面向10G城域以太网带宽管理RPR技术

2019-11-04 20:36:45

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供稿：网友

　　摘　要：弹性分组环（RPR：resilient packetring）是当前比较热门的组网技术，它为10 G城域以太网提供了一个很好的组网方案。从RPR在10 G城域以太网带宽治理方面的优势出发，介绍了其技术特点、标准化及产业化现状，讨论了城域以太网的RPR提案中有利于带宽治理的各种要害技术。
　　
　　要害词：10 G城域以太网；RPR；带宽治理
　　
　　0　引　言
　　
　　随着通信网络规模的不断壮大，城域网不仅是传统长途网与接入网的连接桥梁，更是传统电信网络与新兴数据网络的交汇点及今后三网融合的基础。随着光纤技术的突破，骨干网的带宽已经达到了太比特级，而城域网的业务调度和转接远比骨干网多，与此同时，随着Internet的普及和电子商务的迅速发展，各类商业用户和住宅用户对带宽的需求越来越大。基于众多的考虑，如可扩展性、可靠性以及技术的成熟性，运营商选择ATM和SDH／SONET传输ip，这些方式固然有其众多的优点，但在将Layer2（L2）层数据映射到Layer1（L1）层时，带宽的治理上有明显的缺点。从传输的角度来看，它们是基于“专线”的方式，需要预先确定传输所需的带宽。数据进入骨干网遵循传统TDM网络的规律，其颗粒度可能是E1，E3，STM1或STM4等。这些方式导致了光传输带宽的浪费。许多研究表明：专线的带宽平均使用率不足50％，多数情况下不超过20％。随着用户需求的不断增加，传输带宽的耗尽必然导致传输网络的扩容。造成了一方面带宽利用率非常低，另一方面必须扩容的矛盾。由此可见，城域网发展的要害在于提高带宽治理能力。
　　
　　电信网络99．999％的可靠性不仅体现在网络设备的可靠性，同时对组网技术、路由选择、拥塞控制、故障恢复、路径保护和流量治理提出了要求。在达到可靠性要求的前提下，如何合理、科学地配置10G城域网的拓扑结构、有效提高带宽利用率，从而经济有效地提高城域网传送性能已成为社会和业界关注的热点和竞争点。笔者介绍了能够较好解决10G城域网带宽治理问题的一种组网技术——弹性分组数据环（RPR：resilient packet ring）技术，包括它的技术特点、产业化现状，并分析了其市场前景。
　　
　　1　10 G城域网的结构、面临的问题及解决的方案
　　
　　10 GEthernet宽带城域网的一种解决方案，如图1所示。10 GEthernet大容量以太网技术将使城域网应用迈上一个新的台阶，IEEE在802．3标准中明确对其进行了定义。这种技术适应了城域网中占据主导地位的IP业务的增长需要，且支持附加大带宽、高成本的城域核心网络，可与TDM或DWDM光纤网络进行无缝连接，满足更大容量组网的需求。
　　
　　　面向10G城域以太网带宽治理RPR技术

　　
　　该技术的不足之处是占用光纤对数较多；带宽是静态分配的，传送IP数据业务的效率相对较低；不能满足以太网业务对可靠性（链路／路径的保护和故障恢复、拥塞控制、路由选择和流量控制）的要求，QoS没有保障；不支持电路业务的开展等。而且在采用10G Ethernet技术的城域网的组网中，也会出现环路。以前曾设计生成树（spanning tree）用来消除环路，但是这样不仅带宽不能有效利用，并且当链路发生故障时，生成树的重构又需要多达十几秒的时间。与传统的SDH／SONET相比，是无法接受的。那么有什么办法可以弥补这些缺憾呢？其实在一开始涉及到城域网构建的时候，这些问题也都存在，人们也已经有了比较好的解决方法，借鉴这些思想以之融合进10 GEthernet技术达到比较完美的统一无疑将是一条捷径。
　　
　　旧有的城域网采用为传送话音业务设计的基于TDM（时分复用）的SDH／SONET环网技术，它非常成熟，有着突出的优点。它不仅能够恢复光纤的传输损耗，还能够有效地支持环形拓扑结构。有专门的维护和治理信道，能够实时地监控，并有自愈能力。因此在电路交换时代，SDH／SONET传输方式的特点使它成为一种最具吸引力的选择。
　　
　　然而，到了分组交换时代，SDH／SONET碰到了很多的挑战。为了承载分组业务，发展了PoS（packet over SDH／SONET）技术，将分组包封后映射进SDH／SONET帧后在环网上传送，但是这种映射方式的效率较低，随着分组业务在传送业务中比重逐渐增大，SDH／SONET的成本也随之增加。同时，SDH／SONET的静态带宽分配很难适合分组业务的突发性，从而使数据传输的效率降低。另外，预留的保护光纤的带宽资源也有较大的浪费。传统的SDH／SONET网络中有50％的环带宽是冗余的，如为了在一条SONET链路上提供一个快速以太网连接，需要占用整个155 M的STS－3c载荷来支持这种突发型100 M业务。很明显，这是一种带宽的浪费。为了能方便地与像路由器这样的数据网络设备相连，新一代的SONET设备配备了以太网业务端口。来自于这些端口的业务被简单地映射到一个通过环的电路连接。底层的SONET传输仍然是面向电路的并基于TDM，当以太网端口上没有业务量时，链路处于空闲状态，这对SONET环的带宽是一种浪费。从网络的角度来看，这种集成的分组交换机的作用相当于一个网桥或路由器。假如交换机充当一个网桥，那么系统就像是一个由网状的STS－N电路连接而成的网桥网络。任何两个网桥之间的STS－N连接的带宽都要在SONET环中留出来，即使当网桥之间没有业务量时，这些带宽也无法给别人使用。此外，生成树的计算将会导致特定的通路被阻塞，从而产生更多的无法使用的带宽。
　　
　　IEEE在2000年底批准成立了802．17 RPR工作小组，任务是为局域网／城域网／广域网预备一套全新的物理层和链路层的协议，具备带宽的共享性和可伸缩性、空间的复用性以及容错性，目的是为了满足建设城域网和广域网对成本、性能和维护治理的需要。参与竞争的技术是当前大行其道的SDH／SONET／ATM。传统的SDH／SONET如上所述不适合迅猛发展的高速数据业务。ATM的传输单位是信元，采用虚电路方式，同样不适合高速数据业务，运营成本也很高。从而出现了RPR，这种新型协议融合了以太网、ATM和SDH／SONET的优点，成为最合适的组网技术，可以满足基于分组的城域网的要求。
　　
　　2　基于RPR带宽治理的要害技术
　　
　　2．1　RPR带宽治理及其优势
　　
　　RPR网络是一种环形结构，是由分组交换节点组成的，相邻节点通过一对光纤连接。网络拓朴是基于两个反向传输的环。节点间的链路是基于光纤的并可采用WDM来扩容。
　　
　　RPR综合了以太网和SDH／SONET的优点，使设备能共享环上的所有或部分的带宽；它定义了一个独立的物理层——弹性分组环媒介访问控制层（MAC），给各个厂商提供互通性，从而增加竞争，降低了用户的投资；它在环上传送反方向的信号，并提供小于50 ms的保护倒换。在业务方面，RPR可以结合MPLS协议，利用帧结构中的MPLS标签的CoS字节标识，提供4种等级的业务：快速传送业务（具有严格的时延、抖动和保护、时钟同步。如实时性E1语音业务和图像业务）、保障传输业务1（对时延和抖动无非凡要求，但有带宽承诺，无突发的图像、数据业务）、保障传输业务2（有带宽承诺，属突发型数据业务，采用尽力传送机制）、尽力传送业务。这种技术假如得到大范围应用，将解决城域网中多业务传输问题。RPR网络将在城域网中作为馈线环（也称为集环）。这些馈线环的用法与当前的SONET环十分相似，但它是用于分组业务的。像电缆调制解调器系统和固定无线网络这样的分组接入网络均将形成RPR网络的馈线。RPR网络将来自于环路四周的分组业务量聚合到与网络边缘相连的一条或多条高度集中的链路中。在网络边缘，这些链路与DWDM和路由器网络直接相连并通过它们将业务量转移到最终目的地。RPR接入环可以是一种重叠网络，可以利用现有的光纤并与承载电路业务（SOENT／SDH链路）的光纤设备并行。现有的SONET基础将继续被用于专线，电路交换的语音、电路交换的数据、以及像帧中继和ATM这样的窄带和宽带数据虚拟专用网络业务的网络接入。弹性分组环技术的部署相对来说比较灵活，不仅可以方便地实现与传统技术的有效整合，而且能够采取多种不同的部署方式，如这一技术可部署于原有基于SONET／SDH技术的所有链路或部分链路中。
　　
　　RPR物理层的灵活性答应它与旧的技术（SDH／SONET、DWDM甚至裸光纤）很好地集成。在有SONET／SDH环存在的地方，RPR能在SONET环上全部或者部分地被部署。在运营商安装了DWDM设备的情况下，RPR能简单运行在1个或者几个波长上。最后，在只有裸光纤的情况下，RPR也能直接运行。所有情况中，在建立一个为数据优化网络的同时，它都保持了一个独立的基础设施以支持语音业务，这样就可以认为基础设施在物理层“收敛”了。这是一种既切合实际又成本低廉的声音和数据融合方法。
　　
　　2．2　RPR的MAC层及帧格式
　　
　　RPR通过在环网上增加一个新的MAC层来解决城域网的瓶颈问题，它位于OSI第2层，定义了如何向不同的业务提供不同服务策略和保护机制，以及其环形拓扑结构和在环形结构中如何对带宽进行统计复用。在一个共享媒介上传输分组通常是由MAC层的一套协议来处理的。以一个10 G的光纤环为例，通过控制对媒介的访问并裁定要求，即RPR每一个节点的MAC层一直观测紧靠它的链路的利用情况，然后把这些信息告知环上所有的节点。每个节点可据此向环上增加或减少发送的数据量，这可使RPR环的带宽利用率比TDM网络提高3～4倍，这样MAC层就能够保证服务质量（时延和抖动）和带宽治理。
　　
　　此外，RPR的MAC实现了一种服务保护机制来避免光纤环失效，它还实现了一种避免阻塞的机制使系统在充分利用资源的同时又能确保所有配置业务的QoS。
　　
　　RPR的MAC层采用存储转发（store andforward）或虚电路直通（cut through）模式，因此帧间不需要前导或间隔字节，这样就提高了带宽利用率，减少了转发延迟。RPR属于广播型网络，一个数据包可以到达环上所有节点。这意味着多种施用于广播型网的技术能够继续施用于RPR上，如地址解析协议（ARP）、生成树协议（802．1D）和三层协议等。RPR的

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