浅析MSTP技术对以太网业务的支撑

zjol

周晓东

　　MSTP(Multi-service Transport Platform)即多业务传输平台，它是一种城域传输网技术，将SDH传输技术、以太网、ATM、POS等多种技术进行有机融合，以SDH技术为基础，将多种业务进行汇聚并进行有效适配，实现多业务的综合接入和传送，实现SDH从纯传送网转变为传送网和业务网一体化的多业务平台。从传输网络现状来看，大部分的城域传输网络仍以SDH设备为主，基于技术成熟性、可靠性和成本等方面综合考虑，以SDH为基础的MSTP技术在城域网应用领域扮演着十分重要的角色。随着近年来数据、宽带等IP业务的迅猛增长，MSTP技术的发展主要体现在对以太网业务的支撑上，以太网新业务的要求推动着MSTP技术的发展。
1、MSTP如何承载和传送以太网业务
　　在MSTP技术的发展演进过程中，针对业务的应用情况，以太网业务在MSTP上的承载和传送目前大致存在以下几种方式：
　　(1)以太网业务的透传方式，这是目前应用较广的一种方式，也是MSTP初期在SDH设备上为了实现对以太网业务的透明传送而采取的方式。这种方式只是为了实现以太网业务的透明传送，利用某种协议(PPP/LAPS/GFP)将非交换型的以太网业务的帧信号直接进行封装，然后利用PPP OVER SDH、反向复用(将高速数据流分散在多个低速VC中传送以提高传输效率，如采用5*VCl2级联来传送10MB/S以太网业务)等技术实现两点之间的网络互联。由于各厂商将以太网业务映射进VC的方法不同，采用的协议各异，以太网业务经过透明传送后，必须在同厂商的设备上进行终结。
　　(2)对以太网业务进行第二层交换处理后再进行封装，然后映射到SDH的VC中再送入线路侧进行传送，这样更好的适应了数据业务动态变化的特点。这种方式将第二层以太网帧(MAC帧)交换集成到SDH设备的支路卡上，二层交换机通过学习连接在网上设备的MAC地址，并根据目的地的MAC地址将帧信号交换到正确的端口。因此MSTP设备可以对以太网业务进行如下处理：①mstp可以对分散在各个地点的多个低速率的以太网业务进行汇聚处理，将其传送到特定地点的单个或多个高速以太网接口上。②可以实现以太网业务的统计复用，在线路侧有效利用带宽。MSTP可以将多个以太网接口的以太网业务划分到一个高速带宽的管道中，这样单一的线路侧信道就可以由多个用户使用，既可以保证以太网业务突发时的峰值流量，又能够保证带宽(以太网业务很多时段并没有业务传送)的有效利用。如5个快速以太网接口可以在MSTP上共享一个155MB/S的传输带宽，降低运行成本。③可以有效的利用多种方法对不同用户的业务进行隔离，保证用户数据的安全性。一种是对用户的以太网业务开通专用的通道，既将业务映射入单独的VC中，这样就在物理层实现了对用户的业务有效隔离。另外，对用户的以太网业务使用VLAN标签，利用802.1 Q的标准，通过划分VLAN来将用户的业务进行隔离；在必要时还可以在802.1 Q的标记上再打标记的方法对用户的业务进行隔离。
　　(3)有些MSTP设备具有3层交换机和SDH网元相结合，是第二层交换方案的扩展。这种方式下用户的业务信号是根据IP地址而不是MAC地址来送到正确的端口或者SDH线路侧信道；它具有二层交换方式同样的优点，而且可以有效的隔离MAC寻址带来的广播包。但是第三层交换属于业务层面，并且由于技术、成本以及网络维护等因素，在MSTP设备中较少使用这种方式。
　　(4)将RPR(弹性分组环)的处理机制和功能引入MSTP。RPR是一种新的MAC层协议，用以太网技术为核心，是为优化数据包的传输而提出的，它不仅有效地支撑环形拓扑结构、在光纤断开或连接失败时可实现快速恢复，而且使用空间重用机制来提供有效的带宽共享功能，具备数据传输的高效、简单和低成本等典型以太网特性，目前正由IEEE802.17工作组对其进行标准化。可在MSTP的SDH层上抽取部分时隙采用GFP协议进行RPR到SDH帧结构的映射，构建RPR逻辑环，通过RPR板卡上的快速以太网接口和千兆以太网接口接入业务。
2、MSTP承载和传送以太网业务的关键技术
　　(1)封装协议：MSTP在承载和传送以太网业务时首先要对以太网信号以某种协议进行封装，封装协议可以有很多方式，最常用的有PPP、LAPS、GFP以及一些设备厂商的专有封装机制。PPP协议为点到点协议，它要利用HDLC(高速数据链路控制)协议来组帧，分组/包组成的HDLC帧利用字节同步方式映射入SDH的VC中；它在POS(PACKET OVER SDH)系统中用来承载IP数据，在ETHERNET OVER SDH系统中用来承载以太帧。LAPS为链路接入协议，是由武汉邮科院余少华博士提出的，它被ITU-T接纳成为标准X.86，这种方式特别用于SDH链路承载以太帧，它与HDLC十分相似。GFP为通用帧协议，是在ITU-TG.704标准中定义的一种链路层标准，这种方式可以承载所有的数据业务，是一种可以透明地将各种数据信号封装进现有网络的开放的通用的标准信号适配映射技术，它可以替代众多不同的映射方法，有利于各厂商设备之间的互联互通。GFP采用不同的业务数据封装方法对不同的业务数据进行封装，包括帧映射(GFP-F)和透明传输(GFP-T)两种模式，GFP-F封装方式可以将业务信号帧完全地映射进一个可变长度的GFP帧，对封装数据不做任何改动，支撑包颗粒级别的速率适配和复用，这种方式是在收到一个完整的数据帧后再处理，需要有缓存和媒体接入控制，因此最适合于以太网业务等可变长度的分组数据GFP-T采用透明映射的方式及时处理而不必等待整个帧的到达，适合处理实时业务以及固定帧长的块状编码信号格式的业务。
　　(2)虚级联：MSTP设备支撑以太网业务在网络中的带宽可配置，这是通过VC级联的方式来实现的，也就是利用多个VC容器组成一个更大的容器。SDH中VC的级联分为连续级联和虚级联两种。连续级联就是用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是连续的，公用相同的开销。如果用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是独立的，其位置可以灵活处理，那么这种情况称为虚级联。通过虚级联技术可以实现对以太网业务带宽和SDH虚容器之间的速率适配，可以将VC-12到VC-4等不同速率的小容器进行组合利用，能够做到很小颗粒的带宽调节，实现了有效的提供合适大小的信道给以太网业务，实现了带宽的动态调整，它比连续级联更好地利用SDH的链路带宽，提高了传送效率，避免了带宽的浪费。虚级联的实现最重要的是参与虚级联的VC容器序列号的传送，以保证收端能够将业务信号的VC重新进行排序重组。
(3)链路容量调整机制(LCAS)：在ITU-TG.7042标准中定义了LCAS是一种可以在不中断业务的情况下动态调整虚级联个数的功能，它可以灵活地改变虚级联信号的带宽以自动适应业务流量的变化，特别适用于以太网业务带宽动态变化的要求，它和虚级联是衡量MSTP带竟是否有效利用的重要指标。LCAS利用SDH预留的开销字节来传递控制信息，控制信息包括固定、增加、正常、VC结束、空闲和不使用六种；通过控制信息的传送来动态的调整VC的个数，适应以太网业务带宽的需求。LCAS可以将有效净负荷自动映射到可用的VC上，避免了复杂的人工电路交叉连接配置，提高了带宽指配速度，对业务无损伤，而且在系统出现故障时，可以自动动态调整系统带宽，无须人工介入，在一个或几个VC通路出现故障时，数据传输也能够保持正常。因此，LCAS为MSTP提供了端到端的动态带宽调整机制，可以在保证QOS的前提下显著提高网络利用率。
3、MSTP承载和传送以太网业务的性能分析
　　在MSTP的透明传送以太网业务功能中，MSTP利用TDM的机制，将SDH中的VC指配给以太网端口，独享SDH提供的线路带宽，具有很好的带宽保证功能和安全隔离保证功能，适合有较高QOS的以太网租线业务和核心层应用；但是这种方式基于固定时隙结构不具备动态带宽分配特性。业务颗粒受限于VC，一般最小为2MB/S，无法实现流量控制、多个以太网业务的统计复用和带宽共享，用来传输以太网业务难以适应突发性与速率可变性的特点，业务带宽利用率较低，缺乏灵活性。实际应用中，在实际通道带宽是一个VC-12所承载和传送的10M以太网业务中，它的实际吞吐量不超过E1；在没有达到E1带宽极限时，采用大帧，通道没有帧丢失，对于小帧，在没有达到带宽极限时，由于数据包短造成封装效率低，网元的帧处理App无法跟上数量较多的小帧，就会产生帧丢失，当超过带宽极限时，业务将产生大量帧丢失；当采用大帧达到带宽容限时，业务传输时延将突然变大。
　　对于使用二层交换进行以太网业务接入和汇聚的方式可以实现数据传送的统计复用、带宽共享、端口汇聚，通过VLAN方式来实现用户隔离和速率控制，目前大多数MSTP产品都支撑二层交换方式。以太网业务在每个业务节点进行封装、解封装，并进行二层交换，使得各个业务节点可以共享共同的传输通道，节约了局端以太网的接口；以太网板卡在端口上通过对不同的802.P值的业务流量映射到不同的队列进行处理，实现优先级策略；可以基于端口或者VLAN设置速率限制(如最小和最大带宽)，使得系统有了一定的带宽控制机制，对富余的带宽通过竞争接入。然而在以太网的业务保护方面，依赖于STP协议(生成树协议)来进行故障恢复，可能花费数十秒时间，远远大于SDH50ms的自愈保护时间，倒换速率比较慢。而且，二层交换对同一等级业务竞争带宽缺乏完善的公平算法，使得在网络拥塞时尤其是在以太环网运用时难以保证用户的带宽。
　　通过内嵌RPR模块来实现以太环网已经为众多设备制造商所接受。RPP提供MAC层与物理层之间的介质无关接口，构架在MSTP上实现以太网业务的带宽公平分配、业务优先级处理以及提高带宽利用率。RPR通过限制以太网业务数据流仅能够在源和目标之间进行双向流动来实现空间重用机制，目标节点将发送给它的数据包从环上剥落，从而释放了环上其余部分的带宽给其他数据包使用，这样提高了带宽的利用率通过动态的利用统计复用的方法来保证各个节点的带宽访问的公平性，环上的每一个节点都实行一种算法，使得每个节点得到平等的带宽分额，防止因某一节点的业务流量过大引起环上其他业务的堵塞。RPR具有自动拓扑发现能力，采用一种类似OSPF算法交换拓扑识别信令，自动识别任何二层拓扑的变化，增强了环路的自愈能力。同时RPR还能够针对以太网业务提供电信级的小于50ms的快速自愈能力，保护由于节点失效或链路失效产生的故障。
4、MSTP承载和传送以太网业务的发展趋势
　　从当前以太网业务来看，数据包长度不断下降，小帧比例越来越高，而数据包越短，MSTP处理小帧的封装效率越低，系统处理数据的负荷越重，因此要解决MSTP设备处理小帧的能力。同时MSTP在支撑传统以太网业务的基础上，还将支撑数据网络的新技术标准，如GMPLS信令等。
　　MSTP技术仍在不断的发展之中，今后的发展将进入智能化服务发展阶段，引入自动交换光网络(ASON)功能，利用独立的ASON控制平面来实施自动连接管理，快速响应业务的需求，提供业务的自动配置、网络拓扑的自动发现、带宽动态分配等更为智能化的策略，增强MSTP自身的灵活有效支撑数据业务的能力。