MPLS在MSTP中的应用

2019-11-04 22:40:03

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供稿：网友

　　汪卫章葛宁
　　清华大学电子工程系
　　　　新一代多业务SDH介绍
　　
　　　　随着ip数据、话音、图像等多种业务传送需求的不断增长，业务的传送环境发生了很大变化。同时，作为电路传输网的SDH ,其功能也在随业务传送需求作出调整，SDH传输网的技术与数据网相结合，将传送节点与多种业务节点融合在一起，构成融合度较高、业务层和传送层一体化的下一代网络节点，称为多业务SDH平台(Multi-Service Transport Platform), 简称MSTP。例如将交换机、边缘路由器、ADM/DXC、光传送节点集成为一个物理实体，进行统一治理和控制，大大简化了网络体系结构，减少了设备安装开通时间和业务提供时间，降低了节点设备的成本，提高了系统的可靠性。这种多业务节点设备主要用于网络的边缘，也可用于网络的核心部分，具有较大的应用灵活性。新的多业务SDH平台在帧结构与光接口上仍然采用SDH的标准，与现存的大量SDH设备可以互联互通。SDH是广大运营商和系统集成商所熟悉的，轻易被接受与信任，不仅保护了原有的设备投资，而且维护方式与环境也有很好的继续性。在此基础上，增加了宽带数据业务接口，改造了SDH内部的交换方式，在网管上扩展了数据业务接入的功能，使得SDH成为承载多种业务的传送平台。
　　
　　　　MSTP在传输数据业务时利用SDH的容器，将不同的数据业务映射到合适的VC或者是VC级联容器上进行传送。设备在电路交换之外，增加2层、2.5层或3层的数据交换能力，使得设备具备了电路交换与、数据交换两种能力。在网络治理上为了将传送功能与业务接入功能集成，除了原有的SDH标准网络监视、维护功能外，添加了针对接入设备如PCM、多媒体终端等的监控功能或接口，使得多业务平台具有很好的治理能力。
　　
　　　　新一代的SDH多业务平台具有以下几个鲜明的特点，第一，多业务传输集成，简化了节点结构，节省了设备占地、互联等费用。非凡地，由于是一体化设备，治理维护非常方便，由于接口减少，业务提供与修改大大简化，可以节省大量的运营维护与培训费用。第二，网络治理能力，由于SDH多业务平台在网管上添加接入设备的监控，具有很好的扩展性。与其他接入设备如PCM、多媒体终端、数据终端等可以有机地结合在一起，构成功能更加强大的综合接入平台，满足用户不同的需求。第三，数据业务传输能力，SDH多业务平台直接提供宽带数据接口，如以太网，避免了复杂适配和协议转换，节省成本并提高了可靠度。由于是直接映射到VC容器，而不是通过E1、E3等标准速率，提高了适配效率。
　　
　　 MSTP中的数据传送
　　
　　　　MSTP即新一代的SDH中最大的一个特点就是它支持多业务，做到了业务融合。为了有效地支持用户业务，MSTP引入了新的技术特点。传统的SDH设备没有数据业务接入功能。有一些传统的SDH设备增加了数据接口，也是通过适配到E1、E3等电路形式提供的。数据业务经过多级适配效率低下。多业务平台SDH直接将数据业务映射至SDH容器，减少了中间的协议速率适配，提高了带宽利用率。
　　
　　　　拟议中的MSTP标准给出了多业务SDH节点的基本功能模型，如图1所示。在以太网业务的接入方式上，根据是否实现了图中的可选功能，存在着两种不同设备，一种只提供点到点适配，我们简称为MSTP-PP，另一种则提供综合交换功能，简称为MSTP-IS。需要指出，仅仅将数据业务映射至SDH容器或级连容器，而不提供数据包交换能力的MSTP设备，虽然与通过E1、E3等接口适配相比，结构形式有所简化，带宽利用率和灵活性也有所提高，但是在本质上仍然只提供点到点的数据通道，并不能够充分利用数据业务的突发性特点，真正以统计复用的方式共享传输带宽；而在端口数量和数据网络的拓扑结构上，则与通过接口适配方式相比并无任何改进。我们在下一节中对两种不同功能的节点作出具体比较。
　　
　　
　　
　　图 1 多业务SDH节点的基本功能模型（*为可选功能）
　　
　　　　通常，以太网帧通过LAPS的适配进入SDH的容器，然后通过SDH与其他业务一起在光纤上传送。LAPS协议是HDLC的另一种类型。它以字节流的形式传送，以0x7e作为帧的开始与结束。由于0x7e被作为了非凡用途，所以对于数据负荷中的字节(0x7e),(0x7d)将其分别转义变换为双字节(0x7d,0x5e),(0x7d,0x5d)以保证数据传输的正确性。LAPS在HDLC的基础上还增加了地址与控制字节。HDLC作为广泛使用的数据链路层协议，它的优点是定界简单，只要查找0x7e字节就可以。但是，它也存在着一些问题。由于它的定界过于简单，只是通过0x7e一个字节就决定了，当传输出现误码时很轻易造成虚假定界符0x7e，从而产生一串突发误码，造成帧尾CRC无法检测出错误，产生错帧。这样严重的后果甚至只需要单比特误码就可能发生。因此，它的可靠性不高。另一方面，HDLC采用了转义符，造成带宽增加。平均而言，大约增加1％。虽然不多，但是由于它是根据所传送的负荷数据进行转义的，所以它的带宽增加是随机的，无法控制，在最坏情况下带宽增加可以达到100%。这对于稳定传输显然会造成影响。另外，由于它的随机性，不利于高速数据包的处理。最近发展起来的通用定帧法，即Generic Framing PRocedure（GFP），则是一种更为有效的适配协议，具有易于高速处理，效率高，误码扩展小，无随机带宽代价等特点。采用GFP适配协议的MSTP比传统的基于LAPS协议的系统具有更好的性能。关于GFP，我们将另文介绍。
　　
　　 MSTP-PP与MSTP-IS的比较
　　
　　　　SDH最大的竞争力在于它已经大量铺设，能够很直接并迅速地为运营商提供卓越的5个9的(99.999%)服务可用性和端到端的良好的治理特性。不幸的是，传统的SDH解决方案不能很好地适应现代包交换系统的灵活性和有效性。运营商不得不使用基于TDM的解决方案来满足数据业务的需要，这对运营商的业务发展模式造成了严重的制约。并且这种严格的，基于电路的架构不能提供简单灵活和可扩展的服务。
　　
　　　　前面介绍的LAPS与GFP解决了SDH传送数据包的问题，但是它们是一个点到点的协议，使得PoS的网络功能只能通过IP层的路由完成，而PoS仅仅提供了一个传输管道的作用。目前运营商已经建设的采用SDH来承载数据业务的网络通常是通过PoS将数据包映射到SDH的VC内，该方式实际上是在使用基于传输设备的一种点到点的“专线”，要求预先确定带宽，大多数业务量以E1、E3、STM-1/4的粒度以专用“管道”形式进入网络，这种状况是从传统时分复用（TDM）系统中继续的，因此带宽利用效率低。很多研究表明专线的平均利用率不超过50％，由于业务量的快速增加，光纤路由必定会被耗尽。因此，在城域网中选择这种方式就意味着选择不断进行昂贵的扩容。不仅如此，假如SDH仅仅提供点对点专线，则局端数据业务端口数目与用户数相同，占有不少资源，不便于治理，很难灵活调度。
　　
　　　　综合交换能力就是在SDH多业务平台上不仅提供电路交叉连接能力，而且提供实用的数据复用与交换能力。在这一点上SDH不再是简单地为数据包提供一个标准TDM通道，而是将各数据包流从网络应用角度处理后再送入SDH通道。将整个城域网处理成一个或多个受控的“分布式PoS交换结构”，则能够大大提高SDH承载数据业务的效率，降低网络建设的成本，提高SDH的承载能力与灵活性等，是一种包和SDH体制相融合的概念。
　　
　　　　综合交换能力是SDH多业务平台的一项重要指标。在历史上，传送网只涉及客户层信号的传送、复用等，通常不含交换，只具备较低的智能。SDH多业务平台是传送与业务的融合，引入交换的概念不仅是十几年来SDH传送网概念的重大历史突破，也是SDH传送网技术的一次重大突破，它使得SDH具备了自动选路和更高的智能。
　　
　　　　下面以一个双纤单向环形网来计算MSTP-IS对于MSTP-PP的带宽的统计增益，网络拓朴如图二所示，由N个节点组成的环状网，第一种配置由N个MSTP-PP节点和一个以太网交换机构建，数据交换由以太网交换机完成。以太网交换机与节点0相连，1至N-1号的每个节点各自通过VC12级联的双向通路与0号节点的以太网交换机相连，假设所有VC12的速率总和为M。在整个网络中，共有N-1条点到点通道。第二种配置由N个MSTP-IS节点构建，交换由MSTP-IS节点完成，在环状光纤中配置一条速率为M的VC3或VC3级联用于传输以太网包。
　　
　　
　　
　　图 2 N个节点的二纤单向复用段保护环
　　
　　　　假设当业务需求均匀分布，指每个节点到其它所有节点的数据流的速率是相同的，以及所有节点产生的数据流速率是相同的，共N*(N-1)个业务流。可以计算出在两种配置中，每个业务流的均匀业务量与及最大业务量（其它节点处于空闲时的业务量）如表一所示
　　
　　
　　
　　表 1 两种MSTP的可利用带宽比较
　　
　　　从表一看出，MSTP-IS由于有统计复用功能，在业务量均匀分布时可利用带宽有2(N-1)/N的复用增益，而最大可利用带宽有N-1倍的增益，带宽复用增益随着节点数的增大而增大。
　　
　　图三列出了当各业务流共享一条155M的双纤单向环形网时, 各业务流在均匀分布时的可利用带宽及最大可利用带宽与节点数的关系。
　　
　　
　　
　　图3 155M环网各流在均匀分布时的可利用带宽及最大可利用带宽与节点数的关系
　　
　　　　综合各种因素，MSTP-IS与MSTP-PP比较，有下述几个特点：
　　
　　　　第一、统计复用光纤带宽，能提高链路利用率。
　　
　　　　第二、能使用逻辑上的环形网络拓朴结构。MSTP-PP在逻辑结构上仍然是一个星形结构，而MSTP-IS在上例中为环形结构，由环形结构拓朴可知当业务非均

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