一种基于SDH的冗余通信系统及其冗余保护方法与流程

本发明涉及SDH(Synchronous Digital Hierarchy同步数字体系)通信传输技术，具体为一种基于SDH的冗余通信系统及其冗余保护方法。

背景技术：

随着科学和技术的发展，现代社会对通信的依赖性越来越大。如何实现无需人为干预、网络能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，亦即通信网络的生存性已成为至关紧要的设计考虑。通常将业务恢复时间和业务恢复的范围作为度量通信网络生存性的两个重要尺度。

目前常用的SDH保护方式有两种：

1)线路保护倒换，其工作方式是当通信网络的工作通道传输中断或性能劣化到一定程度后，系统倒换设备将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端仍能接收到正常的信号而感觉不到网络已出了故障。该保护方式的业务恢复时间很快，可短于50ms，它对于网络节点的光或电的元器件失效故障十分有效。但是当光缆发生故障时，往往是同一缆芯内的所有光纤(包括主用和备用)都被切断，那么该保护方式就无能为力了。

2)环形网保护

将通信网络节点连成一个环形可以进一步改善通信网络的生存性和成本。自愈环结构划分为通道倒换和复用段倒换。对于通道倒换，业务量的保护是以通道为基础的，通常利用通道的AIS(AlarmIndicationSignal告警指示信号)信号来决定是否倒换；对于复用段倒换，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点的复用段信号质量的优劣而定，常用的有1+1、1:N两种保护方式。

以太网业务是通信系统中最主要的业务之一，为保证数据可靠传输，主要采用多设备冗余自动路由的方式实现。系统在运行过程中，当检测到现有路径不可达时，通过动态路由协议重新计算并建立新的路由。新路由建立的时间在600ms～2000ms之间，建立时间不可控，且数据传输的路径是自动选择，也不可控。在可靠性要求较高的通信系统中，这些不确定性是不允许的。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种基于SDH的冗余通信系统，前后端系统均包括控制系统和SDH系统，前后端的SDH系统各为主备2台SDH设备，本端的主SDH和备SDH，异端的2台主SDH、2台备SDH经光纤连接，构成SDH冗余通信网络。前端控制系统包括控制计算机、视频传输设备和话音传输设备中的一种或多种，分别通过以太网或E1同轴电缆与本端SDH设备连接。后端控制系统包括管理计算机、视频监控设备和话音交换设备中的一种或多种，管理计算机和后端交换系统经以太网连接，后端交换系统经以太网连接后端SDH系统，视频监控设备和话音交换设备分别通过以太网或E1同轴电缆与本端SDH设备连接。

本发明的另一目的是设计上述基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法，选择SDH冗余通信网络中优先级高的传输路径作为当前传输路径，SDH主设备和主链路的优先级高于备用设备和备用链路。发生故障时选取可用传输路径中优先级最高的路径，四台SDH同时切换，数据传输的恢复时间在800ms之内。

本发明设计的一种基于SDH的冗余通信系统包括前端系统和后端系统，前端系统包括前端控制系统和前端SDH系统，前端控制系统包括控制计算机、视频传输设备和话音传输设备中的一种或多种，控制计算机和视频传输设备分别通过以太网与SDH设备不同的以太网接口连接，话音传输设备通过E1同轴电缆与SDH设备的E1同轴电缆接口连接。

后端系统包括后端交换系统、后端控制系统和后端SDH系统，后端控制系统包括管理计算机、视频监控设备和话音交换设备中的一种或多种，管理计算机和后端交换系统经以太网连接，后端交换系统经以太网连接后端SDH系统，视频监控设备通过以太网与SDH设备不同的以太网接口连接，话音交换设备通过E1同轴电缆与SDH设备的E1同轴电缆接口连接。

本系统前端SDH系统包括光纤连接的两台SDH设备，其中SDH A设备为主设备，SDH B设备为冗余备用设备，后端SDH系统也包括两台光纤连接的SDH设备，其中SDH D设备为主设备，SDH C设备为冗余备用设备，SDH A设备和SDH D设备通过小于或等于40Km的光纤互连，为前、后端系统的主链路，SDH B设备和SDH C设备也通过小于或等于40Km的光纤互连，为前、后端系统的冗余备用链路。前、后端的4台SDH设备构成本系统的SDH冗余通信网络。

所述SDH设备包括FPGA(现场可编程门阵列)模块和CPU(中心处理单元)控制模块，E1接口芯片配有连接8路E1同轴电缆接口，以太网物理层芯片连接8+1路以太网接口，E1映射模块连接E1接口芯片、以太网映射模块连接以太网物理层芯片，SDH开销处理模块也连接连接2路2XSTM-16光纤接口，E1映射模块、以太网映射模块和SDH开销处理模块都连接至交叉连接单元，交叉连接单元统一进行交叉连接处理。FPGA模块连接以太网物理层芯片，CPU控制模块经交换模块连接以太网物理层芯片。

所述前端SDH设备中增加MAC(Medium Access Control介子访问控制)地址学习模块，与以太网物理层芯片连接。

所述前端的控制计算机为双网卡，一主一备，均经2条以太网线分别连接SDH A和SDH B设备。

所述后端的管理计算机为双网卡，一主一备；所述后端交换系统包括第一交换机和第二交换机，第一交换机为主设备，第二交换机为冗余备用设备，第一交换机和第二交换机经以太网相互连接，第一交换机经以太网连接SDH D设备，第二交换机经以太网连接SDH C设备，为冗余备用通道。后端的管理计算机的两个网卡均经2条以太网线分别连接第一交换机和第二交换机。

所述后端的管理计算机发送的IP数据经后端交换系统和以太网，通过SDH冗余通信网络送至前端的控制计算机。

所述后端的话音交换设备和前端的话音传输设备分别连接本端的热线直通电话线、普通电话线、中继线和磁石电话中的一种或多种。后端的话音交换设备将所接各电话线发送的话音信号经E1同轴电缆通过SDH冗余通信网络送至前端的话音传输设备所接的各电话线上。

所述前端的视频传输设备连接摄像头和视频播放设备，后端的视频监控设备连接显示器和监控器，前端的视频传输设备将所连接的视频设备发送的视频信号经以太网，通过SDH冗余通信网络送至后端的视频监控设备，在其所接显示器和监控器上显示。

为确保系统中各接口状态信息快速准确传递至整个SDH冗余通信网络，每台SDH设备与其它SDH设备各通过两路光纤接口经两组光纤连接。

前、后端系统之间通过SDH冗余通信网络相互进行IP数据传输，前端系统通过SDH冗余通信网络接受后端系统发送的音视频信息。

为了实现话音数据的保护，本系统所述后端的话音交换设备和前端的话音传输设备各经2路E1同轴电缆与SDH冗余通信网络连接。

本发明设计的一种基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法，选择传输路径的原则是选择SDH冗余通信网络中优先级高的传输路径，SDH冗余通信网络中的主设备和主链路的优先级高于备用设备和备用链路，SDH A和SDH D为主设备，SDH B和SDH C为备用设备，SDH A和SDH D之间的光纤链路为主链路，以前端控制系统为P1节点，后端控制系统和后端交换系统为P2节点，SDH A和P1节点，SDH D和P2节点之间的传输路径也为主链路，用A、B、C、D分别表示SDH A、SDH B、SDH C、SDH D，本方法中传输路径默认优先级排序为：

P1→A→D→P2＞P1→A→B→C→D→P2＞P1→A→D→C→P2

＞P1→A→B→C→P2＞P1→B→A→D→P2＞P1→B→C→D→P2

＞P1→B→A→D→C→P2＞P1→B→C→P2，

P1节点和P2节点经SDH冗余通信网络连接的传输路径默认为P1→A→D→P2。

若系统当前传输顺畅，或者发生故障但不影响当前数据传输，不进行切换；若发生故障影响当前数据传输，4台SDH设备立即同时切换到系统故障发生后该数据可用传输路径中优先级最高的路径；而当故障消除后若出现优先级高于当前传输路径的可用传输路径时，采取切换方式，在故障恢复后延时1～3秒时间，4台SDH设备同时切换到可用传输路径中优先级最高的路径；若故障消除后出现的可用传输路径优先级低于当前传输路径则不进行切换。

所述SDH设备的E1接口芯片获得各E1接口状态，以太网物理层芯片的链路快速检测各接口状态并直接指示，SDH开销处理芯片采用自定义的开销字节，经状态转移检测光纤接口状态。通过对各端口的检测，也可判断各端口所连接的传输路径是否正常。CPU控制模块完成交叉连接单元的业务配置，冗余保护时的交叉连接单元的切换配置以及冗余传输路径的选择，监控各模块和芯片的状态，并连接用于维护管理的监控接口。FPGA模块执行状态传递保护协议，从各光纤接口接收其他SDH设备的状态信息，判断当前的系统运行状态，实时检测并上报CPU控制模块；同时，FPGA模块将本地SDH设备运行状态向所有光纤接口发送，让其余设备获得本设备状态，以判断系统运行状态，实行线路冗余保护。

为实现系统中各接口状态信息快速传递至整个SDH冗余通信网络，并确保状态信息的实时和准确，每台SDH设备同时通过两路光纤接口经两组光纤传输本设备的各接口状态信息并转发收到的其它SDH设备相关信息，且传输的各接口状态信息都配备专用的校验字节，实现1ms内SDH冗余通信网络中所有SDH设备均能获取整个SDH冗余通信网络中各接口状态信息。

所述前端SDH设备中增加的MAC地址学习模块实时截取后端系统发往前端系统的IP包，并从该IP包分解出包括源地址和目标地址的以太网MAC地址和IP地址数据段，同时建立以太网MAC地址的存储区，周期性的向后端交换系统发送地址学习包，后端交换系统收到地址学习包就能立即得到正确的传输路径，而无需地址老化时间和地址学习，解决了交换机学习时间过长的缺陷。MAC地址学习模块向后端交换系统发送地址学习包的周期为12～18ms。

为了实现话音数据的保护，本系统所述后端的话音交换设备和前端的话音传输设备各经2路E1同轴电缆与SDH冗余通信网络连接，本方法采用“双发优收”的保护协议，后端的话音交换设备的话音信号热备份经两路E1同轴电缆进入SDH冗余通信网络的不同E1接口，通过SDH冗余通信网络中不同的传输路径，再经两路E1同轴电缆将话音数据传输到前端的话音传输设备。为了在接收端能检测传输路径的状态、择优接收，发送端在承载话音的E1中加入了用于CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)校验和验证线路的开销内容。接收端同时对两路E1线路和数据进行检测，通过检测所接收的开销内容判断线路是否正常，通过CRC校验检测数据是否正常。当两路E1的线路和数据均正常时，默认从第1路接收数据，当其中一路E1存在线路或数据故障时，选择从正确的线路上接收数据。

与现有技术相比，本发明一种基于SDH的冗余通信系统及其冗余保护方法的有益效果是：1、4台SDH设备构成的SDH冗余通信网络，SDH设备自动检测各端口状态，并发送到网络内的其它设备中。当网络链路或接口出现故障时，可在800ms内完成线路切换并恢复数据传输；2、4台SDH设备同时切换，减少业务的中断时间，2个节点之间只要存在一条传输路径，就能恢复正常数据传输；3、各传输路径按主设备主链路优先级高进行排序，当传输线路出现故障时，无需从新计算路由，切换速度快，20ms内即完成网络的恢复；4、SDH设备中增加的MAC地址学习模块实时截取后端系统发往前端系统的IP包，分解得到以太网MAC地址和IP地址，周期性的向后端交换系统发送地址学习包，其得到地址的时间少于3S，避免数据丢失的时间过长；5、当发生SDH设备断电、光纤或接口故障，当前传输路径切换、以太网业务恢复的时间为50ms～800ms；当某台SDH设备断电或光纤故障时，其它SDH设备端口状态的快速检测和快速传递，SDH冗余通信网络立即切换新的传输路径，该故障下以太网业务恢复时间在100ms内；当前端系统的以太网链路故障时，因前端控制计算机有双网卡双以太网线，通过SDH设备端口状态快速检测和快速传递，SDH冗余通信网络立即切换到前端系统的其它可用的以太网链路，该故障下以太网业务恢复时间在300ms内；当后端系统以太网链路故障时，因前端控制计算机有双网卡双以太网线并有主备两台交换机，通过SDH设备端口状态快速检测、快速传递及MAC快速地址学习，SDH冗余通信网络立即切换到后端系统的其它可用的以太网链路，该故障下的以太网业务恢复时间在800ms内；6、采用了“双发优收”的保护协议保护话音数据传输业务，相同话音信号热备份通过两路E1经不同的传输路径传输，即使有一路出现故障，也能从另一正确的线路上接收数据。

附图说明

图1为基于SDH的冗余通信系统实施例整体结构示意图；

图2为基于SDH的冗余通信系统实施例SDH设备结构示意图；

图3为基于SDH的冗余通信系统实施例IP数据传输路径结构示意图；

图4为基于SDH的冗余通信系统实施例话音信号传输路径结构示意图；

图5为基于SDH的冗余通信系统实施例视频信号传输路径结构示意图；

图6为基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法实施例故障例1的传输路径切换示意图；

图7为基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法实施例故障例2的传输路径切换示意图；

图8为基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法实施例故障例3的传输路径切换示意图。

具体实施方式

基于SDH的冗余通信系统实施例

本基于SDH的冗余通信系统实施例如图1所示，包括前端系统和后端系统，前端系统包括前端控制系统和前端SDH系统，前端控制系统包括控制计算机、视频传输设备和话音传输设备中的一种或多种，控制计算机和视频传输设备分别通过以太网与SDH设备不同的以太网接口连接，话音传输设备通过E1同轴电缆与SDH设备的E1同轴电缆接口连接。

后端系统包括后端交换系统、后端控制系统和后端SDH系统，后端控制系统包括管理计算机、视频监控设备和话音交换设备中的一种或多种，管理计算机和后端交换系统经以太网连接，后端交换系统经以太网连接后端SDH系统，视频监控设备通过以太网与SDH设备不同的以太网接口连接，话音交换设备通过E1同轴电缆与SDH设备的E1同轴电缆接口连接。

本例前端SDH系统包括光纤连接的两台SDH设备，其中SDH A设备为主设备，SDH B设备为冗余备用设备，SDH A设备和SDH B设备通过其第二路光纤接口经光纤互连；后端SDH系统也包括两台光纤连接的SDH设备，其中SDH D设备为主设备，SDH C设备为冗余备用设备，SDH D设备和SDHC设备通过其第二路光纤接口经光纤互连；SDH A设备和SDH D设备通过其第一路光纤接口经小于或等于40Km的光纤互连，为前、后端系统的主链路，SDH B设备和SDH C设备也通过其第一路光纤接口经小于或等于40Km的光纤互连，为前、后端系统的冗余备用链路。前、后端的4台SDH设备构成本系统的SDH冗余通信网络。本例每台SDH设备与其它SDH设备各通过两路光纤接口经两组光纤连接。

本例SDH设备如图2所示包括FPGA模块和CPU控制模块，E1接口芯片配有连接8路E1同轴电缆接口，以太网物理层芯片连接8+1路以太网接口，E1映射模块连接E1接口芯片，以太网映射模块连接以太网物理层芯片，SDH开销处理模块连接2路2XSTM-16光纤接口，E1映射模块、以太网映射模块和SDH开销处理模块都连接交叉连接单元，交叉连接单元统一进行交叉连接处理。FPGA模块连接以太网物理层芯片，CPU控制模块经交换模块连接以太网物理层芯片。

本前端SDH设备中还增加MAC地址学习模块，与以太网物理层芯片连接。

本例前端的控制计算机为双网卡，一主一备，均经2条以太网线分别连接SDH A和SDH B设备。

本例后端的管理计算机为双网卡，一主一备；所述后端交换系统包括第一交换机和第二交换机，第一交换机为主设备，第二交换机为冗余备用设备，第一交换机和第二交换机经以太网相互连接，第一交换机经以太网连接SDH D设备，第二交换机经以太网连接SDH C设备，为冗余备用通道。后端的管理计算机的两个网卡均经2条以太网线分别连接第一交换机和第二交换机。

如图3所示，以前端控制系统为P1节点，后端控制系统和后端交换系统为P2节点，本例后端的管理计算机发送的IP数据经后端交换系统和以太网，通过SDH冗余通信网络的SDH A和SDH D送至前端的控制计算机。

如图4所示，本例后端的话音交换设备和前端的话音传输设备分别连接本端的热线直通电话线、普通电话线、中继线和磁石电话中的一种或多种。后端的话音交换设备将所接各电话线发送的话音信号经E1同轴电缆通过SDH冗余通信网络送至前端的话音传输设备所接的各电话线上。本例后端的话音交换设备和前端的话音传输设备各经2路E1同轴电缆与SDH冗余通信网络连接。

如图5所示，本例前端的视频传输设备连接摄像头和视频播放设备，后端的视频监控设备连接显示器和监控器，前端的视频传输设备将所连接的视频设备发送的视频信号经以太网，通过SDH冗余通信网络送至后端的视频监控设备，在其所接显示器和监控器上显示。

前、后端系统之间通过SDH冗余通信网络相互进行IP数据传输，后端系统通过SDH冗余通信网络接受前端系统发送的音视频信息。

基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法实施例

本基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法实施例，选择传输路径的原则是选择SDH冗余通信网络中优先级高的传输路径，SDH冗余通信网络中的主设备和主链路的优先级高于备用设备和备用链路，SDH A和SDH D为主设备，SDH B和SDH C为备用设备，SDH A和SDH D之间的光纤链路为主链路，以前端控制系统为P1节点，后端控制系统和后端交换系统为P2节点，SDH A和P1节点，SDH D和P2节点之间的传输路径也为主链路，用A、B、C、D分别表示SDH A、SDH B、SDH C、SDH D，本方法中传输路径默认优先级排序为：

P1→A→D→P2＞P1→A→B→C→D→P2＞P1→A→D→C→P2

＞P1→A→B→C→P2＞P1→B→A→D→P2＞P1→B→C→D→P2

＞P1→B→A→D→C→P2＞P1→B→C→P2，

P1节点和P2节点经SDH冗余通信网络连接的传输路径默认为P1→A→D→P2，如图3中的粗实线所示。

若系统当前传输顺畅，或者发生故障但不影响当前数据传输，不进行切换；若发生故障影响当前数据传输，4台SDH设备立即同时切换到系统故障发生后该数据可用传输路径中优先级最高的路径；而当故障消除后若出现优先级高于当前传输路径的可用传输路径时，采取切换方式，在故障恢复后延时2秒，4台SDH设备同时切换到可用传输路径中优先级最高的路径；若故障消除后出现的可用传输路径优先级低于当前传输路径则不进行切换。

所述SDH设备的E1接口芯片获得各E1接口状态，以太网物理层芯片的链路快速检测各接口状态并直接指示，SDH开销处理芯片采用自定义的开销字节，经状态转移检测光纤接口状态。通过对各端口的检测，也可判断各端口所连接的传输路径是否正常。CPU控制模块完成交叉连接单元的业务配置，冗余保护时的交叉连接单元的切换配置以及冗余传输路径的选择，监控各模块和芯片的状态，并连接用于维护管理的监控接口。FPGA模块执行状态传递保护协议，从各光纤接口接收其他SDH设备的状态信息，判断当前的系统运行状态，实时检测并上报CPU控制模块；同时，FPGA模块将本地SDH设备运行状态向所有光纤接口发送，让其余设备获得本设备状态，以判断系统运行状态，实行线路冗余保护。

本例每台SDH设备同时通过两路光纤接口经两组光纤传输本设备的各接口状态信息并转发收到的其它SDH设备相关信息，且传输的各接口状态信息都配备专用的校验字节，实现1ms内SDH冗余通信网络中所有SDH设备均能获取整个SDH冗余通信网络中各接口状态信息。

本例前端SDH设备中增加的MAC地址学习模块实时截取后端系统发往前端系统的IP包，并从该IP包分解出包括源地址和目标地址的以太网MAC地址和IP地址数据段，同时建立以太网MAC地址的存储区，周期性的向后端交换系统发送地址学习包，后端交换系统收到地址学习包就能立即得到正确的传输路径，而无需地址老化时间和地址学习，解决了交换机学习时间过长的缺陷。MAC地址学习模块向后端交换系统发送地址学习包的周期为12～18ms。

本例方法采用“双发优收”的保护协议，后端的话音交换设备的话音信号热备份经两路E1同轴电缆进入SDH冗余通信网络的不同E1接口，通过SDH冗余通信网络中不同的传输路径，再经两路E1同轴电缆将话音数据传输到前端的话音传输设备。为了在接收端能检测传输路径的状态、择优接收，发送端在承载话音的E1中加入了用于CRC校验和验证线路的开销内容。接收端同时对两路E1线路和数据进行检测，通过检测所接收的开销内容判断线路是否正常，通过CRC校验检测数据是否正常。当两路E1的线路和数据均正常时，默认从第1路接收数据，当其中一路E1存在线路或数据故障时，选择从正确的线路上接收数据。

以下为本基于SDH的冗余通信系统的冗余保护方法实施例在几种故障发生时线路的切换情况。

故障例1

如图6所示，原传输路径为P1→A→D→P2，设备SDH A与SDH D间光纤故障，SDH A与SDH D均从光纤接口检测到二者间的光纤故障，二者的FPGA模块将此故障发送本设备的CPU模块，同时发送给其它三台SDH设备，4台SDH设备的CPU模块判断此时可用的传输路径有P1→A→B→C→D→P2，P1→A→B→C→P2，P1→B→C→D→P2，P1→B→C→P2，选择优先级最高的P1→A→B→C→D→P2，如图6中的粗线所示，四台SDH设备同时切换：SDH A的以太网业务从与SDH D连接的光纤端口传输切换到与SDH B连接的光纤端口传输，SDH D的以太网业务从与SDH A连接的光纤端口传输切换到与SDH C连接的光纤端口传输，SDH B和SDH C的建立以太网业务透传通道，实验测试该故障下的冗余保护的业务恢复时间在20ms内。

故障例2

如图7所示，原传输路径为P1→A→D→P2，设备SDH A与P1间以太网链路故障，SDH A从以太网接口检测到二者间的以太网链路故障，其FPGA模块将此故障发送本设备的CPU模块，同时发送给其它三台SDH设备，4台SDH设备的CPU模块判断此时可用的传输路径有P1→B→A→D→P2，P1→B→C→D→P2，P1→B→A→D→C→P2，P1→B→C→P2，选择优先级最高的P1→B→A→D→P2，如图7中的粗线所示，四台SDH设备同时切换，实验测试该故障下的冗余保护的业务恢复时间在800ms内。

故障例3：

如图8所示，原传输路径为P1→A→D→P2，设备SDH D断电，SDH A和SDH C从光纤接口检测到SDH D故障，SDH A和SDH C的FPGA模块将此故障发送本设备的CPU模块，同时发送给其它三台SDH设备，4台SDH设备的CPU模块判断此时可用的传输路径有P1→A→B→C→P2和P1→B→C→P2，选择优先级高的P1→A→B→C→P2，如图8中的粗线所示，四台SDH设备同时切换，实验测试该故障下的冗余保护的业务恢复时间在50ms内。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。