MSTP技术及其应用.doc

MSTP技术及其应用一、MSTP的引入在以话音业务为主体的通信时代，SDH作为承载网，通过时隙映射和交叉连接功能以及端到端的质量保证机制很好确保了话音业务的实时性。然而，随着以包交换为传送机制的IP数据业务的大幅度、高速发展，以时分交换为机制的SDH网络很难在满足话音业务的同时，再实现高效率的承载IP业务。摒弃SDH技术重新建设承载网还是引入一些新的技术对SDH进行改造，将问题解决在网络的边缘（接入端），使IP业务在SDH网络中也能有良好的通过性，曾经是业界人士讨论的焦点。无疑，后者具有更大的操作价值，因为这不仅可以使现有的网络资源得到更为合理的利用，而且SDH本身具有的一些特性也可以弥补以太网的一些不足，例如QoS问题。于是MSTP的概念出现了，MSTP（Multi-Service Transport Platform）基于SDH的多业务平台（基于SDH的多业务节点），还有人称其为新一代的SDH。总之，它有别于传统的SDH设备。从网络定位上讲，MSTP应处在网络接入部分，用户侧面向不同的业务接口，网络侧面向SDH传输设备；形象的讲，MSTP就象一个长途客/货枢纽站，如何有效的将客货分离，按照不同的需求安全、快捷的运送到目的地，是其追求的目标。二、MSTP概念MSTP是指基于SDH平台，同时实现TDM、ATM、以太网等多种业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。 城域网MSTP建设方案是介于传统的“SDH+ATM”方案与未来全光智能网络之间的一种目前现实可行的城域网建设方案。MSTP明显地优于SDH，主要表现在多端口种类，灵活的服务提供，支持WDM的升级扩容，最大效用的光纤带宽利用，较小粒度的带宽管理等方面。由于它是基于现有SDH传输网络的，可以很好地兼容现有技术，保证现有投资。由于MSTP可以集成WDM技术，能够保证网络的平滑升级，从某种程度上也是Metro-WDM的低成本解决方案之一。 MSTP系列设备为城域网节点设备，是数据网和语音网融合的桥接区。MSTP可以应用在城域网各层，对于骨干层：主要进行中心节点之间大容量高速SDH、IP、ATM业务的承载、调度并提供保护；对于汇聚层：主要完成接入层到骨干层的SDH、IP、ATM多业务汇聚；对于接入层：MSTP则完成用户需求业务的接入。 由于MSTP是基于SDH技术的，所以MSTP对于传统的TDM业务可以很好的支持；技术的难点是如何利用SDH来支持IP业务，也就是如何将IP数据映射到SDH帧中去。 早期的MSTP利用PPP(RFC1661、RFC1662、RFC2615)来完成对IP数据的映射；它通过“IP包-PPP分组-HDLC封装-SDH相应VC”过程来实现IP over SDH（或Packet over SONET-POS），这种方法技术成熟，适于多协议环境，但由于它不是专为SDH设计的，在帧定位时开销较大，且传输效率与传输的内容有关，因此效率较低。 现在主流的MSTP产品均采用G.7041中定义的GFP协议来实现将高层信号映射到同步物理传输网络的通用方法，完成多种业务数据向SDH帧中的映射，它定义了两种映射方式：Transparent和Frame mapped。前者有固定的帧长度，可及时处理而不用等待收到整个帧，更适合处理实时业务如视频信号(DVB)和块状编码的信号如存储业务(Fiber Channel，FICON，ESCON)；而后者没有固定的帧长，接收到一完整的帧后再进行处理，可以用来封装IP/PPP或以太网MAC帧。 现在也有少数MSTP产品利用LAPS（X.86）协议来实现业务数据向SDH帧中的映射，LAPS是基于SDH/SONET的，不需要链路初始化，也不需要像PPP那样需要重启定时器（Restart Timer），所以LAPS具有较高效率和更高的性能保证能力。但是这种MSTP实现方式在应用中并不多见。2.1 第一代MSTP最初的MSTP只是为了解决IP数据包在SDH上实现端到端的透传，机理是将以太帧直接映射到SDH的容器（C）中。众所周知，SDH的不同容器的净荷装载单元大小是固定的，如表1C-111.600Mbit/sC-122.176Mbit/sC-26.784Mbit/sC-348.384Mbit/sC-4149.760Mbit/sC-4单元的级联C-4-4C0.599Gbit/sC-4-16C2.396Gbit/sC-4-64C9.584Gbit/sC-4-256C38.338Gbit/s表1 SDH净荷装载单元从表1中不难看出，无论是10/100M Base-T还是GE(千兆以太网)都很难理想的装载到SDH的容器中。而且作为端到端的透传机制，也无法实现流量控制、以太业务QoS、不同以太业务流的统计复用等功能，所以不具备任何商用价值。针对以上问题，如何实现SDH更有效的承载IP数据业务就是第一代MSTP要解决的。1、 虚级联技术的引入要是能将VC单元级联起来组成适合的装载单元是一个有效的方法，例如将5个VC-12单元绑定即可以很好的承载10M以太业务。但新的问题同时产生，如果将相临的容器C级联形成VC-n-Xn，其只具有一列POH指示比特，级联后的装载单元在整个传输过程中将不得不保持相同的路由和连续的带宽，同时还要求途径设备也必须支持级联功能，确保整个级联后的装载单元端到端的传输。这无疑给长距离传输提出了过高的要求，并不利于业务的实际发展。虚级联技术的引入使这个问题得到了彻底的解决，它与相临级联技术不同之处在于：VC-n单元可分属于不同的STM-N中，具有自己独立的结构和相应的POH序列；通过虚级联的复帧标示符（MFI）、序列标示符（SQ）加以标示（其属于LCAS和VC控制帧），形成一个虚拟的大容器（VC-n-Xv）（或称为虚容器组）进行传输。这样每个独自的VC-n作为虚容器组的不同成员，可以通过不同的路径传输，只要在目的端汇聚即可，无须途径设备提供级联功能。回到表1可以发现，VC-n装载单元从2M到140M不等，这就好比我们可以将人员编组，货物打散装到大大小小不同容量的汽车中，通过不同的公路运到目的地再通过组号/货物编号重新集合。这种灵活的机制刚好可以最大限度的利用网络带宽。2、 LCAS技术的引入然而，虚级联技术只是提供一个更为有效的组合装载单元的可能方案，保证IP数据业务在SDH承载网上实现端到端的高效传送还需要一种真正的管理机制。就象有了四通八达的公路，有了各式各样的汽车，没有一个好的调度站，依然无法形成一个良好的运输体系一样，关键的环节在于如何有效的管理和调配，特别是虚级联不象相邻级联，虚容器VC-n可以属于不同的STM-N中，存在着各种各样的组合方式，没有一种良好的调配机制，后果将不堪想象。这就引入了LCAS技术（Link Capacity Adjustment Scheme）链路容量调整机制。简单的说，LCAS技术，就是建立在源和目的之间双向往来的控制信息系统。这些控制信息可以根据需求，动态的调整虚容器组中成员的个数，以此来实现对带宽的实时管理；从而在保证承载业务质量的同时，大大提高了网络利用率。其帧结构如图1 MFISQCTRLGIDRS-AcKMSTCRC复帧标示符序列标示符控制命令域组鉴别比特返回序列确认比特成员状态码差错校验码图1 LCAS和VC控制帧结构在高阶虚级联（VC-3/4）过程中LCAS和VC控制帧被H4字节中传输，在低阶虚级联（VC-12）采用K4字节传输LCAS和VC控制帧。LCAS工作机理虚级联的建立/清除、成员的增加/减少是通过改变LCAS和VC控制帧中控制命令域里状态字段中的指令，在源和目的间建立通信进程来实现的。其中命令状态包括：IDLE（空闲状态）、NORM（正常状态）、ADD（增加指令）、REMOVE（删除指令）、EOS（结束状态）、DNU（路径失效状态）。至此，从整体技术角度讲，虚级联技术和LCAS机制使得SDH高效承载IP业务成为了可能，也就形成了具有实际应用价值的第一代MSTP，其功能结构见图2。然而在细节上，为了使IP业务无缝的映射到VC容器中还存在一个不可或缺的过程IP包的封装，即图2中红色方框部分。封装方式目前大致有以下三种：HDLC（High Level Data Link Control）高级数据链路控制GFP（Generic Framing Procedure）通用成帧规程(ITU- T标准号为G.7041)LAPS（Link Access Procedure SDH）在SDH上的链路接入规程协议帧(ITU- T标准号为X.86)作为封装方式，三种协议都有各自的特点，无可厚非，但就应用范围来讲GFP应用更为广泛，其成帧方式也更有效一些，因为其采用类似于ATM信元的帧定界封装方式，可以透明的封装各种数据信号，具有良好的扩展性。3、小结MSTP设备的出现，促进了SDH网络的进一步发展，同时其本身作为一种很有效的城域组网技术，在网络的接入段也发挥了重要的作用，特别是它秉承了SDH良好的质量保证特性，大大提升了IP业务的可靠性。LCAS配合MAC层的流量控制功能，在网络正常状态下，人工增减虚容器组中的成员个数，不会使网络造成IP业务丢包；即便当光接收端判断光信号强度达不到光接收灵敏度（或断纤故障）或误码率高于门限的时候，借助SDH本身所具有的保护倒换能力，系统也能在50ms内实现保护倒换，利用LCAS动态带宽调整机制和流量控制仅会造成少量丢包，不会影响业务正常进行，这是以太网络所不具备的。2.2 现有MSTP技术第二代MSTP得益于MSTP高品质的商用价值，也使MSTP技术本身得到了进一步发展。1、 RPR技术的引入RPR（Resilient Packet Ring）弹性分组环，RPR工作于MAC层，它的出现是为了更好的解决在环状拓扑结构上传送数据流的问题。众所周知，环状网络与星型网络、总线型网络或树型网络比较，具有节约投入成本，便于管理等优点。其实，早期的令牌环技术就是为了解决这个问题。但在令牌环网络中数据包将漫游整个网络，随着网络中的节点增加，网络中的共享带宽就会急剧下降，这就制约了它的发展。RPR技术很好的解决了这个问题，在结构上它采用双环结构，每两个相临节点间都存在两条物理路径，保证了高可靠性；在传送机制上它采用环路带宽空间重用机制，单播数据可在环的不同部分同时传送，这样整个环的容量将被增加，从某种程度上缓解了因加入节点带来的带宽下降问题；而在环的拓扑结构发生变化的时候，它具有网络拓扑结构自动发现、更新能力，可避免手工配置带来的人为错误，便于管理和维护；另外，在带宽管理方面，它采用带宽动态分配和统计复用原则，每个节点维护通过自身的数据负载量，并把相应数据发送给环上相临节点，这样其他节点根据这些信息就可以获得在源节点上有多少可利用带宽。还有一点要说明的是，由于RPR采用双环结构，单播数据在环上不同部分同时传送，因此环上任意两个节点间最大路由也仅为半个环，这样大大减少了数据流在环上的运行过程；而它的网络拓扑发现、更新能力是通过采用类似OSPF（Open Shortest Path First）开放式最短路径优先的算法交换拓扑识别信息实现的，这样可以有效的避免分组死循环，增加环路自愈能力，可谓一举两得。将RPR引入MSTP，可以增加MSTP的健壮性，使MSTP的组网方式更为灵活。其关键特性是将以太网业务适配到RPR MAC层，然后在映射到SDH的VC通道中传送。现在，我们已经可以在http:/www.RPR网站上看到RPR在北美应用的商业范例，通过与传统的SDH比较，其大大降低了接入成本。2、MPLS技术的引入MPLS（Multiprotocol Label Switching）多协议标签交换MPLS是一种结合三层路由、二层交换的数据传送技术，基于标签交换分组的机制，把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径，实现了由面向无连接的IP业务到面向连接的标签交换的转变。其技术特点主要体现在以下几个部分：流量工程、负载均衡、故障恢复、路径优先级等。其在以太网中的典型应用是基于MPLS的VPN，优点是：可为用户内部网提供无缝连接；可限制VPN路由信息的传播，只在VPN成员内部采用MPLS前转，保证安全性；通过嵌入二层MPLS技术，允许不同的用户使用同样的VLAN ID，扩展了VLAN的地址空间；并且能够实现VPN内部的多级业务，建立VPN间不同的优先级等。我认为将MPLS引入MSTP除了能使MSTP具备MPLS以上的优势外，更为重要的是MSTP具有MPLS功能，将不需要在IP网络的边缘进行添加标签/去除标签的过程，直接与具有标签交换功能的核心路由器相连，实现真正意义的端到端标签交换。三 MSTP技术特点 1）继承了SDH技术的诸多优点：如良好的网络保护倒换性能、对TDM业务较好的支持能力等； 2）支持多种物理接口：由于MSTP设备负责业务的接入、汇聚和传输，所以MSTP必须支持多种物理接口，从而支持多种业务的接入和处理。常见的接口类型有：TDM接口（T1/E1、T3/E3）、SDH接口（OCN/STM-M）、以太网接口（10/100BaseT、GE）、POS接口。 3）支持多种协议：MSTP对多业务的支持要求其必须具有对多种协议的支持能力，通过对多种协议的支持来增强网络边缘的智能性；通过对不同业务的聚合、交换或路由来提供对不同类型传输流的分离。 4）支持多种光纤传输：MSTP根据在网络中位置的不同有着多种不同的信号类型，当MSTP位于核心骨干网时，信号类型最低为OC48并可以扩展到OC192和密集波分复用（DWDM）；当MSTP位于边缘接入和汇聚层时，信号类型从OC3/OC12开始并可以在将来扩展至支持DWDM的OC48。 5）提供集成的数字交叉连接交换：MSTP可以在网络边缘完成大部分交叉连接功能，从而节省传输带宽以及省去核心层中昂贵的数字交叉连接系统端口。 6）支持动态带宽分配：由于MSTP支持G.7070中定义的级联和虚级联功能，可以对带宽进行灵活地分配，带宽可分配粒度为2MB，一些厂家通过自己的协议可以把带宽分配粒度调整为576kbit/s，即可以实现对SDH帧中列级别上的带宽分配；通过对G.7042中定义的LCAS的支持可以实现对链路带宽的动态配置和调整。 7）链路的高效建立能力：面对城域网用户不断提高的即时带宽要求和IP业务流量的增加，要求MSTP能够提供高效的链路配置、维护和管理能力。 8）协议和接口的分离：一些MSTP产品把协议处理与物理接口分离开，可以提供“到任务端口的任何协议”的功能，这增加了在使用给定端口集合时的灵活性和扩展性。 9）提供综合网络管理功能：MSTP提供对不同协议层的综合管理，便于网络的维护和管理。 现在主流的MSTP技术是以G.7041、G.7070、G.7042协议为依托的。 （1）GFP协议 链路层标准GFP （Generic Framing Procedure-通用成帧规程）(G.7041)克服了IP over PPP/HDLC over SDH，IP over Multi-Link PPP over SDH所无法避免的只支持点到点的逻辑拓扑结构、需要有特定的帧定界字节、需要对帧里的负荷进行扰码处理等诸多弊病。相对于原来的同类协议（PPP/LAPS），GFP有如下主要特点：采用和ATM技术相似的帧定界方式，减小定位字节开销，避免传输内容对传输效率的影响；打破了链路层适配协议只能支持点到点拓扑结构的局限性，可以实现对不同拓扑结构的支持；通过对多服务等级的概念引进，GFP可以实现带宽控制的简单功能。 与PPP相比，GFP的技术特点优势在于： 1) 帧定界方式：其帧定界是基于帧头中的帧长度指示符采用CRC捕获的方法来实现的，与ATM中使用的方法相似。这种方式比用专门的帧标示符去帧定界更有效。 2) 通过扩展帧头的功能去适应不同的拓扑结构，环形或者是点到点。也可以定义GFP 中数据流的不同服务等级，而不用上层协议去查看数据流的服务等级。 3) 通过扩展帧头可以标示负载类型，以决定如何前传负载，而并不需要打开负载，查看它的类型。 4) GFP有自己的FCS域，这样的话就可以保证所传输负荷的完整性，对保护那些自己没有FCS域的负荷是非常有效的。 5）传输性能和传输内容无关，这个优点来自于GFP采用了特定的帧定界方式。在PPP里，它会对负荷的每一个字节进行检查，如果有字节与帧标示符相同，它会对这一字节做处理，从而使负荷变长，且不可预测。在MSTP测试时，正是利用这一点来判断设备所采用的映射协议是GFP还是PPP，比较设备在传送OX7E和其他非OX7E信息时的传输性能，当传送后者的性能明显优于前者时，映射协议采用的是PPP，而当两者的传送性能没有明显差别时，映射协议采用GFP。 虚级联协议 在ITU-T G.7070中定义了级联和虚级联概念，这两个概念在MSTP技术中占有重要的地位。利用VC级联技术可实现Ethernet带宽与SDH虚通道的速率适配，从而实现对带宽的灵活配置，尤其是虚级联技术能够支持带宽的充分利用。 1虚级联技术原理 虚级联技术可以被看成是把多个小的容器级联起来并组装成为一个比较大的容器来传输数据业务。这种技术可以级联从VC-12到VC-4等不同速率的容器，用小的容器级联可以做到非常小颗粒的带宽调节，相应的级联后的最大带宽也只能在很小的范围内。例如如果做VC-12的级联，它所能提供的最大带宽只能到139Mbit/s。例如IP数据包由三个虚级联的VC-3所承载，然后这三个VC-3被网络分别独立的透传到目的地，由于是被独立的传输到目的地，所以它们到达目的地的延迟也是不一样的，这就需要在目的地进行重新排序，恢复成原始的数据包。 在SDH帧的H4字节携带了如何重组这些VC的信息，使之恢复成原始的信息。这个由16字节组成的H4字节主要包括两个重要的信息：多帧指示符（MFI）、序列号。多帧指示符是动态的，每当有一个新的帧就会自动增加1，这三个VC-3由于携带同一个数据包，所以它们具有唯一的MFI号。这样在它们分别以不同的延迟到达终点时，终点可以根据相同的MFI号把这些独立的VC重新组合起来。 原节点会给同一个虚级联通道的不同VC相应的序列号，一个VC-xv通道拥有的序列号是0到x-1，按先后次序序列号逐渐增大。这样才能保证原始的数据包会被正确的重新组合起来，同时它也避免了以前网管必须对分散的VC做顺序监测这一复杂过程。 2虚级联技术的特点 虚级联最大的优势在于它可以使SDH提供合适大小的通道给数据业务，避免了带宽的浪费。虚级联技术可以使带宽以很小的颗粒度来调整以适应用户的需求，G.7070中定义的最小可分配粒度为2M。由于每个虚级联的VC 在网络上的传输路径是各自独立的，这样当物理链路有一个方向出现中断的话，不会影响从另一个方向传输的VC，当虚级联和LCAS协议相结合时，可以保证数据的传送，从而提高了整个网络的可靠性与稳定性。 作为同样可以利用级联多个SDH 虚拟容器进行数据传输的Multi-link PPP技术，目前在市场上也有一定应用，它是一种点到点的传输层适配技术。Multi-link PPP的主要原理是把上层业务流平行拆分，分别进行PPP 封装。PPP包必须要有帧头标示符，对PPP包里的数据流要进行比特插入，以防止数据包与帧标示符相同，而且每个PPP包还要有自己的序列号，以便接收端可以正确重组。就实现思路来讲，它和虚级联技术有着相似性，但是由于Multi-link PPP不是专门为SDH设计的，所以虚级联在传输性能和带宽分配粒度方面均优于Multi-link PPP；特别是虚级联技术与GFP技术相结合以后，这种优势更加突出。 （3） LCAS协议 在ITU-T G.7042中定义了LCAS协议，LCAS相对于前两种技术，可以被看作是一种在虚级联技术基础上的较为简单的调节机制。虚级联技术只是规定了可以把不同的VC级联起来，但是现实中的数据流的带宽是实时变化的，如何在不中断数据流的情况下动态的调整虚级联的个数就是LCAS所覆盖的内容。 1协议原理 LCAS是一个双向的协议，表示状态的控制包会实时地在收发节点之间进行交换，控制包包括六种状态：固定、增加、正常、EOS(表示这个VC是虚级联通道的最后一个VC)、空闲、不使用。控制包的具体格式和传送方式在G.7042中没有规定。 2应用方式 LCAS协议在具体应用时，有三种方式： a.链路指定保证带宽和突发带宽，它们分别对应各自的VC通道，当网络带宽没有剩余时网管系统利用保证带宽所对应的VC通道来传送数据，当网络带宽空闲时，网管系统根据业务的优先级来决定是否添加突发带宽对应的VC通道；这种实现方式比较灵活，可以合理利用网络资源，提供和ATM相类似的服务，可能成为新的市场热点。 b.链路带宽指定以后新的VC通道的添加和删除根据不同用户需求，由网管人员利用网管系统来手工调整。 c.当LCAS的控制包由其它高层协议（如G-MPLS）来传送时，可以实现更加灵活的网络管理。 在具体实现中第二种方式用得较多，但是第一种方式和第三种方式的结合有着很好的应用前景。我们需要指出的是，由于GFP-T不支持带宽统计复用，所以LCAS对于采用GFP-T映射方式的业务数据，实际应用意义不大。 三、MSTP应用MSTP适应下一代城域网的特点, 下一代城域网应具有如下特点： 1、对多业务的支持能力 城域网在通讯网络模型中处于骨干网和接入网之间，由于接入业务的多样性决定了城域网应具有对多种业务的支持能力。 TDM业务和ATM业务在公众网业务总量中所占的比重虽然有越来越低的趋势，但是它依然是电信网中稳定收入的重要来源之一，在现代城域网中应对传统TDM和ATM业务提供支持；近年来IP业务经过爆炸式的增长，到2002年其在公众网中已经占将近90%的业务量，并且没有迹象表明这种增长势头会放缓，相反随着NGN概念的提出，IP业务的增长速度还会更快。所以现代城域网应该支持TDM、ATM、