道奇战斧参考:MSTP技术的演进

日期:2004-9-2 11:34:03   阅览数:12356 次  文章来源: 《网络通信世界》
[正文]
信息产业部电信研究院  刘册
摘要：MSTP作为一种新兴的承载多种业务的SDH接入设备，在近几年得到了快速发展和大量应用。本文对MSTP的发展过程进行了阐述和分析，介绍了其中的关键技术和不同阶段的特点。
关键词：SDH、MSTP、级联、LCAS、RPR、MPLS
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、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1
表1 SDH净荷装载单元
C-11
1.600Mbit/s
C-12
2.176Mbit/s
C-2
6.784Mbit/s
C-3
48.384Mbit/s
C-4
149.760Mbit/s
C-4单元的级联
C-4-4C
0.599Gbit/s
C-4-16C
2.396Gbit/s
C-4-64C
9.584Gbit/s
C-4-256C
38.338Gbit/s
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
MFI
SQ
CTRL
GID
RS-AcK
MST
CRC
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
VC（虚级联）信息
LCAS信息
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。
一、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.RPRallinance.org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。
笔者认为将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。
二、总结
在MSTP的演进过程中，从最初的传统SDH不能有效承载IP业务，到第一代MSTP能够“胜任”承载IP业务，再到支持RPR、支持MPLS逐渐“健壮”的MSTP，都是以实际应用为推动力的。可以想象，只要这种设备还有其存在的实用价值，就一定还会有其他功能或技术融入到MSTP中。但是，并不是功能越完善的网络就越具有先进性和竞争力，功能完善往往意味着高额的投入，高复杂度的维护、管理，可以说这就象一柄双刃剑。所以，我们不希望看到MSTP最终成为一个“全能的鸭子”，而是希望它能形成一个不断吸纳新技术的开放性的技术体系，使用户有多种选择方案。而真正投入到商业运行中可以根据实际情况选择最为贴切的一部分，这样才能保证MSTP的生存力。
另外，我们可以看到在网络的接入部分存在着太多的技术解决方案，有线接入有：城域以太网、MSTP、CWDM、XDSL等；无线接入有：3.5G、5.8、26G、点对点红外传输设备等。可以说，为我们构造了一个全方位立体性的接入技术体系。但我们喊了多年的“最后一公里”问题并没有得到明显的解决。所以很明显，技术现在并不是主要问题，而是我们应该为这些技术找到更好的应用点，使它们都能很好的发挥自己的作用，更好的为我们服务。
参考文献：
ITU-T G.7070 Network node interface for the synchronous digital hierarchy (SDH)
ITU-T G.7042 Link capacity adjustment scheme (LCAS) for virtual concatenated signals
IEEE 802.17 Resilient packet ring access method and physical layer Specifications
YD/T 1162.1-2001 多协议标记交换（MPLS）总体技术要求