深入了解PTN技术：认知与应用

教学内容

(1)PTN组网应用；

(2)几种PTN典型业务原理。

技能要求

(1)能理解PTN组网应用；

(2)会识别几种PTN典型业务使用场合。

任务描述

团队(4～6人)完成PTN组网识别和分析。

任务分析

学生能完成PTN组网识别和分析。

知识准备

1.PTN的基本概念

1)PTN的定义

分组传送网(PTN)是指这样一种传送网络架构和具体技术:

(1)在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，该层面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；

(2)以分组为内核，实现多业务承载；

(3)具有更低的总体使用成本(TCO)；

(4)秉承光传输的传统优势，包括:

①高可用性和可靠性；

②高效的带宽管理机制和流量工程；

③便捷的OAM和网管；

④可扩展性；

⑤较高的安全性。

2)PTN的发展背景

随着新兴数据业务的迅速发展和带宽的不断增长、无线业务的IP(Internet Protocol)化演进、商业客户的VPN(Virtual Private Network)业务应用，对承载网的带宽、调度、活性、成本和质量等综合要求越来越高。传统的以电路交叉为核心的SDH(Synchronous Digital Hierarchy)网络存在成本过高、带宽利用低、不够灵活的弊端，运营商陷入占用大量带宽的数据业务的微薄收入与高昂的网络建设维护成本的矛盾之中。同时，传统的非连接特性的IP网络和产品又难以严格保证重要业务的传送质量和性能，已不适应电信级业务的承载。现有传送网的弊端如下:

(1)TDM(Time Division Multiplex)业务的应用范围正在逐渐减小。

(2)随着数据业务的不断增加，基于MSTP(Multi－Service Transport Platform)的设备的数据交换能力难以满足需求。

(3)业务的突发特性加大，MSTP设备的刚性传送管道将导致承载效率的降低。

(4)随着对业务电信级要求的不断提高，传统的基于以太网、MPLS(Multi Protocol Label Switching)、ATM(Asynchronous Transfer Mode)等技术的网络不能同时满足网络在QoS(Quality of Service)、可靠性、可扩展性、OAM(Operation，Administration and Maintenance)和时钟同步方面的需求。

综上所述，运营商亟需一种可融合传统语音业务和电信级业务要求、低OPEX(Operating Expenditure)和CAPEX(Capital Expenditure)的IP传送网，构建智能化、融合、宽带、综合的面向未来和可持续发展的电信级网络。

3)PTN的产生

在电信业务IP化趋势的推动下，传送网承载的业务从以TDM为主向以IP为主转变，这些业务不但有固网数据，更包括近几年发展起来的3G业务。目前的传送网现状是SDH/MSTP、以太网交换机、路由器等多个网络分别承载不同业务，各自维护，难以满足多业务统一承载和降低运营成本的发展需求。因此，传送网需要采用灵活、高效和低成本的分组传送平台来实现全业务统一承载和网络融合，分组传送平台(PTN)由此应运而生。

以MPLS－TP(Multi－Protocol Label Switching－Transport Profile)为代表的PTN设备，作为IP/MPLS或以太网承载技术和传送网技术相结合的产物，是目前电信级以太网(Carrier Ethernet，CE)的最佳实现技术之一，它具有以下特征:

(1)面向连接。

(2)利用分组交换核心实现分组业务的高效传送。

(3)可以较好地实现电信级以太网(CE)业务的五个基本属性:

①标准化的业务；

②可扩展性；

③可靠性；

④严格的QoS；

⑤运营级别的OAM。

4)PTN的特点

PTN网络是IP/MPLS、以太网和传送网三种技术相结合的产物，具有面向连接的传送特征，适用于承载电信运营商的无线回传网络、以太网专线、L2 VPN以及IPTV(Internet Protocol Television)等高品质的多媒体数据业务。

PTN网络具有以下特点:

(1)基于全IP分组内核。

(2)秉承SDH的端到端连接、高性能、高可靠、易部署和维护的传送理念。

(3)保持传统SDH优异的网络管理能力和良好的体验。

(4)融合IP业务的灵活性和统计复用、高带宽、高性能、可扩展的特性。

(5)具有分层的网络体系架构。

(6)传送层划分为段、通道和电路各个层面，每一层的功能定义完善，各层之间的相互接口关系明确清晰，使网络具有较强的扩展性，适合大规模组网。

(7)采用优化的面向连接的增强以太网、IP/MPLS传送技术，通过PWE3仿真适配多业务承载，包括以太网帧、MPLS(IP)、ATM、PDH、FR(Frame Relay)等。

(8)为L3(Layer 3)/L2(Layer 2)乃至L1(Layer 1)用户提供符合IP流量特征而优化的传送层服务，可以构建在各种光网络/L1/以太网物理层之上。

(9)具有电信级的OAM能力，支持多层次的OAM及其嵌套，为业务提供故障管理和性能管理。

(10)提供完善的QoS保障能力，将SDH、ATM和IP技术中的带宽保证、优先级划分、同步等技术结合起来，实现承载在IP之上的QoS敏感业务的有效传送。

(11)提供端到端(跨环)业务的保护。

5)PTN的网络定位

PTN技术主要定位于城域的汇聚接入层，其在网络中的定位主要满足以下需求:

(1)多业务承载。

要求承载无线基站回传的TDM/ATM以及今后的以太网业务、企事业单位和家庭用户的以太网业务。

(2)业务模型。

城域的业务流向大多是从业务接入节点到核心/汇聚层的业务控制和交换节点，为点到点(P2P)和点到多点(P2MP)汇聚模型，业务路由相对确定，因此中间节点不需要路由功能。

(3)严格的QoS。

TDM/ATM和高等级数据业务需要低时延、低抖动和高带宽保证，而宽带数据业务峰值流量大且突发性强，要求具有流分类、带宽管理、优先级调度和拥塞控制等QoS能力。

(4)电信级可靠性。

需要可靠的、面向连接的电信级承载，提供端到端的OAM能力和网络快速保护能力。

(5)网络扩展性。

在城域范围内业务分布密集且广泛，要求具有较强的网络扩展性。

(6)网络成本控制。

大中型城市现有的传送网都具有几千个业务接入点和上百个业务汇聚节点，因此要求网络具有低成本、可统一管理和易维护的优势。

6)PTN的组网应用

PTN主要用于城域接入汇聚和核心网的高速转发。

PTN针对移动2G/3G业务，提供丰富的业务接口(TDM/ATM/IMA 1/STMn/POS/FE/GE)，通过PWE3伪线仿真接入TDM、ATM、Ethernet业务，并将业务传送至移动核心网一侧，如图6-1所示。

图6-1　PTN移动backhaul应用示意

PTN在核心网高速转发的应用示意如图6-2所示。

核心网由IP/MPLS路由器组成，对于中间路由器(Label Switched Router，LSR)，其完成的功能是对IP包进行转发，其转发是基于三层的，协议处理复杂，可以用PTN来完成LSR分组转发的功能，由于PTN是基于二层进行转发的，协议处理层次低，转发效率高。基于IP/MPLS的承载网对带宽和光缆消耗严重，其面临着路由器不断扩容、网络保护、故障定位、故障快速恢复、操作维护等方面的压力；而PTN网络能够很好地解决这些问题，提高链路的利用率，显著降低网络建设成本。

图6-2　PTN在核心网高速转发的应用示意

2.PWE3技术

1)PWE3概述

端到端的伪线仿真(Pseudo Wire Edge to Edge Emulation，PWE3)是一种端到端的二层业务承载技术。

PWE3在PTN网络中可以真实地模仿ATM、帧中继、以太网、低速TDM电路和SONET/SDH等业务的基本行为和特征。

PWE3以LDP(Label Distribution Protocol)为信令协议，通过隧道(如MPLS隧道)模拟CE(Customer Edge)端的各种二层业务，如各种二层数据报文、比特流等，使CE端的二层数据在网络中透明传递。

PWE3可以将传统的网络与分组交换网络连接起来，实现资源共享和网络的拓展。

2)PWE3原理

PW是一种通过分组交换网(PSN)把一个承载业务的关键要素从一个PE运载到另一个或多个PE的机制。通过PSN网络上的一个隧道(IP/L2TP/MPLS)对多种业务(ATM、FR、HDLC、PPP、TDM、Ethernet)进行仿真，PSN可以传输多种业务的数据净荷，这种方案里使用的隧道定义为伪线(Pseudo Wires)。

PW所承载的内部数据业务对核心网络是不可见的，从用户的角度来看，可以认为PWE3模拟的虚拟线是一种专用的链路或电路。PE1接入TDM/IMA/FE业务，将各业务进行PWE3封装，以PSN网络的隧道作为传送通道传送到对端PE2，PE2将各业务进行PWE3解封装，还原出TDM/IMA/FE业务。封装过程如图6-3所示。

PWE3业务网络的基本传输构件包括:接入链路(Attachment Circuit，AC)、伪线(Pseudo Wire，PW)、转发器(Forwarder)、隧道(Tunnel)、封装(Encapsulation)、PW信令协议(Pseudowire Signaling)、服务质量(Quality of Service)。

图6-3　PWE3的数据封装

下面详细解释PWE3业务网络基本传输构件的含义及作用。

(1)接入链路(Attachment Circuit，AC)。

接入链路是指终端设备到承载接入设备之间的链路，或CE到PE之间的链路。在AC上的用户数据可根据需要透传到对端AC(透传模式)，有时也需要在PE上进行解封装处理，将净荷(payload)解出再进行封装后传输(终结模式)。

(2)伪线(PseudoWire，PW)。

伪线也可以称为虚连接。简单地说，它就是VC加隧道，隧道可以是LSP、L2TP隧道、GRE或者TE。虚连接是有方向的，PWE3中虚连接的建立是需要通过信令(LDP或者RSVP)来传递VC信息，将VC信息和隧道管理形成一个PW。PW对于PWE3系统来说，就像本地AC到对端AC之间的一条直连通道，完成用户的二层数据透传。

(3)转发器(Forwarder)。

PE收到AC上传送的用户数据，由转发器选定转发报文使用的PW，转发器事实上就是PWE3的转发表。(https://www.xing528.com)

(4)隧道(Tunnel)。

隧道用于承载PW，一条隧道上可以承载一条PW，也可以承载多条PW。隧道是一条本地PE与对端PE之间的直连通道，完成PE之间的数据透传。

(5)封装(Encapsulation)。

PW上传输的报文使用标准的PW封装格式和技术。PW上的PWE3报文封装有多种，在“draft－ietf－pwe3－iana－allocation－x”中有具体的定义。

(6)PW信令协议(Pseudowire Signaling)。

PW信令协议是PWE3的实现基础，用于创建和维护PW。目前，PW信令协议主要有LDP和RSVP。

(7)服务质量(Quality of Service)。

根据用户二层报文头的优先级信息，映射成在公用网络上传输的QoS优先级来转发。

3)报文转发

PWE3建立的是一个点到点通道，通道之间互相隔离，用户二层报文在PW间透传。

(1)对于PE设备，PW连接建立后，用户接入接口(AC)和虚链路(PW)的映射关系就已经完全确定了。

(2)对于PE设备，只需要依据MPLS标签进行MPLS转发，不关心MPLS报文内部封装的二层用户报文。

下面以CE1到CE2的VPN1报文流向为例，说明基本数据流走向。如图6-4所示，CE1上送二层报文，通过AC接入PE1，PE1收到报文后，由转发器选定转发报文的PW，系统再根据PW的转发表项加入PW标签，并送到外层隧道，经公网隧道到达PE2后，PE2利用PW标签转发报文到相应的AC，将报文最终送达CE2。

图6-4　报文转发示意

3.业务仿真

1)TDM业务仿真

TDM业务仿真的基本思想就是在分组交换网络上搭建一个“通道”，在其中实现TDM电路(如E1或T1)，从而使网络任一端的TDM设备不必关心其所连接的网络是否一个TDM网络。分组交换网络被用来仿真TDM电路的行为称为“电路仿真”。

TDM业务仿真示意如图6-5所示。

图6-5　TDM业务仿真示意

TDM业务仿真的技术标准包括:

(1)SATOP(Structured agnostic TDM－over－packet)。

该方式不关心TDM信号(E1、E3等)采用的具体结构，而是把数据看作给定速率的纯比特流，这些比特流被封装成数据包后在伪线上传送。

(2)结构化的基于分组的TDM(structure－aware TDM－over－packet)。

这种方式提供了N×DS0 TDM信令封装结构有关的分组网络在伪线传送的方法，支持DS0(64K)级的疏导和交叉连接应用。这种方式降低了分组网上丢包对数据的影响。

(3)TDM over IP，即所谓“AALx”模式

这种模式利用基于ATM技术的方法将TDM数据封装到数据包中。

(1)结构化与非结构化。

下面以TDM业务应用最常见的E1业务来说明，E1业务分为非结构化业务和结构化业务。

对于非结构化业务，整个E1被作为一个整体来对待，不对E1的时隙进行解析，把整个E1的2M比特流作为需要传输的净荷，以256 bit(32Byte)为一个基本净荷单元的业务处理，即必须以E1帧长的整数倍来处理，净荷加上VC、隧道封装，经过承载网络传送到对端，去掉VC、隧道封装，将2M比特流还原，映射到相应的E1通道上，就完成了传送过程，如图6-6所示。

图6-6　TDM非结构化传送示意

对于结构化E1业务，需要对时隙进行解析，只需要对有业务数据流的时隙进行传送，实际可以看成n×64K业务，对于没有业务数据流的时隙可以不传送，这样可以节省带宽。此时是从时隙映射到隧道，可以多个E1的时隙映射到一条PW上，可以一个E1的时隙映射到一条PW上，也可以一个E1上的不同时隙映射到不同的多个PW上，这需要根据时隙的业务需要进行灵活配置，如图6-7所示。

图6-7　TDM结构化传送示意

(2)时钟同步。

TDM业务对于时钟同步有严格要求，如果时钟同步无法保障，那么传输质量就会下降，从而影响业务质量。一般来说，时钟同步的实现有以下几种方式:

①自适应时钟。

采用自适应包恢复算法在PW报文出口通过时间窗平滑和自适应算法来提取同步定时信息，使重建的TDM业务数据流获得一个与发送端大致同步的业务数据流，该方法的同步精度比较低，尤其在网络动荡比较多的情况下，难以满足高精度时钟同步要求的业务需求。

②包交换网同步技术。

该方法采用同步以太网、IEEE1588等时钟技术来传输时钟，目前在精度方面已经有很大的提高，在全网支持的情况下可以满足时钟精度要求，目前标准在进一步发展，重点是在穿越原有网络的情况下如何保证时钟精度。

③外时钟同步技术。

PWE3 TDM电路仿真通道只负责传送业务数据，同步定时信息依靠另外的同步定时系统来传送，例如用GPS系统传送时钟或者用同步时钟网传送时钟，两端用户/网络设备分别锁定外同步时钟。

(3)时延与抖动。

TDM业务对于数据流的时延与抖动有严格的要求，而TDM业务流采用PWE3方式穿越PSN网络时，不可避免地会引入时延与抖动。时延主要有:封装延时、业务处理延时、网络传送延时。

①封装延时是TDM数据流被封装为PW报文引入的延时，这是TDM电路仿真技术特有的延时。以E1为例:E1的速率是2.048 Mb/s，每帧包含32个时隙共256 bit，每秒传输8 000帧，每帧的持续时间为0.125 ms，如果采用结构化的封装方式，每4帧封装为1个PW数据包，封装1个PW数据包需要的封装延时是4×0.125 ms＝0.5 ms。PW内封装数据帧的数量越多的帧，封装延时就越大，但是封装数据帧的数量少又要增加带宽开销，这需要根据网络情况和业务要求综合平衡。

②业务处理延时是设备进行报文处理的时间，包括报文合法性检查、报文过滤、校验和计算、报文封装和收发。这部分延时与设备业务处理能力有关，对于某个设备是基本固定不变的。

③网络传送延时是指PW报文从入口PE经过包交换网络到达出口PE所经历的延时，这部分随网络拓扑结构以及网络业务流量的不同变化很大，而且这部分延时也是引入业务抖动的主要原因。目前采用抖动缓存技术可以吸收抖动，但是吸收抖动又会造成延时加大。T缓存深度与延时也是一个平衡的关系，同样需要根据网络状况和业务需求综合考量。

2)ATM业务仿真

ATM业务仿真通过在分组传送网PE节点上提供ATM接口接入ATM业务流量，然后将ATM业务进行PWE3封装，最后映射到隧道中进行传输。节点利用外层隧道标签转发到目的节点，从而实现ATM业务流量的透明传输。

对于ATM业务在IP承载网上有两种处理方式:

(1)隧道透传模式。

隧道透传模式类似于非结构化E1的处理，将ATM业务整体作为净荷，不解析内容，加上VC、隧道封装后，通过承载网传送到对端，再对点进行解VC/隧道封装，还原出完整的ATM数据流，交由对端设备处理。

隧道透传可以区分为:基于VP的隧道透传(ATM VP连接作为整体净荷)、基于VC的隧道透传(ATM VC连接作为整体净荷)、基于端口的隧道透传(ATM端口作为整体净荷)。

在隧道透传模式下，ATM数据到伪线的映射有两类不同的方式:

①N:1映射。

N:1映射支持多个VCC或者VPC映射到单一的伪线，即允许多个不同的ATM虚连接的信元封装到同一个PW中去。

这种方式可以避免建立大量的PW，节省接入设备与对端设备的资源，同时，通过信元的串接封装，提高了分组网络带宽利用率。

②1∶1映射。

1∶1映射支持单一的VCC或者VPC数据封装到单一的伪线中去。

采用这种方式，建立了伪线和VCC或者VPC之间一一对应的关系，在对接入的ATM信元进行封装时，可以不添加信元的VCI、VPI字段或者VPI字段，在对端根据伪线和VCC或者VPC的对应关系恢复出封装前的信元，完成ATM数据的透传。这样，再辅以多个信元串接封装可以进一步节省分组网络的带宽。

(2)终结模式。

AAL5，即ATM适配层5，支持面向连接的、VBR业务。

它主要用于在ATM网及LANE上传输标准的IP业务，将应用层的数据帧分段重组形成适合在ATM网络上传送的ATM信元。

AAL5采用了SEAL技术，并且是目前AAL推荐中最简单的一个。AAL5提供低带宽开销和更为简单的处理需求以获得简化的带宽性能和错误恢复能力。

ATM PWE3处理的终结模式对应于AAL5净荷虚通道连接(VCC)业务，它是把一条AAL5 VCC的净荷映射到一条PW的业务。

3)以太网业务仿真

PWE3对以太网业务的仿真与TDM业务和ATM业务类似，下面分别按上行业务方向和下行业务方向介绍PWE3对以太网业务的仿真。

(1)上行业务方向。

在上行业务方向，按照以下顺序处理接入的以太网数据信号:

①物理接口接收到以太网数据信号，提取以太网帧，区分以太网业务类型，并将帧信号发送到业务处理层的以太网交换模块进行处理。

②业务处理层根据客户层标签确定封装方式，如果客户层标签是PW，将由伪线处理层完成PWE3封装，如果客户层标签是SVLAN，将由业务处理层完成SVLAN标签的处理。

③伪线处理层对客户报文业务进行伪线封装(包括控制字)后上传至隧道处理层。

④隧道处理层对PW进行隧道封装，完成PW到隧道的映射。

⑤链路传送层为隧道报文封装上段层封装后发送出去。

(2)下行业务方向。

在下行业务方向，按照以下顺序处理接入的网络信号:

①链路传送层接收到网络侧信号，识别端口进来的隧道报文或以太网帧。

②隧道处理层剥离隧道标签，恢复出PWE3报文。

③伪线处理层剥离伪线标签，恢复出客户业务，下行至业务处理层。

④业务处理层根据UNI或UNI＋CEVLAN确定最小MFDFR并进行时钟、OAM和QoS的处理。

⑤物理接口层接收由业务处理层的以太网交换模块送来的以太网帧，通过对应的物理接口发往用户设备。

任务实施

1.PTN任务1

各团队学习PTN知识，各小组分别到PTN机房参观，完成组网网络拓扑图的连接，团队内部制作课件或文档进行汇报。

2.PTN任务2

各团队研究PTN接入层、汇聚层、核心层网络设备有何不同，团队内部制作课件进行汇报。

任务总结(拓展)

查找资料并说明三大运营商的PTN组网技术有何不同。