PTN支持L3 VPN技術的研究與驗證

王牧云

（中國移動通信集團上海有限公司 上海200060）

1 引言

隨著即攝即傳、高清視頻監控、實時在線游戲和移動電視等業務的發展以及全業務IP化需求的激增，原有的2G、3G技術將難以滿足日益增長的高速率數據傳輸需求。當前，LTE技術的不斷發展與成熟使得國內外各大運營商對利用LTE高帶寬推動移動數據業務、移動寬帶業務的發展，提升網絡運營的ARPU抱有較高的期望，也越來越重視回傳網絡中全業務數據傳輸技術的研究與應用。

在全業務IP化的網絡中，帶寬需求劇增，新業務層出不窮，QoS向多樣化發展，使得傳統的SDH疏導變得捉襟見肘。目前，GE以上大顆粒業務的疏導以波分、光纖實現方式為主，但更多的小顆粒分組業務需要更加靈活的承載方式，既要利于分組傳送，又要保持端到端部署方式和OAM（operation administration and maintenance，操作、管理、維護）以及電信級保護功能。在這種背景下，PTN（packet transport network，分組傳送網）技術應運而生。中國移動通信集團公司（以下簡稱中國移動）早在2007年就開始了對PTN技術的跟蹤研究，2008年9月組織了多個設備廠商進行實驗室測試驗證，并于2009年4月在5個試點省市進行了大規模的PTN現網應用試點測試工作。試點表明，PTN完全可解決網絡IP化基站的承載問題。如今，PTN也是LTE承載網絡的優選方案。2011年5月，中國移動在上海、杭州、南京、廣州、深圳、廈門6個城市開始進行TDLTE規模技術試驗，試驗網絡均采用PTN承載LTE進行高速的數據傳輸。研究PTN平滑演進，支持LTE的移動回傳承載方式對充分發揮LTE的技術優勢具有重要意義。

2 PTN+CE的承載方案

當前LTE承載的通用方案是L2-VPN+L3-VPN。從回傳網絡的可靠性、安全性以及技術的成熟度綜合考慮，現網中被廣泛采用的是PTN+CE（customer edge router，客戶邊緣路由器）的組網方案，在回傳承載網絡的接入、匯聚層采用PTN設備進行基于 EVPL（ethernet virtual private line，以太網虛擬專線業務）的L2數據傳輸，在核心層采用路由器完成基于L3的數據轉發。此方案基本網絡架構如圖1所示。

該方案中，PTN設備在接入、匯聚層為LTE的數據傳輸提供二層的虛擬專線通道，在PTN匯聚層核心節點終結二層專線，通過VLAN方式與CE路由器進行互連后，再由CE路由器根據路由表轉發給本地的SGW（serving gateway，服務網關）/MME（mobility management entity，移動性管理實體），或者通過IP專網傳送到遠端的SGW/MME。PTN+CE的承載方案可以滿足S1/X2連通、DHCP relay等功能，但由于PTN和CE路由器屬于傳輸和路由兩種不同類型的設備，混合組網時將面臨以下述無法回避的問題。

（1）電信級保護倒換和全網絡OAM

PTN和CE路由器對接廣泛采用的IEEE 802.3ah屬于慢協議，不支持50 ms以內的電信級保護倒換標準。運營時可能會出現倒換時間嚴重超標，甚至達到若干秒以上的情況，對電信網絡的運營造成極大影響。

（2）全網時間同步的支持性

GPS天線施工難度大、存在安全風險等問題對回傳網絡支持時間同步提出了較高的要求。傳統的路由器雖然也支持 NTP（network time protocol，網絡時間協議），但毫秒級的同步精度仍無法滿足TD-SCDMA基站間±1.5 μs的同步要求，PTN與CE路由器混合組網實現高精度的時間同步性能有待驗證。

（3）業務調度

PTN+CE方案需要IP專網參與調度，LTE數據傳輸的高帶寬、大流量將對現有IP專網形成沖擊，大幅增加網絡的負荷。

（4）網管能力與網絡維護

不論PTN和CE路由器是否屬于同一廠商，傳輸設備與路由器設備的網管系統都存在明顯的差異。基于路由器的網管功能比較弱，業務配置、故障定位等主要還借助命令行方式實現，實際應用中無法實現端到端的統一管理，也不利于故障排查。采用兩套網管系統也意味著需要不同專業的兩組人員對全網進行協作維護，人力成本較高。

（5）設備成本

PTN+CE組網方案中需要在核心層重新引入新的CE路由器設備，對IP專網進行擴容與改造，勢必將導致網絡建設成本增加。而采用全程PTN設備進行回傳承載的方案只需在網絡中對已使用的PTN設備進行軟件升級，網絡的改造和擴容程度相對較小。

3 PTN支持L3VPN的工作方式

PTN支持L3 VPN的網絡架構如圖2所示。

該方案中，匯聚、接入層仍然采用EVPL的方式進行基于L2的數據傳輸，而在傳輸核心層引入支持L3 VPN的 PTN設備，通過 VRF（virtual routing forwarding，虛擬路由轉發）表實現不同數據基于L3的轉發。如圖3所示，具體實現過程如下。

在接入設備CE（customer edge，用戶邊緣設備）與PTN核心層設備PE1（PE是provider edge，運營商邊緣設備）之間創建一條隧道，用于提供一條數據傳輸通路，實現CE與PE1間端到端的連通。偽線（pseudo wire，PW）承載于隧道中，用于封裝客戶業務。不同業務可以由不同偽線承載，并在同一條隧道中進行傳輸。基站業務經由CE處理后，在接收到的數據報文前打上內層PW標簽和外層LSP（label switched path，標簽交換路徑）標簽。其中LSP指明了數據傳輸的路徑。在數據傳輸過程中PTN設備僅對外層LSP標簽進行剝離和添加處理進行數據轉發。

當數據在接入、匯聚層完成了LSP的最后一跳，到達支持L3 VPN的PTN核心層設備PE1后，PE1終結EVPL業務，將LSP標簽和PW標簽剝離，并根據封裝中VLAN標識和配置的VRF表，完成VLAN向VRF的映射和綁定，通過內部子接口實現L2和L3的橋接。支持L3 VPN的PTN設備間可通過BGP（border gateway protocol，邊界網關協議）或靜態路由的方式進行L3 VPN的信息交互。核心層的數據轉發同樣通過外層的LSP標簽指明傳輸路徑，而內層的VRF標簽則用來區分完成L2和L3橋接后對應的具體業務。根據實際的需求，可將一路或多路L2的VLAN業務映射到一個VRF表后進行轉發。

4 PTN支持L3 VPN的保護倒換

為考查PTN支持L3 VPN方案在端到端OAM的獨到優勢以及現網中PTN設備端到端組網情況下的電信級保護能力，驗證大規模組網下PTN支持L3 VPN功能在TD-LTE回傳中的性能，中國移動通信集團上海有限公司聯合設備廠商，根據上海傳輸網絡的現狀進行網絡建設與設備部署，對PTN支持L3 VPN方案進行了研究，基于現網復雜的環境，對PTN端到端組網情況下統一網管與OAM的實現、保護倒換等傳輸網絡的重要指標進行測試與驗證。通過設備升級，在傳輸網絡的核心層引入4臺支持L3 VPN的核心層PTN設備，在現網測試中采用網絡分析儀模擬LTE基站進行數據的發送和接收。略去現網拓撲中匯聚、接入環上的部分中間節點，簡化的網絡模型如圖4所示。

在PTN支持L3 VPN的保護倒換方面，實際應用中著重考察L3 VPN的保護功能以及同廠商PTN設備端到端的保護能力，主要關注項包括：

·S1接口業務的1∶1 LSP保護測試；

·動態VPN路由下，L3 VPN業務的FRR（fast reroute，快速重路由）保護；

·核心層PTN設備與SGW/MME的雙歸保護和VRRP（virtual router redundancy protocol，虛 擬 路 由冗余協議）；

基于圖4所示的測試網絡模型，主要配置步驟如下：

（1）在核心層PTN設備 PE1、PE2、PE3和 PE4上創建VRF并建立全連接的 LSP，通過 MP-BGP（multi-protocol extensions for BGP，BGP的多協議擴展）發布VPN路由。

（2）在核心層 PE1和 PE2上配置 VRRP，其中 PE1為Master，PE2 為 Slave。

（3）創建一條路徑為CE1-CE2-PE4的雙向隧道，作為匯聚、接入層數據傳輸的主用路徑，通過PW承載L2的EVPL業務；路徑為PE4-PE1的雙向隧道作為核心層數據傳輸的主用路徑，通過VRF實現L3 VPN業務的轉發。隧道的分段建立是因為基于PW的L2業務和基于L3的VRF路由需分別配置，目前測試的網管系統尚不支持全網端到端業務路徑和保護倒換的統一創建與配置。

（4）同理，創建一條路徑為 CE1-CE4-CE3-PE3的雙向隧道，作為匯聚、接入層數據傳輸的備用路徑，在匯聚接入層為LSP配置1:1的保護；在核心層各網元上配置L3 VPN FRR保護。

配置完成后，設備、鏈路均正常工作時，CE1的流量沿主用路徑傳輸。為了考察網絡的保護倒換性能，采用拔纖、設備斷電等方式進行故障模擬，測試結果如下。

·將PE1斷電，通過網管觀察業務路徑的變化情況。匯聚、接入層主用路徑CE1-CE2-PE4正常工作，符合預期；核心層PE1和PE2之間的VRRP與L3 VPN業務的FRR保護生效，數據傳輸路徑由PE4-PE1切換為PE4-PE2，再由PE2將倒換后的數據向AGW轉發，符合預期；通過兩端測試儀收發分組數的差值計算倒換時間，倒換時間為15.6 ms，回切時間為9 ms，符合電信級倒換要求。

·將PE4斷電，通過網管觀察業務路徑的變化情況。匯聚、接入層業務路徑由CE1-CE2-PE4切換到CE1-CE4-CE3-PE3，符合預期；核心層業務路徑切換為PE3-PE1，符合預期；通過兩端測試儀收發分組數的差值計算倒換時間，倒換時間為18 ms，回切時間為8.7 ms，符合電信級倒換要求。

·將CE2斷電或拔除PE4與CE2下聯端口的尾纖，通過網管觀察業務路徑的變化情況。匯聚、接入層業務路徑由CE1-CE2-PE4切換到CE1-CE4-CE3-PE3，符合預期；核心層業務路徑切換為PE3-PE1，符合預期；通過兩端測試儀收發分組數的差值計算倒換時間，倒換及回切時間均小于50 ms，符合電信級倒換要求。

5 結束語

PTN技術作為中國移動TD-LTE回傳網絡的優選承載方案，實現業務端到端PTN承載是LTE回傳網絡演進的趨勢。如今較常用的PTN+CE方案的優勢在于產品成熟度高、L3支持性能較好，但對IP專網進行改造、擴容的組網成本較高，整個回傳網絡中采用傳輸和路由兩套網管設備，需要跨專業維護，且混合組網情況下業務的保護倒換存在不確定性；PTN支持L3 VPN的方案全程采用PTN設備，在網絡的電信級保護、統一的OAM和業務調度以及網絡的時間同步等方面具有獨到的優勢，但技術的成熟度以及標準的支撐方面相對滯后。目前，中國移動也正積極推動PTN在CCSA、IETF、ITU-T的標準化進程，研究OAM新標準引入策略。CCSA目前已經完成《PTN總體技術要求》，對于L3 VPN相關功能，已經在標準中進行了定義。在2011年5月開始的LTE技術規模試驗中，中國移動也對PTN支持L3 VPN的組網方案進行現網測試，希望通過現網環境中的驗證為技術的發展積累經驗，以盡早實現高質量、低成本、易維護的LTE回傳網絡的承載方案，保障、推動LTE技術的運用和發展。

1 王磊，葉雯，李晗等.中國移動PTN網絡規劃和部署策略.移動通信,2010,34(17):45～50

2 黃曉慶，唐劍鋒，徐榮.PTN-IP化分組傳送.北京：北京郵電大學出版社，2009

3 中國移動通信集團上海有限公司.上海移動PTN傳輸設備L3 VPN測試報告，2011