新型城域网MSTP的关键技术
发布时间：2003-10-04 18:53:55 热度：4097
新型城域网MSTP的关键技术
http://www.chinatelecom.com.cn 2003年06月03日 中国电信集团北京研究院 张成良
在目前城域传送网的建设中，有一些概念值得探讨，特别是城域传送网与过去本地传输网的关系、城域传送网与城域数据网的关系。目前宣传比较多的是第三代MSTP 更是让人摸不着头脑，到底什么是第三代MSTP ，也是众说纷纭。本文将对城域传送网与现有传输网关系和MSTP 新功能讨论。特别是对于新型MSTP 几项关键技术如虚级联、LCAS、RPR 功能的实现应用环境进行探讨。
一、城域传送网与目前城市传输网关系
城域传送网首先不是一个新的概念，特别是对于已经拥有庞大城市传输网的运营商（例如中国电信），今天我们谈论的建设城域网的建设，绝对不是重新敷设一张新的传输网（专门承载数据业务），而是在城域地区对以前建设的传输网进行优化和改造。过去传输网支持的主要的是TDM 业务，随着数据业务的增加，有必要使这张网更有效地支持各种业务。城域网建设应该理解为在新引入传输设备采用新一代MSTP （而不是传统SDH），对原来SDH进行扩容时增加数据处理功能，例如引入支持数据功能的支路板卡，以便在一个传输平台上同时支持TDM 和数据的传输。
在建设过程中，应该保持新建设 MSTP （或者对原来SDH数据处理板卡扩展）应与原来SDH 系统统一到一个管理平台内，基于SDH 多业务传送节点是一种新型SDH ，它的核心处理依然基于SDH VC 通道的，只是外围增加了以太网处理和一些新功能，网管系统与原来的SDH 是后向兼容的。
二、新型MSTP 关键技术
目前关于新型MSTP 的讨论比较多，有些制造商甚至称之为所谓“第三代MSTP”。其实这是很不科学的，也是不近合理的。MSTP 是一种快速发展的技术，从2001年以来已经出现了几个版本，并没有一个十分稳定的我们可以称为“一代产品”的版本。而且在2001年国内行业标准《基于SDH 多业务传送节点技术要求》中已经包含了“第一代”和“第二代”应用，两者之间的差别在于在二层交换的支持。而目前新型MSTP 只是在以前基础上增加了一些新功能，特别是链路容量自动调整（LCAS）机制、以太环网带宽公平接入和拥塞控制等。下面我们将具体讨论其实现机制和应用。
2.1 虚级联和LCAS 功能
在数据业务应用环境下，由于业务的突发特征，虚级联和LCAS是衡量MSTP带宽是否有效利用的重要指标。虚级联实现了动态调整，通过虚级联实现业务带宽和SDH虚容器之间的适配，比连续级联更好地利用SDH链路带宽，提高了传送效率；LCAS可以根据业务流量对所分配的虚容器带宽进行动态调整，而且在这个调整过程中不会对数据传送性能造成影响。
在SDH 网络中，虚级联实现相对简单，最重要的是参与虚级联VC容器 序列号SQ的传送，以保证系统在末端能够将传送信号的VC 重新排队重组。而在LCAS 更多的是实现双向通信的控制信息的传送，如CTRL、MST等。虚级联和LCAS 功能实现都是通过同一个字节实现的。在VC-3/VC-4采用的是H4 字节（H4 是通道开销字节）。其构成两重复幀，第一重复幀由16幀组成，第二重复幀长256 。要完成一组VCG（虚级联组）控制信息的传输，需要1 复幀16幀，也就是2ms时间，一个VCG 最多由 256个VC 组成。
在低阶 VC-12中，LCAS 实现是通过K4字节中的比特2来实现的，其中比特1来传送信号标识，也就是VC-12 承载的信号类型。比特2传送虚级联序号和LCAS控制信号。其中K4是4幀的复幀结构，也就是每隔500us出现一次。LCAS控制信息是K4的32复幀构成。完成一组LCAS 信息单向传送需要4*125us*32=16ms。
LCAS 确保了工作在虚级联状态下的SDH 通路，在一个或几个VC 通路出现故障时，数据传输能够保持正常 。一般说通过网管增加或者删除虚级联组中成员时，系统可以实现“不丢包”，即平滑增减；对于因为“断纤”或者“告警”等原因导致的删除“虚级联组”成员时，有少量丢包，这是由于突发的系统故障反馈必须从业务末端到首端，再从首端到末端，有一个LCAS 信息传送和系统调整过程，一般需要几十ms或者更多。其中VC-3/4 虚级联组对业务的影响小一些，VC-12 虚级联组业务受损时间长一些，因为要传输同样的LCAS 控制信息内容，需要VC-12 复幀长度更长。
2.2 以太环网和RPR 功能
以太环网有几个重要特点：一是必须能够实现环上各节点共享环上带宽，并可实现公平的使用（通过速率限制、竞争或一定的算法）、二是实现基于环上业务的保护（不是SDH 层面保护，如二层或RPR），三是可以实现业务优先级和的处理，以开展以太网租用线业务。目前对于实现以太环网功能，主要有两种方式。一种是基于2层交换方式予以实现，一种是通过内嵌的RPR 环网实现。
2.2.1 基于2层方式的环网功能
基于2层交换可以实现业务优先级和一定的带宽控制功能。一般是通过对IEEE 802 1p幀格式信号的处理实现，以太网板卡在输入口把不同802.1p值的流量映射到不同队列进行处理，一般划分2或4个队列，实现优先级策略。另外可以基于端口或VLAN 设置速率限制（如最小保证带宽和最大带宽），这样就使系统有了一定带宽控制机制，对于环上富裕的带宽通过竞争接入。如果系统支持基于VLAN的多生成树协议，多个VLAN 生成树在一个环上，可以有效利用被单生成树禁用环段的带宽，结合COS业务分类，CIR和端口限速的技术，可以在一定程度上解决环网的带宽公平性。
在保护方面，除了支持传统的生成树协议外，还支持IEEE 802.1w快速生成树协议（RSTP），快速生成树协议是生成树协议的改进，在原有功能的基础上提高了网络保护的性能。传统生成树倒换时间为42s，从发现链路断裂、数据中断到数据恢复至少需要三十多秒的时间，而快速生成树协议只需6~8秒的时间就可以将数据流切换到备份链路上。
基于2层交换实现的以太环网有比较大的局限性。从环网带宽利用看，并不能实现的带宽颗粒的灵活指配，同一等级的流量对带宽的竞争缺乏完善的公平算法。从业务优先级来看，对输入信号优先级划分只能按照百分比切割，并不科学。在保护上依赖于STP 生成树，倒换速率比较慢，严格意义上二层实现的以太环网并不是真正的“分组环”。
2.2.2 基于RPR 的环网功能
通过RPR模块实现以太环网是目前许多设备制造商的选择，RPR可以实现业务优先级处理和带宽的公平使用。内嵌RPR 多占用VC-4或VC-4-4c （在10Gb/sMSTP也可以为VC-4-16c）速率作为共享带宽, 要实现共享颗粒越小，处理起来越复杂。
RPR 模块利用环路RPR MAC技术，实现报文在目的节点被接收并从环路剥离，有效利用环网带宽。系统具有环网的带宽公平共享和优先级抢占功能。可以把不同802.1p值或TOS值的流量映射到RPR环网的不同服务类型中，进行优先级划分，同一优先级的流量可以公平共享环路带宽。支持对环路带宽的自动调整，当有新的流量产生时，各流量动态调整发送速率，达到公平共享带宽资源。接入的以太网业务映射到RPR MAC层时，可以采用IEEE802.17中定义的远程转发（Remote forwarding）方式，实现对IEEE 802.3 MAC帧的透明传送；并能够识别IEEE 802.1q规定的数据帧，根据VLAN信息转发/过滤数据帧；
内嵌式RPR支持拓扑自动发现和环网智能保护，针对数据业务提供小于50ms的快速分组环保护，可以保护由于节点失效或链路失效产生的故障。RPR保护倒换支持两种方式，Wrap保护倒换与Steering保护倒换，其中Wrap保护倒换时间短一些。RPR技术还可实现VLAN地址扩展和重用测试，突破传统以太网二层交换的4,096个地址的限制，从而适应电信级城域公网应用。即使在相同的VLAN ID的情况下，仍能够区分不同用户的业务流，实现双VLAN标签的强大功能，以区分运营商和用户自定义的VLAN标签。
RPR功能并不排斥二层交换功能（如图3所示）。有些厂商设备只支持RPR 功能，而没有二层处理。这样可能会影响RPR 功能的发挥，特别是对业务Q0S支持。如果没有二层处理的话，就无法识别Incoming 输入信号的IEEE 802.1p幀结构，对输入信号的等级无法区分，系统只能实现基于端口的QoS。另外也无法实现对VLAN 标识识别，无法完成基于VLAN 的许多功能，如速率限制、带宽共享等。
2.3 RPR 与SDH 保护功能的协调工作
内嵌RPR模块的MSTP必须实现RPR 和SDH 复用段两重保护的协调工作。当光纤切断时，一般SDH 复用段保护功能会启用，这时RPR 保护功能是否还有用，这是一个值得探讨的问题。对于该情形有两种解决方案，一种是参与RPR 传输的VC时隙 进行SDH 复用段保护，这时可以不需要RPR 保护功能（也就是将RPR 保护功能冻结disable）。参与RPR传输的VC 时隙与传送话音SDH 时隙不同的是在备用时隙中也传输数据，而不是将备用时隙空闲用来保护。由于空闲时隙中传送了业务，在SDH 进行保护倒换时对业务影响有可能超过50ms，系统倒换后，RPR 系统工作在类似“Wrap”状态下。
第二种是参与RPR 传输VC 时隙不进行SDH复用段保护，只进行RPR 保护，但这需要对SDH 复用段保护环进行特殊的设置，使这些时隙不参与SDH 复用段保护环保护，但是一般来说SDH复用段保护的优先级比较高，传输系统是否有能力予以配置还需要观察。
RPR技术的保护功能更多地体现在单独应用上，例如集成在数据设备中，实现50ms的保护倒换，如果集成在SDH 设备中，更多的应该体现在对带宽的公平处理、对信号QoS的支持、VLAN 地址扩展上，保护功能不是很重要的一个技术元素。
三、小结
新型MSTP 还处于快速发展之中，其最重要的特点就是实现了带宽的公平使用、支持信号QoS的分级、动态调整带宽的LCAS 三个方面，当然除了本文讨论的内嵌RPR 环网功能外，也有厂商采用了MPLS来实现上述功能，并且可以保证与数据网络的互通。这些新技术的应用都是为了保证MSTP 更好地完成对数据业务的处理和优化。
由于这些新功能都是刚刚开发出来，实际应用尚不多，相信随着设备应用的增加和实践中的逐步改进，这些新功能将会更完善。
http://www.chinatelecom.com.cn 2003年06月03日 中国电信集团北京研究院 张成良
在目前城域传送网的建设中，有一些概念值得探讨，特别是城域传送网与过去本地传输网的关系、城域传送网与城域数据网的关系。目前宣传比较多的是第三代MSTP 更是让人摸不着头脑，到底什么是第三代MSTP ，也是众说纷纭。本文将对城域传送网与现有传输网关系和MSTP 新功能讨论。特别是对于新型MSTP 几项关键技术如虚级联、LCAS、RPR 功能的实现应用环境进行探讨。
一、城域传送网与目前城市传输网关系
城域传送网首先不是一个新的概念，特别是对于已经拥有庞大城市传输网的运营商（例如中国电信），今天我们谈论的建设城域网的建设，绝对不是重新敷设一张新的传输网（专门承载数据业务），而是在城域地区对以前建设的传输网进行优化和改造。过去传输网支持的主要的是TDM 业务，随着数据业务的增加，有必要使这张网更有效地支持各种业务。城域网建设应该理解为在新引入传输设备采用新一代MSTP （而不是传统SDH），对原来SDH进行扩容时增加数据处理功能，例如引入支持数据功能的支路板卡，以便在一个传输平台上同时支持TDM 和数据的传输。
在建设过程中，应该保持新建设 MSTP （或者对原来SDH数据处理板卡扩展）应与原来SDH 系统统一到一个管理平台内，基于SDH 多业务传送节点是一种新型SDH ，它的核心处理依然基于SDH VC 通道的，只是外围增加了以太网处理和一些新功能，网管系统与原来的SDH 是后向兼容的。
二、新型MSTP 关键技术
目前关于新型MSTP 的讨论比较多，有些制造商甚至称之为所谓“第三代MSTP”。其实这是很不科学的，也是不近合理的。MSTP 是一种快速发展的技术，从2001年以来已经出现了几个版本，并没有一个十分稳定的我们可以称为“一代产品”的版本。而且在2001年国内行业标准《基于SDH 多业务传送节点技术要求》中已经包含了“第一代”和“第二代”应用，两者之间的差别在于在二层交换的支持。而目前新型MSTP 只是在以前基础上增加了一些新功能，特别是链路容量自动调整（LCAS）机制、以太环网带宽公平接入和拥塞控制等。下面我们将具体讨论其实现机制和应用。
2.1 虚级联和LCAS 功能
在数据业务应用环境下，由于业务的突发特征，虚级联和LCAS是衡量MSTP带宽是否有效利用的重要指标。虚级联实现了动态调整，通过虚级联实现业务带宽和SDH虚容器之间的适配，比连续级联更好地利用SDH链路带宽，提高了传送效率；LCAS可以根据业务流量对所分配的虚容器带宽进行动态调整，而且在这个调整过程中不会对数据传送性能造成影响。
在SDH 网络中，虚级联实现相对简单，最重要的是参与虚级联VC容器 序列号SQ的传送，以保证系统在末端能够将传送信号的VC 重新排队重组。而在LCAS 更多的是实现双向通信的控制信息的传送，如CTRL、MST等。虚级联和LCAS 功能实现都是通过同一个字节实现的。在VC-3/VC-4采用的是H4 字节（H4 是通道开销字节）。其构成两重复幀，第一重复幀由16幀组成，第二重复幀长256 。要完成一组VCG（虚级联组）控制信息的传输，需要1 复幀16幀，也就是2ms时间，一个VCG 最多由 256个VC 组成。
在低阶 VC-12中，LCAS 实现是通过K4字节中的比特2来实现的，其中比特1来传送信号标识，也就是VC-12 承载的信号类型。比特2传送虚级联序号和LCAS控制信号。其中K4是4幀的复幀结构，也就是每隔500us出现一次。LCAS控制信息是K4的32复幀构成。完成一组LCAS 信息单向传送需要4*125us*32=16ms。
LCAS 确保了工作在虚级联状态下的SDH 通路，在一个或几个VC 通路出现故障时，数据传输能够保持正常 。一般说通过网管增加或者删除虚级联组中成员时，系统可以实现“不丢包”，即平滑增减；对于因为“断纤”或者“告警”等原因导致的删除“虚级联组”成员时，有少量丢包，这是由于突发的系统故障反馈必须从业务末端到首端，再从首端到末端，有一个LCAS 信息传送和系统调整过程，一般需要几十ms或者更多。其中VC-3/4 虚级联组对业务的影响小一些，VC-12 虚级联组业务受损时间长一些，因为要传输同样的LCAS 控制信息内容，需要VC-12 复幀长度更长。
2.2 以太环网和RPR 功能
以太环网有几个重要特点：一是必须能够实现环上各节点共享环上带宽，并可实现公平的使用（通过速率限制、竞争或一定的算法）、二是实现基于环上业务的保护（不是SDH 层面保护，如二层或RPR），三是可以实现业务优先级和的处理，以开展以太网租用线业务。目前对于实现以太环网功能，主要有两种方式。一种是基于2层交换方式予以实现，一种是通过内嵌的RPR 环网实现。
2.2.1 基于2层方式的环网功能
基于2层交换可以实现业务优先级和一定的带宽控制功能。一般是通过对IEEE 802 1p幀格式信号的处理实现，以太网板卡在输入口把不同802.1p值的流量映射到不同队列进行处理，一般划分2或4个队列，实现优先级策略。另外可以基于端口或VLAN 设置速率限制（如最小保证带宽和最大带宽），这样就使系统有了一定带宽控制机制，对于环上富裕的带宽通过竞争接入。如果系统支持基于VLAN的多生成树协议，多个VLAN 生成树在一个环上，可以有效利用被单生成树禁用环段的带宽，结合COS业务分类，CIR和端口限速的技术，可以在一定程度上解决环网的带宽公平性。
在保护方面，除了支持传统的生成树协议外，还支持IEEE 802.1w快速生成树协议（RSTP），快速生成树协议是生成树协议的改进，在原有功能的基础上提高了网络保护的性能。传统生成树倒换时间为42s，从发现链路断裂、数据中断到数据恢复至少需要三十多秒的时间，而快速生成树协议只需6~8秒的时间就可以将数据流切换到备份链路上。
基于2层交换实现的以太环网有比较大的局限性。从环网带宽利用看，并不能实现的带宽颗粒的灵活指配，同一等级的流量对带宽的竞争缺乏完善的公平算法。从业务优先级来看，对输入信号优先级划分只能按照百分比切割，并不科学。在保护上依赖于STP 生成树，倒换速率比较慢，严格意义上二层实现的以太环网并不是真正的“分组环”。
2.2.2 基于RPR 的环网功能
通过RPR模块实现以太环网是目前许多设备制造商的选择，RPR可以实现业务优先级处理和带宽的公平使用。内嵌RPR 多占用VC-4或VC-4-4c （在10Gb/sMSTP也可以为VC-4-16c）速率作为共享带宽, 要实现共享颗粒越小，处理起来越复杂。
RPR 模块利用环路RPR MAC技术，实现报文在目的节点被接收并从环路剥离，有效利用环网带宽。系统具有环网的带宽公平共享和优先级抢占功能。可以把不同802.1p值或TOS值的流量映射到RPR环网的不同服务类型中，进行优先级划分，同一优先级的流量可以公平共享环路带宽。支持对环路带宽的自动调整，当有新的流量产生时，各流量动态调整发送速率，达到公平共享带宽资源。接入的以太网业务映射到RPR MAC层时，可以采用IEEE802.17中定义的远程转发（Remote forwarding）方式，实现对IEEE 802.3 MAC帧的透明传送；并能够识别IEEE 802.1q规定的数据帧，根据VLAN信息转发/过滤数据帧；
内嵌式RPR支持拓扑自动发现和环网智能保护，针对数据业务提供小于50ms的快速分组环保护，可以保护由于节点失效或链路失效产生的故障。RPR保护倒换支持两种方式，Wrap保护倒换与Steering保护倒换，其中Wrap保护倒换时间短一些。RPR技术还可实现VLAN地址扩展和重用测试，突破传统以太网二层交换的4,096个地址的限制，从而适应电信级城域公网应用。即使在相同的VLAN ID的情况下，仍能够区分不同用户的业务流，实现双VLAN标签的强大功能，以区分运营商和用户自定义的VLAN标签。
RPR功能并不排斥二层交换功能（如图3所示）。有些厂商设备只支持RPR 功能，而没有二层处理。这样可能会影响RPR 功能的发挥，特别是对业务Q0S支持。如果没有二层处理的话，就无法识别Incoming 输入信号的IEEE 802.1p幀结构，对输入信号的等级无法区分，系统只能实现基于端口的QoS。另外也无法实现对VLAN 标识识别，无法完成基于VLAN 的许多功能，如速率限制、带宽共享等。
2.3 RPR 与SDH 保护功能的协调工作
内嵌RPR模块的MSTP必须实现RPR 和SDH 复用段两重保护的协调工作。当光纤切断时，一般SDH 复用段保护功能会启用，这时RPR 保护功能是否还有用，这是一个值得探讨的问题。对于该情形有两种解决方案，一种是参与RPR 传输的VC时隙 进行SDH 复用段保护，这时可以不需要RPR 保护功能（也就是将RPR 保护功能冻结disable）。参与RPR传输的VC 时隙与传送话音SDH 时隙不同的是在备用时隙中也传输数据，而不是将备用时隙空闲用来保护。由于空闲时隙中传送了业务，在SDH 进行保护倒换时对业务影响有可能超过50ms，系统倒换后，RPR 系统工作在类似“Wrap”状态下。
第二种是参与RPR 传输VC 时隙不进行SDH复用段保护，只进行RPR 保护，但这需要对SDH 复用段保护环进行特殊的设置，使这些时隙不参与SDH 复用段保护环保护，但是一般来说SDH复用段保护的优先级比较高，传输系统是否有能力予以配置还需要观察。
RPR技术的保护功能更多地体现在单独应用上，例如集成在数据设备中，实现50ms的保护倒换，如果集成在SDH 设备中，更多的应该体现在对带宽的公平处理、对信号QoS的支持、VLAN 地址扩展上，保护功能不是很重要的一个技术元素。
三、小结
新型MSTP 还处于快速发展之中，其最重要的特点就是实现了带宽的公平使用、支持信号QoS的分级、动态调整带宽的LCAS 三个方面，当然除了本文讨论的内嵌RPR 环网功能外，也有厂商采用了MPLS来实现上述功能，并且可以保证与数据网络的互通。这些新技术的应用都是为了保证MSTP 更好地完成对数据业务的处理和优化。
由于这些新功能都是刚刚开发出来，实际应用尚不多，相信随着设备应用的增加和实践中的逐步改进，这些新功能将会更完善。
