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第三代MSTP關(guān)鍵技術(shù)綜述

信息產(chǎn)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(shù)發(fā)展的三個(gè)階段，接著(zhù)詳細介紹了第三代MSTP技術(shù)中虛級聯(lián)、通用成幀規程、鏈路容量調整機制和智能適配層等關(guān)鍵技術(shù)，并對實(shí)現智能適配層的MPLS和RPR技術(shù)進(jìn)行了介紹和比較。

　　關(guān)鍵詞：城域網(wǎng)，MSTP，MPLS，RPR

　　一、MSTP概述

　　近年來(lái)，不斷增長(cháng)的IP數據、話(huà)音、圖像等多種業(yè)務(wù)傳送需求使得用戶(hù)接入及駐地網(wǎng)的寬帶化技術(shù)迅速普及起來(lái)，同時(shí)也促進(jìn)了傳輸骨干網(wǎng)的大規模建設。由于業(yè)務(wù)的傳送環(huán)境發(fā)生了巨大變化，原先以承載話(huà)音為主要目的的城域網(wǎng)在容量以及接口能力上都已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足業(yè)務(wù)傳輸與匯聚的要求。于是，多業(yè)務(wù)傳送平臺（MSTP）技術(shù)應運而生。

　　MSTP技術(shù)的發(fā)展主要體現在對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持上，以太網(wǎng)新業(yè)務(wù)的QoS要求推動(dòng)著(zhù)MSTP的發(fā)展。一般認為MSTP技術(shù)發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段。

　　第一代MSTP的特點(diǎn)是提供以太網(wǎng)點(diǎn)到點(diǎn)透傳。它是將以太網(wǎng)信號直接映射到SDH的虛容器（VC）中進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)傳送。在提供以太網(wǎng)透傳租線(xiàn)業(yè)務(wù)時(shí)，由于業(yè)務(wù)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(wǎng)業(yè)務(wù)的QoS區分、流量控制、多個(gè)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)流的統計復用和帶寬共享以及以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層的保護等功能。

　　第二代MSTP的特點(diǎn)是支持以太網(wǎng)二層交換。它是在一個(gè)或多個(gè)用戶(hù)以太網(wǎng)接口與一個(gè)或多個(gè)獨立的基于SDH虛容器的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路之間實(shí)現基于以太網(wǎng)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(jìn)，它可提供基于802.3x的流量控制、多用戶(hù)隔離和VLAN劃分、基于STP的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)層保護以及基于802.1p的優(yōu)先級轉發(fā)等多項以太網(wǎng)方面的支持。目前正在使用的MSTP產(chǎn)品大多都屬于第二代MSTP技術(shù)。但是，與以太網(wǎng)業(yè)務(wù)需求相比，第二代MSTP仍然存在著(zhù)許多的不足，比如不能提供良好的QoS支持，業(yè)務(wù)帶寬粒度仍然受限于VC，基于STP的業(yè)務(wù)層保護時(shí)間太慢，VLAN功能也不適合大型城域公網(wǎng)應用，還不能實(shí)現環(huán)上不同位置節點(diǎn)的公平接入，基于802.3x的流量控制只是針對點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，等等。

　　最近才出現的第三代MSTP的特點(diǎn)是支持以太網(wǎng)QoS。在第三代MSTP中，引入了中間的智能適配層、通用成幀規程（GFP：Generic Framing Procedure）高速封裝協(xié)議、虛級聯(lián)和鏈路容量調整機制（LCAS）等多項全新技術(shù)。因此，第三代MSTP可支持QoS、多點(diǎn)到多點(diǎn)的連接、用戶(hù)隔離和帶寬共享等功能，能夠實(shí)現業(yè)務(wù)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(shuō)，第三代MSTP為以太網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展提供了全面的支持。

　　二、第三代MSTP關(guān)鍵技術(shù)

　　1.虛級聯(lián)

　　VC的級聯(lián)概念是在ITU-T G.7070中定義的，分為相鄰級聯(lián)和虛級聯(lián)兩種。SDH中用來(lái)承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的各個(gè)VC在SDH的幀結構中是連續的，共用相同的通道開(kāi)銷(xiāo)（POH），此種情況稱(chēng)為相鄰級聯(lián)，有時(shí)也直接簡(jiǎn)稱(chēng)為級聯(lián)。SDH中用來(lái)承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的各個(gè)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(chēng)為虛級聯(lián)。

　　從原理上講，可以將級聯(lián)和虛級聯(lián)看成是把多個(gè)小的容器組合為一個(gè)比較大的容器來(lái)傳輸數據業(yè)務(wù)的技術(shù)。通過(guò)級聯(lián)和虛級聯(lián)技術(shù)，可以實(shí)現對以太網(wǎng)帶寬和SDH虛通道之間的速率適配。尤其是虛級聯(lián)技術(shù)，可以將從VC－4到VC－12等不同速率的小容器進(jìn)行組合利用，能夠做到非常小顆粒的帶寬調節，相應的級聯(lián)后的最大帶寬也能在很小的范圍內調節。虛級聯(lián)技術(shù)的特點(diǎn)就是實(shí)現了使用SDH經(jīng)濟有效地提供合適大小的信道給數據業(yè)務(wù)，避免了帶寬的浪費，這也是虛級聯(lián)技術(shù)最大的優(yōu)勢。

　　2.通用成幀規程

　　GFP是在ITU-T G.7041中定義的一種鏈路層標準它既可以在字節同步的鏈路中傳送長(cháng)度可變的數據包，又可以傳送固定長(cháng)度的數據塊，是一種簡(jiǎn)單而又靈活的數據適配方法。

　　GFP采用了與ATM技術(shù)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(chǎng)商設備互聯(lián)互通；GFP引進(jìn)了多服務(wù)等級的概念，實(shí)現了用戶(hù)數據的統計復用和QoS功能。

　　GFP采用不同的業(yè)務(wù)數據封裝方法對不同的業(yè)務(wù)數據進(jìn)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(gè)分組數據（PPP、IP、RPR、以太網(wǎng)等）封裝到GFP負荷信息區中，對封裝數據不做任何改動(dòng)，并根據需要來(lái)決定是否添加負荷區檢測域。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(gè)的字符，然后把它映射到固定長(cháng)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(dòng)態(tài)調整虛級聯(lián)個(gè)數的功能，它所提供的是平滑地改變傳送網(wǎng)中虛級聯(lián)信號帶寬以自動(dòng)適應業(yè)務(wù)帶寬需求的方法。

　　LCAS是一個(gè)雙向的協(xié)議，它通過(guò)實(shí)時(shí)地在收發(fā)節點(diǎn)之間交換表示狀態(tài)的控制包來(lái)動(dòng)態(tài)調整業(yè)務(wù)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(gè)VC是虛級聯(lián)信道的最后一個(gè)VC）、空閑和不使用六種。

　　LCAS可以將有效凈負荷自動(dòng)映射到可用的VC上，從而實(shí)現帶寬的連續調整，不僅提高了帶寬指配速度、對業(yè)務(wù)無(wú)損傷，而且當系統出現故障時(shí)，可以動(dòng)態(tài)調整系統帶寬，無(wú)須人工介入，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下顯著(zhù)提高網(wǎng)絡(luò )利用率。一般情況下，系統可以實(shí)現在通過(guò)網(wǎng)管增加或者刪除虛級聯(lián)組中成員時(shí)，保證“不丟包”；即使是由于“斷纖”或者“告警”等原因產(chǎn)生虛級聯(lián)組成員刪除時(shí)，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(wǎng)業(yè)務(wù)，但卻不能提供良好的QoS支持，其中一個(gè)主要原因就是因為現有的以太網(wǎng)技術(shù)是無(wú)連接的。為了能夠在以太網(wǎng)業(yè)務(wù)中引入QoS，第三代MSTP在以太網(wǎng)和SDH/SONET之間引入了一個(gè)智能適配層，并通過(guò)該智能適配層來(lái)處理以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的QoS要求。智能適配層的實(shí)現技術(shù)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(shù)將第三層技術(shù)（如IP路由等）與第二層技術(shù)（如ATM、幀中繼等）有機地結合起來(lái)，從而使得在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上既能提供點(diǎn)到點(diǎn)傳送，也可以提供多點(diǎn)傳送；既能提供原來(lái)以太網(wǎng)盡力而為的服務(wù)，又能提供具有很高QoS要求的實(shí)時(shí)交換服務(wù)。MPLS技術(shù)使用標簽對上層數據進(jìn)行統一封裝，從而實(shí)現了用SDH承載不同類(lèi)型的數據包。這一過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)中間智能適配層的引入，將路由器邊緣化，同時(shí)又將交換機置于網(wǎng)絡(luò )中心，通過(guò)一次路由、多次交換將以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)要求適配到SDH信道上，并通過(guò)采用GFP高速封裝協(xié)議、虛級聯(lián)和LCAS，將網(wǎng)絡(luò )的整體性能大幅提高。

　　基于MPLS的第三代MSTP設備不但能夠實(shí)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(dòng)態(tài)分配機制，能夠提供獨特的端到端業(yè)務(wù)QoS功能。另外，通過(guò)嵌入二層MPLS技術(shù)，允許不同的用戶(hù)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(wǎng)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(wǎng)數據在MSTP中的傳輸效率，達到了網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)業(yè)務(wù)、IP/MPLS業(yè)務(wù)、視頻和專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)，其目的在于更好地處理環(huán)形拓撲上數據流的問(wèn)題。RPR環(huán)由兩根光纖組成，在進(jìn)行環(huán)路上的分組處理時(shí)，對于每一個(gè)節點(diǎn)，如果數據流的目的地不是本節點(diǎn)的話(huà)，就簡(jiǎn)單地將該數據流前傳，這就大大地提高了系統的處理性能。通過(guò)執行公平算法，使得環(huán)上的每個(gè)節點(diǎn)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(wù)保護倒換對另一條光纖上的業(yè)務(wù)沒(méi)有任何影響。

　　RPR是一種專(zhuān)門(mén)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(diǎn)。它能夠適應任何標準（如SDH、以太網(wǎng)、DWDM等）的物理層幀結構，可有效地傳送話(huà)音、數據、圖像等多種類(lèi)型的業(yè)務(wù)，支持SLA以及二層和三層功能，提供多等級、可靠的QoS服務(wù)支持動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )拓撲更新。其節點(diǎn)間可采用類(lèi)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(wǎng)、POS等多種類(lèi)多速率端口，能夠承載IP、SDH、TDM、ATM、以太網(wǎng)等多種協(xié)議的業(yè)務(wù)還可以方便地增加傳輸線(xiàn)路、傳輸帶寬或插入新的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，對將來(lái)可能出現的新業(yè)務(wù)、協(xié)議或物理層規范具有良好的適應性。再有，由于RPR環(huán)路每個(gè)節點(diǎn)都掌握環(huán)路拓撲結構和資源情況，并根據實(shí)際情況調整環(huán)路帶寬分配情況，所以網(wǎng)管人員并不需要對節點(diǎn)間資源分配進(jìn)行太多干預，減少了人工配置所帶來(lái)的人為錯誤。RPR使得運營(yíng)商能夠在城域網(wǎng)內以較低成本提供電信級服務(wù)，是一種非常適合在城域網(wǎng)骨干層、匯聚層使用的技術(shù)。

　　（3）MPLS技術(shù)與RPR技術(shù)比較

　　MPLS技術(shù)與RPR技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。MPLS技術(shù)通過(guò)LSP標簽棧突破了VLAN在核心節點(diǎn)的4096地址空間限制，并可以為以太網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS、SLA增強和網(wǎng)絡(luò )資源優(yōu)化利用提供很好的支持；而RPR技術(shù)為全分布式接入，提供快速分組環(huán)保護，支持動(dòng)態(tài)帶寬分配、空間重用和額外業(yè)務(wù)。從對整個(gè)城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )資源的優(yōu)化功能來(lái)看，MPLS技術(shù)可以從整個(gè)城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構上進(jìn)行資源的優(yōu)化，完成最佳的統計復用，而RPR技術(shù)只能從局部（在一個(gè)環(huán)的內部）而不是從整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構對網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行優(yōu)化。從整個(gè)城域網(wǎng)的設備構成復雜性上來(lái)看，使用MPLS技術(shù)可以在整個(gè)城域網(wǎng)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(shí)，卻不可避免地要引入第三層路由設備。從保護恢復來(lái)看，雖然MPLS技術(shù)也能提供網(wǎng)絡(luò )恢復功能，但是RPR卻能提供更高的網(wǎng)絡(luò )恢復速度。

　　目前RPR技術(shù)已經(jīng)為大多數廠(chǎng)商所采用，在市場(chǎng)上具有相對優(yōu)勢。

　　三、結 語(yǔ)

　　隨著(zhù)對業(yè)務(wù)種類(lèi)和帶寬需求的進(jìn)一步增長(cháng)，城域網(wǎng)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(wù)、有靈活的電路調度和業(yè)務(wù)管理能力，從而使運營(yíng)商在保護既往投資的同時(shí)，又能夠靈活、快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )擴容和開(kāi)展新業(yè)務(wù)，進(jìn)而降低運營(yíng)成本，增加業(yè)務(wù)收入，提升自身的競爭優(yōu)勢。在城域網(wǎng)的建設中，虛級聯(lián)可以提供一種更加靈活的信道容量組織方式以更好地滿(mǎn)足數據業(yè)務(wù)的傳輸特點(diǎn)；LCAS可以提供一系列動(dòng)態(tài)改變傳送信道容量的規約和步驟；GFP可以提供一種對于以幀為單位組織的數據業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)單有效的封裝方式；MPLS和RPR可以提供大量數據業(yè)務(wù)傳輸的能力。可以說(shuō)，第三代MSTP為城域網(wǎng)建設提供了非常理想的解決方案。 　

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