第三代MSTP關鍵技術綜述
信息產業(yè)部電信研究院通信標準研究所高級工程師 徐貴寶
2004/03/05
摘 要：首先概述了MSTP技術發(fā)展的三個階段，接著詳細介紹了第三代MSTP技術中虛級聯、通用成幀規(guī)程、鏈路容量調整機制和智能適配層等關鍵技術，并對實現智能適配層的MPLS和RPR技術進行了介紹和比較。
關鍵詞：城域網，MSTP，MPLS，RPR
一、MSTP概述
近年來，不斷增長的IP數據、話音、圖像等多種業(yè)務傳送需求使得用戶接入及駐地網的寬帶化技術迅速普及起來，同時也促進了傳輸骨干網的大規(guī)模建設。由于業(yè)務的傳送環(huán)境發(fā)生了巨大變化，原先以承載話音為主要目的的城域網在容量以及接口能力上都已經無法滿足業(yè)務傳輸與匯聚的要求。于是，多業(yè)務傳送平臺（MSTP）技術應運而生。
MSTP技術的發(fā)展主要體現在對以太網業(yè)務的支持上，以太網新業(yè)務的QoS要求推動著MSTP的發(fā)展。一般認為MSTP技術發(fā)展可以劃分為三個階段。
第一代MSTP的特點是提供以太網點到點透傳。它是將以太網信號直接映射到SDH的虛容器（VC）中進行點到點傳送。在提供以太網透傳租線業(yè)務時，由于業(yè)務粒度受限于VC，一般最小為2Mbit/s因此，第一代MSTP還不能提供不同以太網業(yè)務的QoS區(qū)分、流量控制、多個以太網業(yè)務流的統(tǒng)計復用和帶寬共享以及以太網業(yè)務層的保護等功能。
第二代MSTP的特點是支持以太網二層交換。它是在一個或多個用戶以太網接口與一個或多個獨立的基于SDH虛容器的點對點鏈路之間實現基于以太網鏈路層的數據幀交換。相對于第一代MSTP，第二代MSTP作了許多改進，它可提供基于802.3x的流量控制、多用戶隔離和VLAN劃分、基于STP的以太網業(yè)務層保護以及基于802.1p的優(yōu)先級轉發(fā)等多項以太網方面的支持。目前正在使用的MSTP產品大多都屬于第二代MSTP技術。但是，與以太網業(yè)務需求相比，第二代MSTP仍然存在著許多的不足，比如不能提供良好的QoS支持，業(yè)務帶寬粒度仍然受限于VC，基于STP的業(yè)務層保護時間太慢，VLAN功能也不適合大型城域公網應用，還不能實現環(huán)上不同位置節(jié)點的公平接入，基于802.3x的流量控制只是針對點到點鏈路，等等。
最近才出現的第三代MSTP的特點是支持以太網QoS。在第三代MSTP中，引入了中間的智能適配層、通用成幀規(guī)程（GFP：Generic Framing Procedure）高速封裝協(xié)議、虛級聯和鏈路容量調整機制（LCAS）等多項全新技術。因此，第三代MSTP可支持QoS、多點到多點的連接、用戶隔離和帶寬共享等功能，能夠實現業(yè)務等級協(xié)定（SLA）增強、阻塞控制以及公平接入等。此外，第三代MSTP還具有相當強的可擴展性。可以說，第三代MSTP為以太網業(yè)務發(fā)展提供了全面的支持。
二、第三代MSTP關鍵技術
1.虛級聯
VC的級聯概念是在ITU-T G.7070中定義的，分為相鄰級聯和虛級聯兩種。SDH中用來承載以太網業(yè)務的各個VC在SDH的幀結構中是連續(xù)的，共用相同的通道開銷（POH），此種情況稱為相鄰級聯，有時也直接簡稱為級聯。SDH中用來承載以太網業(yè)務的各個VC在SDH的幀結構中是獨立的，其位置可以靈活處理，此種情況稱為虛級聯。
從原理上講，可以將級聯和虛級聯看成是把多個小的容器組合為一個比較大的容器來傳輸數據業(yè)務的技術。通過級聯和虛級聯技術，可以實現對以太網帶寬和SDH虛通道之間的速率適配。尤其是虛級聯技術，可以將從VC－4到VC－12等不同速率的小容器進行組合利用，能夠做到非常小顆粒的帶寬調節(jié)，相應的級聯后的最大帶寬也能在很小的范圍內調節(jié)。虛級聯技術的特點就是實現了使用SDH經濟有效地提供合適大小的信道給數據業(yè)務，避免了帶寬的浪費，這也是虛級聯技術最大的優(yōu)勢。
2.通用成幀規(guī)程
GFP是在ITU-T G.7041中定義的一種鏈路層標準它既可以在字節(jié)同步的鏈路中傳送長度可變的數據包，又可以傳送固定長度的數據塊，是一種簡單而又靈活的數據適配方法。
GFP采用了與ATM技術相似的幀定界方式，可以透明地封裝各種數據信號，利于多廠商設備互聯互通；GFP引進了多服務等級的概念，實現了用戶數據的統(tǒng)計復用和QoS功能。
GFP采用不同的業(yè)務數據封裝方法對不同的業(yè)務數據進行封裝，包括GFP－F和GFP－T兩種方式。GFP－F封裝方式適用于分組數據，把整個分組數據（PPP、IP、RPR、以太網等）封裝到GFP負荷信息區(qū)中，對封裝數據不做任何改動，并根據需要來決定是否添加負荷區(qū)檢測域。GFP－Ｔ封裝方式則適用于采用8B/10B編碼的塊數據，從接收的數據塊中提取出單個的字符，然后把它映射到固定長度的GFP幀中。
3.鏈路容量調整機制
LCAS是在ITU-T G.7042中定義的一種可以在不中斷數據流的情況下動態(tài)調整虛級聯個數的功能，它所提供的是平滑地改變傳送網中虛級聯信號帶寬以自動適應業(yè)務帶寬需求的方法。
LCAS是一個雙向的協(xié)議，它通過實時地在收發(fā)節(jié)點之間交換表示狀態(tài)的控制包來動態(tài)調整業(yè)務帶寬。控制包所能表示的狀態(tài)有固定、增加、正常、EOS（表示這個VC是虛級聯信道的最后一個VC）、空閑和不使用六種。
LCAS可以將有效凈負荷自動映射到可用的VC上，從而實現帶寬的連續(xù)調整，不僅提高了帶寬指配速度、對業(yè)務無損傷，而且當系統(tǒng)出現故障時，可以動態(tài)調整系統(tǒng)帶寬，無須人工介入，在保證服務質量的前提下顯著提高網絡利用率。一般情況下，系統(tǒng)可以實現在通過網管增加或者刪除虛級聯組中成員時，保證“不丟包”；即使是由于“斷纖”或者“告警”等原因產生虛級聯組成員刪除時，也能夠保證只有少量丟包。
4.智能適配層
雖然在第二代MSTP中也支持以太網業(yè)務，但卻不能提供良好的QoS支持，其中一個主要原因就是因為現有的以太網技術是無連接的。為了能夠在以太網業(yè)務中引入QoS，第三代MSTP在以太網和SDH/SONET之間引入了一個智能適配層，并通過該智能適配層來處理以太網業(yè)務的QoS要求。智能適配層的實現技術主要有多協(xié)議標簽交換（MPLS）和彈性分組環(huán)（RPR）兩種。
（1）多協(xié)議標簽交換
MPLS是1997年由思科公司提出，并由IETF制定的一種多協(xié)議標簽交換標準協(xié)議，它利用2.5層交換技術將第三層技術（如IP路由等）與第二層技術（如ATM、幀中繼等）有機地結合起來，從而使得在同一個網絡上既能提供點到點傳送，也可以提供多點傳送；既能提供原來以太網盡力而為的服務，又能提供具有很高QoS要求的實時交換服務。MPLS技術使用標簽對上層數據進行統(tǒng)一封裝，從而實現了用SDH承載不同類型的數據包。這一過程的實質就是通過中間智能適配層的引入，將路由器邊緣化，同時又將交換機置于網絡中心，通過一次路由、多次交換將以太網的業(yè)務要求適配到SDH信道上，并通過采用GFP高速封裝協(xié)議、虛級聯和LCAS，將網絡的整體性能大幅提高。
基于MPLS的第三代MSTP設備不但能夠實現端到端的流量控制，而且還具有公平的接入機制與合理的帶寬動態(tài)分配機制，能夠提供獨特的端到端業(yè)務QoS功能。另外，通過嵌入二層MPLS技術，允許不同的用戶使用同樣的VLAN ID，從根本上解決了VLAN地址空間的限制。再有，由于MPLS中采用標簽機制，路由的計算可以基于以太網拓撲，大大減少了路由設備的數量和復雜度，從整體上優(yōu)化了以太網數據在MSTP中的傳輸效率，達到了網絡資源的最優(yōu)化配置和最優(yōu)化使用。
（2）彈性分組環(huán)
RPR是IEEE定義的如何在環(huán)形拓撲結構上優(yōu)化數據交換的MAC層協(xié)議，RPR可以承載以太網業(yè)務、IP/MPLS業(yè)務、視頻和專線業(yè)務，其目的在于更好地處理環(huán)形拓撲上數據流的問題。RPR環(huán)由兩根光纖組成，在進行環(huán)路上的分組處理時，對于每一個節(jié)點，如果數據流的目的地不是本節(jié)點的話，就簡單地將該數據流前傳，這就大大地提高了系統(tǒng)的處理性能。通過執(zhí)行公平算法，使得環(huán)上的每個節(jié)點都可以公平地享用每一段帶寬，大大提高了環(huán)路帶寬利用率，并且一條光纖上的業(yè)務保護倒換對另一條光纖上的業(yè)務沒有任何影響。
RPR是一種專門為環(huán)形拓撲結構構造的新型MAC協(xié)議，具有靈活、可靠等特點。它能夠適應任何標準（如SDH、以太網、DWDM等）的物理層幀結構，可有效地傳送話音、數據、圖像等多種類型的業(yè)務，支持SLA以及二層和三層功能，提供多等級、可靠的QoS服務支持動態(tài)的網絡拓撲更新。其節(jié)點間可采用類似OSPF的算法交換拓撲識別信令并具有防止分組死循環(huán)的機制，增加了環(huán)路的自愈能力。另外，RPR還具有較強的兼容性和良好的擴展性，具有TDM、SDH、以太網、POS等多種類多速率端口，能夠承載IP、SDH、TDM、ATM、以太網等多種協(xié)議的業(yè)務還可以方便地增加傳輸線路、傳輸帶寬或插入新的網絡節(jié)點，對將來可能出現的新業(yè)務、協(xié)議或物理層規(guī)范具有良好的適應性。再有，由于RPR環(huán)路每個節(jié)點都掌握環(huán)路拓撲結構和資源情況，并根據實際情況調整環(huán)路帶寬分配情況，所以網管人員并不需要對節(jié)點間資源分配進行太多干預，減少了人工配置所帶來的人為錯誤。RPR使得運營商能夠在城域網內以較低成本提供電信級服務，是一種非常適合在城域網骨干層、匯聚層使用的技術。
（3）MPLS技術與RPR技術比較
MPLS技術與RPR技術各有優(yōu)缺點。MPLS技術通過LSP標簽棧突破了VLAN在核心節(jié)點的4096地址空間限制，并可以為以太網業(yè)務QoS、SLA增強和網絡資源優(yōu)化利用提供很好的支持；而RPR技術為全分布式接入，提供快速分組環(huán)保護，支持動態(tài)帶寬分配、空間重用和額外業(yè)務。從對整個城域網網絡資源的優(yōu)化功能來看，MPLS技術可以從整個城域網網絡結構上進行資源的優(yōu)化，完成最佳的統(tǒng)計復用，而RPR技術只能從局部（在一個環(huán)的內部）而不是從整個網絡結構對網絡資源進行優(yōu)化。從整個城域網的設備構成復雜性上來看，使用MPLS技術可以在整個城域網上避免第三層路由設備的引入，而RPR設備在環(huán)與環(huán)之間相連接時，卻不可避免地要引入第三層路由設備。從保護恢復來看，雖然MPLS技術也能提供網絡恢復功能，但是RPR卻能提供更高的網絡恢復速度。
目前RPR技術已經為大多數廠商所采用，在市場上具有相對優(yōu)勢。
三、結 語
隨著對業(yè)務種類和帶寬需求的進一步增長，城域網必須要靈活可靠、具有大容量和良好的可擴展性、支持多協(xié)議和多業(yè)務、有靈活的電路調度和業(yè)務管理能力，從而使運營商在保護既往投資的同時，又能夠靈活、快速地進行網絡擴容和開展新業(yè)務，進而降低運營成本，增加業(yè)務收入，提升自身的競爭優(yōu)勢。在城域網的建設中，虛級聯可以提供一種更加靈活的信道容量組織方式以更好地滿足數據業(yè)務的傳輸特點；LCAS可以提供一系列動態(tài)改變傳送信道容量的規(guī)約和步驟；GFP可以提供一種對于以幀為單位組織的數據業(yè)務的簡單有效的封裝方式；MPLS和RPR可以提供大量數據業(yè)務傳輸的能力。可以說，第三代MSTP為城域網建設提供了非常理想的解決方案。
中國通信網(www.c114.net)
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