PBB-TE的結(jié)構(gòu)特征與GMPLS控制技術(shù)

隨著通信業(yè)務(wù)IP化的發(fā)展，各種基于IP的新業(yè)務(wù)層出不窮，譬如網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)、IP語音(VoIP)、P2P文件共享等。這些新業(yè)務(wù)加速了城域傳送網(wǎng)由“時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)主導(dǎo)”到“分組數(shù)據(jù)主導(dǎo)”的轉(zhuǎn)變。而傳統(tǒng)城域傳送網(wǎng)仍是基于SDH/SONET構(gòu)建的時(shí)分復(fù)用(TDM)傳送網(wǎng)。使用TDM傳送網(wǎng)承載分組業(yè)務(wù)，難以滿足分組業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量(QoS)細(xì)化多樣的要求，也難以適應(yīng)分組業(yè)務(wù)復(fù)雜多變的流量模式。因此，選擇靈活可靠的分組傳送技術(shù)，將是電信運(yùn)營商建設(shè)下一代城域傳送網(wǎng)面臨的重大挑戰(zhàn)。

以太網(wǎng)是局域網(wǎng)和接入網(wǎng)使用最多的組網(wǎng)技術(shù)。然而要想把以太網(wǎng)變?yōu)殡娦偶?jí)的分組傳送技術(shù)，必須在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中引入電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)的特征。IEEE以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最新成果運(yùn)營商骨干橋接-流量工程(PBB-TE)，是一種面向連接的分組傳送技術(shù)，具備很好的可擴(kuò)展性和端到端QoS支持。PBB-TE的數(shù)據(jù)平面有一套與SONET/SDH類似的操作與維護(hù)(OAM)機(jī)制，具備了電信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可管理性。PBB-TE將成為建設(shè)城域分組傳送網(wǎng)的優(yōu)選方案。

1 PBB-TE的結(jié)構(gòu)特征

本節(jié)將介紹以太網(wǎng)技術(shù)演化，PBB-TE的特征，以及在校園骨干網(wǎng)網(wǎng)上做的PBB-TE設(shè)備互連實(shí)驗(yàn)。

1.1 IEEE以太網(wǎng)技術(shù)的演化

1.1.1802.1Q虛擬局域網(wǎng)

IEEE 802.1Q在原有802.1以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)上，增加了一個(gè)C-Tag域。C-Tag包含一個(gè)12位的C-VID和一個(gè)3位的C-PID。C-VID表示源主機(jī)所屬的VLAN，C-PID表示幀的服務(wù)類型。在802.1Q中，一個(gè)物理網(wǎng)最多可支持4 096個(gè)虛擬局域網(wǎng)(VLAN)，不同VLAN之間的流量是隔離的。802.1Q網(wǎng)橋還可以根據(jù)C-PID表示的服務(wù)類型，提供差異化的服務(wù)。

1.1.2802.1ad運(yùn)營商橋接

IEEE 802.1ad運(yùn)營商橋接(PB)是第一個(gè)面向電信運(yùn)營商的以太網(wǎng)橋接技術(shù)。PB在802.1Q幀結(jié)構(gòu)中，增加了一個(gè)由運(yùn)營商分配的域S-Tag，包含12位的運(yùn)營商VLAN標(biāo)志符(S-VID)和3位的C-PID。PB構(gòu)建的橋接網(wǎng)絡(luò)稱為運(yùn)營商橋接網(wǎng)絡(luò)(PBN)。如圖1所示。S-Tag由PBN的入口節(jié)點(diǎn)分配，并在出口節(jié)點(diǎn)移出。S-Tag將運(yùn)營商的VLAN與客戶端網(wǎng)絡(luò)的VLAN隔離，還允許運(yùn)營商將多個(gè)客戶端VLAN業(yè)務(wù)通過同一個(gè)運(yùn)營商VLAN傳送。

由于受到S-VID長度的限制，PBN最多只能支持4 096個(gè)服務(wù)實(shí)例。此外，PBN核心節(jié)點(diǎn)根據(jù)C-DA+S-VID來轉(zhuǎn)發(fā)幀。PBN需要學(xué)習(xí)客戶端的媒體訪問控制(MAC)地址，每個(gè)PBN節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)一個(gè)龐大的轉(zhuǎn)發(fā)表。受服務(wù)實(shí)例和客戶地址學(xué)習(xí)的限制，PBN不能滿足電信網(wǎng)絡(luò)對擴(kuò)展性的要求。

1.1.3802.1ah運(yùn)營商骨干橋接

IEEE 802.1ah運(yùn)營商骨干橋接(PBB)在PBN上又搭建了一層橋接網(wǎng)絡(luò)——運(yùn)營商骨干橋接網(wǎng)絡(luò)(PBBN)，來解決PB的可擴(kuò)展性問題。PBB幀比PB幀多了一個(gè)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)幀頭。這個(gè)幀頭由PBBN邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)添加和刪除。其中，B-DA、B-SA分別是PBBN的入口、出口節(jié)點(diǎn)的MAC地址;B-TAG包含12位B-VID，標(biāo)志PBBN的一棵生成樹或傳送通道。I-Tag包含24位I-SID，用來表示服務(wù)實(shí)例，可在一個(gè)PBBN中支持多達(dá)1 600萬條服務(wù)實(shí)例。PBBN的核心節(jié)點(diǎn)根據(jù)B-DA+B-VID來轉(zhuǎn)發(fā)幀，只有PBBN邊緣節(jié)點(diǎn)才需要學(xué)習(xí)客戶網(wǎng)絡(luò)的MAC地址。這樣，核心節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)表?xiàng)l目數(shù)量將大大減小。

在業(yè)務(wù)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量支持上，PBB是第一個(gè)真正達(dá)到電信網(wǎng)絡(luò)要求的橋接技術(shù)。但是，PBB仍缺少流量工程和運(yùn)行管理特性。

1.2 802.1Qay運(yùn)營商骨干橋接-流量

工程的特征

IEEE 802.1Qay運(yùn)營商骨干橋接-流量工程(PBB-TE)是PBB加入一系列電信網(wǎng)絡(luò)特征后的產(chǎn)物，是一種面向連接的分組傳送技術(shù)。PBB-TE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。PBB-TE的主要特征如下:

(1)可擴(kuò)展性

在數(shù)據(jù)平面上，PBB-TE與PBB具有基本相同的幀結(jié)構(gòu)(即MAC-in-MAC)。PBB-TE網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)根據(jù)來轉(zhuǎn)發(fā)幀。PBB-TE繼承了PBB支持業(yè)務(wù)數(shù)量大、運(yùn)營商/客戶地址隔離的優(yōu)點(diǎn)。

(2)面向連接和QoS保證

PBB-TE關(guān)閉了生成樹協(xié)議和源地址學(xué)習(xí)機(jī)制，將未知地址的幀丟棄而不是廣播它。PBB-TE網(wǎng)絡(luò)中用于傳送業(yè)務(wù)的以太網(wǎng)交換路徑(ESP)，必須由控制平面或者管理系統(tǒng)建立。因此，PBB-TE是一種面向連接的分組傳送技術(shù)，每一條ESP都具有確定的流量工程屬性和QoS保證。

(3)操作與維護(hù)

PBB-TE加入基于連接故障管理(CFM)的OAM機(jī)制，使得PBB-TE不借助其他層網(wǎng)絡(luò)，也能提供電信級(jí)的OAM功能。

(4)端到端的路徑保護(hù)

PBB-TE可以為點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的ESP提供1︰1的路徑保護(hù)。PBB-TE可以在建立工作路徑時(shí)，同時(shí)建立保護(hù)路路徑。由于保護(hù)路徑是預(yù)先配置好的，所以能夠確保它與工作路徑具有相同QoS。PBB-TE路徑故障診斷和保護(hù)動(dòng)作的觸發(fā)全部在數(shù)據(jù)平面完成，保護(hù)倒換時(shí)間可以達(dá)到50 ms量級(jí)。

(5)多業(yè)務(wù)承載PBB-TE

PBB-TE可以承載各種二層和三層業(yè)務(wù)，還提供對TDM業(yè)務(wù)的支持。當(dāng)然，PBB-TE技術(shù)也存在不足。與另一種分組傳送網(wǎng)方案傳送多標(biāo)簽協(xié)議交換(T-MPLS)相比，PBB-TE對多點(diǎn)到多點(diǎn)業(yè)務(wù)的支持能力較差、QoS的分類不夠細(xì)化、控制平面技術(shù)不完善。這些問題將在PBB-TE標(biāo)準(zhǔn)化的過程中逐步解決。長遠(yuǎn)來看，PBB-TE能降低運(yùn)營商在城域網(wǎng)的維護(hù)成本，因此部分運(yùn)營商已經(jīng)嘗試部署PBB-TE技術(shù)[1]。

1.3 校園骨干網(wǎng)中的PBB-TE設(shè)備

互連實(shí)驗(yàn)

PBB-TE作為一種低成本的電信級(jí)分組傳送技術(shù)，其應(yīng)用場景可以由單純的電信城域網(wǎng)，擴(kuò)展到一系列業(yè)務(wù)密集、節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)中心或科研骨干網(wǎng)絡(luò)中。上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心做了PBB-TE應(yīng)用于校園骨干網(wǎng)的初步嘗試，在校園骨干網(wǎng)中成功進(jìn)行了PBB-TE互連實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證了PBB-TE設(shè)備和MPLS設(shè)備間的互操作性。

上海交通大學(xué)校園骨干網(wǎng)拓?fù)淙鐖D3所示。核心網(wǎng)是一系列通過10GE或GE鏈路相連的IP/MPLS路由器，匯聚網(wǎng)由IP路由器組成。上海交通大學(xué)校園網(wǎng)為校內(nèi)提供視頻點(diǎn)播/組播、電子郵件、FTP、P2P文件共享等服務(wù)。為了獲得更好的服務(wù)體驗(yàn)，校園網(wǎng)中大量使用了MPLS流量工程技術(shù)。此外，為了給校務(wù)管理提供可靠、保密的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，校園網(wǎng)中還建立了面向特定業(yè)務(wù)的MPLS虛擬專用網(wǎng)(VPN)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，客戶端的MAC幀經(jīng)過PBB-TE網(wǎng)橋匯聚后，被封裝為MAC-in-MAC幀，然后經(jīng)由MPLS邊緣節(jié)點(diǎn)，封裝為MPLS包，進(jìn)入MPLS核心網(wǎng)傳送。在MPLS核心網(wǎng)的出口，通過MPLS邊緣路由器、PBB-TE網(wǎng)橋，最后到達(dá)另一端的主機(jī)。PBB-TE網(wǎng)橋使用的是具有匯聚功能的PBB-TE邊緣網(wǎng)橋。

在成功進(jìn)行互連實(shí)驗(yàn)后，下一步將建立基于PBB-TE的匯聚網(wǎng)絡(luò)。通過對比PBB-TE匯聚網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有IP匯聚網(wǎng)絡(luò)，我們將進(jìn)一步評(píng)估在校園網(wǎng)中部署PBB-TE技術(shù)的可行性。我們還將在這兩臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行PBB-TE控制平面的研究。

2 GMPLS控制的PBB-TE

對于PBB-TE控制平面中的關(guān)鍵技術(shù)。雖然PBB-TE控制平面的標(biāo)準(zhǔn)化尚未完成，但是業(yè)界比較一致的意見是使用通用多標(biāo)簽交換協(xié)議(GMPLS)作為PBB-TE控制平面技術(shù)。GMPLS擴(kuò)展了多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)中關(guān)于標(biāo)簽和標(biāo)簽交換的意義，重用了部分MPLS協(xié)議。GMPLS的主要功能包括信令、路由、路徑選擇、鏈路管理。在進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展后，GMPLS可以支持多種數(shù)據(jù)平面，譬如SONET/SDH、光傳送網(wǎng)(OTN)、波分復(fù)用(WDM)等。引入GMPLS控制平面后，可以提供更加豐富的管理功能，譬如自動(dòng)連接指配、網(wǎng)狀網(wǎng)恢復(fù)保護(hù)、約束路由計(jì)算等。

下面通過使用GMPLS控制PBB-TE時(shí)做的模擬平臺(tái)，介紹為研究GMPLS控制的PBB-TE而搭建的模擬環(huán)境。

2.1 GELS對GMPLS的擴(kuò)展

目前，使用GMPLS控制PBB-TE仍沒有完成標(biāo)準(zhǔn)化。因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)是這項(xiàng)工作的主要推動(dòng)者。現(xiàn)在已經(jīng)有兩份關(guān)于GMPLS以太網(wǎng)標(biāo)簽交換(GELS)的草案發(fā)布[2]。這兩個(gè)草案中對GELS的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)規(guī)范做了說明。GELS盡可能復(fù)用了原有GMPL體系結(jié)構(gòu)中的功能組件，并做了必要的擴(kuò)展:

(1)尋址方式

GELS控制平面上的節(jié)點(diǎn)仍然使用IP地址標(biāo)志，控制平面的信息在IP層交換。GELS同時(shí)支持標(biāo)號(hào)和無標(biāo)號(hào)端口。

(2)信令協(xié)議

GELS中增加了一種新的標(biāo)簽格式，對應(yīng)于PBB-TE節(jié)點(diǎn)上的轉(zhuǎn)發(fā)表入口。在數(shù)據(jù)平面內(nèi)，一條路徑上各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)表入口相同，所以，路徑上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須分配到相同的標(biāo)簽。PBB-TE標(biāo)簽是一個(gè)全網(wǎng)標(biāo)簽。

(3)流量參數(shù)

GELS使用下面的4個(gè)量來描述帶寬參數(shù)[3]:承諾速率(CIR)、承諾窗口大小(CBS)、承諾外速率(EIR)、承諾外窗口大小(EBS)。

(4)路由和路徑計(jì)算方式

GMPLS對路徑選擇的方法沒有加以限制。所以GELS可以使用任何方式進(jìn)行路徑計(jì)算和路徑選擇。開放式最短路徑優(yōu)先-流量工程/中間系統(tǒng)-中間系統(tǒng)-流量工程(OSPF-TE/IS-IS-TE)仍然可以用來發(fā)布PBB-TE數(shù)據(jù)平面的路由信息。由于數(shù)據(jù)平面的端口已經(jīng)使用標(biāo)號(hào)或無標(biāo)號(hào)的方式進(jìn)行標(biāo)志，所以在路由信息中不需要攜帶端口的MAC地址。

(5)鏈路管理

GMPLS的鏈路管理協(xié)議(LMP)與PBB-TE內(nèi)建的連接故障管理(CFM)功能上有些重疊，都能完成鄰居發(fā)現(xiàn)、故障診斷、故障確認(rèn)和故障定位等功能。CFM不需要其他層的支持就能獨(dú)立運(yùn)行，而LMP可以自動(dòng)完成編號(hào)/未編號(hào)接口的標(biāo)志符分配。CFM和LMP可以一起運(yùn)行。

IETF的這兩個(gè)草案只說明了如何使用GMPLS建立點(diǎn)到點(diǎn)的PBB-TE路徑。其他一些問題，譬如如何建立點(diǎn)到多點(diǎn)路徑、基于控制平面的保護(hù)恢復(fù)等，仍需要補(bǔ)充完善。此外，在IEEE 802.1中的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)802.1aq里的PLSB，也可以作為PBB-TE的一種控制方案[4]。

2.2 GMPLS控制PBB-TE的模擬平臺(tái)

由于PBB-TE的GMPLS控制技術(shù)仍有許多工作需要補(bǔ)充，所以這部分的研究一直比較活躍。相比于使用真實(shí)的PBB-TE設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究人員更傾向于使用一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因?yàn)楹笳呤褂酶`活、支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)更多。這樣的虛擬平臺(tái)大致可以分為兩類:

(1)仿真平臺(tái)

以NS2等有限狀態(tài)機(jī)仿真軟件為代表。平臺(tái)支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)多，可擴(kuò)展性好，但缺少信令交互細(xì)節(jié)，控制平面和數(shù)據(jù)平面的真實(shí)度欠佳。

(2)模擬平臺(tái)

以DRAGON項(xiàng)目[5]為代表，使用計(jì)算機(jī)代替PBB-TE網(wǎng)橋。此方案中的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行完整的GMPLS協(xié)議棧，數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)卡發(fā)送，PBB-TE控制平面和數(shù)據(jù)平面都可以比較真實(shí)地模擬。但是，模擬一個(gè)PBB-TE網(wǎng)橋仍需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展性受限。

本文的重點(diǎn)在于GMPLS信令的互通性和跨層優(yōu)化問題，所以在仿真和模擬間做了一個(gè)折衷方案。如圖4所示。搭建的大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺(tái)模擬了一個(gè)兩層的網(wǎng)絡(luò):上層是PBB-TE，下層是SONET/SDH。我們完整實(shí)現(xiàn)了控制平面的信令協(xié)議(RSVP-TE)和路由協(xié)議(OSPF-TE)，其中還包括GMPLS對PBB-TE和SONET的擴(kuò)展。平臺(tái)不實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)功能。驗(yàn)證平臺(tái)中的節(jié)點(diǎn)只是計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的一個(gè)對象，節(jié)點(diǎn)間的信令交互和路由信息更新通過對象間通信完成，不需要通過實(shí)際網(wǎng)卡發(fā)送。信令信息和路由信息被記錄在日志中，供離線查看。我們成功地在這個(gè)平臺(tái)上演示了包含數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)的跨層建路。下一步我們考慮對GMPLS做擴(kuò)展，以支持PBB-TE的保護(hù)倒換。

3 結(jié)束語

PBB-TE是一個(gè)具有層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、完善OAM、能提供QoS保證的分組傳送網(wǎng)技術(shù)。作為匯聚層的解決方案，PBB-TE相對于MPLS更有價(jià)格優(yōu)勢。目前PBB-TE及其GMPLS控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在進(jìn)行中，越來越多的電信網(wǎng)絡(luò)特性將會(huì)引入到PBB-TE中。隨著PBB-TE標(biāo)準(zhǔn)的完善，PBB-TE將成為下一代城域分組傳送網(wǎng)優(yōu)秀備選技術(shù)。

4 參考文獻(xiàn)

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[3] Ethernet traffic parameters[R]. draft-ietf-ccamp-ethernet-traffic-parameters-10. 2010.

[4] ALLAN D， ASHWOOD-SMITH P， BRAGG N， et al. Provider link state bridging [J]. IEEE Communications Magazine， 2008，46(9):110-117.

[5] SOBIESKI J. DRAGON: Dynamic resource allocation via GMPLS optical networks[C]//MCNC Optical Control Planes Workshop， Apr 23， 2004， Chicago， IL， USA.

收稿日期:2010-03-16

韋建文，上海交通大學(xué)電子工程系在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎鄬佣嘤蚓W(wǎng)絡(luò)，包括多域網(wǎng)絡(luò)的流量工程和分段保護(hù)、多層網(wǎng)絡(luò)的生存性。

謝銳，上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心高級(jí)工程師，負(fù)責(zé)上海教育科研網(wǎng)和校園網(wǎng)核心運(yùn)行和維護(hù)，長期從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和管理工作，研究方向包括下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)測量與網(wǎng)絡(luò)安全等方面，已發(fā)表論文10余篇。

金耀輝，區(qū)域光通信網(wǎng)絡(luò)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心副主任;主要研究方向?yàn)槲磥鞩nternet設(shè)計(jì)、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)測量與優(yōu)化控制和片上光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等;已發(fā)表研究論文100余篇，其中SCI論文30余篇。