分组传送网(PTN)——信息通信基础承载网络融合演进变革的发展趋势

——信息通信基础承载网络融合演进变革的发展趋势

朱  京，刘昭伟，雷学义，贾小铁

(国息通信有限公司，北京 100761)

摘  要：简要回顾了光传送网的发展历程，并论述了其当前发展的三个趋势，介绍了顺应了这些趋势的一种网络形态――分组传送网；从渊源、架构、业务承载、生存性技术、OAM、QoS、标准化进程等方面阐述了分组传送网的主流技术――T-MPLS技术；介绍了分组传送网的产业化进程，分析了其网络定位，并讨论了其引入策略。

关键词：传送网；分组传送网；T-MPLS

中图分类号：TN929.11

0 引言

国际电信联盟（ITU）于2007年年末发行了一份题为“电信改革趋势：通往下一代网络之路”的重要出版物，被业界称为向下一代网络（NGN，Next Generation Network）演进发展和变革的策略指导书。该文件指出：下一代网络迎来了从“一个网络承载单一服务”方式向“一网承送多重业务”方式的转变。而业务的全IP化趋势，决定了未来的“一网”无疑将会是以分组为核心的承载传送网络。

1光传送网的技术演进和发展趋势

传送网是网络业务开展的基础，一个具备快速灵活调度和对业务网络具有良好适应能力的传送网，往往会在业务快速部署和降低网络运营成本方面起到关键作用。

1.1光传送网的技术演进

图1 传送网的发展与变革

Fig.1 development and evolution of transport network

业务需求是通信网络发展的驱动力，图1显示了传送网发展与变革[1]。

FDM(Frequency Division Multiple，频分复用)(图1a)是将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传输的复用技术，即频分复用是利用不同的频率使不同的信号同时传送而互不干扰。历史上，电话网络曾使用FDM技术在单个物理电路上传输若干条语音信道。在其后电话系统所使用的传输方式中，一次历史性变革使TDM(Time-Division Multiplexing，时分多路复用)逐步替代了FDM技术。

在数字通信发展的初期，大量的数字传输系统都是准同步数字体系(PDH，Plesiochronous Digital Hierarchy)，PDH设备(图1b)设备在业务接口侧提供了2Mbit/s(或1.5Mbit/s)的基群接口。虽然被称作是光的处理，但基本上是电信号层的处理。但随着数字交换的引入，由光通信技术的发展带动的长距离大容量数字电路的建设，以及网络控制和宽带数字综合业务发展的需要，暴露了PDH存在的开销太少、上下链路困难和因定时损伤而难以实现E5速率上的异步复用等一些固有弱点。

随着光纤通信技术和大规模集成电路的高速发展，1986年美国提出了一种以光纤通信为基础的同步光纤网(SONET, Synchronous Optical Net)概念，作为现代化通信网的基本结构。1988年ITU-T对SONET概念进行了修改，重新命名为同步数字体系(SDH, Synchronous Digital Hierarchy)，使之成为不仅适用于光纤通信，也适合于微波类传输的。

自20世纪90年代开始，SDH设备(图1c)通过同步性能的改善，首次提供了灵活的业务颗粒(如虚容器VC-12和虚容器VC-4)调度能力，传送网的组网和保护功能得到了充分的发挥。因而，SDH技术作为传送网主体技术以其特有的优势在传送网中占据了绝对主导地位，为通信业务的发展发挥了巨大作用。

面对通信业务的加速数据化和IP化以及多样化的业务环境，SDH技术加强了支撑数据业务的能力并向多业务平台发展，形成SDH多业务平台(MSTP, Multi-Service Transport Platform)(图1e)。作为SDH设备的演进，MSTP所改善的是在用户接口一侧，但是内核一侧却仍然是电路结构。因此，可以说MSTP技术向包处理或IP化的程度不够彻底。随着TDM业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟，传送设备要从“多业务的接口适应性”转变为“多业务的内核适应性”(图1f)。

WDM设备(图1d)则首次拓展了光信道的波分特性，大大提高了传送网的容量。自20世纪90年代中期商用以来，WDM系统发展极为迅速，已成为实现大容量长途传输的主流手段。但现阶段大多数WDM系统主要用在点对点的长途传输上，交换功能依然在SDH电层上完成。

在条件许可和业务需要的情况下，在WDM系统中有业务上下的中间节点可采用OADM设备(图1f)，从而避免使用昂贵的OTU进行OEO变换，节省网络建设成本，增强网络灵活性。目前具有固定波长上下的OADM已经广泛商用，而能够通过软件配置灵活上下波长的动态可重构OADM(ROADM)也开始步入市场。

1.2光传送网的发展趋势

1.2.1 分组化

近年来，IPVPN、Internet业务、VoIP和网络视频等IP业务发展非常迅速，且目前涌现出的通信新业务已全部实现了IP化，通信网的基础业务——电话业务也正在IP化，IP业务已占传送网所承载业务量的绝大部分，这给传送网所承载的业务带来了巨大的变化，通信业务的IP化已成为不争的事实。

但面向TDM业务设计的SDH传输网技术已难以满足数据IP业务的传送需求，主要的问题在于：(1)基于固定的VC容器作为传送单位，粒度大，种类少，适配分组业务的效率低，难以动态共享。(2)基于电路连接传送业务，配置复杂，实现数据业务所要求的全互联，维护成本昂贵。(3)业务种类简单，难以满足新型动态数据业务的要求。(4) 由于IP业务本身的带宽突发性和高峰均值比等特点，使得基于电路交换的永久连接、带宽固定的传输网带宽利用率很低,随着业务的发展，加大传输带宽与提高带宽利用率两者之间的矛盾日益突出。

在IP业务的驱动下，虽然基于SDH的多业务传送平台(MSTP)技术和设备得到了长足发展，在一定程度上提供电信级分组业务的传送功能，体现了光传送网向支持分组传送网络的演进趋势。但MSTP设备仍然是以电路交叉为核心的SDH设备，只是增加了一些数据业务的接口，可以实现数据业务的透明传输以及一些简单的业务汇聚，但难以满足以分组业务为主的应用需求。

业务驱动是技术发展的原动力，随着数据业务的迅猛发展，宽带多业务传送、端到端的带宽提供等新模式不断出现，必然要求传送网络的IP化，即要求传送网络由电路交叉核心向分组交换核心的转变，利用分组交换核心实现分组业务的高效传送。业务自身的IP化推动业务承载的IP化，即传送网本身的IP化，将会是通信史上的又一次变革。

对于电网企业而言，随着企业Intranet、电力信息网、数字化电网、实时监控系统等的进一步建设，传送网承载业务的IP化在电力通信网中会更加明显，这一趋势也将直接推动电力传送网本身的IP化，决定电力传送网逐步走向全IP[2]。

1.2.2 大容量

伴随着业务IP化的是语音、视频等宽带业务对带宽的大量需求，并且，由于IP业务固有的突发性，使得业务对带宽的需求激增。我们不能只通过新建通信链路或采用DWDM等技术来提高带宽，同等重要的是，需要提高带宽利用率以拓展有效带宽。

大容量是对传送网络的一个趋势要求，对电力通信网也同样适用。对于电力通信网来说，当前网络中的SDH、MSTP设备尚能满足通信容量的需求，随着业务的发展，如远程实时监控、各种IP应用、智能电网等各种应用的进一步发展，当通信带宽紧张的时候，我们同样会遇到带宽瓶颈的问题。

1.2.3 智能化

随着网络的进一步建设，通信线路的增加，传送网向mesh网络（网状网络）演进的趋势越来越明显，为了降低网络运行维护成本，提高网络的可管理性，提高网络的使用效率，提高网络的生存能力，我们需要更为智能化的网络。

ASON(Automatically Switched Optical Network，自动交换光网络)和PTN(Packet Transport Network, 分组传送网)都已分别在传输面和管理面之外加了一个的控制平面，用以根据管理平面所制定的策略，自动完成诸如连接控制、路由控制、资源管理等功能。

2 分组传送网

TDM业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟，要求传送设备从“多业务的接口适应性”向“多业务的内核适应性” 转变，即业务的IP化对传送网本身提出了分组化的要求，但同时，我们又必须保证传统业务（如语音）的正常运行，从而要求分组技术和传输技术的相互融合。正是在这种业务转型和技术融合的背景之下，分组传送网应运而生[3]。

PTN技术是IP/MPLS、以太网和传送网三种技术相结合的产物。它顺应了网络的IP化、智能化、宽带化、扁平化的发展趋势：以分组业务为核心、增加的控制面、以提高传送效率的方式拓展有效带宽、支持统一的多业务提供；保持了适应数据业务的特性：分组交换、统计复用、采用面向连接的标签交换、分组QoS机制、灵活动态的控制面等；又继承了SDH传送网的传统优势：丰富的操作维护(OAM)、良好的同步性能、完善的保护倒换和恢复、强大的网络管理等；并且，由于其是针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，所以具有更低的总体使用成本(TCO, Total Cost of Ownership)。

图2 PTN的核心技术特征

Fig.2 key technical characteristics of PTN

当网络融合趋势越来越明显，建设一个综合的统一的电信级承载网络得到了一致的认同。传统通信网络为每种业务建设专用的业务平台，业务资源难以融合和共享，网络运营企业必须同时维护多个业务平台，造成建网成本和维护资源的双重浪费，难以满足多业务统一承载和降低运营成本的发展需求，而PTN则提供了一种灵活高效、扁平化、可运营、低成本的融合的网络架构，来实现全业务的统一承载，见图3。

图3 PTN技术实现技术融合和网络扁平化

Fig.3 PTN technology leading technology integration and Flat Network

分组传送网是一个总的概念，就具式来说，T-MPLS和PBB-TE/PBT是分组传送网两个主要的技术分支，这两种技术都是属于面向连接的技术，都提供类似SDH的性能和可靠性，都提供标准的面向连接的隧道，区别主要体现在数据转发、保护、OAM的实现方式不同。

3 T-MPLS技术

T-MPLS是国际电信联盟标准化的一种分组传送网(PTN)技术，解决了传统SDH在以分组交换为主的网络环境下暴露出的效率低下的缺点，是得到业界广泛认可的主流分组传送技术。

3.1 T-MPLS与MPLS

T-MPLS作为MPLS的子集，是MPLS的简化，为了支持面向连接的端到端的OAM模型排除了很多无连接的特性，并增加了ITU-T传送风格的保护倒换和OAM功能，这些都有利于电信级业务的提供[4]。

图4 T-MPLS与MPLS的区别

Fig.4 comparison between T-MPLS and MPLS

见图4，T-MPLS与MPLS相比，主要差别在于：

(1)T-MPLS采用集中的网络管理配置，或基于RFC3473的ASON/GMPLS控制面，MPLS 采用IETF 定义的MPLS 控制协议，包括RSVP/LDP和OSPF等。

(2)T-MPLS将两个单向的LSP 绑定为一个双向的LSP，提供双向连接，经过相同的物理路径。

(3)T-MPLS不支持LSP 的聚合，在MPLS中的LSP 聚合虽然能够增加网络的可扩展性，但是增加了OAM 和性能监测的复杂度，因此LSP聚合不是面向连接的概念。

(4)T-MPLS不支持倒数第二跳弹出(PHP)和均等成本多路径(ECMP)，它们破坏了端到端的特性。

(5)T-MPLS 支持端到端的保护倒换和子网保护，线性保护倒换和环网保护，MPLS支持本地保护技术FRR。

表1 T-MPLS实现电信级特性的技术机理 

Table 1 telecom characteristics mechanisms of T-MPLS

图5 T-MPLS网络的三个平面

Fig.5 three planes of T-MPLS network

T-MPLS网络可分为三个平面：传送平面、管理平面、控制平面，如图5所示。

传送平面的主要功能是根据T-MPLS标签进行分组的转发，提供从一个端点到另一个端点的双向或单向数据传送，同时还可以提供控制信息和网络管理信息的传送，监测连接状态（如故障和信号质量）并提供给控制平面，提供操作维护管理(OAM)和保护恢复功能。

管理平面执行传送平面、控制平面以及整个系统的管理功能，它同时提供这些平面之间的协调操作。管理平面执行的功能包括：性能管理、故障管理、配置管理、计费管理、安全管理和其他功能。

控制平面于服务层和客户层，和现有的传送网络操作和管理模型兼容，采用ASON/GMPLS协议，主要功能包括：通过信令支持建立、维护和拆除端到端连接的能力，通过选路为连接选择合适的路由，网络发生故障时执行保护和恢复功能，发布链路状态信息，自动发现拓扑和资源等。

3.3 T-MPLS全业务承载

    为适应数据业务量迅猛增长的需要，分组传送网采用了通用的分组交换内核，提供了对数据业务的适应性，但是如何保持对原有电路型服务的后向兼容性，同时向分组化网络转型呢？IETF的端到端伪线仿真(PWE3, Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge)技术解决了这个问题。正是由于采用了PWE3技术，使得T-MPLS网络在满足数据业务需求的同时，还可以支持各种各样的传统电路型业务。

PWE3是在分组交换网(PSN)上模拟各种点到点业务的机制，被模拟的业务可以通过TDM专线、ATM、FR或以太网等传输。PWE3利用PSN上的隧道机制来模拟一种业务的必要属性，这里的隧道就被称为伪线(PW)，主要是在分组网络上构建点到点的以太网虚电路EVC。

各种业务向T-MPLS隧道映射的方式如图6所示。

图6 T-MPLS对各种业务的映射方式

Fig.6 T-MPLS mapping techniques for different type client data

3.4 T-MPLS的生存性技术

T-MPLS的生存性是分组传送网的另一个主要特征，其主要由基于传送平面的保护倒换技术和基于控制平面的恢复技术来实现。基于传送平面的保护技术有路径保护、子网连接保护、环网保护；基于控制平面的恢复是指在控制平面的参与下，在错误发生后重新计算保护路径，或在错误发生前预计算保护路径。

T-MPLS的保护倒换机制能够实现与SDH相同的小于50ms的保护效果。

3.5 T-MPLS的OAM

    T-MPLS的OAM主要用于差错管理、性能监测和保护倒换，现在发展了三种OAM：    主动(Pro-active)OAM――周期性地报告链路状态、性能、差错等；按需(On-demand)OAM――按需地报告链路状态、性能、差错等；保护倒换OAM――主要是APS协议。

图7 Y.1711定义的T-MPLS OAM

Fig.7 Y.1711 defined T-MPLS OAM

    T-MPLS的OAM标准为G.8113/Y.1372和G.8114/Y.1373，同时大量借鉴并沿袭ITU-T Y.1711，其OAM帧格式如图7所示[5]，其中Label域是OAM告警标签(20bit)，当取值为14时代表OAM分组。可以看出，其主要提供了连接确认(CV, Connectivity Verification)、快速故障监测(Fast Failure Detection)、前向故障指示(Forward Defect Indication)、后向故障指示(Backward Defect Indication)等消息类型。

3.6 T-MPLS的QoS

    T-MPLS使用区分服务DiffServ的QoS机制（RFC3270），由于DiffServ没有提供一种机制来检测资源的可用程度以满足端到端的QoS需求，因此在T-MPLS网络中将DiffServ与流量工程相结合，通过预先建立的连接预留相应的网络资源，在通道上的每个节点执行接纳控制操作，以确保资源是真实可用的，从而实现端到端的QoS。T-MPLS的每一层都有相应的QoS管理，包括通路层管理业务的QoS、通道层管理汇聚后的业务QoS。

    区分服务的思想是将数据流划分为不同的类别，在每个路由器上根据数据流所属的类别，实现不同的转发处理。DiffServ将业务分为三大类：优先转发(EF)、保证转发(AF)和尽力而为(BE)，他们通常对应于对时延敏感、保证送达但对时延不敏感和无特殊要求的业务。DiffServ的不足之处在于针对业务流只能实现粗管道的QoS保证，即只能实现不同类别间流量的QoS保证，而无法实现针对每一业务流的QoS保证。

    MPLS流量工程(MPLS-TE)技术是一种重要的IP QoS保证技术。它可用于输导网络流量，解决流量的拥塞和不平衡；MPLS-TE快速重路由(Fast ReRoute, FRR)技术可在50ms级别内，实现流量从主用路径切换到备份路径。目前，不同厂家之间MPLS-TE的互通性还存在一定问题，现网上一般在同一厂家设备之间启用MPLS-TE。

3.7 T-MPLS的标准化进程

在标准化进程上，T-MPLS已经走在了其他分组传送网技术的前面，整体来说，标准已经基本成熟，其标准化程度已经达到了设备商用的要求，但还不够完善，仍在进一步规范之中。

2008年，ITU-T同意和IETF成立联合工作组(JWT)来共同推进T-MPLS和MPLS技术的融合，IETF将扩展现有MPLS技术为MPLS-TP(Transport Profile for MPLS)，以增强其对ITU-T传送需求的支持。今后由IETF和ITU-T的JWT共同开发MPLS-TP标准，并保证T-MPLS标准与MPLS-TP一致。

4 PTN的产业化进程

虽然PTN技术的标准化工作尚未完成，但由于国内外市场需求迫切，目前已有一系列PTN产品相继面市，如上海贝尔阿尔卡特1850TSS和华为的OSN3900/1900。

另据了解，中国移动从2008年7月开始对PTN进行测试，参与的厂商包括华为、中兴、上海贝尔、烽火、北电等。目前，经过第一阶段的实验室测试，第二阶段的模拟业务加载测试，已经进入第三阶段的现网测试。

对于T-MPLS的设备形态，目前还没有形成一致的意见，根据对已有相关设备的分析和归纳，T-MPLS设备可能存在以下三种类型：基于新型以太网交换机的T-MPLS设备，如爱立信公司新推出的OMS系列分组交换机产品；基于通用交换矩阵的T-MPLS设备，典型产品是阿尔卡特公司推出的1850传送业务交换机(TSS)；基于现有MSTP架构的T-MPLS设备，目前部分MSTP设备已经支持简单的MPLS功能，只是由于网络应用需求不明确，且无法实现与IP/MPLS网络的互通，因此实际应用还很少。

5 PTN技术在下一代通信网络中的定位及引入策略

5.1 PTN技术在下一代通信网络中的定位

    关于下一代网络的架构，有一个非常形象的比喻，软交换/IMS(IP Multimedia Subsystem, IP多媒体子系统)是核心和中枢神经，下一代承载/传送网络是骨架，下一代业务平台是血肉，而下一代接入层网络则是支撑整个生命体的毛细血管。

有专家指出，运营商目前网络现状和业务需求不同，但在融合化的背景下，全业务时代的来临将会使他们的建网模式逐渐统一，而其中分组传送网(PTN)将会扮演关键的角色。表2给出了PTN与其它相关技术的对比。

表2 相关技术对比

Table 2 comparison of relative technologies

图8 PTN在下一代网络中的位置

Fig.8 the position of PTN in next generation network

分组化是光传送网发展的必然趋势，未来网络架构演进的一个方向是从“IP over ATM over SDH over WDM”向“IP over L2(PTN) over OTN”演进，见图9，同时网络拓扑将从环网转变为mesh网络(网状网络)。

图9 未来网络架构演进的一个方向

Fig.9 an evolution direction of network structure

5.2 PTN技术的引入策略

当前，IP层与传送层的融合焦点依然是承载效率和业务的可靠性、可管理性和可扩展性，在经济有效的光层带宽复用和调度技术出现之前，仍然需要一个智能的传送层面将各类业务高效、灵活地填充到光纤巨大的带宽通道中去。所以，在考虑PTN产品网络引入的过程中，特别需要注意引入策略和网络承接性的问题，在现有的网络中引入分组传送技术和设备应该谨慎逐步分步实施。

目前最合适的策略是IP网与传送网同步地发展并逐渐融合，引入针对分组传送而优化的网络层面PTN来降低网络的整体CAPEX+OPEX成本。在传送骨干网中首先引入光/电层控制平面，提高网络业务动态智能调度、业务保护恢复和新业务提供的能力，然后向着更大颗粒度和分组化智能的方向发展，逐步引入ODU以及ROADM技术，利用OTN的复用和监控功能提升光层的可管理型，在此过程中传送层面将逐步完成向着PTN方向的升级和改造。在城域汇聚网可以率先采用支持完全分组能力的PTN传送节点，彻底打破传统传输网和二层数据网的界限，构建融合的统一网络，承载网络中现有业务和将来可能出现的各种新业务，所有业务都在同一平台上传送，从而形成最佳性能价格比的演进方案。

总之，任何一项技术的发展，都有其固有的规律，传送网技术也不例外。在考虑新技术新产品网络引入的过程中，需要注意引入策略和网络承接性的问题。先进和成熟是一个既对立又统一的概念，在保证技术先进性的基础上，更应看到技术的相对成熟在减少投资风险、控制建设成本方面的重要作用。

6 结束语

PTN技术融合了传统传送网和分组网络各自的优势，是面向下一代通信网络的新型传送网技术，是在业务转型和网络融合期顺应时代发展的网络建设和发展方向,提供了一种扁平化、可运行、低成本的网络构架。作为分组传送网的关键技术，T-MPLS的迅速发展，可以为分组传送网提供强有力的技术支撑。

同时，任何一种技术的网络规模应用都是一个逐步演进的过程，客观地去看待技术更新和网络演进是变革时期整个通信产业链都需要思考的问题，也是我们电力信息通信专业需要关注的问题。

参考文献：

[1] 何岩, 张傲. 下一代分组传送网的新技术发展走向. 电信工程技术与标准化, 2007.

[2] 贾小铁. 传送网技术在电力通信网的应用与发展.电力系统通信[J],2006.10.

[3] 雷学义, 贾小铁. 从业务转型/技术融合看传送网演进与发展. 国息通信有限公司通信工程中心技术调研报告, 2008.12.

[4] 龚倩, 徐荣, 李允博, 田沛. 分组传送网. 人民邮电出版社, 2009.

[5] ITU-T Y.1711 (2004), Operation & Maintenance mechanism for MPLS networks

朱  京(1966－)，男，北京，高级工程师，从事电力通信工程管理工作。

    刘昭伟(19－)，女，四川广安人，高级工程师，从事电力系统工程和技术管理工作。

    雷学义(1980－)，男，河南新乡人，硕士，工程师，从事电力系统通信工作。

贾小铁(1955－)，男，

Packet Transport Network

――The Evolution Trend of Information and Communication Transport Network

(State Grid Information & Telecommunication CO., LTD. Beijing 100761, China)

Abstract: While briefly reviewing the history of optical transport network，the paper discusses its three evolution trends, and introduces a network form, packet transport network, which catered to all these trends. The paper also expatiates on T-MPLS, the mainstream technology of packet transport network, includes its origin, frame, data carrying, survival technology, OAM, QoS and standardization process. At last, the paper introduces packet transport network’s industrialization process, analyzes its position and discusses the strategy of its introduction.

Key words: transport network; packet transport network; T-MPLS