使有兩個 155 Mbit/s 將被閒置，也沒有辦法。

對於更高速率的分時多工設備而言，目前成本還比較高，並且40 Mbit/s 的 TDM 設備已經達到電子器件速率的極限，即使是10 Gbit/s 的速率，在不同類型光纖中的非線性效應也會對傳輸產生各種限制。現在，分時多工技術是一種被普遍採用的擴充容量方式，它可以透過不斷的進行系統速率提升實現擴充容量的目的，但當達到一定速率等級時，會由於元件和線路等各方面特性的限制，而不得不尋找另外的解決方案。

不管是採用分空多工還是分時多工的擴充容量方式，基本的傳輸網路均採用傳統非同步數位階層(Plesiochronous Digital Hierarchy; PDH)或 SDH 技術，即採用單一波長的光訊號傳輸，這種傳輸方式是對光纖容量一種極大的浪費，因為光纖的頻譜對於目前我們利用的單波長通信頻道來講幾乎是無限的。網路服務業者一方面為了網路的擁擠不堪而憂心忡忡，另一方面卻讓大量的網路資源白白浪費。

高密度分波多工 (DWDM)技術就是在這樣的背景下應運而生的，它不僅大

(25)

幅度地增加網路的容量，而且充分利用了光纖的寬帶資源，減少了網路資源浪費。DWDM 技術是利用單模光纖的頻寬以及低損耗的特性，採用多個波長作為載波，允許各載波通信頻道在光纖內同時傳輸，與通信的單信通道系統相比，

密集WDM (DWDM)不僅極大地提高網路系統的通信容量，充分利用光纖的頻寬，而且具有擴充容量簡單和性能可靠等諸多優點，特別是可以直接連結多種服務更使得DWDM 的應用前景十分光明。

在模擬載波通信系統中，為了充分利用電纜的頻寬資源，提高系統的傳輸容量，通常會使用分頻多工(Frequency Division Multiplexing; FDM)的方法。即在同一條電纜中同時傳輸數個頻道的信號，訊號直接以頻道來分開。同樣，在光纖通信系統中，也可以採用光的分頻多工的方法來提高系統的傳輸容量。事實上，這樣的多工方法在光纖通信系統中是非常有效的。與模擬的載波通信系統中的分頻多工不同的是，在光纖通道系統中是用光波作為信號的載波，根據每一個通信頻道將不同的光波頻率(或波長) 分成數個通信頻道，從而在一根光纖中實現多路光信號的多工傳輸。人們通常把光通信頻道間隔較大的多工稱為分波多工(WDM)，而光通信頻道間隔較小的 DWDM 稱為密集分波多工。甚至，

可以實現波長間隔為零點幾個奈米等級的多工，只是在元件的技術上要求上更加嚴苛而已，因此，把波長間隔較小的8 個波、16 個波、32 甚至更多個波長的多工稱為DWDM。

分波多工技術，是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。其基本原理是在發送端將不同波長的光信號組合起來(多工)，並耦合到光纖線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端再將組合波長的光信號分開，並做進一步處理，恢復出原信號後送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割多工，

簡稱分波多工技術。由於目前一些光器件與技術並不是十分純熟，因此，要實現光通道非常高密度的光分頻多工(相關光通信技術)是很困難的，但基於目前元件水準，已可以實現相隔光信道的分頻多工。在這種情況下，人們把在同一個

(26)

窗口中信道間隔較小的分波多工稱為高密度分波多工。目前該系統是在1550nm 波長區段內，同時用 8、16 或更多個波長在同一個光纖上(也可以採用單光纖) 構成的光通信系統，其中各波長間隔為 1.6nm、0.8nm 或更低，約對應於 200GHz、100GHz 或更窄的帶寬。WDM、DWDM 和 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)在本質上沒有多大區別。以往技術人員習慣採用 WDM 和 DWDM 來區分是 1310/1550nm 的簡單多工還是在 1550nm 波長區段內密集多工，但目前在電信界應用時，都採用 DWDM 技術。由於 1310/1550nm 的多工超出了摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)的增益範圍，只在一些專門場合應用，所以經常用WDM 這種更廣義的名稱來替代 DWDM。

λ

n

λ

₁

~

圖

2

分波多工系統的基本組成資料來源：願生華，2005，p.173

WDM 技術對網路的擴充容量升級、發展寬頻業務，如：CATV、HDTV (High-Definition Television) 和 BIP-ISDN (Broadband, Intelligent and Personalized -Integrated Service Digital Network)等、充分挖掘光纖頻寬的潛力、實現超高速通信等具有十分重要的意義，尤其是WDM 加上 EDFA 更是對現代信息網路具有強大的吸引力。

(27)

二、光波多工的主要特點

(一)、充分利用光纖的巨大帶寬資源

光纖具有巨大的頻寬資源(低損耗波段)，WDM 技術使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應用價值和經濟價值。

(二)、同時傳輸多種不同類型的信號

由於 WDM 技術使用的各波長的通信通道相互獨立，因而可以傳輸特性和速度皆不相同的信號，完成各種電信業務信號的綜合傳輸，如PDH 信號和 SDH 信號，多種業務(音頻、視頻、數據等)的混合傳輸等。

(三)、節省線路投資

採用 WDM 技術可使多個波長多工起來在單根光纖中傳輸，也可實現單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節省大量光纖。另外，對已建立的光纖通信系統擴充容量方便，只要原系統的功率餘量較大，就可進一步增加容量而不必對原系統作大的改動。

(四)、降低器件的超高速要求

隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應速度已明顯不足，使用 WDM 技術可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可以實現大容量傳輸。

(五)、高度的組網靈活性、經濟性和可靠性

利用 WDM 技術選擇路由，實現網路交換和故障恢復，從而實現未來的透明、靈活、經濟且具有高度生存性的光網路。

(六)、IP 的傳送通道

(28)

分波多工通道對數據格式是透明的。在網路擴充和發展中是理想的擴充容量手段，也是引入寬頻服務(例如 IP 等)的容易方式。通過增加一個附加波長即可引入任意想要的新服務或新容量，如IP over WDM 技術。

三、WDM 系統的基本形式

WDM 系統的基本構成主要有以下兩種形式：

(一)、雙纖單向傳輸

單向WDM 是指所有光通路同時在一根光纖上，沿同一方向傳送(如圖 3 所示)，在發送端將載有信息的、具有不同波長的光信號λ₁，λ₂，…，λ_n通過光多工器組合在一起，並在一根光纖中單向傳輸，由於各信號是通過不同光波攜帶的，所以彼此之間不會混淆。在接收端通過光解多工器將不同光波的信號分開，

完成多路光信號傳輸的任務。反方向通過另一根光纖傳輸，原理相同。

λn

λ₁

...

λn

λ₁

...

l

n l

'

n

'

λ1

λn

l

n l

'

n

'

圖

3

雙纖單向傳輸

資料來源：願生華，2005，p.175

(二)、單纖雙向傳輸

雙向WDM 是指光通路在一根光纖上同時向兩個不同的方向傳輸(如圖 4 所示)，所用波長相互分開，以實現彼此雙向全雙工的通信連絡。通常可以比單向

(29)

傳輸節省一半的光纖元件。

λn

λ ...₁

n n1

...

λ2

λ₊

l

n l

'

n

'

+1

λn

2n

λ

l

n l

'

n

'

λ1

λn

圖

4

單纖雙向傳輸

資料來源：願生華，2005，p.176

四、WDM 系統的光源技術

光源的作用是產生激光或螢光，它是組成光纖通信系統的重要元件。目前應用於光纖通信的光源半導體激光器(Laser Diode; LD)和半導體發光二級管 (Light Emitting Diode; LED)，都屬於半導體元件，共同特點是：體積小、重量輕、

耗電量小。

LD 和 LED 相比，主要區別在於，前者發出的是雷射光，後者發出的是螢光，因此 LED 的譜線寬度較寬，調制效率低(指同一物理元件能產生不同波長之光)，與光纖的耦合效率也較低；但它的輸出特性曲線線性好，使用壽命長，

成本低，是用短距離、小容量的傳輸系統。而 LD 一般適用於長距離、大容量的傳輸系統，在高速率的PDH 和 SDH 設備上已被廣泛使用。

(30)

五、WDM 問題

近年來 WDM 技術迅速的發展，使得以光纖作為下一代網路骨幹儼然成為一種趨勢，但是在全光網路中高頻寬也造成單一網路元件故障，將影響非常深遠。訊號在兩點間傳輸之路徑稱為光徑(lightpath)，而訊號在這中間傳遞不再需要做光電轉換。基於這種特性，在全光網路中傳遞訊號，除了選擇哪一條鏈路 (Link)外，還要選定一個波長，因此一個訊務的傳遞必須決定一組鏈路與波長的組合(L,W)。由 Ramaswami and Sivarajan (1998)提出這個問題稱為路由及波長指定問題 (Routing and Wavelength Assignment; RWA)。RWA 問題需滿足下列兩項限制：

(一)、在同一鏈結上，兩條光徑不能使用同一波長通道。

(二)、若網路節點不具波長轉換能力(wavelength conversion)，則在光徑所通過的所有鏈路上，均需使用相同的波長通道。

在此延伸出來的問題，為網路節點是否具有波長轉換的能力，對於解決 RWA 有著關鍵性的影響。光交換器可分為波長選擇光交換及波長交換光交換器兩類，分述如下：

(一)、波長選擇光交換器 WSXC (Wavelength Selected cross-connnection)：WSXC 並不具備光轉換能力，因此，光徑在通過 WSXC 前、後必須使用相同的波長通道，此稱為波長連續限制 (Wavelength continuity constraints)。基於波長連續限制，波長資源無法有效的運用。

(二)、波長交換光交換器 WIXC (Wavelength interchangeable cross-connection )：

WIXC 允許訊號由一波長通道上轉換至其他波長通道上，WIXC 的結構克服了波長連續限制，使波長路由機制有更高的資源效率。但相對的，

其硬體複雜度及設備成本也明顯的提高。

在選擇路徑上，通常都是利用最短路徑演算法(Dijkstra’s Algorithm)做為路

(31)

徑繞送選擇的基礎，即為使用最少 Hop 數目的演算法。Karasan and Ayanoglu (1998)與 Harmatos and Laborczi (2002)分別提出以自己定義的 Cost Function 加諸於最短路演算法，做為繞送選擇的依據。以Hop 來做為繞送的依據好處在於容易製作，而相對應的動態路由協定(Dynamic Routing Protocol)如 RIPv1 (Routing Information Protocol version 1)、RIPv2 (Routing Information Protocol version 2)，

缺點是容易造成某些鏈結上的負載過高，導致連線建立的阻塞率(blocking probability)大幅提高。Karasan and Ayanoglu (1998)則提出了一個動態的最短路徑演算法，稱為最少流量負載繞送演算法(Least Loaded Routing, LLR)，其方法是在路徑的選擇上，加入了各條鏈結流量負載(traffic load)作為 Cost Function，再尋找出最低成本的路徑當作光徑。其好處是可以盡量的平均掉整體網路的流量負載，減少某些鏈路過度的負載及降低建立連線要求的阻塞率，但是往往卻因此選擇了較長的路徑，導致產生許多非預期的流量負載。

由於本研究著重於能否減少整體備用路徑，所必須預留的備用頻寬(波長) 即最佳化整體網路備用路徑，所以在路徑模擬求解過程中，為了求解方便，將把每個鏈結的成本設為唯一相同的固定值，直接使用最短路徑演算法求解工作路徑即僅計算最少的Hop 數。並且光徑需求沒有分叉的情況產生，節點具有光波轉換的能力。

第三節光網之保護及復原機制

光纖網路在傳送過程中也可能會遭遇到設備跳機，線路因施工斷裂或天災等種種難以避免的問題。而如今一條光纖可負載上百百條的波長通道，因此當一個網路元件發生故障時，將影響到數百條通道，使負載其上的大量資料將會因此遺失，故就WDM 網路架構下的容錯(Fault Tolerance)機制也成為了新的議題。

(32)

一、保護及復原機制

在探討容錯機制時可再細分成兩種議題，分別為錯誤的偵測(Fault Detection) 與回復機制(Fault Restoration)。錯誤偵測一般都是使用硬體來做偵測，因此當錯誤發生時能夠快速偵測到，附近的節點幾乎會在第一時間得知錯誤發生，並且進行自己內部的恢復機制恢復連線。而恢復機制則多數是使用演算法來執行，

由於當錯誤發生時，回復的路徑可以有很多種選擇，因而憑藉著演算法來決定哪一條路進最可行，進而求出最佳的回復路徑來繞送。

Ramamurthy and Mukherjee (1999)、Huang, Sharma, Owens and Makam (2002)、Wu, Liu and Hung (2002)、Jonathan P. Lang, et al (2002)等學者提出單一光鏈故障發生條件下，具有許多不同的存活方法，見圖5。將回復機制又可細分為兩大類，保護機制(Protection Schemes)及復原機制(Restoration Schemes)，所謂的保護機制是指連線建立的時候，立刻去尋找相對應的備用路徑，並在備用路進上預留路徑資源，當工作路徑發生故障無法傳遞資料的時候，立即轉換到備用路進上，已達到保護的效果。另一復原機制則是在主要工作路徑發生故障時，

才開始尋找其他的替代路徑，再將其切換至備用路徑上。

Protection Schemes

Dedicated Backup Shared Backup

Link Protection

Path Protection

Link Protection

Path Protection Preconfigured

Backup Route and Wavelength

Restoration Schemes

Link Restoration

Path Restoration Dynamic Discovery of Backup Route and Wavelength

圖

5

在單一光鏈路發生故障下仍具有存活能力的各種方式參考文獻：Ramamurthy and Mukherjee , 1999, p745

(33)

由圖 5 中，我們可以發現不論是保護或復原機制，又可以依照復原的方式不同分為光鏈路(Link)與光路徑(Path)兩種復原方式。如圖 6 中 C-D 鏈路發生故障，在光鏈路復原機制是在故障發生的鏈路上由該鏈路的端點(S)即 C，使用廣播(broadcast)的方式(或從固有的 Routing Table 內查是否有其他路徑)，向附近的節點詢問其他的替代路徑，並同時保留頻寬(波長) ，由故障鏈結的起始端(s)開始一直尋找到該鏈結的終端(d)即 D，此時終端(d) 會回傳一個回覆訊息給起始端(s)，同時要求進行切換設定，直到 s 端收到回覆訊息，再傳遞確認訊號給 d 端，並完成切換。

圖

6

鏈路與路徑尋找備用路徑表示圖

光路徑復原方式，則是由故障鏈路之兩端(s,d)即 C,D，必須將故障訊息通傳遞到各光徑的始點(S)和終點(D)，即圖 6 中的 A 和 F，當起始端收到故障通知時，以後的處理方式則與鏈路復原相同，只是傳遞的端點由s 改為 S，d 改為 D。

上述兩種方式，若單以恢復時間來做比較，光路徑復原所需要的時間較大，

光鏈路恢復則將故障侷限於一個小區塊內，不需回傳到資料流的源頭，才能令其改變傳遞路徑，可大大的減少復原的時間。但若以尋找到備用路進的效能來說，光鏈路復原由於被侷促於狹小的範圍內，其能尋找到的備用路進是非常有限的，甚至會捨棄掉許多較佳路徑，若再遇上波長不能轉換的情況下，必須尋找相同波長的路徑，更加不易得找到備用路徑。相較之下，光路徑復原，是由資料流的源頭開始尋找備用路進，所以尋找到較好的次佳路徑做為備用路徑的機會相對大大提昇，而且不用限定僅能尋找相同波長的路徑，所以就復原的方式，光路徑復原方式在效能上比光鏈路恢復要來得佳。

(34)

二、光鏈路及光路徑保護機制

所謂保護機制，是在光路徑建立的同時，就事先尋找好備用路徑，並把所需要的資源預先保留下來，與復原機制中當故障發生時才去尋找備用路徑不同。兩者相較之下，復原機制具有較好資源利用率，如圖 5 所示，保護機制在備用路徑資源的使用上，粗略分成專用(Dedicated)與分享(Shared)。再往下細分如同復原機制中可分光鏈路(Link)與光路徑(Path)的兩種保護方式。如圖 7 中所示，有一光路徑需求由 A 到 D，若為光路徑的保護方式，則其備用路徑為 A-E-F-G-D，即由起點 A 到迄點 D 外除了原來的工作路徑外，再尋找另一條可行的路徑當作被用路徑並保留資源下來。若為光鏈結的保護方式，則如圖 7 下所示，可以很明顯的發現與光路徑的保護方式有所不同，最主要的差異在光鏈結的保護方式，是針對每一個鏈結都去尋找一條備用路徑，如 A-D 鏈路就由 A-E-D 來保護之而 B-C 又有由 B-F-C 保護。此為單一光纖鏈路故障為前提下，

且滿足工作與被用路徑不重疊所使用的保護方式。

圖

7

保護機制的兩種方式

(35)

現有的保護方案中，針對備用路徑資源安排的，主要可分為專用保護、共享鏈路保護、共享路徑保護和共享子路徑保護(即保護工作路徑的備用路徑是否與其他工作路徑做分享，其目的是想要更佳的善用資源)，其中對共享保護的研究是最多的。而保護方式又可分為光鏈路與路徑兩個方向：

1.專用光鏈路保護方式(dedicated-link protection)

當光路徑建立的時候，在該條路徑上所有的鏈路同時間建立備用路徑，工作路徑與備用鏈路間不重疊，在備用鏈路上保留頻寬(波長)給工作路徑專用，當工作鏈路發生錯誤的時候轉換到備用鏈路上。

2.專用光路徑保護方式(dedicated-path protection)

當光路徑建立的時候，其備用路徑也同時間被建立，工作路徑與備用路徑間不重疊，在備用路徑上保留頻寬(波長)給工作路徑專用，當發生錯誤的時候轉換到備用路徑上。

3.共享光鏈路保護方式(shared-link protection)

與專用的鏈路保護方式雷同，唯一不同點是在備用鏈路上因為考量到資源有限網路頻寬用率的問題，在此考量下，建立了一條備用鏈路，同時保護多條工作鏈路。

4.共享光路徑保護方式(shared-link protection)

如同共享光鏈路保護方式的概念，只是把保護鏈路變成路徑。

5.共享子路徑保護(shared-sub-path protection)

在考量共享風險鏈路組的情況下，把每條請求的工作路徑話分成若干條等長且互不重疊的子路徑，並為每條子路徑各選擇兩條各自獨立的保護路徑。

第四節共享風險鏈路組

共享風險鏈路組(Shared Risk Link Group; SRLG)定義了對一條工作光通道分配保護资源時的資源可用性的約束，即是指共享相同的物理資源(也就是具有

(36)

共同失效的風險)的一組鏈路組，描述了光纖故障相關性的問題，即當網路中出現一個故障就會導致與該故障有相關的SRLG 的許多條鏈路同時失效。

P1 備用路徑 P2 備用路徑

P1 工作路徑

P2 工作路徑

A

E

I

B

F

J

(1,0)

(0,2) (0,1)

(0,2)

(1,0)

C

G

K

(2,0)

(0,2)

D

H

L

(2,0)

(1,0)

(0,2)

工作路徑備用路徑

(工作路徑使用量,備用路路徑使用量)

(3)

A

E

I

B

F

J

(1,0)

(0,1) (0,1)

(0,1)

C

G

K

(1,0)

(0,1)

D

H

L

(1,0)

(0,1)

(1)

A

E

I

B

F

J ^(0,1)

(0,1)

(1,0)

C

G

K

(1,0)

(0,1)

D

H

L

(1,0)

(0,1)

(2)

P1 需求波長數為1 P2 需求波長數為1

圖

8

SRLG 範例圖

舉一範例如圖8 所示，圖中有兩個光徑需求分別為 P1(A-D)與 P2(E-D)，而其工作路徑與備用路徑的規劃分別規劃如圖 8-1 與 8-2 所示，圖中我們可以發現兩條工作路徑在B-C-D 鏈結上有重疊的部份，所以兩條工作路徑具有共享風險的鏈路組，即指若在B-C-D 鏈結上若發生故障，則會同時照成 P1 與 P2 工作同時中斷，因此 P1 與 P2 兩條工作路徑的備用路徑不能夠共享，如圖 8-3 所示在 E-I-J-K-L-H-D 上必須保留兩份備用波長(頻寬)，才能夠保護同時保護 P1 與 P2。若備用路徑共享，僅保留 1 份備用頻寬，當故障發生於 B-C-D 鏈路上時，

則將會發生P1 或 P2 工作失效，無法達到保護的效果。所以，在規劃備用路徑時，必須考慮工作路徑是否有多條重疊，必須遵守SRLG 限制。

(37)

第五節通用多重通訊協定標籤交換

通用多重通訊協定標籤交換 (General Multi-Protocol Label Switching;

GMPLS) ，源至於早期的多重通信協定標籤交換(Multi-Protocol Label Switching;

MPLS)的架構。MPLS 屬於第三代網路架構，是高速骨幹網路交換標籤，由 IETF(Internet Engineering Task Force)所提出，由 Cisco、ASCEND、3Com 等網路設備大廠所主導。封包通過虛擬電路來傳送，只需在 OSI (Internetational Standard Organization)第 2 層數據連結層(Data Link Layer)執行硬體式交換取代第三層網路層 (Network Layer)軟體式路由(routing)，整合了 IP 選擇與第二層標記交換為單一的系統。MPLS 的運作原理是提供每個 IP 位子一個標記，如圖 9 中所示，在layer 2 與 layer 3 的 header 間插入了一個 label 欄位，也可稱為 2.5 層。圖10 中所示為一個使用 MPLS 的網路，在區域內的使用 MPLS 技術的路由器都稱為LSR(Label Switch Router)，每一個 LSR 都會告訴相鄰的其他路由器，

每一個IP 位子相對的標籤號碼為何？爾後封包傳送到其路徑前，僅讀取封包標記，而無須讀取每個封包的IP 地址以及標頭，因此網路速度便會加快。然後，

將所傳輸的封包放置於Frame Relay 或 ATM 的虛擬網路上，並迅速將封包傳送至終點的路由器，進而減少傳送封包的延遲，同時藉由Frame Relay 及 ATM 交換器所提供的Qos (Quality of Service)對所傳送的封包加以分級，因而大幅提升網路服務品質及更多樣化的服務。

GMPLS 是從 MPLS 演進而來，幾乎繼承了所有 MPLS 的特性和協議。但是兩者實質上還是有著極大的差異。

MPLS 是一個網路層的網路協議，MPLS 的網路由單純的分组交換節點组成，傳輸網路被濃縮並等同一個預先配置好的物理網路線，這就是標準的重疊網路架構。分组交換節點没有能力按照自己的意願、按照資源的需求情况調節其物理線路资源，這些工作全部需要管理人員進行人工调整。

(38)

圖

9

MPLS 標籤崁入圖

資料來源：Cisco 於 CCNP 課程講義，p.106

圖

10 MPLS 之傳輸方式

資料來源：Cisco於CCNP課程講義，p.107

GMPLS 則徹底改變了這種狀態，或者正在努力改變這種狀態。在 GMPLS 網路中不僅有分組交換(Pack Switch Capable; PSC)節點、TDM(Time Division Multiplex)節點、波長交換(Lambda Switch Capable)節點甚至有光纖交換(Fiber Switch Capable; FSC)節點。不管為何種節點都是以傳送封包的標頭(標籤)內容為基礎來傳遞資料，可以在任何需要的時候為自己建立一條通達其他分組交換節點的電路、波道或光纖，僅需要在GMPLS 階層內發出一個通信請求。

(39)

第三章研究方法

由上一章中我們可以發現，光的保護與復原機制有非常多種類，本論文研究中是屬於光的保護機制。在保護機制中，又分為光鏈路與光路徑兩種保護方式，若選擇光鏈路的保護方式，雖然故障發生的時候能夠快速的轉換過去，使網路能夠快速的恢復，但是其所佔用的資源卻是非常之巨大，對電信業者來說是龐大的成本。而且在沒有發生故障時，那些預留的頻寬多數都是空下來，頂多傳輸一些低優先值的封包，對整體網路來說並沒有達到較好的使用率。若選擇光路徑的保護方式，雖然能夠使整體網路達到較高的使用率，但是在故障發生時，需要的恢復時間卻遠比光鏈路來得長。因此，這兩種基礎的保護方式皆無彈性，為了增加彈性與網路效益，Ho and Mouftah (2002)兩位學者提出短跳躍供用機制(Short Leap Shared Protection; SLSP)的方式，在光鏈路與光路徑兩者中間取其平衡，希望能夠再這中間找到一個在恢復速度與網路資源使用率都能夠到滿意效果的備用路徑的規劃方式。在備用路徑的資源上，本研究論文是偏向使用共用備用路徑的方式，以增加整體網路的使用率。

第一節、短跳躍共用機制

由Ho and Mouftah (2002)提出的短跳躍供用機制，以分段為基礎的共用機制；由PSL (Path Switch Label Switched Router)節點將訊務切換至備用路徑上，

PML(Path Merge LSR)則是將備用路徑上的訊務合併至原來的工作路徑上。

SLSP 是將工作路徑切割成數段(segment)，每段具有相同的跳躍數(Hop)，

而且每段之間皆互相重疊。如圖11 所示，設有一個工作路徑需求為起始點為 A 到終點N，若欲將該條光徑分段保護，則可分割成：保護區 1(Protection domain 1)由 A 到 F，保護區 2 為 E 到 I 及保護區 3 為 I-N。由圖 11 中我們可以發現每一個保護區皆含蓋相鄰保護區一個節點(Node)及一條鏈路(Link)，這是為了避免

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在分段保護時，若在邊界上發生故障，將無法保護到邊界的節點或鏈路的設計考量。在這個例子中，(A,F)、(E,J)及(I,N)分別代表 PSL-PML。當故障發生時，

例如C-D 鏈結發生故障或 C 節點發生故障時，將會將故障訊息通知 PSL(A 點) 與 PML(F 點)。而當 PSL 收到故障訊號時，會發送出一個轉換成備用路徑的訊息給 PML，同時做切換的設定。而當 PML(F 點)收到訊息後，則會在回傳一個確認訊息時給PSL(A 點)，而後 PSL(A 點)開始將工作路徑上的訊務轉至備用路徑上。若在邊界上發生故障，例如 F-G 鏈結或者是 F 節點發生故障，則仍可藉由保護區2 的 E-F-G-H-I-J 工作路徑轉為保護區 2 的備用路徑，因此並不會因為分段而造成邊界上無法作保護。共享保護鏈路及共享保護路徑可視為 SLSP 的極端情形，共享光路徑保護可視為將整條路徑由起點到迄點設定為一個保護區的狀況。而共享鏈路則是將每個鏈結都設定為一個保護區，但此方法必須設定每個保護區都不重疊才有可能發生，因為不重疊將無法保護端點故障的情況。

圖

11 SLSP 示意圖

資料來源: Ho and Mouftah, 2002, p.98

SLSP 的優點是在於將整個路徑分段做保護，不會因為保護鏈路的方式而侷限在某個區域內降低找到備用路徑可能性。並且，分段保護工作路徑所需保留的備用路徑頻寬比保護鏈路方式相對來得低，也減少整體網路備用的資源。其次，也不會因為保護路徑的方式，每當故障發生必須要花較多的時間傳遞到起點與迄點再做備用路徑的切換，大大的省下切換的時間。此外圖11 中，有另一

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條工作路徑為W2，其 PSL-PML 分別為(S1,S2)，因為它與 E-F-G-H-I-J 這段路徑共用到G-H 路徑；因為 SRLG 必須避免鏈路 G-H 故障時造成 W1 及 W2 同時失效則不能共用相同的備用路徑。因此分段保護確實有機會降低 SRLG 的限制，增加共用備用路徑的可能性。如圖12，是一個使用 SLSP 方法而使減少 SRLG 限制進而減少備用資源的例子。圖12(a)中，有兩條工作路徑分別為 W1：S-E-F-G 及W2：A-B-F-G，而備用路徑分別為 S-A-K-H-I-J-D-G 及 A-K-H-I-J-D-G。假設 W1 與 W2 各使用 1 個單位的頻寬數，此時因為 W1 與 W2 擁有共用工作鏈路 F-G，則在 SRLG 的限制下備用頻寬不能共用，因此必須保留的頻寬數為 7+6 為 13 個鏈路頻寬。而圖 12(b)則將工作路徑 W2 由一個保護區域分割成兩個跳躍數相同的 2 個保護區域，分別為 A-B-F 與 D-F-G。而備用路徑則可分別改為 A-K-H-I-J-D-F 與 B-C-D-G 兩段，其中我們可以發現 W2 由於前段沒有與 W1 有共用到工作鏈路，所以在備用路徑上A-K-H-I-J-D 是可以與 W1 預留下來的備用路徑所共用頻寬，故僅需增加1 單位的鏈路頻寬在 D-F 上。

圖

12 減少 SRLG 限制圖

資料來源: Ho and Mouftah, 2002, p.100

而W2 後段，因為與 W1 共用 F-G 鏈路，則備用路徑必需完整的保留全部的頻寬資源為 3，然而 W2 前後兩段所需而外增加的頻寬為 3+1，再加上原本

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W1 所保留下來的頻寬則為 7+4 為 11，故與圖 12(a)相較一下，可以發現因為做了SLSP 使得圖 12(b)所需之保留的備用頻寬較少。

Ho and Mouftah (2002) 為了使 SLSP 更加具有彈性及增加備用路徑找到的機率提出了D-SLSP (Dynamic SLSP)的方式，之所以稱為動態，在於可以將此演算法套用在動態的光路徑請求上。此方法需要分成兩部分，其一需預先做計算，

其二則是光路徑連線請求才動態的運算，其方法如下：

第一部分：使用 K-shortest path，預先找出拓樸(Topology)內每個起點到迄點(S-D)的最短路徑、次佳路徑、第三短路徑…等，即由起點紀錄所有可到達終點之替代路徑。

第二部分：當有光路徑連線請求時，將第一部分紀錄的所有到達終點的路徑，由最短的開始做SLSP，以固定之跳躍數分段，所得 PSL-PML 點以分散方式尋找每段內的最短備用路徑，最後在總和起來。重複著同樣的動作於每一條由第一部份紀錄下來的路徑，最後找出工作路徑與備用路徑花費最少的路徑，

做為光徑需求的工作路徑與備用路徑。

運用此方法可以使備用路徑找到的機率大增，只要替代路徑越多能夠找到的機率越大，但相對而言，使用的工作路徑與備用路徑可能不是最短路徑，單看工作路徑，則會增加路徑的花費。

第二節、雙鏈路故障

一、雙鏈結故障

Zhang and Mukherjee (2004)認為依各種故障情況提供適當的存活計畫 (survivability schemes)，已成為提供骨幹網路服務者迫切關注的問題。Harle and Albarrak (2007) 認為目前主要提供存活計劃是針對單一連接失敗，但是雙鏈路失敗(dual-link failure)的情況，已經成為網路設計者與網路服務提供者所關注的

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問題。其原因如下，第一由於實體網路拓撲(Topology)的限制與長途光網連接裝置，使得在大型網路中發生雙鏈結失敗的機率提高。其二，以 GMPLS 為基礎來改善光層功能，為一個分佈式控制平面而不是任何集中管理單位，這個改善使得有可能透過恢復機制和有區別的生存概念，以提供可以顯著降低雙鏈結故障恢復的成本。雖然大型網路中出現雙失敗的機率比單一鏈結失敗來得低，但是Schupke and Prinz (2003)提出公式(1)與(2)，其中 l 為光纖網路的程度，其單 位為公里(km)，一條光纖鏈結有效性 a (availability)的公式如下：

(1)

,

l

MTTR MTBF

a MTBF

⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

= +

其中MTBF (Mean Time Between Failures)表示每一公里平均兩次故障發生的間隔時間，而MTTR (Mean Time To Repair)表示平均每一公里故障修復的時 間，而一個網路具有 m 條光纖的鏈結網路，有兩條鏈結同時失敗的機率公式為：

( ¹ )

² ²

^, ⁽²⁾

2 2

−

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

^m

a a

^m

P

假設MTBF 為 300 年-每公里，MTTR 為 8 小時。這表示在擁有 25 條光纖且鏈結長達 500km 的光纖網路中，發生雙鏈結錯誤的時間大約每年 6 小時左右。因此，在此種中等規模的網路內就必須要注意到雙鏈結失敗發生。

二、雙鏈結故障的保護機制

Schupke and Prinz (2003) 提出三種以路徑為基礎的保護機制，分別為專有路徑保護(Dedicated Path Protection)、共用路徑保護(Shared Path Protection)及重新路由(Path Rerouting)。

(44)

圖

13 各種路徑保護方式圖

資料來源: Schupke and Prinz, 2003, p.194

圖13 有 4 條工作路徑分別為 A-D、A-B、B-C 與 C-D，其需要的頻寬需求假設為1。在圖 13(a)中為使用專用路徑保護的保護方式，所以在 D-B 上必須保留4 份頻寬。而圖 13(b)則為共享路徑保護的方式，在 D-B 上所保留的頻寬僅為 1。然而，圖 13(c)為考慮雙鏈結失敗的情況下的共享路徑保護方式，故在 D-B 上保留了2 份頻寬。

圖

14 有 SRLS 情況的網路圖

資料來源: Schupke and Prinz, 2003, p194

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在圖 14 中，有 3 條工作路徑 A-B、F-E-H 及 H-E-D，備用路徑分別為 A-G-H-C-B、F-G-H 與 H-C-D，此時我們可以發現若使用單純的共用路徑的保護方式，則若當A-B 發生故障後緊接著 H-E 也發生故障時，將會導致較後故障的工作路徑無法成功的轉到備用路徑上，因為會被先故障的那段(A-B)佔用去備用路徑的資源。但在考慮雙鏈結故障的情況下，可將G-H 與 H-C 的保留資源擴充為2，即可避免因雙鏈結故障而產生後者無法恢復的情形。

因此本研究，將於共用分享路徑共用的部分，保留要求資源最多與次多兩者加總的資源數，作為因應雙鏈結故障的保護方式。

第三節雙故障保護機制參數設定

本論文研究利用 SLSP 的概念將工作路徑分成數個保護區段，並使用 D-SLSP 的兩段式架構，先計算出拓樸(Topology)內所有起點(S)至迄點(D)的最佳路徑與次佳路徑，並計算其路徑成本，作為初始網路的初始值。其次，當有訊務需求進來時，再做第 2 部分的規劃；與 SLSP 不同點在劃分護區的節點跳躍數並非固定數目，以增加能夠搜尋到較佳的分段保護區塊，進而增加整體規劃備用路徑的彈性，減少SRLG 的限制。再其次，D-SLSP 僅評估預先找到的路徑來做比較，在此將放寬限制，尋找該保護區內的所有備用路徑的可能，並將以該保護區初始的次佳路徑成本作為基準下去篩選新的備用路徑，當作一個比較值，若在收尋過程中，新的路徑成本大於初始的次佳路徑成本，則停止該路進的計算。

在模擬的過程中，對於鏈路上的成本計算(Cost Function)上有額外的定義：

首先，每個鏈路上都以

( WC

_l

, SC

_l

)

表示，其中

WC

_l表示第 l 鏈路上目前使用的波長數，

SC

_l表示第 l 鏈路上目前備用波長數。

彭亦暄(2003)提出一個成本計算的方式說明如下：

花費：使用符號C 做表示，是指每條光徑的工作路徑與備用路徑所需要的花費。

(46)

工作路徑花費

CW

_l_,_j計算方式：

(3)

, , ,

j l

j l j l

CW C

λ

= λ

j

C

l_,為第 j 個保護區內第 l 個鏈路的光纖花費，

λ

_{l ,}_j為第 j 個保護區內第 l 個鏈路的光纖所能夠提供之波長總數，λ為第 j 個保護區內第 l 個鏈路該工作路徑所 使用的波長數。

備用路徑花費

_CB

_l_,_j計算方式：

(4)

1 ,

,

∑

=

= ^λ

i λl j i

j l j

l

k

CB C

k

i為共用此鏈路的備用路徑數目，且共用波長數大於等於 i 個。

圖

15 共享備用路徑分攤花費圖

利用方程式(4)計算共享保護備用路徑分攤的花費，舉個簡單的例子，如圖 15，B-C 的花費為

C

_BC，假設鏈路上所能提供的波長總數為20，若備用路徑 P1

(47)

需要5 個波長，P2 需要 3 個波長，而 P3 需要 2 波長。計算鏈路 B-C，P1 所需要承擔的路徑花費為

1 20 1 20 2 20 3 20 3

20 + ×

+ × + ×

+ ×

× ^BC ^BC ^BC ^BC

BC

C C C C

C

，依序為使用波長大於 1

的共用備用路徑者有P1、P2 與 P3 三者，依此類推，後面為大於 2、3、4 及 5 分別有3、2、1 及 1 個共用者。

將工作路徑與備用路徑在每條鏈路上所要花的花費全部加總，即可得到該訊務所佔的花費，方程式如下：

公式(4)(5)為整體網路架設後，獨立計算每條光徑的工作路徑與備用路徑所花費的成本，由於此法在動態計算求解的過程中，往往會因為光徑需求的加入，

造成整體成本必須重新計算，十分浪費時間，因此在本研究計算備用路徑的過程中，將會把備用路徑的花費(所佔用的頻寬或波長)計算在使用該鏈路上最高保留資源的光徑路徑需求上。而其後再加入共用備用路徑的新光徑需求，則將兩者相加作為該鏈路必須保留的資源，若出現第3 條以上的共用者，則成本花費將以零計算。

換言之，其目的是希望以舊的備用路徑為依據，冀望更多的共用發生在其後的新光徑需求的備用路徑。

本研究提出的保護路徑的機制步驟如下：

Step1: 利用 K-shortest path 將拓樸中，所有起點到迄點間之最短路徑及次佳路徑求出，並紀錄路徑成本。

Step2: 將第一條光徑需求加入，套用 Step1 所算出的最佳路徑與次加路徑當作工作路徑與備用路徑，並分別計算出的工作路徑與備用路徑的使用成本。

Step3: 將新進的(即第一條以後者)光徑需求加入，套用 Step1 所算出的最佳路徑 (5) ⁼

∑ ∑

^⎜_⎝^⎛ _, ⁺

∑

_, ^⎟_⎠^⎞

j l l

j l j

l

中 華 大 學 碩 士 論 文