MSTP技术及其应用研究

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信息产业部电信传输研究所 曹蓟光

一、概述
    “城域网”的概念在ITU的建议中并没有明确的定义，不同厂家、不同背景的研究人员对它有着不同的理解，一般是指：在地域上覆盖城市及其周边地区、在功能上为城域多业务提供综合接入、汇聚和传送的网络平台。
    城域网的概念最早来自于计算机局域网，在20世纪80年代末城域网主要采用校园网建设中广为采用的FDDI技术来连接多个局域网，数据速率一般在45Mbit/s到200Mbit/s之间，应用并不是很普及。但是随着SDH传输技术的发展和ATM交换技术的成熟，在相当长一段时间内城域网建设采用的是：SDH/SONET传输+ATM多业务交换的模式，由于SDH传输技术的可靠性与ATM对QoS的保证能力，这种模式在技术上是相当成功的，但是在实际建设和运营过程中却遇到了技术实现复杂和建设成本昂贵的问题，因此这种模式在市场运作中虽然占据了较大市场份额，但并没有达到预想的效果。
    随着INTERNET技术的发展和应用的普及，IP技术在电信网中所占的位置越来越重要，提出了NGN的概念，建设纯IP的下一代电信网络。现在纯IP城域网的建设方案中比较有影响的有：吉比特以太网方案、POS方案、EOS方案、RPR方案，这些方案具有建设成本低、组网能力强和应用灵活的特点，但是由于IP技术在QoS保证能力和网络故障恢复能力方面的欠缺，对于TDM业务的支撑能力比较弱。为了能够在向纯IP城域网环境过渡的同时保证对传统的TDM业务的支撑，现阶段城域网建设中比较可行的方案是多技术集成方案，这种方案综合了IP的灵活性、ATM的QoS支撑能力、SDH的快速自愈和WDM的大带宽等技术优势、通过各技术的融合来达到对多业务支撑的目的。
    多技术集成方式可分为两种：一种是立体式的集成，现有多种技术中的一种技术为基础技术，其他技术均建立在此技术的基础之上，如“SDH+ATM”的城域网建设方案中，ATM技术为基础技术，IP业务利用IP OVER ATM技术承载在ATM之上。它表现为协议的层迭和格式的多次封装与转换。另一种是扁平式的集成，多种技术并立，它们之间没有承接关系，利用新的技术作为这些技术的公共基础，减少协议层数，简化处理流程。这种集成方式不是各个分立技术的简单堆积，而是在这些技术基础上的创新，有着自己的技术基础。在这种类型的方案中最为典型的方案是MSTP，它们具有突出的技术优势和广阔应用前景。

二、MSTP技术
   （1）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，支撑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业务可以很好的支撑；技术的难点是如何利用SDH来支撑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->PP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）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业务较好的支撑能力等；
    2）支撑多种物理接口：由于MSTP设备负责业务的接入、汇聚和传输，所以MSTP必须支撑多种物理接口，从而支撑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（OC－N/STM-M）、以太网接口（10/100BaseT、GE）、POS接口。
    3）支撑多种协议：MSTP对多业务的支撑要求其必须具有对多种协议的支撑能力，通过对多种协议的支撑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）支撑多种光纤传输：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OC－48并可以扩展到OC－192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OC－3/OC－12开始并可以在将来扩展至支撑DWDM的OC－48。
    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）支撑动态带宽分配：由于MSTP支撑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的支撑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。

三、MSTP技术基础
    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所无法避免的只支撑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撑点到点拓扑结构的局限性，可以实现对不同拓扑结构的支撑；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ㄒ錑FP 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。
    （2）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撑带宽的充分利用。
    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。
大家需要指出的是，由于GFP-T不支撑带宽统计复用，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。

四、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：
    对多业务的支撑能力
    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撑能力。
    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业务提供支撑；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撑TDM、ATM、FR、IP等多种业务。
    组网能力和组网灵活性
    现代城域网基础技术应该提供较强的组网能力，除了要支撑环状和线形拓扑结构外，还应支撑网状、树型、星型、多环切接等组网方式，这样可以提高网络的可扩展性，便于灵活高效的配置系统环境。
    可靠性和稳定性
    现代城域网基础技术应该提供可靠的网络故障检测、告警和恢复能力，保证网络提供24X7的服务。电信级故障恢复时间应该小于50ms。
    原有设备的兼容性和互联互通能力
    现代城域网基础技术应该充分考虑到对现有技术和业务的兼容，从而充分保证电信运营商原有的投资。同时考虑到网络的可扩展性和协议的一致性，不同厂商设备的互联互通也是十分必要的。
    网络的可维护性和可监控性
    城域网与各级骨干网相比，最明显的特点是业务类型、业务流向、业务流量的不确定性。因此需要提供良好的网络管理能力。在传统电信网管系统中，通常传输系统和业务平台分别有自己的网管系统，甚至不同业务要采用不同的网管系统，网管系统在逻辑上的分离严重影响了网络的可维护、可监控性，业务开通和故障定位与恢复变得十分困难。这种状况要求现代城域网基础技术能够提供统一的网络管理平台，方便网络的维护和管理。
    网络协议的扁平化
    为了减少网络协议层次过多所带来的实现和管理上的复杂性，以及工作效率低、系统扩展性差的缺点，简化网络层次、优化网络结构、降低运营成本成为现代城域网建设基础技术的迫切需求。例如，过去由于技术的限制，IP业务的传送需要经过IP/ATM/SDH/WDM等多个协议的映射和转换，现在IP over SDH、IP over WDM成为了网络发展的重要趋势。
    尽管现在还存在着很多争论，但是对于“基于全光智能网络的纯IP电信网是未来城域网的理想解决方案”的看法，正逐渐被越来越多的人所接受和认可。从传统广泛应用的“SDH+ATM”的城域网向全光IP智能网络发展时，运营商要同时兼顾技术的先进性和对已有投资的兼容性，与其他城域网建设技术相比，MSTP可以很好的适应话音、数据、图像、IP 业务的传送要求，有着良好的性价比，同时由于MSTP与WDM的兼容，有利于向全光网络的平滑升级，这就使得基于SDH的多业务传送平台（MSTP）在相当长的一段时期内，有着广阔的应用前景和较大的潜在市场。