城域网中的弹性分 环技术

倪振源　何兴　范忠礼
　　摘要：目前，随着城域网中数据流量的增加，传统的传输方式（如SONET/ATM）已经在新业务面前力不从心。弹性分组环（RPR）被认为是重建城域网以满足新业务需求的替代方式。根据RPR协议草案和国内外其它的相关资料，简要介绍了RPR技术的特点，然后对RPR的关键技术进行了分析。

　　关键词：弹性分组环、空间复用、城域网、环回、公平算法

一、RPR技术

　　1.网络规模

　　弹性分组环（RPR）可以兼容多种数据速率。它可以在一系列的物理层上工作，如：SONET/SDH、千兆以太网（IEEE 802.3ab）、10Gbit/s以太网（IEEE 802.3ae）及密集波分复用（DWDM）等。当速率越来越高的物理层再现时，RPR同样会支持这些物理层。

　　2.拓扑和双环

　　RPR应用一个双向的光纤环。它们可以被看作是两个对称的反向环路。几乎所有的协议有限状态机在这两个环路上都是一样的。双向环结构使得RPR可以采取两种保护机制。

　　a）环回（ring wrap）。就像在光纤分布式数据接口（FDDI）或者SONET/SDH双向线路保护倒换（BLSR）中的保护机制一样，在媒质或者站点失效时，使数据从临近失效链路的站点处经另一端环回。

　　b）源端定向（source steering）。同在SONET单向通道保护倒换（UPSR）中的保护机制一样，源端站点选择向其中的一个环发送数据，以避开失效的链路。

　　节点可以在两个方向中上发送数据，也就是说既可以顺时针也可以逆时针在环上传输数据。一般来说，根据拓扑发现机制，节点选择一条离目的节点最近的路径发送数据。但这并不是必须的，比如在阻塞或者链路上出现错误时可能会选择另外一条路径。这种选路机制和空间复用机制的结合将大大提高双环的传输容量。

　　3.共享媒质

　　由于RPR可共享传输媒质，因此能支持广播业务，这就意味着大量应用广播的机制可以同样应用在RPR上，比如以太网的地址解析协议（ARP）和扩展树协议（STP）等。

　　4.弹性

　　一个分组可以通过两条不同的路径到达目的地，在一条路径失效时，分组可以选择另外一条传送，并且切换时间小于50ms，因此RPR是具有弹性的。RPR中，在正常情况下，两条路径都可以承载业务，而不需要把一条路径专门用作备份路径，从而高效地利用了光纤资源。

　　5.空间复用技术与目的地剥离

　　通过RPR在目的节点处把分组从环上剥离开来的机制可以获得更高的链路利用率，这种技术也称为空间复用技术。它为当前节点和下面的节点节省了更多的带宽，这些带宽可以被用来传输更多的数据。目的地剥离也有例外，即多播和广播中分组是在源端被剥离的。

　　二、RPR关键技术分析

　　1.带宽分配和公平算法（RPR－fa）

　　（1）MAC层的服务

　　媒体访问控制（MAC）子层提供下列四种服务访问点以满足MAC客户实体之间交换PDU。这四种服务访问点可以提供高优先级、中优先级、低优先级和控制等四个逻辑通道的访问。MAC层提供的四种服务是：

　　a）预留带宽服务。RPR的MAC协议提供一种预留环上带宽的机制。这些带宽对RPR的公平算法是不可见的，必须由RPR的MAC客户实体完全控制。其它三个等级的业务不能使用这些预留的带宽，即使这些带宽空闲。RPR的MAC层会通过某种规则，把预留带宽服务的数据传送要求映射到已经静态预留的带宽上去。服务访问点也会为MAC客户提供底层通道的状态信息，如当前服务是否可用等。

　　b）高优先级服务。RPR的MAC提供一种高优先级的服务，这种服务可以支持对端到端时延和抖动要求比较高的业务。MAC层认为MAC客户已经在入口处对高优先级的服务整形，从而可满足承诺信息速率（CIR:Committed Information Rate）、突发信息速率（BIR:Burst Information Rate）和超额信息速率（EIR：Excess Information Rate）的要求。服务访问点会为MAC客户提供一些底层通道的状态信息，如当前服务是否可用、当前业务是否可以被接受等。

　　c）中优先级服务。中优先级服务支持对时延不敏感但要求带宽保证的业务，同高优先级服务一样，MAC层期望MAC客户已经对业务流进行整形以满足CIR和EIR的限制。RPR-fa根据业务流是否遵循CIR/EIR的限制，来对业务流进行不同的处理。如果业务流遵循CIR/EIR的限制，那么这些数据帧就像高优先级业务一样，对RPR-fa不可见。反之，数据帧将在环的入口处被标识。从而这些不遵循CIR/EIR限制的数据帧无论是环的入口还是在环上的传输的站点上，都会被计算在公平算法的处理之内。这些数据帧的级别等同于低优先级。服务访问点会为MAC客户提供一些底层通道的状态信息，如当前服务是否可用、当前业务是否可以被接受等。

　　d）低优先级服务。这种服务支持那些对端到端的延迟和抖动都不敏感的业务。同样，服务访问点会为MAC客户提供一些底层通道的状态信息，如当前服务是否可用、当前业务是否可以被接受等。

　　（2）MAC公平性

　　RPR-fa是局部的公平算法，它是一种保证环上所有站点之间公平性的机制，只应用于从MAC客户来的低优先级服务和超额中优先级服务（即中优先级服务中不遵循CIR/EIR限制的数据帧）的业务。

　　在RPR－fa中，如果一个节点发生阻塞，它就会在相反的环上向上行节点分布一个公平速率（farerate）。当上行站点收到这个公平速率时，它们就调整自己的发送速率以不超过公平速率，它们就调整自己的发送速率以不超过公平速率。接收到这个公平速率的站点会根据不同情况作出两种反应：若当前节点阻塞，它就在自己的公平速率和收到的公平速率之间选择最小值公布给上行节点；若当前节点不阻塞，节点就可能不采取任何行动。

　　在RPR－fa中有一个多阻塞（multi-choke）的概念，多阻塞机制应用于一个节点业务流的目的节点与阻塞链路相邻的情况下。进一步说，只要某个发送速率满足（不大于）源节点和目的节点之间所有阻塞点的公平速率，RPR-fa就允许源节点以此速率给目的节点发送数据，这就是多阻塞机制的原理。

　　2.拓扑发现协议

　　RPR拓扑发现的实现是一种周期性的活动，但是也可以由某一个需要知道拓扑结构的节点来发起，也就是说，某个节点可以在必要的时候（如此节点刚刚进入RPR环中，接收到一个保护切换需求信息或者节点监测到了光纤链路差错）产生一个拓扑发现分组。

　　在拓扑发现的过程中，每个节点都要把它的标识符传送给相邻节点，这样就产生了拓扑识别的累积效应。拓扑发现分组的头部有相应的信息表明这个分组是个拓扑发现分组，所经过的节点应该把此分组取下并且重新产生一个。重新产生分组的时候，节点需要把自己的标识符加入到分组中标识符队列的开始，并且要去掉标识符队列末尾的冗余条目。

　　如果在环上有一个环回，这个分组将从环回的分组的长度将会增加一倍，因为每个节点都有两个标识符，每个标识符标识不同的环上连接点。

　　要注意的是拓扑图只包含可以到达的节点，并且在有环回的时候，一些节点会被记录两次。当需要定向（steering）的时候，将利用得到的拓扑信息来支持保护切换。

　　（1）拓扑发现消息

　　发现消息是周期性发送的，这样做有以下几个目的：

　　a）确定节点的活动。节点活动性的检测就是依靠像拓扑发现分组这样的“心跳”来完成的。

　　b）拥塞控制。流量控制的协议将拥塞信息通知上行节点。

　　c）发现插入点。拓扑发现消息使得节点可以选择最佳的插入点：在正常的操作中，选择最佳插入点使得源节点到目的节点的跳数最小；在非正常的操作中，选择最佳插入点可以避免不需要的保护环加。

　　（2）处理拓扑发现消息

　　拓扑发现消息用来累积拓扑信息，每个节点都把自己的标识符附加到经过的发现消息。

　　（3）修剪拓扑发现消息

　　每个节点都要负责把标识符队列底部的冗余信息去掉。

　　3.智能保护切换

　　链路的失效会影响到那些要通过该链路的分组。临近失效链路的节点可能会很快产生环回，即把分组传送到另一个环上，而不是丢掉分组。

　　在保护机制中，环回可以使分组的丢失最小，但在应用定向机制以前消耗了大量的带宽，并且环回导致的环回数据流所产生的延迟会影响高优先级的分组业务。因此环回是一种过渡的策略，而定向才是更有效的，同时也是链路失效恢复协议的一部分。当环回链路上所有的分组都被传输以后，环回机制和定向机制的切换才是安全的。

　　如果一个链路被恢复了，也就是两个环都可以正常工作了，那么就可以根据新的拓扑信息把业务发送到最优的方向了。

　　4.空间复用机制

　　RPR采用空间复用技术，在一根光纤上可以分段传输技术。空间复用技术有两个概念：

　　a）在同一个环上，不重叠的部分可以并行传输数据。

　　b）在不同环上，重叠部分的两段线路可以并行传输数据。

　　三、基于RPR的城域网解决方案

　　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，在提供SONET/SDH级网络生存性的同时降低了传送费用。RPR最引人注目的特点就是支持电路仿真，以承载城域语音业务。虽然IEEE 802.17工作组还在进行RPR标准制定和测试工作，RPR商用也还要在一年以后，但是由于其良好的市场前景，许多公司都已推出了不同的非标准RPR城域交换产品，以期在激烈的市场竞争中占得先机。最具代表性的产品有思科的DPT/SRP，北电网络的InterWan Packet Transport，以及Luminous Networks 的PacketWave。相应地，一些大的半导体生产厂商也宣布即将推出RPRMAC层芯片，比如Vitesse与北电网络合作，于2001年第三季度推出支持GFP的RPR芯片VSC9129，AMCC也承诺提供DPT/SRP的芯片级解决方案。而敏迅科技（Mindspeed）已经推出了号称是首个支持RPR网络的产品CX29950环路处理单元，思科已经开始使用该产品，而且Riverstone Networks近期也在其前期的RPR开关设计中使用了该芯片。但在正式标准未出台前，以上方案都属于前瞻性的技术。虽然每个供应商都承诺，一旦IEEE 802.17标准出台，就改造其产品以符合标准，但在规模形成前造成事实上的工业标准以影响正式标准的制定也是所有厂商的目的。

　　四、结语

　　正由IEEE 802.17工作组进行标准化的弹性分组环协议是一种新的MAC层协议，是为优化数据包的传输而提出的，它吸收了千兆以太网的经济性、SDH对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和50ms环保护和恢复等特性，并具有空间复用、带宽动态分配、支持业务级别等特点，使其成为当前光网络上传输数据包的一种优化技术，正得到业界的广泛关注和重视。RPR可以满足城域网越来越高的数据传输要求，随着标准的制定和分布，RPR技术将成为城域网组网的优先方案。

摘自《现代电信科技》2002.4