运营级以太网中的OAM

admin

1、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、10 Gbit/s以太网和RPR（弹性分组环）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，存在大量各种类型的用户，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（运营管理和维护）协议，例如SNMP（简单网络管理协议）、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，将运营级以太网作为未来传送网的新选择。其中以太网OAM是研究的重点之一[2]。
　　运营级以太网的技术发展研究主要有两大方向：一是以IETF为代表的组织，希望通过与其他相关技术的结合来弥补以太网技术的天生不足，以满足运营级的要求；二是以IEEE和ITU-T为代表的组织，希望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，使之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（多业务传送平台）以及基于MPLS（多协议标签交换）的VPLS（虚拟专用局域网服务）。然而许多运营商不希望通过叠加建网来对二层以太网进行管理和维护，以免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。
　　MEF（城域以太网论坛）将运营级以太网纵向分成3层结构[3]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等标准组织紧密合作，不断制定出了满足运营级要求而又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OAM的需求与挑战
　　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。但是使这些简单管理有效的前提是以太网层工作正常。后来以太网技术通过与SDH/SONET或MPLS技术相结合，借助这些技术相对丰富的OAM机制来改善自己在这方面的不足。然而由于以太网技术引入了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的OAM功能。为了在以太网层能确定以太网虚链接（ethernet virtual connection，EVC）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（服务水平协议）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、诊断、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，甚至应用在大型的网络上。
　　●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，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[6]和Y.1731以太网OAM功能和机制[7]。
　　●MEF制定的EMS-NMS信息模型[8]、城域以太网网元管理需求[9]和以太网本地管理接口[10]。
3、运营级以太网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1所示，其中NE为网元），并从网络分层、子网划分、子网拓扑、网络连接4个方面对EMS（网元管理系统）与NMS（网络管理系统）接口进行规范。EMS-NMS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。即将运营级以太网划分为多个子网，每个EMS负责管理本子网内的网元设备，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　城域以太网的网络管理信息模型

　　在MEF的规范中，对于EMS-NMS接口的定义相对中性，只要求是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
　　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3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他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。其中运营级以太网被分为用户、业务提供商和运营商3个维护等级，分别对应不同的管理域。业务提供商负责端到端的业务管理，运营商提供业务传送。

图2　多域的OAM网络模型

　　图2中标识了维护实体端点（MEP）和维护实体中间点（MIP）的位置。其中对于点到点以太网连接，一个维护实体群（MEG）只包含一个维护实体（ME）；对于有N个端点的多点以太网连接，则含有Nx（N-1）/2个ME。MEP表示一个MEG的端点，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。MIP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IEEE 802.1ag中所用的维护关联与MEG的内涵一致，其维护实体端点和维护实体中间点与ITU-T中的也一样。
4、运营级以太网的OAM功能
　　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、环回、链路追踪、告警指示、远端故障告警和测试功能等。IEEE 802.1ag 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故障管理消息包括以下几点：
　　（1）连续性检查消息
　　以太网连续性检查功能是一种主动OAM功能，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、性能监测或倒换保护。
　　（2）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。IEEE 802.1ag CFM只定义了单播消息，而Y.1731定义了单播和组播两种类型。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，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。组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。组播环回功能是一种按需OAM功能，当在一个MEP上调用组播ETH-LB功能的时候，该MEP向组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。
　　（3）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：
　　●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MEP的序列。每个MIP和MEP可通过其MAC地址来标识。
　　●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。
　　（4）告警指示消息
　　当MEP检测到连接故障后，将以组播方式通告故障。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，告警指示可以有效地判断对端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，IEEE 802.1ag中不支持告警指示功能。
　　（5）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。
　　（6）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在进行有计划地管理/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。
　　（7）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或不中断业务诊断测试，其中包括对带宽吞吐量、帧丢失、比特错误等的检验。当执行这样的测试时，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。
　　（8）维护通信通道消息
　　以太网维护通信通道功能用于进行远端维护。维护通信通道功能为一对MEP提供一条维护通信通道。该功能只有Y.1731支持,但是并未定义具体的应用和协议。
　　（9）设备制造商专用和实验用OAM消息
　　Y.1731专门为设备制造商和实验用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使用，但是不可以跨越不同的管理域。这两种消息都用一个OUI字段以标识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，其他原因（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 802.1ag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]定义了下列性能参数：
　　（1）帧丢失率
　　帧丢失率用于描述在点到点ETH连接中，在时间间隔T内，丢失的帧数和发送的总帧数的比率。其中丢失的帧数是入口ETH点收到的报文和出口ETH点收到的报文之差。
　　（2）帧时延
　　帧时延可以用帧的双向时延表示。双向时延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。
　　（3）帧时延抖动
　　帧时延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时延抖动。
　　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。其可用性定义不在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定位于用户最后网络接口（UNI）的OAM协议，主要工作于用户边缘设备和提供商边缘设备之间。E-LMI使得业务提供商能够根据所购买的服务自动配置CE。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，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的帧格式
　　以太网OAM帧封装成以太网帧，通过新定义的以太网类型字段来标识。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（MEG level）标识OAM PDU所属的MEG的级别，范围从0到7。当客户、业务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MEL来区分嵌套于客户、业务提供商和运营商角色的OAM帧。客户、业务提供商和运营商也可通过相互协商的方式来修改缺省MEL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，其惟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、value）方式来表示。
　　对于OAM帧的处理和过滤基于以太网类型和MEL来进行。OAM帧的目的地址可以是组播的，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。
6、运营级以太网OAM的实施与意义
　　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。在故障管理方面，以太网OAM提供了故障发现、故障确认、故障隔离、故障通告和故障恢复功能。在性能管理方面，以太网OAM支持帧丢失、帧时延、帧时延抖动和业务可用性的度量。
　　对于故障发现，通过连续性检查消息可以检测到硬件和软件故障。而高频收发的连续性检查消息在大量EVC情况下的扩展性是实际应用中还存在一个问题，MEP和MIP的指配和发现等还需要进一步研究。对于故障确认和故障隔离，可以分别通过环回消息和链路追踪消息来实现。故障通告和告警可以由告警指示消息和远端缺陷指示消息来完成。故障恢复方面，ITU-T专门制定了以太网保护倒换的标准。
　　城域网具备“电信级”的保证能力是承载网络发展的必然要求，完善OAM功能是部署高质量的、高可靠性的数据网络的关键，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，以期弥补原有以太网在此方面的不足，增强其在连接监视、故障定位、告警指示和性能管理等方面的OAM能力，从而完善其对网络、设备和业务的管理与控制，满足运营商建设可运营、可管理、可盈利网络的要求。
　　参考文献
　　1　Zier L, Fischer W, Brockners F. Ethernet-based public communication services: challenge and opportunity.IEEE Communications Magazine，2004，42（3）:88-95
　　2　McFarland M，Salarn S，Checker R.Ethernet OAM: key enabler for carrier class metro ethernet services.IEEE Communication Magazine，2005，43（10）:152-157
　　3　Metro Ethernet Forum Metro Ethernet network architecture frame work-part 1.generic framework.Technical Specification MEF 4，May 2004
　　4　IEEE 802.1ag.Virtual bridged local area networks-amendment 5: connectivity fault management.Draft 5.2，December 2005
　　5　IEEE 802.3ah.Amendment: media access control parameters, physical layers， and management parameters for subscriber access network，2004
　　6　ITU-T Recommendation Y.1730. Requirements for OAM functions in Ethernet based networks，2004
　　7　ITU-T Draft Rec Y.17ethoam （Y.1731）.OAM functions and mechanisms for ethernet based networks，January 2006
　　8　Metro Ethernet Forum.EMS-NMS information model.Technical Specification MEF 7，October 2004
　　9　Metro Ethernet Forum.Requirements for management of metro Ethernet phase 1 network elements.Technical Specification MEF 15，November 2005
　　10　Metro Ethernet Forum.Ethernet local management interface （E-LMI）. Technical Specification MEF 16，January 2006
　　11　Metro Ethernet Forum. Ethernet services attributes phase 1. Technical Specification MEF 10, November 2004