分組傳送網(wǎng)技術(shù)（PTN）若干問題分析

分組傳送網(wǎng)(PTN)目前還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的定義。從廣義的角度講，只要是基于分組交換技術(shù)，并能夠滿足傳送網(wǎng)對于運行維護管理(OAM)、保護和網(wǎng)管等方面的要求，就可以稱為PTN。具體的分組交換技術(shù)可以是多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)、傳送多協(xié)議標(biāo)記交換(T-MPLS/MPLS-TP)、以太網(wǎng)、運營商骨干橋接-流量工程(PBB-TE)、彈性分組環(huán)(RPR)等。前兩年通信業(yè)界一般理解的PTN技術(shù)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(jīng)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(shè)備。

　　從T-MPLS到MPLS-TP，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(ITU-T)和因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)經(jīng)過了多年的競爭和協(xié)商達(dá)成了共識，體現(xiàn)了傳送領(lǐng)域和數(shù)據(jù)領(lǐng)域之間從競爭到融合的發(fā)展歷程?？梢哉fMPLS-TP是傳送領(lǐng)域和數(shù)據(jù)領(lǐng)域的利益競爭和平衡協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。目前，IETF已獲得了 MPLS-TP標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的主導(dǎo)權(quán)，ITU-T SG15在MPLS-TP標(biāo)準(zhǔn)中的開發(fā)話語權(quán)已逐漸被IETF剝奪，轉(zhuǎn)為以企業(yè)和個人專家方式參與[1-6]。

　　本文將對PTN/MPLS-TP技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程中的幾個關(guān)鍵問題進行探討，內(nèi)容包括端到端的服務(wù)質(zhì)量(QoS)實現(xiàn)機制、網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)、三層(L3)功能的引入和數(shù)據(jù)平面環(huán)回功能等，并基于PTN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護和開展業(yè)務(wù)的需求提出了個人觀點。

　　1 PTN網(wǎng)絡(luò)中的QoS技術(shù)

　　QoS是指網(wǎng)絡(luò)通信過程中，允許用戶業(yè)務(wù)在丟包率、延遲、抖動和帶寬等方面獲得可預(yù)期的服務(wù)水平。 PTN設(shè)備的QoS功能包括流分類、標(biāo)記、速率限制、帶寬保證、流量整形、調(diào)度策略等。PTN網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的QoS主要由基于MPLS的流量工程(TE)和區(qū)分服務(wù)(DiffServ)兩種機制來實現(xiàn)，目標(biāo)是實現(xiàn)面向業(yè)務(wù)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(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的可控性。 TE的目標(biāo)是有效而可靠地運行網(wǎng)絡(luò)，同時優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的流量工程一般是通過 MPLS的TE擴展即多協(xié)議標(biāo)記交換-流量工程(MPLS-TE)來實現(xiàn)的。

　　TE在PTN網(wǎng)絡(luò)中的作用主要體現(xiàn)在2個方面：

　　(1)業(yè)務(wù)路由可控——進入PTN的業(yè)務(wù)通過偽線(PW)封裝后再復(fù)用到標(biāo)記交換路徑(LSP)。LSP的建立可以通過網(wǎng)管或控制平面實現(xiàn)，兩種建立方式的LSP路由都是可控的。

　　(2)業(yè)務(wù)帶寬可控——目前PTN承載的業(yè)務(wù)主要包括E1仿真和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。E1仿真業(yè)務(wù)的帶寬一般是固定可控的，并且要求高優(yōu)先級，不允許丟包，時延低。以太網(wǎng)業(yè)務(wù)可以分為2大類：恒定速率業(yè)務(wù)和可變速率業(yè)務(wù)。恒定速率業(yè)務(wù)的要求和可控性與E1仿真業(yè)務(wù)基本相同。可變速率業(yè)務(wù)則是通過承諾速率 (CIR)和額外速率(EIR)來實現(xiàn)對業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)擁塞時可以對EIR部分的流量進行丟棄處理，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的可控性。

　　具體來說，運營商通過配置PW(即業(yè)務(wù))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(wǎng)絡(luò)正常運行的情況下，滿足所有業(yè)務(wù)的CIR帶寬需求。由于存在可變速率業(yè)務(wù)的突發(fā)業(yè)務(wù)(即EIR部分)，因此即使使用了TE，網(wǎng)絡(luò)中仍然可能會發(fā)生擁塞，此時如何保障所有業(yè)務(wù)都能得到其CIR帶寬就需要使用區(qū)分服務(wù)。

　　1.2 區(qū)分服務(wù)

　　區(qū)分服務(wù)起源于集成服務(wù)(IntServ)。區(qū)分服務(wù)的目的是在因特網(wǎng)上為流量提供有區(qū)別的業(yè)務(wù)級別。與集成服務(wù)相比，區(qū)分服務(wù)定義的是一個相對簡單而粒度粗一些的控制系統(tǒng)。另外，區(qū)分服務(wù)針對的是流聚合后的每一類QoS控制，而不是像集成服務(wù)那樣針對每個流。因此，區(qū)分服務(wù)具有可擴展性，能夠在大型網(wǎng)絡(luò)上提供QoS服務(wù)。

　　區(qū)分服務(wù)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(biāo)志區(qū)分服務(wù)代碼點(DSCP)。域內(nèi)的核心路由器查看DSCP值，并根據(jù)每一類的特定逐跳行為(PHB)調(diào)度包的轉(zhuǎn)發(fā)。IETF目前定義了兩種PHB：加速轉(zhuǎn)發(fā)(EF)和保證轉(zhuǎn)發(fā)(AF)。

　　(1)加速轉(zhuǎn)發(fā)

　　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(zhuǎn)發(fā)。與傳統(tǒng)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(wù)。使用EF的業(yè)務(wù)帶寬參數(shù)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(yè)務(wù)或恒定速率的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。EF必須遵循RFC3246的規(guī)定。

　　(2)保證轉(zhuǎn)發(fā)

　　AF為數(shù)據(jù)包提供4個級別的轉(zhuǎn)發(fā)特征，每個級別有3種丟棄優(yōu)先級。PTN設(shè)備通過配置各級別的轉(zhuǎn)發(fā)資源(如緩沖區(qū)和帶寬)和丟棄優(yōu)先級來決定業(yè)務(wù)的級別。當(dāng)業(yè)務(wù)不發(fā)生擁塞時，AF的各級別業(yè)務(wù)性能值相同;當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)生擁塞時，所有AF級別的業(yè)務(wù)都會發(fā)生丟包，丟包的多少和業(yè)務(wù)級別相關(guān)。AF必須遵循RFC2597的規(guī)定。

　　1.3 MPLS支持的區(qū)分服務(wù)

　　由于PTN是基于MPLS-TP實現(xiàn)的，因此PTN設(shè)備中的區(qū)分服務(wù)需要采用RFC3270定義的基于MPLS的區(qū)分服務(wù)機制來實現(xiàn)。

　　IP包經(jīng)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(qū)分服務(wù)的方法。MPLS支持的區(qū)分服務(wù)能夠把區(qū)分服務(wù)的多個行為集合(BA)映射到MPLS的一條LSP上，根據(jù)BA的PHB來轉(zhuǎn)發(fā)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(biāo)記編碼推斷的LSP(L-LSP)。

　　(1)E-LSP

　　E-LSP用MPLS標(biāo)簽的實驗(EXP)字段把多個BA指派到一條LSP上，使用MPLS標(biāo)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(yè)務(wù)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(yōu)先級。一條L-LSP只能支持一個業(yè)務(wù)等級。由于MPLS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會在每一跳中都交換標(biāo)簽值，而管理標(biāo)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(wǎng)絡(luò)中每個包的EXP字段和PHB之間的映射關(guān)系。目前PTN設(shè)備采用的主要是E-LSP。

　　1.4 PTN端到端QoS的實現(xiàn)

　　通過上述流量工程和MPLS支持區(qū)分服務(wù)的機制，就可以實現(xiàn)PTN所倡導(dǎo)的面向業(yè)務(wù)的端到端的 QoS保障能力。首先通過MPLS流量工程實現(xiàn)對業(yè)務(wù)路由和帶寬的控制，以避免負(fù)載不均衡出現(xiàn)的擁塞問題;其次，當(dāng)突發(fā)業(yè)務(wù)或網(wǎng)絡(luò)保護引起網(wǎng)絡(luò)擁塞時再通過MPLS支持的區(qū)分服務(wù)機制實現(xiàn)對業(yè)務(wù)承諾帶寬(CIR)的保障。

　　對于E-LSP，表1給出了一種業(yè)務(wù)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(xiàn)方法中數(shù)據(jù)幀的PW和LSP的EXP值相同。

　　對于E1仿真業(yè)務(wù)和恒定速率的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)(如語音和視頻)，均采用EF PHB，并設(shè)置CIR等于PIR。對于突發(fā)型業(yè)務(wù)(如虛擬專用網(wǎng)和以太網(wǎng)專線)采用AF PHB。為了保障突發(fā)業(yè)務(wù)的CIR帶寬，需要在網(wǎng)絡(luò)入口依據(jù)帶寬參數(shù)對業(yè)務(wù)流進行計量、整形和標(biāo)記，并應(yīng)支持RFC2698定義的雙速率三色標(biāo)記法。同時基于映射關(guān)系設(shè)置數(shù)據(jù)幀的EXP值，以便LSP經(jīng)過的后續(xù)節(jié)點根據(jù)該值選擇合適的PHB。

　　對于普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，設(shè)置CIR等于0，并設(shè)置最高速率PIR，采用缺省的轉(zhuǎn)發(fā)行為(DF)。

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞時，對于采用EF PHB和AF PHB的流量部分的業(yè)務(wù)帶寬將始終得到保障。對于普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以首先進行丟棄，或是與AF PHB的流量部分進行加權(quán)處理，以便即使在擁塞時普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也能得到一定的帶寬。

　　2 PTN網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

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

　　除了MPLS-TP關(guān)注的3層網(wǎng)絡(luò)之外，PTN設(shè)備還需要支持業(yè)務(wù)層和段層技術(shù)的相關(guān)功能。如以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層的OAM(屬于IEEE802.1ag和Y.1731)、以太網(wǎng)鏈路層OAM(屬于IEEE 802.3ah)、SDH業(yè)務(wù)和鏈路的開銷處理和保護功能等。

　　目前的PTN設(shè)備是通過PW支持各種仿真業(yè)務(wù)，還不支持通過業(yè)務(wù)LSP支持IP/MPLS業(yè)務(wù)。對于IP/MPLS業(yè)務(wù)，采用以太網(wǎng)PW仿真實現(xiàn)，優(yōu)點是業(yè)務(wù)的透明性好，缺點是傳送效率較低(需要傳送以太網(wǎng)幀頭)，對于較短的數(shù)據(jù)包尤其明顯。如果采用TDM PW仿真實現(xiàn)，將對網(wǎng)絡(luò)性能提出較高要求，并可能增加設(shè)備的成本。如果采用業(yè)務(wù)LSP實現(xiàn)，則可以避免上述問題，但是業(yè)務(wù)透明性較差，可能需要處理部分 L3協(xié)議。具體方式的選擇需要綜合考慮業(yè)務(wù)的透明性、傳送效率和成本等因素。

　　目前的PTN設(shè)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(xiàn)多個LSP所承載的PW的匯聚，從而對PTN 設(shè)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)的可擴展性。IETF已經(jīng)將MS-PW列為MPLS-TP的可選項。

　　3 PTN對L3功能和業(yè)務(wù)的支持

　　目前的PTN主要定位于提供二層(L2)的業(yè)務(wù)，包括E1/ATM仿真業(yè)務(wù)、E-Line/E- LAN/E-Tree以太網(wǎng)業(yè)務(wù)等。PTN的主要應(yīng)用場景是移動網(wǎng)絡(luò)的回傳，包括目前的3G網(wǎng)絡(luò)，以及未來的長期演進(LTE)。PTN可以很好地滿足現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)了基站之間的互聯(lián)需求(X2接口)，以及基站到服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW)的多歸屬需求，因此與3G對承載網(wǎng)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(wǎng)方案;一種是采用L3+L2的組網(wǎng)方案，即核心層采用L3技術(shù)組網(wǎng)，接入?yún)R聚層采用L2技術(shù)組網(wǎng)。由于端到端的路由器方案在網(wǎng)絡(luò)擴展性、可管理性和可控性方面存在問題，因此L3+L2的組網(wǎng)方案得到更多的認(rèn)可和支持。該方案中的核心層可以采用路由器組網(wǎng)，也可以通過在PTN中引入L3功能來實現(xiàn)。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(zhuǎn)發(fā)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(yán)格的QoS保障能力。如果在PTN中引入這兩種業(yè)務(wù)，為了避免對原有L2業(yè)務(wù)的影響，只能將這兩種業(yè)務(wù)設(shè)置為最低等級的業(yè)務(wù)。而L3 MPLS虛擬專用網(wǎng)(VPN)由于是基于MPLS實現(xiàn)，因此可以采用前面提到的基于MPLS的流量工程和區(qū)分服務(wù)機制來保障業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。同時還可以在 MPLS VPN中支持L3組播，同樣可以保證服務(wù)質(zhì)量。

　　綜上所述，對于需要提供有質(zhì)量保證的L3業(yè)務(wù)，建議在PTN中以L3 MPLS VPN的方式提供。而對服務(wù)質(zhì)量沒有要求的L3業(yè)務(wù)，可以直接采用IP路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能來實現(xiàn)。

　　4 數(shù)據(jù)平面環(huán)回功能

　　現(xiàn)有的PTN設(shè)備只支持OAM的環(huán)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(jié)點間及節(jié)點內(nèi)部故障，但是并不能對故障進行準(zhǔn)確的定位。如圖1所示，如果PE2-PE3之間的鏈路發(fā)生故障，通過OAM LB并不能確定是PE3出現(xiàn)故障還是PE2-PE3之間的鏈路發(fā)生故障。而如果支持類似SDH設(shè)備的數(shù)據(jù)平面環(huán)回，即業(yè)務(wù)環(huán)回，則可以通過對不同的點進行環(huán)回，實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確定位。

　　與SDH類似，目前提出的PTN的數(shù)據(jù)平面環(huán)回包括遠(yuǎn)端環(huán)回(入口環(huán)回)、近端環(huán)回(出口環(huán)回)和光纖環(huán)回(客戶環(huán)回)3種方式。除了進行故障定位，光纖環(huán)回還可以進行單端業(yè)務(wù)性能測試，如雙向時延、丟包率和吞吐量測試，以方便進行現(xiàn)網(wǎng)測試。

　　由于分組傳送網(wǎng)已經(jīng)支持OAM的遠(yuǎn)端和近端環(huán)回，可以實現(xiàn)與數(shù)據(jù)平面的遠(yuǎn)端和近端環(huán)回類似的功能。因此本文認(rèn)為應(yīng)首先實現(xiàn)光纖環(huán)回功能，以便能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位和單端測試。是否需要支持?jǐn)?shù)據(jù)平面的遠(yuǎn)端和近端環(huán)回功能還需要進一步研究。目前IETF和ITU-T正在對數(shù)據(jù)平面環(huán)回功能的標(biāo)準(zhǔn)化進行討論。

　　5 結(jié)束語

　　PTN是運營商從現(xiàn)有2G移動回傳的多業(yè)務(wù)傳送節(jié)點(MSTP)網(wǎng)絡(luò)演進的最佳方案，定位于滿足 3G移動回傳、企事業(yè)專線/專網(wǎng)等高品質(zhì)業(yè)務(wù)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(xiàn)網(wǎng)試點應(yīng)用，大力推進了設(shè)備商PTN產(chǎn)品成熟和商用化進展。中國移動已于2009年10—12月開始大規(guī)模集采基于MPLS-TP的PTN設(shè)備，標(biāo)志著PTN 進入產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵期。2010年，MPLS-TP的國際標(biāo)準(zhǔn)化進展問題是業(yè)內(nèi)最關(guān)心的熱點問題，并且MPLS-TP的國際標(biāo)準(zhǔn)何時穩(wěn)定將直接影響PTN何時能從新技術(shù)引入發(fā)展到大規(guī)模應(yīng)用階段。本文對PTN技術(shù)發(fā)展中幾個問題進行了探討，希望可以對PTN技術(shù)的發(fā)展和完善有所貢獻(xiàn)。