[信息与通信]4-基于以太网技术体系的分组传送

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1、分组传送网原理与技术北京阿法迪信息技术研究中心 http:/www.iforward.org/面向业务传送技术的演进面向业务传送技术的演进基于基于T-MPLST-MPLS的分组传送的分组传送基于以太网技术体系的分组传送基于以太网技术体系的分组传送124分组传送网原理与技术基于基于MPLS-TPMPLS-TP的分组传送的分组传送3基于以太网技术体系的分组传送基于以太网技术体系的分组传送34.1 4.1 传统传统传统传统 以太网技以太网技术术术术回回顾顾顾顾24传统以太网的发展1976年，施乐（Xerox）公司设计了第一个局域网系统， 被命名为Ethernet，带宽为2.94Mbps 1980年，

2、DEC、Intel和Xerox联合发表了Ethernet Version 2规范，将带宽提高到了10Mbps，并正式投入商 业市场 1982年12月，IEEE通过了802.3 CSMA/CD规范 1990年，推出交换以太网技术 1993年，推出全双工以太网技术 1995年3月，通过了802.3u，即100Mbps的以太网 1998年6月，通过了802.3z，进入千兆以太网时代 2002年，通过了802.3ae，即10Gbps的以太网 2007年，提出了802.3ba，目标40Gbps/100Gbps4传统以太网的特色 以太网是计算机网络中应用最为广泛的一种局域网技术，以太网帧可以 封装任何协议

3、数据，实际上大量携带的都是IP数据包。 自从Internet问世以来，以太网就是IP网络的第一级汇聚网络，互联网 工程任务组(IETF)定义了大量的技术规范使得用户主机可以方便地经由 以太网接入Internet，以太网的广播特性极大地简化了用户自动发现、 地址聚合、可靠接入的实现。 以太网技术的突出优点是易于使用、成本低、灵活性好。以太网通过全 球标准化的网络接口提供服务，几乎所有IP 网络设备和主机都装备有以 太网网卡。采用以太网技术联网，对于用户来说可以即插即用，对于运 营商来说可以简化网络的运行、管理和配备。 以太网技术还可以灵活地为用户提供各种联网服务，例如：企业用户通 过同一个以太网

4、接口既可以经由内联网虚拟专用网(VPN)连接不同地理 位置的子网，也可以经由外联网VPN和合作方或供应商连接，还可以实 现和因特网服务提供商(ISP)的高速连接。5以太网从诞生至今已经超过30年，取得了巨大的成功。6以太网的媒体访问控制技术 以太网采用共享媒体方式传输数据信息 总线收发数据 网络上的任何站点都是独立的，存在争用总线的问 题 以太网采用CSMA/CD技术解决独立站点共享总线 引起的问题 CSMA协议 Carrier Sense Multiple Access，即载波侦听多路访问 数据帧以广播方式在整个总线上传输 所有连接在总线上的站点都能收听到该数据帧 总线状态：“空闲”和“忙”

5、 每个站点在使用总线发送数据帧前侦听总线，根据总线状态 来决定自己发送帧的时间67CSMA协议决定发送帧时间的算法总线状态总线状态“ “忙忙” ”“ “空闲空闲” ”非坚持非坚持CSMACSMA1-1-坚持坚持CSMACSMAp-p-坚持坚持CSMACSMA随机等待一段时间随机等待一段时间 后再次侦听总线后再次侦听总线立即发送数据帧立即发送数据帧立即发送数据帧立即发送数据帧坚持侦听坚持侦听坚持侦听坚持侦听以以p(0p1)p(0p1)概率发送概率发送 帧；以帧；以1-p1-p概率延迟直概率延迟直 到侦听到总线到侦听到总线“ “空闲空闲” ” 再发送数据帧再发送数据帧78冲突检测协议（Collis

6、ion Detection ）冲突：发生两个以上站点同时使用总线的现象 一个站点已经在使用总线，其它站点再去使用总线 CSMA可以避免产生这种类型的冲突 两个站点同时开始使用总线 CSMA无法避免此种冲突的发生，需要由CD协议来弥补 CD协议 要求数据帧发送站点在发送帧的同时要检测是否产生了 冲突 一旦发现冲突，立即停止当前数据帧的发送，并发出一 个特殊的冲突信号以通知总线上的其它站点发生了冲突 冲突时间：从数据开始发送到冲突信号在总线上传输给 每个站点所花的时间 冲突时间决定了网络直径或总线长度89集线器 共享以太网Tag TCI (Tag Control Info), Tag 控制信息,

7、如版本、标志位等, 8bits ; PRI/DE, 优先级/丢弃优先级,4bits ; SID (Service Instance ID) , 服务实例ID,20bit s ；36Ether TypeTCIPRI/DES-IDB-DA、B-SA和B-Tag B-DA和B-SA分别是PBBN出口和入口边缘网桥的骨干MAC层 地址，需要注意的是，骨干MAC层地址是由运营商分配的，独 立于用户MAC层地址。当数据帧进入PBBN时，由入口边缘网 桥确定并添加这两个字段，于是在PBBN中转发数据时只需学 习骨干MAC层地址即可，不需要学习用户MAC层地址。 由于边缘网桥的数量有限，因此它解决了MAC层地

8、址学习的可 扩展性问题。 B-Tag （B-VID）是PBBN内有效的VLAN-ID，长度为12 bits， 其作用是将PBBN进一步划分为多个广播域，以提高带宽利用 率，并可藉此实现PBBN的网络负荷分担。 PBBN入口边缘网桥首先学习数据帧的C-DA和C-SA，确定B- DA和B-SA，再根据C-Tag/S-Tag 映射得到I-Tag， 最后将I-Tag 与B-Tag绑定，PBBN中的网桥将根据B-DA和B-Tag进行数据转 发。 由于帧格式中实现了MAC地址的嵌套，因此802.1ah又可以被称 为MAC in MAC标准，37以太网帧格式的演进38PBB的特点1.MAC in MAC封装

9、方式明确了承载网和用户间的界限，完全屏蔽了 用户侧的信息，同时隔离了核心网，减轻了用户MAC地址对核心 网路由器转发表的压力，解决了网络安全性问题。 2.MAC in MAC封装具有清晰的层次化结构，在运营商域的MAC帧头 具有24bit业务标签，理论上可以支持1600万用户，从根本上解决 了网络扩展性和业务扩展性问题。 3.由于承载网与用户网隔离，从而也规避了用户网中可能发生的广播 风暴和潜在的转发环路问题，使网络具有健壮性。 4.由于运营商无需担心承载网的VLAN和MAC地址与用户网冲突，因 而简化了网络的规划和运营。 5.MACinMAC采用二层封装技术，无需复杂信令机制。另外，由于 承

10、载网的以太网交换机只需要学习自己的MAC地址，从而减少了 所需的存储和处理要求。两者结合导致设备成本、建网成本和运维 成本均较低。 6.采用MAC in MAC封装，具有很强的灵活性，很适合接入汇聚层应 用。39这种在以太网领域新的革新极大地增强以太网的可扩展性和其作为传送网络 技术的能力，令以太网取得了允许网络层次化的可扩展性，实现了完全同用 户广播域的隔离，是以太网向运营级网络迈出的重要一步PBB的改进在MAC in MAC封装的基础上，如果采用流量工程一 类的功能仍然存在一些缺陷: 首先，流量工程要求在多种方式路由交通流量，以便 实现运营设施的充分利用。 其次，流量工程要求具有强制或约束

11、性的路由管理以 及业务的接入控制，实现业务保障性。 第三，保护能力要求一些业务具有迅速恢复能力。例 如一些网络要求在20ms的时间内从故障中恢复。 第四，保护必须支持流量工程并具有全程的Qos保障 。40为了克服这些缺点，就诞生了PBB-TE技术，简称PBT。PBT的引入- 802.1Qay 上述运营商骨干网桥(PBB) 技术解决了可扩展性的问 题，但是数据转发还是无连接模式。为了提高QoS性 能，IEEE又在其基础上作少量改动，提出了PBB-话 务工程(PBB-TE)技术，简称PBT，即802.1Qay标准 。 它保留MAC in MAC帧格式，但是关掉了以太网的生 成树和MAC地址学习功能

12、，通过建立面向连接的隧道 进行数据转发，并增强一些电信级OAM功能，从而 提供具有类似同步数字体系(SDH)可靠性和管理能力 的硬QoS和电信级性能的专用以太网链路，将无连接 的以太网改造为面向连接的网络，实现以太网上端到 端的业务提供和管理功能。41PBT与PBB之间的关系 PBT技术的核心是对PBB技术进行改进，通过网络管理和 控制，使CE中的业务事实上具有连接性，以便实现保护 倒换OAM、QoS、TE等电信网络的功能。 PBT技术去掉了PBB技术的部分内容，因此支持PBT技术 的设备，将会丢弃未知目的地的数据，而不是把它洪泛到 所有潜在目的地。 PBT技术关闭了多播功能，不转发而是丢弃多

13、播数据; PBT 技术关闭了广播学习功能，因为通过网络的PBT通路是预 先定义好的； PBT技术还关闭了用于阻止网络内出现环路的协议，因为 对数据帧的转发路径是预先配置好的，不再需要阻止环路 协议，这样有助于提高网络的利用率 运营商可以管理不 同路由上的负载，有效地防止负载不均衡情况的发生。42PBT业务转发原理 PBT是运营商网桥(PBB)的改进，允许配置流量工程和保 护。 PBT技术采用骨干网目的MAC地址加上骨干网VLAN标识 符(B-DA+B-Tag/B-VID) 进行业务转发。使网络受到运营 商的控制并能隔离用户流量，这样内层用户C-VID不必在 全网中惟一，不同的运营商目的MAC地

14、址(B-DA)可以采 用相同的用户VLAN标识符(C-VID)，不会造成数据帧在 转发中的冲突。 PBT技术能够和传统以太网桥的硬件兼容，不需要对网络 中间结点进行更新即可基于B-DA+B-VID对数据帧进行转 发，数据帧也不需要修改，转发效率高，可支持面向连接 网络中具备的带宽管理功能和连接接纳控制(CAC)功能以 实现对网络资源的管理，通过网管配置或通过网络控制器 (NC)建立连接，能很方便地实现灵活的路由和TE。43PBT网络结构44终端用户以太网数据帧再封装成CE帧头，形成两个MAC地址，在运营商核心网中 ，只按照后一个封装的MAC地址进行流量转发通过PBT，可以构建完全基于以太网技术

15、 基础的电信级网络，而不需要其他的支撑 网络。 PBT能满足电信级应用的基本需求，它提 供可管理和受保护的点到点连接，且其连 接是直接由网络管理系统提供的，而不是 采用以太网的MAC自学习机制以避免广 播泛滥，从而使得网络更加稳定、运行更 加简洁。PBT的可扩展性 通过关闭传统以太网复杂的MAC地址学习、广播和 生成树协议，避免了用户网中可能发生的广播风暴问 题，去除了产生MAC洪泛从而限制网络规模的广播 功能。 采用B-VID+MAC(60 bit )地址作为全球惟一地址和基 于目的地址的转发，使网络具有260个隧道，从而消除 了业务扩展性限制。 基于MAC-in-MAC封装方式，根据 B-

16、VID+B-MAC 模 式进行数据转发，VID用来识别特定通道，不具有全 局惟一性，可有效扩展用户和运营商的地址空间，消 除业务扩展性限制。45PBT的技术特点（1） 支持硬QoS：PBT转发信息不再依靠传统的泛洪和学习，而是由网管/ 控制平面直接提供，通过定义一个分组穿越网络所需的路 由，从而可以为网络提供确知的通道，业务供应商现在可 以为他们的网络提供TE 无需超额指配网络容量就能提供 硬QoS，实现带宽预留和50 ms的保护倒换时间这使得业务 供应商可以最大化网络的利用率，进而也就降低了携带每 个比特所需的开销 支持TDM：PBT采用二层封装技术提供简单的点对点通道，无需复杂 的信令机制，可以与现有WAN技术互通，不仅能够支持 各种以太网业务，还能够支持各种基于MPLS的业务，包 括二层的虚拟专用LAN业务(VPLS)和虚拟伪线业务以及三 层的IPVPN业务等，具有相当的业务灵活性 以太网交换机 非常低的时延和P