PTN分组传送网
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PTN分组传送网
1 绪论
随着全业务网IP化的发展,承载传送网IP化已是大方向。
PTN技术自提出后便获得了快速的发展,并已成为本地、城域传送网IP化演进主技术之一,在现代通信网中获得了大量的应用。
本文将首先介绍PTN技术产生背景,然后介绍其基本概念和特点,接着分析PTN的关键技术,再探讨其网络生存性,最后论述PTN的发展现状并在此基础上展望它的发展趋势。
2技术产生背景
跨入信息时代的21 世纪,人们对信息获取的要求越来越高、种类越来越多、方式越来越便捷,从以往单纯的语言服务需求到现在的语言和数据并重甚至侧重数据业务的需求,其中数据业务需求包括高速上网、视频、IP电话(VoIP)等业务,这些都是IP 数据业务,另外3G 和全业务运营的来临,使基于IP 的数据业务成为城域网传送的主体,从运营商统计的数据来看现在语言业务占干线带宽的5%,而数据业务则占了95%,显然业务的IP 化即分组化是不可争辩的事实。
在这种情况下,SDH逐步消退至络边缘,分组网开始成为核心网。
All IP转型对传送网提出了如下需求:业务宽带化,流量突发性即能进行动态带宽调整,网络智能化,网络安全性和利润最大化[1]。
为了承载IP业务,首先进行了SDH的改进,即在SDH的基础上增加以太网接口来承载以太网业务,虽然这在一定程度上解决了IP业务的承载问题,但是遗憾的是这种改进不彻底,采用刚性管道承载分组业务,汇聚比受限,统计复用率不高。
传统以太网难以提供多业务接口,难以提供时钟同步,缺乏有效的维护手段和保护方案,网络监控困难,而且无连接的业务路径,延时,抖动。
丢包率无法保证。
因此,面向IP化的分组传送技术——PTN应运而生。
3 基本概念和特点
PTN( Package Transport Network )分组传送网是一种以分组为传送单位,承载电信级以太网业务为主,兼容TDM、ATM和FC等业务的综合传送技术。
PTN是在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面,它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计,以分组业务为核心并支持多业务提供,具有更低的总体使用成本(TCO),同时秉承光传输的传统优势,包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。
PTN的出现是光传送网技术发展在通信业务提供
商现实网络和业务环境下的必然结果。
最初设想的理想光传送网IP over WDM方案是IP
分组通过简单的封装适配直接架构在智能的光层之上,适配层功能尽量简化,从而限制在接口信号格式的范围内,然后由统一的控制平面在所有层面上(分组、电路、波长、波带、光纤等)实现最高效率的光纤带宽资源调度[2]。
PTN支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道,具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力,提供了更加适合于IP业务特性的“柔性”传输管道;点对点连接通道的保护切换可以在50毫秒内完成,可以实现传输级别的业务保护和恢复;继承了SDH
技术的操作、管理和维护机制,具有点对点连接的完整OAM,保证网络具备保护切换、错误检测和通道监控能力;完成了与IP/MPLS多种方式的互连互通,无缝承载核心 IP业务;网管系统可以控制连接信道的建立和设置,实现了业务QoS的区分和保证,灵活提供SLA 等优点。
PTN技术是IP/MPLS、以太网和传送网3种技术相结合的产物,它保留了这3 类产品中的优势技术[3]:
(1)PTN 顺应了网络的IP 化、智能化、宽带化、扁平化的发展趋势:以分组业务为核心、增加独立的控制面、以提高传送效率的方式拓展有效带宽、支持统一的多业务提供。
(2)PTN保持了适应数据业务的特性:分组交换、统计复用、采用面向连接的标签交换、分组QoS机制、灵活动态的控制面等。
(3)PTN 继承了SDH 传送网的传统优势:丰富的操作管理和维护(OAM)、良好的同步性能、完善的保护倒换和恢复、强大的网络管理等。
分组传送网结合了以上技术特点,它的具体技术特征和实现方法归纳为:
(1)面向连接、统计复用。
分组传送网的数据转发是基于传送标签进行的,其由标签标识端到端的路径,通过分组交换支持分组业务的统计复用。
在分组传送网中,在传送分组数据之前,在网络设备之间先要建立端到端可靠的连接,然后再连接的支持下进行分组传送,操作完成后必须释放连接。
面向连接的操作为两个节点提供的是可靠的信息传输服务。
在分组传送网中,由于采用面向连接,各分组数据不需要携带目的地址,分组数据传输的收发数据顺序不变。
(2)可扩展性。
分组传送网通过分层和分域来提供的可扩展性,通过分层提供不同层次信号的灵活交换和传送,同时其可以架构中不同的传送技术上,比如SDH\OTN 或者以太网上。
分层模型不仅使分组传送网成为独立于业务和应用的、灵活可靠的、低成本的传送平台,可以适应各式各样的业务和应用需求,而且有利于传送网本身逐渐演进为赢利的业务网。
网络是复杂的,有些在地理上覆盖很大的范围,也有些同时包含几个运营商的网络,所以在分层的基上,可以将分组传送网划分为若干个分离的部分即分域。
一个大的分组传送网可以由划分成多个小的分组传送网的子网构成,这些子网可能是因地理位置划分,也能是因所属运营商来划分的。
(3)电信级的QoS。
分组传送网必须对分组业务提供QoS 机制,PTN 的信道层提供端到端的业务的QoS 机制,PTN通道层提供PTN网络中信道汇聚业务的QoS 机制。
QOS是T—MPLS技术中的一个综合指标,用于衡量用户对使用服务的满意程度,也是网络的一种安全机制,用来解决网络延迟和拥塞等问题的一种技术,主要参数有传输时延,延迟抖动,带宽和丢包率等。
T—MPLS 技术中端到端的QOS的管理控制策略部分是基于流的,而ATM技术中关于此部分是基于信元的。
(4)OAM。
PTN 网络的PTC、PTP 和PTS 层每层都提供信号的操作维护功能,在相应的层加上OAM 帧进行操作维护。
PTN 定义特殊的OAM帧来完成OAM 功能,这些功能包括:故障相关的OAM 功能、性能相关的OAM 功能和其他OAM 功能(如保护倒换、同步信息传递、管理数据传递等)。
(5)可生存性。
分组传送网的可生存技术包括保护倒换和恢复机制。
保护倒换,保护倒换是一种完全分配的生存性机制,完全分配的意思是对于选定的工作实体预留了保护实体的路由和带宽,它提供一种快速而且简单的生存性机制。
分组传送网可以利用传送平面的OAM 机制,不需要控制面对参与提供小于50ms 的保护,主要包括支持单向/ 双向/返回/非返回等等线性保护倒换和支持Steering 和Wrapping 机制的环网保护。
恢复的生存性机制是指在控制面对参与下,使用网络的空闲容量重新选择新选路来替代出现故障的连接的机制,它有两种实现方式:动态重路由和预置重路由。
(6)支持TDM业务和ATM业务。
分组传送网利用CES 技术支持TDM业务仿真,CES 的基本思想是在分组交换网络上搭建一个“通道”,在其中实现TDM 电路(如E1 或T1),从而使网络任一端的TDM 设备不必关心其所连接的网络是否是一个TDM网络。
分组交换网络被用来仿真TDM电路的行为,所以称为“电路仿真”。
电路仿真要求在分组交换网络的两端都要有交互连接功能。
在分组交换网络入口处,将TDM 数据转换成一系列分组,而在分组网络出口处则利用这一系列分组再重新生成TDM电路。
(7)支持分组的时钟同步和时间同步。
在过去通信网中,基于TDM 交换的语音业务对同步的要求是必需的,在未来的3G/4G 的网络中,新的业务和新的应用会对网络的同步性能提出更高的要求,因此PTN 网络需要能够提供网络的同步功能。
(8)动态控制面。
分组传送网的控制平面由提供路由和信令等特定功能的一组控制元件组成,并由一个信令网络支撑。
控制平面的主要功能包括:通过信令支持建立、拆除和恢复功能;自动发现邻接关系和链路信息,发布链路状态(例如可用容量以及故障等)信息以支持连接建立、拆除和恢复。
4 关键技术
PTN主要通过以下技术实现其高性能的业务承载能力:
(1)T—MPLS
T-MPLS 数据转发面是MPLS 的一个子集,其数据是基于T-MPLS 标签进行转发的。
T-MPLS 是面向连接的技术,是MPLS 在传送网中的应用,它对MPLS 数据转发面的某些复杂功能进行了简化,并增加了传送风格的面向连接的OAM 和保护恢复的功能,并将ASON/ GMPLS作为其基本控制平面,其核心是通过网管系统或控制平面建立端到端的标记交换路径(LSP),分组业务在该LSP上根据标签进行转发,并同时支持分组业务的带宽统计复用和TDM业务的确定性传送
T-MPLS 是国际电信联盟(ITU-T)标准化的一种分组传送网(PTN)技术,其解决传统SDH 在以分组交换为主的网络环境中暴露出效率低下的缺点,是得到业界认可的主流的分组传送技术。
T-MPLS 可以用一个简单公式表述:T-MPLS = MPLS + OAM – IP + PS。
T-MPLS 的数据转发面是MPLS 的一个子集,其去掉了基于IP 的无连接转发特性,增加端到端的OAM 和保护功能。
T-MPLS 网络分为层次清楚的三个层面:传送平面、管理平面、控制平面。
传送平面进行基于T-MPLS 标签的分组交换,其引入了面向连接的OAM 和保护恢复功能。
控制面为GMPLS/ASON,进行标签的分发,建立标签转发通道,其和全光交换、TDM 交换的控制面融合,体现了分组和传送的完全融合。
三个平面间的关系如图所示。
图1 T-MPLS 的三个平面功能示意图
数据转发面提供从一个端点到另一个端点的双向或单向信息传送,监测连接状态(如故障和信号质量),并提供给控制平面。
传送平面还可以提供控制信息和网络管理信息的传送。
T-MPLS 数据面主要功能是根据T-MPLS 标签进行分组的转发,还包括操作维护管理(OAM)和保护。
数据面的具体要求为:不支持PHP;不支持聚合;不支持联合的包丢弃算法,只支持
drop 优先级;在数据面两个单向的LSP 组成双向的LSP;根据RFC3443 中的定义的管道模型和短管道模型处理TTL;支持RFC3270 中的E-LSP 和L-LSP;支持管道模型和短管道模型中的EXP 处理;支持全局和端口本地意义的标签范围;支持G.8113 和G.8114 定义的OAM;支持G.8131 和G.8132 定义的保护倒换。
管理平面执行传送平面、控制平面以及整个系统的管理功能,它同时提供这些平面之间的协同操作。
管理平面执行的功能包括:性能管理、故障管理、配置管理、计费管理、安全管理。
T-MPLS 的控制平面由提供路由和信令等特定功能的一组控制元件组成,并由一个信令网络支撑。
控制平面元件之间的互操作性以及元件之间通信需要的信息流可通过接口获得。
控制平面的主要功能包括:通过信令支持建立、拆除和维护端到端连接的能力,通过选路为连接选择合适的路由;网络发生故障时,执行保护和恢复功能;自动发现邻接关系和链路信息,发布链路状态(例如可用容量以及故障等)信息以支持连接建立、拆除和恢复。
控制平面结构不应限制连接控制的实现方式,如集中的或全分布的,T-MPLS 控制平面采用ASON/GMPLS。
(2)OAM技术
PTN OAM 仿照电信级能力更强的SDH设计,OAM引擎有硬件实现,可实现固定3.3mS OAM 协议报文监控。
OAM按功能分类可分为:告警相关的OAM了;性能相关的OAM;其它OAM。
OAM信息包含在特定的OAM帧,并以帧的形式进行传送。
OAM帧:由OAM PDU 和外层的转发标记栈条目组成。
OAM 分组由OAMPDU 和外层的转发标记栈条目组成。
转发标记栈条目内容同其它数据分组一样,用来保证OAM 分组在T-MPLS 路径上的正确转发。
每个MEP 或MIP 仅识别和处理本层次的OAM 分组。
(3)PWE3封装技术
PW 是一种通过PSN把一个仿真业务的关键要素从一个PE 运载到另一个或多个其他PE 的机制。
通过PSN 网络上的一个隧道(IP/L2TP/MPLS)对多种业务(ATM、FR、HDLC、PPP、TDM、Ethernet)进行仿真,PSN可以传输多种业务的数据净荷。
我们把这种方案里使用的隧道定义为伪线(Pseudo Wires)。
PW所承载的内部数据业务对核心网络是不可见的,也可以说核心网络对CE 数据流是透明的。
PW方案提供了一个技术框架。
在这个框架下,各种业务都可以使用伪线仿真的方式在PSN网络上进行透明传输。
TDM伪线仿真也就是使用PW 伪线在PSN 网络上对TDM业务数据进行仿真的技术。
分组传送网利用PW3 技术支持ATM 业务仿真。
ATMoP 通过在分组传送网PE 节点上提供ATM接口接入ATM 业务流量,然后将ATM 业务进行PWE3 封装,然后映射到隧道中进行传输。
节点利用外层隧道标签进行转发到目的节点,从而实现ATM业务流量的透明传输。
(4)同步技术
分组传送网的时钟和同步主要实现技术有:
●同步以太网。
同步以太网是采用类似SDH/PDH/SONET方式的时钟同步方案,通过以太网的物理层来传递时钟,由于与上层协议无关,不受网络负载的影响,因而可以提供更
高的时间精度。
同步以太网参考ITU-T G.8261、G.8264 等标准。
●IEEE 1588 技术。
IEEE 1588(网络测控系统精确时钟同步协议),简称PTP 协议。
通过主从设备间IEEE 1588 消息传递,计算时间和频率偏移,达到主从频率和时间同步。
在系统的运行过程中,主时钟每隔一段时间将本地时间发布到网络上,从时钟则根据自己的域和优先级进行时间的接收,同时不定时的对线路延时进行计算,以保证根据网络情况进行同步。
IEEE 1588 有IEEE 1588v1 和IEEE 1588v2 两个协议,v2 草案是对v1 进行了改进和提高,IEEE 1588v2 提供的时钟精度可达到0.1~1μs量级。
(5)QOS技术
通常QoS提供以下三种服务模型:
① Best-Effort service(尽力而为服务模型),主要实现技术是先进先出队列(FIFO)
② service(综合服务模型,简称Int-Serv)业务通过信令向网络申请特定的QOS服务,网络在流量参数描述的范围内,预留资源以承诺满足该要求。
③ Differentiated service(区分服务模型,简称Diff-Serv)当网络出现拥塞时,根据业务的不同服务等级约定,有差别的进行流量控制和转发来解决拥塞问题。
QoS技术包括流分类、流量监管、流量整形、接口限速、拥塞管理、拥塞避免等。
下面对常用的技术简单进行一下介绍:
●流量分类(Classification)。
入口流量分类功能对流量进行分类,分类的依据可以是:端口、802.1P、802.1Q、IP TOS、IP源和目的地址等,及他们的组合。
●流量策略(Policing)。
策略一般位于流分类功能块后,负责对分类后的入口业务流进行测试(Metering)和等级标注(Marking),其中入口业务流测试是指对入口业务的带宽和突发进行测试。
目前数据设备常用的入口策略算法有两类:单速率令牌桶算法和双速率令牌漏桶算法。
●整形。
对分组的流量进行限制,并对超出流量约定的分组进行缓冲,并在合适的时候将缓冲的分组发送出去,从而起到流量整形的目的,支持令牌桶和队列缓存。
●拥塞管理(Congestion Management)。
一般使用队列调度技术来进行拥塞管理,队列调度技术一般采用FIFO、PQ、WFQ等。
●拥塞避免。
通常采用丢包技术来实现拥塞避免,丢包策略包括尾丢弃、RED、WRED 等。
在实际应用中,分组传送网设备可以实现多种拥塞控制机制,并且可由用户根据业务选择配置。
●各层QoS 的映射和复用。
通路层的QoS 分类可以和信道层的QoS 分类一对一或一对多的对应,也可以根据运营商的需求重新分类。
5 网络生存性
分组传送网的可生存技术包括保护倒换和恢复。
保护倒换分为线性保护倒换,有
G.8131 定义的路径保护:1+1 和1:1 两种类型和环网保护倒换,有G.8132 定义的环网保
护:Wrapping(环回)和Steering(转向)两种类型。
1+1环网保护属于单向倒换,单向1+1SNC/S保护倒换结构如图2所示[4]。
在单向保护倒换模式下,基于本地信息保护倒换由被保护域宿端(节点AI)选择器来执行。
业务信号在被保护域源端(节点A)永久桥接到工作连接和保护连接上。
服务器/子层路径终端器和适配功能块用于监视和确定工作与保护连接的状态。
单向1+1SNC/S保护的操作类型可以是返回的或是非返回的。
图2 单向1+1 SNC/S保护倒换结构
1:1环网保护属于单向倒换,双向1:1SNC/S保护倒换结构如图2所示[4],在双向保护倒换操作模式下,基于本地或近端信息和来自另一端或远端的APS协议信息,保护倒换由被保护域源端选择器桥接和宿端选择器共同来完成。
服务器/子层路径终端器和适配功能块用于监视和确定工作与保护连接的状态。
双向1:1SNC/S保护的操作类型应该是可返回的。
图2 单向1+1 SNC/S保护倒换结构
Wrapping保护倒换类似SDH的G.841保护倒换在故障处的相邻节点倒换。
其倒换示意图如图3所示[4]:
图3 Wrapping保护倒换示意图
如果线路正常的话,业务就从A—B—C—D这条线路走,但当BC之间断掉之后,就切换到ABFED这条线路,在故障相邻两节点进行倒换,保证电信级50 ms 内完成,不仅符合现网当中大规模环网应用的情况,而且对巨型环网的支持能力(Wrapping支持上限255 节点的巨型环网)也是一大亮点,同时相对于TMP 层面LSP 条目数的节省能力也相当出色(节约率接近50%)。
由此可以预见,环网Wrapping 保护必将在后续的PTN 建网当中有大规模的运用[5]。
Steering保护倒换:检测到故障的节点向所有节点发送倒换请求,每条业务在源节点被倒换到保护方向。
其工作原理图如图4所示:
图4 Steering保护倒换原理图
Steering属于段层保护,经过故障点的业务在格自原节点处转向,受影响网元较多倒换协议复杂,倒换时间不能保证50 ms;但在节省LSP条目数和配置工作量,提高传送宽带方面的优势同Wrapping。
6 技术发展现状及发展趋势
PTN 技术的发展历程是T-MPLS 到MPLS-TP的历程,早在2005 年,国际电信联盟电信标准部门(ITU-T)SG15 就开始了T-MPLS 的标准。
T-MPLS 是在MPLS 技术的基础上,
基于传送网的网络架构对MPLS 进行了简化,去掉了与面向连接无关的技术内容和复杂的协议族,增加了传统传送网风格的OAM 和保护方面的内容。
2006 年,ITU 首次通过了关于T-MPLS 的架构、接口、设备功能特性等3 个标准建议,随后OAM、保护、网络管理等方面的标准建议相继制订。
到目前IETF 已通过多个RFC,并在转发机制、OAM、生存性、网管和控制平面等五部分继续发展完善中。
目前,IP 层与传送层的融合焦点在网络的承载性和业务的可靠性、可管理性以及可扩展性,在下一代经济有效的传输技术出现之前,PTN 技术应该是融合传输技术和IP技术、兼容传统业务和IP 业务。
在节点业务IP 化和全业务启动的初期,接入层出现零星的IP业务接入需求,PTN 设备的引入主要集中在接入层,通过在IP 业务需求量大的点增加或替换成PTN设备,与既有的SDH 设备混合组建SDH 环,提供E1、FE 等业务的接入,考虑到接入IP业务需求量不大,这时汇聚层还是采用MSTP 组网方式就可以满足需求;着节点业务IP化的深入和全业务的持续推进,在业务发达的局部地区将在接入层形成由PTN单独构建的GE 环,此时下挂GE 接入环的汇聚层节点可通过MSTP直接替换成PTN 或者MSTP 逐渐升级为PTN设备的方式,使此类节点具备GE 环的接入能力,但整个汇聚层仍然以MSTP设备为主;在IP 业务的爆发期,接入层的PTN 设备和GE 环数量剧增,对汇聚层的分组传输能力提出了更高要求,此时可以把下挂GE 环和PTN设备占多数的接入环的汇聚层节点替换或升级成PTN 设备,如投资允许,建议把这类汇聚环建成纯PTN网络,使其充分发挥分组传送能力;在网络发展远期,全网实现全IP 化后,城域汇聚层和接入层建成全PTN 设备的分组传送网,网络的投入产出比将大大提高,管理维护进一步简化,分组传送网的技术优势也得以最大的体现[3]。
伴随ALLIP进程的不断加快和全业务运营时代的到来,PTN作为新一代分组传送技术的发展前景无疑是广阔的。
作为设备制造商,不管是传统流派还是数据流派,在进行PTN 设备研发和设计时,既要考虑不同运营商的网络现状和固有资产的保护利用,也要考虑面向未来LTE时代高速率、大带宽承载需求,将数据技术的高效灵活、尽力而为特性与传统传输技术的安全可靠性有机结合起来,做到优势互补、善用所长,共同为运营商组建更加高效、安全的下一代传送网[6]。
7 结束语
PTN融合了传送网和数据网的许多优点,是一种面向连接的电信级网络承载技术,可应用于传统业务和数据业务。
然而,PTN 的引入及应用受PTN技术、标准、设备成熟度和城域网业务需求情况、网络技术现状以及资金投入状况等因素的影响,所以在部署PTN的时候,应该遵循平滑演进的原则,逐步推进PTN技术的引入和应用,最终组建完全的、更高。
参考文献
[1] 唐剑锋徐荣《PTN--IP化分组传送》北京:北京邮电大学出版社 2010.
[2] 百度百科.
[3] 李慧明许新勇 PTN技术与应用中国电子科技集团公司第三十四研究所.
[4] PTN技术原理介绍烽火通信科技股份有限公司.
[5] 黄一文 PTN 承载网保护方案初探中国电信湖北分公司.
[6] PTN未来发展走向中国信息产业网.
[7] 杨波《大话通信》北京:人民邮电出版社 2009.
[8] 王晓义李大为等《PTN网络建设及其应用》北京:人民邮电出版社 2010.。