新一代ＭＳＴＰ技术及其应用

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一、新一代MSTP技术的产生背景
多业务传送平台（MSTP）是指基于SDH、同时实现TDM、ATM、IP等业务接入、处理和传送，提供统一网管的多业务传送平台。作为传送网解决方案，MSTP伴随着电信网络的发展和技术进步，经历了从支撑以太网透传的第一代MSTP到支撑二层交换的第二代MSTP再到当前支撑以太网业务QoS的新一代（第三代）MSTP的发展历程。
    第一代MSTP。第一代MSTP以支撑以太网透传为主要特征。以太网透传功能是指将来自以太网接口的信号不经过二层交换，直接映射到SDH的虚容器(VC)中，然后通过SDH设备进行点到点传送。第一代MSTP保证以太网业务的透明性，包括以太网MAC帧，VLAN标记等的透明传送。以太网透传业务保护直接利用SDH提供的物理层保护。第一代MSTP的缺点在于：不提供以太网业务层保护；支撑的业务带宽粒度受限于SDH的虚容器，最小为2Mbps；不提供不同以太网业务的QoS区分；不提供流量控制；不提供多个业务流的统计复用和带宽共享；不提供业务层(MAC层)上的多用户隔离。第一代MSTP在支撑数据业务时的不适应性导致了第二代MSTP解决方案的产生。
    第二代MSTP。第二代MSTP以支撑二层交换为主要特点。MSTP以太网二层交换功能是指在一个或多个用户以太网接口与一个或多个独立的基于SDH虚容器的点对点链路之间，实现基于以太网链路层的数据帧交换。第二代MSTP保证以太网业务的透明性，以太网数据帧的封装采用GFP/LAPS或PPP协议；传输链路带宽可配置，数据帧的映射采用VC通道的相邻级联/虚级联或ML-PPP协议来保证数据帧在传输过程中的完整性；实现转发/过滤以太网数据帧的功能；提供自学习和静态配置两种可选方式维护MAC地址表；支撑IEEE802.1d生成树协议STP；支撑流量控制，包括半双工模式下背压机制和全双工模式下802.3x Pause帧机制。
     第二代MSTP相对于第一代MSTP的优势主要在多用户/业务的带宽共享和隔离方面，包括：提供基于802.3x的流量控制；提供业务层上的多用户隔离和VLAN划分；提供基于STP/RSTP等的以太网业务层保护倒换；一些还提供基于802.1p的优先级转发。但是，第二代MSTP的缺点也是明显的，包括：不提供QoS支撑；基于STP/RSTP的业务层保护倒换时间太慢；所提供的业务带宽粒度受限于VC，一般最小为2Mbps；VLAN的4096地址空间使其在核心节点的扩展能力很受限制，不适合大型城域公网应用；节点处在环上不同位置时，其业务的接入是不公平的；MAC地址的学习/维护以及MAC地址表影响系统性能；基于802.3x的流量控制只是针对点到点链路，不能提供端到端的流量控制；多用户/业务的带宽共享是对本地接口而言，还不能对整个环业务进行共享。
    第三代MSTP技术的诞生。第三代MSTP技术以支撑以太网业务QoS为特色。它的诞生主要源于克服现有MSTP技术所存在的缺陷。从现有MSTP技术对以太网业务的支撑上看，不能提供良好QoS支撑的一个主要原因是现有的以太网技术是无连接的，尚没有足够QoS处理能力，为了能够将真正QoS引入以太网业务，需要在以太网和SDH/SONET间引入一个中间的智能适配层来处理以太网业务的QoS要求。由此，以多协议标记交换（MPLS）为技术特点的新一代MSTP技术——第三代MSTP技术应运而生。
二、第三代MSTP技术——MPLS
多协议标记交换（MPLS）是一种可在多种第二层媒质上进行标记交换的网络技术。它汲取了ATM高速交换的优点，把面向连接引入控制，是个介于2~3层的2.5层协议。它结合了第二层交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和第三层的路由有机地结合起来。第三层的路由在网络的边缘实施，而在MPLS的网络核心采用第二层交换。
1．基本原理
在基于MPLS的第三代MSTP网络中，当IP 数据包进入网络时，由网络标记边缘路由器LER 对IP包头的信息进行分析，并且按它的目的地址和业务等级加以区分，通过转发等价类FEC将输入的数据流映射到一条LSP上，如此，FEC定义了一组沿着同一条路径、有相同处理过程的数据包。IP数据包分配到一个FEC后，LER就根据标记信息库LIB为其生成一个标记。通常，MPLS标记由32位组成，其中：20比特确定标记值、3比特的试验域EXP、1比特的栈底标志S和8比特的生存时间TTL，如图1所示。

标记信息库将每一个FEC都映射到LSP下一跳的标记上。转发数据包时，LER检查标记信息库中的FEC，然后将数据包用LSP的标记封装，从标记信息库所规定的下一个接口发送出去。当一个带有标记的包到达核心标记交换路由器LSR时，LSR提取入局标记，同时以它作为索引在标记信息库中查找。当LSR找到相关信息后，取出出局的标记，并由出局标记代替入局标签，从标记信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。当IP数据包到达MPLS域的另一端、并要退出MPLS网络时，位于此处的LER再剥去数据包的封装标记，并继续按照IP数据包的路由方式到达目的地。图2是MPLS的标记分组转发示意图。

2．网络结构
基于MPLS的第三代MSTP网络分为两层：边缘层和核心层，如图3所示。其中，边缘层完成IP数据包的分类、过滤、安全和转发功能，同时将IP数据包转换为采用标记标识的流连接，提供服务质量、流量控制、虚拟专网、组播等功能，针对不同的流连接，MPLS边缘节点采用标记分配协议LDP进行标记分配/绑定，LDP具有标记指定、分配和撤消的功能，它在MPLS网内分布和传递。而在MPLS的核心层同样需要LDP，但它只提供高速的标记交换，面向连接的服务质量、流量工程、组播控制等功能。这里尤其值得注意的是，MPLS网络采用了许多ATM的思想，如ATM 的服务质量分类和控制机制等。如果采用ATM作为MPLS的连接基础，那么MPLS 实际上可以继承ATM的诸多好处。

3．技术特点
MPLS技术结合了第二层交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和第三层的路由有机地结合起来；第三层路由在网络的边缘实施，而第二层交换则由MPLS网络的核心完成。这使得基于MPLS的第三代MSTP网络具有以下技术特点：
1) 网络中的分组转发基于定长标签，简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展到大比特级；
2) 充分利用原有IP路由，并加以改进，保证了MPLS网络路由具有灵活性；
3) 利用ATM的高效传输交换方式，同时抛弃了复杂的ATM信令，无缝地将IP技术优点融合到ATM的高效硬件转发中；
4) 数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的QoS保证；
5) 不但支撑多种网络层技术，而且是一种与链路层无关的技术，它同时支撑X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM……，保证了多种网络的互连互通，使得各种不同的网络传输技术统一在同一个MPLS平台上；
6) 支撑大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性；
7) 标签合并机制支撑不同数据流的合并传输；
8) 支撑流量工程、CoS、QoS和大规模的虚拟专用网；
MPLS是一种交换和路由的综合体，它将网络层路由和链路层交换融合在一起。现在，业界的几乎所有主要厂商和技术专家都参与了MPLS技术标准的制定，以便将目前的IP交换技术和ATM技术的优势充分体现在MPLS之中。
三、基于MPLS的第三代MSTP设备的性能优势
基于MPLS的第三代MSTP技术在以太网和SDH间引入了中间智能适配层，将以太网的业务要求适配、映射到SDH通道上，并采用GFP高速封装协议，支撑虚级联和LCAS。如此，使得基于MPLS的第三代MSTP设备具备了以往MSTP设备所没有的许多独特优势。
1．完美的“端到端”流控机制
传统的MSTP设备的流控机制主要基于802.3x的Pause机制或背压控制，只是针对点到点链路，没有端到端的流量控制能力。
第三代MSTP设备通过使用新一代MSTP技术——MPLS，不但支撑常规的802.3x Pause机制，而且使设备具有了对整个环路进行流量控制的独特功能。在产生阻塞时，能够根据权重因子调整每个Best Effort连接的带宽，实现端到端的流量控制。
2．独特的QoS保障机制
现有的MSTP设备不提供不同以太网业务的QoS区分，更谈不上具备端到端的以太网业务QoS保障。
为了克服现有的MSTP设备存在的不足，第三代MSTP设备通过引入先进的MPLS技术，使得其不仅支撑环网保护方式、支撑拓扑自动发现，更可提供独特的端到端业务QoS保障机制。当采用Packet Ring（PR）组网时，以太网共享环的容量可为4－8个VC4。PR单元板可利用所分配的时隙，通过采用MPLS的机制提供灵活并具备良好QoS性能的以太网业务功能，提供核心层的环网保护。基于Packet层面的保护倒换可保证小于50ms，真正的电信级质量。各连接承载的业务都允许具有保障(Guaranteed)/规整(Regulated)/尽力而为(Best Effort)等不同的业务SLA/QoS，可以同时承载多个QoS以太网业务流。目前，各业务流的带宽粒度达到500kbps，不久各业务流的带宽粒度将可小达100kbps；除了QoS业务流外，各Best Effort业务在网络发生阻塞的情况下可以按照不同的权重因子(通过网管配置)公平竞争余下的可用带宽。
3．公平的接入机制与合理的带宽动态分配机制
常规MSTP设备在接入和带宽分配方面采用优先级机制，当网络发生拥塞时，优先级底的将被限制。显然，这种机制缺乏公平性和合理性。
基于MPLS的第三代MSTP设备支撑带宽公平接入机制和拥塞控制机制，采用加权公平算法来控制带宽的利用，保证每个节点都获得自己应得的环路带宽份额；由此，既保证了接入的公平性，又具备带宽动态分配的合理性。这种机制能充分满足电信运营商进一步细分业务的特殊需要。图4为基于MPLS的第三代MSTP设备支撑带宽公平接入机制和合理带宽动态分配机制的一个例子。

另外，现有的MSTP设备的多用户/业务的带宽共享是对本地接口而言，不能对整个环业务进行共享。而基于MPLS的第三代MSTP设备可对整个环业务进行带宽共享。
4．强大的VLAN支撑能力
根据现有MSTP技术，VLAN有4096的地址空间限制。在常规MSTP实现中，VLAN地址不允许被重用，例如：如果VLAN ID=1给用户A使用了，那么另外一个用户B就不能使用同一个VLAN ID=1。
基于MPLS的第三代MSTP设备具有强大的VLAN支撑能力。通过嵌入二层MPLS技术(Martini MPLS)，从根本上解决了4096的VLAN地址空间限制，允许不同的用户使用同样的VLAN ID，使设备所支撑的VLAN数目达到现有设备的256倍。这是实现用户隔离并最终实现光城域公网的最新技术。图5显示了基于MPLS的第三代MSTP设备对VLAN的强大支撑能力。

海贝尔阿尔卡特的第三代MSTP设备（基于MPLS）具有对以太网的QoS质量保证机制、小于50ms的分组环保护功能和最新一代VLAN用户隔离技术等优越特性，为电信运营商开展“高质量租线”等各种新业务、建立新一代可赢利光城域网奠定了技术基础。
5．ATM方面的独特优势
基于MPLS的第三代MSTP设备在ATM方面具有独特的优势：
（1）具有大范围的VPI/VCI 值
通常，随着业务的发展一台DSLAM上会有更多的用户接入，由此也需要设置更多的VC用于传输ADSL业务；因此，用于连接BAS和DSLAM的MSTP须支撑较大范围的VPI/VCI值，特别是VCI值的范围。
基于MPLS的第三代MSTP设备具有完全的ATM业务交换能力，且单盘交换容量可以达到1.2G的规模。设备具有的强大ATM交换能力给其应用带来了极大的灵活性。它不但极其适合宽带接入的业务汇聚层，同时也可用于ATM业务传输层。用户的组网结构可采用多级多层结构或对等的平面式结构。带ATM单盘的第三代MSTP设备完全可以组建功能完善的ATM网而不需要其他设备。如图6所示。

（2）实现Soft PVC配置。
在网管的配合下可以实现Soft PVC配置。一条VP/VC的建立过程由设备自动实现，无须人为干预。即：设备完全支撑PNNI信令，实现端到端的VP/VC自动配置，无须人为设置路由。该项功能的实现使得MSTP网既是SDH网络又是ATM网络。在网管的支撑下，端到端的业务配置可以轻松完成，端到端的SDH和ATM业务的管理也得以实现。
（3）细粒度、多等级的映射带宽配置。
设备支撑ATM业务映射入VC4， VC4-4C， VC3， VC12。这样剩余带宽的利用率提高，并且ATM业务也可从2M，34M，155M及622M接入，方便与不同类型、不同端口的ATM接入设备的对接；并且，接入端口与MSTP的PDH或SDH端口共用，这既节约用户成本，也便于用户灵活配置。
（4）支撑流量整型。
设备支撑流量整型，UNI 接口的汇聚接入设备的流量规程；同时支撑多种业务合同（traffic contract）。特别，流量整型功能可对突发性数据业务（如：Internet访问）做到平滑响应，而不会给用户以响应时快时慢的感觉。
（5）很小的ATM业务信元处理时延。
设备应具有很小的ATM业务信元处理时延，两个配置ATM盘的MSTP节点间的ATM业务信元传输延迟尽量减小，这对于日后开展实时ATM业务（如VDSL）处理极其有利。
（6）业务接入端可以是UNI和NNI接口，并可配置。
设备的业务接入端可以是UNI和NNI接口，并可配置；如此可以方便地用于ATM接入设备（如DSLAM）和网络设备（骨干ATM交换机）的连接。
四、基于MPLS的第三代MSTP技术应用
MPLS是处于第二层和第三层之间的一种技术，它紧密地将第二层和第三层结合在一起，充分发挥了第二层的交换、流量管理上的优势；同时，它还兼有第三层路由、寻径的灵活性。因此，目前基于MPLS的第三代MSTP技术应用主要围绕这两个特点来实现。即：一种是用MPLS来实现基于IP的虚拟专用网（VPN），另一种是用MPLS来作流量设计（TE）。
1．MPLS虚拟专用网
目前，MPLS VPN是一项最热门的MPLS技术应用。它可分为二层（L2）MPLS VPN和三层（L3）MPLS VPN两类。当前，利用MPLS技术实现VPN的方案有多种，但比较成熟、获得最多厂商支撑的是Martini方案。
基于MPLS的L2 VPN Martini解决方案定义了二层的封装方案和二层传输的信令方案。可支撑的二层技术主要有：帧中继、ATM透明信元模式、以太网、以太网VLAN、HDLC、PPP、SDH链路仿真服务等。Martini方案引入VC（虚连接）标记的概念，VC标记通过MPLS标记栈的方式在由MPLS LSP构建的隧道中进行复用。隧道LSP的建立方式有多种，可使用LDP方式或者RSVP/CR-LDP等信令协议。
MPLS VPN适用于实现对于服务质量、服务等级划分以及网络资源利用率、网络可靠性有较高要求的VPN业务。目前，无论是在电信运营商和设备制造商中都是一个热点。
2．MPLS流量工程
MPLS流量工程TE是指为了平衡网络设备的流量，根据数据流量进行路径选择的过程，主要用于提高网络运作效率与可靠性，并优化网络资源利用和流量性能。在MPLS上实现流量工程，要考虑三个基本步骤：首先是如何将用户的数据包映射到FEC上；其次是如何将FEC映射到流量中继上；最后是如何将流量中继通过LSP映射到网络的实际拓扑上。
MPLS TE通过将流量倒入指定的路径来实现其功能，其主要包括：流量统计分析、流量优化、网络保护和提供服务质量等。目前，很多运营商正开展这方面的试验。
五、总结
基于MPLS的第三代MSTP的出现使其成为2003年城域光传输网领域的新亮点。第三代MSTP在全面克服前两代MSTP系统缺点的基础上，在传统以太网和SDH间引入中间智能适配层，使用最先进的二层MPLS交换技术和分组环等新技术，支撑业务端到端的QoS、VLAN地址重用与扩展以及OVPN等，使实现电信级城域公网成为可能。
上海贝尔阿尔卡特在通信技术研究和设备开发上将始终站在业界的前列，领先推出了基于MPLS的第三代MSTP OMSN系列产品，其性能全面覆盖了上述新一代MSTP设备具有的所有特征。上海贝尔阿尔卡特性能优越的第三代MSTP设备将帮助运营商率先为客户提供高质量的多业务传输平台，提供新一代电信级以太租线业务，为运营商抢占城域业务的先机创造了有利条件。