Provider Backbone Transport

Provider Backbone Bridge Traffic Engineering

Dans le domaine des télécommunications, Provider Backbone Bridge - Traffic Engineering (PBB-TE), également connu sous le nom de Provider Backbone Transport (PBT), est un protocole de communication Ethernet de classe opérateur. Il repose sur des extensions du protocole Ethernet natif, protocole de niveau 2 habituellement utilisé dans les réseaux locaux d'entreprise, afin de le rendre plus fiable, extensible et déterministe et qu'il puisse être utilisé comme protocole de transport dans les réseaux de grande dimension, notamment les réseaux de nouvelle génération des fournisseurs de services de télécommunications. PBT reprend en particulier les concepts de marquage de VLAN selon la spécification IEEE 802.1Q, "Q-in-Q" selon la spécification IEEE 802.1ad (Provider Bridging) et "MAC-in-MAC" selon la spécification IEEE 802.1ah (Provider Backbone Bridge ou "PBB"). Mais PBT désactive le concept de "flooding/broadcasting" et le protocole "spanning tree". PBT est en voie de normalisation à l'IEEE sous l'intitulé 802.1qay.

Contexte et motivations

Ethernet est le protocole de communication de niveau 2 le plus fréquemment utilisé par les entreprises dans leur réseau informatique. Ethernet est également utilisé de plus en plus fréquemment par les opérateurs dans les Réseaux de Nouvelle Génération^[1], en particulier dans les segments d’accès et métropolitains. Les services et protocoles "Ethernet de classe opérateur" sont examinés par le Metro Ethernet Forum, l'IEEE, l'IETF et d'autres instances de normalisation afin de répondre aux exigences spécifiques de cet environnement.

Dans le segment coeur de leur réseau, beaucoup d'opérateurs utilisent aujourd’hui MPLS pour assurer l’ingénierie de trafic et la qualité de service. En revanche, l’extension de MPLS dans les segments d’accès et métropolitains du réseau est moins avancée. Cette solution, si elle est techniquement viable, introduit dans certains cas de figure un ensemble de difficultés liées à la gestion et à l'évolutivité du réseau, qui en fin de compte augmentent le coût et la complexité d'exploitation. Plusieurs solutions alternatives émergentes ont été proposées parmi lesquelles Transport MPLS (T-MPLS)^[2], "Provider VLAN Transport" (PVT)^[3] et PBT. L’intérêt du marché pour cette dernière solution est allé croissant^[4] en partie depuis que BT a annoncé en janvier 2007 vouloir la déployer dans son réseau métropolitain^[5]. Depuis cette date, plusieurs industriels ont intégré PBT à leur catalogue^[6] et l’IEEE a créé un groupe de travail afin de normaliser formellement la technologie (802.1Qay). Estimant que l'activité de normalisation en cours ne modifierait pas de manière fondamentale les spécifications préliminaires, plusieurs opérateurs ont commencé à évaluer ou à déployer ces solutions^[7].

PBT est une technologie basée sur Ethernet qui vise à obtenir des performances comparables ou meilleures à celles de solutions basées sur MPLS (VPWS et VPLS):

• Ingénierie de trafic
• Administration et maintenance (OAM)
• Garanties en termes de qualité de services et de bande passante
• Rétablissement des connexions suivant 50ms
• Scalabilité équivalente

avec les avantages d'Ethernet en termes d'économies et de simplicité:

• Facililité d'apprentissage
• Facililité de gestion

Applications

PBT a été conçu de manière à pouvoir mettre en oeuvre des applications exigeantes en termes de bande passante et de qualité de service (QoS). Notamment PBT est pressenti:

• En tant que technologie de transport dans la partie du réseau des opérateurs en charge de la collecte ("backhauling") de trafic haut débit mobile (3G/4G)^[8] et fixe (ADSL, ADSL2+, VDSL, FTTH / Fibre optique). Les débits atteints rendent couteuse l'utilisation de technologies traditionnelles SDH/SONET, aussi les opérateurs examinent souvent la possibilité d'utiliser Ethernet comme solution alternative plus économique.
• En tant que technologie pour fournir les services VPN et Ethernet aux clients entreprises, un marché actuellement en pleine croissance. Certains opérateurs alternatifs commencent à offrir ce type de services avec un prix de revient inférieur à celui des opérateurs historiques qui utilisent les solutions traditionnelles SDH/SONET.

PBT est compatible avec la mise en oeuvre de services aux utilisateurs comme les communications voix sur IP, les services VPN point à multi-point pour la diffusion de contenus vidéos numériques (IPTV)^[9], les services haut débit aux entreprises et les nouvelles applications multimédia interactives.

Dans bien des cas, PBT est positionné comme une solution complémentaire à MPLS, déployée à l'accès et dans la partie métropolitaine du réseau des opérateurs, et non pas seulement comme une solution de remplacement à MPLS.

Au delà du marché des opérateurs, les grandes entreprises notamment dans le secteur de la finance, commencent également à montrer de l'intérêt pour la technologie PBT^[10]

Ethernet dans les réseaux: interfaces, services et transport

PBT est basé sur la technologie Ethernet qui intéresse depuis plusieurs années les opérateurs pour le déploiement de réseaux métropolitains car ils doivent supporter un volume important de trafic en mode paquet lié aux nouveaux services comme la vidéo, les services mobiles 3G, et les services de connectique VPN et Ethernet aux entreprises.

Les interfaces Ethernet sont largement répandues dans les réseaux locaux, d'entreprise notamment, en raison de la simplicité d'utilisation et du faible coût des équipements.

Différents opérateurs dans différents pays offrent déjà divers types de services de connectivité Ethernet à travers leur réseau. Pour autant, cela ne signifie pas qu'ils utilisent Ethernet nativement en tant que technologie de transport sous-jacente dans leur réseau.

Technologies de transport employées jusqu'ici

Les opérateurs ont utilisé jusqu'ici différentes technologies de transport^[11], notamment les systèmes numériques traditionnels SDH, SONET ou RPR. Avec l'augmentation constante des transmissions de données (Internet, Voix sur IP, vidéo, mobiles 3G et connectivité en entreprise etc.), ces technologies sont toutefois en voie d'obsolescence.

Dans les réseaux de nouvelle génération, les opérateurs utilisent de plus en plus fréquemment un plan de transport en mode paquet, notamment IP et MPLS avec des protocoles de tunnellisation comme L2TPv3, Layer 2 MPLS VPN (L2VPN) ou VPLS.

L'utilisation d'Ethernet en tant que technologie de transport était jusqu'ici difficilement envisageable dans les réseaux d'opérateurs en raison de certaines fonctionnalités manquantes, disponibles avec PBT.

Principe de fonctionnement

A la différence d'ATM, Ethernet est basé sur un mode de fonctionnement sans connexion, en mode datagramme, non fiable. Tel que, Ethernet ne permet pas aux opérateurs de satisfaire correctement à leurs obligations contractuelles (SLA avec QOS), en particulier pour les applications en temps réel comme la voix ou la vidéo.

Par ailleurs, Ethernet n'est pas extensible: il ne convient pas pour des réseaux de très grande envergure (complexité des aspects de gestion, ressources réseau mobilisées par les communications constantes entre un grand nombre de noeuds Ethernet).

PBT est une technologie de "tunnellisation point-à point" qui ajoute à Ethernet le déterminisme: ceci permet aux opérateurs de spécifier le chemin que devront emprunter sur le réseau les trames Ethernet.

PBT assure également une QoS en réservant une largeur de bande pour les services en temps réel. Il fournit un temps de reprise de 50 millisecondes en cas de rupture de connexion – ce qui équivaut au délai imposé par les standards des réseaux SONET et SDH optiques d'aujourd'hui.

PBT peut résoudre certains problèmes posés par l'extensibilité d'Ethernet en libérant des ressources réseau qui seraient mobilisées par les communications constantes entre un grand nombre de noeuds Ethernet sur le réseau.

PBT utilise les concepts de marquage de VLAN selon la spécification IEEE 802.1Q, "Q-in-Q" selon la spécification IEEE 802.1ad (Provider Bridging) et "MAC-in-MAC" selon la spécification IEEE 802.1ah (Provider Backbone Bridge ou "PBB"). Mais PBT désactive le concept de "flooding/broadcasting" et le protocole "spanning tree".

PBT simplifie les aspects opérationnels de maintenance et d'administration en utilisant des extensions basées sur la spécification IEEE 802.1ag (Connectivity Fault Management). Il fournit des extensions pour assurer la protection de conduit de manière similaire à la protection unidirectionnelle "Unidirectional Path Switched Ring" (UPSR) dans les réseaux SDH et SONET.

Les paquets sont transférés sur la base de l'identifiant de VLAN (VID) et de l'adresse MAC de destination. La fonction d'apprentissage MAC est désactivée et le transfert est basé sur une table de brassage des connexions mise à jour par des commandes de gestion. Les paquets de "broadcast" sont ignorés. Les paquets émis lors d'échec de recherche de la destination (Destination Lookup Failure - DLF) ne sont pas diffusés. Ils sont simplement ignorés.

La protection de conduit est fournie en utilisant un VID actif et un VID de protection. Lorsque le conduit actif est défaillant (indiqué par la perte de message test de continuité 802.1ag "CC"), la source bascule la valeur du VID pour rediriger le trafic vers le conduit de protection dans un délai maximum de 50 ms.

Normalisation

La technologie est en voie de normalisation à l'IEEE, l'instance qui est à l'origine des spécifications d'Ethernet, ce qui peut laisser supposer qu'à terme la norme sera supportée par un très grand nombre d'équipements Ethernet du marché, et qu'ainsi des économies d'échelles importantes pourront être réalisées.

Une demande d'autorisation de projet (PAR) a été soumise en mars 2007 et approuvée par l'IEEE en mai 2007^[12] afin d'initier les travaux de normalisation. Sur la base de cette demande, l'IEEE a proposé le nom "PBB-TE" ("Provider Backbone Bridging with Traffic Engineering" - 802.1Qay), bien que le nom "Provider Backbone Transport" (PBT) ait été souvent utilisé dans le passé pour désigner la même technologie.

Le concept a été accepté par l'ITU-T dans le groupe d'étude SG15/Q12 sous le titre "Provider Backbone Transport" (g.pbt).

Des contributions additionnelles sont soumises à l'IETF CCAMP ("Common Control and Measurement Plane").

Plusieurs industriels ont commencé à développé des produits, estimant que l'activité de normalisation en cours ne modifierait pas de manière fondamentale les spécifications préliminaires présentées lors de la soumission du PAR car le concept s'appuie sur une combinaison de spécifications Ethernet existantes de l'IEEE:

• IEEE 802.1Q VLANs
• IEEE 802.1ad double marquage Q-in-Q, ou "Provider Bridging"
• Sous-ensemble de IEEE 802.1ah dit "MAC-in-MAC" ou "Provider Backbone Bridge" (PBB)

Interopérabilité

Parallèlement aux travaux de normalisation à l’IEEE, une vingtaine d'industriels (voir la liste en note^[13]) ont rejoint le consortium "carrier ethernet ecosystems" créé en juin 2007^[14] dans le but de faciliter l'interopérabilité en environnement de réseaux hétérogènes, c'est-à-dire des réseaux construits avec des équipements provenant de constructeurs différents ou basés sur des architectures hybrides PBT/MPLS.

Des essais publics d'interopérabilité impliquant plusieurs technologies dont MPLS et plusieurs constructeurs ont été réalisés avec succès en diverses occasions, par exemple dans les laboratoires du centre EANTC (European Advanced Networking Test Center) à Berlin en août 2007^[15] et durant le congrès CEWC (Carrier Ethernet World Congress) à Genève en septembre 2007^[16].

Technologies alternatives ou complémentaires

• "PWE3 sur MPLS": Nécessite de mettre en oeuvre un plan de contrôle MPLS pour les équipements "Edge" et "Core" afin de créer un tunnel. Les équipements "Edge" doivent être adaptés pour les services VPN de niveau 2 "Virtual Private Wire Service" (VPWS, également appelé "psuedowire", "martini circuit", "PWE3") ou "Virtual Private Lan Service" (VPLS).
• "Transport MPLS (T-MPLS)": activités de normalisation en cours à l'ITU-T. Le principe est de définir un sous-ensemble de MPLS en masquant certaines de ses complexités, et donc ses problèmes de coûts et de scalabilité.
• Brassage de VLAN également appelé "Provider VLAN Transport" (PVT).

Bibliographie

Pour aller plus loin dans la compréhension des aspects techniques, on peut consulter notamment:

• Des présentations faites à l'IEEE
• Autre présentation à l'IEEE (buts, concepts, etc.)
• Présentation sur les services Ethernet, lors d'un atelier de ITU-T sur les réseaux “NGN et leurs réseaux de Transport“ Kobe, 20-21 April 2006
• "PBT Networking, Host-to-host connections through SURFnet6", UvA, 2 juillet 2007 - Un rapport de recherche de l'Université d'Amsterdam (UvA) donnant une description théorique de PBT et de son évaluation dans le cadre de SURFnet6, le réseau national de télécommunications pour l'enseignement et la recherche aux Pays-Bas.

Plusieurs rapports et/ou articles ont été publiés sur le sujet par des cabinets d'études spécialisés dans l'analyse stratégique concernant l'industrie des réseaux et des télécommunications, notamment:

• Ovum - RHK, 13 décembre 2006, "PBT: The First Address Based Connection-Oriented Architecture"
• Current Analysis, 17 janvier 2007, "PBT Gains Credibility, Market Momentum with BT 21CN Win" ("PBT is winning big in BT’s 21CN, challenging the traditional IP/MPLS end-to-end model. PBT promises to make it easier for service providers to build highly scalable and simpler metro Ethernet access networks")
• Light Reading, 29 janvier 2007, "PBT and the Future of Carrier Ethernet Services"
• Synergy Research Group, 12 juillet 2007, "PBT and Metro Network Transport Analysis" (principe de la technologie, photo du marché suite à une enquête menée auprès de 37 opérateurs au premier semestre 2007. Pour un résumé plus complet, voir [22])
• Current Analysis, 29 juin 2007, "Ethernet Vendors Move to Establish New Carrier Ethernet Ecosystem – for PBT" ("Momentum behind provider backbone bridge – traffic engineering has increased significantly, propelled by the establishment of a nine-vendor Carrier Ethernet Ecosystem launched at this year’s NXTcomm show. Some vendors, however, remain cautious")
• Gartner, 6 août 2007, "Tutorial: Understand Ethernet Service Standards"
• Light Reading, septembre 2007, "MPLS vs. PBT: The Empire Strikes Back" [23]
• Light Reading, 3 avril 2008, "A Guide to PBT/PBB-TE" - un article à la fois synthétique (une dizaine de pages), didactique et humoristique sur le sujet [24].

Articles connexes

• Ethernet
• Réseau ethernet métropolitain
• Liste des protocoles de la série IEEE 802.1
• Virtual LAN (VLAN) et IEEE 802.1Q
• Provider Bridging (IEEE 802.1ad), également appelé "Q in Q" ou "Stacked VLANs" ("VLANs empilés").
• Provider Backbone Bridge (IEEE 802.1ah), également appelé "Mac in Mac"
• MPLS
• T-MPLS

Liens externes

• Livre blanc de Nortel sur PBT (PBB-TE)
• Livre blanc Tpack sur PBT (PBB-TE)
• Livre blanc d'Extreme Networks comparant les avantages respectifs de PBT (PBB-TE) et T-MPLS
• Livre blanc de Meriton sur applications Ethernet pour opérateurs

Notes et références

1. ↑ Par exemple Infonetics Research (cité dans Light Reading, 3 avril 2008, "A Guide to PBT/PBB-TE" [1]) indique dans une étude récente que les opérateurs consultés ont observé une augmentation de 90% du traffic Ethernet entre 2006 et 2007, et une augmentation de 70% du traffic IP/MPLS.
2. ↑ Le principe T-MPLS est de définir un sous-ensemble de MPLS en masquant certaines de ses complexités, et donc ses problèmes de coûts et de dimensionnement. Pour plus de détails, voir l’article détaillé correspondant
3. ↑ PVT est également appelé "brassage de VLAN", "VLAN cross connect" ou "VLAN-xc"
4. ↑ Voir par exemple journal "Telecom magazine" du 7 janvier 2008 [2]: "Independent research shows that interest in PBT is growing. While responses did vary, new research from both Synergy Research and CIMI Corp. confirmed that service providers continue to inquire about what PBT and PBB-TE can do for them. Synergy Research reported that even though views on PBT and PBB-TE in the 37 major service providers it polled varied, two incumbents plan to deploy it this year, while six are evaluating the technology. Meanwhile, a recent CIMI Corp. poll of carriers showed that 10 out of 10 service providers are now interested in PBB-TE. This was up from just three out of 10 last year".
5. ↑ Selon journal “Réseaux & Télécoms” du 19 janvier 2007 [3]. Voir également entretien donné par Mick Reeve au journal "Telecommunications On-line", article du 5 février 2007 [4]. Mick Reeve a travaillé pendant 35 ans chez BT, dernièrement en tant qu'architecte en chef de l'initiative 21CN
6. ↑ Liste non exhaustive d'industriels ayant annoncé des produits supportant PBT, voir "A Guide to PBT/PBB-TE" article paru dans la revue Light Reading du 3 avril 2008 [5], qui comprend notamment un tableau comparatif [6]. Ciena, Extreme Networks, Huawei, Nokia Siemens Networks, Nortel, Tellabs, Worldwide Packets et d'autres sont les industriels plus avancés dans la mise en oeuvre de "PBT" sur leurs produits.
7. ↑ Le journal Light Reading distingue un premier groupe d'opérateurs qui ont annoncé des déploiements de PBT dans leur réseau. Il faut citer en premier lieu BT qui est l’un des acteurs précurseurs sur ce sujet qu'il étudie dans ses laboratoires depuis 2004. Dans le cadre de son projet de réseau de nouvelle génération baptisé "21st Century Network", l’opérateur britannique est parvenu à la conclusion que le déploiement de MPLS dans la partie métropolitaine de son réseau entraînerait dans certains cas de figure une augmentation excessive de ses coûts d’exploitation et a donc lancé une étude et des consultations pour trouver d’autres solutions. En janvier 2007, BT a retenu deux industriels (Nortel et Nokia Siemens Networks) pour déployer PBT dans son réseau métropolitain dans le cadre d’un contrat pluriannuel (source: journal "Light Reading" du 12/05/2006, "BT Likes Nortel's New Ethernet Flavor" [7], Light Reading su 15/01/2007, "Nortel, Siemens Win PBT Deals at BT" [8]). BT est très actif dans les instances de normalisation. PBT est déjà déployé et en production dans son réseau notamment en Grande Bretagne et en Italie (source: Light Reading, 3 avril 2008, "A Guide to PBT/PBB-TE"). Light Reading cite également dans ce premier groupe des opérateurs comme Dakota Carrier Network LLC et Citizens Communications Company (Frontier) (des opérateurs de services locaux américains), groupe-e (une entreprise suisse spécialisée dans la fourniture de services au public de type électricité, gaz etc.), Highland Telephone Cooperative (un opérateur de type coopérative en zone rurale aux Etats-Unis), l'aéroport international de Bombay, Promigas Telecomunicaciones (un opérateur en Colombie), Silk telecom (un opérateur en Australie) et Southern Light (un opérateur qui exploite un réseau optique dans l'état du Mississippi, de l'Alabama, de la Floride et en Louisiane). Light Reading distingue un deuxième groupe d'opérateurs qui en sont au stade de l'évaluation de la technologie. Par exemple la division recherche et développement de Telefónica a annoncé avoir évalué PBT dans le cadre d'un programme de tests pan-européens (source: journal "Light Reading" du 5/2/2008, "Telefónica Checks Out PBT" [9]). D'autres opérateurs comme Bell Canada, Deutsche Telekom, France Telecom, NTT, Swisscom, TeliaSonera et Verizon Communications sont ou seraient également dans ce groupe.
8. ↑ Sur le marché intermédiaire, BT prévoit de proposer aux opérateurs mobiles un service de backhauling qui sera basé sur PBT. Voir journal Light Reading du 18 juillet 2007 "BT Sells PBT-Based Backhaul Service" [10])
9. ↑ Voir par exemple journal "Telecom magazine" du 7 janvier 2008 [11], qui indique l'arrivée sur le marché de solutions PBT supportant les services VPN point à multi-point, connus sous le nom de E-Tree au sein du Metro Ethernet Forum, ayant un bon "fit" pour les services vidéo et IPTV. Il cite l'exemple d'un opérateur américain ayant d'important clients broadcast qui utilise PBT pour le transport des flux vidéo.
10. ↑ Par exemple l’aéroport international de Bombay (voir le communiqué "MIAL Chooses Nortel for New Communications Infrastructure at Mumbai’s Chhatrapati Shivaji International Airport" [12])
11. ↑ Technology inside, The blog, entrée du 26/03/2007, "ethernet-over-everything, but whats everything?" [13]
12. ↑ Site de l'IEEE, "PAR approved on 27 February 2007 by the IEEE-SA Standards Board" [14]
13. ↑ Les membres fondateurs de l'"éco-système" sont ANDA Networks, Axerra Networks, Extreme Networks (source: Journal "Light Reading" du 19/06/2007, "Extreme Joins Ecosystem "[15]), Hammerhead Systems, Lightstorm Networks, Meriton Networks, Nortel, RAD Data Communications et Soapstone Networks. Ils ont été rejoints en septembre 2007 par: dragonwave, Gridpoint Systems, Ixia, Spirent Communications, TPACK Systems, et TranSwitch. Puis en décembre 2007 par: Bay Microsystems Inc., Broadcom Corp., Ceterus Networks Inc., Ethos Networks, InfoVista SA, JDS Uniphase Corp., et Zhone Technologies Inc. (source: Journal "Light Reading" du 11/12/2007, "Nortel Pushes More PBT" [16]).
14. ↑ Journal "Light Reading" du 19/06/2007, "Nortel Pushes PBT Pact" [17]
15. ↑ L'EANTC est un laboratoire international indépendant qui réalise, pour le compte des industriels, des opérateurs et des entreprises des tests d'interopérabilité, de conformité, et de performances que ce soit au niveau applicatif (ex. voix, vidéo) ou de transmissions de données (Ethernet, IP, ATM, MPLS). Les essais de Berlin en août 2007 visaient à vérifier l'interopérabilité de trois configurations de réseaux ethernet métropolitains - MPLS, T-MPLS et PBT - avec un coeur de réseau MPLS. Les équipements provenaient de 24 constructeurs différents. Plusieurs technologies d'accès ont été testées (DSL, faisceaux hertziens, Ethernet fibre PDH/SDH...). Les circuits PBT étaient activés au moyen d'un plan de commande externe fourni par deux applications de provisioning multi-fournisseurs. Plus de détails sur l'environnement des essais sont donnés sur le site de l'EANTC [18], voir notamment [19]
16. ↑ " Soapstone Networks participe à la plus grande démonstration mondiale d'interopérabilité lors du congrès mondial "Carrier Ethernet" [20], "Extreme Networks Details Results of Multi-Vendor PBT Interoperability Test at Carrier Ethernet World Congress 2007" [21]

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