介绍分组传送网（广义PTN网络）中的QoS技术问题分析

分组传送网目前还没有一个标准的定义。从广义的角度讲，只要是基于分组交换技术，并能够满足传送网对于运行维护管理(OAM)、保护和网管等方面的要求，就可以称为PTN。具体的分组交换技术可以是多协议标记交换(MPLS)、传送多协议标记交换(T-MPLS/MPLS-TP)、以太网、运营商骨干桥接-流量工程(PBB-TE)、弹性分组环(RPR)等。前两年通信业界一般理解的PTN技术主要包括T-MPLS和PBB-TE。近期由于支持PBB-TE的厂商和运营商越来越少，中国已经基本上将PTN和T-MPLS/MPLS-TP划上了等号。本文中提到的PTN均指基于T- MPLS/MPLS-TP的PTN设备。

从T-MPLS到MPLS-TP，国际电信联盟电信标准部门(ITU-T)和因特网工程任务组(IETF)经过了多年的竞争和协商达成了共识，体现了传送领域和数据领域之间从竞争到融合的发展历程。可以说MPLS-TP是传送领域和数据领域的利益竞争和平衡协调的产物。目前，IETF已获得了 MPLS-TP标准开发的主导权，ITU-T SG15在MPLS-TP标准中的开发话语权已逐渐被IETF剥夺，转为以企业和个人专家方式参与[1-6]。

本文将对PTN/MPLS-TP技术和标准发展过程中的几个关键问题进行探讨，内容包括端到端的服务质量(QoS)实现机制、网络分层结构、三层(L3)功能的引入和数据平面环回功能等，并基于PTN网络建设维护和开展业务的需求提出了个人观点。

1 PTN网络中的QoS技术

QoS是指网络通信过程中，允许用户业务在丢包率、延迟、抖动和带宽等方面获得可预期的服务水平。 PTN设备的QoS功能包括流分类、标记、速率限制、带宽保证、流量整形、调度策略等。PTN网络中业务的QoS主要由基于MPLS的流量工程(TE)和区分服务(DiffServ)两种机制来实现，目标是实现面向业务的端到端的QoS保障能力[7-11]。

1.1流量工程

IETF对MPLS-TP的定义要求必须支持流量工程(TE)且TE可以实现对网络资源的可控性。 TE的目标是有效而可靠地运行网络，同时优化网络资源的使用。约束路由(CBR)则是TE中最重要的组成部分。IP/MPLS网络中的流量工程一般是通过 MPLS的TE扩展即多协议标记交换-流量工程(MPLS-TE)来实现的。

TE在PTN网络中的作用主要体现在2个方面：

(1)业务路由可控——进入PTN的业务通过伪线(PW)封装后再复用到标记交换路径(LSP)。LSP的建立可以通过网管或控制平面实现，两种建立方式的LSP路由都是可控的。

(2)业务带宽可控——目前PTN承载的业务主要包括E1仿真和以太网业务。E1仿真业务的带宽一般是固定可控的，并且要求高优先级，不允许丢包，时延低。以太网业务可以分为2大类：恒定速率业务和可变速率业务。恒定速率业务的要求和可控性与E1仿真业务基本相同。可变速率业务则是通过承诺速率 (CIR)和额外速率(EIR)来实现对业务带宽的控制，即运营商只对用户保障小于等于CIR的带宽，在网络拥塞时可以对EIR部分的流量进行丢弃处理，从而实现网络带宽资源的可控性。

具体来说，运营商通过配置PW(即业务)和LSP的CIR，并满足连接允许控制的条件：一条LSP中的所有PW的CIR之和必须小于等于该 LSP的CIR，一条链路中的所有LSP的CIR之和必须小于等于该链路的CIR，运营商就可以在网络正常运行的情况下，满足所有业务的CIR带宽需求。由于存在可变速率业务的突发业务(即EIR部分)，因此即使使用了TE，网络中仍然可能会发生拥塞，此时如何保障所有业务都能得到其CIR带宽就需要使用区分服务。

1.2 区分服务

区分服务起源于集成服务(IntServ)。区分服务的目的是在因特网上为流量提供有区别的业务级别。与集成服务相比，区分服务定义的是一个相对简单而粒度粗一些的控制系统。另外，区分服务针对的是流聚合后的每一类QoS控制，而不是像集成服务那样针对每个流。因此，区分服务具有可扩展性，能够在大型网络上提供QoS服务。

区分服务在其域的边缘对进入的IP流进行分类，并为每一类型指定一个类型标志区分服务代码点(DSCP)。域内的核心路由器查看DSCP值，并根据每一类的特定逐跳行为(PHB)调度包的转发。IETF目前定义了两种PHB：加速转发(EF)和保证转发(AF)。

(1)加速转发

EF PHB的流量不受其他PHB流量的影响，确保包以最快速率得到转发。与传统的租用线类似，EF PHB能够提供低丢包率、低延迟、低抖动和有保证的带宽服务。使用EF的业务带宽参数只有CIR，EIR总等于0，超过CIR的流量将被丢弃。EF可用于 E1仿真业务或恒定速率的以太网业务。EF必须遵循RFC3246的规定。

(2)保证转发

AF为数据包提供4个级别的转发特征，每个级别有3种丢弃优先级。PTN设备通过配置各级别的转发资源(如缓冲区和带宽)和丢弃优先级来决定业务的级别。当业务不发生拥塞时，AF的各级别业务性能值相同;当业务发生拥塞时，所有AF级别的业务都会发生丢包，丢包的多少和业务级别相关。AF必须遵循RFC2597的规定。

1.3 MPLS支持的区分服务

由于PTN是基于MPLS-TP实现的，因此PTN设备中的区分服务需要采用RFC3270定义的基于MPLS的区分服务机制来实现。

IP包经过MPLS封装后，核心路由器将看不到DSCP。为此，IETF提出了一种MPLS支持区分服务的方法。MPLS支持的区分服务能够把区分服务的多个行为集合(BA)映射到MPLS的一条LSP上，根据BA的PHB来转发LSP上的流量。LSP与BA的映射有两种方式：实验推断的 LSP(E-LSP)和标记编码推断的LSP(L-LSP)。

(1)E-LSP

E-LSP用MPLS标签的实验(EXP)字段把多个BA指派到一条LSP上，使用MPLS标签的EXP字段表示一个包的PHB。最多可以把8个BA映射到EXP字段中，即一条E-LSP最多可以支持8个业务等级。

(2)L-LSP

L-LSP把一条LSP指派给一个BA，并采用EXP表示包丢弃优先级。一条L-LSP只能支持一个业务等级。由于MPLS网络设备会在每一跳中都交换标签值，而管理标签与PHB的映射比较困难。E-LSP要比L-LSP更容易控制，因为E-LSP事先就可以确定整个网络中每个包的EXP字段和PHB之间的映射关系。目前PTN设备采用的主要是E-LSP。

1.4 PTN端到端QoS的实现

通过上述流量工程和MPLS支持区分服务的机制，就可以实现PTN所倡导的面向业务的端到端的 QoS保障能力。首先通过MPLS流量工程实现对业务路由和带宽的控制，以避免负载不均衡出现的拥塞问题;其次，当突发业务或网络保护引起网络拥塞时再通过MPLS支持的区分服务机制实现对业务承诺带宽(CIR)的保障。

对于E-LSP，表1给出了一种业务等级的分类方法示例。其中的峰值速率(PIR)，等于CIR加EIR。在这种实现方法中数据帧的PW和LSP的EXP值相同。

对于E1仿真业务和恒定速率的以太网业务(如语音和视频)，均采用EF PHB，并设置CIR等于PIR。对于突发型业务(如虚拟专用网和以太网专线)采用AF PHB。为了保障突发业务的CIR带宽，需要在网络入口依据带宽参数对业务流进行计量、整形和标记，并应支持RFC2698定义的双速率三色标记法。同时基于映射关系设置数据帧的EXP值，以便LSP经过的后续节点根据该值选择合适的PHB。

对于普通数据业务，设置CIR等于0，并设置最高速率PIR，采用缺省的转发行为(DF)。

当网络中发生拥塞时，对于采用EF PHB和AF PHB的流量部分的业务带宽将始终得到保障。对于普通数据业务可以首先进行丢弃，或是与AF PHB的流量部分进行加权处理，以便即使在拥塞时普通数据业务也能得到一定的带宽。

2 PTN网络分层结构

IETF RFC5654将MPLS-TP分为传送业务层、传送通道层和段层。其中传送业务层可以是PW或业务LSP，类似于同步数字体系(SDH)网络中的VC- 12。PW用于提供时分复用(TDM)、以太网和异步传输模式(ATM)等仿真业务;业务LSP用于提供IP和MPLS等网络层业务。传送通道层是指 LSP层，类似于SDH网络中的VC-4。段层用于在两个相邻MPLS-TP节点之间汇聚传送业务层或传送通道层的信息。段层可以是采用MPLS-TP技术实现，也可以采用其他技术来实现，如采用同步数字体系/以太网/光传送网(SDH/ETH/OTN)。PTN通过采用多层网络的架构，可以实现与同步数字体系/光传送网类似的可扩展性。

除了MPLS-TP关注的3层网络之外，PTN设备还需要支持业务层和段层技术的相关功能。如以太网业务层的OAM(属于IEEE802.1ag和Y.1731)、以太网链路层OAM(属于IEEE 802.3ah)、SDH业务和链路的开销处理和保护功能等。

目前的PTN设备是通过PW支持各种仿真业务，还不支持通过业务LSP支持IP/MPLS业务。对于IP/MPLS业务，采用以太网PW仿真实现，优点是业务的透明性好，缺点是传送效率较低(需要传送以太网帧头)，对于较短的数据包尤其明显。如果采用TDM PW仿真实现，将对网络性能提出较高要求，并可能增加设备的成本。如果采用业务LSP实现，则可以避免上述问题，但是业务透明性较差，可能需要处理部分 L3协议。具体方式的选择需要综合考虑业务的透明性、传送效率和成本等因素。

目前的PTN设备只支持单段伪线(SS-PW)，即PW和LSP的源宿点重合。SS-PW无法实现多个LSP所承载的PW的汇聚，从而对PTN 设备的LSP容量提出了很高的要求。另外只能采用端到端的LSP保护，无法应对多点故障。而通过引入多段伪线(MS-PW)，则可以克服SS-PW存在的上述问题，提高PTN网络的可扩展性。IETF已经将MS-PW列为MPLS-TP的可选项。

3 PTN对L3功能和业务的支持

目前的PTN主要定位于提供二层(L2)的业务，包括E1/ATM仿真业务、E-Line/E- LAN/E-Tree以太网业务等。PTN的主要应用场景是移动网络的回传，包括目前的3G网络，以及未来的长期演进(LTE)。PTN可以很好地满足现有3G网络回传的承载需求，但是否能够满足LTE的需求人们还心存疑虑。

由于LTE阶段出现了基站之间的互联需求(X2接口)，以及基站到服务网关(SGW)的多归属需求，因此与3G对承载网的需求将有所不同。针对上述需求，目前有两种主要的解决方案。一种是建议采用端到端的路由器组网方案;一种是采用L3+L2的组网方案，即核心层采用L3技术组网，接入汇聚层采用L2技术组网。由于端到端的路由器方案在网络扩展性、可管理性和可控性方面存在问题，因此L3+L2的组网方案得到更多的认可和支持。该方案中的核心层可以采用路由器组网，也可以通过在PTN中引入L3功能来实现。下面主要对后一种方式进行讨论。

L3功能主要包括IP路由和转发功能，以及L3 MPLS VPN和L3组播功能。由于IP流量和组播存在流量带宽和路由的不确定性，因此很难提供严格的QoS保障能力。如果在PTN中引入这两种业务，为了避免对原有L2业务的影响，只能将这两种业务设置为最低等级的业务。而L3 MPLS虚拟专用网(VPN)由于是基于MPLS实现，因此可以采用前面提到的基于MPLS的流量工程和区分服务机制来保障业务的服务质量。同时还可以在 MPLS VPN中支持L3组播，同样可以保证服务质量。

综上所述，对于需要提供有质量保证的L3业务，建议在PTN中以L3 MPLS VPN的方式提供。而对服务质量没有要求的L3业务，可以直接采用IP路由和转发功能来实现。

4 数据平面环回功能

现有的PTN设备只支持OAM的环回功能(LB)。通过OAM LB可以验证源、宿维护端点间的双向连通性，以检测节点间及节点内部故障，但是并不能对故障进行准确的定位。如图1所示，如果PE2-PE3之间的链路发生故障，通过OAM LB并不能确定是PE3出现故障还是PE2-PE3之间的链路发生故障。而如果支持类似SDH设备的数据平面环回，即业务环回，则可以通过对不同的点进行环回，实现对故障的准确定位。

与SDH类似，目前提出的PTN的数据平面环回包括远端环回(入口环回)、近端环回(出口环回)和光纤环回(客户环回)3种方式。除了进行故障定位，光纤环回还可以进行单端业务性能测试，如双向时延、丢包率和吞吐量测试，以方便进行现网测试。

由于分组传送网已经支持OAM的远端和近端环回，可以实现与数据平面的远端和近端环回类似的功能。因此本文认为应首先实现光纤环回功能，以便能够实现准确的故障定位和单端测试。是否需要支持数据平面的远端和近端环回功能还需要进一步研究。目前IETF和ITU-T正在对数据平面环回功能的标准化进行讨论。

5 结束语

PTN是运营商从现有2G移动回传的多业务传送节点(MSTP)网络演进的最佳方案，定位于满足 3G移动回传、企事业专线/专网等高品质业务需求。2008—2009年，中国三大运营商纷纷针对PTN承载3G移动回传进行了全面的实验室测试和现网试点应用，大力推进了设备商PTN产品成熟和商用化进展。中国移动已于2009年10—12月开始大规模集采基于MPLS-TP的PTN设备，标志着PTN 进入产业化的关键期。2010年，MPLS-TP的国际标准化进展问题是业内最关心的热点问题，并且MPLS-TP的国际标准何时稳定将直接影响PTN何时能从新技术引入发展到大规模应用阶段。本文对PTN技术发展中几个问题进行了探讨，希望可以对PTN技术的发展和完善有所贡献。