MSTP的新业务及其应用

基金项目：国家自然科学基金(60132020、60302026)

        城域网正在从单纯的传送网向业务网演进。从网络结构看，必将朝着网络单一化、业务接入综合化和容量增大化的方向发展；从业务发展趋势看，传统时分复用(TDM)业务在电信业务构成中的地位相对弱化，数据业务必然成为城域网未来若干年的发展重点；从技术发展趋势看，城域网将向多业务方向和智能化方向发展。

        基于同步数字体系(SDH)技术的多业务传送平台(MSTP)之所以能够在中国城域网的发展中得到应用，一方面是因为其具有对SDH的后向兼容性，具有虚级联等功能；另一个主要的原因就是其可以内嵌弹性分组环(RPR)、多协议标签交换(MPLS)等技术，还包含了链路容量调整(LCAS)和通用成帧规程(GFP)等技术，具备多业务的提供功能[1]。

        MSTP通过在传统的SDH设备上增加以太网接口来接入以太网业务。以太网业务经过媒体访问控制(MAC)处理后进行数据封装，然后到指定的虚容器(VC)通道中上SDH线路传输。MSTP可以提供以太网透传功能、以太网二层交换功能和以太环网功能。异步传输模式(ATM)信元在MSTP上的透传功能在技术上较为简单，只是SDH系统提供一条VC通道实现ATM业务数据的透明的点到点传送即可。准同步数字传输体系(PDH)业务通过VC映射直接接入MSTP系统中，而存储区域网(SAN)业务主要通过企业系统连接(ESCON)、光纤连接(FICON)、光纤通道(FC)等连接方式接入MSTP系统。千兆比以太网(GE)、快速以太网(FE)和155 Mb/s ATM等接口常常会同时出现，实现连接到数据中心。对于这些接口，可以通过GFP-T协议映射进VC。对于帧中继(FR)，可以通过ATM接口接入MSTP。

        除了多业务接入的能力外，MSTP还可以提供虚拟专用网(VPN)和按需带宽(BoD)等特殊业务，此外还可以适应未来3G业务的发展。

1 支持VPN的能力
        MSTP是一个相对广义的概念，它是基于SDH平台，融合VC级联、LCAS和GFP等相关技术，内嵌RPR和MPLS等技术的综合接入和汇聚平台。正是由于可以内嵌MPLS技术，使得其可以支持MPLS所具有的一些功能。

        MPLS技术从ATM中借鉴了流量工程及标签交换的思想，提供了类似于虚电路的标签交换业务，这种基于标签的交换可以提供类似于帧中继、ATM的网络安全性。

        相对于传统的VPN技术来说，MPLS VPN可以实现底层标签的自动分配，在业务的提供上比传统的VPN技术更廉价、更快速。同时，MPLS VPN可以充分地利用MPLS技术的一些先进的特性，如MPLS流量工程能力、MPLS的服务质量保证等。结合这些能力，MPLS VPN可以向客户提供不同服务质量等级的服务。

        MPLS VPN还可以向客户提供传统基于路由技术的虚拟专用网无法提供的业务种类，如支持虚拟专用网地址空间复用[2]。

        根据提供商边缘路由器(PE)是否参与客户的路由，运营商在建立基于IP/MPLS的VPN时有两种选择[3]：

        (1)基于IETF RFC 2547bis规定的边界网关协议(BGP)/MPLS虚拟专用网三层解决方案，通常称作三层MPLS VPN[4,5]。

        (2)基于IETF Draft-Martini的二层解决方案，通常称作二层MPLS VPN。

1.1 三层MPLS VPN
        三层MPLS VPN是一种基于路由方式的MPLS VPN解决方案，IETF RFC2547中对这种虚拟专用网技术进行了描述。由于三层利于管理和实施，IETF RFC 2547bis规定的BGP/MPLS VPN方案得到了多数厂家的支持，并在国内外电信运营商中得到了广泛应用。

        用户接入MPLS VPN后，每个站点提供1个或多个用户边缘设备(CE)与PE连接，并在PE上为该站点配置虚拟路由转发表(VRF)，将连接PE-CE的物理接口、逻辑接口，甚至将二层传输控制协议/网络协议安全(TCP/IPSec)隧道绑定到虚拟路由转发表VRF上。

        在三层MPLS VPN技术中，标签交换路径(LSP)的建立是拓扑驱动的。BGP发现该IP网络拓扑信息，根据IP网络的VPN拓扑结构，只对同一个VPN的成员发布信息，通过流量分离来提供基本的安全性。路由器将IP包根据一定的标准定义相应的转发等价类(FEC)，通过使用LSP来转发，LSP定义一条特定的、不可改变的路径，从而保证了安全性。这种基于标签的模式与帧中继和ATM一样可以提供保密性。

        由于VPN-IP二层嵌套地址的使用，使得客户的IP网络可以很容易地和MPLS三层VPN网络相结合，用户能够使用其专有的IP地址而无需进行网络地址翻译。这种方案易于进行VPN的添加、移动和改变。如果某个客户需要在自己的VPN中增加一个站点，服务提供商只需告诉客户端设备的路由器如何与网络连接，并通过配置标签交换路由器(LSR)来识别来自于客户端设备的VPN成员，BGP就会自动更新VPN成员。

        BGP/MPLS VPN使用类似传统路由的方式进行IP分组的转发。首先通过运营商的边界路由器和客户端路由器进行路由信息的交互，在PE设备上建立虚拟路由转发表，以规定VPN可以接收和发布哪些站点的路由信息。PE和CE之间的路由交换可以采用静态路由，也可以采用路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先(OSPF)、中间系统-中间系统(IS-IS)和BGP等动态路由协议。在路由器接收到IP数据包以后，通过在VRF中查找IP数据包的目的地址，然后使用预先建立的LSP进行IP数据跨运营商骨干网的传送。

        MPLS VPN使用路由转发表(VRF)解决地址重叠的问题。在运营商PE路由器上使用基于每个VPN的路由转发表隔离不同VPN的路由。通过路由信息的隔离，实现支持VPN地址的重叠。如果一个PE上有多个CE属于同一个VPN，那么这些CE共享PE上的VPN路由转发表。

        对于重叠VPN的情况，重叠发生的站点需要使用独立的VRF存储来自其所属VPN的路由信息。这类站点虽然同时属于多个VPN，但是它只需要一个路由标识，不需要多个路由标识来对应多个VRF，这样做是为了节省PE路由器上的存储资源。

1.2 二层MPLS VPN
        除了基于三层技术的MPLS VPN外，MPLS技术还支持基于二层MPLS技术的VPN解决方案。方案保留了传统基于二层VPN解决方案的优势，可在MPLS网络上透明地传递用户的二层数据。从用户角度看，该网络是一个二层交换网络。网络运营商仅负责向用户提供二层的连通性，不需要参与VPN用户的路由计算。在提供全连接的二层VPN时，每个VPN的CE到其他的CE都需要在CE与PE之间分配一条链路。

        由于MPLS 二层VPN与用户的路由无关，因而其可扩展性只与连接的VPN用户数目相关。
二层MPLS VPN降低了运营商端VPN业务开通的复杂度，特别是在现有的VPN中增加站点时，在大多数情况下只需把供应商边缘路由器连接到新站点上即可，相应地缩短了业务提供的周期。基于二层的MPLS VPN解决方案提供了运营商网络和客户的VPN网络之间的完全独立，也就是说，PE设备和CE设备之间没有进行路由交换，运营商只是简单地向客户提供一些基于二层的网络功能。运营商的网络和客户的VPN网络完全架构在层叠的网络模型上，从客户的角度来看，运营商只是提供了一个简单的二层连接。这种透明简化了运营商网络的结构和配置管理，同时也提供了对客户的多业务支持能力，运营商除了提供传统的IP业务以外，还可以向客户提供IPv4、IPv6、数字设备公司相关协议族(DECNet)、开放系统互连(OSI)、系统网络体系结构(SNA)等业务，以及一些传统基于电路业务的仿真，如FR、ATM等。

1.3 二层和三层的MPLS比较
        二层和三层的MPLS技术使用相同的二层的数据面技术。三层MPLS需要传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)栈和IP路由协议；二层MPLS并不需要IP协议栈和路由协议，而是通过集中网络管理系统在网络中建立LSP[6]。

        三层MPLS VPN由于发展的时间较长，相应的协议比较完善，被国内外电信运营商普遍采用，已具备相当的实施经验。在具体的实施过程中，三层MPLS VPN要考虑网络的运营、管理和维护，而且运营商边界路由器需要存储客户路由信息，实施前应对网络进行规划。

        然而三层MPLS VPN的实现机制问题，包括其网络的运营、管理和维护，以及运营商边界路由器需要存储大量客户路由信息引发的网络扩展性问题等，导致了MPLS三层VPN的网络部署难度、成本和运营成本都相对较高。虽然IETF对MPLS三层VPN进行了改进，但在目前技术和网络条件都不成熟的情况下，MPLS三层VPN的应用只能定位于中小规模的企业，否则将大大增加运营商的投资风险。
相反二层MPLS VPN一出现就以其优越的性能成为VPN技术的亮点。MPLS二层VPN不但能有效地克服现有VPN的性能缺陷，充分满足电信运营商的业务需求，而且还具备对现有网络设备的兼容性和向下一代VPN演进的先进性。随着二层MPLS VPN协议的成熟和标准的确定，将成为MPLS VPN的重要技术。二层MPLS VPN技术可以实现帧中继、ATM、以太网、以太网VLAN、高速数据链路(HDLC)、SONET/SDH链路仿真服务、点到点协议(PPP)和多种二层链路技术的互通，是迈向IP/MPLS全业务网的关键一步。

2 MSTP支持的BoD业务
        在实际应用中，用户的带宽需求往往随着时间的推移而改变。SDH的虚级联并不能为网络提供动态带宽分配的能力，用户带宽仍是基于峰值速率分配的，即在给定时间内是固定的。也就是说，传输管道容量的调整是静态进行的，需要拆掉重建，所以原有的业务将会被中断甚至丢失。对于具有多种服务等级协定(SLA)的网络而言，链路带宽的可动态调整能力更是不可或缺，因为SLA往往会限制可接受的业务中断次数。链路容量调整(LCAS)方案就是适应动态带宽能力而产生的。MSTP技术由于内嵌了链路容量调整技术而具备了按需带宽的功能。

        随着虚级联技术的大量应用以及数据业务的传送效率和质量提升，LCAS的作用越来越突出，尤其体现在对BoD业务的支持上。

        当前基于集中式控制下的BoD业务实现模型如图1所示。网元管理系统(EMS)/网络管理系统(NMS)首先接收到终端用户发来的带宽调整请求(假设新增带宽容量为155 Mb/s)，EMS/NMS随后就进行端到端选路(新增成员VC-4)，以便增加端到端的带宽容量，同时利用本地命令建立新增通道。接下来，EMS/NMS就在网络边缘节点处触发LCAS协议执行带宽调整动作序列，以便将新增的成员通道无损地添加到VC组中。上述步骤全部完成后，网络运营商就可向用户提供所需的带宽份额[7,8]。

3 MSTP对3G的支持
        3G业务的发展，会对传输网提出越来越高的要求。多业务处理能力、强大的调度功能将是传输设备发展的重要方向。MSTP设备可实现多种业务在统一传输平台的传送，与3G系统传输的结合是其最新的发展之一。

、        采用MSTP构建3G传输网，在接入层可以对业务进行透传，保证业务的高质量接入和传输，并实现低成本建网；在核心层、汇聚层通过信元交换进行带宽统计复用，可提高传输网络带宽的利用率；MSTP设备良好的可扩展性和多业务支持能力可以满足3G目前和日后的演进要求；双重保护机制可大大提高3G业务的安全性。

        图2给出了利用MSTP满足3G传输的解决方案。

3.1 MSTP对3G接入层的支持
        在3G系统中，在无线网络控制器(RNC)侧，可以由RNC提供多个E1接口或STM-1接口。如果采用E1接口，传输系统只需提供简单的E1电路传输即可满足要求。3G的RNC处理能力较2G/2.5G有显著增强，支持的基站数量可达数百个，但是这意味着中心RNC需提供大量E1接口，另外需预留大量E1端口用于接口扩容，投资费用高；另外多个NodeB间的带宽无法实现共享，传输带宽需求大。如果RNC采用STM-1接口，在进入RNC前，多个NodeB业务进行统计复用，可减少RNC侧接口的数量和投资费用。

        本文讨论的模型[9]基于RNC，采用155 Mb/s接口，而在NodeB端，可以采用多个ATM反向复用(IMA) E1或者155 Mb/s接口。

        (1)NodeB采用多个IMA E1接口
        一种方案是只有汇聚节点MSTP具有IMA E1处理能力，接入层的SDH(可以为传统SDH设备)只需将IMA E1透明传输、汇集传送至汇聚层节点，在汇聚层节点提供ATM处理。在汇聚节点(一般为RNC节点)，具有ATM交换能力的模块对接入层上传来自多个NodeB的数据，由IMA E1电路进行处理。业务通过VC-12进入ATM处理板卡，进行统计复用，汇聚成VC-4，通过STM-1接口与RNC相接。这样，在全网中只需要通过少量汇聚节点配置的MSTP提供ATM处理卡，即可实现ATM数据处理功能(在NodeB传输设备只需要提供E1透明传输)。通过在汇聚节点实现带宽的统计复用，大大提高了带宽的利用率。

        另外一种方案是接入层每个MSTP都具有IMA E1的处理能力，直接将来自NodeB的IMA E1数据解封装，进行处理后统计复用到VC-4，在各NodeB之间构成一个容量为VC-4的ATM VP-RING，也就是在各NodeB之间共享一个VC-4，与RNC通过STM-1接口相连。

        (2)NodeB采用ATM 155M b/s接口
        在高业务节点地区，NodeB也可以直接提供ATM STM-1接口上连，通过接入层MSTP设备提供ATM STM-1的接入，并上传至RNC。

        接入方案一：通过接入层MSTP提供的ATM STM-1接口实现接入，并在接入层环中组成ATM VP-RING，通过统计复用提高带宽的利用率；然后再通过ATM STM-1接口上传至RNC。在方案中需注意，由于NodeB的接入速率为155 Mb/s，若接入层系统需实现TDM业务和ATM业务的混合传输，则接入环的速率应为622 Mb/s。

        接入方案二：若原有接入层MSTP设备的速率为155 Mb/s，为了避免网络从155 Mb/s升级为622 Mb/s，保护现有网络投资，可通过使用新一代MSTP设备提供的ATM 155 Mb/s IMA E1板卡，将高业务区的NodeB提供的155 Mb/s接口接入并转换为IMA E1后上传至汇聚层节点，通过汇聚节点的相关ATM板卡进行统计复用、ATM汇聚等相关处理，从而提高现有网络的利用率。

3.2 MSTP对3G汇聚层的支持
        有了MSTP的汇聚层，城域数据业务可以通过各种接入方式快速开展。由于城域数据业务具备不确定、多样性及难以规划等特点，在发展时，运营商可以直接采用MSTP接入设备实现多业务的接入，也可以充分利用已有接入环的空闲带宽，实现中间部分的接力，最末端采用放置在用户端的接入层MSTP设备。

        接入层MSTP设备在选取时应考虑价格低、功能强的设备，同时还需要能提供多样化的接口，满足不同环境条件要求。

        MSTP平台具有ATM交换功能，但是这种交换功能非常有限，成本也远远低于ATM交换机。目的在于组建VP-RING共享环，以提高动态业务的传输效率并进行环网保护，依然属于传输平台范畴，与3G业务设备中的ATM交换功能没有重叠。

        采用MSTP平台共享环与采用传统SDH平台对数据业务传输的效率明显不同。所谓共享环是指：分配一个固定的带宽给环上的多个节点，环上的节点可以根据需求占用带宽，由于数据业务的突发性和不均衡性，多节点共享的这部分带宽提高了传输效率。

        从3G的发展情况来看，网络有采用ATM架构，并存在着继续向全网IP模式演变的可能性。对于采用MSTP平台的组网模式，只须更换相关的模块，不必对传输网进行重大改动，因此MSTP平台可最大程度地保护运营投资。

        采用MSTP传输方式比采用传统的SDH、ATM组网具有明显的优势。这是因为，3G业务和相关标准是近年来不断发展起来的，具有兼容目前传输方式(如SDH、ATM)的特点。与此同时，3G数据业务具有较大的动态特性，因此需要增加一些IP数据接口。MSTP平台是近年来得到大力发展和完善的系统，它可实现多种业务在统一传输平台的传送，在与3G业务组网时，可通过灵活配置相关模块，满足3G多种信号的传输要求。

4 结束语
        基于SDH平台，融合VC级联、LCAS和GFP等相关技术的MSTP，可以实现多种业务的综合接入和汇聚。此外，由于其可以内嵌RPR和MPLS等技术，还可以支持如VPN、BoD等新业务，同时还可以适应未来3G业务的发展。正是由于MSTP具有的内嵌其他技术的功能和对新业务的支持能力，得到了不断发展。

5 参考文献
[1] 王健全. 城域MSTP技术 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.
[2] 赵旭龙, 杨学良. 基于MPLS网络的VPN技术与移植 [J]. 计算机工程, 2003,15(4):16—19.
[3] Davie B, Rekhter Y. 多协议标签交换技术与应用[M]. 罗志祥, 等译. 北京:机械工业出版社,2001. [4] IETF RFC2547, BGP/MPLS VPN [S].
[5] IETF RFC2283, Multiprotocol Extensions for BGP4 [S].
[6] 毛拥华. L2&L3 MPLS VPN 技术的对比和分析 [J]. 电信技术, 2003 , 49(1) :17—21.
[7] OIF-UNI 1.0, User Network Interface (UNI) 1.0 Signaling Specification [S].
[8] Aboul-Magd O. Automatic Switched Optical Network (ASON) Architecture and Its Related Protocols [R]. IETF draft-ietf-ipo-ason-02. 2002.
[9] 张成良. MSTP技术新发展和3G传输 [J]. 通信世界, 2004,16(12):11—13.

收稿日期：2005-09-20

[摘要] 城域网正在从单纯的传送网向业务网演进，需要新的传送平台的支持。文章分析了基于SDH平台的多业务传送平台(MSTP)提供新业务的原理，并介绍了MSTP上的各种应用，认为融合虚容器(VC)级联、链路容量调整(LCAS)和通用成帧规程(GFP)等相关技术的多业务传送平台(MSTP)，可以实现多种业务的综合接入和汇聚；由于MSTP可以内嵌弹性分组环(RPR)、多协议标签交换(MPLS)等技术，因此可以支持如虚拟专用网(VPN)和按需带宽(BoD)等新业务，并适应未来3G业务的发展。

[关键词] 多业务传送平台；多协议标签交换；城域网；数据业务

[Abstract] The Metropolitan Area Network (MAN) is evolving from pure transport network to service network, which requires the support of new transport platforms. This paper analyzes the principles of how the SDH-based Multi-Service Transport Platform (MSTP) provides new services, and describes the service applications. It is noted that the MSTP, while combining Virtual Concatenation (VC), Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS), Generic Framing Procedure (GFP) and other relevant technologies, can implement multi-service integrated access and convergence. MSTP can be embedded with Resilient Packet Ring (RPR) and MPLS technologies, thus supporting new services such as Virtue Private Network (VPN) and Bandwidth-on-Demand (BoD), and future 3G services.

[Keywords] MSTP; MPLS; MAN; data service