分組傳送網技術（PTN）問題分析

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(xié)議標記交換(MPLS)、傳送多協(xié)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(huán)(RPR)等。前兩年通信業(yè)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(lián)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(xié)商達成了共識，體現(xiàn)了傳送領域和數據領域之間從競爭到融合的發(fā)展歷程。可以說MPLS-TP是傳送領域和數據領域的利益競爭和平衡協(xié)調的產物。目前，IETF已獲得了 MPLS-TP標準開發(fā)的主導權，ITU-T SG15在MPLS-TP標準中的開發(fā)話語權已逐漸被IETF剝奪，轉為以企業(yè)和個人專家方式參與[1-6]。

本文將對PTN/MPLS-TP技術和標準發(fā)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(xiàn)機制、網絡分層結構、三層(L3)功能的引入和數據平面環(huán)回功能等，并基于PTN網絡建設維護和開展業(yè)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(yè)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(yè)務的QoS主要由基于MPLS的流量工程(TE)和區(qū)分服務(DiffServ)兩種機制來實現(xiàn)，目標是實現(xiàn)面向業(yè)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(xiàn)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(yōu)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(xié)議標記交換-流量工程(MPLS-TE)來實現(xiàn)的。

TE在PTN網絡中的作用主要體現(xiàn)在2個方面：

(1)業(yè)務路由可控——進入PTN的業(yè)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(xiàn)，兩種建立方式的LSP路由都是可控的。

(2)業(yè)務帶寬可控——目前PTN承載的業(yè)務主要包括E1仿真和以太網業(yè)務。E1仿真業(yè)務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。以太網業(yè)務可以分為2大類：恒定速率業(yè)務和可變速率業(yè)務。恒定速率業(yè)務的要求和可控性與E1仿真業(yè)務基本相同?？勺兯俾蕵I(yè)務則是通過承諾速率 (CIR)和額外速率(EIR)來實現(xiàn)對業(yè)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(xiàn)網絡帶寬資源的可控性。

具體來說，運營商通過配置PW(即業(yè)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(yè)務的CIR帶寬需求。由于存在可變速率業(yè)務的突發(fā)業(yè)務(即EIR部分)，因此即使使用了TE，網絡中仍然可能會發(fā)生擁塞，此時如何保障所有業(yè)務都能得到其CIR帶寬就需要使用區(qū)分服務。

1.2 區(qū)分服務

區(qū)分服務起源于集成服務(IntServ)。區(qū)分服務的目的是在因特網上為流量提供有區(qū)別的業(yè)務級別。與集成服務相比，區(qū)分服務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(qū)分服務具有可擴展性，能夠在大型網絡上提供QoS服務。

區(qū)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(qū)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(fā)。IETF目前定義了兩種PHB：加速轉發(fā)(EF)和保證轉發(fā)(AF)。

(1)加速轉發(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。使用EF的業(yè)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(yè)務或恒定速率的以太網業(yè)務。EF必須遵循RFC3246的規(guī)定。

(2)保證轉發(fā)

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

1.3 MPLS支持的區(qū)分服務

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

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(qū)分服務的方法。MPLS支持的區(qū)分服務能夠把區(qū)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(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(yè)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(yōu)先級。一條L-LSP只能支持一個業(yè)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(xiàn)

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

對于E-LSP，表1給出了一種業(yè)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(xiàn)方法中數據幀的PW和LSP的EXP值相同。

對于E1仿真業(yè)務和恒定速率的以太網業(yè)務(如語音和視頻)，均采用EF PHB，并設置CIR等于PIR。對于突發(fā)型業(yè)務(如虛擬專用網和以太網專線)采用AF PHB。為了保障突發(fā)業(yè)務的CIR帶寬，需要在網絡入口依據帶寬參數對業(yè)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(xù)節(jié)點根據該值選擇合適的PHB。

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

當網絡中發(fā)生擁塞時，對于采用EF PHB和AF PHB的流量部分的業(yè)務帶寬將始終得到保障。對于普通數據業(yè)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(yè)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(yè)務層、傳送通道層和段層。其中傳送業(yè)務層可以是PW或業(yè)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(yè)務;業(yè)務LSP用于提供IP和MPLS等網絡層業(yè)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(jié)點之間匯聚傳送業(yè)務層或傳送通道層的信息。段層可以是采用MPLS-TP技術實現(xiàn)，也可以采用其他技術來實現(xiàn)，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(xiàn)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(yè)務層和段層技術的相關功能。如以太網業(yè)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(yè)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(yè)務，還不支持通過業(yè)務LSP支持IP/MPLS業(yè)務。對于IP/MPLS業(yè)務，采用以太網PW仿真實現(xiàn)，優(yōu)點是業(yè)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(xiàn)，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(yè)務LSP實現(xiàn)，則可以避免上述問題，但是業(yè)務透明性較差，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(xiàn)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(yè)務的支持

目前的PTN主要定位于提供二層(L2)的業(yè)務，包括E1/ATM仿真業(yè)務、E-Line/E- LAN/E-Tree以太網業(yè)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(xiàn)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(xiàn)了基站之間的互聯(lián)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(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，因此很難提供嚴格的QoS保障能力。如果在PTN中引入這兩種業(yè)務，為了避免對原有L2業(yè)務的影響，只能將這兩種業(yè)務設置為最低等級的業(yè)務。而L3 MPLS虛擬專用網(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)分服務機制來保障業(yè)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(yè)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(yè)務，可以直接采用IP路由和轉發(fā)功能來實現(xiàn)。

4 數據平面環(huán)回功能

現(xiàn)有的PTN設備只支持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(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設備的數據平面環(huán)回，即業(yè)務環(huán)回，則可以通過對不同的點進行環(huán)回，實現(xiàn)對故障的準確定位。

與SDH類似，目前提出的PTN的數據平面環(huán)回包括遠端環(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)網測試。

由于分組傳送網已經支持OAM的遠端和近端環(huán)回，可以實現(xiàn)與數據平面的遠端和近端環(huán)回類似的功能。因此本文認為應首先實現(xiàn)光纖環(huán)回功能，以便能夠實現(xiàn)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(huán)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(huán)回功能的標準化進行討論。

5 結束語

PTN是運營商從現(xiàn)有2G移動回傳的多業(yè)務傳送節(jié)點(MSTP)網絡演進的最佳方案，定位于滿足 3G移動回傳、企事業(yè)專線/專網等高品質業(yè)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(xiàn)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(guī)模集采基于MPLS-TP的PTN設備，標志著PTN 進入產業(yè)化的關鍵期。2010年，MPLS-TP的國際標準化進展問題是業(yè)內最關心的熱點問題，并且MPLS-TP的國際標準何時穩(wěn)定將直接影響PTN何時能從新技術引入發(fā)展到大規(guī)模應用階段。本文對PTN技術發(fā)展中幾個問題進行了探討，希望可以對PTN技術的發(fā)展和完善有所貢獻。