PTN分组转发技术

V1.0

内容大纲

PTN 技术发展历程 MPLS技术 MPLS-TP技术

PTN技术发展历程

Ethernet

SDH like OAM/PS

MPLS

T-MPLS

PBT

PTN

Ethernet

SDH like OAM/PS

MPLS

T-MPLS

PBT

Ethernet

SDH like OAM/PS

MPLS

T-MPLS

PBT

PTN

在 PTN 技术发展初期，曾出现有两种技术类别：T-MPLS 和 PBT ：T-MPLS: 由MPLS简化，演进为符合传输特性的T-MPLS技术。PBT：由以太网技术发展而来，使用MAC-in-MAC技术，关闭运营商MAC地址自学习功能，增加网管管理和网络控制的配置，结合电信级特征，形成面向连接的分组传送技术。该技术由北电提出，但缺乏技术厂商的支持，已经基本退出历史舞台。

发展初期

MPLS-TP

发展现状

随着技术发展， T-MPLS 在 OAM等方面改进后，演进成为 MPLS-TP。 目前， MPLS-TP 作为 PTN 的关键技术而广泛应用。

MPLS/

Enhanced Ethernet

SDH Like OAM/PS

内容大纲

PTN技术发展历程 MPLS 技术 MPLS-TP技术

MPLS技术产生背景 传统 IP技术特点：

IP通讯是基于逐跳的方式 转发报文时依照最长匹配原则 网络设备需要知道全网路由，没有则无法转发该网段报文 QoS无法得到有力保障：由于 IP协议是无连接协议，所以 Internet网络中没有服务质量的概念，不能保证有足够的吞吐量和符合要求的传送时延，只是尽最大的努力（ Best-effort）来满足用户的需要。

如不采取新的方法改善网络环境就无法大规模发展新业务

47. 1 S2

47. 1 S2 47. 1 S2

S2

目的地址为:47。1。1。1目的地址为:47。1。1。1

S1

S1

S2

S1

S2

47. 1. 0. 0/ 16

MPLS技术产生背景 ATM转发的特点：

链路层选路，使用 VPI/VCI便于硬件交换 面向连接，提供 QoS保证：作为继 IP之后迅速发展起来的一种快速分组交换技术，具有得天独厚的技术优势

具有流量控制措施 支持多种业务类型，如实时业务

ATM曾一度被认为是一种处处适用的技术。并且设想最终将建立通过网络核心便可到达另一个桌面终端的纯 ATM网络。

但是经实践证明这种设想是错误的。原因如下：1. 纯 ATM网络的实现过于复杂，导致应用价格高，难于被接受2. 在网络发展的同时相应的业务开发没有跟上，导致目前 ATM的发展举步维艰3. 虽然 ATM交换机作为网络的骨干节点已经被广泛使用，但 ATM信元到桌面的业务发展却十分缓

慢。 虚通路连接 (VCC)

虚通道连接(VPC)

VP交换

VC交换

VC交换

NNI NNI

VPI = 2VCI = 44

VPI = 1VCI = 1

VPI = 26VCI = 44

VPI = 20VCI = 30

UNIUNI

MPLS技术产生背景

IP技术和 ATM技术在各自的发展领域中均遇到了实际困难，彼此都需要借助对方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。

MPLS技术即是结合网络核心的交换技术的优点和网络边缘的 IP路由技术的优点而产生的。

MPLS技术简介 MPLS全称：

Multi-Protocol Label Switching

功能： 将 IP 与 ATM的高速交换技术结合起来，使用标签交换（ Label Switching），实现 IP分组的快速转发

特点： 多协议：可支持任意的网络层协议（如 IPv6 、 IPX）和链路层协议（如 ATM 、 FR 、 PPP 等）

标签交换：给报文打上固定长度的标签，以标签取代 IP转发过程

MPLS技术优势 MPLS为 IP网络提供面向连接的服务 提供高服务质量的 Internet服务 支持高带宽高速率的 IP转发 在提供 IP业务时能确保 QoS和安全性 具有流量工程能力 很好的支持 VPN功能

MPLS 解决方案 Multi-Protocol Label Switching多协议标签交换

是介于二层和三层之间的技术，即 2.5层 是将标记转发和三层路由结合在一起的一种标准化路由和交换技术解决方案

多协议表示可以与多种网络协议共存 在MPLS网络边缘进行三层路由，内部进行二层交换

MPLS 关键术语 标签 （ Label） 是一个特定长度的整数，通常只具有局部意义的标识，这些标签通常位于数据链路层的

二层封装头和三层数据包之间，标签通过绑定过程同 FEC相映射。 转发等价类 （ FEC） Forwarding Equivalence Class，是在转发过程中以等价的方式处理的一组数据分组，可以通过地址、隧道、 COS 等来标识创建 FEC ；通常在一台设备上，对一个 FEC分配相同的标签。

标签交换路径 （ LSP） 标签交换通路：一个 FEC的数据流，在不同的节点被赋予确定的标签，数据转发按照这

些标签进行。数据流所走的路径就是 LSP。 标签交换路由器 （ LSR） Label Switching Router，是MPLS的网络的核心路由器，完成 LSP的建立和下一跳改

变的发起。提供标签交换和标签分发功能。 边缘标签交换路由器 (LER) Label Switching Edge Router，边缘路由器 , 主要完成 FEC的划分，流量工程， LSP建路发起， IP 包转发， Diff-Serv 等任务 .在MPLS的网络边缘，进入到MPLS网络的流量由 LER分为不同的 FEC，并为这些 FEC 请求相应的标签。它提供流量分类和标签的映射、标签的移除功能。

标签分发协议（ LDP） Label Distribution Protocol，标签分发协议，在MPLS 域内运行从而实现设备之间的标

签分配。

MPLSDomain

LERa

LSRy

LERb

LERc

LERd

LERe

LERf

LSRx LSRz

LSP

Ingress

EgressLDP Protocol

LDP

LDP

MPLS网络模型

MPLS 工作原理

MPLS 域外采用传统的 IP 转发， MPLS 域内按照标签交换，无需查找IP

LSR（ ）LER（ ）

MPLS域

LER（ ）LSR（ ）I P

I P标签I P标签

I P标签

I P

标签转发

I P传统 转发 I P传统 转发

MPLS 工作原理 在运营MPLS的网络内（即 MPLS 域内），设备之间运行标签分发协议（如 LDP 、 RSVP 等），使MPLS 域内的各设备都分配到相应的标签。

IP 数据包通过MPLS 域的传播过程如下：1. 入口边界 LER接收数据包，为数据包分配相应的标签，用标签来标识该数据包；

2. 主干 LSR接收到被标识的数据包，查找标签转发表，使用新的出站标签代替输入数据包中的标签；

3. 出口边界 LER接收到该标签数据包，它删除标签，对IP 数据包执行传统的第三层查找

MPLS的标签（ label）

MPLS Label是 0~1048575之间的一个 20 比特的整数，用于识别某个特定的 FEC ；

该标记被封装在分组的第二层信头和第三层数据之间，标签仅具有本地意义。

标签堆栈

两个或更多的MPLS 标签，或称标签堆栈，理论上支持无限制的标签嵌套，从而提供无限的业务支持能力；

网络层的包头紧跟在底部标签堆栈位设为 1的标签之后； 包的转发是基于标签堆栈最顶部的标签， LSR 在收到一个包之后，检查

顶部标签，来决定下一跳

MPLS的实现 MPLS 标签交换实现的前提是标签交换路径（ LSP）的建立，而 LSP的建立实际上就是路径上各个节点标签分配的过程。

接下来我们就来讨论 LSP的建立。

LSP的建立 LSP的建立方式

驱动 LSP建立的方式，即标签分配的方式常见的有下面三种：

数据流驱动：收到的报文驱动 LSP建立 拓扑驱动：拓扑信息（路由）驱动 LSP建立 应用驱动：应用（如 QoS）驱动 LSP建立

与数据流驱动和应用驱动相比，拓扑驱动的标签赋值优点如下：

标签赋值和分发对应于控制信息因此不会造成大的网络开销。 在数据到达之前建立标签赋值和分发，没有标签建立时延。

因此网络中常用拓扑驱动的方式来分配标签。

LSP 的建立过程 在 MPLS 网络中标签交换路径 LSP 的形成分为

三个过程： 网络启动之后在路由协议（如 BGP 、 OSPF 、 IS-IS

等）的作用下，各个节点建立自己的路由表 根据路由表，各个节点在 LDP 的控制之下建立标签交换转发信息库 LIB

将入口 LSR 、中间 LSR 和出口 LSR 的输入输出标签互相映射拼接起来后，就构成了一条 LSP

第一个过程：路由表的形成

在动态路由协议的作用下，每个路由器形成自己的路由表

47.1

47.247.3

Dest Out

47.1 147.2 2

47.3 3

1

23

Dest Out

47.1 147.2 2

47.3 3

Dest Out

47.1 147.2 2

47.3 3

1

23

1

2

3

RCRB

RA

第二个过程： LIB 的形成

Intf In

Label In

Dest Intf Out

3 40 47.1 1

Intf In

Label In

Dest Intf Out

Label Out

3 50 47.1 1 40

47.1

47.247.3

12

3

1

2

1

2

3

3Intf In

Dest Intf Out

Label Out

3 47.1 1 50

Mapping: 40

Mapping: 50

Network: 47.1

Network:47.1

RA

RBRC

第三个过程： LSP 的形成

Intf In

Label In

Dest Intf Out

3 40 47.1 1

Intf In

Label In

Dest Intf Out

Label Out

3 50 47.1 1 40

47.1

47.247.3

1

2

31

2

1

2

3

3Intf In

Dest Intf Out

Label Out

3 47.1 1 50

IP 47.1.1.1

IP 47.1.1.1

IP 47.1.1.1IP 47.1.1.150IP 47.1.1.1IP 47.1.1.140

RA

RB

RC

标签堆栈倒数第二跳弹出机制

倒数第一跳分配标签时采用特殊标签 3

47.2

47.3

1

2

1

2

3

3

IntfIn

Dest IntfOut

LabelOut

3 47.1 1 50

IntfIn

LabelIn

Dest IntfOut

LabelOut

3 40 47.1 1 pop

47.1

47.1 1

Dest IntfOut

IP 47.1.1.1

1 IP 47.1.1.1IP 47.1.1.150

IP 47.1.1.1

IP 47.1.1.1

RCRB

RA

标签分发协议 LDP

LDP概述 : Label Distribution Protocol是一种动态生成标签的协议，建立在 UDP（ User Datagram Protocol） /TCP（ Transmission Control Protocol）协议基础之上，根据路由表逐跳路由传输协议消息。

LDP在标签交换路由器节点之间相互通告 FEC（ Forward Error Correction）与标记映射关系，最终生成标签交换路径。 LDP将 FEC 与标签交换路径相关联，映射网络前缀流量到该标签交换路径上。

RFC3036规定 LDP规程包括邻居发现、标签请求、标签映射、标签撤销、标签释放、错误处理等机制。

标签分发协议 LDP

LDP处理机理 LSR 根据标签与 FEC之间的绑定信息建立和维护 LIB。 两个使用标签分发协议交换 FEC/ 标签绑定的 LSR就

称为“ LDP Peer”。 LDP的功能是使 LSR实现 FEC 与标签的绑定，并将这种绑定通知给相邻的 LSR，以使各 LSR 间对收到的标签绑定达成共识。

标签分发协议 LDP

按时间顺序， LDP的处理包括以下四个阶段： 发现阶段：通过周期性地向相邻 LSR发送“ Hello” 消

息，自动发现 LDP 对等体； 会话建立和维护：主要完成 LSR之间的 TCP连接和会

话初始化（各种参数的协商）； 标签交换路径建立与维护： LSR之间为有待传输的 FE

C进行标签分配并建立 LSP ； 会话的撤消：会话保持时间到，则中断会话。

邻居发现：通过互发 hello报文 (UDP/prot:646/IP:224.0.0.2）

建立 TCP连接：由地址大的一方主动发起。 (TCP/port:646)

会话初始化：由Master发出初始化消息，并携带协商参数。

由 slave检查参数能否接受，如果能则发送初始化消息，并携带协商参数。并随后发送 keepalive消息。

master检查参数能否接受，如果能则发送 keepalive消息。

相互收到 keepalive消息，会话建立。

期间收到任何差错消息，均关闭会话，断开 TCP连接

M

M

M

M

M

R1 R2

LDP 会话的建立和维护

内容大纲

PTN技术发展历程 MPLS技术 MPLS-TP 技术

MPLS-TP技术简介 MPLS-TP： MPLS Transport Profile，是一种从核心网向下延伸的面向连接的分组传送技术。

08 年 4月起由 IETF和 ITU-T 共同成立了联合工作组 (JWT) ， 负责联合开发， IETF负责标准的制定， ITU-T负责提出传送的需求。

MPLS-TP 构建于MPLS技术之上，它的相关标准为部署分组交换传输网络提供了电信级的完整方案。更重要的是，该技术基于 IP核心网，对 MPLS/PW技术进行简化和改造，去掉了那些与传输无关的 IP功能 , 更加适合分组传送的需求。 为了维持点对点 OAM的完整性，引入了传送的层网络、 OAM和线性保护等概念，可以独立于客户信号和控制网络信号，符合传送网的需求。

MPLS-TP 充分利用了面向连接MPLS技术在 QoS 、带宽共享以及区分服务等方面的技术优势。基于 IP传送网的分层网络架构，提供以下功能：

基于分组的多业务支持 面向连接 可扩展性 电信级 QoS保证、带宽统计复用功能 高效的带宽管理和流量工程 强大的 OAM和网管 提供 50ms的保护倒换及恢复 动态控制平面支持 较低的 CAPEX+OPEX

路由和信令协议最后一跳弹出标签合并L3层功能

端到端 OAM电信级保护倒换时钟同步

帧结构标签交换区分服务 QoS

MPLS-TPIP/MPLS

借用 MPLS 的以下内容：帧结构标签转发原理标签交换路径（ LSP）区分业务（ Diff-Serv）标签空间和标记分配TTL处理

简化和丢弃部分：简化MPLS的复杂协议簇简化控制层面不支持 PHP简化数据转发平面不支持标签的合并 (Merging)

MPLS-TP 扩充部分：类似 SDH的端到端 OAM增强的类似 SDH的保护倒换增加了线性子网保护和环网保护，支持 APS协议引入了层网络概念时钟同步功能扩充标记栈深度，不限制标签栈的深度。支持双向 LSP。

SDH

TDM内核GFP 封装虚级联LCAS

MPLS-TP 是 MPLS 的一个子集

MPLS-TP = MPLS – IP + OAM + ProtectionMPLS-TP = MPLS – IP + OAM + Protection

MPLS-TP技术演进

MPLS-TP 与 MPLS 功能比较

　功能项 IP/MPLS MPLS-TP

IP路由和控制信令支持 LDP 、 RSVP 、 CR-LDP 、 RSVPTE等控制信令 可以支持简化的控制平面 GMPLS

PHP功能 支持 不支持标签合并 支持 不支持帧结构 支持 支持

标签交换 支持，使用单向 LSP，支持 LSP 的聚合支持，使用双向的 LSP， 提供双向的连接，不支持 LSP 的聚合

Qos 区分服务 支持 支持

端到端 OAM支持MPLS OAM，功能较弱。仅仅支持简单的连通性检查和 APS 倒换。

全面集成了 T-MPLS技术的 OAM功能，进一步完善RT 、 DT-DPL 等功能。

1588时间同步路由器普遍采用 NTP协议，精度为ms级别；不能满足传送网络同步需求

支持 G.8261和 1588v3时间同步协议，满足承载网络同步需求

电信级保护受制于MPLS OAM技术，缺乏环网保护能力

支持路径保护、环网保护、 LAG保护、 FRR保护等技术，提供电信级网络可靠性

与 IP/MPLS核心网络互通 支持

在吸纳 T-MPLS优势的基础上，注重同 IP/MPLS网络的互通设计。更好的支持与运营商的 IP/MPLS核心网互通。

物理层

数据平面 数据平面

控制平面

管理平面 管理平面

控制平面

物理层

MPLS-TP 体系结构 MPLS-TP 体系包括三个平面 : 数据平面、管理平面、控制平面

MPLS-TP 体系结构 数据平面

数据平面提供从一个端点到另一个端点的双向或单向信息传送，检测连接状态，并提供给控制平面；同时还能提供控制信息和网络管理信息的传送。

MPLS-TP 数据平面主要功能是将多种业务信号适配进MPLS-TP通道中，并根据MPLS-TP 标签进行分组的转发。

主要的方法有通过MPLS-TP通道进行间接映射，或者通过伪线机制封装到MPLS-TP传送管道，在分组网络中进行传输。

同时，数据平面还完成 OAM和保护的操作。 管理平面

管理平面执行数据平面、控制平面以及整个系统的管理功能，同时提供这些平面之间的协同操作。

管理平面执行的功能包括：性能管理、故障管理、配置管理、计费管理和安全管理。 MPLS-TP管理平面能够提供端到端、管理域内或管理域间的故障管理、配置管理、性能管理功能、用户管理和安全管理等。

控制平面 控制平面由提供路由和信令等特定功能的一组控制模块组成，并由一个信令网络支撑。控制平面模块之间的互操作性以及模块之间的通信需要的信息流可以通过接口获得。

控制平面主要负责连接的建立、释放、拆除等功能，对其中的监控和维护功能实体进行相应的管理。

MPLS-TP网络的客户层与服务层关系结构 MPLS-TP网络采用的客户与服务（ Client/Server）关系，如下图所示：

MPLS-TP与它的客户信号和控制网络都是完全独立的。 MPLS-TP承载的客户信号可以是 IP/MPLS，也可以是以太网，即就是MPLS-

TP作为 Eth/IP＆MPLS的服务层网络而存在。

MPLS-TP的接口 MPLS-TP网络提供 UNI（ User Network Interface）接

口和 NNI（ Network Node Interface）接口。 NNI可用作单个管理域内的域内接口，也可用作两管理域之间的域间接口。

CE与 PE之间的接口为 UNI接口，其中 CE设备的 UNI接口可表示为 UNI-C， PE设备的 UNI接口可表示为UNI-N。MPLS-TP网络内部 PE和 PE之间的接口为 NNI

接口。 接口定义如下图所示：

MPLS-TP网络的分层结构 MPLS-TP网络从上至下可分为：MPLS-TP通道层（ TMC）、 MPLS-TP通路层（ T

MP）、 MPLS-TP段层（ TMS）和传输媒介层。

MPLS-TP网络的分层结构

通道层（ TMC）：为客户提供端到端的传送网络业务，即提供客户信号端到端的传送。 TMC 等效于 PWE3的伪线层（或虚电路层）。

通路层（ TMP）：表示端到端的逻辑连接的特性，提供传送网络隧道，将一个或多个客户业务封装到一个更大的隧道中，以便于传送网络实现更经济有效的传递、交换、 OAM 、保护和恢复。 TMP 等效于MPLS中的隧道层。

段层（ TMS）：段层可选，表示相邻节点间的虚连接，保证通路层在两个节点之间信息传递的完整性，比如 SDH 、 OTH（ Optical Transport Hierarchy）、以太网或者波长通道。

传输媒介层：支持段层网络的传输媒质，比如光纤、无线等。

PE P PE

Section Tunnel ATM PWE3 Ethernet PWE3

E1 PWE3

MPLS-TP传送原理 在MPLS-TP 网络中，面向连接的特性是通过伪线（ PW）技术实现的。伪线允许服务供应商在一个基于分组技术的汇聚网络中传送基于电路的网络的传统业务，同时也可以传送新兴的业务。

传送过程：客户边缘设备 CE1 与服务提供商边缘设备 PE1相连， PE1 对要传输的原始业务进行打包封装处理，再通过伪线进行传输。在接收端， PE2 对接收到的业务进行帧校验、重新排序等处理，还原成原始业务，交给客户端设备 CE2。如下图所示：

分组转发技术

MPLS-TP 可以看作是基于MPLS标签的管道技术，利用一组MPLS标签来标识一个端到端的转发路径（ LSP）。

MPLS-TP 分为两层 : 内层为 伪线（ PW）层，标识业务的类型；外层为隧道层，标识业务转发路径。

隧道 Tunnel是基于MPLS-TP的端到端的标签转发通道 本地数据报经过伪线封装为 PW PDU，之后通过隧道 Tunnel传送；边缘设备 PE 执行端业务的封装 / 解封装，还原为本地格式之后传送给目的 CE

报文封装 B-DA：以太网封装目的MAC（ Tunnel_L 隧道标签确定转发路径，其中 B-DA为下一跳节点MAC地址）， 6个字节

B-SA：以太网封装源MAC， 6个字节 0x8100：以太网数据帧标识， 2个字节 B-VID：外层 VLAN tag， 2个字节 0x8847： Pw Over MPLS-TP 标识， 2个字节 Tunnel_L：隧道标签 Label（ TMP）， 4个字

节 PW_L：伪线标签（ TMC）， 4个字节 CW：伪线控制字， 4个字节 Customer Frame：用户数据，净荷，（可包含用户 vlan ）

一共需要在用户报文上增加 26个字节B-DA

B-SA

0x8100

B-VID

0x8847

PW_L

CW

CustomerFrame

tunnel_L

报文转发过程

B-DA

B-SA

0x8100

B-VID

0x8847

PW_L

CW

CustomerFrame

tunnel_L

B-DA

B-SA

0x8100

B-VID

0x8847

PW_L

CW

CustomerFrame

tunnel_L

B-DA

B-SA

0x8100

B-VID

0x8847

PW_L

CW

CustomerFrame

tunnel_L

CustomerFrame

B-DA

B-SA

0x8100

B-VID

0x8847

PW_L

CW

CustomerFrame

tunnel_L

CustomerFrame

CE 节点 PE 节点 P 节点 P 节点 CE 节点PE 节点

添加标签

剥离标签保留

伪线标签

保留伪线标签

保留伪线标签

更新下一跳MAC

更新下一跳MAC

更新下一跳MAC

交换隧道标签

交换隧道标签

交换隧道标签

报文转发过程示例

In label Out label Out Port

25 35 1

45 43 3

1 3

4

MAC 1 MAC 4

MAC2MAC1884745

1 3MAC 2 MAC 3

2

2 41 1

报文转发过程示例

In label Out label Out Port

25 35 1

45 43 3

1 3

4

MAC 1 MAC 4

MAC3MAC2884743

1 3MAC 2 MAC 3

2

2 41 1

报文转发过程示例

1

2

3

4

MAC 1 MAC 4

MAC3MAC2884743

1 3MAC 2 MAC 3

In label Out label Out Port

25 25 2

43 43 4

1

2

3

4MAC3MAC2884743

2 41 1

报文转发过程示例

2

3

4

MAC 1 MAC 4

MAC3MAC2884743

1 3MAC 2 MAC 3

In label Out label Out Port

25 25 2

43 43 4

1

2

3

4

MAC4MAC3884743

2 41 1