Schematy Protekcji Sieci

Podstawy ochrony i przywracania

Infrastruktura telekomunikacyjna obejmuje odcinki prowadzone przez miasta, kontynenty i oceany. Jest narażona na przerwanie kabla, awarię urządzenia, utratę zasilania oraz skutki zdarzeń naturalnych. Przecięcie kabla przez koparkę, nazywane w branży zanikiem koparkowym, może odciąć miasto od sieci. Każdy z tych defektów może przerwać ustalony tor transmisyjny i ograniczyć dostępność usługi.

Projekt sieci uwzględnia więc niezawodność i dostępność obok przepływności. Wymaganie dostępności na poziomie "pięciu dziewiątek" ( $99.999\%$ ) odpowiada mniej niż 5,26 minuty niedostępności w roku. Do realizacji takiego celu stosuje się zautomatyzowane schematy ochrony i przywracania, które przełączają lub odtwarzają tor po wykryciu defektu. Protekcja wykorzystuje wcześniej przydzieloną pojemność i przełącza ruch na gotowy zasób. Przywracanie oblicza lub zestawia trasę dopiero po awarii i może wykorzystać dostępną pojemność. Rozróżnienie wpływa na czas reakcji oraz koszt rezerwacji.

Zasada niezawodności: redundancja

Mechanizmy ochrony wykorzystują redundancję, czyli dodatkowy zasób pozwalający podjąć transmisję po defekcie toru podstawowego. W typowym modelu tworzy się co najmniej dwie odrębne ścieżki między ważnymi węzłami:

Ścieżka robocza lub podstawowa: Główna trasa używana do transmisji danych podczas normalnej pracy.
Ścieżka ochronna lub zapasowa: Alternatywna trasa lub zasób pozostający w gotowości do przejęcia ruchu po defekcie ścieżki roboczej.

Wspólne ryzyko uszkodzenia

Geograficzna i fizyczna rozłączność torów zwiększa odporność ochrony na wspólne awarie. Prowadzenie ścieżki roboczej i ochronnej osobnymi kablami, w różnych duktach i możliwie różnymi trasami fizycznymi zmniejsza prawdopodobieństwo jednoczesnej utraty obu zasobów. Umieszczenie obu kabli w tym samym dukcie oznacza, że ta sama koparka może przeciąć oba tory podczas jednego incydentu.

Liniowe schematy ochrony

Dla bezpośredniego połączenia między dwoma węzłami, na przykład węzłem A i węzłem B, stosuje się trzy podstawowe warianty ochrony liniowej. Różnią się sposobem rezerwacji zasobu i obsługą ruchu dodatkowego.

Protekcja 1+1

Jest to najprostszy z opisywanych schematów. Na wejściu ruch jest stale mostkowany i przesyłany równocześnie ścieżką roboczą oraz ochronną. Na wyjściu odbiornik monitoruje oba sygnały i wybiera ten o lepszej jakości. Po defekcie ścieżki roboczej wybór toru ochronnego nie wymaga ustanawiania nowego połączenia.

Zalety: Bardzo krótki czas przełączenia, w typowych mechanizmach poniżej 50 ms, oraz prosta logika.
Koszt: Zasób ochronny jest stale zajęty przez kopię ruchu i nie przenosi dodatkowego ruchu. Wykorzystanie całej pojemności nadmiarowej zmniejsza użyteczną przepływność sieci mniej więcej o połowę.

Protekcja 1:1

Jedna ścieżka ochronna jest przypisana do jednej ścieżki roboczej, lecz podczas normalnej pracy może przenosić ruch dodatkowy o niższym priorytecie. Po defekcie węzły najpierw usuwają ten ruch z toru ochronnego, a następnie przełączają na niego ruch chroniony z uszkodzonej ścieżki roboczej. Wymaga to koordynacji stanu po obu końcach połączenia podczas przełączenia, ponieważ ruch dodatkowy musi zostać usunięty.

Zalety: Ochronny zasób może przenosić ruch dodatkowy podczas normalnej pracy.
Koszt: Ruch dodatkowy może zostać utracony, a przełączenie wymaga sygnalizacji i koordynacji.

Protekcja 1:N

Jest to zasobowo oszczędny wariant liniowy. Jeden zasób ochronny jest współdzielony przez wiele ( $N$ ) ścieżek roboczych. Po defekcie jednej z $N$ ścieżek jej ruch może zostać skierowany na wspólną ścieżkę ochronną, o ile zasób i reguły priorytetu na to pozwalają.

Zalety: Współdzielenie zmniejsza ilość zarezerwowanej pojemności ochronnej.
Ograniczenie: Schemat chroni jednocześnie tylko jedną awarię w grupie. Jeżeli dwie ścieżki robocze ulegną awarii w tym samym czasie, wspólna pojemność pozwoli przełączyć tylko tę, dla której wystarczy zasób i obowiązujący priorytet.

Mechanizmy ochrony w pierścieniu

W topologii pierścieniowej węzły są połączone dwiema drogami wokół zamkniętego obwodu. Taka redundancja jest używana między innymi w sieciach metropolitalnych i regionalnych. Po przerwaniu jednego odcinka ruch może zostać skierowany dłuższą drogą przez pozostałą część pierścienia. UPSR i BLSR to nazwy schematów ochrony używane w systemach SONET i SDH.

UPSR (Unidirectional Path Switched Ring)

UPSR jest odpowiednikiem ochrony 1+1 dla pierścienia. Wykorzystuje dwa włókna lub pierścienie, roboczy i ochronny, z ruchem płynącym w tym samym kierunku. Źródło wysyła tę samą kopię ruchu dwiema drogami, a węzeł docelowy wybiera sygnał o lepszym stanie. Przełączenie po awarii jest prawie natychmiastowe, lecz schemat wymaga stałego przesyłania kopii i ogranicza wykorzystanie pojemności.

BLSR (Bidirectional Line Switched Ring)

BLSR wykorzystuje ruch w obu kierunkach pierścienia. W popularnym wariancie z dwoma włóknami jedno włókno prowadzi ruch zgodnie z kierunkiem obiegu, drugie w przeciwnym, a połowa pojemności każdego włókna jest przeznaczona na ruch roboczy, a druga połowa na ochronę. Taki podział pozwala wykorzystać zasób roboczy efektywniej niż w UPSR, lecz wymaga mechanizmu sterowania przełączeniem.

Kluczowym mechanizmem jest pętla zwrotna (loop-back). Po wykryciu przerwania między węzłami B i D sąsiednie węzły kierują ruch przeznaczony dla uszkodzonego odcinka na zarezerwowaną pojemność ochronną i wysyłają go przeciwną stroną pierścienia. Pierścień tworzy wtedy alternatywny tor między punktami uszkodzonego odcinka i może przywrócić cały ruch, jeżeli wystarcza dostępna pojemność.

Przywracanie w sieci mesh

Sieć o topologii , w której węzły mają wiele połączeń, może wykorzystać różne tory omijające uszkodzony element. W ochronie zasoby są rezerwowane z wyprzedzeniem, natomiast w sieci mesh nie ma z góry wyznaczonych, bezczynnych ścieżek ochronnych. Przywracanie uruchamia wyznaczenie lub aktywację alternatywnego toru po wykryciu defektu.

Po defekcie centralny kontroler SDN lub system zarządzania wykorzystuje globalny stan sieci, wybiera tor spełniający wymagania i zdalnie konfiguruje przełącznice optyczne OXC na jego trasie. W sieci mesh ścieżki mogą być obliczane dopiero po awarii albo wcześniej wyznaczone i aktywowane po jej wystąpieniu. Przywracanie zwykle trwa dłużej niż ochrona, od setek milisekund do kilku sekund, i nie daje takiej samej gwarancji czasu. Zyskiem jest możliwość współdzielenia zasobów przez wiele połączeń, ponieważ pojemność pozostaje dostępna do chwili awarii.