盤點運營商級以太網技術

文/余濤 畢軍

盤點運營商級以太網技術

文/余濤 畢軍

以太網技術的簡單性、靈活性和嚴格的標準化使其易于被產品化，并且容易與自身及其他網絡技術集成形成互聯網絡，這是其他技術不具備的優點。

目前，大多數運營商的內部網絡仍然采用基于（虛）電路的遺留技術，如SDH、DDN、幀中繼和ATM等技術，并使用這些技術提供專線業務、網絡互聯業務以及互聯網接入業務等。這使運營商非常尷尬，并給它的發展帶來較大困擾：一方面必須花費巨額開銷支持和維護其內部使用不同技術的多種網絡；另一方面基于不同技術的網絡能夠提供同樣的業務，但在價格上又相互競爭。

由于運營商的客戶廣泛部署以太網，自然地，如果運營商網絡也采用相似的以太網技術，則不但不存在兩者網絡的互通問題，而且能充分利用用戶進行現有投資，節省運營商成本，實現杠桿運營。

除此之外，與傳統的運營商網絡技術相比，以太網還具有更快地按需交付服務，網絡帶寬浮動范圍更廣泛，流量控制粒度更加精細且UNI接口統一等優勢。

然而由于運營商網絡的任何技術轉變都需要花費相當長的時間，所以在任何新技術和設備被大規模部署以前，要求待部署的技術必須具備全面的功能。從運營商的角度來看，目前的以太網技術在擴展性、可靠性、運行管理維護（OAM）以及服務質量（QoS）方面依然存在諸多缺陷。

以太網轉發技術擴展

以太網數據平面的演進，即是從運營商橋（PB）到運營商骨干橋（PBB）。運營商橋在2005年12月被批準為正式標準，運營商骨干橋在2008年6月被批準為正式標準。

IEEE 802.1ad運營商橋

運營商橋，即Q-in-Q，通過把運營商的VLAN空間與用戶的VLAN空間分開，從而允許在兩者網絡內使用相同的VLAN標簽。

PB的工作原理是：在用戶的以太網幀格式內增加一個包含服務VID（S-VID）的域作為運營商的新標簽，這個新標簽被稱為服務標簽（S-TAG），而原先的用戶QTAG現在被稱為客戶標簽（C-TAG）。

這個新的S-TAG用于運營商網絡內部標示服務，由位于運營商橋接網絡（PBN）邊緣的運營商邊緣橋（PEB）添加。每個SVID標識一個不同的服務實例，該服務實例可以基于端口或C-TAG分配。如果是后者，則來自同一個客戶但C-TAG不同的以太網幀將會被分配到不同的S-VLAN。

由于PB支持洪泛和MAC地址學習，它可以以一種很經濟的方式提供以太網服務，如二層虛擬專用網（L2 VPN）服務。

即便如此，作為運營商級的技術，PB存在以下缺陷：

首先，PB使用S-VID指明用戶以太網幀所屬的服務，因此每個服務實例需要一個單獨的S-VID。因為S-VID由一個12位的標簽組成，802.1ad運營商橋受到與802. 1Q一樣的擴展性限制，所以最多只能創建4094個服務例。

其次，PB在運營商網絡和客戶網絡使用同樣的MAC層，這樣造成PBN與用戶的網絡看起來像是同屬于一個大的網絡，運營商網絡的核心交換機必須為運營商網絡和用戶網絡中的每個MAC地址維持一張轉發表，這不但給它們造成顯著負擔，而且用戶網絡中發生的任何變化都會對運營商骨干網絡造成影響。

另外從用戶的角度來看，由于用戶網絡的地址信息在其網絡之外可見，這會使用戶產生網絡安全方面的顧慮。

最后，由于PB沒有把運營商網絡與用戶網絡分開，因此當涉及到網絡控制協議時，可能會產生問題。用戶網絡中的大部分以太網控制協議，例如橋協議，一定不能與運營商的網絡設備互動，否則將導致無法預測的網絡行為。

因為橋協議數據單元（BPDU）由其目的地址標識(目的MAC地址為01-80-C2-00-00-00)，其本身并不帶VLAN標簽，并且用戶網絡與運營商網絡的BPDU具有同樣的目的MAC地址，所以PB并不能區分這兩者。出于這個原因，當用于必須支持多個用戶的控制協議的E-LAN服務時，PB存在嚴重的技術限制。

IEEE 802.1ah運營商骨干橋

運營商骨干橋（PBB），也叫MAC-in-MAC，通過使用新的MAC頭封裝用戶以太網幀從而克服PB的限制。該封裝是由位于運營商骨干橋網絡（PBBN）邊緣的骨干邊緣橋（BEB）完成的。即在用戶的以太網幀格式上添加骨干網的源和目的MAC地址，骨干VLAN ID（B-VID）和骨干服務ID（ISID）。

圖1把標準的以太網（IEEE 802.1D），虛擬局域網（IEEE 802.1Q），運營商橋（IEEE 802.1ad）和運營商骨干橋（IEEE 802.1ah），四種技術的幀格式并列放置以示對照。

在圖1所示PBB幀中，骨干源地址（BSA）是入口BEB的MAC地址；骨干目的地址（B-DA）是出口BEB的MAC地址；骨干標簽（B-TAG）攜帶有骨干VID（B-VID），并且和PB中S-TAG有同樣的結構和以太類型（Ethertype）；實例標簽（I-TAG）包含24位的服務實例標識符（I-SID）。 I-SID標識服務實例，由入口BEB基于端口或STAG分配，出口BEB用它對從同一端口收到的不同客戶幀進行解多路復用。

PBB的主要優點在于：

首先，由于PBB以隧道的方式傳送用戶網絡的幀，用戶可以自由地給他們的VLAN分配ID和服務類，而不用考慮VLAN是否會被運營商修改。

同時，運營商不用擔心是否需要與用戶一起協商VLAN的管理問題。

第二，由于服務提供商的核心交換機只使用提供商的MAC頭，它們不需要了解用戶的MAC地址，從而大大減小了運營商網絡的轉發表。

此外，它還保證了用戶網絡內發生的變化不會影響運營商網絡，從而提高了運營商網絡的穩定性。

最后，由于運營商的交換機不再檢查用戶幀的MAC頭，用戶網絡的安全性得以提高。

第三，用戶以太網控制協議單元（BPDUs）在運營商網絡內被透明傳輸，這允許運營商網絡和用戶網絡分別采用各自的以太網控制協議。

因此，運營商和用戶可以同時使用標準的STP協議而不需要對運營商的交換機作任何修改。

第四，PBB用24位的I-SID標識運營商網絡的服務，這意味著可以提供多達1600萬個服務例，完全消除了PB的擴展性問題。并且由于只有BEBs處理I-TAG，骨干核心橋（BCB）仍然只基于B-VID和BDA作轉發決策，所以骨干網絡內部只需要能支持IEEE 802.1Q的以太網交換機就行。

第五，因為I-SID被用作服務標識，它允許把提供給用戶的服務從受VLAN限制的網絡拓撲中徹底解耦。骨干VLAN ID（BVID）可被用來把運營商網絡劃分成不同的區域，以簡化流量工程任務。

圖1 各種以太幀結構

骨干VLAN能同時支持多個用戶服務實例，這意味著一旦建立了B-VID，服務提供商網絡設計就完成了。在源和目的節點之間，可以根據B-VID的設計容限，激活一個個的服務實例并對它們提供支撐。而用PB，則每個單獨的服務例都需要在整個網絡內一個節點接一個節點地配置，這給網絡運營造成巨大負擔。

然而，如果考慮用運營商級的技術，PBB會受到其他的限制。由于MAC學習機制是基于數據平面的流量生成轉發表的，PBB的數據平面和控制平面實際上是嚴格地耦合在一起的，會造成帶寬浪費。另外的限制來自STP（xSTP）的使用：它們不允許網狀結構的邏輯拓撲存在，不具備網絡流量控制能力（如明確的路由和流量工程），而且故障恢復時間較長。

因此，由于PBB的控制平面不具備運營商級的特征，從而無法使以太網成為一種可以替代SONET/SDH的技術。

以太網的流量工程能力

在標準的運營商骨干橋網絡（PBBN）中，流量工程能力受限于使用IEEE 802.1Q控制平面的多實例生成樹協議（MSTP）。

目前人們又研發了一種用于802.1ah網絡的稱作運營商骨干橋-流量工程（PBBTE）的技術，使以太網可以提供點到點路徑的流量工程功能。

為達此目的，PBB-TE用管理平面或外部的控制平面取代MSTP控制平面，并靜態地生成轉發表項。它是從北電公司最初提出的骨干橋傳送（PBT）技術發展而來，已經在2009年6月被正式批準為IEEE 802. 1Qay標準。其最簡單的應用是：PBB-TE提供以太網隧道，并滿足運營商對流量工程、QoS、彈性和OAM的要求，以保證確定性的服務交付。

PBB-TE的工作原理如下：外部的PBB-TE管理/控制平面負責維護和控制PBBN的全部拓撲信息以支持點到點的單向以太網交換路徑（ESP）。通過把B-VID空間分別分配給PBB-TE和MSTP，PBB-TE拓撲就可以和MSTP拓撲共存或單獨存在。這樣PBB-TE就取代BCB和BEB接管一定范圍的B-VIDs。

在這些B-VIDs中，交換機仍然是轉發數據到其目的地址。不同的是：轉發信息不再基于交換機的學習機制，而是直接由管理/控制平面提供，而且所有目的地查找失敗（DLF）的幀被丟棄而不是被洪泛，這樣可以預先確定網絡路徑，并且網絡行為在任何情況下都可預測。

在分配給PBB-TE的B-VIDs中，PBBTE管理/控制平面生成以B-DA為根的樹狀拓撲，而且對每個元組，都維持一棵獨立的樹。ESP從B-SA沿著由BVID選擇的樹路由到B-DA。對于每個BDA，不同的路由樹的數量最多可達到PBBTE接管的B-VID的數量。

因為每個B-DA可以重復使用這些BVIDs，所以PBB-TE管理/控制平面維持的路由樹的總數量可以達到B-DA的數量乘以為PBB-TE保留的B-VID的數量。

另外這些路由樹不必是完備的（即不必擴展到PBBN中的每個B-SA），而且PBBTE可以使用任何算法選擇路由樹的路徑，擁有完全的路由選擇自由，并且能管理路由樹上所有ESPs的帶寬。對連接到B-DA的每個B-SA，PBB-TE將維持這樣一棵路由樹：它能提供一條與從B-SA到B-DA的路徑共路的從B-DA到B-SA的反向路徑，而且用于這個反向路徑的B-VID可以與正向路徑的B-VID不同。

如果一個網絡中有32個VIDs被保留用于PBB-TE，那么這個網絡可以重復32次全網狀連接。這不但給PBB-TE鏈路提供了巨大的擴展性，而且依然給普通的運行在同一張網絡上的無連接以太網留下4062個VIDs。

需要注意的是每個幀仍然有源MAC地址來標識其起源，因此PBB-TE在網絡核心中提供基于目的地址轉發的擴展性，同時在網絡邊緣仍保留點到點的運行屬性。

在圖2所示的例子中，在PE1和PE2之間配置有兩條單向的路徑（要進行雙向連接需要一對方向相反的鏈路），每個PE都需要支持IEEE 802.1ah。

在運營商網絡域內，一些VIDs被保留用于PBB-TE，如圖2所示的VID44和45。保留用于PBB-TE的VIDs不再是全局惟一的，對每個目的MAC只有局部重要性。VID44和45分別被用來指示PE1和PE2之間的兩條不同的路徑。另外這兩個VID還可以用在另一對PEs之間以創建不同路徑。

PBB-TE用IEEE 802.1ag（連接故障管理）消息監控連接。通過在每條路徑上建立一個連接檢查（CC）會話，鏈路的兩端以固定的10毫秒間隔（可配置）發送連接檢查幀，并收聽抵達的信息。如果接連有3個CC信息沒有收到，那么該鏈路就被認為中斷，同時發出保護倒換請求。另外可選擇使用ITU-T Y.1731標準定義的告警指示信息（AIS）來觸發保護倒換。

保護倒換可以通過在封裝點對每個幀應用新的保護路徑的VLAN TAG實現。由于控制平面只用于配置和監控路徑，并不參與實際的交換，所以可以達到小于50毫秒的保護倒換時間（與SONET/SDH相同）。

PBB-TE有如下關鍵特點：

流量工程能力和彈性；

安全、確定性的交付能力；

可擴展的服務能力；

操作簡單；

以太網隧道全兼容MPLS；

與上層服務無關。

以太網的OAM

OAM代表運行、管理和維護。它是個一般意義上的詞匯，用以描述與運行、管理和維護任何系統有關的過程、活動、工具和標準等。運行操作包括對環境的自動監控，檢測和確定故障并通知管理人員；典型的管理工作包括為計費收集狀態信息和計費數據，根據使用數據進行容量規劃，保持系統可靠性，以及維護生成用戶周期賬單的服務數據庫等；維護相關的工作包括系統升級、修補和增加新功能，備份和恢復，以及監控介質的健康等，其主要任務是診斷和故障檢修。

通常 OAM功能在傳統的時分復用網絡中有完整嚴格的定義，并且是保證運營商給用戶交付電信級服務的關鍵組件之一。

通常 OAM功能在傳統的時分復用網絡中有完整嚴格的定義，并且是保證運營商給用戶交付電信級服務的關鍵組件之一。用于局域網環境的傳統以太網并沒有城域和廣域網絡運營商要求的這種OAM功能。為了使以太網能確定EVC的連通性, 有效地檢測、確認并定位出源于以太網網絡內部的故障, 并且可以衡量網絡的利用率以及度量網絡的性能, 以便能根據與用戶簽訂的服務水平協議(SLA) 提供業務, 以太網需要提供自己的OAM機制。這一點對于以太網能否成為下一代基于分組的城域網絡和廣域網絡基礎設施，是至關重要的。

目前關于以太網OAM有下列標準：

圖2 PBB-TE配置示例

ITU-T Y.1731—“基于以太網的網絡的OAM功能和機制”：關于故障監控，它定義了連通性檢查（CC），環回（LB），鏈路跟蹤（LT）和告警抑制（AIS，RDI等）；關于故障診斷，它定義了以太網測試信號，包括吞吐量測量等；關于性能監控，它定義了要度量的指標，包括幀丟失，幀延時，幀延時抖動。

IEEE 802.1ag—“以太網服務OAM”（連接故障管理）：它定義了在企業和運營商網絡中進行故障管理需要的標準化的連通性檢查、環回和鏈路跟蹤功能。

IEEE 802.1ab—“鏈路層發現”：它定義了在一個公共的服務實例中發現所有PE的標準方法或發現單個網絡域中所有設備（PE和P）的標準方法。

IEEE 802.3-2005—“以太網鏈路OAM”（以前稱作802.3ah最后一英里以太網OAM）：它定義了對以太網接入鏈路進行監控和故障檢修的機制。例如，鏈路層發現、遠端故障指示、遠端與本地回環狀態測試、鏈路性能監控和管理信息庫（MIB）變量提取等。

ITU G.8031（以太網保護倒換）：將類似SONET APS的保護倒換功能引入以太網骨干鏈路。

綜上所述，以太網OAM主要分為兩大部分：服務OAM與鏈路OAM。其中以太網服務OAM為端到端的以太網服務提供性能監控和故障檢修功能，而鏈路OAM可以使運營商能夠對單個的以太網鏈路進行監控和故障檢修。

以太網服務OAM主要由IEEE802.1ag和ITU-T Y.1731制定，它分為兩大部分：故障管理和性能監控。

1. 故障管理

故障管理的作用是：當網絡中發生故障或錯誤時，將其通報給網絡管理人員，由他們采取適當的應對措施。

故障管理分為以下四種功能：

故障檢測：連接檢查信息（CCM）用于故障檢測，它們可以使通信端檢測到服務中斷。

故障驗證：環回信息（LBM）和環回應答（LBR）用于故障驗證。它們可以用在連接開始建立的時候或在故障被檢測出之后證實通信端點之間發生了故障。

圖3 故障隔離

故障隔離：鏈路跟蹤信息（LTM）和鏈路跟蹤應答（LTR）用于故障隔離。如圖3所示，節點A發出LTM，處于路徑中間的每個節點向節點A發回LTR并且向節點F轉發LTM。在正常情況下，它們用于幫助網絡管理員確定服務在網絡中經過的路徑，但在網絡出現故障的情況下，它們有助于管理員不用到現場查看就能隔離出故障位置。

故障通知：ITU-T Y.1731通過故障指示信號（AIS）支持故障通知。在圖4中，發生在節點B和節點E之間的故障，觸發了兩個方向的AIS包并且它們分別發向服務的兩個端點，即節點A與節點F。在節點A和節點F上，告警信息被復制到在這兩個UNI上受到該故障影響的所有服務。在故障沒有被排除之前，節點B與E周期性地發送AIS包，以維持故障狀態。另外，AIS包可被用來觸發生存性（抗毀性）機制。

2. 性能監控

由于面向連接的TDM業務給客戶提供的是一個可預測的和有保證的服務，而基于包或幀的服務是無連接的并且性能是可變的，因此，為了至少能與基于TDM技術的服務的性能相匹配，運營商級以太網需要先進的性能監控功能以執行用戶服務級別保證。

以太網技術與應用的演進促進了以太網服務OAM和鏈路OAM的出現和發展。以太網OAM允許管理信息在網元和管理層單元之間交換，缺少了它，運營商無法從中得到他們目前從TDM網絡中得到的全面管理能力。

圖4 故障通知

技術創新

傳統以太網不具備可用于城域網和廣域網環境下的能力，但隨著像PBB，PBBTE和以太網OAM等技術創新，運營商開始考慮擴大以太網的使用規模和范圍，并逐漸替代傳統的SONET/SDH、ATM和IP/ MPLS技術。

PBB（IEEE802.1ah）在運營商和客戶之間提供了運營商級擴展性，彈性和安全性。PBB-TE（IEEE 802.1Qay）用在運營商域內，為運營商創造了可靈活配置的、服務級別驅動的點到點以太網主干鏈路的能力。IEEE802.1ag和ITU-T Y.1731共同給以太網提供了強大的故障管理和性能監控能力。這些技術進步與發展允許運營商為用戶提供可擴展的、有區分的以太網服務，同時保持以太網的低成本和操作簡易性。

但是，以太網仍然有一個顯著的弱點：對于any-to-any連接，以太網依賴生成樹協議，致使它的表現差強人意。同時以太網還存在擴展性問題。

針對上述弱點，研究人員致力于將鏈路狀態協議引入以太網以解決與以太網橋協議有關的種種問題。一種基于鏈路狀態的新技術，運營商鏈路狀態橋（PLSB），可以解決上述問題。PLSB去掉了STP，通過使用鏈路狀態協議，可以使網絡收斂更快，同時具有PBB E-LAN服務具有的廣播抑制功能。

(作者單位為清華大學)