PTN支持L3 VPN技术的研究与验证

王牧云

（中国移动通信集团上海有限公司 上海200060）

1 引言

随着即摄即传、高清视频监控、实时在线游戏和移动电视等业务的发展以及全业务IP化需求的激增，原有的2G、3G技术将难以满足日益增长的高速率数据传输需求。当前，LTE技术的不断发展与成熟使得国内外各大运营商对利用LTE高带宽推动移动数据业务、移动宽带业务的发展，提升网络运营的ARPU抱有较高的期望，也越来越重视回传网络中全业务数据传输技术的研究与应用。

在全业务IP化的网络中，带宽需求剧增，新业务层出不穷，QoS向多样化发展，使得传统的SDH疏导变得捉襟见肘。目前，GE以上大颗粒业务的疏导以波分、光纤实现方式为主，但更多的小颗粒分组业务需要更加灵活的承载方式，既要利于分组传送，又要保持端到端部署方式和OAM（operation administration and maintenance，操作、管理、维护）以及电信级保护功能。在这种背景下，PTN（packet transport network，分组传送网）技术应运而生。中国移动通信集团公司（以下简称中国移动）早在2007年就开始了对PTN技术的跟踪研究，2008年9月组织了多个设备厂商进行实验室测试验证，并于2009年4月在5个试点省市进行了大规模的PTN现网应用试点测试工作。试点表明，PTN完全可解决网络IP化基站的承载问题。如今，PTN也是LTE承载网络的优选方案。2011年5月，中国移动在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市开始进行TDLTE规模技术试验，试验网络均采用PTN承载LTE进行高速的数据传输。研究PTN平滑演进，支持LTE的移动回传承载方式对充分发挥LTE的技术优势具有重要意义。

2 PTN+CE的承载方案

当前LTE承载的通用方案是L2-VPN+L3-VPN。从回传网络的可靠性、安全性以及技术的成熟度综合考虑，现网中被广泛采用的是PTN+CE（customer edge router，客户边缘路由器）的组网方案，在回传承载网络的接入、汇聚层采用PTN设备进行基于 EVPL（ethernet virtual private line，以太网虚拟专线业务）的L2数据传输，在核心层采用路由器完成基于L3的数据转发。此方案基本网络架构如图1所示。

该方案中，PTN设备在接入、汇聚层为LTE的数据传输提供二层的虚拟专线通道，在PTN汇聚层核心节点终结二层专线，通过VLAN方式与CE路由器进行互连后，再由CE路由器根据路由表转发给本地的SGW（serving gateway，服务网关）/MME（mobility management entity，移动性管理实体），或者通过IP专网传送到远端的SGW/MME。PTN+CE的承载方案可以满足S1/X2连通、DHCP relay等功能，但由于PTN和CE路由器属于传输和路由两种不同类型的设备，混合组网时将面临以下述无法回避的问题。

（1）电信级保护倒换和全网络OAM

PTN和CE路由器对接广泛采用的IEEE 802.3ah属于慢协议，不支持50 ms以内的电信级保护倒换标准。运营时可能会出现倒换时间严重超标，甚至达到若干秒以上的情况，对电信网络的运营造成极大影响。

（2）全网时间同步的支持性

GPS天线施工难度大、存在安全风险等问题对回传网络支持时间同步提出了较高的要求。传统的路由器虽然也支持 NTP（network time protocol，网络时间协议），但毫秒级的同步精度仍无法满足TD-SCDMA基站间±1.5 μs的同步要求，PTN与CE路由器混合组网实现高精度的时间同步性能有待验证。

（3）业务调度

PTN+CE方案需要IP专网参与调度，LTE数据传输的高带宽、大流量将对现有IP专网形成冲击，大幅增加网络的负荷。

（4）网管能力与网络维护

不论PTN和CE路由器是否属于同一厂商，传输设备与路由器设备的网管系统都存在明显的差异。基于路由器的网管功能比较弱，业务配置、故障定位等主要还借助命令行方式实现，实际应用中无法实现端到端的统一管理，也不利于故障排查。采用两套网管系统也意味着需要不同专业的两组人员对全网进行协作维护，人力成本较高。

（5）设备成本

PTN+CE组网方案中需要在核心层重新引入新的CE路由器设备，对IP专网进行扩容与改造，势必将导致网络建设成本增加。而采用全程PTN设备进行回传承载的方案只需在网络中对已使用的PTN设备进行软件升级，网络的改造和扩容程度相对较小。

3 PTN支持L3VPN的工作方式

PTN支持L3 VPN的网络架构如图2所示。

该方案中，汇聚、接入层仍然采用EVPL的方式进行基于L2的数据传输，而在传输核心层引入支持L3 VPN的 PTN设备，通过 VRF（virtual routing forwarding，虚拟路由转发）表实现不同数据基于L3的转发。如图3所示，具体实现过程如下。

在接入设备CE（customer edge，用户边缘设备）与PTN核心层设备PE1（PE是provider edge，运营商边缘设备）之间创建一条隧道，用于提供一条数据传输通路，实现CE与PE1间端到端的连通。伪线（pseudo wire，PW）承载于隧道中，用于封装客户业务。不同业务可以由不同伪线承载，并在同一条隧道中进行传输。基站业务经由CE处理后，在接收到的数据报文前打上内层PW标签和外层LSP（label switched path，标签交换路径）标签。其中LSP指明了数据传输的路径。在数据传输过程中PTN设备仅对外层LSP标签进行剥离和添加处理进行数据转发。

当数据在接入、汇聚层完成了LSP的最后一跳，到达支持L3 VPN的PTN核心层设备PE1后，PE1终结EVPL业务，将LSP标签和PW标签剥离，并根据封装中VLAN标识和配置的VRF表，完成VLAN向VRF的映射和绑定，通过内部子接口实现L2和L3的桥接。支持L3 VPN的PTN设备间可通过BGP（border gateway protocol，边界网关协议）或静态路由的方式进行L3 VPN的信息交互。核心层的数据转发同样通过外层的LSP标签指明传输路径，而内层的VRF标签则用来区分完成L2和L3桥接后对应的具体业务。根据实际的需求，可将一路或多路L2的VLAN业务映射到一个VRF表后进行转发。

4 PTN支持L3 VPN的保护倒换

为考查PTN支持L3 VPN方案在端到端OAM的独到优势以及现网中PTN设备端到端组网情况下的电信级保护能力，验证大规模组网下PTN支持L3 VPN功能在TD-LTE回传中的性能，中国移动通信集团上海有限公司联合设备厂商，根据上海传输网络的现状进行网络建设与设备部署，对PTN支持L3 VPN方案进行了研究，基于现网复杂的环境，对PTN端到端组网情况下统一网管与OAM的实现、保护倒换等传输网络的重要指标进行测试与验证。通过设备升级，在传输网络的核心层引入4台支持L3 VPN的核心层PTN设备，在现网测试中采用网络分析仪模拟LTE基站进行数据的发送和接收。略去现网拓扑中汇聚、接入环上的部分中间节点，简化的网络模型如图4所示。

在PTN支持L3 VPN的保护倒换方面，实际应用中着重考察L3 VPN的保护功能以及同厂商PTN设备端到端的保护能力，主要关注项包括：

·S1接口业务的1∶1 LSP保护测试；

·动态VPN路由下，L3 VPN业务的FRR（fast reroute，快速重路由）保护；

·核心层PTN设备与SGW/MME的双归保护和VRRP（virtual router redundancy protocol，虚 拟 路 由冗余协议）；

基于图4所示的测试网络模型，主要配置步骤如下：

（1）在核心层PTN设备 PE1、PE2、PE3和 PE4上创建VRF并建立全连接的 LSP，通过 MP-BGP（multi-protocol extensions for BGP，BGP的多协议扩展）发布VPN路由。

（2）在核心层 PE1和 PE2上配置 VRRP，其中 PE1为Master，PE2 为 Slave。

（3）创建一条路径为CE1-CE2-PE4的双向隧道，作为汇聚、接入层数据传输的主用路径，通过PW承载L2的EVPL业务；路径为PE4-PE1的双向隧道作为核心层数据传输的主用路径，通过VRF实现L3 VPN业务的转发。隧道的分段建立是因为基于PW的L2业务和基于L3的VRF路由需分别配置，目前测试的网管系统尚不支持全网端到端业务路径和保护倒换的统一创建与配置。

（4）同理，创建一条路径为 CE1-CE4-CE3-PE3的双向隧道，作为汇聚、接入层数据传输的备用路径，在汇聚接入层为LSP配置1:1的保护；在核心层各网元上配置L3 VPN FRR保护。

配置完成后，设备、链路均正常工作时，CE1的流量沿主用路径传输。为了考察网络的保护倒换性能，采用拔纤、设备断电等方式进行故障模拟，测试结果如下。

·将PE1断电，通过网管观察业务路径的变化情况。汇聚、接入层主用路径CE1-CE2-PE4正常工作，符合预期；核心层PE1和PE2之间的VRRP与L3 VPN业务的FRR保护生效，数据传输路径由PE4-PE1切换为PE4-PE2，再由PE2将倒换后的数据向AGW转发，符合预期；通过两端测试仪收发分组数的差值计算倒换时间，倒换时间为15.6 ms，回切时间为9 ms，符合电信级倒换要求。

·将PE4断电，通过网管观察业务路径的变化情况。汇聚、接入层业务路径由CE1-CE2-PE4切换到CE1-CE4-CE3-PE3，符合预期；核心层业务路径切换为PE3-PE1，符合预期；通过两端测试仪收发分组数的差值计算倒换时间，倒换时间为18 ms，回切时间为8.7 ms，符合电信级倒换要求。

·将CE2断电或拔除PE4与CE2下联端口的尾纤，通过网管观察业务路径的变化情况。汇聚、接入层业务路径由CE1-CE2-PE4切换到CE1-CE4-CE3-PE3，符合预期；核心层业务路径切换为PE3-PE1，符合预期；通过两端测试仪收发分组数的差值计算倒换时间，倒换及回切时间均小于50 ms，符合电信级倒换要求。

5 结束语

PTN技术作为中国移动TD-LTE回传网络的优选承载方案，实现业务端到端PTN承载是LTE回传网络演进的趋势。如今较常用的PTN+CE方案的优势在于产品成熟度高、L3支持性能较好，但对IP专网进行改造、扩容的组网成本较高，整个回传网络中采用传输和路由两套网管设备，需要跨专业维护，且混合组网情况下业务的保护倒换存在不确定性；PTN支持L3 VPN的方案全程采用PTN设备，在网络的电信级保护、统一的OAM和业务调度以及网络的时间同步等方面具有独到的优势，但技术的成熟度以及标准的支撑方面相对滞后。目前，中国移动也正积极推动PTN在CCSA、IETF、ITU-T的标准化进程，研究OAM新标准引入策略。CCSA目前已经完成《PTN总体技术要求》，对于L3 VPN相关功能，已经在标准中进行了定义。在2011年5月开始的LTE技术规模试验中，中国移动也对PTN支持L3 VPN的组网方案进行现网测试，希望通过现网环境中的验证为技术的发展积累经验，以尽早实现高质量、低成本、易维护的LTE回传网络的承载方案，保障、推动LTE技术的运用和发展。

1 王磊，叶雯，李晗等.中国移动PTN网络规划和部署策略.移动通信,2010,34(17):45～50

2 黄晓庆，唐剑锋，徐荣.PTN-IP化分组传送.北京：北京邮电大学出版社，2009

3 中国移动通信集团上海有限公司.上海移动PTN传输设备L3 VPN测试报告，2011