呂兆明

中央人民廣播電臺 北京市 100866

基于MSTP平臺的點對點以太網專線在轉播中的應用

呂兆明

中央人民廣播電臺 北京市 100866

由于ISDN業(yè)務的萎縮，需要確保新的線路用于轉播信號的傳輸。文章主要論述了互聯(lián)網專線技術，并通過原理對比和實際應用需求對MSTP接入的點對點以太網專線的使用進行了重點介紹。

MSTP多業(yè)務傳送平臺 廣播節(jié)目轉播 點對點以太網專線

引言

轉播技術保障中，最關鍵的是保障現(xiàn)場直播信號安全順利的回傳?？紤]到轉播的成本和工作周期，轉播使用的傳輸線路基本上都是從運營商租用的，因此，信號傳輸的安全保障只能通過更優(yōu)和更合適的線路選擇實現(xiàn)。

經歷了長期的使用驗證，ISDN是很理想的回傳選擇。由于ISDN業(yè)務的快速萎縮，更多時候選擇互聯(lián)網作為傳輸線路。但分組交換IP數據在傳輸的安全性和穩(wěn)定性上始終不如電路交換的ISDN，因此，需要一種資源充足且可靠性高的傳輸線路作為ISDN的替代選擇來保障重大直播的信號傳輸安全。經過近兩年的實踐，MSTP接入的點對點以太網專線能很好的滿足重大直播的信號傳輸保障需求。

1 轉播信號傳輸的一般方案

2015年之前，中央人民廣播電臺（以下簡稱中央臺）一直選擇ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業(yè)務數字網）作為直播的首選主用傳輸路由。ISDN屬于電路交換網絡系統(tǒng)，點對點連接的方式，具有穩(wěn)定的傳輸帶寬，單向64Kbp/s傳輸能力，支持高質量的音頻編碼方式。ISDN所具備的線路獨立、傳輸穩(wěn)定以及足夠的帶寬等優(yōu)勢能很好地滿足直播節(jié)目的信號傳輸。隨著國內傳輸網絡技術和設備更新，絕大部分地區(qū)都停止提供ISDN業(yè)務，在地理上嚴重限制了臺外直播的開展。

隨著我國信息高速公路的大力發(fā)展，在轉播信號傳輸上互聯(lián)網已經具備了替代ISDN的技術條件，且互聯(lián)網相比ISDN的最大優(yōu)勢在于資源覆蓋面廣。我國互聯(lián)網覆蓋率超過全球平均水平和亞洲平均水平，有超過3.3億個IPv4地址[1]。在北京、上海、廣州，成都、武漢、西安、沈陽、南京、重慶、鄭州7個城市建立有網絡骨干直聯(lián)點，中繼光纜長度增至近100萬公里，憑借SDH、DWDM、OTN等技術的日益成熟和推廣，能實現(xiàn)極高的傳輸速度，骨干網帶寬超100Tbp/s。PON技術在接入層和匯聚層的應用成熟普及，使光纖資源基本實現(xiàn)村村通。

2014年，中央臺正式使用互聯(lián)網線路作為轉播信號回傳路由，絕大部分情況下電信和聯(lián)通提供的互聯(lián)網線路在帶寬、穩(wěn)定性、低延時性以及QoS質量等能滿足直播的技術需求。

2 以太網點對點專線業(yè)務

雖然互聯(lián)網線路的性能指標足以保障一般的轉播任務，但針對需要重點保障的直播節(jié)目，互聯(lián)網線路缺乏有效的安全保障措施，對網絡高負荷狀態(tài)下的數據延遲和阻塞，來自外部的網絡攻擊和惡意訪問等安全隱患無法根除。數字音頻信號經過高壓縮處理，對傳輸過程中的丟包、錯包十分敏感，丟失一個分組既有可能產生嚴重的音質受損，影響收聽效果。

利用互聯(lián)網大范圍覆蓋和骨干網高速傳輸的優(yōu)勢，保障高質量的重大直播節(jié)目信號的傳輸安全，在不改動現(xiàn)有直播技術設計框架和設備的前提下只能通過專線業(yè)務解決。以太網私有專線業(yè)務（Ethernet Private Line，EPL）是通過運營商提供的端到端基于以太端口透傳，在接入、傳送和落地過程中，保證用戶獨占一個穩(wěn)定帶寬，業(yè)務延遲低的傳輸通道。對用戶的數據來說就像一條專線，能保證數據的安全性和私有性。

現(xiàn)代通信分為業(yè)務網、傳送網和支撐網三部分。直播節(jié)目的音頻數據屬于業(yè)務網上的以太網業(yè)務，而以太網私有專線屬于傳輸網的一種，用于傳輸以太網業(yè)務的IP數據。以太網私有專線相比起其他一般的互聯(lián)網接入，在帶寬穩(wěn)定性、傳輸實時性和QoS等都有大幅度的提高，是高保障級別直播節(jié)目的更優(yōu)選擇。目前，運營商提供的以太網私有專線業(yè)務中最常用的兩種接入方式是MSTP和PTN。

PTN（Packet Transport Network，分組傳送網）是一種光傳送網絡架構技術的統(tǒng)稱，作用在IP業(yè)務和底層光傳輸媒質之間，目的是把IP分組數據通過封裝適配直接架構在傳輸光層之上[2]。PTN是針對分組業(yè)務流量的突發(fā)性和統(tǒng)計復用傳送的要求而設計，以分組業(yè)務為核心并支持多種數據業(yè)務，主要有T-MPLS和PBT兩種實現(xiàn)技術。

MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務傳送平臺）是指基于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系）平臺，同時實現(xiàn)TDM、ATM和以太網等業(yè)務的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網管的多業(yè)務節(jié)點[3]。

20世紀90年代，SDH被引入國內，現(xiàn)在已經作為成熟的技術廣泛應用于骨干網中。SDH系統(tǒng)的電路調度以TDM（Time Division Multiplexing，時分復用）為基礎，有一套標準的信息結構等級，對應一套標準的速率等級。SDH基本的信號傳輸結構等級是同步傳輸模塊STM-1，速率是155Mb/s。傳輸模塊按4的倍數通過字節(jié)間插入同步復接成高等級的數字信號系列，例如，622Mb/s（STM-4）、2.5Gb/s（STM-16）等。傳輸時按由左到右、由上到下的順序排列成串型的碼流依次傳輸，每幀傳輸時間為125μ/s，每秒傳輸1/125×1000000幀，對STM-1而言每幀比特數為8bit×（9×270×1）= 19440bit，則STM-1的傳輸速率為19440×8000= 155.520Mbit/s。因此，各級信號速率精確地符合N* 155.520Mbit/s關系，N為同步復用信號等級。通過統(tǒng)一規(guī)劃的時隙實現(xiàn)數據傳輸的時間同步，SDH的數據傳輸具有極高的安全保障和實時性。

SDH特有的技術體系難以高效地承載其他業(yè)務數據，尤其是以太網的IP業(yè)務。為了提高SDH技術傳送數據業(yè)務的能力，提出了VC虛級聯(lián)、鏈路容量調整方案（LCAS）、通用成幀規(guī)程（GFP）和彈性分組環(huán)（RPR）等技術，形成了多業(yè)務傳送平臺（MSTP）設備。MSTP最大的優(yōu)勢是在保留SDH以時隙為交換的核心結構的基礎上，提高了設備接口的兼容性。

隨著互聯(lián)網技術的快速發(fā)展，業(yè)務網的以太網業(yè)務比重呈爆發(fā)性增長。受限于SDH的技術核心理念，MSTP不能有效地利用IP分組技術的統(tǒng)計復用的優(yōu)點。針對分組業(yè)務流量的突發(fā)性和統(tǒng)計復用傳送的要求，以分組業(yè)務為內核，實現(xiàn)多業(yè)務承載的傳輸網PTN應運而生。針對分組交換的IP數據，PTN能實現(xiàn)更靈活、高效和低成本的數據承載和網絡融合。PTN支持多種基于分組交換業(yè)務的雙向點對點連接通道，具有適合各種不同帶寬的端到端組網能力，在保證各優(yōu)先級業(yè)務的CIR（Committed Information Rate）的前提下，對空閑帶寬按照優(yōu)先級和EIR（Excess Information Rate）進行合理分配，實現(xiàn)帶寬共享，有效地支持突發(fā)業(yè)務并承載互聯(lián)網數據。

PTN技術支持大量的IP數據交換和傳輸，對互聯(lián)網業(yè)務的承載具有明顯優(yōu)勢。MSTP是以SDH技術為基礎，雖然帶寬承載能力不如PTN，但是SDH本身經過多年的實際應用，技術成熟運行穩(wěn)定。MSTP繼承了SDH強大的環(huán)網保護與OAM功能，能提供更強的可靠性和實時性[4]。對于單項數據業(yè)務，MSTP比PTN在帶寬穩(wěn)定，線路獨立，低延遲和高QoS這四方面更有優(yōu)勢，更有利于保障重大直播節(jié)目信號的傳輸。

3 MSTP接入的專線業(yè)務

MSTP接入的專線是IP over SDH的一種技術實現(xiàn)，專線業(yè)務構建在MSTP設備平臺上，通過以太網接口為客戶提供點對點或點對多點的數據專線業(yè)務，速率在2M～1G/S之間可選。MSTP是在傳統(tǒng)的SDH設備上增加了以太網和ATM業(yè)務的接入、處理和傳送能力，并提供統(tǒng)一網管，既繼承了SDH穩(wěn)定、可靠的特性，又融合了數據網靈活、多樣的業(yè)務處理能力，其功能架構實現(xiàn)，如圖1所示。

SDH傳送的是同步信號，有統(tǒng)一的幀結構數字傳輸標準速率和標準的光路接口。MSTP繼承SDH技術優(yōu)勢的基礎上，實現(xiàn)業(yè)務網IP數據兼容的關鍵技術主要有以下5項。

3.1 VC級聯(lián)

圖1 MSTP功能架構

VC（Virtual Concatenation）是SDH中的裝載負荷的虛容器，其裝載量是固定的，最小單位是裝載量為2M的VC-12。SDH的復用標準下速率等級只有STM-1、4、16、64和256，分別是155M、622M、2.5G、10G和40G。由于SDH固有的速率等級太少使得其他業(yè)務網難以很好地與傳統(tǒng)SDH網互聯(lián)，因此，在ITU-T G.707中提出了級聯(lián)的概念，把多個VC-12級聯(lián)起來組成為與所需帶寬大小吻合的容器。級聯(lián)分為相鄰級聯(lián)和虛級聯(lián)兩種。相鄰級聯(lián)指SDH中用來承載以太網業(yè)務的各個VC在SDH的幀結構中是連續(xù)的，共用相同的通道開銷(POH)；虛級聯(lián)指SDH中用來承載以太網業(yè)務的各個VC在SDH的幀結構中是獨立的，其位置可以靈活處理。

3.2 數據封裝協(xié)議

數據封裝協(xié)議的作用是把變長的以太網數據以幀為單位封裝，映射到VC上。目前，有PPP（Pointto-Point Protocol，點到點協(xié)議）、LAPS（Link Access Procedure-SDH，鏈路接入規(guī)程）和GFP（General Framing Procedure，通用成幀規(guī)程）三種鏈路層適配協(xié)議，能實現(xiàn)以太網業(yè)務的封裝。其中，GFP最為高效，實際應用上也是以GFP為主。

3.3 鏈路容量調整機制LCAS

LCAS（Link Capacity Adjustment Scheme）是建立在源和目的之間雙向往來的控制信息系統(tǒng)。LCAS是以虛級聯(lián)為基礎的技術方案，能在不中斷數據流的情況下動態(tài)調整虛級聯(lián)個數，將有效凈負荷自動映射到可用的VC上，實現(xiàn)虛級聯(lián)帶寬的動態(tài)可調。在業(yè)務無損傷的前提下，能實現(xiàn)虛級聯(lián)信號帶寬的平滑改變，顯著提高網絡的利用率。

3.4 多協(xié)議標簽交換MPLS

MPLS（Multi-Protocol Label Switching）是一種多協(xié)議標簽交換標準協(xié)議，它將第三層技術（如IP路由等）與第二層技術（如ATM、幀中繼等）有機地結合起來，從而使得在同一個網絡上既能提供點到點傳送，也可以提供多點傳送以滿足多種數據服務需求。MPLS技術使用標簽對上層數據進行統(tǒng)一封裝，實現(xiàn)了用SDH承載不同類型的數據包。MPLS采用標簽機制，路由的計算可以基于以太網拓撲，大大減少了路由設備的數量和復雜度，從整體上優(yōu)化了以太網數據在MSTP中的傳輸效率，達到了網絡資源的最優(yōu)化配置和使用。

3.5 彈性分組環(huán)RPR

RPR（Resilient Packet Ring）是一種新型的MAC協(xié)議，提供MAC層與物理層之間的無關介質的接口。作用是優(yōu)化環(huán)形結構上的數據業(yè)務傳輸，通過對環(huán)上的數據幀的操作實現(xiàn)數據業(yè)務分級和優(yōu)先級處理，能高效、公平和安全地處理數據業(yè)務[5]。RPR的公平控制算法實現(xiàn)環(huán)上節(jié)點合理的帶寬動態(tài)分配機制，環(huán)路采用自動拓撲識別技術，使得每個節(jié)點都能實時獲取到環(huán)上鏈路的拓撲信息，大大提升數據傳輸效率和質量。如圖2所示。

MSTP承載以太網業(yè)務需要經過以太網接口、二層交換、數據封裝和VC映射四個過程。點對點專線只有2個業(yè)務接入點，對用戶的以太網MAC幀直接進行點對點的透明傳輸，不需要MAC地址學習和二層交換功能。專線必須是獨享一個VC組以保證帶寬固定，不使用LCAS技術對帶寬進行動態(tài)調整。

圖2 MSTP的Ethernet Over SDH實現(xiàn)流程

中央臺使用的傳輸設備是COMREX公司的ACCESS，模擬音頻信號經過數字音頻編碼后，再封裝成IP格式的數據輸出。采用64kbp/s的HE-AAC編碼，加上IP數據開銷，數據流碼率在100kbp/s以下，一個VC-12足以滿足傳輸帶寬的需求，不需要級聯(lián)擴展帶寬。在SDH中每個VC-12都是相互獨立的，因此，MSTP專線是端到端的“剛性”傳送通道。不同的業(yè)務各自占用不同通道或時隙，物理上不受其他業(yè)務帶寬變化的影響，保障了帶寬的獨立穩(wěn)定。

通過GFP數據封裝將IP數據映射到SDH的VC-12上，把規(guī)格不一的IP數據調整長度和碼速后映射到一個信號速率級別恒定的標準大小容器中，從分組交換的數據傳輸模式變?yōu)榛跁r隙結構的SDH的傳輸方式。通過GFP封裝映射到VC通道后，數據的傳輸過程不再使用IP的分包轉發(fā)機制，徹底杜絕了IP報文丟包亂序、數據擁塞延時到達等問題。在SDH中多個VC-12再復用成SDH的標準STM-N時間幀結構，以固定的時隙交換為基礎的數據傳輸實時性強和延時低，數據收發(fā)穩(wěn)定。

MSTP專線具有普通互聯(lián)網線路所不具備的極高安全性。MSTP設備與互聯(lián)網物理隔離，完全杜絕了來自互聯(lián)網攻擊的隱患。如果在系統(tǒng)內要對MSTP剛性管道實施攻擊，不僅需要解析SDH，還需要獲取到業(yè)務映射到SDH信號中的時隙構成信息。SDH信號本身非常復雜，破解需要專業(yè)的裝備，成本極高，而且IP數據通過GFP協(xié)議映射進STM-N信號的配置信息也不能輕易解析。在傳輸過程中，不同業(yè)務占用不同的VC資源，在物理上鏈路固定且相互隔離，完全是物理隔離。

MSTP專線業(yè)務兼有SDH的高可靠性和以太網的易用性，能有效的解決IP數據的高效可靠傳輸問題，實現(xiàn)端到端的QoS保證，為重大直播節(jié)目提供安全保障。在實際工作中，中央人民廣播電臺曾在唐山和海南使用過MSTP接入的點對點互聯(lián)網專線。2016年，博鰲亞洲論壇開幕式的轉播，由海南電信提供的MSTP專線，在北京的主控機房內用于接收轉播回傳信號的ACCESS的實時數據監(jiān)控界面，本地接收誤碼率（Frame Loss Rate）一直保持在0.1%以下。如圖3所示。

結束語

圖3 ACCESS的實時數據監(jiān)測界面

MSTP接入的點對點以太網專線憑借SDH特有的時分傳輸，能為IP數據提供物理隔離，帶寬固定且低延時的“剛性”傳輸管道。同時，繼承了SDH環(huán)網自愈保護機制及LCAS機制，安全性強、技術成熟、管理能力強和全程可管可控。SDH作為成熟的技術早已廣泛應用于跨國企業(yè)、銀行、證券等需要高速業(yè)務傳送的行業(yè)，基于SDH的MSTP平臺十分適合于電路租用等實時業(yè)務，尤其是要求實時傳輸的直播節(jié)目信號。

在實際使用中最大的問題在于，點對點專線業(yè)務需要運營商逐級進行業(yè)務配置，無法實現(xiàn)快速開通。開通周期長，一般需要提前1個月以上向運營商提出業(yè)務申請，前期準備工作需要及時開展，當數據業(yè)務較多的時候尤其如此。

在現(xiàn)有的以太網點對點專線實現(xiàn)技術中，使用MSTP技術接入的專線在高可靠性、高安全性和高QoS上有著明顯的優(yōu)勢，能有效的對直播節(jié)目信號傳輸實施重點保障，是重大轉播信號路由的最佳承載方案。

[1]CNN IC，2015年第37次《中國互聯(lián)網絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》[R]，2016

[2]楊一荔，PTN技術[M]，北京：人民郵電出版社，2014

[3]曹薊光，吳英樺，多業(yè)務傳送平臺(MSTP)技術與應用[M]，北京：人民郵電出版社，2003

[4]鐘修強，董永生，朱羽?；贛STP技術的廣播遠程直播系統(tǒng)[J]，《廣播與電視技術》，2013，40（5）：56-56

[5]劉淵，張杰，顧畹儀.MSTP以太環(huán)網功能實現(xiàn)方案選擇[J]，《光通信研究》，2005（3）

審稿人：孫生和 內蒙古廣播電視臺正高級工程師

責任編輯：王學敏

TN 939.11

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2096-0751（2016）09-0020-06

呂兆明 中央人民廣播電臺 助理工程師