分组传送网PTN信息通信基础承载网络融合演进变革的发解析.docx
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分组传送网PTN信息通信基础承载网络融合演进变革的发解析
分组传送网(PTN
——信息通信基础承载网络融合演进变革的发展趋势
朱京,刘昭伟,雷学义,贾小铁
(国网信息通信有限公司,北京100761
摘要:
简要回顾了光传送网的发展历程,并论述了其当前发展的三个趋势,介绍了顺应了这些趋势的一种网络形态――分组传送网;从渊源、架构、业务承载、生存性技术、OAM、QoS、标准化进程等方面阐述了分组传送网的主流技术――T-MPLS技术;介绍了分组传送网的产业化进程,分析了其网络定位,并讨论了其引入策略。
关键词:
传送网;分组传送网;T-MPLS
中图分类号:
TN929.11
0引言
国际电信联盟(ITU于2007年年末发行了一份题为“电信改革趋势:
通往下一代网络之路”的重要出版物,被业界称为向下一代网络(NGN,NextGenerationNetwork演进发展和变革的策略指导书。
该文件指出:
下一代网络迎来了从“一个网络承载单一服务”方式向“一网承送多重业务”方式的转变。
而业务的全IP化趋势,决定了未来的“一网”无疑将会是以分组为核心的承载传送网络。
1光传送网的技术演进和发展趋势
传送网是网络业务开展的基础,一个具备快速灵活调度和对业务网络具有良好适应能力的传送网,往往会在业务快速部署和降低网络运营成本方面起到关键作用。
1.1光传送网的技术演进
业务接口
电层光层
光纤煤质
(b(e(d(c
PDH
PDH
DWDMDWDM交叉
交叉交叉光纤放大器时分复用(TDM(f包交换
电层光层光纤煤质光纤放大器
统计时分复用(STDM
ROADM
(a
(FDM
通道1通道2通道3
图1传送网的发展与变革Fig.1developmentandevolutionoftransportnetwork
业务需求是通信网络发展的驱动力,图1显示了传送网发展与变革[1]
。
FDM(FrequencyDivisionMultiple,频分复用(图1a是将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传输的复用技术,即频分复用是利用不同的频率使不同的信号同时传送而互不干扰。
历史上,电话网络曾使用FDM技术在单个物理电路上传输若干条语音信道。
在其后电话系统所使用的传输方式中,一次历史性变革使TDM(Time-DivisionMultiplexing,时分多路复用逐步替代了FDM技术。
在数字通信发展的初期,大量的数字传输系统都是准同步数字体系(PDH,PlesiochronousDigitalHierarchy,PDH设备(图1b设备在业务接口侧提供了2Mbit/s(或
1.5Mbit/s的基群接口。
虽然被称作是光的处理,但基本上是电信号层的处理。
但随着数字交换的引入,由光通信技术的发展带动的长距离大容量数字电路的建设,以及网络控制和宽带数字综合业务发展的需要,暴露了PDH存在的开销太少、上下链路困难和因定时损伤而难以实现E5速率上的异步复用等一些固有弱点。
随着光纤通信技术和大规模集成电路的高速发展,1986年美国提出了一种以光纤通信为基础的同步光纤网(SONET,SynchronousOpticalNet概念,作为现代化通信网的基本结构。
1988年ITU-T对SONET概念进行了修改,重新命名为同步数字体系(SDH,SynchronousDigitalHierarchy,使之成为不仅适用于光纤通信,也适合于微波类传输的体制。
自20世纪90年代开始,SDH设备(图1c通过同步性能的改善,首次提供了灵活的业务颗粒(如虚容器VC-12和虚容器VC-4调度能力,传送网的组网和保护功能得到了充分的发挥。
因而,SDH技术作为传送网主体技术以其特有的优势在传送网中占据了绝对主导地位,为通信业务的发展发挥了巨大作用。
面对通信业务的加速数据化和IP化以及多样化的业务环境,SDH技术加强了支撑数据业务的能力并向多业务平台发展,形成SDH多业务平台(MSTP,Multi-ServiceTransportPlatform(图1e。
作为SDH设备的演进,MSTP所改善的是在用户接口一侧,但是内核一侧却仍然是电路结构。
因此,可以说MSTP技术向包处理或IP化的程度不够彻底。
随着TDM业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟,传送设备要从“多业务的接口适应性”转变为“多业务的内核适应性”(图1f。
WDM设备(图1d则首次拓展了光信道的波分特性,大大提高了传送网的容量。
自20世纪90年代中期商用以来,WDM系统发展极为迅速,已成为实现大容量长途传输的主流手段。
但现阶段大多数WDM系统主要用在点对点的长途传输上,交换功能依然在SDH电层上完成。
在条件许可和业务需要的情况下,在WDM系统中有业务上下的中间节点可采用OADM设备(图1f,从而避免使用昂贵的OTU进行OEO变换,节省网络建设成本,增强网络灵活性。
目前具有固定波长上下的OADM已经广泛商用,而能够通过软件配置灵活上下波长的动态可重构OADM(ROADM也开始步入市场。
1.2光传送网的发展趋势
1.2.1分组化
近年来,IPVPN、Internet业务、VoIP和网络视频等IP业务发展非常迅速,且目前涌现出的通信新业务已全部实现了IP化,通信网的基础业务——电话业务也正在IP化,IP业务已占传送网所承载业务量的绝大部分,这给传送网所承载的业务带来了巨大的变化,通信业务的IP化已成为不争的事实。
但面向TDM业务设计的SDH传输网技术已难以满足数据IP业务的传送需求,主要的问题在于:
(1基于固定的VC容器作为传送单位,粒度大,种类少,适配分组业务的效率低,难以动态共享。
(2基于电路连接传送业务,配置复杂,实现数据业务所要求的全互联,维护成本昂贵。
(3业务种类简单,难以满足新型动态数据业务的要求。
(4由于IP业务本身的带宽突发性和高峰均值比等特点,使得基于电路交换的永久连接、带宽固定的传输网带宽利用率很低,随着业务的发展,加大传输带宽与提高带宽利用率两者之间的矛盾日益突出。
在IP业务的驱动下,虽然基于SDH的多业务传送平台(MSTP技术和设备得到了长足发展,在一定程度上提供电信级分组业务的传送功能,体现了光传送网向支持分组传送网络的演进趋势。
但MSTP设备仍然是以电路交叉为核心的SDH设备,只是增加了一些数据业务的接口,可以实现数据业务的透明传输以及一些简单的业务汇聚,但难以满足以分组业务为主的应用需求。
业务驱动是技术发展的原动力,随着数据业务的迅猛发展,宽带多业务传送、端到端的带宽提供等新模式不断出现,必然要求传送网络的IP化,即要求传送网络由电路交叉核心
向分组交换核心的转变,利用分组交换核心实现分组业务的高效传送。
业务自身的IP化推动业务承载的IP化,即传送网本身的IP化,将会是通信史上的又一次变革。
对于电网企业而言,随着企业Intranet、电力信息网、数字化电网、实时监控系统等的进一步建设,传送网承载业务的IP化在电力通信网中会更加明显,这一趋势也将直接推动电力传送网本身的IP化,决定电力传送网逐步走向全IP[2]。
1.2.2大容量
伴随着业务IP化的是语音、视频等宽带业务对带宽的大量需求,并且,由于IP业务固有的突发性,使得业务对带宽的需求激增。
我们不能只通过新建通信链路或采用DWDM等技术来提高带宽,同等重要的是,需要提高带宽利用率以拓展有效带宽。
大容量是对传送网络的一个趋势要求,对电力通信网也同样适用。
对于电力通信网来说,当前网络中的SDH、MSTP设备尚能满足通信容量的需求,随着业务的发展,如远程实时监控、各种IP应用、智能电网等各种应用的进一步发展,当通信带宽紧张的时候,我们同样会遇到带宽瓶颈的问题。
1.2.3智能化
随着网络的进一步建设,通信线路的增加,传送网向mesh网络(网状网络演进的趋势越来越明显,为了降低网络运行维护成本,提高网络的可管理性,提高网络的使用效率,提高网络的生存能力,我们需要更为智能化的网络。
ASON(AutomaticallySwitchedOpticalNetwork,自动交换光网络和PTN(PacketTransportNetwork,分组传送网都已分别在传输面和管理面之外加了一个独立的控制平面,用以根据管理平面所制定的策略,自动完成诸如连接控制、路由控制、资源管理等功能。
2分组传送网
TDM业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟,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,我们又必须保证传统业务(如语音的正常运行,从而要求分组技术和传输技术的相互融合。
正是在这种业务转型和技术融合的背景之下,分组传送网应运而生[3]。
PTN技术是IP/MPLS、以太网和传送网三种技术相结合的产物。
它顺应了网络的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;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;又继承了SDH传送网的传统优势:
丰富的操作维护(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;并且,由于其是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,所以具有更低的总体使用成本(TCO,TotalCostofOwnership。
图2PTN的核心技术特征
Fig.2keytechnicalcharacteristicsofPTN
当网络融合趋势越来越明显,建设一个综合的统一的电信级承载网络得到了一致的认同。
传统通信网络为每种业务建设专用的业务平台,业务资源难以融合和共享,网络运营企业必须同时维护多个业务平台,造成建网成本和维护资源的双重浪费,难以满足多业务统一承载和降低运营成本的发展需求,而PTN则提供了一种灵活高效、扁平化、可运营、低成本的融合的网络架构,来实现全业务的统一承载,见图3。
图3PTN技术实现技术融合和网络扁平化
Fig.3PTNtechnologyleadingtechnologyintegrationandFlatNetwork
分组传送网是一个总的概念,就具体制式来说,T-MPLS和PBB-TE/PBT是分组传送网两个主要的技术分支,这两种技术都是属于面向连接的技术,都提供类似SDH的性能和可靠性,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。
3T-MPLS技术
T-MPLS是国际电信联盟标准化的一种分组传送网(PTN技术,解决了传统SDH在以分组
交换为主的网络环境下暴露出的效率低下的缺点,是得到业界广泛认可的主流分组传送技术。
3.1T-MPLS与MPLS
T-MPLS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[4]。
图4T-MPLS与MPLS的区别
Fig.4comparisonbetweenT-MPLSandMPLS
见图4,T-MPLS与MPLS相比,主要差别在于:
(1T-MPLS采用集中的网络管理配置,或基于RFC3473的ASON/GMPLS控制面,MPLS采用IETF定义的MPLS控制协议,包括RSVP/LDP和OSPF等。
(2T-MPLS将两个单向的LSP绑定为一个双向的LSP,提供双向连接,经过相同的物理路径。
(3T-MPLS不支持LSP的聚合,在MPLS中的LSP聚合虽然能够增加网络的可扩展性,但是增加了OAM和性能监测的复杂度,因此LSP聚合不是面向连接的概念。
(4T-MPLS不支持倒数第二跳弹出(PHP和均等成本多路径(ECMP,它们破坏了端到端的特性。
(5T-MPLS支持端到端的保护倒换和子网保护,线性保护倒换和环网保护,MPLS支持本地保护技术FRR。
表1T-MPLS实现电信级特性的技术机理
Table1telecomcharacteristicsmechanismsofT-MPLS
6
7
3.2T-MPLS架构
图5T-MPLS网络的三个平面Fig.5threeplanesofT-MPLSnetwork
T-MPLS网络可分为三个平面:
传送平面、管理平面、控制平面,如图5所示。
传送平面的主要功能是根据T-MPLS标签进行分组的转发,提供从一个端点到另一个端点的双向或单向数据传送,同时还可以提供控制信息和网络管理信息的传送,监测连接状态(如故障和信号质量并提供给控制平面,提供操作维护管理(OAM和保护恢复功能。
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调操作。
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、安全管理和其他功能。
控制平面独立于服务层和客户层,和现有的传送网络操作和管理模型兼容,采用ASON/GMPLS协议,主要功能包括:
通过信令支持建立、维护和拆除端到端连接的能力,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,发布链路状态信息,自动发现拓扑和资源等。
3.3T-MPLS全业务承载
为适应数据业务量迅猛增长的需要,分组传送网采用了通用的分组交换内核,提供了对数据业务的适应性,但是如何保持对原有电路型服务的后向兼容性,同时向分组化网络转型呢?
IETF的端到端伪线仿真(PWE3,PseudoWireEmulationEdge-to-Edge技术解决了这个问题。
正是由于采用了PWE3技术,使得T-MPLS网络在满足数据业务需求的同时,还可以支持各种各样的传统电路型业务。
PWE3是在分组交换网(PSN上模拟各种点到点业务的机制,被模拟的业务可以通过TDM专线、ATM、FR或以太网等传输。
PWE3利用PSN上的隧道机制来模拟一种业务的必要属性,这里的隧道就被称为伪线(PW,主要是在分组网络上构建点到点的以太网虚电路EVC。
各种业务向T-MPLS隧道映射的方式如图6所示。
图6T-MPLS对各种业务的映射方式
Fig.6T-MPLSmappingtechniquesfordifferenttypeclientdata
3.4T-MPLS的生存性技术
T-MPLS的生存性是分组传送网的另一个主要特征,其主要由基于传送平面的保护倒换技术和基于控制平面的恢复技术来实现。
基于传送平面的保护技术有路径保护、子网连接保护、环网保护;基于控制平面的恢复是指在控制平面的参与下,在错误发生后重新计算保护路径,或在错误发生前预计算保护路径。
T-MPLS的保护倒换机制能够实现与SDH相同的小于50ms的保护效果。
3.5T-MPLS的OAM
T-MPLS的OAM主要用于差错管理、性能监测和保护倒换,现在发展了三种OAM:
8
9
主动(Pro-activeOAM――周期性地报告链路状态、性能、差错等;按需
(On-demandOAM――按需地报告链路状态、性能、差错等;保护倒换OAM――主要是APS协议。
FT
02ResDTLSPTTSI(optionalDLPadding(0x00BIP16ResDT
LSPTTSI(optional
DL
Padding(0x00
BIP16
CV
FDIBDI
11220
414
2[oRes(0x00
LSPTTSI
Padding(0x00
BIP16FFD
Frequency
13
2017
21图7Y.1711定义的T-MPLSOAMFig.7Y.1711definedT-MPLSOAM
T-MPLS的OAM标准为G.8113/Y.1372和G.8114/Y.1373,同时大量借鉴并沿袭ITU-T
Y.1711,其OAM帧格式如图7所示[5],其中Label域是OAM告警标签(20bit,当取值为14时代表OAM分组。
可以看出,其主要提供了连接确认(CV,ConnectivityVerification、快速故障监测(FastFailureDetection、前向故障指示(ForwardDefectIndication、后向故障指示(BackwardDefectIndication等消息类型。
3.6T-MPLS的QoS
T-MPLS使用区分服务DiffServ的QoS机制(RFC3270,由于DiffServ没有提供一种机制来检测资源的可用程度以满足端到端的QoS需求,因此在T-MPLS网络中将DiffServ与流量工程相结合,通过预先建立的连接预留相应的网络资源,在通道上的每个节点执行接纳控制操作,以确保资源是真实可用的,从而实现端到端的QoS。
T-MPLS的每一层都有相应的QoS管理,包括通路层管理业务的QoS、通道层管理汇聚后的业务QoS。
区分服务的思想是将数据流划分为不同的类别,在每个路由器上根据数据流所属的类别,实现不同的转发处理。
DiffServ将业务分为三大类:
优先转发(EF、保证转发(AF和尽力而为(BE,他们通常对应于对时延敏感、保证送达但对时延不敏感和无特殊要求的业务。
DiffServ的不足之处在于针对业务流只能实现粗管道的QoS保证,即只能实现不同类别间流量的QoS保证,而无法实现针对每一业务流的QoS保证。
MPLS流量工程(MPLS-TE技术是一种重要的IPQoS保证技术。
它可用于输导网络流量,解决流量的拥塞和不平衡;MPLS-TE快速重路由(FastReRoute,FRR技术可在50ms级别内,实现流量从主用路径切换到备份路径。
目前,不同厂家之间MPLS-TE的互通性还存在一定问题,现网上一般在同一厂家设备之间启用MPLS-TE。
3.7T-MPLS的标准化进程
在标准化进程上,T-MPLS已经走在了其他分组传送网技术的前面,整体来说,标准已
经基本成熟,其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。
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(TransportProfileforMPLS,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。
4PTN的产业化进程
虽然PTN技术的标准化工作尚未完成,但由于国内外市场需求迫切,目前已有一系列PTN产品相继面市,如上海贝尔阿尔卡特1850TSS和华为的OSN3900/1900。
另据了解,中国移动从2008年7月开始对PTN进行测试,参与的厂商包括华为、中兴、上海贝尔、烽火、北电等。
目前,经过第一阶段的实验室测试,第二阶段的模拟业务加载测试,已经进入第三阶段的现网测试。
对于T-MPLS的设备形态,目前还没有形成一致的意见,根据对已有相关设备的分析和归纳,T-MPLS设备可能存在以下三种类型:
基于新型以太网交换机的T-MPLS设备,如爱立信公司新推出的OMS系列分组交换机产品;基于通用交换矩阵的T-MPLS设备,典型产品是阿尔卡特公司推出的1850传送业务交换机(TSS;基于现有MSTP架构的T-MPLS设备,目前部分MSTP设备已经支持简单的MPLS功能,只是由于网络应用需求不明确,且无法实现与IP/MPLS网络的互通,因此实际应用还很少。
5PTN技术在下一代通信网络中的定位及引入策略5.1PTN技术在下一代通信网络中的定位
关于下一代网络的架构,有一个非常形象的比喻,软交换/IMS(IPMultimediaSubsystem,IP多媒体子系统是核心和中枢神经,下一代承载/传送网络是骨架,下一代业务平台是血肉,而下一代接入层网络则是支撑整个生命体的毛细血管。
有专家指出,运营商目前网络现状和业务需求不同,但在融合化的背景下,全业务时代的来临将会使他们的建网模式逐渐统一,而其中分组传送网(PTN将会扮演关键的角色。
表2给出了PTN与其它相关技术的对比。
表2相关技术对比
Table2comparisonofrelativetechnologies
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时业务的性能要求OAM能力保护恢复以太网OAM能力差STP,RSTP,MSTP等,秒量级以太网无连接不支持IEEE802.1系列好主要面向分组业务传送,不支持TDM,QoS能力差严格保证QoSOAM完善1+1/环网保护<50ms以太网,TDM,ATM频率同步,不支持时间同步仍在发展好多业务特别是TDM业务支持能力强,分组带宽扩展性较弱拥塞管理等QoS机制以太网OAM能力差线性保护和环网保护<50ms以太网,TDM,ATM无连接IEEE1588,同步以太网标准不统一较好主要面向分组业务传送。
多样化的技术,标准有待统一,网络维护是需要考虑的因素策略、拥塞管理等QoS机制类似SDH的OAM机制类似SDH的保护机制,<50ms以太网,TDM,ATM网管或ASON/GMPLSIEEE1588,同步以太网T-MPLS/PBB-TE较好以分组业务传送为主,同时支持TDM业务,QoS能力强。
处于标准化过程中,产业链有待成熟支持的业务连接建立时钟和同步标准化情况成
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