基于MPLS-TP的PTN生存性关键技术研究

基于MPLS-TP的PTN生存性关键技术研究

梁韵芳1，沈建华1，肖啸 2

（1、南京邮电大学通信与信息工程学院，南京210003

2、南京邮电大学电子科学与工程学院）

摘要：基于MPLS-TP的分组传送网PTN是传送网发展的主要方向，MPLS-TP的生存性是其关键技术之一。论文在对MTPS-TP网络架构和生存性需求详细分析的基础上，着重讨论了包括管理平面、控制平面和运行管理维护信息等生存性关键技术。

关键词：分组传送网；多协议标记交换传送；生存性

Study on the Survivability of MPLS-TP based Packet

T ransport Network

LIANG YunFang1，SHEN JianHua1，XIAO Xiao2

(1、College of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts &

Telecommunications, Nanjing 210003, China

(2、College of Electrical Science and Engineering, Nanjing University of Posts &

Telecommunications)

Abstract:The MPLS-TP based (Multi-Protocol Label Switching Transport Profile) Packet Transport Network (PTN) technology has been accepted as the promising technology in transport networks. The Survivability issues is one of the most important technologies in MPLS-TP. This paper presents the network architecture and survivability requirements of MPLS-TP. Some key technologies of MPLS-TP survivability are studies in detail including management plane, control plane and OAM operations. Keywords:Packet Transport Network；MPLS-TP；Survivability

1.引言

随着Internet和各种基于IP的分组数据业务的快速发展，电信网络正在发生翻天覆地的变化。包括以太网应用、基于IP的语音（VoIP）、L2/L3的虚拟专网VPN、IPTV、无线网络回传等各种应用都对传统的传送网提出了更高的要求。传统的面向TDM业务的光传送网技术（SDH和OTN）等的一个重要的发展趋势将是向基于分组传送的分组传送网（PTN）演进。电信网络中主流的分组技术包括以太网技术和IP/ MPLS技术，因此PTN的关键技术相应地可以分为基于以太网的分组传送技术(如运营商骨干网桥接( PBB)和运营商骨干网传输( PBT)以及基于MPLS 的分组传送技术- T-MPLS。IETF在T-MPLS基础上，针对OAM、保护和管理等方面进行了改进，提出了MPLS-TP(MPLS Transport Profile) 以增强其对分组传送需求的支持。由于MPLS-TP是采用MPLS 技术并对现有的基于SDH 或WDM 的传送网的改造，因此成为当前运营商首选的分组传送网技术。

MPLS-TP网络的生存性是MPLS-TP网络的核心技术之一，论文首先介绍了MPLS-TP的体系架构及生存性需求，然后重点讨论了MPLS-TP生存性的关键技术。

2.MPLS-TP生存性

2.1 MPLS-TP网络架构

自动交换光网络ASON首次提出了将传送网从功能上分为管理平面（MP，Management Plane）、控制平面（CP，Control Plane）和传送平面（TP，Transport Plane）（又称用户/数据平面）三个部分[1]。在三个平面中，控制平面CP处于核心的位置。借助于控制平面，ASON可以动态地交换网络的拓扑信息、路由信息以及其它控制信令，实现光通道的动态建立和拆除以及网络资源的动态分配。在网络中出现故障或失效时进行恢复。由于ASON控制平面使用的是通用多协议标记交换（GMPLS，Generalized Multiple Protocol），因此在基于MPLS-TP的PTN架构中，无需重新定义MPLS/GMPLS 中已有的功能。

传送平面由一系列的传输实体组成，是业务传送的通道，可提供端到端用户信息的单向或双向传输，此外还有OAM（操作维护管理）功能[2]。传送网络基于网状网结构，也支持环网结构。控制平面基于GMPLS（通用多协议标签交换）协议，通过信令协议建立标签转发通道，进行标签的转发，完成呼叫控制和连接控制等功能。管理平面管理控制平面、传送平面和整个网络以及平面之间的协同操作。图1给出了基于MPLS-TP的PTN架构示意。

图1 基于MPLS-TP的PTN网络架构示意

在MPLS-TP分组传送网的体系架构中，MPLS-TP无需重新定义IP/ MPLS 已经提供的功能，而是沿用IETF 已经对MPLS、PWE(端到端伪线仿真) 定义的数据平面的数据处理过程。所以MPLS-TP的传送平面将基于MPLS 和PWE，只是其OAM 能力需要加强；MPLS-TP的控制平面将首选IETF的GMPL S (通用多协议标签交换) 协议，这也是MPLS-TP与ASON良好兼容性的平滑过渡的需求。

2.2 MPLS-TP生存性需求

1. 网络生存性基本原理

网络的生存性定义为在网络中出现业务失效后仍然能够持续提供业务供给的能力。一个完整的生存性策略包括以下几个部分：即故障的发现（Detection）、定位（Location）、声明（Notification）和解除（Migration）。故障发现是指当网络中出现业务失效后，利用某种机制及时迅速地检出故障的能力；故障定位是指采取某种策略或机制迅速准确地定位/隔离失效节点/链路的能力；声明是指采用某种机制（例如特定的广播信息）将失效信息分发至网络上其他节点的机制；而解除是指采取保护或恢复策略对失效节点/链路进行倒换或迂回的过程。不难看出，在生存性策略中处于核心位置

的是解除失效部分，这也是目前网络生存性研究的重点。

基本的生存性实现机制包括保护机制和恢复机制两类。保护机制的基本思想是预先规划一部分冗余资源作为备用系统，当传输线路或者节点出现故障时，将受故障影响的主用系统迅速倒换到备用系统上。保护机制的最大优点是可以实现业务的快速切换，对客户信号质量影响较小甚至可以忽略。而保护机制的主要缺点是要预留相当数量的备用系统（最大可达100%），因此网络资源的利用率较低。恢复机制是利用路由算法等机制实现端到端的整条或部分路由的重新建立，以绕过故障节点或路由。恢复机制的最大优点是无需事先对每一条工作路由都规划冗余备份，效率较高。恢复机制的缺点是恢复时间较长，尤其是当网络规模较大，路由之间节点数量较多时，路由算法的收敛速度难以保证实时业务的要求。

保护和恢复机制都可以进一步地分为基于链路（Link-based）和基于通道（Path-based）两类。基于链路的是指当出现网络中出现故障后，仅仅对故障所涉及的部分链路进行恢复；而通道恢复则是从源节点到终端节点的端到端恢复。

针对备用资源的配置情况，保护机制还可以分为专用保护（Dedicated）和共享保护（Shared）两类，类似于一般所说的1＋1和1︰1形式。专用保护方式的保护切换时间非常快，因此对于一些实时性要求很高的业务较为合适，但缺点是资源利用率低；而共享保护则是若干个工作信道由一个备用信道进行保护，相对而言其网络资源的利用率较高，图2给出了生存性策略分类示意图。

图2 生存性策略分类示意

2. MPLS-TP生存性需求

MPLS-TP大量应用了包括ASON/GMPLS等体系架构，因此其生存性策略和相关技术也与ASON/GMPLS有许多相似之处。IETF在MPLS-TP的相关文献中给出了MPLS-TP的生存性需求，包括数据平面生存性需求、恢复策略、保护/恢复/反转的触发机制、管理平面等内容[3]。

?数据平面

数据平面生存性需求主要包括保护机制和保护资源共享两部分。保护机制中MPLS-TP支持要求包括支持P2P连接的1＋1双向保护、支持P2P连接的单向1＋1保护和支持P2MP连接的单向1＋1保护。同时，MPLS-TP也应该支持P2P连接的双向1：n保护和支持P2MP连接的单向1：n保护。在保护资源共享方面，MPLS-TP应能支持1：n的共享mesh型保护[4]。

?恢复策略

MPLS-TP应能支持恢复的优先级，同时也应支持资源受限时的占用优先级。

?保护/恢复/反转的触发机制

保护恢复的触发机制包括以下几方面：物理层的失效指示、OAM信号和管理平面等。需要指出的是，MPLS-TP强调了必须将管理恢复动作（administrative）与其他触发机制相区分。同时，如

果MPLS-TP网络中存在控制平面，则可以由控制平面触发恢复动作。考虑到出现失效后可能存在的多重触发问题（如同时出现链路/结点失效触发恢复或控制平面/管理平面触发恢复的情况），MPLS-TP强调了必须支持恢复触发的优先级设定。

?管理平面

管理平面必需具有配置保护通道和保护－主用通道关系的能力。

3.MPLS-TP生存性关键技术

为了实现上述的MPLS-TP生存性需求，涉及到以下MPLS-TP生存性相关的关键技术。

3.1 管理平面

与ASON/GMPLS区别的是，MPLS-TP要求无论有无控制平面的情况下必须都能够保证恢复机制的正常运行。在没有控制平面的情况下，启动保护和恢复的触发机制可以由OAM失效管理功能或外部请求（如人工控制或保护倒换）实现。

为了实现保护倒换机制，管理平面可以通过设定参考点（恢复控制器）来配置恢复域（recovery domain）、“工作实体”和“保护实体”、恢复的类型（如1：1双向线形保护，环路保护等）。其他与恢复过程相关的参数如恢复计时器（hold-off timer）、是否可逆转等也可以由管理平面配置。另外，控制平面可以启动手动控制的保护倒换功能，这时失效状态和操作请求均要设为高优先级。由于配置恢复域可能会涉及不同的选项，因此参考点上可能会出现不匹配的情况。此时MPLS-TP的OAM自动保护倒换协议（automatic protection switching，APS）可以用作带内控制协议来连接两个保护域的末端。管理平面也可以用于监视恢复状态。

3.2 控制平面

MPLS-TP的控制平面沿用GMPLS的控制平面[2]。由于GMPLS已经在不同的传送网中得到了应用，因此MPLS-TP也沿用了GMPLS的控制平面技术。虽然在没有控制平面的情况下，MPLS-TP 所有强制的生存性特征也能够使用，但是控制平面通过设置更多的参数使可选机制变得更加完善[5]。

?失效检测

控制平面不能检测数据平面的故障，但是它能够检测控制平面的故障从而减少数据平面的故障。配置带内控制信道后，可以从控制信道出现故障推测出数据信道出现故障，或者可以用于触发数据信道的检查功能。

?故障测试

控制平面可以用于启动和调整链路、LSP段或整个LSP的测试。LMP提供了对单个链路进行连贯性和连接性测试的控制平面机制。管理操作在链路的一端启动测试，LMP在另一端进行调整。MPLS分组链路的测试机制则是LMP测试信息在链路的一端插入数据流，在链路的另一端取出，这种机制不需要切断数据流。

?故障隔离

故障隔离准确确定和定位失效点的操作机制。故障检测通常只在网络的重要节点上（如LSP端节点或MEP），这意味着故障可能出现在相关LSP段内的任何位置。如果使用段保护或者端到端保护，那么信息的保护等级通常能够来修复LSP。但是，如果希望获得更好的效果（无论是执行最佳的恢复行动或是诊断错误），就需要更严密地隔离故障。LMP提供专门针对这一目的的级联“测试-传播”机制。

?故障报告

GMPLS信令通过“通报”消息（Notify message）来报告故障。“通报”消息能够应用于单一的LSP 或LSP组来提高故障通报的可测量性。因为“故障”报告只关注特殊节点，所以它能够快速传递而非一跳一跳地传递。这些“通报”消息的目标节点可以在网络内手工配置也可以在LSP内通过信令传递。这个过程和段保护以及维护实体的概念相一致。GMPLS信令也提供较慢的、一跳一跳传递的机制，它通过PathErr和ResvErr消息来报告逐跳基础上的单个LSP故障。

通过GMPLS信令可以调整警报和其它的故障报告。这个机制能够帮助了解LSP使用资源的状况以及LSP的故障原因，但是它不能取代其它的故障报告机制。

GMPLS路由协议通过兼容GMPLS的网络传播链路的可用性和容量。因此，这个路由协议也能够间接提供网络故障的信息。协议可以停止广播、撤销对故障链路的广播或者通告链路将平滑地关闭。但是这个机制不能够快速地触发保护倒换。

?恢复行为的调整

故障调整是特定保护机制（如双向1：1保护）的一个重要特点。上文提到的GMPLS“通报”消息就是为了这一目的，当然，明确的信息域的值也需要被定义。

?保护LSP和恢复LSP的建立

保护和恢复依赖于适合的LSP的建立。管理平面用于建立这些LSP，控制平面如果存在将会使用。

3.3 OAM（维护操作管理）信令

OAM信令为控制平面的一大特点。OAM信令指那些带内（in-band）或和数据平面紧密连接的信息交互，这些信息用于检测和隔离错误。

?故障检测

RSVP（资源预留协议，为GMPLS信令）和LMP（链路管理协议）的控制信道都有“保持活跃”机制（称为双端Hello消息）。没有在配置或协议时间内收到消息意味着控制平面有故障。GMPLS 路由也用“保持活跃”机制来相邻路由是否出错。但是因为涉及到种类繁多的协议，所以在MPLS-TP 网络中控制平面不作为主要的故障检测机制。

?故障检验

GMPLS信令（RSVP）提供协助故障测试的两个机制。第一个机制是可以把LSP设定为“测试模式”。这种模式下整个LSP都能被测试并且不需要切断数据流。第二个机制是是由GMPLS提供的，这个扩展协议支持特定LSP的OAM机制的配置。

4.结束语

随着Internet和各种基于IP的分组数据业务的快速发展，电信网络正在发生深刻的变化。传统的面向TDM业务的光传送网技术（SDH和OTN）正在向基于分组传送网（PTN）演进，MPLS-TP 是当前PTN中最为看好的技术之一。本文着重研究了MPLS-TP网络的生存性技术，重点从MPLS-TP 网络的生存性需求入手，讨论了MPLS-TP网络包括管理平面、控制平面和OAM信令等关键技术。

MPLS-TP是当前PTN领域内的热点技术，国际上许多研究机构都对其进行了深入的研究，相关的标准也在不断的完善之中，包括生存性在内的MPLS-TP关键技术都需要今后进一步深入研究。

参考文献

[1]N.Sprecher,Ed.Multiprotocol Label Switching Transport Profile Survivability Framework[R]. draft-ietf-mpls-tp-survive-fwk-00.txt

[2]M.Bocci,Ed. A Framework for MPLS in Transport Networks[R]. draft-ietf-mpls-tp-framework-02.txt

[3] B. Niven-Jenkins, Ed. et al. MPLS-TP Requirements[R]. draft-ietf-mpls-tp-requirements-09.txt

[4] D Fedyk, Dave Allan, “Ethernet Data Plane Evolution for Provider Networks,” IEEE Communications Magazine, March 2008 V ol. 26 No. 3

[5] Loa Andersson, Ed. et al. MPLS-TP Control Plane Framework[R]. draft-abfb-mpls-tp-control-plane-framework-01.txt

作者简介

梁韵芳，女，江苏省无锡人，南京邮电大学本科生；

沈建华，男，江苏无锡人，南京邮电大学副教授，硕士生导师，主要研究领域为光纤通信、网络架构；

肖啸，男，天津人，南京邮电大学本科生。