下一代分组传送网的新技术发展走向

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1、传送网的发展现状与面临的挑战    1.1从MSTP谈起
    以MSTP/ASON为代表的传送网技术有许多新特点。MSTP在传统SDH基础上，通过IP/ATM等多业务接入能力的引入，在业务接口上提供了以太网类接口和ATM类接口，是一个可以直接同数据业务进行接口的传送平台。在现有网络环境下，MSTP在承载原有TDM业务的同时，可以开展多种高可靠性、大容量的新业务，如以太网专线、点到多点以太网、以太环网等业务；为大客户提供综合接入；实现DSLAM到BRAS的接入与汇聚；作为3G业务的传输手段等。
    无论从提供的业务还是从名字上看，这种系统已经在传送上实现了多种业务的相对融合。当新业务（或者其接口）出现的时候，系统似乎只需要添加相应的接口便可以了。那么为什么说从发展的角度看，这种已经比较完善的架构不是下一代的方向呢?
    在回答这个问题之前，我们先来回顾一下传送网发展的历史。图1抽象地显示了传送网发展的历史。光通信伊始，人们开发了PDH设备（图1a），该类设备在业务接口侧提供了2Mbit/s（或1.5Mbit/s）的基群接口。虽然有被称作是光的处理，但基本上是5B/6B码型和1B1H码型的电信号层处理。

    图1 传送网的演进

    自20世纪90年代开始，SDH设备（图1b）通过同步性能的改善，首次提供了灵活的业务颗粒（如虚容器VC-12和虚容器VC-4）调度能力，将传送网的组网和保护功能发挥的淋漓尽致。因而，SDH技术作为传送网主体技术以其特有的优势在传送网中占据了绝对主导地位，为电信运营商业务的发展发挥了巨大作用。
    WDM设备（图1c）则首次拓展了光领域，充分利用光纤通信的波分特性，大大提高了传送网的容量。自20世纪90年代中期商用以来，WDM系统发展极为迅速，已成为实现大容量长途传输的主流手段。不过，现阶段大多数WDM系统主要用在点对点的长途传输上，联网依然在SDH电层上完成。在条件许可和业务需要的情况下，在WDM系统中有业务上下的中间节点可采用OADM设备（图1e），从而避免使用昂贵的OTU进行OEO变换，节省网络建设成本，增强网络灵活性。目前具有固定波长上下的OADM已经广泛商用，而能够通过软件配置灵活上下波长的动态可重构OADM（ROADM）也开始步入市场。同时随着160×10Gbit/sDWDM系统的成熟，在业务量大的地区新建WDM系统已越来越多地引入80/160×10Gbit/s的系统。
    面对电信业务的加速数据化和IP化以及多样化的业务环境，SDH技术加强了支撑数据业务的能力并向多业务平台发展，形成SDH多业务平台（MSTP）（图1d）。SDH多业务平台的基本思路是将不同的业务，通过VC级联等方式映射进不同的SDH时隙，而SDH设备与二层设备乃至三层分组设备在物理上集成为一个实体，构成具有业务层和传送层一体化的网络节点。
    作为SDH设备的改进，MSTP所改善的是在用户接口一侧，但是内核一侧却仍然是电路结构。因此，可以说MSTP技术向包处理或IP化的程度不够彻底。随着TDM业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟，传送设备要从“多业务的接口适应性”转变为“多业务的内核适应性”（图1e），分组传送网迎合了这种趋势。
    1.2下一代传送网面临的挑战
    当以“三超”（超大容量、超高速、超长距离）DWDM为代表的传输技术在扩展着自己领域的时候，传送技术在业务接口侧出现的问题——业务的接口不匹配导致业界必须重新审视和探索新的传送网结构。
    随着以Internet为代表的数据业务和多媒体业务的不断发展，电信运营格局的变化，业务的传送环境发生了很大变化。传送网在图1所示业务接口层的基础结构被打破了，以2Mbit/s（或1.5Mbit/s，或SDH155Mbit/s）为颗粒的基本单位不再是普遍的用户接口。新业务的接口主要是针对数据应用，同时一些传统的业务也转移到IP的承载方式，如VoIP语音业务。业务的接口形式也变成了以太网接口、POS接口以及少数的ATM接口。
    应当说，作为传送技术与数据通信技术融合（某种意义上的妥协），MSTP传送技术及设备在传送网向分组传送（交换）方向前进了一步。MSTP中通过使用GFP封装、VC虚级联、LCAS（链路容量调整）等关键技术，对新业务提供延伸的接口。引入MSTP以后，对于现有的IP城域网和ATM网，MSTP可以为其提供接入和汇聚，扩大以太网业务与ATM业务的覆盖范围，确保各网络协调发展和相互配合，因而MSTP上通过数据接口功能的增加，实现了对现有数据业务的有效补充，保护了现有投资。
    但是MSTP传送技术及设备也碰到一些制约因素（障碍）。首先，利用MSTP实现各类业务网在汇聚层和接入层的合网建设，必然会带来如何进行网络和业务管理等问题，因此在引入MSTP的同时，还要注意适当重组业务流程和网络管理流程，以适应业务综合和网络融合的趋势。其次是MSTP处理颗粒（接口速度）的不匹配：MSTP以2Mbit/s速率及其虚级链来转送以太网业务，这就如同拿一把尺子来称苹果的重量一样不太合适。事实上，MSTP的内核是VC-12或者VC-4的交叉粒度来完成以太网的分组传送。在面向群路侧的处理对象是VC-4，不清楚也不能适应VC-4内包的传送。对于以太网而言，包长是变化的，流量是突发的。传统的SDH传送网对于基于分组化的业务和新的业务提供方式，存在着诸如业务指配处理复杂，带宽效率低，成本高，网络扩展性差等缺点。对于MSTP的交换平台，核心结构为交叉式电路方式的时隙交换，不能有效利用统计复用特性。
    既然MSTP在下一代传送技术候选存在问题，那么当今市场上的宠儿ASON能否就是下一代网的雏形呢?答案也是否定的。ASON严格来说不是一种传送设备，毋宁说它是一种控制平面。而且当今的ASON的连接或是ASON设备的处理粒度也是VC-4，即便是将来可以在基于波分层面的2.5Gbit/s的调度和基于VC-12颗粒的调度，其所处理的对象也无根本性的变化。
    根本的原因在于，IP包交换无疑已经牢牢占据了现代网络的统治地位。因此下一代的承载传送网必然是基于分组的。但是传送网分组交换的具体方式是怎样的呢?传送网在传送数据大量增加，数据传输容量超过电路交换的同时，专家们开始重新审视下列核心问题：传送网的核心处理机构是什么?核心处理机构对传送网新的处理对象是什么?以传送为目的的处理层次又是什么?
    传送网是否需要将包的处理技术全盘拿来?典型的，是否需要将以太网的2层处理技术，或者是3层处理技术作为传送的处理，例如可以直接处理IP包呢?
    早期的研究提出了IPoverWDM的概念，连所有2层功能都舍弃，将IP包直接调制到波长上，似乎路由器接一个光接口就是未来的网络。这种模型认为IP等数据包通过相应的封装技术（例如POS、GFP）就可以直接由WDM或OTN网络传送，从而省去了ATM甚至SDH/SONET层面。同时，只需过度建设（Overbuild）超大容量的光传输网，IP业务的业务质量（QoS）就可以得到保证。然而，这种网络模型被证明是一种价格昂贵的建网方式，其主要原因是IP路由器的POS（PacketoverSDH/SONET）接口和WDM系统的波长转换器（OTU）价格都较昂贵，采用过度建设（Overbuild）的策略将使网络成本居高不下。
    另外的研究认为，传送网如果要发展，必须要增加传输设备的协议处理层次，到ISO七层协议的2层和2层以上进行处理。对上述问题的回答可以说是众说纷纭，莫衷一是。
    其实ATM的方向的初衷是对的，那就是使用标签技术。只不过是，ATM技术考虑对业务的界面不够友好，业务在封装成53byte信元的时候，有5byte的开销（被称为“信元税”）。其核心原因是只考虑了交换与传输技术的技术要求，而对业务接口的兼容性考虑不够。其次，由于实际的网络中人们已经普遍采用IP技术，纯ATM网络已经不可能。不过既然现有ATM传送网络都是用来承载IP，如此人们就希望新建的分组传送网也能像ATM一样提供多种类型的承载能力。
    2、传送网体系架构的要求
    2.1具有面向包的处理能力通用平台
    尽管IP数据业务所占用的带宽已经在某些运营商的网络中超出了传统的语音业务所占用的带宽，可是从业务收入角度来说，语音业务的收入现阶段仍然是运营商最主要的收入来源。因此，有必要建立一个新的传送网络体系结构，既可以面向包括传统语音业务在内各种业务接口，又可以具有统一的处理平台，以便更经济有效地支持大容量的多种业务的应用。
    这种新的传送网络体系结构不会凭空产生，而应该兼容现有的协议，在各种协议“你中有我，我中有你”的现实环境中定义自己的位置。这就需要传送网络体系结构是具有包的通用处理能力的平台，具有通用的层间接口协议，既可以接受各种客户层协议，也能利用各种下层协议（服务层）提供的连接路径（trail）或服务。
    同时这种新的传送网络体系结构需要考虑IP数据业务量的突发性和不确定性，这需要为传送它的光网络带宽实行动态分配和调度以实现有效的网络优化，这种优化可以减少全网中所需光接口（POS接口和OTU接口等）和相应波长的数目，既大规模降低建网成本，又提高带宽利用率。
    再者，对于实现TDM业务的无缝连接来说，可采用电路仿真业务的方式解决业已存在的电路型业务（POTS6，E1/T1和N×64kbit/s等业务）。
    2.2具有极强的可扩展性
    目前主流的2层协议例如以太网协议的可扩展性存在问题。主要表现在以下4个方面：VLAN的标签空间太小，只能有4096个VLANID；生成树过大；MAC地址表巨大（而运营商网络有几万个到几十万个主机）；安全问题。从数量来讲运营商网络有几十万个虚连接，带宽在10Gbit/s以上。802.1ad标准通过定义StackVLAN解决了虚拟VLAN的标签空间太小的问题。
    但是上述生成树过大和MAC地址表巨大的问题依然存在。解决这些问题显然需要将运营商网络同用户的网络隔离，同时网络使用层次化结构是解决可扩展性和安全问题所熟知的方法。
    2.3具有运营管理维护（OAM）和保护
    运营管理维护（OAM）特性上应该具有业务管理特性，如提供快速业务生成，运营级的OAM能力以及保护能力等。
    快速业务生成隐含着具有业务（业务产品）的再工程设计能力。由于业务的不确定性，运营者必须快速反应，调整业务或有限的扩展业务。这将增加系统的业务（业务产品）的再（重新）工程设计能力，可以平滑过渡到新的运营形式，从而影响成本，降低再投入。
    运营级的OAM能力通常需要系统管理业务具有端到端业务服务等级协议（SLA），例如端到端的CIR和EIR，和采取连接故障管理等措施。
    保护特性上的典型要求是50ms的保护倒换时间，端到端的通道保护以及群路线路保护和节点保护。
    3、分组传送网技术的研究走向
    今天围绕分组传送网架构，只有两种技术在可扩展性和可管理特性上满足要求。即以太网包传送（EOT）技术和多协议标记交换/伪线仿真（MPLS/PW）技术。这两种技术都能支持多协议包的传送，都具有全球范围内的可扩展性。以太网技术具有成本低、具有本征的多播支持能力和较好的管理能力，所以以太网包传送（EOT）技术基本上在现有以太网技术上进行改进，添加标签或帧头。而MPLS技术则是成熟的标签交换协议，具有较为成熟的流量工程（TrafficEngineering）能力和保护机制。
    3.1基于以太网的包传送技术
    既然以太网是一种用户领域的技术选择，因而排除可能出现的互通问题，利用和保护客户驱动的投资，把以太网技术加以改进作为在运营商领域一种选择，是很自然的事。然而传送技术的转换是一个长期过程，也意味一种承诺。其结果是新技术大规模应用的先决条件必须是具有比较综合全面的功能。从运营商的角度来说，现有的以太网技术还缺乏上一节所说的OAM能力，流量管理能力和可扩展性。
    近来以太网技术发展很快，许多以太网的基本问题已经得到较充分研究，取得了一些里程碑式的成果。典型地，针对以太网的包传送技术主要成果（标准）有PBB（ProviderBackboneBridge）、PBT（ProviderBackbone Transport）以及ITU正在定义的EOT（Ethernet over Transport）。
    3.1.1PBB技术
    所谓PBB又称为MACinMAC，由IEEE802.1ah工作组制定。PBB以太网的包传送技术主要目标是允许由802.1ad所规定的提供商网桥网络在数量上支持224个业务VLAN，同时定义了提供商网桥骨干网络（PBBN）的架构和桥接协议，实现多个提供商网桥网络的兼容和互联。其主要方法如下。
    为在数量上提供224个业务VLAN，制定了业务VLAN的标签（Tag）格式I-TAG，用来标识不同业务VLAN。
    规定了骨干网VLAN的标签格式B-TAG，用来标识骨干网上不同的VLAN。
    规定了4种类型的提供商骨干网桥（节点）。第一种网桥包括一个I成份（可以识别和封装业务VLAN）；第二种网桥包括B成份（只识别B-VLAN）；第三种网桥包括一个I成份，一个B成份，这3种是骨干边沿桥（BackboneEdgeBridge）；最后一种就是原来普通的提供商网桥（802.1ad）。
    在保留和修改原以太网MAC服务、维护每种业务的服务质量、与用户的数据隔离等功能的基础上，定义了PBB网络的操作原理。
    规定了提供商网桥到提供商骨干网桥的接口形式。该接口形式通过I和B成份的配置和操作来构成：
    （1）可提供端口形式（PortBased）的透明接口；
    （2）可提供一个S-TAG接口；
    （3）可提供一个I-TAG接口。
    这种在以太网领域新的革新将极大地增强以太网的可扩展性和其作为传送网络技术的能力。据此，以太网取得了允许网络层次化的可扩展性，实现了完全同用户广播域的隔离，是以太网向运营级网络迈出的重要一步。
    在MACinMAC封装的基础上，如果采用流量工程一类的功能仍然存在一些缺陷：（1）流量工程要求在多种方式路由交通流量，以便实现运营设施的充分利用。（2）流量工程要求具有强制或约束性的路由管理以及业务的接入控制，实现业务保障性。（3）保护能力要求一些业务具有迅速恢复能力。例如一些网络要求在20ms的时间内从故障中恢复。（4）保护必须支持流量工程，并具有全部的QoS保障。
    3.1.2PBT技术
    PBT是提供商网桥（PBB）的改进，允许配置流量工程和保护点到点业务实例（Pt-PtServiceInstance）。PBT在几乎是标准的提供商骨干网桥（PBBN）上添加路由配置，PBT配置和管理的方式是配置点到点骨干链路（Trunks或业务实例），每个Trunk由16bitVLANID和96bit的源/目的地址对组成标识。
    PBT完成上述功能的具体方法如下。
    将B-VID地址空间分成一般的802.1ahPBBVID和PBT的VID。
    *PBB必须运行在独立VLAN学习（IVL）模式。
    *用于PBT的B-VID的数量必须至少为2。
    *B-VID正常工作不应指配给PBT。
    关掉所有PBTB-VID的学习和广播功能。
    *在PBTB-VID内，以丢弃而不是广播的方式处理Unknown帧。
    *在PBTB-VID内，以丢弃而不是广播的方式处理多播/广播帧。
    使用配置和管理系统为指配桥转发表的PBTB-VID，通过接入桥接的MIB来实现。
    每个PBT电路由工作的路径和保护路径组成。
    *工作和保护的通道通过使用不同的B-VID访问同一个骨干MAC地址。
    使用802.1ag协议管理共路由的PBT电路束（一组电路）。
    *可以使用IEEE802.1ag标准实现单播连续性检验（CC）消息。
    *必须对工作路径和保护路径同时进行管理。
    3.1.3ITU关于EOT的标准制定
    ITU-T则运用更为系统的建模方法对以太网传送架构作系统的研究。研究的基本模型结构是G.805面向连接的模型和G.809面向无连接的模型，着眼点是以太网网络结构。包括以太网网络的分层结构、客户特征信息、客户层/服务层关系、网络拓扑，以及提供以太网的信号传输、复用、选路、监视、性能评估和网络生存性等以太网层网络功能。
    ITU-T先后制定了G.8010以太网传送体系架构，G.8011传送网承载以太网——以太网业务框架，G.8011.1传送网承载以太网——以太网专用线业务和G.8011.2传送网承载以太网——以太网虚拟专用线业务等技术标准。
    值得注意的是，ITU-TSG15在制定下一版本的传送网承载以太网——以太网业务框架G.8010v2遇到一些困难。主要的问题在于连接和流的关系问题和描述VLAN的能力问题。目前ITU-T15组一致同意，先研究有连接和无连接的统一模型或共同架构，再来处理G.8010v2遇到的困难。
    以太网在传送领域应用并不是容易驾驭的一种技术。对于小网络添加即插即用特性是有用的，但对于大的网络，所涵盖的内容远远要多得多。
    至于服务层网络的功能体系结构则还没有界定，也可能就是下一节所说的T-MPLS。
    3.2T-MPLS
    3.2.1MPLS
    多协议标记交换（MPLS）技术作为一种新兴的路由交换技术，越来越受到业界的关注。MPLS技术是结合二层交换和三层路由的L2/L3集成数据传输技术，它不仅支持网络层的多种协议，还可以兼容第二层的多种链路层技术。
    MPLS的基本原理是将面向无连接的IP业务移植到面向连接的标记交换业务之上，实现上将路由选择层面与数据转发层面分离。MPLS网络中，在入口LSR处分组按照不同转发要求划分成不同转发等价类（FEC），并将每个特定FEC映射到下一跳，即进入网络的每一特定分组都被指定到某个特定的FEC中。每一特定FEC都被编码为一个短而定长的值，称为标记，标记加在分组前成为标记分组，再转发到下一跳。在后续的每一跳上，不再需要分析分组头，而是用标记作为指针，指向下一跳的输出端口和一个新的标记，标记分组用新标记替代旧标记后经指定的输出端口转发。在出口LSR上，去除标记使用IP路由机制将分组向目的地转发。
    标记是一个长度固定（20bit）、具有本地意义的标识符，和另外12bit控制比特构成MPLS包头，也称为垫层（Shim）。MPLS分组上承载一系列按照“后进先出”方式组织起来的标记，该结构称作标记栈，从栈顶开始处理标记。若一个分组的标记栈深度为m，则位于栈底的标记为1级标记，位于栈顶的标记为m级标记。未打标记的分组可看作标记栈为空（即标记栈深度为零）的分组。标记分组到达LSR通常先执行标记栈顶的出栈（Pop）操作，然后将一个或多个特定的新标记压入（Push）标记栈顶。如果分组的下一跳为某个LSR自身，则该LSR将栈顶标记弹出并将由此得到的分组“转发”给自己。此后，如果标记弹出后标记栈不为空，则LSR根据标记栈保留信息做出后续转发决定；如果标记弹出后标记栈为空，则LSR根据IP分组头路由转发该分组。
    MPLS具有广泛的应用领域，具有较完整的体系，相对比较复杂，那么能否将MPLS的技术的一些基本功能用于传送呢?
    3.2.2T-MPLS
    2006年2月ITU-T在G8110.1等3个标准中定义了T-MPLS。该系列建议力图从MPLS的协议体系结构业已存在的功能中，识别认定那些必须而且是足够充分的一个子集，以提供一种面向连接的分组传送网络技术。T-MPLS将具有和传统传送网络相似的OAM&P能力，端到端的维护，保护和性能监测，能够融合任何L2和L3的协议，构建于统一的数据传送平面，能够利用通用的控制平面GMPLS以及现有的传送层面（波长和/或TDM），CAPEX和OPEX将低于MPLS。
    ITU-T所制定的3个标准都聚焦在T-MPLS的数据平面。控制平面的特性将在后续工作中开发，原则是可以独立于客户层业务和相关的控制平面，实现可靠传送，例如基于G-MPLS或ASON。这3个标准分别是：
    *G.8110.1T-MPLS架构；
    *G.8112T-MPLS接口规范；
    *G.8121T-MPLS设备功能规范。
    ITU-TG.8110.1的第6章节从较高（抽象）的角度描述了T-MPLS的基本特性和选项。ITU-TSG15的目标是使用T-MPLS作为一种面向连接的包传送技术解决方案，在共同的操作、控制和管理的框架内构建一种可以同时支持包和电路传送（例如SDH，OTHor WDM）的交换技术。
    基于此，T-MPLS制定了MPLS帧格式，客户层到MPLS帧的映射，MPLS帧到MPLS帧的复接以及补充的传送网OAM（Y.1711），嵌入的连接监控所需要的到达最后节点的标签（Label）和保护倒换（Y.1720/G.81311），传送网的控制和管理平面，保证帧的顺序以及受限的业务或队列的种类等。
    T-MPLS的主要的选项是：
    *将原有IETFRFC所制定的PHP和ECMP可选项弃为不用，以简化OAM处理过程。
    *将原有IETFRFC所制定的合并（Merging）可选项弃为不用，以简化OAM处理过程，同时因为降低几个LSP的数量相对来说并不是可扩展性的主要问题。
    *与IETF相一致，仍然预留下编号16～31的标签作未来使用。
    同时T-MPLS版本注意不引入新的互通性问题，考虑了以下2个互通性问题：在T-MPLS云（T-MPLSbox）和现存的具有全部特征和全部可配制的MPLSbox通过配置T-MPLSProfile实现。在此种情形下，T-MPLS box和现存的具有全部特征和全部可配制的MPLS box的链路是一个T-MPLS链路，并在T-MPLS标准中予以考虑。在T-MPLS box和现存的具有全部特征和全部可配制的MPLS box在非T-MPLS链路上（即其他选项）由传送平台来解决。
    4、结束语
    在分组传送网逐渐形成的同时，未来传输在光领域也将继续挺进。面向光领域的新传送技术（如OTN）将对波长一级或物理层一级的传送机构产生较深刻的变化，使得物理层具有更多的功能和相对复杂的结构。众多的新技术的相互融合，相互作用，网络的分层与分割势必是统一的分组传送网考虑的重要问题。一种可能分层结构将是EOToverT-MPLSover OTN/SDH。其中SDH层的功能大大简化，如同ATM over SDH中的那样，SDH的功能仅限于段开销的处理层次。各种层处理（如本文提到的各种传送技术）都在向完美的方向发展，形成“你中有我，我中有你”的局面。甚至造成一些重复的功能，例如保护功能，在PBT有，T-MPLS也有，物理层也有。随着网络的融合与发展，一些层的功能很可能逐渐被关掉，以便形成相对简化的处理。
    可扩展性和分层的简化永远是一对矛盾。ITU-T已经认识到，建立准确的统一的网络模型是定义好协议或标准的关键，也是解决好上述问题的有效工具。统一的模型可以普遍地适用各种通信网络，可以给出基本假定的精确性和概括性描述，为分层的简化提供依据。因而，统一的网络模型已被ITU－T15组认定为近一个研究期的首要任务。随着理论研究的逐渐深入和新技术的运用与实践，统一的分组传送网将确定其架构并进一步完善，成为主流的传送网结构。