PTN支持L3 VPN技術(shù)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(jiān)控、實時在線游戲和移動電視等業(yè)務(wù)的發(fā)展以及全業(yè)務(wù)IP化需求的激增，原有的2G、3G技術(shù)將難以滿足日益增長的高速率數(shù)據(jù)傳輸需求。當(dāng)前，LTE技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟使得國內(nèi)外各大運營商對利用LTE高帶寬推動移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，提升網(wǎng)絡(luò)運營的ARPU抱有較高的期望，也越來越重視回傳網(wǎng)絡(luò)中全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用。

在全業(yè)務(wù)IP化的網(wǎng)絡(luò)中，帶寬需求劇增，新業(yè)務(wù)層出不窮，QoS向多樣化發(fā)展，使得傳統(tǒng)的SDH疏導(dǎo)變得捉襟見肘。目前，GE以上大顆粒業(yè)務(wù)的疏導(dǎo)以波分、光纖實現(xiàn)方式為主，但更多的小顆粒分組業(yè)務(wù)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(wǎng)）技術(shù)應(yīng)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(shù)的跟蹤研究，2008年9月組織了多個設(shè)備廠商進(jìn)行實驗室測試驗證，并于2009年4月在5個試點省市進(jìn)行了大規(guī)模的PTN現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用試點測試工作。試點表明，PTN完全可解決網(wǎng)絡(luò)IP化基站的承載問題。如今，PTN也是LTE承載網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)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(jìn)行TDLTE規(guī)模技術(shù)試驗，試驗網(wǎng)絡(luò)均采用PTN承載LTE進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。研究PTN平滑演進(jìn)，支持LTE的移動回傳承載方式對充分發(fā)揮LTE的技術(shù)優(yōu)勢具有重要意義。

2 PTN+CE的承載方案

當(dāng)前LTE承載的通用方案是L2-VPN+L3-VPN。從回傳網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性以及技術(shù)的成熟度綜合考慮，現(xiàn)網(wǎng)中被廣泛采用的是PTN+CE（customer edge router，客戶邊緣路由器）的組網(wǎng)方案，在回傳承載網(wǎng)絡(luò)的接入、匯聚層采用PTN設(shè)備進(jìn)行基于 EVPL（ethernet virtual private line，以太網(wǎng)虛擬專線業(yè)務(wù)）的L2數(shù)據(jù)傳輸，在核心層采用路由器完成基于L3的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。此方案基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

該方案中，PTN設(shè)備在接入、匯聚層為LTE的數(shù)據(jù)傳輸提供二層的虛擬專線通道，在PTN匯聚層核心節(jié)點終結(jié)二層專線，通過VLAN方式與CE路由器進(jìn)行互連后，再由CE路由器根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)給本地的SGW（serving gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）/MME（mobility management entity，移動性管理實體），或者通過IP專網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)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(shè)備，混合組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)OAM

PTN和CE路由器對接廣泛采用的IEEE 802.3ah屬于慢協(xié)議，不支持50 ms以內(nèi)的電信級保護倒換標(biāo)準(zhǔn)。運營時可能會出現(xiàn)倒換時間嚴(yán)重超標(biāo)，甚至達(dá)到若干秒以上的情況，對電信網(wǎng)絡(luò)的運營造成極大影響。

（2）全網(wǎng)時間同步的支持性

GPS天線施工難度大、存在安全風(fēng)險等問題對回傳網(wǎng)絡(luò)支持時間同步提出了較高的要求。傳統(tǒng)的路由器雖然也支持 NTP（network time protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)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(wǎng)實現(xiàn)高精度的時間同步性能有待驗證。

（3）業(yè)務(wù)調(diào)度

PTN+CE方案需要IP專網(wǎng)參與調(diào)度，LTE數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘?、大流量將對現(xiàn)有IP專網(wǎng)形成沖擊，大幅增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

（4）網(wǎng)管能力與網(wǎng)絡(luò)維護

不論PTN和CE路由器是否屬于同一廠商，傳輸設(shè)備與路由器設(shè)備的網(wǎng)管系統(tǒng)都存在明顯的差異?；诼酚善鞯木W(wǎng)管功能比較弱，業(yè)務(wù)配置、故障定位等主要還借助命令行方式實現(xiàn)，實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)端到端的統(tǒng)一管理，也不利于故障排查。采用兩套網(wǎng)管系統(tǒng)也意味著需要不同專業(yè)的兩組人員對全網(wǎng)進(jìn)行協(xié)作維護，人力成本較高。

（5）設(shè)備成本

PTN+CE組網(wǎng)方案中需要在核心層重新引入新的CE路由器設(shè)備，對IP專網(wǎng)進(jìn)行擴容與改造，勢必將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本增加。而采用全程PTN設(shè)備進(jìn)行回傳承載的方案只需在網(wǎng)絡(luò)中對已使用的PTN設(shè)備進(jìn)行軟件升級，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

該方案中，匯聚、接入層仍然采用EVPL的方式進(jìn)行基于L2的數(shù)據(jù)傳輸，而在傳輸核心層引入支持L3 VPN的 PTN設(shè)備，通過 VRF（virtual routing forwarding，虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)）表實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)基于L3的轉(zhuǎn)發(fā)。如圖3所示，具體實現(xiàn)過程如下。

在接入設(shè)備CE（customer edge，用戶邊緣設(shè)備）與PTN核心層設(shè)備PE1（PE是provider edge，運營商邊緣設(shè)備）之間創(chuàng)建一條隧道，用于提供一條數(shù)據(jù)傳輸通路，實現(xiàn)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(yè)務(wù)。不同業(yè)務(wù)可以由不同偽線承載，并在同一條隧道中進(jìn)行傳輸。基站業(yè)務(wù)經(jīng)由CE處理后，在接收到的數(shù)據(jù)報文前打上內(nèi)層PW標(biāo)簽和外層LSP（label switched path，標(biāo)簽交換路徑）標(biāo)簽。其中LSP指明了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。在?shù)據(jù)傳輸過程中PTN設(shè)備僅對外層LSP標(biāo)簽進(jìn)行剝離和添加處理進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)數(shù)據(jù)在接入、匯聚層完成了LSP的最后一跳，到達(dá)支持L3 VPN的PTN核心層設(shè)備PE1后，PE1終結(jié)EVPL業(yè)務(wù)，將LSP標(biāo)簽和PW標(biāo)簽剝離，并根據(jù)封裝中VLAN標(biāo)識和配置的VRF表，完成VLAN向VRF的映射和綁定，通過內(nèi)部子接口實現(xiàn)L2和L3的橋接。支持L3 VPN的PTN設(shè)備間可通過BGP（border gateway protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）或靜態(tài)路由的方式進(jìn)行L3 VPN的信息交互。核心層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)同樣通過外層的LSP標(biāo)簽指明傳輸路徑，而內(nèi)層的VRF標(biāo)簽則用來區(qū)分完成L2和L3橋接后對應(yīng)的具體業(yè)務(wù)。根據(jù)實際的需求，可將一路或多路L2的VLAN業(yè)務(wù)映射到一個VRF表后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

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(yōu)勢以及現(xiàn)網(wǎng)中PTN設(shè)備端到端組網(wǎng)情況下的電信級保護能力，驗證大規(guī)模組網(wǎng)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(lián)合設(shè)備廠商，根據(jù)上海傳輸網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與設(shè)備部署，對PTN支持L3 VPN方案進(jìn)行了研究，基于現(xiàn)網(wǎng)復(fù)雜的環(huán)境，對PTN端到端組網(wǎng)情況下統(tǒng)一網(wǎng)管與OAM的實現(xiàn)、保護倒換等傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)進(jìn)行測試與驗證。通過設(shè)備升級，在傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心層引入4臺支持L3 VPN的核心層PTN設(shè)備，在現(xiàn)網(wǎng)測試中采用網(wǎng)絡(luò)分析儀模擬LTE基站進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。略去現(xiàn)網(wǎng)拓?fù)渲袇R聚、接入環(huán)上的部分中間節(jié)點，簡化的網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

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

·S1接口業(yè)務(wù)的1∶1 LSP保護測試；

·動態(tài)VPN路由下，L3 VPN業(yè)務(wù)的FRR（fast reroute，快速重路由）保護；

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

基于圖4所示的測試網(wǎng)絡(luò)模型，主要配置步驟如下：

（1）在核心層PTN設(shè)備 PE1、PE2、PE3和 PE4上創(chuàng)建VRF并建立全連接的 LSP，通過 MP-BGP（multi-protocol extensions for BGP，BGP的多協(xié)議擴展）發(fā)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(chuàng)建一條路徑為CE1-CE2-PE4的雙向隧道，作為匯聚、接入層數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饔寐窂?，通過PW承載L2的EVPL業(yè)務(wù)；路徑為PE4-PE1的雙向隧道作為核心層數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饔寐窂?，通過VRF實現(xiàn)L3 VPN業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。隧道的分段建立是因為基于PW的L2業(yè)務(wù)和基于L3的VRF路由需分別配置，目前測試的網(wǎng)管系統(tǒng)尚不支持全網(wǎng)端到端業(yè)務(wù)路徑和保護倒換的統(tǒng)一創(chuàng)建與配置。

（4）同理，創(chuàng)建一條路徑為 CE1-CE4-CE3-PE3的雙向隧道，作為匯聚、接入層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆寐窂?，在匯聚接入層為LSP配置1:1的保護；在核心層各網(wǎng)元上配置L3 VPN FRR保護。

配置完成后，設(shè)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(wǎng)絡(luò)的保護倒換性能，采用拔纖、設(shè)備斷電等方式進(jìn)行故障模擬，測試結(jié)果如下。

·將PE1斷電，通過網(wǎng)管觀察業(yè)務(wù)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(yù)期；核心層PE1和PE2之間的VRRP與L3 VPN業(yè)務(wù)的FRR保護生效，數(shù)據(jù)傳輸路徑由PE4-PE1切換為PE4-PE2，再由PE2將倒換后的數(shù)據(jù)向AGW轉(zhuǎn)發(fā)，符合預(yù)期；通過兩端測試儀收發(fā)分組數(shù)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(wǎng)管觀察業(yè)務(wù)路徑的變化情況。匯聚、接入層業(yè)務(wù)路徑由CE1-CE2-PE4切換到CE1-CE4-CE3-PE3，符合預(yù)期；核心層業(yè)務(wù)路徑切換為PE3-PE1，符合預(yù)期；通過兩端測試儀收發(fā)分組數(shù)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(lián)端口的尾纖，通過網(wǎng)管觀察業(yè)務(wù)路徑的變化情況。匯聚、接入層業(yè)務(wù)路徑由CE1-CE2-PE4切換到CE1-CE4-CE3-PE3，符合預(yù)期；核心層業(yè)務(wù)路徑切換為PE3-PE1，符合預(yù)期；通過兩端測試儀收發(fā)分組數(shù)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(jié)束語

PTN技術(shù)作為中國移動TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)選承載方案，實現(xiàn)業(yè)務(wù)端到端PTN承載是LTE回傳網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的趨勢。如今較常用的PTN+CE方案的優(yōu)勢在于產(chǎn)品成熟度高、L3支持性能較好，但對IP專網(wǎng)進(jìn)行改造、擴容的組網(wǎng)成本較高，整個回傳網(wǎng)絡(luò)中采用傳輸和路由兩套網(wǎng)管設(shè)備，需要跨專業(yè)維護，且混合組網(wǎng)情況下業(yè)務(wù)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(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)的電信級保護、統(tǒng)一的OAM和業(yè)務(wù)調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)的時間同步等方面具有獨到的優(yōu)勢，但技術(shù)的成熟度以及標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，研究OAM新標(biāo)準(zhǔn)引入策略。CCSA目前已經(jīng)完成《PTN總體技術(shù)要求》，對于L3 VPN相關(guān)功能，已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義。在2011年5月開始的LTE技術(shù)規(guī)模試驗中，中國移動也對PTN支持L3 VPN的組網(wǎng)方案進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)測試，希望通過現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中的驗證為技術(shù)的發(fā)展積累經(jīng)驗，以盡早實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、易維護的LTE回傳網(wǎng)絡(luò)的承載方案，保障、推動LTE技術(shù)的運用和發(fā)展。

1 王磊，葉雯，李晗等.中國移動PTN網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(xué)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(shè)備L3 VPN測試報告，2011