浅析运营级以太网中的 OAM.doc

浅析运营级以太网中的OAM詹翊春1,21(华中科技大学计算机学院,湖北 武汉 430074)2(武汉烽火网络有限责任公司, 湖北 武汉 430074)摘 要:OAM是以太网技术从局域网主要组网技术向城域网和广域网组网技术发展过程中所面对一个主要问题。本文列举了运营级以太网对于OAM的需求和挑战，介绍了以太网OAM在标准和技术方面的最新发展，并对其相关标准、协议机制和实现与应用等进行了阐述和分析。关键词：运营级以太网、业务、OAM、故障管理中图分类号:TP393文献标识码: A OAM in the Carrier Class Ethernet NetworksAbstract: OAM is one of the key issues impacting the deployment of Ethernet into MANs and further into WANs. This paper presents the requirements and challenges of OAM in the carrier class Ethernet networks. Based on the development of Ethernet OAM standards and technologies, we analyze the corresponding protocols, mechanisms, implementations and applications.Keywords: Carrier Class Ethernet, Service, OAM, Fault Management1 引言以太网技术以其良好的经济性、互通性和易用性等优势得到了普遍应用。随着光以太网、10G以太网和RPR等技术和标准的成熟，以太网逐步向城域网和广域网发展，从而作为运营级传送网技术提供多业务承载。在城域网和广域网中，存在大量而复杂的用户，而且通常需要多个不同的运营商网络来协同工作以提供端到端的客户业务。随着以太网技术在运营网络中应用的不断增加，对其扩展性、可靠性、安全性和可管理性也在不断提出挑战1。然而原来用于局域网的以太网技术主要采用基于IP的OAM协议，例如SNMP、IP Ping和IP Traceroute等。为了实现与传统电信级传送网相同的服务水平，各研究团体和标准组织都在积极进行技术研究和标准制定，从而使运营级以太网作为未来传送网的新选择。其中以太网OAM(Operation, Administration and Management)就研究的重点之一2。运营级以太网的技术发展主要包含两大方向，一是通过与其它相关技术结合来弥补以太网技术的一些天生不足，以满足运营级的要求；二是从以太网自身的基本协议机制和帧结构出发，不断完善相关协议标准，从而丰富以太网的相关功能，从而成为运营级的网络技术。对于前者，现在已有大量商用解决方案，例如基于SDH/SONET的MSTP，以及基于MPLS的VPLS。然而由于许多运营商不希望通过叠加建网来为二层以太网络进行管理和维护，从而引入大量的开销和复杂度。他们更希望通过以太网自身的完善来提供运营级以太网业务。根据MEF将运营级以太网纵向分成的三层结构3,大家认为每层都应该具有基本的OAM能力。以太网业务层的OAM功能应独立于上层应用如IP层或底层的传输技术如SDH，这样可以采用不同的技术提供以太网业务。各层的OAM功能可以互相增强，并提供良好的故障和性能管理。现在IEEE 802、ITU-T SG13/15和MEF（Metro Ethernet Forum）等标准组织紧密合作，不断制定出满足运营级要求而又是基于以太网的新标准。OAM涉及的内容很多，现在标准制定工作主要关注的是故障管理和性能管理。这些协议标准互为补充，以期提供端到端的业务运营管理和维护能力。本文将基于上述标准和技术发展，阐述和分析运营级以太网的OAM多域网络模型、管理功能、协议机制和实现与应用。2 运营级以太网对于OAM的需求与挑战现有的以太网技术对于以上需求面临较大的挑战。原来用于局域网的以太网技术难以提供端到端的业务管理、故障检测和性能监视，主要采用基于IP的OAM协议，例如SNMP、IP Ping和IP Traceroute等来部分提供这些功能。但是这些简单管理有效的前提是以太网层工作正常。后来通过与SDH/SONET或MPLS技术相结合，借助这些技术相对丰富的OAM机制来增强以太网的在这方面的不足。然而以太网引入一种独特的层网络能力，因此所出现的故障模式可能仅仅与以太网层相关。以太网可以在多种不同的服务层上传送，而且它的客户层也是多种多样，非以太网的底层（服务层如SDH）或高层（客户层如IP）的OAM功能都不能替代以太网OAM的功能。为了在以太网层能确定以太网虚链接（EVC，Ethernet Virtual Connection）的连通性，有效地检测、确认并定位出源于以太网层网络内部的故障；并且可以衡量网络的利用率以及度量网络的性能，以便能根据与用户签订的SLA协议提供业务，以太网层需要提供一个完全不依赖于任何客户层或服务层的OAM机制。该需求对于运营级以太网的独立发展是至关重要的。运营级以太网OAM至少需要满足以下需求： 以太网层网络OAM功能不应该依赖任何特定的服务层或客户层网络。 按需和持续地校验EVC的持续性和连通性来确定被监视的EVC不存在故障。 如果出现故障，能检测缺陷、诊断缺陷、定位缺陷，通知网管系统并对该故障采取适当的措施。 OAM功能应该简洁而且易于配置，使得它能直接大范围应用，甚至在大型的网络上。 可以度量一个EVC的有效性和网络性能，如丢包率、时延、抖动等。 OAM功能应该要可靠地执行，甚至在链路劣化的条件下。这需要为OAM报文提供比特差错修正和检测机制。 支持针对运营商、业务提供商和用户提供分域的OAM。为了实现与传统电信级传送网相同的服务水平，各研究团体和标准组织都在积极进行技术研究和标准制定。现在标准制定工作主要关注的是故障管理和性能管理。现已完成或即将完成的包括： IEEE 802 工作组制定的IEEE 802.1ag CFM（Connectivity Fault Management）4和IEEE 802.3ah EFM(Ethernet in the First Mile)5。 ITU-T SG 13 Y.1730 以太网OAM的需求(Requirements for OAM functions in Ethernet based networks)6和Y.1731以太网OAM功能和机制(OAM Functions and Mechanisms for Ethernet based networks)7。 MEF制定的EMS-NMS 信息模型（EMS-NMS Information Model）8、城域以太网网元管理需求(Requirements for Management of Metro Ethernet Phase 1 Network Elements)9和以太网本地管理接口（Ethernet Local Management Interface）10。3 运营级以太环OAM网络模型 3.1 网络级管理架构为了兼容多种技术和多个厂家的设备，实现运营级以太网的统一网管，MEF提出了城域以太网的网络管理信息模型(如图l所示)，并从网络分层、子网划分、子网拓扑、网络连接四个方面对EMSNMS接口进行规范。EMSNMS接口将运营级以太网的管理分为两个层次：对网元设备的管理和对网络的管理。将运营级以太网络划分为多个子网，每个网元管理系统(EMS)负责管理本子网内的网元设备， 网络管理系统(NMS)不负责管理具体的网元设备。而是通过EMS-NMS接口管理EMS下的子网。由于呈现给NMS的是网络，因此可将各种网络资源进行抽象，以统一的方式实现多种网络技术的管理。图1 网络级管理架构在MEF的规范中，对于EMSNMS接口的定义相对中性，只是要求可以相对成熟的既有网管协议，例如CORBA (Common Object Request Broker Object)、SNMP(Simple Network Management Protocol)、JAVA或 XML等。3.2 多域的网络模型基于运营级以太网需要为不同的组织机构提供不同的管理维护范围和内容。通常有三种组织会涉及运营级以太网业务：用户（如专网用户）、业务提供商和网络运营商。用户向业务提供商购买以太网业务，业务提供商可使用他们自己的网络或通过其它运营商网络来提供端到端的以太网业务。IEEE、ITU-T和MEF统一了一个多域的OAM网络模型（如图2所示）。该模型在考虑商业模型时十分有用。运营级以太网被分维用户、提供商和运营商三个维护等级。分别对应不同的管理域。提供商负责端到端的业务管理。运营商提供业务传送。图2 OAM多域网络模型图2中标示了维护实体端点（MEG End Point）和维护实体中间点（MEG Intermediate Point）的位置。其中MEG（Maintenance Entity Group）是指维护实体群，对于点到点以太网连接，一个MEG只包含一个ME（Maintenance Entity）；对于有N个端点的多点以太网连接，则含有N(N-1)/2个ME。MEG端点表示一个MEG的端点，它能发起并终结用于故障管理和性能监控的OAM帧。OAM帧和普通以太网流量是区别开来的，但是却和以太网流量共用相同的转发流程，由此可以监控以太网流量。MEG中间点是MEG的中间节点，能够响应某些OAM帧，但不会发起OAM帧，对途经的以太网流量也不采取任何动作。在IEEE802.1ag中所用的维护关联（Maintenance Association）与MEG的内涵一致，其MA End Point和MA Intermediate Point分别与ITU-T的MEP和MIP对应。4 运营级以太网OAM功能概述4.1 故障管理运营级以太网业务级的故障管理主要包含连通性检测功能、环回功能、链路追踪功能、告警指示、远端故障告警和测试功能等。IEEE802.1ag CFM和ITU-T的Y.1731定义了主动（Proactive）和按需（On-demand）的故障管理机制。现已定义的OAM故障管理消息包括： 连续性检查消息以太网连续性检查功能是一种主动OAM(Proactive OAM)功能. 它可以用于检测处于一个MEG中的任一对MEP间的连续性丢失(LOC)，可用于检测两个MEG之间的错误连接，也可用于检测在一个MEG中出现与错误MEP相连的情况，以及其他一些缺陷情况。连续性检查消息可应用于故障管理，性能监测或保护倒换。 环回消息以太网环回功能用于检验一个MEP与一个MIP，或者一个MEP与对等一个或多个MEP间的连通性。该功能类似于PING。它是一种按需OAM功能，通常由管理者命令发起。IEEE802.1ag CFM只定义了单播消息，而Y.1731定义了单播和多播两种类型。单播环回检测是一种按需OAM功能，可用于检验MEP 和MIP 或者对等MEP 间的双向连通性。同时，也可以在一对对等MEP 间进行双向诊断测试，比如检验带宽吞吐量，检测比特错误等。多播环回功能用于检验一个MEP与多个对等MEP间的双向连通性。多播环回功能是一种按需OAM功能。当在一个MEP上调用多播ETH-LB功能的时候，该MEP向多播环回的发起者返回它所检测到的与其具有双向连通性的对等MEP的列表。 链路追踪消息以太网链路跟踪功能是一种按需OAM功能，可用于以下两个目的：a)邻接关系检索链路跟踪功能可以用于识别一个MEP和一个远端MEP或MIP之间的邻接关系检索。为了建立邻接关系，需要得到MIP和/或MEP的序列。每个MIP和/或MEP可通过其MAC地址来标识。b)故障定位链路跟踪功能可以用于故障定位。当发生故障（例如链路和/或设备故障）或者产生转发平面环路时，MIP和/或MEP的顺序关系很可能与预期的不同。这种不同的顺序关系就提供了故障位置信息。 告警指示消息当MEP检测到连接故障后，将已组播方式通告故障。以太网告警指示功能主要用于在检测到服务（子）层的缺陷情况后通告客户（子）层该以太网通道故障，同时抑制客户（子）层的警告，以免NMS对同一故障收到大量冗余告警。在点到点的EVC情况下，告警指示可以有效对端MEP的不可达。但是在多点EVC情况下，难以通过收到的告警指示来判断哪个对端节点失去了连接。此外，由于生成树协议（STP）提供了独立的恢复能力，因此告警指示功能不用于STP环境中。因此IEEE 802.1ag中不支持告警指示功能。 远端缺陷指示MEP使用以太网远端缺陷指示功能通知它的对等MEP它遇到了一个缺陷情况。例如信号故障和AIS等缺陷情况都能导致带有远端缺陷指示信息的帧的发送。只有当以太网连续性检查功能被激活时远端缺陷指示功能才会被使用。由于在多点EVC情况下，远端缺陷指示存在与告警指示同样的难以定位故障的问题，IEEE 802.1ag中不支持远端缺陷指示功能。 锁定信号消息以太网锁定信号功能用于MEP向它紧邻的客户层的MEP通告它的有计划的管理或者诊断行为。本功能使得客户层MEP能够区分缺陷情况和服务（子）层MEP进行有计划的管理/诊断行为时所可能导致的数据流量中断。其中引起中断的缺陷情况需要报告，而引起数据流量中断的有计划的行为则不需要报告。该功能只有Y.1731支持。 测试信号消息以太网测试信号功能用于进行单向按需的中断业务(out-of-service)或不中断业务(in-service)诊断测试，其中包括对带宽吞吐量，帧丢失，比特错误等的检验。当执行这样的测试的时候，MEP插入具有特定的吞吐量，帧尺寸和发送模式的带有测试信号信息的帧。该功能只有Y.1731支持。 维护通信通道消息以太网维护通讯通道功能用于进行远端维护。维护通讯通道功能为一对MEP提供了一条维护通讯通道。该功能只有Y.1731支持，但是并未定义具体的应用和协议。 设备制造商专用和试验用OAM消息Y.1731专门为设备制造商和试验用OAM预留了两个操作码。以太网设备制造商专用的OAM功能可以由设备制造商在其设备内使用，但是不可以跨越不同制造商的设备。实验用的OAM功能可以在一个管理域内临时地使用，但是不可以跨越不同的管理域。这两种消息都包括一个OUI字段来标示特定的制造商或管理域。利用802.1ag和Y.1731可以解决端到端业务管理中的大部分问题，但是有时候除了链路和节点故障外，其它原因（如转发表配置错误等）也会导致业务的中断。所以链路级管理对于以太网而言是另一个重要的故障管理部分。在这方面IEEE 802.3ah EFM专门针对点到点的以太网物理链路或仿真链路定义了监视和排错功能，特别被推荐在用户接入网络中使用。EFM定义的OAM功能包括设备发现、链路监视、远端故障指示和远端环回。4.2 性能管理性能监控功能可以测量各种性能参数用于差错性能测量，现在只有ITU-T的Y.1731定义了性能管理的相关内容。MEF考虑下一步对于ITU-T和IEEE 802.1g未涉及的内容进行补充。Y.1731只定义点到点ETH连接的性能参数，对于多点ETH连接的性能参数需要进一步研究。它基于MEF制定的以太网业务属性11定义了下述性能参数： 帧丢失率帧丢失用于描述在点到点ETH连接中，在时间间隔T内，丢失的帧数和总的帧数的比率。其中丢失的帧数是入口ETH点和收到的报文和出口ETH点收到的报文之差。 帧延时帧延时可以用帧的双向延时表示。双向延时指从源节点发送帧第一个比特的时间到同一个源节点收到帧的最后一个比特的时间间隔，其中的环回动作由帧的目的节点完成。 帧延时抖动帧延时抖动用于测量点到点ETH连接中，属于同一个服务等级的两个帧之间的延时抖动。另外，RFC2544中定义了一个性能相关的参数：吞吐量。吞吐量是指当没有丢帧情况下帧最大速率，通常是在测试条件下得到。此外，可用性定义不在Y.1731的范围内。不过该标准中相关的机制可以用于可用性测量。4.3 本地管理接口MEF参考帧中继的本地管理接口规范（FR-LMI），定义了以太网本地管理接口（E-LMI）。E-LMI定位于用户网络接口（UNI）的OAM协议，主要工作于用户边缘（Customer Edge）设备和提供商网络边缘（Provider Edge）设备之间。E-LMI使得业务提供商能够自动配置CE来匹配所购买的服务。通过E-LMI，CE可以自动收到VLAN到EVC的映射信息和相应的带宽与QoS设置。对于CE设备的自动配置功能不仅减少了业务建立的工作，同时也减少了业务提供商和企业用户间所需的协调工作。由此，企业用户无需了解对于CE设备的配置，由业务提供商统一配置管理，减少了人为误操作的风险。此外，E-LMI还为CE 设备提供EVC状态信息。因此如果EVC故障一旦被发现（如由802.1ag），该业务提供商边缘设备可以通知CE故障信息，以便快速地倒换接入路由。5 运营级以太网OAM的应用以太网OAM帧将封装成以太网帧，通过新定义的以太网类型（EtherType）字段来标识。OAM协议数据单元（PDU）的帧格式采用统一的帧头格式（如图3所示）。图3 OAM协议数据单元帧头格式其中MEL标识OAM PDU所属的MEG Level，范围从0到7。当客户、提供商和运营商的数据流不能通过ETH层封装的方法来区分时，就用8个MEG Level来区分嵌套于客户、提供商和运营商角色的OAM帧。客户，提供商和运营商也可通过相互协商的方式来修改缺省MEG Level的分配。OAM消息类型通过OpCode来标识。其中0到31由802.1分配，Y.1731采用此范围内与802.1ag相同的操作码来标识连续性检查、环回和链路跟踪消息。32到63由ITU SG13来分配，其唯一定义的性能管理消息采用此范围的操作码来标识。64到255预留给IEEE 802.1将来使用。各OAM消息的额外信息通过TLV（Type、Length和Value）方式来表示。对于OAM帧的处理和过滤基于以太类型和MEG Level来进行。OAM帧的目的地址可以是多播的，也可以是单播的，具体根据OAM功能而定，OAM的源地址则必须为单播地址。现在各标准组织所制定的以太网OAM相关标准从功能和范围上可以分为用于业务提供商UNI到UNI的业务层OAM、用于运营商的连接性OAM、用于物理链路监视的链路级OAM，以及以太网本地管理接口。这些协议标准互为补充，以期提供端到端的业务运营管理和维护能力。其体系架构如图4所示。图4 运营级以太网OAM功能的层次架构各OAM协议之间虽然有些内容是重叠的，但是只有相互配合使用，才能提供真正意义上端到端的以太网业务管理。这样在发生故障时才能快速地发现故障、确认故障，定位故障，通告故障，并采用相应措施及时恢复业务。同时提供一系列有效的性能管理机制来判定是否满足SLA的要求。当然，在实际应用中还存在一些问题。例如高频收发的连续性检查消息在大量EVC情况下的扩展性，MEP和MIP的指配和发现等还需要进一步研究。6 结论以太网技术不仅是交换技术能提供各种数据业务(E-LINE,E-LAN等)，而且能作为一种传输技术，为城域汇聚、骨干节点之间提供高速链路(千兆10G)。同时，以太网也面临诸多挑战，其中缺少运营级的OAM就是其中一个重要方面。各研究团体和标准组织都在积极进行技术研究和标准制定，本文基于相关标准和技术发展，阐述和分析运营级以太网的OAM域网络模型、管理功能、协议和应用。随着对其各方面研究的不断深入，相信运营级以太网必将成为城域网和广域网中广泛应用的电信级传送技术之一。Reference：1 Lothar Zier, W. Fischer, F. Brockners, Ethernet-Based public Communication Services: Challenge and Opportunity. IEEE Communications Magazine, March, 20042 McFarland M. Ethernet OAM: key Enabler for Carrier Class Metro Ethernet Services. IEEE Communication Magazine. November, 2005.3 Metro Ethernet Forum, Metro Ethernet Network Architecture Framework-Part 1: Generic Framework, Technical Specifica