MPLS-TP的业务适配与标签转发机制

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题(2008AA01A328)

    目前业务网正处在发展转型时期。传统电信业务的相对萎缩以及IP化趋势的推动，使得传送网承载的业务从以时分复用(TDM)为主向以IP为主转变。未来的市场需要一种能够有效传递分组业务，并提供电信级操作、维护、管理(OAM)和保护的分组传送技术。要求传送设备从“多业务的接口适应性”向“多业务的内核适应性”转变，即业务的IP化对传送网本身提出了分组化的要求。但同时，又必须保证传统业务(如语音)的正常运行，即要求分组技术和传输技术相互融合。在这种业务转型和技术融合的背景之下，分组传送网(PTN)应运而生[1]。

    就目前的网络和技术条件，PTN实现方案可以分为以太网增强技术和传输技术结合多协议标签交换(MPLS)两大类，前者以运营商骨干桥接-流量工程(PBB-TE，或称PBT)为代表，后者以传送多协议标记交换(MPLS-TP，或称T-MPLS)为代表。从目前发展来看，相比其他技术，这两项技术更好地满足了PTN目标网络的要求，成为演进的主流技术方案。这两种技术都是属于面向连接的技术，都提供类似同步数字序列(SDH)的性能和可靠性，也都提供标准的面向连接的隧道，区别主要体现在数据转发、保护、OAM的实现方式不同。T-MPLS技术在标准化进程中抢占了先机。整体来说，标准已经基本成熟，标准化程度已经达到了设备商用的要求，但还不够完善，仍在进一步规范之中。

1 MPLS-TP技术特征与标准化进程

1.1 MPLS-TP标准化进程
    国际电信联盟电信标准部门(ITU-T)SG15工作组从2005年开始，把工作转向了运用协议标记交换(MPLS)技术定义分组传送层服务功能结构，即T-MPLS技术上来。到2007年，ITU-T发布了系统架构、接口与设备规范、OAM、保护倒换机制以及业务信号适配等几个建议文档，且已与因特网工程任务组(IETF)达成一致，目前正在分层功能详细定义、适配客户信号增加、业务互通和同步等方面进行进一步的标准化工作。同时，IETF也正在编写T-MPLS RFC，为T-MPLS业务定义新的标签。2008年，ITU-T同意和IETF成立联合工作组(JWT)来共同推进T-MPLS和MPLS技术的融合。IETF将扩展现有MPLS技术为MPLS-TP，以增强其对ITU-T传送需求的支持。今后由IETF和ITU-T的JWT共同开发MPLS-TP标准，并保证T-MPLS标准与MPLS-TP一致[2]。

1.2 MPLS-TP技术特征
    从标准进展情况来看，MPLS-TP技术架构清晰，关键技术实现较为完善，对多协议标签交换、伪线(MPLS/PW)技术进行了简化和改造，引入了传送网分层、OAM和线性保护等概念，符合传送网的需求[3]。作为一种面向连接的分组传送技术，MPLS-TP由数据平面、管理平面和控制平面组成，建立了端到端面向连接的分组传送管道。该管道可以通过网络管理系统或智能的控制面建立，具有良好的操作维护性和保护恢复。在传送网络中，MPLS-TP将客户信号映射进MPLS帧并利用MPLS机制(例如标签交换、标签堆栈)进行转发，同时增加了传送层的基本功能，例如连接和性能监测、生存性(保护恢复)、管理和控制[4-5]。

    MPLS-TP采用的是双标签传送模式[6]，即MPLS-TP在为客户层提供分组式数据传输时，会对客户数据分配两类标签，分别是公共互通指示标签(CII)和传输-交换通道标签(T-LSP)。CII将两端的客户联系在一起，用于终端设备区分客户数据。T-LSP用于客户数据在MPLS-TP分组数据通道中的交换和转发。

    总体上说，MPLS-TP作为MPLS的子集，是MPLS的简化。为了支持面向连接的端到端的OAM模型，MPLS-TP排除了很多无连接的特性，并增加了ITU-T传送风格的保护倒换和OAM功能，这些都有利于电信级业务的提供。同时，MPLS-TP选择了MPLS体系中有利于数据业务传送的一些特征，抛弃了IETF为MPLS定义的复杂的控制协议族，简化了数据平面，去掉了不必要的转发处理，在应用场景上更适合以TDM业务为主向IP化演进的运营环境。

2 MPLS-TP业务适配技术
    单一传送汇聚平台的概念是业务组网技术中的一大突破。业务供应商不再需要对每个网络层面进行投资来实现混合业务传送，而是选择单一的多业务平台传递所有的业务。在MPLS-TP技术中，由传送平面负责将客户数据进行分组传输，对客户信号进行适配和转发。对于不同的客户层信号，MPLS-TP采取不同的适配和转发方法。对于分组数据(如以太网、帧中继)、信元数据(如ATM)和时分数据(如PDH、SDH)，由于其长度、格式、复用方式等方面的差别，在对其进行适配传输过程中牵涉到的汇聚、分段、封装、排序、定时、复用/解复用处理也将不同[7]。

2.1信号适配
    客户信号可以直接映射到T-LSP，也可以通过基于CII进行间接映射。根据双标签的体系结构，所有类型业务信号(IP信号可选择直接或间接映射)都可以通过相同的双标签结构进行信号的封装。封装层为在虚电路上传送的指定负荷信号提供必要的结构。封装层包含3个子层：负荷汇聚、定时、排序。负荷汇聚子层和指定的负荷类型密切相关。可以将一组负荷类型归入一个通用类，然后对整个组提供单一的汇聚子层类型。定时层和排序层对负荷汇聚层提供通用的服务。

    (1)负荷汇聚层的主要任务是将负荷封装成虚电路协议数据单元(PDU)类型。负荷汇聚层承载在客户设备边界处需要重现本地数据单元所必须的附加信息。而比特流在送往MPLS-TP时，有一部分在本地业务处理模块被剥离。举例来说，在结构化的SDH中，段开销和线路开销可能会被剥离。

    (2)排序子层提供了帧定序、重复帧和丢失帧检测3方面的功能。有些类型的业务必须按顺序传递，有些类型的业务不需要顺序传递。对于所发现的帧顺序错误，以及检测到的帧重复和丢失的具体处理办法的选择，与具体的业务类型有关。一些客户层信号，比如SDH、帧中继(FR)等，可能需要MPLS-TP传输具有时序性，即具有定时功能，包括时钟恢复及基于时间的分组传递。

    (3)定时子层提供了时钟恢复和定时传输两方面的功能。时钟恢复是从传输的比特流中提取时钟信息，并通过锁相机制恢复时钟。定时传输是指要求对接收到的不连续虚电路PDU按固定相位关系向客户设备传输。

    对IP业务，IP业务可以直接映射到T-LSP上，也可使用双标签方式间接映射。在双标签封装方式中，节点不需要具有三层转发能力，因此，在大量节点不具备三层转发能力的网络中，双标签封装方式具有优势。对于非IP业务的适配，基于虚电路进行间接映射。由于多个虚电路复用在一个标记交换通道(LSP)中进行传送，提供的业务颗粒可以小于2 Mbit/s。由于对业务加上CII和采用标签栈，地址空间的限制被克服。

2.2 业务封装
    业务的通用封装格式如图1所示。净荷信息可以是IP分组、Ethernet分组、ATM信元、FR信元、SDH净荷等。净荷信息包含二层报头或者一层的开销。数据信息加上控制字信息用于净荷汇聚，然后压入CII标签确定T-LSP中的虚电路类型，压入T-LSP标签用于确定MPLS-TP LSP。控制字信息一般包括标记、分段、长度和顺序号信息。在目的端，终端设备终结LSP并弹出外层T-LSP标签之后，将会根据内层CII标签来确定是属于哪个高层业务实例的数据流。

    MPLS-TP的传送面还具有一个特点，即对客户层和服务层透明。对客户层透明是指，任何客户层信号都可以承载到MPLS-TP网络上进行基于分组的传送，客户网络可以是IP/Ethernet/ATM/FR/FC/PDH/SDH等。对服务层透明是指MPLS-TP可以使用任何底层技术传输，在MPLS-TP扩展出自己的数据链路层协议之前，为了做到前向兼容，可以承载在已有的Ethernet/SDH网络中传输。

3 标签转发机制
    借鉴分组网中用三层IP传输二层以太网数据的方法，MPLS-TP采用双标签传送模式，即CII和T-LSP标签。为了支持MPLS-TP层网络，T-LSP支持无限嵌套，所以T-LSP标签可以有多个。CII标签可以具体表现为某一客户信号的标签，例如，在图2中，将CII标签表示为虚电路(VC)标签。复用/解复用模块通过虚电路捆绑的方法将多个VC捆绑成一个虚电路组(VCG)在同一个T-LSP上传送。这样可以降低网络传输交换设备的复杂度，同时减少对带宽资源的占用。

3.1 分组交换与转发技术
    MPLS-TP的业务分组交换与转发功能主要对携带MPLS-TP标签的分组客户数据进行标签交换和数据转发。其主要功能包括预处理、转发交换、封装、分段、排序、定时、复用/解复用和监测。

    (1)预处理是指对客户数据在做进一步处理之前先进行的处理，比如数据和地址的转换、对客户数据类型的识别等。通过预处理可以降低下一步处理的难度。

    (2)汇聚模块主要负责根据客户数据信号或信令信号的类型及重要性将分组进行分类汇聚，并安排到不同类型的传送信道中传输，使不同类型的信号可以具有不同的服务质量(QoS)。

    (3)封装模块在信号进行T-LSP复用和转发之前将信号进行适配。封装模块的实现与所要封装的客户信号类型紧密相关。对于分组、信元和时分这3种信号采用封装方法差别较大。封装主要是指给分组打上VC标签和T-LSP标签，并插入适当的OAM信息的过程。但根据客户信号类型的不同，有可能要使用到封装模块的3个子模块，即分段、排序和定时。在超过服务层网络所能承载的最大分组长度时，则要对客户信号进行分段。有些客户可能需要信号顺序传送和实时性支持，对这些信号的传输需要排序和定时功能。排序功能包括帧排序、复帧监测、丢帧监测。一些客户层信号，比如SDH、FR等，可能需要MPLS-TP传输具有时序性，即具有定时功能，包括时钟恢复及基于时间的分组传递。

    MPLS-TP网络中从客户信号到链路帧的映射，包括了客户业务封装、信号复用和MPLS-TP包映射到链路帧的过程。MPLS-TP网络中各种信息结构单元的关系如图3所示。

    客户信号可以直接映射到MPLS-TP LSP(如IP客户信号)，也可以通过基于CII的封装间接映射。可以附加T-MPLS网络OAM，并且数据包和OAM包都可以加上一个标签头进行复用。最后，MPLS-TP包映射到数据链路帧上，这些链路帧通过MPLS-TP拓扑链路传送。在MPLS-TP终端设备上转发交换模块把处理完的客户数据交换到相应的T-LSP上并转发；在中间传输交换设备中MPLS-TP标签分组数据被继续转发直到目的终端设备被解复用，转发给目的客户设备[8-9]。

3.2 双标签信令传送实现
    采用标记分发协议(LDP)为以太虚拟局域网1(端口1A，VLAN 100)和以太虚拟局域网2(端口1B，VLAN 200)之间建立一个MPLS-TP虚电路的实例被用来说明双标签传送信令设计方案。如图4所示。

    以下步骤说明了建立MPLS-TP虚电路的主要过程。

    (1)以太虚拟局域网1向MPLS-TP网络终端1发出建立到以太虚拟局域网2的MPLS-TP虚电路的请求。

    (2)终端设备1和2之间协商为该虚电路分配虚电路标志(VCID)。

    (3)终端设备1初始化到终端设备2的LDP信令会话(如果不存在)。1、2都互相收到LDP KEEPALIVE消息，完成会话的建立，并准备好交换对该虚电路的标签绑定。

    (4)当以太虚拟局域网的状态转为UP后，终端设备1就会根据VCID为该虚电路分配一个本地CII标签：500。并建立T-LSP 1对该虚电路进行传输，即为该虚电路分配T-LSP标签600。

    (5)终端设备1把T-LSP标签放入T-LSP隧道TLV，把本地CII标签放入LABEL TLV，把CII-ID放入FEC TLV，然后用LABEL MAPPING消息传到终端设备2。

    (6)终端设备1从终端设备2接收到LABEL MAPPING消息，将其解码得到CII标签和CII-ID。

    (7)终端设备2独立地执行第1步到第6步。

    (8)两个终端设备完成标签绑定交换并确认端口参数一致后，对编号为CII-ID50的T-MPLS虚电路的建立宣告成功。如果有一个以太局域网连接故障或拆除，就会有一个标签撤销消息被发送到对等终端设备，撤销它之前分发的MPLS-TP CII标签。

3.3 基于双标签传送模式的VPN业务
    MPLS-TP网络具有丰富的OAM开销功能[10]，可以对网络中的信号进行监控和管理，提高了整个MPLS-TP网络的可操作性和安全性，为虚拟专用网(VPN)业务在MPLS-TP网络中的应用铺平了道路。同时传统的VPN技术(不管是二层隧道技术还是三层隧道技术)实现的原理较为简单。但在VPN扩展性、安全性、管理与维护、QoS和流量工程等方面存在明显不足，特别是如果客户采用不同的接入技术(PPP、ATM、帧中继、以太网等)时，运营商需要通过不同的核心网来提供VPN业务。基于MPLS-TP传送技术的VPN业务可以在与传送技术无关的统一网络平台上实现。

    MPLS-TP VPN是通过在MPLS-TP骨干网上建立简单的点到点的隧道来实现的。它的客户设备不参与三层路由处理，用户自己配置VPN内部的路由，这就使得MPLS-TP VPN与用户的第三层网络协议无关。在MPLS-TP VPN中，终端设备仅负责用户客户设备之间的二层连接和转发，而三层以上的功能则由用户的客户设备实现。MPLS-TP网络本身可以承载不同的客户信号。通过对不同信号的适配和封装，客户可以采用不同技术接入MPLS-TP VPN网络，从而可以用较低的成本满足客户将不同层的VPN进行互联的需求。

    MPLS-TP VPN的实现如图5所示。从图5中可以看出，MPLS-TP VPN在网络中采用双层标签。T-LSP标签标志终端设备之间的共享隧道，而CII标签标志着客户设备之间的专有连接。CII标签以MPLS-TP标签栈的方式，在MPLS-TP骨干网的标签交换通道构建的隧道中进行复用。LSP可以看作是承载多条虚电路的隧道。虚电路相当于是LDP给VPN用户建立的一条点到点的路径。

4 结束语
    IP化是网络发展的必然趋势，MPLS-TP技术很好地满足了分组传送的需求，具有良好的分组传送业务适配和标签转发能力。同时，MPLS-TP面临其他分组传送技术(PBT)的挑战。作为新兴技术，MPLS-TP的成熟之路离不开标准化组织、电信运营商和设备制造商三者的共同支持。

5 参考文献
[1] 朱京, 刘昭伟, 雷学义, 等. PTN-信息通信基础承载网络的演进与变革[J]. 电力系统通信, 2009,30(4):52-59.
[2] NIVEN-JENKINS B, BRUNGARD D, BETTS M, et al. MPLS-TP requirements[R]. draft-jenkins-mpls-tp-requirements-01. 2008.
[3] ITU-T G.8114. Operation and maintenance mechanisms for T-MPLS layer networks[S]. 2007.
[4] ITU-T Rec G.8131.1. Transport MPLS (T-MPLS) layer network protection switching [S]. 2007.
[5] ITU-T Rec G.8112. Interfaces for the transport MPLS(T-MPLS) hierarchy[S]. 2006.
[6] ITU-T Rec G.8110.1/Y.1370.1. Architecture of transport MPLS (T-MPLS) layer network[S]. 2006.
[7] ZHANG Y J, ZHANG Z H, GU W Y, et al. A collision-aware queue assignment scheme for multiservice[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Infocomm Technology (ICAIT'09), Jul 7-9, 2009, Xi'an, China. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2009.
[8] ITU-T New Supplement Y.Sup4. Transport requirements for T-MPLS OAM and considerations for the application of IETF MPLS technology[S]. 2008.
[9] ITU-T G.8121. Characteristics of transport MPLS equipment functional blocks[S]. 2007.
[10] WARD D, BETTS M. MPLS architectural considerations for a transport profile[R]. ITU-T IETF Joint Working Team. 2008.

收稿日期：2010-03-05

[摘要] 传送网承载的业务从以时分复用(TDM)为主向以IP为主转变，需要一种能够有效传送分组业务的新技术。传送多协议标记交换(MPLS-TP)作为一种面向连接的分组传送技术，具有高效的多业务适配能力和灵活的标签转发机制。从MPLS-TP技术特性入手，文章基于MPLS-TP标准化的最新进展，重点讨论了与MPLS-TP有关的数据转发平面，以及业务适配和标签转发机制等关键技术，包括信号适配、分组交换与转发和双标签信令传送实现等内容，说明了基于双标签传送模式的虚拟专用网的业务实现方法，并总结了MPLS-TP的应用情况。

[关键词] 业务适配；传输-交换通道标签；公共互通指示标签；标签转发

[Abstract] Telecommunications services have been trending away from Time-division Multiplexing (TDM)-based transport networks towards IP-based ones. In the future, a new technology that can effectively carry packet services will be urgently needed. MPLS Transport Profile (MPLS-TP) is a connection-oriented packet transport technology with efficient service adaptation capabilities and a flexible label forwarding mechanism. This paper analyzes the technical characteristics of MPLS-TP, and introduces the latest standardization process. It discusses some key issues for MPLS-TP (including data forwarding plane, service adaptation, and label forwarding mechanism) and explains the implementation of dual-label transfer mode in Virtual Private Network (VPN). Finally, this paper summarizes the application of MPLS-TP.

[Keywords] service adaptation; T-LSP; CII; label forwarding