内嵌MPLS的多业务传送平台

基金项目：国家自然科学基金(60302026、60372096)

      虚级联(VCat)、链路容量调整方案(LCAS)和通用成帧规程(GFP)技术虽然在多业务传送平台(MSTP)中实现了高效传送数据的功能，但其连接提供方式仍为点到点的SDH传输通道，业务量大多通过E1、E3、STM-1或STM-4接口，以较粗颗粒进入网络，光纤带宽的利用效率较低。MSTP必须引入交换的概念，实现数据流的统计复用和负载均衡。

      MPLS无缝集成了二层交换的简捷性与三层路由的灵活性。在IP网中，MPLS流量工程技术成为一种管理网络流量、减少拥塞、保证业务服务质量(QoS)的重要手段，MPLS虚拟专用网(VPN)在解决企业网互连、提供网络增值服务等方面得到了广泛的应用。将MPLS的固有优势引入MSTP，可以显著提高MSTP组网的路由能力、交换能力和QoS处理能力。

1 内嵌MPLS的多业务传送平台实现方案

1.1 MPLS基本原理
      MPLS技术结合了面向连接的转发技术与IP路由协议，在面向无连接的IP网络中增加了面向连接的属性，可以视为介于二层与三层的“垫层”网络技术[1]。MPLS的实质是将三层路由在网络的边缘实施，而网络的核心采用二层交换，对一个连接请求实现一次路由、多次交换，将路由选择层面与数据转发层面分离，从而提高网络的性能。

      标签是MPLS网络中实现分组转发与交换的主要依据。MPLS使用标签对上层数据进行统一封装，转发行为是基于标签实现的，如图1所示。位于MPLS网络边缘的入口标签交换路由器(LSR)将分组按不同的转发要求划分成不同的转发等价类(FEC)，并将每个特定的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标签，当分组被转发到下一跳时标签也随同前传。在随后的各跳中，将不再需要解析分组头，而是将分组的标签作为指向下一跳输出端口和新标签的索引。旧标签被替换后，从指定的输出端口转发标签分组。在网络的出口处，标签弹出后即还原成初始的IP分组，并且按照传统路由方式转发至目的地。

1.2 内嵌MPLS的多业务传送平台的功能结构
      内嵌MPLS的MSTP是指基于SDH平台，嵌入MPLS功能，并提供统一网管的多业务传送节点设备。其关键特征是将以太网业务适配到MPLS层，然后映射到SDH通道中传送。图2所示为内嵌MPLS的多业务传送平台的功能结构。

      内嵌MPLS的MSTP节点主要包括业务输入输出接口、二层交换、多协议标签交换、通用成帧规程/点到点协议/SDH上的链路接入规程(GFP/PPP/LAPS)、虚级联和LCAS，以及传统的SDH处理功能等模块。业务输入输出接口功能主要负责业务的接收、汇聚及对数据包的检错处理等。二层交换功能主要在媒体访问控制(MAC)层上进行流量梳理，有利于减轻传输网的负荷。GFP/PPP/LAPS的功能主要是完成数据包的映射封装。虚级联和LCAS分别实现了业务带宽与SDH虚容器间的适配及带宽动态调整，提高了网络资源利用率[2]。传统SDH处理功能用于完成信道的交叉连接及开销处理。

1.3 基于MPLS的以太网接入功能的实现
      内嵌MPLS的MSTP除了一般的MSTP功能外，其MPLS处理模块还具有以下功能：将以太网业务适配到MPLS层的功能；在MSTP入口处为以太网业务数据包添加MPLS标签，组成MPLS数据包，在出口处将MPLS标签剥离；判断业务分组所属的转发等价类，可以根据分组的源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号等来对业务分组进行分类，从而判定其属于那个转发等价类，并贴上相应的MPLS标签，以确定相应的转发路径；MPLS操作管理维护功能和标签交换路径(LSP)的自动建立、保护、恢复功能；对业务的统计复用功能，并能在MPLS层按服务等级调度业务；MPLS二层和三层VPN功能。

      基于MPLS与基于二层交换的SDH的以太网传送(EOS)实现方案基本相同，将相应的二层交换模块用MPLS处理模块代替即可。映射器和SDH处理模块仍使用GFP、VCat、LCAS等协议，只是对数据包的交换方式和打包分包处理方式不同，从而导致系统的性能存在差别。使用MPLS协议实现的EOS组网灵活，传送效率高，具有较好的QoS能力。目前厂商多使用“网络处理器(NP)+可编程门阵列(FPGA)+软件”的方式来完成基于MPLS的以太网接入功能。

      对以太网业务，MPLS处理模块在接收到的数据包上附加内层MPLS标签(即VC标签)，形成伪线(PW)或虚电路(VC)，相同源地址和目标地址的多个PW再加上外层MPLS标签进行复用，建立一条MPLS标签交换路径(LSP)，以太网业务和虚拟局域网(VLAN)业务在LSP中根据外层MPLS标签进行转发。隧道标签标示MPLS数据包从源端点传送到目的端点，VC标签标示以太网数据从入口用户网络接口(UNI)传送到出口UNI。

      对于端口的以太网业务，其映射具体过程为先将前导和帧校验序列(FCS)剥离，加上控制字(此功能可选)，再附上相应的PW标签，用于复用，最后加上相应的隧道标签。映射进程如图3所示。VC标签代表了仿真虚电路的标识符，它必须被入口和出口节点所认同，用于从目的MSTP转发数据帧到目的UNI。

2 MPLS技术在MSTP中的 应用

2.1 在MSTP中引入交换功能
      在MSTP中，交换功能的实现有多种方式。最简单也最直接的就是二层交换，然而这种方式在实际应用中面临很多问题。三层交换采用路由协议，尽管功能强大，但配置较为繁琐，同时不能完全透明地承载以太网业务，在某些应用场合受到限制。采用MPLS技术实现2.5层数据交换则可使MSTP具有多种性能优势。随着用户对QoS要求的增加，在MSTP中内嵌MPLS可以显著提高MSTP设备支持以太网数据业务传送的能力[3]。

2.2 增强MSTP的QoS处理能力
      为了能够将真正的QoS引入MSTP，从而支持新兴的各种业务，需要在业务和SDH间引入一个中间层来处理业务的QoS要求。MPLS可在多种二层媒质上进行标签交换，为进入网络中的IP数据包分配标签，并通过对标签的交换来实现IP数据包的转发。在网络内部，MPLS在数据包所经过的路径沿途通过交换标签来实现转发，将IP分组转换为采用标签标识的流连接，提供服务质量、流量控制、虚拟专用网、组播等功能。内嵌MPLS技术的MSTP相当于在业务和SDH之间引入了一个中间智能适配层，根据业务要求适配、映射到SDH通道上，同时支持GFP高速封装协议、虚级联、LCAS以及二层交换等技术。

2.3 基于MPLS的MSTP网络
      当以太网接口作为UNI时，进入以太网接口的数据直接或经二层交换后适配到MPLS层；当以太网接口作为网络节点接口(NNI)时，进入以太网接口的数据首先去除MPLS封装开销，然后直接或经二层交换后适配到MPLS层；适配到MPLS层的以太网业务直接或经标签交换后，通过GFP等协议封装，再适配到SDH虚容器中传送。

      在内嵌MPLS时，将网络侧的与LSP相连接的端口定义为一个网络逻辑端口，网络逻辑端口面向的物理通道可以是SDH级联/虚级联通道；当一个以太网接口作为NNI接口时，网络逻辑端口面向的物理通道也可以是以太网通道。

      基于MPLS的MSTP网络具有以下技术特点：支持动态建立链路和标签转发，简化转发机制使得路由器易于扩展；数据传输与路由计算分离，能提供有效的QoS保证；支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性；标签合并机制支持不同数据流的聚合传输；支持流量工程、服务类型(CoS)、QoS和大规模VPN。

      将MPLS技术融入MSTP网络中，还能提供更多的业务保护恢复功能，如复用段保护(MSP)、子网连接保护(SNCP)、MPLS LSP线性保护或重路由甚至弹性分组环(RPR)保护等。当然，在实际应用中必须注意这些保护机制的相互协调。此外，MPLS技术还有利于拓展RPR技术的应用。RPR技术仅适合单环结构，网络扩展能力有限，在环与环相连接时，不可避免地要引入三层路由设备，且无法提供VLAN地址重用和扩展，不支持端到端QoS能力，因此需要结合MPLS技术来保证网络扩展能力与QoS。

3 MPLS VPN在MSTP中的实现
      MPLS VPN在MSTP中的实现存在二层和三层两种方式。三层MPLS VPN技术比较成熟，但在实际应用中，要综合考虑网络的运营、维护和管理，以及边界路由器需要存储的客户路由信息，建议实施前对网络进行一定的规划。二层MPLS VPN将成为MPLS VPN的重要分支，可以实现帧中继、ATM、以太网、VLAN、点到点协议/高速数据链路(PPP/HDLC)、SDH链路仿真服务和多种二层链路技术的互通，是迈向IP/MPLS全业务网的关键步骤[3,4]。

      在二层MPLS VPN实现中，以太网业务或VLAN业务，加上内层MPLS虚电路标签，形成PW或虚电路。相同源地址和目标地址的多条PW再加上外层MPLS隧道标签进行复用，建立一条MPLS LSP。以太网业务和VLAN业务在LSP中根据外层MPLS标签进行转发。当经过中间节点时，交换隧道标签而保持虚电路标签不变。隧道标签标识MPLS数据包从发送端传送到接收端，虚电路标签标识以太网数据从入口UNI传送到出口UNI。

      对于以太网的伪线封装可采用透传和标签两种操作。在标签模式下，伪线格式的帧必须包括802.1Q VLAN标签，这些标签对于两端的MSTP是有意义的，并且是可理解的，即两端的MSTP设备必须对VLAN标签的处理方式达成统一。在透传模式下，伪线格式的帧可以包括VLAN标签，该标签对于两端的MSTP没有意义，只是透明传送。当两个MSTP在MPLS层面相邻或由SDH虚容器通道或RPR环连接时，隧道LSP是可选的，因为此时SDH虚容器通道和RPR可以起到隧道LSP的功能[4,5]。

      根据现有MSTP技术，VLAN在公网中的应用受限于有限的地址空间数量(4 096个)。在常规MSTP实现中，VLAN地址不允许被重用，即：假设VLAN标识地址1已分配给用户A使用，那么用户B就不能再使用VLAN标识地址1。内嵌MPLS功能的MSTP设备具有强大的VLAN支持能力，通过嵌入二层Martini MPLS技术，可以从根本上解决VLAN的可扩展性问题。允许不同的用户使用同样的VLAN标识地址，可使设备支持的VLAN数目达到现有设备的256倍。

4 基于MSTP的MPLS保护功能
      内嵌MPLS的MSTP应支持MPLS保护功能，具体包括：支持ITU-T Y.1720规范的单向1+1和1∶1两种LSP保护倒换机制；支持MPLS快速重路由保护机制，其实现机理应遵从IETF文稿的规定[6]。
对于有内嵌MPLS的MSTP节点所承载的以太网业务来说，需要经过一个分层的处理过程，即以太网/
MPLS/SDH。不同层次的处理技术能够提供不同类型的业务保护机制，如位于数据链路层和网络层的MPLS保护机制和物理层的SDH保护倒换机制。不同层次的保护机制具有不同的保护特性，一般来说，低层的保护机制保护的速度较快，而高层的保护机制所能保护的路径更长。因此，在内嵌MPLS的MSTP网络内，存在多层保护机制的协调问题。

      图4所示为同时具有SDH保护倒换和MPLS保护倒换机制的MPLS网络内的多层保护机制的协调方法，即通过采用一个拖延MPLS层启动保护倒换动作的时间来防止多层保护机制的冲突。图中，拖延时间t3是检测到承载MPLS业务的SDH通道故障到启动MPLS层保护倒换之间的等待时间。拖延时间的范围为0～10 s，步进单位默认为50 ms，且可通过管理系统设置。如果已经为承载以太网/MPLS业务的SDH传送通道配置了保护，则拖延时间t3的最小值为50 ms。

      两个保护层间的配合规则如下：

• 当传送以太网/MPLS业务的SDH通道发生故障时，即出现SDH层告警时，首先启动SDH层的保护倒换动作；如果SDH层保护倒换失败，再启动MPLS层的保护倒换。
• 如果在保护倒换动作期间检测到故障消失，必须在保护倒换动作完成之后才开始保护状态恢复。
• 经过拖延时间t3，如果业务恢复，将不启动MPLS层倒换；否则，启动MPLS层保护倒换。
  

5 结束语
      目前，MPLS研究取得了可喜的进展。尤其是在内嵌MPLS的MSTP方面，整个行业都投入了大量的人力物力进行部署和实施。MPLS技术将在未来IP电信级网络中发挥重要的作用，较好地解决原有技术(包括ATM、IPv4技术)所存在的缺点[7]。在城域网部分，内嵌MPLS的MSTP将极大地提高数据传输效率和业务服务质量，全面提升网络性能，将具有更加广阔的应用前景。

6 参考文献
[1] Cavendish D, Murakami K, Yun S H, et al. New Transport Services for Next-generation SONET/SDH Systems [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(5):80—87.
[2] Bonenfant P, Rodriguez-Moral A. Generic Framing Procedure (GFP): The Catalyst for Efficient Data over Transport Network [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(5):72—79.
[3] Afferton T S, Doverspike R D, Kalmanek C R, et al. Packet-aware Transport for Metro Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2004,42(3):120—127.
[4] Hemandez-Valencia E, Rosenfeld G. The Building Blocks of a Data-Aware Transport Network: Deploying Viable Ethernet and Virtual Wire Service via Multiservice ADMs [J]. IEEE Communication Magazine, 2004, 42(3):104—111.
[5] Bernstein G, Mannie E, Sharma V. Framework for MPLS-based Control of Optical SDH/SONET Networks [J]. IEEE Network, 2001,15(4): 20—26.
[6] 王健全. 城域MSTP技术 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.
[7] 杨继军, 杨壮. 新一代城域光传送技术 [M]. 北京: 北京邮电大学出版社,2005.

收稿日期：2005-09-20

[摘要] 为了提高多业务传送平台(MSTP)组网的路由能力、交换能力和服务质量(QoS)处理能力，需要将多协议标签交换(MPLS)的固有优势引入MSTP。方法是通过内嵌MPLS的MSTP，实现将以太网业务适配到MPLS层，然后映射到SDH通道中传送。MPLS技术通过将交换的概念引入MSTP，实现了数据流的统计复用和负载均衡；通过将QoS引入MSTP，实现了对各种新兴业务的支持；通过基于二层和三层技术的解决方案，在MSTP中实现了MPLS虚拟专用网(VPN)；通过支持单向1+1、1:1标签交换路径(LSP)和MPLS快速重路由保护倒换，在MSTP中实现了MPLS的保护倒换机制。

[关键词] 多协议标签交换；多业务传送平台；内嵌

[Abstract] The multiple protocol label switching (MPLS) technology is introduced into the multi-service transport platform (MSTP) in order to enhance the capabilities of routing, exchange and QoS management. By means of MSTP embedded with MPLS, Ethernet services are mapped into the MPLS layer and then transported through SDH paths. The MPLS technology introduces the concept of switching in order to realize the statistical multiplexing and load balance of data flow. Also the end-to-end QoS is introduced, which can support various new services. In addition, the implementation of MPLS VPN (Virtual Private Network) and the protection switching mechanism of MPLS in MSTP are discussed.

[Keywords] multiple protocol label switching; multi-service transport platform; embed