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      分組傳送網技術(PTN)問題分析
      [ 通信界 / 佚名 / www.sdgj0817.com / 2012/10/20 16:58:36 ]
       

      分組傳送網目前還沒有一個標準的定義。從廣義的角度講,只要是基于分組交換技術,并能夠滿足傳送網對于運行維護管理(OAM)、保護和網管等方面的要求,就可以稱為PTN。具體的分組交換技術可以是多協議標記交換(MPLS)、傳送多協議標記交換(T-MPLS/MPLS-TP)、以太網、運營商骨干橋接-流量工程(PBB-TE)、彈性分組環(RPR)等。前兩年通信業界一般理解的PTN技術主要包括T-MPLS和PBB-TE。近期由于支持PBB-TE的廠商和運營商越來越少,中國已經基本上將PTN和T-MPLS/MPLS-TP劃上了等號。本文中提到的PTN均指基于T- MPLS/MPLS-TP的PTN設備。

      從T-MPLS到MPLS-TP,國際電信聯盟電信標準部門(ITU-T)和因特網工程任務組(IETF)經過了多年的競爭和協商達成了共識,體現了傳送領域和數據領域之間從競爭到融合的發展歷程?梢哉fMPLS-TP是傳送領域和數據領域的利益競爭和平衡協調的產物。目前,IETF已獲得了 MPLS-TP標準開發的主導權,ITU-T SG15在MPLS-TP標準中的開發話語權已逐漸被IETF剝奪,轉為以企業和個人專家方式參與[1-6]。

      本文將對PTN/MPLS-TP技術和標準發展過程中的幾個關鍵問題進行探討,內容包括端到端的服務質量(QoS)實現機制、網絡分層結構、三層(L3)功能的引入和數據平面環回功能等,并基于PTN網絡建設維護和開展業務的需求提出了個人觀點。

      1 PTN網絡中的QoS技術

      QoS是指網絡通信過程中,允許用戶業務在丟包率、延遲、抖動和帶寬等方面獲得可預期的服務水平。 PTN設備的QoS功能包括流分類、標記、速率限制、帶寬保證、流量整形、調度策略等。PTN網絡中業務的QoS主要由基于MPLS的流量工程(TE)和區分服務(DiffServ)兩種機制來實現,目標是實現面向業務的端到端的QoS保障能力[7-11]。

      1.1流量工程

      IETF對MPLS-TP的定義要求必須支持流量工程(TE)且TE可以實現對網絡資源的可控性。 TE的目標是有效而可靠地運行網絡,同時優化網絡資源的使用。約束路由(CBR)則是TE中最重要的組成部分。IP/MPLS網絡中的流量工程一般是通過 MPLS的TE擴展即多協議標記交換-流量工程(MPLS-TE)來實現的。

      TE在PTN網絡中的作用主要體現在2個方面:

      (1)業務路由可控——進入PTN的業務通過偽線(PW)封裝后再復用到標記交換路徑(LSP)。LSP的建立可以通過網管或控制平面實現,兩種建立方式的LSP路由都是可控的。

      (2)業務帶寬可控——目前PTN承載的業務主要包括E1仿真和以太網業務。E1仿真業務的帶寬一般是固定可控的,并且要求高優先級,不允許丟包,時延低。以太網業務可以分為2大類:恒定速率業務和可變速率業務。恒定速率業務的要求和可控性與E1仿真業務基本相同?勺兯俾蕵I務則是通過承諾速率 (CIR)和額外速率(EIR)來實現對業務帶寬的控制,即運營商只對用戶保障小于等于CIR的帶寬,在網絡擁塞時可以對EIR部分的流量進行丟棄處理,從而實現網絡帶寬資源的可控性。

      具體來說,運營商通過配置PW(即業務)和LSP的CIR,并滿足連接允許控制的條件:一條LSP中的所有PW的CIR之和必須小于等于該 LSP的CIR,一條鏈路中的所有LSP的CIR之和必須小于等于該鏈路的CIR,運營商就可以在網絡正常運行的情況下,滿足所有業務的CIR帶寬需求。由于存在可變速率業務的突發業務(即EIR部分),因此即使使用了TE,網絡中仍然可能會發生擁塞,此時如何保障所有業務都能得到其CIR帶寬就需要使用區分服務。

      1.2 區分服務

      區分服務起源于集成服務(IntServ)。區分服務的目的是在因特網上為流量提供有區別的業務級別。與集成服務相比,區分服務定義的是一個相對簡單而粒度粗一些的控制系統。另外,區分服務針對的是流聚合后的每一類QoS控制,而不是像集成服務那樣針對每個流。因此,區分服務具有可擴展性,能夠在大型網絡上提供QoS服務。

      區分服務在其域的邊緣對進入的IP流進行分類,并為每一類型指定一個類型標志區分服務代碼點(DSCP)。域內的核心路由器查看DSCP值,并根據每一類的特定逐跳行為(PHB)調度包的轉發。IETF目前定義了兩種PHB:加速轉發(EF)和保證轉發(AF)。

      (1)加速轉發

      EF PHB的流量不受其他PHB流量的影響,確保包以最快速率得到轉發。與傳統的租用線類似,EF PHB能夠提供低丟包率、低延遲、低抖動和有保證的帶寬服務。使用EF的業務帶寬參數只有CIR,EIR總等于0,超過CIR的流量將被丟棄。EF可用于 E1仿真業務或恒定速率的以太網業務。EF必須遵循RFC3246的規定。

      (2)保證轉發

      AF為數據包提供4個級別的轉發特征,每個級別有3種丟棄優先級。PTN設備通過配置各級別的轉發資源(如緩沖區和帶寬)和丟棄優先級來決定業務的級別。當業務不發生擁塞時,AF的各級別業務性能值相同;當業務發生擁塞時,所有AF級別的業務都會發生丟包,丟包的多少和業務級別相關。AF必須遵循RFC2597的規定。

      1.3 MPLS支持的區分服務

      由于PTN是基于MPLS-TP實現的,因此PTN設備中的區分服務需要采用RFC3270定義的基于MPLS的區分服務機制來實現。

      IP包經過MPLS封裝后,核心路由器將看不到DSCP。為此,IETF提出了一種MPLS支持區分服務的方法。MPLS支持的區分服務能夠把區分服務的多個行為集合(BA)映射到MPLS的一條LSP上,根據BA的PHB來轉發LSP上的流量。LSP與BA的映射有兩種方式:實驗推斷的 LSP(E-LSP)和標記編碼推斷的LSP(L-LSP)。

      (1)E-LSP

      E-LSP用MPLS標簽的實驗(EXP)字段把多個BA指派到一條LSP上,使用MPLS標簽的EXP字段表示一個包的PHB。最多可以把8個BA映射到EXP字段中,即一條E-LSP最多可以支持8個業務等級。

      (2)L-LSP

      L-LSP把一條LSP指派給一個BA,并采用EXP表示包丟棄優先級。一條L-LSP只能支持一個業務等級。由于MPLS網絡設備會在每一跳中都交換標簽值,而管理標簽與PHB的映射比較困難。E-LSP要比L-LSP更容易控制,因為E-LSP事先就可以確定整個網絡中每個包的EXP字段和PHB之間的映射關系。目前PTN設備采用的主要是E-LSP。

      1.4 PTN端到端QoS的實現

      通過上述流量工程和MPLS支持區分服務的機制,就可以實現PTN所倡導的面向業務的端到端的 QoS保障能力。首先通過MPLS流量工程實現對業務路由和帶寬的控制,以避免負載不均衡出現的擁塞問題;其次,當突發業務或網絡保護引起網絡擁塞時再通過MPLS支持的區分服務機制實現對業務承諾帶寬(CIR)的保障。

      對于E-LSP,表1給出了一種業務等級的分類方法示例。其中的峰值速率(PIR),等于CIR加EIR。在這種實現方法中數據幀的PW和LSP的EXP值相同。

      對于E1仿真業務和恒定速率的以太網業務(如語音和視頻),均采用EF PHB,并設置CIR等于PIR。對于突發型業務(如虛擬專用網和以太網專線)采用AF PHB。為了保障突發業務的CIR帶寬,需要在網絡入口依據帶寬參數對業務流進行計量、整形和標記,并應支持RFC2698定義的雙速率三色標記法。同時基于映射關系設置數據幀的EXP值,以便LSP經過的后續節點根據該值選擇合適的PHB。

       對于普通數據業務,設置CIR等于0,并設置最高速率PIR,采用缺省的轉發行為(DF)。

      當網絡中發生擁塞時,對于采用EF PHB和AF PHB的流量部分的業務帶寬將始終得到保障。對于普通數據業務可以首先進行丟棄,或是與AF PHB的流量部分進行加權處理,以便即使在擁塞時普通數據業務也能得到一定的帶寬。

      2 PTN網絡分層結構

      IETF RFC5654將MPLS-TP分為傳送業務層、傳送通道層和段層。其中傳送業務層可以是PW或業務LSP,類似于同步數字體系(SDH)網絡中的VC- 12。PW用于提供時分復用(TDM)、以太網和異步傳輸模式(ATM)等仿真業務;業務LSP用于提供IP和MPLS等網絡層業務。傳送通道層是指 LSP層,類似于SDH網絡中的VC-4。段層用于在兩個相鄰MPLS-TP節點之間匯聚傳送業務層或傳送通道層的信息。段層可以是采用MPLS-TP技術實現,也可以采用其他技術來實現,如采用同步數字體系/以太網/光傳送網(SDH/ETH/OTN)。PTN通過采用多層網絡的架構,可以實現與同步數字體系/光傳送網類似的可擴展性。

      除了MPLS-TP關注的3層網絡之外,PTN設備還需要支持業務層和段層技術的相關功能。如以太網業務層的OAM(屬于IEEE802.1ag和Y.1731)、以太網鏈路層OAM(屬于IEEE 802.3ah)、SDH業務和鏈路的開銷處理和保護功能等。

      目前的PTN設備是通過PW支持各種仿真業務,還不支持通過業務LSP支持IP/MPLS業務。對于IP/MPLS業務,采用以太網PW仿真實現,優點是業務的透明性好,缺點是傳送效率較低(需要傳送以太網幀頭),對于較短的數據包尤其明顯。如果采用TDM PW仿真實現,將對網絡性能提出較高要求,并可能增加設備的成本。如果采用業務LSP實現,則可以避免上述問題,但是業務透明性較差,可能需要處理部分 L3協議。具體方式的選擇需要綜合考慮業務的透明性、傳送效率和成本等因素。

      目前的PTN設備只支持單段偽線(SS-PW),即PW和LSP的源宿點重合。SS-PW無法實現多個LSP所承載的PW的匯聚,從而對PTN 設備的LSP容量提出了很高的要求。另外只能采用端到端的LSP保護,無法應對多點故障。而通過引入多段偽線(MS-PW),則可以克服SS-PW存在的上述問題,提高PTN網絡的可擴展性。IETF已經將MS-PW列為MPLS-TP的可選項。

      3 PTN對L3功能和業務的支持

      目前的PTN主要定位于提供二層(L2)的業務,包括E1/ATM仿真業務、E-Line/E- LAN/E-Tree以太網業務等。PTN的主要應用場景是移動網絡的回傳,包括目前的3G網絡,以及未來的長期演進(LTE)。PTN可以很好地滿足現有3G網絡回傳的承載需求,但是否能夠滿足LTE的需求人們還心存疑慮。

      由于LTE階段出現了基站之間的互聯需求(X2接口),以及基站到服務網關(SGW)的多歸屬需求,因此與3G對承載網的需求將有所不同。針對上述需求,目前有兩種主要的解決方案。一種是建議采用端到端的路由器組網方案;一種是采用L3+L2的組網方案,即核心層采用L3技術組網,接入匯聚層采用L2技術組網。由于端到端的路由器方案在網絡擴展性、可管理性和可控性方面存在問題,因此L3+L2的組網方案得到更多的認可和支持。該方案中的核心層可以采用路由器組網,也可以通過在PTN中引入L3功能來實現。下面主要對后一種方式進行討論。

      L3功能主要包括IP路由和轉發功能,以及L3 MPLS VPN和L3組播功能。由于IP流量和組播存在流量帶寬和路由的不確定性,因此很難提供嚴格的QoS保障能力。如果在PTN中引入這兩種業務,為了避免對原有L2業務的影響,只能將這兩種業務設置為最低等級的業務。而L3 MPLS虛擬專用網(VPN)由于是基于MPLS實現,因此可以采用前面提到的基于MPLS的流量工程和區分服務機制來保障業務的服務質量。同時還可以在 MPLS VPN中支持L3組播,同樣可以保證服務質量。

      綜上所述,對于需要提供有質量保證的L3業務,建議在PTN中以L3 MPLS VPN的方式提供。而對服務質量沒有要求的L3業務,可以直接采用IP路由和轉發功能來實現。

      4 數據平面環回功能

      現有的PTN設備只支持OAM的環回功能(LB)。通過OAM LB可以驗證源、宿維護端點間的雙向連通性,以檢測節點間及節點內部故障,但是并不能對故障進行準確的定位。如圖1所示,如果PE2-PE3之間的鏈路發生故障,通過OAM LB并不能確定是PE3出現故障還是PE2-PE3之間的鏈路發生故障。而如果支持類似SDH設備的數據平面環回,即業務環回,則可以通過對不同的點進行環回,實現對故障的準確定位。

      與SDH類似,目前提出的PTN的數據平面環回包括遠端環回(入口環回)、近端環回(出口環回)和光纖環回(客戶環回)3種方式。除了進行故障定位,光纖環回還可以進行單端業務性能測試,如雙向時延、丟包率和吞吐量測試,以方便進行現網測試。

      由于分組傳送網已經支持OAM的遠端和近端環回,可以實現與數據平面的遠端和近端環回類似的功能。因此本文認為應首先實現光纖環回功能,以便能夠實現準確的故障定位和單端測試。是否需要支持數據平面的遠端和近端環回功能還需要進一步研究。目前IETF和ITU-T正在對數據平面環回功能的標準化進行討論。

      5 結束語

      PTN是運營商從現有2G移動回傳的多業務傳送節點(MSTP)網絡演進的最佳方案,定位于滿足 3G移動回傳、企事業專線/專網等高品質業務需求。2008—2009年,中國三大運營商紛紛針對PTN承載3G移動回傳進行了全面的實驗室測試和現網試點應用,大力推進了設備商PTN產品成熟和商用化進展。中國移動已于2009年10—12月開始大規模集采基于MPLS-TP的PTN設備,標志著PTN 進入產業化的關鍵期。2010年,MPLS-TP的國際標準化進展問題是業內最關心的熱點問題,并且MPLS-TP的國際標準何時穩定將直接影響PTN何時能從新技術引入發展到大規模應用階段。本文對PTN技術發展中幾個問題進行了探討,希望可以對PTN技術的發展和完善有所貢獻。

       

      作者:佚名 合作媒體:不詳 編輯:顧北

       

       

       
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