从多个方面对网络结构环形网和网状网进行对比分析

一、引言

传统的光网络以环或线性拓扑为主，可提供复用段环保护、通道环保护、线性1:1复用段保护、线性1＋1复用段保护及端到端的SNCP保护等一系列保护措施，这些保护措施为业务提供了高度的可靠性和快速的保护恢复能力，使得SDH环网在过去的很长时间内在本地网、城域网、骨干网上得到了广泛的应用。 但是，随着数据业务量的快速增长，SDH环网也不断暴露出其固有的缺点，特别是在业务量比较大且复杂的骨干网、城域网上。因此，采用网状网进行组网这一想法日益引起人们的兴趣。本文将会对环形网络和网状网进行一般性的对比分析，虽然对比分析主要以SDH网络为主进行，但分析过程很少涉及SDH所特有的技术，因而其基本原理和结论也完全适用于WDM网络。

二、环形网与网状网的分析对比

本文主要从网络成本和资源利用情况、网络生存性、扩展性以及网络配置的难度、节点复杂度等几个方面对光网络中常用的两种网络结构环形网和网状网进行对比分析。

1．网络成本及资源利用率

所谓环形网络，是指网络中每个节点通过两个链路首尾连接起来，这样就会构成一个封闭的环，环上每个节点的度都是2，一个节点数目为N的环形网络所具有的链路数目也为N。在环形网络中，任何两个节点之间都有长短两条传输方向相反的路由，这就为网络的保护提供了有力的物理基础。

所谓网状网，一般是指每个节点至少具有两条链路同其他节点连接起来。网状网的结构是复杂多变的，连通度要比环形网高。一个节点数目为N的网状网所具有的链路数可能在N+1和N*（N-1）/2之间变化。特别是，当节点之间两两都有链路相互连接的时候，就成为全连通网状网，链路的数目将达到N*（N-1）/2。

在构建一个通信网络时，通常业务需求应该是已知的，这样网络中的节点就可以确定下来，如何选择链路将节点相互连接起来就成为确定网络拓扑结构的关键。

网络的成本主要由节点成本和链路成本构成，其中节点成本主要包括光接口、光收发器、交叉处理板、业务板卡等的成本，链路成本主要包括光放大器、光纤等的成本。对于相同的电路需求，采用环形网络和网状网所需的业务板卡基本是一致的。因此，对网络成本的比较，应该主要从光接口、光收发器、光放大器、光纤的成本来进行考虑，而这几个都是与节点之间的链路一一对应、基本成正比的。所以考察网络的成本可以主要从网络中的链路数目来进行比较。

下面用一个例子来说明环形网络和网状网的成本情况。

如图1所示，网络中有6个节点A、B、C、D、E和F，假设网络中每条链路的容量为STM-16，为简化起见，假定环上每段链路的16个STM-1通道中只有8个STM-1通道可以用做工作通道，链路另外一半容量留做保护资源。表1给出了两种不同的业务需求。

对于表1（a）中的电路需求，易知图1（a）所示的环形网络可以满足，但业务已经几乎占满了整个环形网络的容量。而对于图1（b）所示的网状网，由于结构比较复杂，不容易看出，为方便讨论，可以将其划分为两个环形网络A－B－D－E－A和A－C－D－F－A，如图2所示。同时，将表1（a）中的电路也根据划分后的两个环形网络进行分摊，如表2所示。可以看出，网状网进行分割后的两个环上的容量都只用到了50％左右，仍有很大扩容空间。环形网络所需链路数目为6，网状网所需链路数目为10，其资源利用率要比环形网络低。

在电路需求有了一定增长，成为如表1（b）所示的电路需求之后，对于图1（a）所示的环形网络，就必须新建一个环，此时所需的链路数达到了2x6＝12个。对于图1（b）所示的网状网，类似的对表1（b）中的电路进行分割后，如表3所示，可以看出，分割后的两个环上仍有足够的容量承载新增的电路，网状网所需链路数目仍为10个。此时，网状网要比环形网资源利用率高。

从上面的例子可以看出，在电路需求比较小时，网络上有足够的空余容量，因此需要链路资源比较少的环形网络在成本上具有优势。而在电路需求比较大时，网状网相比环形网络具有更大的成本优势，资源利用率更高。这主要是因为在环形网络上，业务没有捷径可走，业务的工作路径和保护路径相加至少可以覆盖一个完整的环网。而在网状网中，可以在业务量比较大的节点之间建立“直达”通路，缩短了业务的工作和保护路径，在上面的例子中，就体现为缩小了环的规模，包括环的总长和环上节点的数量。

在上面的例子中，我们是按照所有链路都留出50％的容量作为保护资源来考虑的。对于环形网络，网络中每个节点的度为2，工作和保护业务分别从节点的两个方向流通，链路上必须有一半的容量留做保护通道。而对于网状网，由于网络中节点的度可能大于2，保护业务可以在除工作路径外的其他不只一个保护路径上进行负荷分担，如图3所示。这样，链路中的备用资源比例就可以进一步降低，能够承载的电路数量就得到了增加，链路的资源利用率也得到了进一步的提高，网络的成本可以进一步降低。

需要指出的是，以上的分析虽然是在SDH网络的基础上进行的，但主要是基于网络拓扑结构进行的，并不涉及SDH网络中的特定技术，因此所得出的结论也同样适用于WDM光网络。只是在SDH网络中，链路资源是指光纤、光放大器及光收发器等；在WDM光网络中，链路资源指的是光纤、光放大器、合波/分波器、波长转换器等，成本要更高，而波道则对应于SDH网络中端到端的业务通道。

2．网络生存性

网络生存性是指在发生故障的情况下，网络仍能维持业务连续性的能力。网络生存性技术包括网络保护和恢复技术，相应地，网络从故障中恢复采用两种机制，即保护机制和恢复机制。保护机制是指采用预先规划的方法分配网络资源，用硬件冗余来保证网络对故障的恢复；恢复机制是指网络失效后，动态寻找可用资源并采用重选路由的方法绕过失效部件。

在环形网络中，SDH自愈环提供两纤单向通道倒换环UPSR、四纤双向复用段倒换环BLSR/4以及两纤双向复用段倒换环BLSR/2等保护方法，使得网络具有了快速的保护恢复能力，能够实现50ms的业务恢复时间要求，表4对这几种自愈环的性能进行了比较。图4给出了环形网络中通道保护和复用段保护的基本原理。SDH网络中的几种自愈环技术也可以推广到WDM环网中应用，而且其特征基本上是一样的。

在网状网中，由于网络结构复杂，生存性问题比环形网要复杂得多，一般是采用保护和恢复相结合的方法来保证其生存性，这样一方面可以保证故障情况下的保护时间，同时又可以保证资源的合理利用，如图4所示。根据重选路由的类型，又可以分为基于通道的通道保护恢复和基于链路的复用段保护恢复。根据保护资源是否可以有多个工作通道共享，又分为专用保护恢复和共享保护恢复方式。一般来说，预选路由的专用保护方法具有保护速度快的优点，但因为其保护通道专用，导致资源利用率相对比较低。采用共享保护方式能够提高网络的性能，降低网络阻塞率，提高资源利用率。

从整体上来说，网状网在生存性上与环形网络相比，有如下优点；

提供更多的保护恢复方式（1+1，1:1，动态恢复等），可以满足不同业务等级的需要；

更适用于共享保护恢复方式，所需的备用资源比较少，网络资源利用率高；

节点间路径的增多，使得网络具有较强的抗多点失效能力，网络生存性更高。

3．网络扩展性

在环形网络中，当需要加入一个新节点到网络中时，必须断开环上业务，对全网业务造成影响。而在网状网中，新节点的加入只对新节点所连接的节点有影响，不需要中断网络上的现有业务，可以很方便的进行网络扩展。

从上述的例子可以看出，当网络上容量不足需要扩容时，环形网络需要对整个环进行扩容，而在网状网中，只需要对相应的跨段链路进行扩容就可以了，大大节约了网络的扩容成本。

此外，网状网可以分区域、分步骤的采用新技术，逐步向新一代的网络演进，而环形网必须以整个环为单位，限制了网络的升级。

4．网络配置和节点复杂程度

环形网网络结构单一，主要有通道倒换环和复用段倒换环两种方式，在链路中对工作通道有足够的保护资源预留，网络规划和故障后的倒换机制都比较简单，而且对节点的交叉能力要求比较低。

在网状网中，网络结构复杂多样，不具有统一性，网络规划、工作路径和保护路径的选择等都需要复杂的算法，特别在WDM光网络中，还涉及到波长转换和分配的问题。另外，在网络中还需要一整套复杂的信令机制以实现网络中大量的控制功能，这对节点的智能性也提出了要求。而且，在网状网中，一个节点可能同时与其他多个节点相连接，对节点的交叉能力要求也比环形网中要高。

三、总结

从网络成本和资源利用情况、网络生存性、扩展升级来看，网状网具有比环形网络不可比拟的优势。这主要是由于环形网络是以环为单位，整个环作为一个不可分割的整体，任何两个节点之间的业务（工作业务和保护业务）都会跨越整个环，环上任何一段链路都会对网络上的业务造成影响。而在网状网中，打破了这种捆绑，虽然在工作路径和保护路径之间仍有联系，也可能还采用类似环形网络中的保护恢复方式，但由于网络中控制机制的根本不同，这些联系不像环形网络中是捆绑在一起不可改变的，而可以根据需要进行灵活的变更，当然这需要丰富的底层物理资源作保证。

另一方面，网状网的这些优势是通过复杂的网络规划算法、路径选择算法、信令控制机制和节点的智能性、大交叉能力来取得的。令人欣喜的是，硬件技术的发展和以GMPLS信令为基础的控制平面技术的发展，已经为此提供了可靠的保证。

因此，在拥有功能完善的控制平面的智能光网络中，可以采用网状网技术进行组网而不必担心网络配置的复杂多样，也只有采用网状网技术进行组网，才能在网络中提供更多的资源，实现网络控制平面灵活快速提供多样性业务的目的。

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