弹性分组环（RPR）技术特点及其在城域网中的应用

Cww.net.cn 2003 年11 月5 日 10:36 通信世界网

信息产业部电信研究院 李芳

近年来随着数据业务的迅速发展，传统的基于SDH的城域传送网面临着许多问题和挑战，不能有效的传送和处理新兴的多种业务，缺乏带宽动态调配能力，资源利用率低，网络扩展性差，业务开通速度慢。众所周知，得益于简单化、易扩容、价格低等特点，以太网技术在城域网中得到了广泛应用，但由于其缺乏电信级的QoS、网络快速保护/恢复及完善的网管机制，因此不能有效的满足城域网对可靠性和扩展性方面的要求。于是在此背景下，各种城域多业务传送（MSTP）技术应运而生，如基于SDH的MSTP、弹性分组环（RPR）、城域WDM及CWDM技术等，并且随着市场需求的不断推动，各种MSTP技术在实际应用中呈现融合发展的趋势，例如，目前基于SDH的MSTP正通过内嵌RPR功能来提高其对数据业务的带宽管理和保护能力，并可采用CWDM技术来增加单纤传输容量。

本文重点介绍RPR技术的主要特点、标准化情况，并探讨一下RPR技术在城域传送网中的应用及发展。

一、RPR技术的特点

RPR是一种在环网结构上采用分组技术来传送数据、话音、图像等业务的一种MSTP方案，它融合了以太网技术的经济性、灵活性、可扩展性等特点，同时吸收了SDH环网的50ms快速保护的优点，并解决了业务分类等QOS问题，目标是在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济的MAN/WAN解决方案。

RPR技术采用了一种新型的二层MAC协议，具有业务分类、带宽管理、空间重用以及环网保护等弹性机制，其MAC层功能结构如图1所示。

RPR技术的主要特点可归纳如下：

1．采用双环（内环和外环）结构，每对节点之间都有两条路径，保证了高可用性；并且对环路带宽采用空间重用机制，单播数据传送可在环的不同部分同时进行，整个环的容量将是单条光纤的数倍（2~8）；

2．具有网络拓扑结构的自动发现和更新功能，每个节点收到RPR环上其它节点的MAC地址后，自动建立和更新自己的拓扑图，使得网络初始化配置变得极其简单，实现了即插即用，可避免手工配置带来的错误，便于进行网络维护和管理；

3．RPR环网可采用两种保护机制，一种是在发生故障的两个节点进行环回（Wrapping）的方式（类似于SDH的2纤MS-SPRing方式）；另一种是不需要环回的源路由方式（Steering），即直接在业务的源点进行倒换，可保证业务走最佳路径，因此IEEEE 802.17规范的RPR草案把源路由模式确定为默认方式；

4．带宽管理是RPR的一个重要特点，它支持灵活的带宽颗粒、带宽动态共享和分配以及统计复用。每个节点维护通过自身的负载量数据，并把这些数据发送给环上其它节点，其它节点根据这些信息就知道在源节点上有多少带宽可以利用；

 

图 1 RPR MAC层功能框图

5．RPR具有同步机制和严格的时延和抖动保障能力，可对TDM话音业务提供电信级的服务，目前商用的RPR产品可提供E1/T1、STM-1的TDM业务接口；

6．RPR可提供严格的COS分类，可靠的保障高优先级业务的服务。规范了A、B、C三种业务等级，A类业务又可以细分成A0和A1。A类业务被分配一个CIR速率，提供最短的端到端的延时和时延抖动；B类业务被分配一个CIR速率，对于CIR以内的流量提供有边界的端到端延时和时延抖动，对于超过CIR的流量，被标记为EIR流量，这一部分流量与C类业务一起参加带宽公平；C类业务即提供尽力而为的业务；

7．采用一种分布式的公平控制算法实现了各节点带宽的动态公平分配，仅适用于C类的低优先级业务和B类没有带宽保证部分的数据业务，可对具有突发性的数据流量变化作出快速公平响应；

8．作为二层（L2）的MAC协议，RPR的物理层（L1）是开放的，可分为基于SDH/SONET和基于WAN/LAN 以太网两种，其中前者采用GFP或字节同步的类似于HDLC的成帧来支持SDH /SONET的 PHY，并工作在155Mbit/s到9.95Gbit/s的速率；后者支持GE和10GE的PHY。

二、RPR技术的标准化情况

RPR技术一经提出，便受到各方面的重视，多个国际组织成立了相关工作组致力于其标准化工作。在国际上，有3个国际组织在进行RPR的标准化工作：IEEE、IETF和RPR联盟。这3个组织之间相互协作，各有分工。

1．IEEE802.17 RPR WG (Resilient Packet Ring Working Group)

IEEE802.17负责RPR相关基本协议的标准化工作。IEEE从2000年初开始关于RPR的论证工作，在汇总众多设备厂商和电信运营商意见和建议的基础上，于2001年11月正式成立IEEE802. 17弹性分组数据环工作组，开始进行标准化工作，具体规范RPR接入协议在本地、城域和广域网中的使用。IEEE802.17工作组包括Cisco、Nortel、Luminous、Dynarc、Lantem等公司。2001年3月已讨论通过了工作组关于RPR协议的标准化目标，其中的部分目标是：（1）支持双计数器（dual counter）轮换环形结构；（2）与IEEE的802构架以及802.1D、802.1Q和 802.1f 全面兼容；（3）故障切换时间小于50ms的保护机制；（4）终点数据包分离；（5）采用现有物理层媒体避免技术风险。

IEEE802.17工作组正在加紧制定弹性分组环（RPR）的标准，2002年1月底IEEE 802.17推出RPR的1.0版本，目前已发布的正式版本是D2.5，D2.6版草案将于2003年10月份进行投票表决，预计最终的IEEE802.17 RPR标准要等到2004年3月份左右才会出台。

2．IETF IP over Resilient Packet Ring Working Group （IPoRPR）

在IEEE 802.17工作组对RPR进行标准化的同时，IETF于2000年12月正式成立了IPORPR WG(IP Over RPR) 工作组，研究RPR如何同动态路由协议和MPLS相结合，并制定了多厂家互通标准。

3．RPR联盟

2000年1月，Luminous、Latern、Riverstone、Cyras、Dynarc等新兴通信公司以及Cisco和Nortel等大通信公司成立了弹性分组数据环联盟(Resilient Packet Ping Alliance)。他们的工作目标在于支持IEEE802.17工作组的工作，促进RPR技术规范的制定，致力于电信界对RPR的认知和推广工作和加速支持RPR产品的推广过程，其工作侧重于多厂家互通标准制定及互通演示，以成为作为RPR设备供应商和电信服务提供商间的桥梁。

RPR技术在我国的标准化情况是：在2002年10月末的中国通信标准化协会的传送网与接入网标准研究组全会上，确定由信息产业部电信传输研究所来承担制定《弹性分组环（RPR）的技术要求》，目前我们正在密切跟踪RPR的国际标准化情况，计划在IEEE802.17 标准基本稳定后推出征求意见稿；此外，新的MSTP标准－《内嵌RPR的基于SDH的多业务传送节点（MSTP）技术要求》确定由华为和中兴公司共同承担来制定，2003年4月通信标准组已评审了征求意见稿，目前正在近一步完善，计划在2003年11月中旬的标准组会议上讨论送审稿。

三、RPR技术在城域传送网中的应用

目前，RPR技术在城域传送网中的应用方式可分为两种，即内嵌RPR的基于SDH的MSTP和基于以太网物理层（PHY）的RPR设备，业内通常也称其为嵌入式RPR设备和纯RPR设备。

内嵌RPR的基于SDH的MSTP是从传统的SDH/SONET平台向承载数据和话音的多业务综合传送平台发展的产物，并且是新一代基于SDH的MSTP的主要技术特征之一，即在SDH的传输管道上根据实际应用需要设定传送TDM话音业务的VC通道和传送IP等数据业务的RPR通道（n*VC-X）带宽，例如其对以太网业务的处理功能如2所示。传送话音的VC通道仍保持所有的SDH特性，其保护倒换遵从标准的SDH环网保护方式，从而保证了话音业务的QoS（时延和抖动）；而通过RPR带宽来传送数据业务则需要遵循IEEE 802.17的规范，例如处理RPR的MAC层、支持RPR的环网保护方式（源路由或环回），并在RPR带宽的业务接入点进行业务分类、公平控制、拥塞处理，以保证数据业务传输的QoS，同时，在业务接入点还可以支持VLAN及UNI/NNI等相应功能，以保证LAN向MAN的无缝扩展。当RPR MAC层保护与SDH环网保护同时使能时，需要采用相应的策略来保证出现故障时两种倒换不会重叠发生。例如，可以采用拖延（Hold Off）时间来推迟RPR层的倒换来实现协调。

图 2 内嵌RPR的基于SDH的MSTP传送以太网业务的功能框图

综上所述，嵌入式RPR设备一方面可通过SDH 来高效、优质的传送TDM业务，另一方面可通过RPR技术来提供对数据业务的动态、公平、高效的带宽共享利用以及业务的COS和QOS服务。该应用方案适用于已大量采用SDH设备的电信运营商，它即保证了用户的前期投资，又适应了业务模式的变化，对现有的城域传送网不会带来太大冲击。

而基于以太网WAN/LAN PHY的RPR设备则是以太网数据平台向传送网络融合发展的产物。纯RPR设备在环路上均采用MAC帧的分组方式来承载所有业务，不存在承载TDM话音业务的SDH VC通道。RPR环路将TDM业务设置为最高优先级并绝对保证其所需带宽，以此来保证其电信级的时延和抖动性能，同时还要提供相应的时钟同步、性能监测和故障诊断等机制。RPR一般采用电路仿真（CES）来实现TDM业务在分组网上的传送，例如采用IETF PWB3 组所规范的方式来对STM-1进行封装。而纯RPR设备又可分为基于WAN PHY的RPR和基于LAN PHY的RPR，其主要区别在于WAN PHY提供了简化的SDH帧结构，仅提供部分的SDH管理信息，而不提供所有的SDH管理和维护功能，例如利用K1/K2字节的保护倒换功能等。

综上所述，由于RPR技术在处理突发性的数据业务时具有优势，因此纯RPR设备处理数据业务的效率相对较高，并可通过电路仿真的TDM解决方案来提供多业务传送能力，将数据和话音业务都统一到分组这一级别上进行处理。该应用方案适用于以提供数据业务为主的ISP等新业务运营商，在动态、公平、高效的传送大量数据业务的同时，还可以提供少量的E1/T1或STM-1等TDM专线业务。TDM 业务所占比例不能太大的原因是：一方面过多的使用保证带宽传输方式失去了统计复用的优势，另一方面RPR的电路仿真技术有一定局限性，网络规模较大时无法保证TDM业务的电信级QOS。

总之，从网络应用范围来看，嵌入式RPR技术适用于以TDM业务为主要业务的网络，以及在与现有SDH网络兼容的前提下提供数据分组传送功能的网络。而纯RPR技术适用于以数据分组业务为主要业务的网络，特别是新建的一开始就以新兴数据业务为主导的网络。

RPR技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，其最突出的特点就是以太网的低成本、SDH的可靠性和ATM的多业务和服务质量。近期内，RPR技术可在以下方面获得迅速应用：

1.建设低成本高性能的城域光传送网：这是RPR初级阶段的主要目标；

2.接入网：业务流经过RPR网到达广域网，其主要优点是QoS不受影响；

3.×××：因为能够保证带宽，所以利用RPR实现的×××将和采用物理专线的专用网一样，并且有着更好的线路利用率和更低的成本。

四、RPR技术的发展

由于RPR是专为单个物理环或逻辑环（跨多个物理环的VC通道构成）而设计的MAC层技术，因此RPR MAC层的应用仅局限在单环，跨环时必须终结，因此无法实现跨环业务的端到端带宽共享、公平机制、QOS和保护功能，因此在组建复杂网络时有一定的局限性。 为了组建较大规模的复杂网络并提供端到端的服务质量保证，则需要与其它技术相配合，如多协议标签交换（MPLS）技术，它一方面通过LSP标签栈很好地解决了VLAN的可扩展性和业务的端到端保护问题，另一方面由于MPLS的QoS和流量工程方面的特性，可为以太网业务的服务质量、SLA增强和网络资源的优化利用提供很好的支持。目前许多设备开发商都正在MSTP设备上增加RPR和MPLS功能，特别是L2的Martini MPLS和RPR嵌套使用（如3所示）来提高对以太网业务的支持能力。

图3 Martini MPLS over RPR技术

采用RPR技术的城域光传送网可以提供TDM话音、专线及各种数据业务的支持，提供了三网合一的平台基础，对于电信网络运营者，尤其是不断涌现的新电信运营商来说，弹性分组数据环（RPR）技术以其各方面的优势提供了一个良好的城域网组网方案。但是，RPR技术只是所有城域MSTP解决方案中的一部分，不能替代其它技术，同时RPR技术需要与其它技术一起配合使用，弥补RPR的不足，扬长避短。虽然目前众多厂家的RPR产品都有着自己特点，相互之间存在兼容互通问题，但随着IEEE802.17协议标准的更新和出台，预计RPR技术将以其各方面的优势，在新一代城域网的建设中得到广泛应用。