IP优化的弹性分组环（RPR）技术

IP优化的弹性分组环（RPR）技术 

 

摘 要：IP优化的RPR(Resilient Packet Ring)技术是为了适应城域网的发展而从SONET/SDH发展而来的。本文分析了IP优化的RPR的网络结构、技术特点和实现方案以及其发展趋势。

 

随着数据业务的迅速膨胀，对大多数电信运营商来说，城域传送网的数据处理能力成为大家关注的焦点。而无论是IP over ATM,IP over SDH，还是城域Ethernet，都有各自的不足之处。采用尽力传送机制的以太网IP数据业务的不足之处在于缺乏弹性、缺少QoS保证和良好的带宽管理；技术已经十分成熟同时又牢牢控制电信运营领域的SDH技术的不足之处在于带宽利用率不高，不能良好地适应突发性的数据业务。因此，一种为优化IP数据包传输的新的MAC层协议弹性分组环RPR（Resilient Packet Transport）被提上议程，该技术以其技术的先进性、投资的有效性、性能的优越性、支持业务的多样性，显现出了其独特的优势。RPR技术一方面吸收了以太网技术的优点，如经济、灵活和可扩展性；另一方面吸收了SDH的优点，如对延时和抖动性能严格保障、可靠的时钟以及SDH环网50ms快速保护。基于RPR的网络，由于其组网成本低、便于维护而受到许多运营商的倾睐。

一、弹性分组环（RPR）的网络体系结构
RPR是一种基于分组交换的新型的网络结构和技术，从图1中可看出,它在拓扑结构上和SONET/SDH一致，采用双光纤环配置，环中由分组交换节点组成，相邻节点通过一对光纤连接。但ＲＰＲ在任何时间双环都同时使用，外环沿一个固定方向传输数据，内环作反方向传输。因为在一个共享媒介上传输分组最有效的是由MAC层的协议来处理，故RPR针对网状拓扑结构制定了独立的MAC层协议来解决城域网中带宽的瓶颈问题,且能提供下一代接入网所要求的恢复能力、有保证的服务和可管理能力。目前此MAC层协议的相关标准正在由IEEE 802.17工作组制定，RPR定义了媒质接入控制MAC协议，环网上的所有发送节点都可以使用环网上的可用带宽。MAC协议还定义了节点如何应对媒质上出现的拥塞和直接冲突。最后，利用缓冲和优先分组技术MAC控制着分组接入媒质。
二、 弹性分组环的MAC层
第一，和IEEE802的制定的所有MAC子层一样，（其参考模型如图2）提供以帧（Frame）为基础的无连接的服务，既每个帧都带上发送方与接受方的地址，加上用户数据作为一个独立的单元在网中传输。第二，定义一些特殊的帧作为控制和管理帧，如进行拓扑自动发现、自动保护切换和管理带宽的公平使用以之达到最大利用率等。第三，在帧头中加进TTL（Time To Live） 字段，当帧通过每一节点时使之减一，如环中一直没有节点将其接收，减到0时由当前节点将其从环中取出丢弃，以免发生错误时，帧在环中陷入死循环浪费系统资源。第四，在帧头中加进PRI（Priority）字段,为不同的业务和用户数据提供不同的等级服务，并赋予相对应的发送优先级。其中，控制和管理帧具有最高的发送优先级，其次为传统的电信TDM业务。这样，RPR就能对整个网络进行及时有效的控制和管理，并且可以传送具有严格的时延、抖动和保护实时性业务。第五，对帧头和数据净荷部分进行了单独的校验。当传送的是无保护类等级的数据时，只对帧头进行校验，只有当传送的是需保护类等级的数据时才进行双重校验，这样可大大加快数据转发的速度。第六，在帧中加 进PT（Payload Type）字段以区分在净荷区装载的不同协议数据，如IP、IPX、MPLS、MPEG、TDM CES（Circuit emulated services）、ATM以及Ethernet等。

 

 

三、RPR的技术特点
总的说来，RPR 技术是在前有的Ethernet 、SDH和 ATM技术的基础上发展起来的，它采用了Ethernet 的IP技术、SDH的自动保护倒换技术、ATM的QoS技术等，以实现高可靠、低成本的数据语音传输网络。RPR中所采用的一些具体技术如下：
1、 空间重用（spatial reuse）技术
这是RPR技术的主要特征，即空间的再利用能力，应用在环形的拓扑结构中增加环的传输效率。它容许数据分组在发送点沿着内环或外环（这根据环网络当时的拓扑和链路状态而定）传送，当到达目的地时接收节点把单播数据分组从环上剥离下来并停止转发。这样，环上其他段的带宽可以被其他分组重新利用。这和以前基于环状拓扑的令牌环网、光纤分布数字接口（FDDI）有很大不同，它们都是由源节点将发出的数据分组回收。
2、 拓扑的自动发现技术
当RPR环最先初始化时，整个网络进入到自动拓扑发现模式，环中每个节点都用拓扑发现控制帧向网络中所有其它节点广播它们各自与邻居节点的连接情况和线路状况，这很像一个使用OSPF协议的路由器将它自己域中的连接状况和距离向量传送给其它路由器。然后，网络中每个节点根据这些信息独立的计算得到整个网络的拓扑结构图和环中每两个节点之间线路质量情况的状态信息表。因而，现在每个节点都知道在环的两个方向上到达另外节点需要的跨段数和每一段的线路质量情况。这样，当开始传输数据时，每个节点都能根据已获得的信息迅速而正确的决定应该在哪个方向（外环或内环）上传输或转发数据，以取得最高的带宽利用率。一旦有新的节点加入到环中或自动保护切换事件发生时，整个网络又将进入到自动拓扑发现模式，重复上面所诉的步骤进行网络的拓扑结构图和线路质量状态信息表的升级，从而让RPR工作在一种“可见”的状态中大大提高了数据传输的效率和质量。这是弹性分组环QoS 保障的基础，后面要陈述的RPR的保护切换机制也是基于这种工作状态的“可见”性。 
3、 基于不同等级业务的自动保护切换机制
RPR具有快速的网络恢复能力，对数据的保护倒换时间小于50ms，类似SDH中的自动保护倒换，但又和传统的时分复用的SDH不同，RPR不需要额外的备份带宽。RPR保护倒换支持两种方式，Wrap保护倒换与Steering保护倒换，其中Wrap保护倒换时间短一些。RPR的自动保护切换机制可从全局和局部两方面来进行概述。如图3所示，从局部来讲，当某一节点或某段线路发生故障时，它的两侧的邻居节点迅速将自己的内环和外环进行连接（环回），首先根据业务等级将被保护的数据流在内环和外环之间倒换，然后再将保护级别低的和无保护的业务倒换。同时，向其它节点广播故障信息，其它节点再收到此故障信息后，也迅速将需通过故障点的被保护数据变更传输方向（绕开）以避开故障点（小于50毫秒）。此时，自动保护切换事件发生，进入到自动拓扑发现模式。 

 

从全局来讲，因为环中的所有节点通过自动拓扑发现模式都即时更新了它们的网络拓扑结构图和线路质量状态信息表，故每个节点可以迅速地根据新拓扑结构和线路质量状态进行数据传送的重新路由选择。这样，整个网络的弹性恢复能力从全局上得到极大提高，不仅可以根据业务等级重点迅速恢复被保护的数据，而且也可以快速恢复保护级别低的和无保护的业务数据。通过这种基于不同等级业务的自动保护切换机制，RPR可以实现多等级可靠的QoS服务。
4、带宽分配的全局性公平策略
Token Ring(令牌环)和FDDI（Fiber Distributed Data Interface）通过发送令牌来控制对媒介的访问，和它们不同，RPR中的每个节点都使用一种分布式的传输控制算法。这样，RPR就能将环中的整个带宽作为全局资源来公平分配。让我们大概来看一下它的实现方法。
可以从两方面来实现这种全局资源的公平分配。第一，全局公平，每个节点通过控制从邻居节点来的需转发的数据量和当前节点要发送的数据量的比率r来公平地享有环中的带宽，以免带宽被某一点大量占用而造成其它节点被饿死。第二，局部优化，它的主要目的是充分利用环中没被使用的带宽以让网络中的节点能发送比限制更多的数据。具体做法是RPR环中的每个节点通过一些周期复位的计数器监视自己发送和转发数据分组的数目，以此为基础通过一定的算法计算出对线路带宽的使用率，然后用控制帧周期性地或有必要时（如发生拥塞时）向它的邻居以及其它节点广播。用这种反馈机制能让环中的节点知道整个网络的可承载容量以便调整向网络中注入数据的速率――既能发更多的数据以提高带宽利用率，也能暂缓发送以减少拥塞。
5、广播和组播
SONET/SDH在进行广播和组播传送时需要发出多个副本，在RPR中这是不必要的既只需发出一个数据包副本即可达到目的。因为RPR是分组交换网，实现这一点很容易。当数据包从源点发出后，环中其它点将其接受（如是给自己的留下否则丢弃）并继续转发，最后由源点从环中剥离下来并停止转发。
6、 简单的业务提供
RPR系统提供了一个比较简单的服务模型。环作为一个公共的传输媒介，所有的节点共享环上的所有带宽，每个节点对自己可以利用的带宽是动态可见的，因此不需要一个点到点、连接到连接的承载计划和流量工程（如SONET/SDH），网络运营者可以轻松地控制网络流量和指定业务所需的服务质量。RPR MAC支持三种业务类型：
类型A：承诺信息速率（CIR）业务。这种业务支持有保证的带宽，低等待时间/抵抖动应用。语音、视频、电路仿真应用都可使用这类业务；
类型B：一种CIR业务，其抖动/等待时间要求低于类型A，但仍然有指标要求。企业等数据应用可使用该类业务；
类型C：尽力传送业务，节点负责协调接收公平共享的环网带宽容量。用户的互联网接入可使用这类业务。
它允许RPR运营商根据不同的业务需要提供不同种类和不同等级的服务、支持CoS（Class of Service）协商，对等级高的服务能提供QoS保障，支持多种协议数据的传输。可以直接映射和支持IP包的优先级，直接支持IP包的广播以及其他业务控制功能，而且，它的MAC层和物理层是独立的，可以在标准的以太网物理层、SONET/SDH、DWDM传输上运行。

四、RPR 的具体实现方案
从现在来看，ＲＰＲ的具体实现方案有三类：一类是独立式的基于２层的ＲＰＲ实现方案；一类是基于路由器的单卡ＲＰＲ实现方案；另外一种是基于ＭＳＴＰ的ＲＰＲ实现方案。 
1、独立式的基于２层的ＲＰＲ实现方案主要适用于ＩＰ城域网的接入层和汇聚层，是目前最成熟的一种解决方案。有的厂家将ＭＰＬＳ技术、时钟同步技术、ＣＷＤＭ技术和电视视频广播技术与这种２层的实现方案结合在一起，从而提供面向ＩＰ优化，并同时支持ＴＤＭ业务的宽带多业务解决方案。 
2、基于路由器的单卡ＲＰＲ实现方案主要应用于ＩＰ城域网的核心层和汇聚层，多数厂家都是以现有的路由器产品为平台，通过增加板卡来实现ＲＰＲ的功能。这种实现方案可以看作是对现有路由器组网的一种优化，在节省光纤资源的同时，可以大大加强其保护性能，获得５０ｍｓ的环路保护功能。 
3、基于ＭＳＴＰ的ＲＰＲ实现方案，实际上是在ＭＳＴＰ环网带宽上划分出独立的通道来支持ＲＰＲ技术。与传统ＳＤＨ相比，ＭＳＴＰ引入了２层交换技术以实现以太网业务的带宽共享，并通过ＧＦＰ实现以太网帧到ＳＤＨＶＣ容器的映射，以及采用了虚级联和ＬＣＡＳ技术增强虚容器带宽分配的灵活性和可靠性。
　　
五、基于RPR的MSTP是最理想的传输平台 
MSTP技术发展的最终趋势是在充分提高网络带宽利用率的同时能基于业务流提供QoS。以此为基础，MSTP技术可分为4个阶段：
　　第一阶段：基于SDH的第一代MSTP
　　MSTP的概念首先在北美被提出，称为MSPP(Multi-services Provisioning Plat-form)。在最初的应用中，MSTP设备提供配置支持PPP EOS映射的板卡和以太网中继透传，并提供50ms环路保护功能，从而大大提高了Internet的稳定性。
　　第二阶段：基于SDH的第二代MSTP
　　随着Internet流量的发展，基于点到点透传的第一代MSTP解决方案很难降低Internet组网成本，而且PPP/ML-PPP面临很大的性能问题，因此提出了第二代MSTP解决方案。
　　在这种解决方案中，通过配置支持802.3以太网交换的板卡达到Internet业务的低成本接入和汇聚，省却了ATM板卡的协议开销。X.86、GFP技术提高了分组映射效能，LACS、VCAT则大大提高了通路调度的灵活性。
　　第三阶段：基于SDH的第三代MSTP
　　随着数据网络的进一步发展，对带宽和服务质量的要求逐步提高，传统以太网交换逐渐显示出其弊端，且不能充分利用SDH平台的带宽。
　　通过在现有SDH平台上外挂RPR设备，组成RPR环网；或者在SDH设备上配置支持RPR交换的板卡组成RPR环路，从而大大提高了SDH网络在支持数据业务方面的能力，同时在RPR设备或板卡群路方向支持GFP、VCAT、LACS等技术，但是这种技术还还存在一些不尽如人意的地方。
　　第四阶段：基于RPR的下一代MSTP
　　RPR充分简化网络层次， 避免了ATM和SDH层的开销，提供了空间复用技术和统计复用功能，保证高带宽的高利用率，相对TDM网络可提高带宽利用率3～4倍。经严格计算发现，当数据业务量占总业务量的比率等于或高于25%―30%时，基于RPR分组平台提供的混传网络是最理想的全IP网络，基于RPR技术的设备可以承载具有突发性的IP业务，同时支持传统话音业务，相对与第三代基于SDH的MSTP具有易于组网，建设和维护成本低的优势。
　　 
六、结束语
IP优化的弹性分组环(RPR)技术具有SONET/SDH的高可靠性、快速恢复能力和能对TDM业务的良好支持，再加上其集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率为一体，利用其独立的MAC层构筑了一种高效优良的城域网络。弹性分组环（RPR）的产生，必将促进一批新业务的出现，这些业务在价格和带宽效率上是以电路为核心的解决方案所无法比拟的。随着IEEE 802.17标准化工作的进行，弹性分组环(RPR)技术正逐步成熟起来，一定会成为创建下一代高速光纤城域网的首选技术。带宽动态分配的多业务传送平台在城域基础传送网中的大规模应用指日可待。

参考文献：
[1] IEEE Draft P802.17_D1.1CR #593
[2] The LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.“Draft Standard for Resilient Packet Ring Access Method & Physical Layer Specifications”
[3] A White Paper by the Resilient Packet Ring Alliance，“Positioning RPR in the Technology Universe
[4] The solution for new generation of IP metropolitan area network.. “Computer World of China”
[5] Superficial discussing of RPR. ”Telecommunication World ”
[6] The analysis of RPR technology. “Telecommunication Institute of SiChuan Province”
[7] Is MSTP’s development just for instance, and would RPR go ahead forever? “The Paper of Telecommunication Industry”