MSTP设备以太业务技术白皮书V4.0

MSTP设备以太业务技术⽩⽪书V4.0 MSTP设备以太业务技术⽩⽪书
Version 4.0
⽬录
缩略语清单LIST OF ABBREVIATIONS (4)
1 概述 (5)
2 以太⽹业务介绍 (8)
3 关键技术介绍 (10)
3.1 以太⽹端⼝ (10)
3.1.1 链路聚合（LAG） (10)
3.1.2 端⼝流控 (10)
3.1.3 以太端⼝OAM (12)
3.2 业务流处理 (13)
3.2.1 业务流分类和承诺接⼊速率 (13)
3.2.2 VLAN技术 (15)
3.2.3 QinQ技术 (17)
3.2.4 MPLS技术 (19)
3.3 业务转发 (20)
3.3.1 点到点纯透传 (20)
3.3.2 点到点虚拟透传 (21)
3.3.3 多点到多点纯⽹桥 (21)
3.3.4 多点到多点虚拟⽹桥 (23)
3.2.5 点到多点VCG静态组播 (24)
3.2.6 点到多点IGMP动态组播 (25)
3.4 环路控制 (26)
3.4.1 弹性分组环（RPR） (26)
3.5 封装 (28)
3.5.1 GFP（通⽤成帧规程） (28)
3.5.2 HDLC（⾼级数据链路控制规程） (29)
3.5.3 LAPS（SDH的链路接⼊规程） (30)
3.6 映射 (32)
3.6.1 VCAT（虚级联） (32)
3.6.2 LCAS（链路容量调整⽅案） (33)
3.7 SDH特性 (36)
3.8 端到端业务 (36)
3.8.1 端到端以太⽹OAM (36)
3.8.2 端到端QoS (38)
3.8.3 端到端保护（LPT链路状态穿通） (40)
4 组⽹及应⽤ (42)
4.1 AG接⼊承载 (42)
4.2 IPTV宽带承载 (42)
4.3 ⼤客户以太⽹专线承载 (43)
5 结束语 (45)
6 参考⽂献 (46)
1 概述
在城域数据业务的迅速发展过程中，对数据业务的传送技术和设备，运营商和设备商⼀直在不段地探讨、争论和研究的。

在这过程中，基于SDH的多业务传送设备MSTP逐渐成为城域传送⽹的最主流技术。

近两年来，各主要设备⼚商在MSTP设备上不断推出新功能，满⾜了城域多业务接⼊传送的要求。

⽽在MSTP的新功能规格中，以太⽹业务对MSTP设备形态影响最⼤，对以太⽹业务接⼊、传送和调度的技术发展最多，是MSTP最重要的特性。

以太⽹业务有很好的应⽤发展前景，原因有三：1、⼤部分⽤户局域⽹设备上⾏接⼝都会提供FE。

2、灵活性好，带宽调整⽅便，作为FE接⼝，可以从64K增加到100M，⽽不需要更换⽤户端、局端设备和线缆资源。

3、性价⽐好，易⽤：可以充分利⽤现有的双绞线铜缆资源，不⽤重新铺设线路，远距离接⼊也可以利⽤光纤。

以以太⽹互联互通为重要标志，华为公司的MSTP设备以太业务处理板的技术发展经历了两个阶段：
第⼀阶段：早在1999年底，华为公司已经发现了SDH设备传送以太⽹业务需求，⽽当时的MSTP⾏业标准还在讨论、制定中，对于以太⽹到SDH时隙的封装格式并没有严格限定。

华为公司采⽤ML-PPP实现以太⽹业务的接⼊，在以太⽹业务量不是很⼤的情况下，很好地满⾜了运营商的需求。

在这⼀阶段，由于各个⼚家采⽤的封装协议不⼀致，不同⼚家互通只能通过以太⽹接⼝直接互联，即业务落地互通。

第⼆阶段：随着GFP、虚级联、LCAS技术的标准化，以及运营商对不同设备商的以太⽹封装格式互联互通的推动，MSTP设备的以太⽹业务处理单板的实现技术开始趋于标准化，标准化的结果使得GE或FE以太⽹业务不仅可以跨越不同⼚商的SDH ⽹络，⽽且不再需要两端的SDH设备为同⼀⼚家的，不同⼚商设备组成的SDH⽹络对于以太⽹业务将成为透明通道，为更⼤范围的组织⼆层⽹络提供了基础。

华为新型以太⽹业务处理板采⽤了GFP、虚级联、LCAS技术，并⽀持丰富的以太⽹⼆层特性。

MEF论坛⼀直在推动Metro Ethernet业务的应⽤和发展，ITU SG15⼩组在2002年10⽉开始进⾏EOS标准体系的建设。

这些⼯作进⼀步推动了MSTP设备以太⽹业务的技术实现、⽹络建设和市场应⽤。

华为公司也积极参与了EOS标准体系的讨论
和制定。

EOS的标准在华为公司MSTP传送设备上得到了很好的体现。

华为新型以太⽹业务处理板能够实现从接⼊层、汇聚层到核⼼层的点对点业务、点对多点业务的端到端解决⽅案。

按照实现技术划分，MSTP上以太⽹单板可以分为以太⽹透传单板、以太⽹⼆层交换单板，以太⽹环⽹单板，其对应的业务处理流程和关键技术见下图。

图1 以太⽹关键模块技术图
以太⽹透传单板：最简单的⼀种，对于客户端的以太⽹信号不做任何⼆层处理，直接将数据包封装到SDH的VC容器中。

由于功能相对简单，成本也是各类实现技术中最低的。

以太⽹⼆层交换单板：在以太⽹透传单板基础上，增加了丰富的⼆层业务处理功能，能实现点到点，点到多点，多点到多点等多种场景下的应⽤。

以太⽹环⽹单板：通常意义上的说，环⽹技术应是⼆层交换的⼀种特殊应⽤，部分MSTP设备也利⽤⼆层交换实现了简单的以太环⽹，但这种⽅式的缺点是⽆法保证环路各个节点带宽的公平接⼊，对于环路业务的QoS也⽆法实现端到端的保证。

针对这
⼀问题，可以在MSTP设备采⽤内置RPR技术，在SDH环⽹上开辟VC通道作为RPR虚拟环路。

华为公司的以太⽹环⽹单板⽀持基于IEEE802.17协议标准的弹性分组环RPR技术。

总的说来，新型以太⽹板主要在如下⼏个⽅⾯有了很⼤的发展：
●适于各⼚家设备的互连互通：新以太⽹单板采⽤符合ITU-T G.7041的
GFP协议对数据包进⾏封装。

相对于以往的PPP和LAPS，GFP协议标准化
程度更⾼，更有利于各⼚家的互连互通，提⾼城域组⽹的灵活性；
●灵活多样的映射颗粒：新以太⽹单板⽀持VC12/VC3/VC4三种级别的映射颗粒，
并且，映射到同⼀VC Trunk中的VC个数可调，带宽分配灵活，提⾼了带宽
利⽤率；
●应⽤LCAS技术提⾼虚级联功能的健壮性：在虚级联技术的加⼊LCAS功能，
可以通过⽹管系统实时地对系统容量进⾏配置，增加或减少参与虚级联VC的
数⽬，以改变业务的承载带宽，并且在变化过程中对承载的业务不会造成损
伤；
●多⽅向汇聚功能：端⼝汇聚能⼒越强，系统组⽹能⼒越强。

华为公司新型以
太⽹板具有强⼤的汇聚能⼒，能实现FE到FE、FE到GE、GE到GE的业务汇聚，
充分节省业务端⼝，减轻汇聚节点的端⼝压⼒；
●在以太⽹OAM上处于业界领先，⽀持CC,LB,LT等管理维护能⼒；
●基于QinQ/MPLS技术实现了VLAN的灵活扩展；
●⽀持基于VCG硬管道的Hard QoS以及基于报⽂流分类、拥塞管理和拥塞
避免，流量监管和流量整形等功能的差分QoS能⼒；
●具备了从链路级，到设备级，再到⽹络级的⽐较完善的以太⽹保护能
⼒。

2 以太⽹业务介绍
以太⽹业务可以简单的分成点到点业务，多点到多点业务以及点到多点业务。

根据采⽤的技术的不同，IETF、ITU-T、MEF、IEEE等标准组织对以太⽹业务进⾏了进⼀步划分，其对应关系见下表所⽰。

下⽂仅以ITU-T标准定义的为准进⾏介绍。

表1以太⽹业务定义
根据ITU-T G.8011，已经定义的以太⽹业务类型有四种：EPL以太⽹专线业务、EVPL以太⽹虚拟专线业务、EPLAN以太⽹专⽤局域⽹业务和EVPLAN以太⽹虚拟专⽤局域⽹业务。

1.EPL：以太⽹私有专线业务，各个⽤户独占带宽，在接⼊侧和⽹络侧均不存在
带宽共享，业务延迟低，提供⽤户数据的安全性和私有性；
2.EVPL：以太⽹虚拟专线业务，其优点在于不同业务流在接⼊侧或者⽹络侧均
可实现带宽共享，使得同⼀物理端⼝可提供多条点到点的业务连接，业务可收敛实现汇聚，节省端⼝资源；
3.EPLAN：以太⽹私有局域⽹业务，实现多点到多点的业务连接，其优点与EPL
类似，在于⽤户独占带宽，安全性好；
4.EVPLAN：以太⽹虚拟局域⽹业务，实现多点到多点的业务连接，其优点在于
不同业务流在接⼊侧或者⽹络侧均可实现带宽共享，实现业务汇聚，节省端⼝资源。

对于点到多点业务，由于实际应⽤还不多，各标准还没有做明确的定义。

MSTP 设备同时也⽀持点到多点业务的传送，有两种⽅式实现，⼀是通过SDH的⼀层静态组播PUSH⽅式，另外⼀种是通过以太⽹⼆层IGMP组播动态协议来实现。

3 关键技术介绍
3.1 以太⽹端⼝
3.1.1 链路聚合（LAG）
链路聚合保护（LAG）属于以太⽹IEEE802.3协议范围，英⽂全称为Link Aggregation，它是将多个物理链路聚合起来，形成⼀条速率更⼤的逻辑链路（链路聚合组），⽤来传送数据。

链路聚合的作⽤域在于相邻设备之间，和整个⽹络结构不相关。

在以太⽹中，链路实际是和端⼝⼀⼀对应的，因此链路聚合也叫做端⼝聚合。

链路聚合特性对于⽤户的价值在于：
（1）提⾼链路可⽤性
如下图所⽰，链路聚合中，成员互相动态备份。

当某⼀链路中断时，其它成员能够迅速接替其⼯作。

链路聚合启⽤备份的过程对聚合之外是不可见的，只在聚合链路内，与其它链路⽆关，切换可在数毫秒内完成。

图2 链路聚合成员相互备份
（2）增加链路容量
链路聚合技术的另⼀个明显的优点是为⽤户提供⼀种经济的提⾼链路传输率的⽅法。

通过捆绑多条物理链路，⽤户不必升级现有设备就能获得更⼤带宽的数据链路，其容量等于各物理链路容量之和。

聚合模块按照⼀定算法将业务流量分配给不同的成员，实现链路级的负载分担功能。

3.1.2 端⼝流控
以太⽹本质上是⽆连接的，帧传输的可靠性也没有什么保证。

帧⽆错传输的概率是很⾼的，但是⽆法保证绝对正确。

在数据位出错、接收器的缓冲区不能满⾜或其他异常情况下，
以太⽹接收器会简单地丢弃帧，⽽不给出任何提⽰。

可靠的传输协议常常提供端到端的流量控制。

也就是说，这些协议保证数据发送在接收⽅没有⾜够资源（如缓冲区）处理数据时不再继续进⾏。

然⽽，这只保证数据最终接收者的资源是可⽤的，站间的协议不能保证在每个中间的交换机或路由器有⾜够的可⽤资源⽤来接收和处理数据源。

因此端到端的流量控制⽆法保证帧不被⽹络互连设备丢失（由于缓冲内存不⾜）。

链路缓冲区溢出问题必须在链路层解决，端到端的流量控制不能解决这个问题。

新型以太⽹单板⽀持符合IEEE802.3x标准的PAUSE帧流控，解决全双⼯模式下以太⽹的流量控制。

以太⽹PAUSE帧流控的机制是这样的，如果⼀个以太⽹⼝的接收队列发⽣拥塞（⼊⼝buffer中的数据超过⼀定的阈值），且该⽹⼝⽀持PAUSE流控，则该⽹⼝向外发送PAUSE 帧，帧中的pause-time域的值为N（0
PAUSE帧的格式在802.3 X中定义：⽬的地址为多播地址01-80-C2-00-00-01；源地址为源端⼝的MAC地址；类型/长度域为88-08，表⽰MAC控制帧；2字节的MAC操控码为00-01，表⽰PAUSE帧；2字节的pause时间，指⽰对端端⼝暂停发送的时间，该域为0表⽰通知对端暂停发送的端⼝可以开始发送数据。

图3 PAUSE帧结构
端⼝流控包括⼏种不同的模式：⾮对称（Asymmetric PAUSE）、对称（Symmetric PAUSE）、完全（⾮对称+对称 Both Asymmetric And Symmetric PAUSE）。

其中⾮对称表⽰该端⼝在拥塞时可以发送PAUSE帧，但不能处理接收到的PAUSE（丢弃或作为普通多播帧处理）；对
称表⽰该端⼝既可以发送PAUSE也能够处理接收的PAUSE帧，完全模式只⽤于流控的⾃协商。

3.1.3 以太端⼝OAM
以太端⼝OAM功能在IEEE802.3ah EFM 以太⽹OAM标准定义,主要定义⽤于⽤户接⼊部分的以太⽹物理层规范，包括铜线、PON和光纤等以及接⼊部分的以太⽹OAM。

EFM定义的OAM ⽤于监视链路运⾏状态，如⾃动发现和连通性验证，时延、抖动和丢包率测试等以及改善故障定位能⼒, 是基于端⼝进⾏维护的,所以也称为端⼝OAM。

该标准定义的OAM机制只适⽤于单⼀链路，使⽤于传送⽹同接⼊⽹之间的对接，不能实现端到端的OAM机制。

以太端⼝OAM协议作为低速率协议不会影响到⽤户的数据流，OAM占有的带宽⾮常有限，通常情况下对链路不会产⽣⼤的影响。

正因为以太端⼝OAM协议是低速率的，所以可以使⽤硬件或软件来完成，且以太端⼝OAM协议是相对于传输介质是独⽴的。

通过使⽤MAC地址，OAM 报⽂⼀般只会在MAC层处理，不会影响到Ethernet的其他层次。

下表是以太⽹端⼝OAM中定义的功能：
表2以太⽹端⼝OAM功能列表
新型以太⽹单板⽀持以太⽹端⼝OAM功能，为末端接⼊维护管理提供⼀种有效的⼿段，如下图，通过以太⽹端⼝OAM功能，实现对接⼊的Modem或PON等接⼊设备进⾏监控管理（当然，前提是对接设备也⽀持802.3ah协议）。

图4 基于802.3ah实现对末端设备的管理
3.2 业务流处理
3.2.1 业务流分类和承诺接⼊速率
对以太⽹业务报⽂进⾏流分类，是实现QoS的前提。

新型以太⽹单板⽀持基于端⼝或端⼝＋VLAN对报⽂进⾏分类，实现对⽤户接⼊数据流的区别对待。

业务报⽂在进⾏流分类后，再送到相应的流队列进⾏速率管理以及优先级队列处理。

对业务流的管理是通过承诺接⼊速率CAR实现的，CAR通常在边缘⽹络的接⼝处进⾏配置，⽤以限制输⼊流的速率，从⽽有利于⽹络的营运商更好地经营⽹络，提供有保障的⽹络服务质量。

CAR是通过令牌桶（Token Bucket Policing）机制来实现的，令牌桶是⼀个控制数据流量的很好的⼯具。

如⽰意图所⽰，当令牌桶中充满令牌的时候，桶中所有的令牌代表的报⽂都可以被发送，这样可以允许数据的突发性传输。

当令牌桶中没有令牌的时候，报⽂将不能被发送，只有等到桶中⽣成了新的令牌，报⽂才可以发送，这就可以限制报⽂的流量只能是⼩于等于令牌⽣成的速度，达到限制流量的⽬的。

图5 令牌桶原理图
CAR在标准组织Metro Ethernet Forum以及RFC均有定义。

基于双令牌桶的带宽管理是⼀种较为完善的CAR实现⽅式，其定义有四个参数CIR、CBS、PIR、PBS，对业务报⽂根据带宽限制参数满⾜情况可划分为三⾊绿、黄、红，其关系见下图所⽰。

图6 双令牌桶机制
报⽂速率⼩于CIR的被认为是绿⾊报⽂（通过），报⽂速率⼤于CIR⼩于PIR的被认为是黄⾊报⽂（降级），报⽂速率⼤于PIR 的被认为是红⾊报⽂（丢弃），其中对报⽂是否进⾏着⾊是可选的。

华为新型以太⽹单板⽀持双速率三⾊双令牌桶算法，⽬前不⽀持对报⽂的染⾊功能。

3.2.2 VLAN技术
VLAN（Virtual Local Area Network），是⼀种通过将局域⽹内的设备逻辑地⽽不是物理地划分成⼀个个⽹段从⽽实现虚拟⼯作组的技术。

VLAN技术允许⽹络管理者将⼀个物理的LAN逻辑地划分成不同的⼴播域（或称虚拟LAN，即VLAN），每⼀个VLAN都包含⼀组有着相同需求的计算机，由于VLAN是逻辑地⽽不是物理地划分，所以同⼀个VLAN内的各个计算机⽆须被放置在同⼀个物理空间⾥，即这些计算机不⼀定属于同⼀个物理LAN⽹段。

VLAN的优势在于VLAN内部的⼴播和单播流量不会被转发到其它VLAN中，从⽽有助于控制⽹络流量、减少设备投资、简化⽹络管理、提⾼⽹络安全性。

IEEE于1999年正式签发了802.1Q标准，即Virtual Bridged Local Area Networks 协议，规定了VLAN的国际标准实现。

802.1Q协议规定了⼀段新的以太⽹帧字段，如
下图所⽰。

与标准的以太⽹帧头相⽐，VLAN报⽂格式在源地址后增加了⼀个4字节的
802.1Q标签。

4个字节的802.1Q标签中，包含了2个字节的标签协议标识（TPID--Tag Protocol Identifier，它的值是
0x8100），和两个字节的标签控制信息（TCI--Tag Control Information），TPID是IEEE定义的新的类型，表明这是⼀个加了
802.1Q标签的报⽂。

图7 带有802.1Q标签的以太⽹帧
下图显⽰了802.1Q标签头的详细内容，该标签头中的信息解释如下：?VLAN Identified( VLAN ID ): 这是⼀个12位的域，指明VLAN的ID，⼀共4096个，每个⽀持802.1Q协议的主机发送出来的数据包都会包含这个域，以指明⾃⼰所属的VLAN。

Priority：这3位指明帧的优先级。

⼀共有8种优先级，主要⽤于当交换机阻塞时，优先发送优先级⾼的数据包。

图8 802.1Q标签头
新型以太⽹单板⽀持VLAN技术，根据端⼝接⼊业务不同，可将端⼝VLAN属性划分为三类，⼜称端⼝Tag属性：Tag aware, Access和 Hybrid，其对业务处理⽅式见下表：
表3 不同TAG 属性下业务报⽂的处理
新型以太⽹单板同时⽀持VLAN 翻译功能（Vlan Translation ），提供对两个不同的⽹络的不同VLAN 的连接。

如下图所⽰, 某⽤户两地分部使⽤的VLAN ID 分别为100和200，⽤户希望对以上两个⽹络进⾏互通，则要求中间传送⽹络⽀持VLAN 翻译功能。

对于需要进⾏VLAN 翻译的业务，⼀般使⽤在EPL/EVPL 的专线业务中，对于EPLAN/EVPLAN 的业务，为了明确唯⼀的VLAN 域，⼀般不使⽤VLAN 翻译的功能。

图9 VLAN 翻译的应⽤
3.2.3 QinQ 技术
VLAN 是随着以太⽹交换技术发展起来的⼀种局域⽹技术，当以太⽹由局域向城域和⼴域扩展的时候，VLAN 作为⼀种局域⽹技术，其限制就暴露出来了，VLAN ID 只有12位，也就是最多只能⽀持4096，去掉0和4095不使⽤外，它只能⽀持4094
个VLAN，对于局域⽹是⾜够了，对于城域⽹是完全不够的。

为了解决VLAN不⾜的问题，出现VLAN嵌套技术（Stackable vlan），对进⼊⽹络以太⽹数据报⽂进⾏重新添加VLAN标签，⽽不管报⽂中原来是否带有VLAN标签，通过这个添加的VLAN标签起到⽤户隔离的作⽤。

Stackable vlan技术实现了⽤户VLAN的扩展和隔离，突破了VLAN数⽬的限制，使得⽤户数据更安全可靠。

QinQ技术是Stackable VLAN嵌套技术的另外⼀个常⽤名称，QinQ技术同时有很多不同的称呼，如802.1Q in 802.1Q 、Tag in Tag、StackVLAN、VLAN VPN、SVLAN 等。

在标准IEEE 802.1ad Provider Bridge Network提供者⽹桥⽹络中描述了QinQ 的实现。

下图显⽰了QinQ报⽂格式。

图10 封装了外层VLAN Tag的报⽂
QinQ协议是⼀种简单⽽易于管理的协议，它不需要信令的⽀持，仅仅通过静态配置即可实现。

因为不需要信令的⽀持，基本不存在互通的问题，华为和⼤多数⼚家的设备在QinQ模式下⾯，ETYPE位置仍然采⽤传统VLAN的0x8100来标识，但少数⼚家采⽤其他的值如0x88a8等来标识，这种情况下，华为提供了灵活配置的⽅式来适配，确保和所有⼚家的QinQ都能互通。

QinQ技术可以灵活的应⽤于专线和⼆层业务应⽤中，下图显⽰了⼀个在专线传送中通过QinQ技术实现VLAN扩展的⼀个实例。

图11 QinQ技术应⽤实例
3.2.4 MPLS技术
多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching）是⼀种⽤于快速数据包交换和路由的体系，它为⽹络数据流量提供了⽬标、路由、转发和交换等能⼒。

更特殊的是，它具有管理各种不同形式通信流的机制。

MPLS 独⽴于第⼆和第三层协议，诸如ATM和IP。

它提供了⼀种⽅式，将IP地址映射为简单的具有固定长度的标签，⽤于不同的包转发和包交换技术。

在 MPLS 中，数据传输发⽣在标签交换路径（LSP）上，LSP 是每⼀个沿着从源端到终端的路径上的结点的标签序列。

MPLS 标签结构：
20232432 bit
Label Exp S TTL
Label―Label值传送标签实际值。

当接收到⼀个标签数据包时，可以查出栈顶部的标签值，并且系统知道：A、数据包将被转发的下⼀跳；B、在转发之前标签栈上可能执⾏的操作，如返回到标签进栈顶⼊⼝同时将⼀个标签压出栈；或返回到标签进栈顶⼊⼝然后将⼀个或多个标签推进栈。

Exp―Experimental, 协议中没有明确，通常⽤作业务优先级CoS(Class of Service)。

S―栈底。

标签栈中最后进⼊的标签位置，该值为0，提供所有其它标签⼊栈。

TTL―⽣存期字段（Time to Live），⽤来限制转发的跳数。

在MSPT新型以太⽹设备上，通过引⼊MPLS标签技术，建⽴起端到端的标签交换通道，也就是实现了通过私有的隧道技术在公共数据⽹络上仿真出点到点的业务专线连接，从⽽实现了VPN⽹络。

其中标签的作⽤有两个：（1）在多个VB的业务映射进同⼀VCTrunk时，区分不同⽤户的业务流；（2）在同⼀个VB相同vlan 的业务映射进同⼀VCTrunk时区分不同的业务流。