智能光网中MSTP的前景

    作者:马恒 高峰 刘建国

    要害词：光传送网；智能化；网络结构；多业务传输平台

    Abstract:Withthedevelopmentof network technologies, the switch network and the transport network are penetrating each other in respects of technology, architecture and functionality and gradually evolving towards convergence, which requires flexible and effective smart-control in the optical network and diversified quick access methods at the access platform. The Multi-Service Transport Platform (MSTP) and the Automatically Switched Optical Network (ASON) respectively rePResents the convergence of network edge equipment at different layers and the intelligentized development of transport networks. The integration of these technologies can intelligentize the MSTP associated technologies in order to satisfy the requirements of network development in the future. In the paper, two strUCture models of intelligent MSTP, i.e., the peer-to-peer model and the client-server model, are presented and analyzed. A solution to dynamic bandwidth allocation, by using the automatic connection function and the Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS) protocol, is also provided, which can meet the demands of dynamic bandwidth requirements for data and multimedia services.

    KeyWords:opticaltransportnetwork; intelligentize; network structure; MSTP

    基金项目：国家“863”计划项目(2003AA122110)

    随着Internet的不断发展，语音、数据和多媒体等业务量的迅速增长对传送网的传输带宽、接口方式和运营维护提出了更高的要求。40G同步传输技术、波分复用技术和超长光传输技术的发展，使得光传送网具有高速、宽带、服务优质的特性，成为传送网的首选方案。

    多业务传输平台(MSTP)的引入大大丰富了光传输网络的接口方式，MSTP能够迅速快捷地接入语音、数据和多媒体等业务，并在数据层提供了汇聚和交换功能，使得光传送网的使用更为便捷和高效。自动交换光网络(ASON)是对传统光网络的一次颠覆性变革，突破了以往光网络集中配置和手工维护的运营治理方式，大大提高了运营商响应客户需求的速度并降低了维护成本。这两项技术已成为当前光网络研究和开发的两大热点方向。如何有效地整合这些技术，充分发挥各技术的特点，产生1加1大于2的效益，倍受网络技术研究者和网络使用者关心[1—3]。

    1.MSTP技术

    MSTP技术是为适应城域综合传送网建设要求，从同步数字系列(SDH)设备发展起来的新兴综合传送技术，其基本特征是通过对以太数据帧和ATM信元的封装，实现基于SDH的多业务综合传送[4]。

    随着交换技术的发展，为克服传统SDH设备针对语音业务不具备数据业务疏导和汇聚功能的缺陷，二层交换功能被引入到MSTP设备中，使设备具有部分二层数据交换的功能。但是，对于数据业务而言，QoS的保证能力还是比较弱。

    在此基础上，各个设备制造商进一步将弹性分组环(RPR)，多协议标签流(MPLS)，链路容量调整(LCAS)技术引进到MSTP设备中，加强对业务端到端QoS的保证。通过划分业务等级，进行流量工程控制，实现接入阻塞和公平算法策略控制，解决了数据业务传送中突发性和不均衡性的特性，使得SDH能够更加高效和稳定地传送此类业务。

    2.ASON技术

    在标准化组织ITU－T的ASON标准制订中，将光传送网划分为治理、控制和传送3个平面，并引入了大量使用各种协议和控制技术的数据产品，使之成为一个具有分布式特点的智能化光网络[5]。新的光网络克服建立连接缓慢，配置治理复杂的缺陷，具备了一系列新的功能特性，诸如：

    自动发现相邻设备之间的链路、端口能力、协议实体之间对等关系，并进行链路传输能力的聚合等。

    网络拓扑发现和扩散，进行资源和拓扑治理。

    利用信令和路由在网络中快速建立端到端连接，并进行维护。

    在Mesh网的拓扑下支持局部或者端到端保护恢复，支持不同分域和分区的恢复。

    设备和网络级别的故障快速定位和辅助故障定位分析。

    具有流量工程能力和业务端到端QoS保证能力。

    提供按需带宽调整、波长出租、波长批发、虚拟专网等新业务应用。

    3.智能化的MSTP技术的发展

    从技术角度而言，MSTP代表了交换和传输网络等不同层次网络在网络边缘的设备的融合，ASON代表了传送网的智能化和标准化，两者体现了下一代网络的发展趋势，即满足运营商减少网络设备数量，降低运营维护成本，快速响应客户需求，提供优质分级服务的基本要求。

    但是，不同层次的网络设备在OSI网络模型中对应着不同网络特征和功能模型的实现，将它们融合在同一设备中，并建立统一的网络平台，需要解决很多问题。以统计复用为特征的分组交换是一种动态交换，MPLS技术提供建立一种软连接，而以时分/空分复用为特征的电路交换建立的是一种硬连接，为了统一有效的治理和维护，尤其是针对处于两种网络交界处的MSTP设备，有许多需要完善的工作，首要的就是解决网络设备的构造模型。

    3.1重叠模型

    目前业界通常有对等(Peer)模型和重叠(Overlap)模型。重叠(或重叠网络)模型属于客户/服务器(Client/Server)模型，显著的特点是在客户网络与提供商域之间存在清楚易辨的边界。客户/提供商域的分离反映了网络的现状，即网络中第三层和第一层的设备的所有权可能属于不同的组织。这种客户/提供商域的分离要求在各自域运行不同的路由协议，因此，在运营商及其客户之间没有必要共享网络拓扑信息。智能光网中在光层提供包括SDH/SONET、波长和未来的光纤连接的动态连接能力，并能按实际需要安排带宽。数据业务可以在SDH/SONET、波长、光纤连接的基础上进行服务，还可以发展新业务(包括虚拟专用网)，有较好的组网灵活性。为了确保端到端业务QoS，网络需要明确定义光层为数据层提供的业务类型和服务等级，便于各个层次运营商治理业务，完善服务质量。

    此时，智能化的MSTP设备工作是分层展开的：智能化的光层网络通过运行的自动发现和路由协议，将光网络的网络资源发现、聚合、扩散、总结，最后以端到端的端口资源形式提供给数据层面，隐藏了内部的网络的拓扑结构和链路信息；数据网络在建立连接的过程中，向服务方光网络提出连接申请和约束规则，由智能光网络自己运行路由策略和信令、创建符合约束要求的连接路径、对业务加以保护，并且数据流在光网络中透明传送，数据网络则根据自身网络的结构、流量和交换能力进行工作。上下层面是客户、服务器关系，互不干涉各自的运行和维护，只是在网管层面可以看到统一的设备治理形式。

    重叠模型相对简单，网络层次分明，对已有网络改变较少。传送网络运营商可以灵活地出租网元设备端口给数据网络运营商，可充分利用ASON网络提供的按需带宽调整、服务等级协定、波长出租、波长批发、虚拟专网等新业务方式，从而集中发展自身传送网的特长。此时MSTP设备既提供了丰富设备接口，又在接入部分进行数据的汇聚和疏导，无疑使得业务端到端连接更为顺畅和高效。当前设备多采用这种模型进行演进。

    但是，作为整个网络而言，不同层次网络资源的割裂会导致运行效率的相对低下。首先，业务在端到端的连接中没有统筹考虑业务路由和流量的分担，不利于网络资源的调配；其次，不同层次网络都存在保护恢复机制，协同工作比较困难；再次，没有满足全业务运营商统一规划、运营数据和传送网络的要求。

    3.2对等模型

    MSTP内嵌MPLS技术的使用和GMPLS协议在ASON网络中的应用，为对等模型设备的出现提供了条件。在MPLS协议族基础上发展起来的GMPLS协议族，在充分利用已有信令、路由、发现协议基础上，充分考虑了传送网软件协议控制和硬件电路传输的特点，将链路发现、链路聚合、路由和资源扩散、约束路由选路等有机地结合起来。这样，数据交换层面和传送层面有了共同的“语言”，便有了网络互通和共享资源的基础，而网络软硬件设备在演进过程中各自相对独立的发展，也符合下一代网络承载和控制相分离的原则。但是，将不同层次的网络融合为统一网络对等模型还面临一系列的复杂问题。

    (1)资源和拓扑治理

    网络设备模型统一后，网络设备中所有节点及其端口、时隙、通道将会全面展现在网络治理者和使用者面前，因此传送资源治理将变得更为复杂，业务对端节点之间的链路既有SDH(以后还有WDM)的固定通道，又有统计复用的分组通道，这些通道建立连接的特性差别是很大的。同时，不同类型链路聚合在一起，需要对各个层次路径和通道标签进行规划和标识，确保不同层次不同粒度的通道被充分和恰当地使用。在理论上，建立统一的设备模型下原子功能模型实体成为一项必需的工作，通过对功能、接口的标准化定义和治理，才能为设备之间、上下层次之间的真正互连和互通奠定基础。

    另一方面随着网络规模的扩大，数据和传送网络合并，必然导致网络节点数目巨大，当组合成为复杂的Mesh网拓扑后如何治理将是一项艰巨的任务。一般认为还是需要根据地域、行政治理区、设备技术特点、网络规模等进行分域解决，从而减小规模，降低难度。

    此外，传送节点和控制节点分离以后，地址的表示、翻译也将成为问题，需要统筹设计全局唯一的传送和控制节点标识，保证数据包在不同节点间的路由。在应用上，单纯的IPv4地址有局限，可以引入新的标识如链路端口、设备标识等加以区分。

    (2)路由算法和选路

    当网络聚合多个子层以后，在一个网络中进行路径的选择，非凡是优化路径的选择变为路由计算的NP问题，假如将光纤、波长、VC通道、标签通道叠加在一起，算法将会变得非常复杂，在有限的时间和计算能力下，有可能无法完成求解。假如简化为不同层次路径分别计算，优化的效果又会大打折扣，在多大程度上折衷考虑算法拓扑需要单独研究。一般而言，源路由在流量控制方面比较轻易，但是控制机制复杂，逐跳路由使用灵活而无法自行解决流量控制问题。层次路由可以是一个不错的选择，配合不同的网络子层的划分，分层进行源路由的选择和优化，可以简化选路复杂性，又可以兼顾流量均衡的控制。

    受到传送网节点设备交叉容量的限制，假如考虑扩展到配置WDM层面，则还有波长转换的问题。在业务路径优化过程中，除了考虑链路传输容量、质量的因素外，还需要重点对节点交叉能力进行考虑，确保业务连接能够顺利通过交换/交叉节点，减少产生阻塞情况发生。

    (3)连接和信令

    针对语音、数据和多媒体等业务的使用特性，在多层网络的连接过程中可以采用不同的策略：对于端到端的语音业务而言，从呼叫到建立连接一般要求时间较短，而即使是自动连接的光网络建链时间也相对较长，那么诸如SDH的大容量固定通道可用来在骨干节点之间传送、预先建立连接，并长时间保持稳定，而分组交换网络可以实时地在呼叫连接过程中创建标签通道；对于相对稳定而且传输容量较大的数据和多媒体业务，连接有突发、多变、长保持时间、高带宽、对距离不敏感等特点，可以考虑实时建立连接，并利用带宽调整功能满足变化。

    信令在不同网络层次存在转换和嵌套。分组交换网络中，信令和载荷都以分组的形式进行交换，路径通常是一致的，路由器具有根据包头、垫层(Shim)的信息转发数据的能力。而电路交换传送网中的信令和路由通常是分离的，标签路由器要依靠时隙、波长、物理端口来转发数据，这需要统一规范信令的语义和语法，在光纤、波长、时隙和包各个层次上建立嵌套的标签接口，构成一个完整的端到端的标签交换路径。当业务从分组网进入光传送网时，信令协议能够识别嵌套的标签，并在光网络中创建隧道，业务从隧道出来时应弹出标签嵌套，继续转发。

    (4)生存性协调

    由于数据层面和传送层面都有各自的自愈措施，在网络节点或者链路发生故障的时候，需要协调两个层面的保护恢复动作，避免因为重复操作导致业务不必要的损伤。在多层网络中，存在自顶向下和自底向上两种保护恢复策略，既然统一模型使得两个层面保护恢复功能可以相互通知和协调，那么就应该建立协同保护模式。为此首先需要加强故障定位和分析功能的开发与研究，只有在规定的时间片内准确地定位出故障点，才能确定使用何种保护恢复手段。目前传送网中的故障定位相对比较轻易，数据网络中的快速故障定位则是一项正在发展的技术。

    总而言之，两种模型各有优缺点，目前采用的多为重叠模型设备，而对等模型设备则是今后发展的一个方向。

    4.智能化的多业务端到端动态传输

    当前的新技术使得业务应用有了新的突破。例如，虚级联技术的使用使数据和多媒体业务使用SDH通道的效率大为提高，常用的以太网FE、GE不必占用像STM-1、STM-16这样的整个群路端口的所有通道，分别只需使用VC-3-2v和VC-4-7v。但是，虚级联组某个成员链路出现故障，往往会影响整个虚级联组的信号传送，非凡是多个成员分布在不同链路上，故障的概率将大为增加。LCAS是一种在SDH业务发端和收端握手的传送层信令协议，答应无损伤地调整传送网中虚级联信号的链路容量，而不至于中断现有业务，逐渐成为MSTP中核心和必备的技术之一。

    鉴于数据和多媒体业务的带宽需求具有随时间的推移而动态变化的特点，在带宽变化比较频繁，如秒和分钟级的时候，传送网传统的手工指配连接已不能满足需要，必须利用LCAS协议带宽调整和GMPLS信令快速建立或者删除连接的功能。当IP网络流量在一个稳定时间内下降到容量门限以下，可以利用GMPLS信令动态拆除部分虚级联成员的连接，通过LCAS协议进行端到端的无缝切换。反之，当容量需求上升到设定容量门限时，GMPLS信令则可以执行相反的建立连接过程，LCAS也进行增加成员的操作，整个过程不会损伤IP业务的正常传送。

    一个MSTP设备动态带宽分配的过程如图1所示。客户层或者网管层向传送网提出带宽增加申请，控制层面计算出传送路径，产生建立连接的控制信令，执行ASON的SPC/SC连接，连接建立成功后信号反馈到发端，然后运行LCAS协议，在成员间执行增加成员的流程。

    可见，动态带宽调整实际上是由ASON连接建立和LCAS增加成员两个阶段组成。由于改变带宽可能是由客户设备发起的，所以级联传送的预备指令应该是从具有级联属性的业务建立完成后开始的，而不一定是由网管触发。在传送网中，绝大多数业务连接都是双向的，因此源宿两端的级联成员增加也可能是双向同时进行的。源在首尾确认成功(Conf)确认消息发出的同时进行LCAS成员增加，而反向业务则需在收到Conf确认后执行LCAS成员增加协议，因为必须保证连接建立成功后方可运行LCAS协议；拆除则是相反过程，必须先运行LCAS解除多余成员后，方可进行正常的连接拆除工作。

    5.结束语

    随着网络技术的不断发展，交换网和传送网的技术、结构和功能彼此渗透，不断融合，扁平化、业务化和智能化将成为网络发展的主要趋势。MSTP技术和ASON技术的成功应用为网络的演进提供了一条切实可行的发展道路，在光网络中实现灵活高效的智能控制、在接入平台上提供丰富快捷的接入手段，必将在下一代网络的构建中占据一席之地，在未来的发展中呈现越来越美好的前景。

    6.参考文献

    [1]王健全.城域MSTP技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

    [2]张成良.新型城域网MSTP的要害技术[J].电信网技术,2003,39(7):1—3,7.

    [3]李仕锋,冯径,顾冠群.MPLS技术及其对数据新业务的支持[J].中兴通讯技术,2001,7(2):21—27.

    [4]韦乐平.SDH多业务平台引领城域网的发展[J].电信技术,2004,40(6):1—4.

    [5]ITU-TG.807,Requirements for Automatic Switched Transport Networks (ASTN) [S].

    作者简介：

    马恒，华中科技大学硕士毕业。现任中兴通讯股份有限公司中心研究院新技术研究部主任工程师，从事光传送网方面的研究，主要针对SDH、WDM网管系统，ASON网络及节点设备的开发。先后在公开杂志发表5篇文章，申请专利5个，3个标准提案为ITU-T采纳。高峰，北京航空航天大学硕士毕业。现任中兴通讯股份有限公司中心研究院新技术研究部主任工程师，长期从事光传输和自动交换光网络方面的研发，目前正承担国家“863”计划《自动交换光网络节点设备研制与系统试验》项目。刘建国，华中科技大学硕士毕业。现任中兴通讯股份有限公司中心研究院新技术研究部工程师，主要从事光网络的生存性与下一代光网络的研究。（张翀编辑）