基于MSTP平台的点对点以太网专线在转播中的应用

吕兆明

中央人民广播电台 北京市 100866

基于MSTP平台的点对点以太网专线在转播中的应用

吕兆明

中央人民广播电台 北京市 100866

由于ISDN业务的萎缩，需要确保新的线路用于转播信号的传输。文章主要论述了互联网专线技术，并通过原理对比和实际应用需求对MSTP接入的点对点以太网专线的使用进行了重点介绍。

MSTP多业务传送平台 广播节目转播 点对点以太网专线

引言

转播技术保障中，最关键的是保障现场直播信号安全顺利的回传。考虑到转播的成本和工作周期，转播使用的传输线路基本上都是从运营商租用的，因此，信号传输的安全保障只能通过更优和更合适的线路选择实现。

经历了长期的使用验证，ISDN是很理想的回传选择。由于ISDN业务的快速萎缩，更多时候选择互联网作为传输线路。但分组交换IP数据在传输的安全性和稳定性上始终不如电路交换的ISDN，因此，需要一种资源充足且可靠性高的传输线路作为ISDN的替代选择来保障重大直播的信号传输安全。经过近两年的实践，MSTP接入的点对点以太网专线能很好的满足重大直播的信号传输保障需求。

1 转播信号传输的一般方案

2015年之前，中央人民广播电台（以下简称中央台）一直选择ISDN（Integrated Services Digital Network，综合业务数字网）作为直播的首选主用传输路由。ISDN属于电路交换网络系统，点对点连接的方式，具有稳定的传输带宽，单向64Kbp/s传输能力，支持高质量的音频编码方式。ISDN所具备的线路独立、传输稳定以及足够的带宽等优势能很好地满足直播节目的信号传输。随着国内传输网络技术和设备更新，绝大部分地区都停止提供ISDN业务，在地理上严重限制了台外直播的开展。

随着我国信息高速公路的大力发展，在转播信号传输上互联网已经具备了替代ISDN的技术条件，且互联网相比ISDN的最大优势在于资源覆盖面广。我国互联网覆盖率超过全球平均水平和亚洲平均水平，有超过3.3亿个IPv4地址[1]。在北京、上海、广州，成都、武汉、西安、沈阳、南京、重庆、郑州7个城市建立有网络骨干直联点，中继光缆长度增至近100万公里，凭借SDH、DWDM、OTN等技术的日益成熟和推广，能实现极高的传输速度，骨干网带宽超100Tbp/s。PON技术在接入层和汇聚层的应用成熟普及，使光纤资源基本实现村村通。

2014年，中央台正式使用互联网线路作为转播信号回传路由，绝大部分情况下电信和联通提供的互联网线路在带宽、稳定性、低延时性以及QoS质量等能满足直播的技术需求。

2 以太网点对点专线业务

虽然互联网线路的性能指标足以保障一般的转播任务，但针对需要重点保障的直播节目，互联网线路缺乏有效的安全保障措施，对网络高负荷状态下的数据延迟和阻塞，来自外部的网络攻击和恶意访问等安全隐患无法根除。数字音频信号经过高压缩处理，对传输过程中的丢包、错包十分敏感，丢失一个分组既有可能产生严重的音质受损，影响收听效果。

利用互联网大范围覆盖和骨干网高速传输的优势，保障高质量的重大直播节目信号的传输安全，在不改动现有直播技术设计框架和设备的前提下只能通过专线业务解决。以太网私有专线业务（Ethernet Private Line，EPL）是通过运营商提供的端到端基于以太端口透传，在接入、传送和落地过程中，保证用户独占一个稳定带宽，业务延迟低的传输通道。对用户的数据来说就像一条专线，能保证数据的安全性和私有性。

现代通信分为业务网、传送网和支撑网三部分。直播节目的音频数据属于业务网上的以太网业务，而以太网私有专线属于传输网的一种，用于传输以太网业务的IP数据。以太网私有专线相比起其他一般的互联网接入，在带宽稳定性、传输实时性和QoS等都有大幅度的提高，是高保障级别直播节目的更优选择。目前，运营商提供的以太网私有专线业务中最常用的两种接入方式是MSTP和PTN。

PTN（Packet Transport Network，分组传送网）是一种光传送网络架构技术的统称，作用在IP业务和底层光传输媒质之间，目的是把IP分组数据通过封装适配直接架构在传输光层之上[2]。PTN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，以分组业务为核心并支持多种数据业务，主要有T-MPLS和PBT两种实现技术。

MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多业务传送平台）是指基于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）平台，同时实现TDM、ATM和以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点[3]。

20世纪90年代，SDH被引入国内，现在已经作为成熟的技术广泛应用于骨干网中。SDH系统的电路调度以TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）为基础，有一套标准的信息结构等级，对应一套标准的速率等级。SDH基本的信号传输结构等级是同步传输模块STM-1，速率是155Mb/s。传输模块按4的倍数通过字节间插入同步复接成高等级的数字信号系列，例如，622Mb/s（STM-4）、2.5Gb/s（STM-16）等。传输时按由左到右、由上到下的顺序排列成串型的码流依次传输，每帧传输时间为125μ/s，每秒传输1/125×1000000帧，对STM-1而言每帧比特数为8bit×（9×270×1）= 19440bit，则STM-1的传输速率为19440×8000= 155.520Mbit/s。因此，各级信号速率精确地符合N* 155.520Mbit/s关系，N为同步复用信号等级。通过统一规划的时隙实现数据传输的时间同步，SDH的数据传输具有极高的安全保障和实时性。

SDH特有的技术体系难以高效地承载其他业务数据，尤其是以太网的IP业务。为了提高SDH技术传送数据业务的能力，提出了VC虚级联、链路容量调整方案（LCAS）、通用成帧规程（GFP）和弹性分组环（RPR）等技术，形成了多业务传送平台（MSTP）设备。MSTP最大的优势是在保留SDH以时隙为交换的核心结构的基础上，提高了设备接口的兼容性。

随着互联网技术的快速发展，业务网的以太网业务比重呈爆发性增长。受限于SDH的技术核心理念，MSTP不能有效地利用IP分组技术的统计复用的优点。针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求，以分组业务为内核，实现多业务承载的传输网PTN应运而生。针对分组交换的IP数据，PTN能实现更灵活、高效和低成本的数据承载和网络融合。PTN支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，具有适合各种不同带宽的端到端组网能力，在保证各优先级业务的CIR（Committed Information Rate）的前提下，对空闲带宽按照优先级和EIR（Excess Information Rate）进行合理分配，实现带宽共享，有效地支持突发业务并承载互联网数据。

PTN技术支持大量的IP数据交换和传输，对互联网业务的承载具有明显优势。MSTP是以SDH技术为基础，虽然带宽承载能力不如PTN，但是SDH本身经过多年的实际应用，技术成熟运行稳定。MSTP继承了SDH强大的环网保护与OAM功能，能提供更强的可靠性和实时性[4]。对于单项数据业务，MSTP比PTN在带宽稳定，线路独立，低延迟和高QoS这四方面更有优势，更有利于保障重大直播节目信号的传输。

3 MSTP接入的专线业务

MSTP接入的专线是IP over SDH的一种技术实现，专线业务构建在MSTP设备平台上，通过以太网接口为客户提供点对点或点对多点的数据专线业务，速率在2M～1G/S之间可选。MSTP是在传统的SDH设备上增加了以太网和ATM业务的接入、处理和传送能力，并提供统一网管，既继承了SDH稳定、可靠的特性，又融合了数据网灵活、多样的业务处理能力，其功能架构实现，如图1所示。

SDH传送的是同步信号，有统一的帧结构数字传输标准速率和标准的光路接口。MSTP继承SDH技术优势的基础上，实现业务网IP数据兼容的关键技术主要有以下5项。

3.1 VC级联

图1 MSTP功能架构

VC（Virtual Concatenation）是SDH中的装载负荷的虚容器，其装载量是固定的，最小单位是装载量为2M的VC-12。SDH的复用标准下速率等级只有STM-1、4、16、64和256，分别是155M、622M、2.5G、10G和40G。由于SDH固有的速率等级太少使得其他业务网难以很好地与传统SDH网互联，因此，在ITU-T G.707中提出了级联的概念，把多个VC-12级联起来组成为与所需带宽大小吻合的容器。级联分为相邻级联和虚级联两种。相邻级联指SDH中用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是连续的，共用相同的通道开销(POH)；虚级联指SDH中用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是独立的，其位置可以灵活处理。

3.2 数据封装协议

数据封装协议的作用是把变长的以太网数据以帧为单位封装，映射到VC上。目前，有PPP（Pointto-Point Protocol，点到点协议）、LAPS（Link Access Procedure-SDH，链路接入规程）和GFP（General Framing Procedure，通用成帧规程）三种链路层适配协议，能实现以太网业务的封装。其中，GFP最为高效，实际应用上也是以GFP为主。

3.3 链路容量调整机制LCAS

LCAS（Link Capacity Adjustment Scheme）是建立在源和目的之间双向往来的控制信息系统。LCAS是以虚级联为基础的技术方案，能在不中断数据流的情况下动态调整虚级联个数，将有效净负荷自动映射到可用的VC上，实现虚级联带宽的动态可调。在业务无损伤的前提下，能实现虚级联信号带宽的平滑改变，显著提高网络的利用率。

3.4 多协议标签交换MPLS

MPLS（Multi-Protocol Label Switching）是一种多协议标签交换标准协议，它将第三层技术（如IP路由等）与第二层技术（如ATM、帧中继等）有机地结合起来，从而使得在同一个网络上既能提供点到点传送，也可以提供多点传送以满足多种数据服务需求。MPLS技术使用标签对上层数据进行统一封装，实现了用SDH承载不同类型的数据包。MPLS采用标签机制，路由的计算可以基于以太网拓扑，大大减少了路由设备的数量和复杂度，从整体上优化了以太网数据在MSTP中的传输效率，达到了网络资源的最优化配置和使用。

3.5 弹性分组环RPR

RPR（Resilient Packet Ring）是一种新型的MAC协议，提供MAC层与物理层之间的无关介质的接口。作用是优化环形结构上的数据业务传输，通过对环上的数据帧的操作实现数据业务分级和优先级处理，能高效、公平和安全地处理数据业务[5]。RPR的公平控制算法实现环上节点合理的带宽动态分配机制，环路采用自动拓扑识别技术，使得每个节点都能实时获取到环上链路的拓扑信息，大大提升数据传输效率和质量。如图2所示。

MSTP承载以太网业务需要经过以太网接口、二层交换、数据封装和VC映射四个过程。点对点专线只有2个业务接入点，对用户的以太网MAC帧直接进行点对点的透明传输，不需要MAC地址学习和二层交换功能。专线必须是独享一个VC组以保证带宽固定，不使用LCAS技术对带宽进行动态调整。

图2 MSTP的Ethernet Over SDH实现流程

中央台使用的传输设备是COMREX公司的ACCESS，模拟音频信号经过数字音频编码后，再封装成IP格式的数据输出。采用64kbp/s的HE-AAC编码，加上IP数据开销，数据流码率在100kbp/s以下，一个VC-12足以满足传输带宽的需求，不需要级联扩展带宽。在SDH中每个VC-12都是相互独立的，因此，MSTP专线是端到端的“刚性”传送通道。不同的业务各自占用不同通道或时隙，物理上不受其他业务带宽变化的影响，保障了带宽的独立稳定。

通过GFP数据封装将IP数据映射到SDH的VC-12上，把规格不一的IP数据调整长度和码速后映射到一个信号速率级别恒定的标准大小容器中，从分组交换的数据传输模式变为基于时隙结构的SDH的传输方式。通过GFP封装映射到VC通道后，数据的传输过程不再使用IP的分包转发机制，彻底杜绝了IP报文丢包乱序、数据拥塞延时到达等问题。在SDH中多个VC-12再复用成SDH的标准STM-N时间帧结构，以固定的时隙交换为基础的数据传输实时性强和延时低，数据收发稳定。

MSTP专线具有普通互联网线路所不具备的极高安全性。MSTP设备与互联网物理隔离，完全杜绝了来自互联网攻击的隐患。如果在系统内要对MSTP刚性管道实施攻击，不仅需要解析SDH，还需要获取到业务映射到SDH信号中的时隙构成信息。SDH信号本身非常复杂，破解需要专业的装备，成本极高，而且IP数据通过GFP协议映射进STM-N信号的配置信息也不能轻易解析。在传输过程中，不同业务占用不同的VC资源，在物理上链路固定且相互隔离，完全是物理隔离。

MSTP专线业务兼有SDH的高可靠性和以太网的易用性，能有效的解决IP数据的高效可靠传输问题，实现端到端的QoS保证，为重大直播节目提供安全保障。在实际工作中，中央人民广播电台曾在唐山和海南使用过MSTP接入的点对点互联网专线。2016年，博鳌亚洲论坛开幕式的转播，由海南电信提供的MSTP专线，在北京的主控机房内用于接收转播回传信号的ACCESS的实时数据监控界面，本地接收误码率（Frame Loss Rate）一直保持在0.1%以下。如图3所示。

结束语

图3 ACCESS的实时数据监测界面

MSTP接入的点对点以太网专线凭借SDH特有的时分传输，能为IP数据提供物理隔离，带宽固定且低延时的“刚性”传输管道。同时，继承了SDH环网自愈保护机制及LCAS机制，安全性强、技术成熟、管理能力强和全程可管可控。SDH作为成熟的技术早已广泛应用于跨国企业、银行、证券等需要高速业务传送的行业，基于SDH的MSTP平台十分适合于电路租用等实时业务，尤其是要求实时传输的直播节目信号。

在实际使用中最大的问题在于，点对点专线业务需要运营商逐级进行业务配置，无法实现快速开通。开通周期长，一般需要提前1个月以上向运营商提出业务申请，前期准备工作需要及时开展，当数据业务较多的时候尤其如此。

在现有的以太网点对点专线实现技术中，使用MSTP技术接入的专线在高可靠性、高安全性和高QoS上有着明显的优势，能有效的对直播节目信号传输实施重点保障，是重大转播信号路由的最佳承载方案。

[1]CNN IC，2015年第37次《中国互联网络发展状况统计报告》[R]，2016

[2]杨一荔，PTN技术[M]，北京：人民邮电出版社，2014

[3]曹蓟光，吴英桦，多业务传送平台(MSTP)技术与应用[M]，北京：人民邮电出版社，2003

[4]钟修强，董永生，朱羽。基于MSTP技术的广播远程直播系统[J]，《广播与电视技术》，2013，40（5）：56-56

[5]刘渊，张杰，顾畹仪.MSTP以太环网功能实现方案选择[J]，《光通信研究》，2005（3）

审稿人：孙生和 内蒙古广播电视台正高级工程师

责任编辑：王学敏

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2096-0751（2016）09-0020-06

吕兆明 中央人民广播电台 助理工程师