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    MPLS-TP

    作者:  |  上传时间:2015-10-09  |  关键字:MPLS-TP

     

    /贾欣武

    1      MPLS-TP产生背景

    MPLS-TP技术是一种新的PTN技术,其技术原理为:在包交换网络上利用仿真的虚电路提供专线业务,并借鉴传统传输网络中的APS技术提供了一整套HA机制。利用MPLS-TP技术框架可以实现一个廉价且高可用的专线传输网络。

    1.1      传统TDM传输网络面临的挑战

    随着智能手机的普及,移动运营商数据网络建设越显重要。传统的数据回传业务主要通过MSTPMultiservice Transport Platform ,多业务传输平台)来承载,但在3G/4G数据回传应用中MSTP面临弹性带宽需求挑战。当前的移动数据业务主要以Internet应用为主,具有突发性等特点,热点地区的基站到基站控制器之间在某些时段可能需要很大的带宽才能满足其传输需求。传统MSTP的带宽是刚性恒定的,无法应付突发应用,在开通大量专线的情况下,会出现有的专线带宽空闲有的专线带宽不足的情况。如果每条专线再加上保护链路则会产生带宽浪费问题,因为保护链路一直处于空闲备用状态,不传输数据。另外传统传输设备中继带宽不能统计复用,没有收敛比,也会造成投资浪费。

    MPLS-TP为代表的PTN技术就是在上述需求背景下提出的,是一种集合带宽复用、流量工程、APS高可用等技术的新架构。在MPLS-TP网络中,IP报文能够在端到端的专线中透明传输,同时还有针对虚电路专线的APSAutomatic Protection Switching ,自动保护倒换)保护技术,如果中间转发节点或者链路出现故障时在OAM检测机制的配合下APS能够实现业务快速自动恢复。流量工程、OAMAPS机制是MPLS-TP中的技术重点。

     

    三种主要的PTN技术

    PBB Provider Backbone Bridge )与PBT PBB-TE):将用户的以太网数据帧再封装一个运营商的以太网帧头,这时以太帧具有两个MAC地址。PBB的主要优点是:具有清晰的运营商和用户间的界限,可以屏蔽用户侧 PTN网络架构信息,实现二层信息的完全隔离,解决网络安全性问题。 PBB技术是在MAC-IN-MAC技术上发展起来的,尽管有一些厂商在坚持,而且在国内的个别运营商有部署,但总体呈没落趋势,未来不被看好。

    MPLS-TPMPLS Transport Profile )及T-MPLSTransport  MPLS):T-MPLSITU-T定义的一种PTN技术标准, T-MPLS的目标是成为一种通用的分组传送网, 是一种面向连接的网络技术,转发方式使用MPLS的一个功能子集。 20082月,IETFMPLS Interoperability Design TeamITU-TT-MPLS特别工作组(T-MPLS ad hoc group)形成JWT(联合工作组)一起开发T-MPLS/MPLS-TP标准。JWTT-MPLS更名为MPLS-TPMPLS-TPOAM方面与T-MPLS相比有较大的改动,在转发方式及原理上与T-MPLS基本相同。

    CECarrier Ethernet):分组传送演进的另一个方向,如VPLSQinQ等,也属于利用IP数据网络模拟传输网的技术。VPLS技术属于MPLS L2VPN技术的一个子集,也具有一些类专线特征,也能满足PTN的部分要求。但其没有对提供商网络的隧道本身做明确的规范,在承载专线业务时没有考虑保护和OAM等内容。在PTN中,运营商网络的中的Tunnel才是技术重点,因为PTN中用Tunnel来仿真MSTP中的专线。

    当前PTN技术的主流是MPLS-TP,相对于其他几种技术,MPLS-TP更符合PTN的要求,MPLS-TP的技术标准也是各大厂商激烈争夺的阵地。

    1.2      MPLS-TP的技术特点

    MPLS-TP目前主要用来在Internet 专线业务中替代传输网络,所以从设计之初就要求保留传输网络的一些优点,要求必须具备面向连接、双向隧道、高可靠性(保护倒换)、丰富的OAM等特性,因为在传输网络中这些都是基本功能。在具备了上述优势的同时又克服了TDM传输网络的部分缺点,MPLS-TP技术继承了MPLS TE的显式路由与带宽保证等优点,可以灵活地在网络中预留期望的带宽,与TDM传输网络固定接口带宽相比,带宽利用率提高,而且扩展灵活。

    MPLS-TP与传统的MPLS技术相比主要有如下区别:

    ²  可承载多业务,业务层面采用PWE3技术,可以为TDMATMEthernet提供专线

    ²  可以预留带宽:在建立隧道时就可以预留带宽资源,为不同的业务提供不同的带宽时延保证

    ²  显式路由:建立的专线可以显式绕开拥塞节点,战略或战术实施流量工程

    ²  双向LSPMPLS LSP都是单向的,而SDH传输网络通常使用的都是双向连接。因此MPLS-TP网络将两条方向相反的单向LSP组合成一条双向LSP

    ²  MPLS-TP OAM:采用Y.1711 OAMT-MPLS)或BFD For LSPMPLS-TP)做CC/CV信令,还有LM/DMLBLTVCCV等工具

    ²  保护倒换(PS):采用保护倒换机制来保护专线,工作隧道检测到错误后就会自动切换到保护隧道。

    ²  双向倒换(双向高可用):采用T-MPLS 定义的APS协议或者MPLS-TP定义的PSC协议来实现双向切换(这使得MPLS-TP专线更像一条SDH/SONET电路)

    ²  不使用倒数第二跳弹出PHP:采用PHP的话在隧道的尾节点无法区分哪个隧道过来的业务,传统的MPLS网络如VPLS中不需要知道从哪个隧道来的业务,只需要知道从哪里发出即可,而MPLS-TP网络中在尾节点上需要知道报文来自哪个隧道。

    ²  不使用ECMP,采用ECMP的话OAM报文可能经过不同的路径,使得OAM处理非常麻烦。

    ²  不使用标签合并操作:在利用LDP分发标签时标签合并是最常见的操作,可以在一定程度上节省标签和表项,但在MPLS-TP中不能采用标签合并动作,原因与前述两个原因类似。

    从以上可以看出MPLS-TPT-MPLS原理是完全相同的,仅仅是在OAM及双向切换信令的具体定义上有区别,T-MPLSITU-T主导,MPLS-TPITU-TIETF成立的联合工作组开发的标准。T-MPLSCC/CV采用Y.1711,双向切换采用的协议为APS协议,标签值为14MPLS-TPPSC协议采用GAL标签13,双向切换采用PSC实现。APS PDU定义也与PSC PDU定义不同,所以T-MPLS无法与MPLS-TP互通。MPLS-TP中专线业务封装格式如图1所示:

    1 MPLS-TP报文封装格式

    2      双向隧道

    双向隧道是MPLS-TP中的关键技术之一,一条MPLS TE双向隧道由正、反两个单向的CR-LSP组成。MPLS TE双向隧道的建立有Co-routed方式、Associated信令方式和Associated非信令方式这三种方式。

    2.1      Co-routed方式

    GMPLS(通用多协议标记交换)体系中提出了利用RSVP协议建立双向隧道的方法(RFC 3473,MPLS-TP中的双向Co-routed隧道也借用了此方法。其基本原理为:对RSVP-TE协议进行扩展,通过RSVP-TE信令协议建立MPLS TE双向隧道。通过Path消息将上游LSR分配的标签通告给下游LSR,在Path消息传递的过程中建立一个方向的CR-LSP,再通过RESV消息将下游LSR分配的标签通告给上游LSR,在RESV消息传递的过程中建立另一个方向的CR-LSPCo-routed方式建立的MPLS-TP双向隧道的正、反两个方向CR-LSP使用的是相同的路径。

    以图2为例说明Co-routed方式双向隧道建立过程:

    2 Co-routed方式

    1、  在本例中RT1Active端,RT1启动CSPF计算,计算时和传统MPLS TE计算不同的地方是:链路两端都满足约束条件才能参与计算

    2、  如果计算成功说明从RT1RT2双向都能够建立满足约束条件的LSP

    3、  RT1发送Path消息建立隧道,同时分配自己的入标签“3083”(RT2的出标签)

    3 Path消息

    4、  Passive端(RT2)收到后记录前一步Active端(RT1)为本端分配的出标签,并向上游发送RESV消息分配本端的入标签“4054”(上游的出标签)

    4 RESV消息

    双向隧道建立后在设备上显示信息如图5所示:

    5 双向隧道LSP

    2.2      Associated非信令方式

    通过配置手工将两条方向相反的单向CR-LSP绑定,从而形成MPLS TE双向隧道。绑定在一起的两条单向CR-LSP可以通过不同的方式建立。例如一个方向上的CR-LSP使用静态方式建立,而另一个方向上的CR-LSP使用RSVP-TE信令建立。绑定在一起的两条单向CR-LSP使用的路径可以相同也可以不同。此方式的特点:

    Ø  可以完全不依靠RSVP信令来建立双向的LSP

    Ø  两条方向相反的LSP关联起来的过程也不需要信令参与

    Ø  双向的LSP关联采用tunnel nametunnel ID方式进行。如果反向隧道用信令建立就利用软状态信息绑定;如果反向隧道用静态CR-LSP建立就利用配置信息进行绑定。

    2.3      Associated信令方式

    利用信令将两条方向相反的单向CR-LSP绑定起来,此信令采用G-AchGeneric Associated Channel)封装(G-ACh是隧道带内协议报文的封装方式,后面章节介绍),携带源端的LSP信息和目的端的LSP信息沿着正向LSP传送到目的端。如果目的端能够接收绑定消息并满足绑定条件则回应成功消息,双向绑定成功。

    3      MPLS-TP中的OAM

    为了满足电信级网络管理和维护的需求,PTN网络中也要求有类似MSTP中丰富的SDH OAM功能,针对H3C ComwareV5中的MPLS-TP OAM实现介绍如下:

    主动故障管理:支持BFD Over G-AchY.1711 OAM这两种方法,这两种方法都能够实现规范所要求的对隧道的CCContinuity Check 连续性检查)和CVConnectivity Verification,连通性检测)

    按需故障管理:支持LBLoopbackLSP环回ping)和LTLinkTraceLSP链路跟踪)

    按需性能监测:支持LMLoss Measurement,丢包测量)和DMDelay Measurement,时延测量)

    自动双向倒换信令:支持基于GALA-AchPSC协议

    3.1      BFD 方式故障监测

    IETF草案draft-ietf-mpls-tp-cc-cv-rdi中建议MPLS-TP OAM中的CC/CV检测功能由BFD来实现。并定义了封装方式: MPLS-TP采用GALG-ACH标签,Label值为13)和G-ACH(通用关联信道)来表示SectionLSPOAM报文。报文头如图6所示:

    6 GAL+G-Ach封装

    其中GAL标签“13”在RFC5586中定义,采用G-ACH封装的BFD报文头格式如图7所示:

    7 采用G-Ach封装的BFD

    采用G-Ach封装的报文以“0001”开头,版本和flags字段均为“0”,在H3C Comware实现中,Channel Type如果为“0x0013”代表协商MPLS-TP BFD鉴别值的LSP ping报文(只有动态协商鉴别值时才用到LSP Ping)。

    G-Ach头之后是BFD报文 (带有Router alertIP报文)。BFD建立会话过程与通常BFD For LSP类似,遵循RFC5884。具体过程简述如图8所示:

    8 BFD会话建立

    首先RT1发送G-Ach封装的LSP ping报文,此报文是动态BFD在建立会话前的第一个协商鉴别值的报文,抓包解析如图9所示:

    9 协商鉴别值的LSP Ping

    栈顶是MPLS-TP隧道标签2069,栈底标签是GAL标签13,随后是G-ACh头,之后是LSP ping (echo request)报文,由于是BFD动态会话(没有静态配置鉴别值),所以用LSP ping报文来协商BFD的鉴别值,此方式遵循RFC5884

    其中LSP Ping echo request的报文格式为:目的IP127.X.X.X/8,目的端口为3503,遵循RFC4379

    对端收到后用LSP Pingecho reply)回应,双方BFD session建立,后续将用BFD Control message来进行CC探测,回应的LSP Pingecho reply)报文解析如图10所示:

    10 LSP Pingecho reply

    回应的报文中最后的新增TLV字段中包含鉴别值“0x00000243”。

    BFD检测报文发送的频率与产品实现相关,周期性检测失效后会触发保护倒换,关于保护倒换的细节在后面章节介绍。

    3.2      Y.1711方式故障监测

    ITU-T的标准文档Y.1711中定义了一种检测MPLS 隧道的方法,目前H3C ComwareV5中除支持BFD方式外也支持Y.1711方式作为MPLS-TP隧道的CC信令。与MPLS-TP BFD不同的是,采用Y.1711方式时栈底标签为“14”,其机制为头端发送CV或者FFD,尾端通过接收头端发送的报文来判断是否发生故障。如果尾端检测到故障则向头端发送BDI报文通知错误,头端收到故障报告后会作为保护倒换等操作的输入条件。

    头端发送的检测报文如图11所示:

    11 Y.1711方式OAM

    其中栈底标签采用14,代表Y.1711方式的OAM带内检测信令

    Function Type为:FFD

    LSR ID:头端的LSR ID

    LSP ID:头端的LSP ID

    FrequencyFFD报文发送的频率

    BIP16:校验和

    4      保护倒换

    在传统的传输网络中利用APSAutomatic Protection Switching,自动保护倒换)技术来提高信道的高可用性,PTN为了实现高可用性,也有对应的自动保护倒换技术。在ITU-TG.8131规范中定义了T-MPLS框架下的APS方法,在MPLS-TP的相关规范中,自动保护倒换的基本原理还与G.8131类似,但APS信令有了变化,MPLS-TP中的APS信令称为PSCProtection Switching Control,保护倒换控制协议)。

    G.8131之前,ITU-TY.1720定义的PS(保护倒换)与G.8131APS主要区别在于:PS仅仅能够支持单向保护倒换,并没有考虑双向隧道同时倒换这样的需求;而APS考虑了双向保护倒换这种情况,并设计了详细的处理流程和信令。在PTN中主要部署双向隧道,有双向保护倒换的需求,所以需要APS技术。

    从广义上来说,MPLS TE FRR也属于PS的一种技术,TE FRR的优势是能够实现1:N保护,但TE FRR关注链路和节点的局部修复,不关注整个LSP路径,从原理上来说不属于路径保护;PSAPS关注整个LSP(传输隧道)路径的通断,对于PTN来说,路径保护更有意义。

    4.1      保护倒换方式

    保护倒换有以下两种方式:

    1:1保护倒换:在Tunnel的头节点和尾节点之间提供主备两条Tunnel。正常情况下,数据在主Tunnel上传输;当头节点通过检测机制(如MPLS OAM/BFD)发现主Tunnel发生缺陷或者收到对端PSC倒换通知,需要进行保护倒换时,将数据切换到备Tunnel上继续传输。1:1保护倒换支持单向隧道和双向隧道。

    1+1保护倒换:在Tunnel的头节点和尾节点之间提供主备两条Tunnel。正常情况下,数据在主Tunnel、备Tunnel上都传输,尾节点选择接收主Tunnel或者备Tunnel的数据;通过检测机制(如MPLS OAM)发现其中一条Tunnel发生缺陷时,在头节点进行保护倒换,这时尾节点只能接收另一条隧道的流量。1+1保护倒换只支持双向隧道。

    12 保护方式

    11保护倒换时,工作隧道上承载业务,保护隧道上不承载业务,在发送端只发送一份业务,在接收端不需要进行选收判断;11保护的优点是节省资源。

    11保护倒换时,工作隧道和保护隧道上都承载业务,在发送端会发送两份业务,在接收端需要进行选收判断,转发一份丢弃一份;1+1保护的优点是发生故障后切换快,丢包少。

     

    4.2      保护倒换触发方式

    触发保护倒换的方式有如下几种:

    (1)      外部倒换是指通过手工配置的命令触发的保护倒换。外部倒换的优先级由高到低为:

    清除倒换(Clear):清除所有的外部倒换命令。

    锁定倒换(Lockout of Protection):数据流锁定在主LSP上传输。

    强制倒换(Forced Switch):强制数据流在备份LSP上传输。

    手工倒换(Manual Switch):手动将数据流从主LSP倒换到备LSP上传输。

    (2)      信令倒换(Signal Fail)是指通过协议信令触发的保护倒换。可以触发保护倒换的信令包括BFD检测MPLS-TE隧道功能、MPLS OAMPSC信令。

    外部倒换命令及信令倒换优先级从高到低依次为:

    清除倒换

    锁定倒换

    备份LSP的信令倒换

    强制倒换

    LSP的信令倒换

    信令清除倒换

    手工倒换

    只有在手工输入的外部倒换命令比当前启用的倒换命令优先级高的情况下,外部倒换才会生效。设备上已经配置了外部倒换命令时,若要将其修改为低优先级的外部倒换命令,则需要先配置清除倒换(Clear)命令,再配置低优先级的外部倒换命令。

    4.3      路径切换方式

    13 切换方式

    保护组内主备Tunnel的路径切换方式分为以下几种:

    单向路径切换:进行保护倒换时,只在头节点进行倒换操作,不会通知尾节点进行相应的倒换操作。如图13所示,如果在A端检测到AZ的工作隧道发生故障,A发向Z的业务会通过保护隧道转发,但Z发向A的业务有可能还在工作隧道上转发。

    双向路径切换:在头节点或者尾节点进行保护倒换时,通过PSC协议报文通知另一端节点进行保护倒换操作。只有双向隧道的保护组才支持双向路径切换。在上图中,如果在A端检测到AZ的工作隧道发生故障,A发向Z的业务会通过保护隧道转发,同时A会发送PSC报文通知Z也进行切换,PSC协议规定如果本地检测到倒换事件需要向对端连续快速发送3PSC报文,用于通知对方切换,这三个报文的间隔建议不超过3.3ms,后续报文应该以5s为间隔。如果是因为远端消息引发的状态变化则不需要快速发送报文。

    T-MPLS中定义的双向切换协议为APS协议;在MPLS-TP中定义的双向切换协议为PSC

    4.4      APS协议

    T-MPLS中定义的APS协议报文格式与Y.1711定义的相同,也采用14标签(route alert标签),Y.17TOM中定义APSfunction type0x0027,在G.8131中定义了APS PDU的格式,如图14所示。

    14 APS PDU格式

    其中各个字段定义如图15所示:

    Field

    Value

    Description

    Priority

     

    Request/State

    1111

    (LO)锁定倒换

    highest

     

    1110

    (SF‑P)保护路径信令失败

    ­

     

    1101

    (FS)强制倒换

    |

     

    1011

    (SF)工作路径信令失败

    |

     

    1001

    为未来保留

    |

     

    0111

    (MS)手动切换

    |

     

    0101

    (WTR) 等待回切

    |

     

    0100

    为未来保留

    |

     

    0010

    为未来保留

    |

     

    0001

    (DNR)不可回切

    ¯

     

    0000

    (NR)无请求

    lowest

     

     

    Others

    为未来保留

     

    Protection Type

    A

    0

    APS通道

     

    1

    APS通道

     

    B

    0

    1+1 永久桥

     

    1

    1:1 选择器桥

     

    D

    0

    单向切换

     

    1

    双向切换

     

    R

    0

    不回切

     

     

     

    1

    回切

     

    Requested Signal

    0

    空信令

    1

    普通流量信令

    2-255

    保留

    Bridged Signal

    0

    空信令

    1

    普通流量信令

     

    2-255

    保留

    15 APS各个字段定义

    目前,T-MPLS标准不再推进,尽管有部分厂商支持T-MPLS定义的APS协议,但IETF主导的MPLS-TP是未来发展的主流

    4.5      PSC协议

    PSC协议最新的标准文档为RFC6378MPLS Transport Profile (MPLS-TP) Linear Protection,其中规定PSC报文采用RFC5586定义的G-AchGeneric Associated Channel)封装,完整报文格式如图16所示:

    16 PSC完整报文格式

    其中G-Ach封装的PSC如图17所示:

    17 PSC PDU格式

    0001”代表通用关联信道头,需要被CPU处理VersionG-ACh): 0

    PSC-CTchannel type):H3C 实现为0x0012

    Ach TLV HeaderOptional TLVs为空

     

    其他字段定义如图18所示:

    Field

    Value

    Description

    Request

    14

    LO锁定倒换

    12

    (FS)制倒换

    10

    SF信令故障

    7

     (SD)信令降级

    5

    MS)手动切换

    4

     (WTR)等待回切

    1

     (DNR)不可回切

    0

    (NR)无请求

    Protection TypePT

    3

    双向切换采用永久桥接

    2

    双向切换采用选择器桥接

    1

    单向切换采用永久桥接

    0

    为未来保留

    RevertiveR

    0

    不回切模式

    1

    回切模式

    Fault path (FPath)

    0

    保护路径异常

    1

    工作路径异常

    2-255

    为未来保留

    Data path (Path)

    0

    保护路径不承载用户流量 (1:n ) 或保护路径承载的用户流量是冗余的 ( 1+1 )

    1

    保护路径承载用户流量

    2-255

    为未来保留

    18 PSC各个字段定义

    处理流程(以本地强制倒换为例)如图19所示:

     

    19 保护倒换

    Ø  在倒换之前AZ设备上的保护状态,如图20所示。

     

    20 倒换之前的保护状态

    AZ上切换模式都是“bidirectional”表示双向切换,在本端发生路径保护倒换时会发送PSC报文通知对端进行保护倒换

    Ø  A设备上执行强制倒换:

    A设备将业务切换到保护隧道,并且快速发送三个PSC报文通知Z端进行切换,PSC报文同时说明了切换原因等信息,如图21所示。

    21 发送给对端的PSC报文

    Z端收到PSC通知后即使本地没有发生信令故障也会立即切换,状态如图22所示。

    22 倒换之后的状态

    状态显示当前的切换结果为“protect-tunnel”,本端切换的原因是“remote force-switch”。

    PSC协议在发送中仅在保护路径发送,不在工作路径发送,原因是PSC的作用就是通知对方将业务切换到保护路径,切换的前提就是保护路径是通的,如果保护路径不通则切换的前提条件不存在,PSC协议也没有意义了,所以PSC只通过保护路径发送。

     

    5      MPLS-TP主要应用场景

    目前MPLS-TP主要应用在移动回传网络中,移动回传网络指基站到RNC/BNC(基站控制器)之间的专线网络。典型的MPLS-TP应用如图23所示:

    23 移动回传网络

    在图23中,PTN网络采用MPLS-TP技术,为基站与RNC/BNC之间的数据回传业务提供专线。RT-A工作在汇聚层,RT-Z工作在接入层,RT-ART-Z充当MPLS-TP网络中的PE设备,基站与RNC都为CE设备,基站和RNC之间的TDM业务、IP业务等均可以通过MPLS-TP网络提供的专线进行传送。