对于PTN技术的研究探讨.docx

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对于PTN技术的研究探讨

对于PTN技术的研究探讨

1.PTN的产生背景

运营商已经开始进入全业务运营时代。

全业务意味着融合，IP化是融合的基础。

ALLIP已成为当今业务发展的大势所趋。

在传统业务IP化的同时，天生具有IP血统的新业务蓬勃发展起来，而当前传输网和传统数据网络受其技术体制限制，已越来越成为业务、网络IP化发展的掣肘，于是，PTN技术在此背景下应运而生。

国内3G牌照发放以后，三大运营商都在进行IP化的转型。

移动网络的IP化比固网的IP化更复杂。

移动网络的IP化，除了传统业务IP化方面的需求，还对时钟、网络延时、可靠性和安全性要求较高，从而对承载网产生了新的需求。

当前移动IPRAN建设是业界关注的热点，传统的MSTP传送技术在承载效率、可扩展性和成本方面难以满足移动IPRAN的长期发展要求，需要一种基于分组的新型承载技术来替代MSTP，PTN技术的出现正好适应了这个需求。

由于IPRAN的需求融合了传输和数据的技术特征，在解决方案上也体现了多样性，除PTN技术外，还有MSTP的PTN改造、路由器增强方案。

据中兴通讯PTN国内市场总监王杨介绍，传统的SDH和路由器通过改造很难满足运营商的长久发展需求，尽管MSTP能够满足3G初期的需求，但在3G后期会出现动力不足，同时运营商在3G后期还有大量的承载传输网投资，MSTP的生命周期并不是很长，而运营商需要能够长久支持业务发展的网络，运营商移动宽带化和无线宽带上网的发展，对移动承载的传送需求量也非常大。

她认为，通过MSTP改造或者路由器改造来实现承载IP业务，将需要一定的周期，满足运营商功能需求的时间窗比较靠后，不适合运营商的长久发展和长久投资计划。

而PTN从一开始就是从致力于满足运营商的长远需求出发的。

随着3G网络的大规模部署,满足3G网络的底层传输需求是当务之急。

现有的SDH/MSTP/ASON传输网由于IP化不够彻底,使得在承载IP业务时效率较低,为适应未来网络发展和网络融合需要,采用PTN（MPLS-TP）技术、增强以太网技术和IP/MPLS等技术进行全业务统一IP化承载的多种技术由此应运而生。

2.PTN的基本概念和特点

PTN（分组传送网，PacketTransportNetwork）是指这样一种光传送网络架构和具体技术：

在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本（TCO），同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。

PTN具有以下技术特征：

1.采用面向连接的分组交换（CO-PS）技术，基于分组交换内核，支持多业务承载。

2.严格面向连接。

该连接应能长期存在，可由网管手工配置。

3.提供可靠的网络保护机制，并可应用于PTN的各个网络分层和各种网络拓扑。

4.为多种业务提供差异化的服务质量保障。

5.具有完善的OAM故障管理和性能管理功能。

6.基于标签进行分组转发。

支持双向点到点传送路径，并支持单向点到多点传送路径；支持点到点（P2P）和点到多点（P2MP）传送路径的流量工程控制能力。

7.分组传送网络包括3个PTN层网络，它们分别是PTN虚通道（VC）层网络、PTN虚通路（VP）层网络和PTN虚段（VS）层网络。

PTN的底层是物理媒介层网络，可采用IEEE802.3以太网技术或SDH、光传送网（OTN）等面向连接的电路交换（CO-CS）技术。

对于MPLS-TP技术，PTN的VC层即伪线（PW）层，VP层.

PTN=Packet技术+SDH传送技术

Packet技术：

分组内核，组网灵活，面向未来，HQOS能力支持业务精细化处理，带宽深度统计复用，严格的网络质量保障。

SDH传送技术：

基于硬件的丰富OAM和PS技术，E2E的网络管理，精准的时钟传送能力就实现方案而言，在目前的网络和技术条件下，总体来看，PTN可分为以太网增强技术和传输技术结合MPLS两大类，前者以PBB-TE为代表，后者以T-MPLS为代表。

当然，作为分组传送演进的另一个方向——电信级以太网（CE，CarrierEthernet）也在逐步的推进中，这是一种从数据层面以较低的成本实现多业务承载的改良方法，相比PTN，在全网端到端的安全可靠性方面及组网方面还有待进一步改进，L2/L3层交换能力。

3.PTN的关键技术

就实现方案而言，在目前的网络和技术条件下，总体来看，PTN可分为以太网增强技术和传输技术结合MPLS两大类，前者以PBB-TE为代表，后者以T-MPLS为代表。

当然，作为分组传送演进的另一个方向——电信级以太网（CE，CarrierEthernet）也在逐步的推进中，这是一种从数据层面以较低的成本实现多业务承载的改良方法，相比PTN，在全网端到端的安全可靠性方面及组网方面还有待进一步改进。

PBB-TE已经由IEEE802.1Qay进行了标准化。

根据目前的草案，只有以太网业务可以通过PBB-TE隧道进行承载。

这和T-MPLS的情况基本一致。

由于TDM、ATM和FR业务长期内还将与分组业务共存，演进后的分组网也必须要考虑到这部分业务。

与T-MPLS一样，一些厂家也提供一些私有的解决方案提供传统业务的承载。

PBB-TE组建未来的分组传送网络还存在另外的风险。

假设一个由100，000个节点构成的网络，一般通过将网络分割成几个子网。

每个子网内进行独立的保护和端到端的服务质量管理。

目前的PBB-TE还无法实现跨越的SLA，故障保护和诊断。

IEEE802.1agOAM对跨E-NNI的多个域的维护和保护还没有详细定义。

由IEEE802.1ah标准草案定义，全称为运营商骨干桥接技术。

PBB是采用MiM封装，PBB基于运营商MAC地址，而不是基于用户MAC地址转发流量。

因而这个MAC交换从某种角度上，也可以看成是MAC标签交换。

最新PPB标准草案目前采用如下的两种可选的帧结构：

一是原始PBB封装，采用了由IEEE定义的24位的I-SID标签；另一种是采用了由IETF定义的32位的MPLSShim标签，PBB技术的基本思路是将用户的以太网数据帧再封装一个运营商的以太网帧头，形成两个MAC地址。

PBB的主要优点是：

具有清晰的运营网和用户间的界限，可以屏蔽用户侧信息，实现二层信息的完全隔离，解决网络安全性问题;在体系架构上具有清晰的层次化结构，理论上可以支持1600万用户，从根本上解决网络扩展性和业务扩展性问题;规避了广播风暴和潜在的转发环路问题：

无需担心VLAN和MAC地址与用户网冲突，简化了网络的规划与运营;采用二层封装技术，无需复杂的三层信令机制，设备功耗和成本较低;对下可以接入VLAN或SVLAN，对上可以与VPLS或其他VPN业务互通，具有很强的灵活性，非常适合接入汇聚层应用;无连接特性特别适合经济地支持无连接业务或功能，如多点对多VPN（E-LAN）业务、IPTV的组播功能等。

PBB的主要缺点是：

依靠生成树协议进行保护，保护时间和性能都不符合电信级要求，不适用于大型网络;依然是无连接技术，OAM能力很弱;内部不支持流量工程。

在PBB的基础上，关掉复杂的泛洪广播、生成树协议以及MAC地址学习功能，增强一些电信级OAM功能，即可将无连接的以太网改造为面向连接的隧道技术，提供具有类似SDH可靠性和管理能力的硬QoS和电信级性能的专用以太网链路，这就是所谓的PBT（网络提供商骨干传送）技术，又称PBB-TE。

　　PBT技术的显著特点是扩展性好。

关掉MAC地址学习功能后，转发表通过管理或者控制平面产生，从而消除了导致MAC地址泛洪和限制网络规模的广播功能;同时，PBT技术采用网管/控制平面替代传统以太网的“泛洪和学习”方式来配置无环路MAC地址，提供转发表，这样每个VID仅具有本地意义，不再具有全局唯一性，从而消除了12bit（4096）的VID数限制引起的全局业务扩展性限制，使网络具有几乎无限的隧道数目（260）。

此外，PBT技术还具有如下特点：

转发信息由网管/控制平面直接提供，可以为网络提供预先确知的通道，容易实现带宽预留和50ms的保护倒换时间;作为二层隧道技术，PBT具备多业务支持能力;屏蔽了用户的真实MAC，去掉了泛洪功能，安全性较好;用大量交换机替代路由器，消除了复杂的IGP和信令协议，城域组网和运营成本都大幅度下降;将大量IEEE和ITU定义的电信级网管功能从物理层或重叠的网络层移植到数据链路层，使其能基本达到类似SDH的电信级网管功能。

然而，PBT存在N²问题，需要大量连接，管理难度加大;其次，PBT只能环型组网，灵活性受限;再次，PBT不具备公平性算法，不太适合宽带上网等流量大、突发较强的业务，容易存在设备间带宽不公平占用问题;最后，PBT和PBB多了一层封装，在硬件成本上必然要付出相应的代价。

T-MPLS技术

是分组传送层的数据平面技术，由IETF的MPLS数据平面衍生而来，两者具有相同的标签帧结构以及标签交换和转发机制。

T-MPLS是面向连接的分组传送体系，其核心是通过网管系统或控制平面建立端到端的标记交换路径（LSP），分组数据流在这条LSP上根据标签进行转发。

T-MPLS根据PTN的要求对MPLS技术要素进行了裁减，省去了所有3层功能和对建立连接不利的可选项如标签合并、PHP和ECMP等，增加了新的传送工具与操作定义，对OAM、保护和智能控制面等功能进行了扩展，例如实现了任意网络段之间的OAM监控和故障定位，包括跨越多个域的端到端网络，并提供连续性检测、错误前向、后向指示、环回和性能检测等功能，等等，通过完善的OAM工具实现全网操作的严格控制。

本节的以下部分分别介绍了T-MPLS的标准化现状和一些关键技术。

MPLS（多协议标签交换）的基本概念

MPLS使用短而定长的标签（label）来封装分组，在数据平面实现快速转发。

在控制平面，MPLS拥有IP网络强大灵活的路由功能，可以满足各种新应用对网络的要求。

1.转发等价类：

MPLS作为一种分类转发技术，将具有相同转发处理方式的分组归为一类，称为转发等价类FEC（ForwardingEquivalenceClass）。

相同转发等价类的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。

转发等价类的划分方式非常灵活，可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型、VPN等的任意组合。

例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一个目的地址的所有报文就是一个转发等价类。

2.标签：

标签是一个长度固定、只具有本地意义的短标识符，用于唯一标识一个分组所属的转发等价类（FEC）。

在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个FEC可能会有多个标签，但是一个标签只能代表一个FEC。

3.标签交换路由器LSR（LabelSwitchingRouter）：

是MPLS网络中的基本元素，所有LSR都支持MPLS协议。

LSR由两部分组成：

控制单元和转发单元。

控制单元负责标签的分配、路由的选择、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作；而转发单元则依据标签转发表对收到的分组进行转发。

4.标签交换路径：

一个转发等价类在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（LabelSwitchedPath）。

LSP在功能上与ATM和FrameRelay的虚电路相同，是从入口到出口的一个单向路径。

LSP中的每个节点由LSR组成。

5.标签发布协议标签发布协议是MPLS的控制协议，它相当于传统网络中的信令协议，负责FEC的分类、标签的分配以及LSP的建立和维护等一系列操作。

T-MPLS/MPLS-TP

　　T-MPLS最早由ITU-T提出，旨在用MPLS技术实现分组传送。

T-MPLS与MPLS采用了相同的转发机制，但T-MPLS简化了原来MPLS技术中与传送无关的三层技术，增强了OAM（Operation,AdministrationandMaintenance）和保护机制。

T-MPLS实现数据平面与控制平面分离，支持静态配置，在没有控制平面的情况下要能够正常运行；控制平面采用GMPLS（GeneralizedMPLS），为可选。

虽然IETF也定义了MPLSPing、BFD（BidirectionalForwardingDetection）和FRR（FastReroute）等机制，但这些OAM和保护机制，或者与IP绑定，或者功能有限，不足以支持传送网络的需求。

2007年，IETF成立MEAD（MPLSInteroperabilityDesignTeam）工作组，专门研究T-MPLS与现有MPLS技术的不同之处；ITU-T成立T-MPLS特别工作组（T-MPLSAdhocGroup），专门负责T-MPLS标准的制定。

这两个隶属不同标准组织的工作组合在一起，形成联合工作组JWT（JointWorkingTeam），一起开发T-MPLS/MPLS-TP标准。

随后，T-MPLS也更名为MPLS-TP。

MPLS-TP是ITU-T和IETF共同定义的，是T-MPLS和MPLS融合的结果。

这个标准的初衷是实现跨多个域的网络管理。

这个网络范围包括接入网，汇聚网和核心网，每一个子网都可以运行自己的MPLS和MPLS变种（动态的或者静态的MPLS）。

MPLS对于传统的TDM，ATM和FR的支持已经进行很好的标准化，并且具备大量的商用案例，这是未来MPLS-TP技术具备的巨大优势。

这些能力对于支持传统业务的迁移是非常关键的。

MPLS-TP引入了多样的标签结构和GE-ACHOAM分组。

这对于端到端，跨多个MPLS子网的OAM是非常关键的。

在ITU-T1711中引入了一个标签栈底S=1的路由告警标签，这个标签的格式由Y1731进行定义，用于端到端的OAM连接性管理和性能管理。

MPLS-TP中的动态标签和静态标签容易引起一些混淆。

根据最新的标准动态，倾向于使用OSPF作为路由，RSVP作为信令构成MPLS-TP的动态控制平面。

未来几个月的标准会议将就这些问题进行更详细的探讨。

目前MPLS普遍的做法是OSPF和RSVP作为控制平面，数据转发平面仍然使用二层传统的ATM、TDM、FR和以太网。

预计多数的分组传送设备制造商将在MPLS-TP标准化后快速跟进。

关键技术点

　　MPLS-TP对现有的MPLS技术进行了裁减，并补充了少量机制，将MPLS的分组特征与传统传送网络的运维能力相结合，以满足传送网络简单有效地支持分组业务的传送需求。

MPLS-TP使得SONET/SDH向基于分组的传送网络的演进成为可能。

以下介绍MPLS-TP的关键技术点。

架构：

MPLS-TP借鉴T-MPLS的分层概念，涉及PW（PseudoWire）、LSP（LabelSwitchingPath）和段层（Section）。

所有MPLS-TP机制都要同时考虑到对现有MPLS、PWE3（PseudoWireEmulationEdge-to-Edge）的兼容和扩展。

　　业务承载/隔离：

MPLS-TP与MPLS类似，可以通过PW来实现对多业务的承载。

另外，关于MPLS-TP与MPLS的互通也是最近的一个技术热点，大致有三种倾向：

一是通过MPLS标签的栈底标识（S比特）；二是通过PW封装；三是通过特殊标签。

采用何种方式目前尚无定论。

　　OAM：

OAM是MPLS-TP最核心的问题，也是T-MPLS标准出现变动的根本原因。

目前，OAM需求已经确定，MPLS-TPOAM报文头格式以及OAM基本框架也已基本确定。

　　保护：

保护是MPLS-TP又一个核心问题，特别是关于MPLS-TP环保护的需求，一直存在争议。

但在2008年12月的ITU-TSG15全会上，MPLS-TP环保护需求得到确认，已经写进MPLS-TP需求草案中，但实现机制是基于FRR还是共享环保护，或者另觅其它方法，目前尚无定论。

　　互通：

MPLS-TP的互通场景还有待进一步澄清，包括转发平面和控制平面。

只有互通场景明确后，研究互通处理机制才有意义。

　　控制：

MPLS-TP支持静态配置，要求在没有控制平面的时候也能正常运作。

MPLS-TP如果引入控制平面，可以考虑通过RSVP-TE建立LSP，通过LDP（LabelDistributionProtocol）建立PW；另外，控制平面也可能针对OAM和保护做出一些扩展。

T-MPLS/MPLS-TP与PBB-TE分别基于不同的技术，即MPLS与以太网技术，本质都是希望利用现有的分组技术，提供面向连接的分组传送网络。

技术上，均希望实现转发与控制平面分离，强化OAM与保护机制，以提供高可靠性、易操作、易维护、易管理等特性；但在应用前景方面，采用何种技术将取决于商业上的选择。

PTN网络的QoS技术机制

结合IP/MPLS的QoS技术，PTN的QoS机制主要包括：

流分类、流量监管、流标记、流量整形、队列调度和拥塞避免（随机早期检测）等。

1.流分类（trafficclassification），流是一组具有相同特性的数据报文，业务的区分可以基于数据报文流进行。

进行流分类的目的是区分服务，以便对数据报文进行区别对待。

2.流量监管（trafficpolicing），流量监管就是流分类后采取某种动作，用于限制进入网络的流量速率。

3.优先级标记（prioritymarking）：

为特定报文提供优先级标记的服务，根据DiffServ规范，PTN一般支持8类优先级。

4.流量整形（trafficshaping）：

流量整形可以限制流量的突发，使报文流能以均匀的速率发送，使业务流中的分组延时输出以符合业务模型的规定。

5.队列调度（CongestionManagement）：

当网络发生拥塞现象时，多个报文将同时竞争使用资源，网络上的转发设备如何制定资源调度策略，决定报文转发处理次序，这就是拥塞管理。

拥塞管理一般采用队列机制，内容包括队列的创建、决定报文的队列归属的流分类和队列间的调度策略。

4.PTN网络的生存性

PTN网络支持的保护方式分为以下三大类：

（1）PTN网络内的保护方式

PTN网络内的线性保护包括单向/双向1+1路径保护、双向1：

1或1：

N（N>1）路径保护、单向/双向1+1SNC/S保护和双向1：

1SNC/S保护，应至少支持双向1：

1保护机制。

　　PTN网络内的环网保护包括Wrapping和Steering两种保护机制，应至少支持一种环网保护机制。

（2）分组传达网与其他网络的接入链路保护

TDM/ATM接入链路的1+1或1：

N保护。

（3）双归保护

　　PTN网络内保护和接入链路保护相配合，实现在接入链路或PTN接入节点失效情况下的端到端业务保护。

具体实现机制待研究。

　　PTN的网络内保护方式应满足以下通用功能要求：

（1）PTN的保护倒换应支持链路、节点故障和网管外部命令的触发，并应支持各种倒换请求的优先级处理。

故障类型触发支持物理链路、VP/VC信号失效（SF）和中间节点失效，支持信号劣化（SD）。

外部命令触发支持锁定到工作、强制倒换、人工倒换和清除命令等网管命令。

（2）保护倒换方式包括支持单端倒换和双端倒换类型，支持配置为返回或不返回操作模式，支持等待恢复（WTR）功能的启动和等待恢复时间的设置。

　　（3）保护倒换时间。

在拖延时间设置为0的情况下，保护倒换引起的业务受损时间应不大于50ms（对SD触发的保护倒换除外）。

　　（4）拖延时间设置。

在PTN的底层网络（如WDM和OTN）配置了保护方式情况下，PTN网络保护方式应支持拖延时间的设置，可设置为50ms或100ms。

1.4PTN网络的OAM架构和功能要求

　　PTN网络的OAM功能包括PTN网络内的OAM机制、PTN网络业务层OAM机制以及接入链路层的OAM机制等。

PTN网络内的OAM分为告警相关的OAM、性能相关的OAM和其他OAM三大类，VC、VP和VS3层的OAM功能要求如表1所示。

其中，主动OAM是指周期性连续实施的OAM操作。

主动上报故障和误码性能的检测结果。

按需OAM指人工发起的有限次数的OAM操作，通常用于故障的诊断和定位。

可见，PTN网络的生存性还是很高的，易于管理和维护。

5.PTN技术发展现状及趋势

PTN技术的标准化进展和应用前景是业内最关心的热点问题之一,并且MPLS-TP的国际标准何时稳定将直接影响PTN何时能从“新技术引入”发展到“大规模应用”阶段。

目前MPLS-TP中还有3大关键问题有待标准化,其一是OAM问题,包括OAM分层机制、封装格式、OAM功能以及PHP和ECMP问题;其二是网络保护方面,包括保护需求、保护方式分类、保护实现机制以及保护倒换时间等。

另外是与IP/MPLS的互通问题,目前运营商的核心网都已采用IP/MPLS承载技术,因此,MPLS-TP与IP/MPLS的互通将影响其网络应用范围和业务运维模式,如能否实现跨IP/MPLS核心网的OAM、保护和管理。

但是,由于MPLS-TP在OAM、保护和控制平面存在一些关键问题待解决,因此,互通机制尚未进入实质化阶段。

PTN技术是现阶段理想的全业务统一IP化承载技术,不仅能较好地承载电信级以太网业务,而且兼顾了传统TDM业务,尤其是在3G基站、大客户专线等高品质业务承载领域,具有面向连接的多业务承载、50ms的网络保护、完善的OAM管理机制以及全面的QoS保障等核心技术优势。

随着PTN标准化的进一步完善,产业链的进一步发展,其技术与成本优势将更加明显,它将逐步发展成为高QoS业务的综合承载平台,并与IP/MPLS技术深度结合,推动全网融合。

经过分析对比,以PTN作为汇聚层、接入层设备完全独立组网,在核心层PTN与ASON/WDM/OTN核心设备联合组网的模式,凭借其灵活的IP业务接入汇聚能力以及强大的IP业务核心调度能力,有利于推动本地传输网向着统一的、融合的扁平化网络演进。

参考文献

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