RPR技术及其在城域传送网中的应用

    作者：曹青  李少勇

    摘要：PRP技术是IEEE802.17定义的一种在环型结构上优化数据业务传送的新型MAC层协议，能适应多种物理层，可以有效地传送话音、数据、视频等多种类型的业务。

    介绍了RPR(弹性分组环)的技术特点、实现方案以及在城域传送网中的应用。

    要害词：弹性分组环城域网应用

    近年来随着以数据业务为主的非话音业务的迅速发展，传统的基于TDM的SDH城域传送网存在着许多不足之处，如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，不能很好地满足新业务非凡是数据业务的承载需求。虽然出现了基于SDH的MSTP(multi-servicetransportplatform，多业务传送平台)技术[1]，较好地适应了多业务统一传送的需求，但在根据不同业务需求提供不同QoS保证、提供多样化的网络接入方式和速率、带宽分配的公平化等方面依然面临挑战。RPR(弹性分组环)技术的出现，较好地解决了目前网络的承载效率、业务可靠性、业务安全性等方面的问题。

    1、RPR的技术特点

    RPR技术是IEEE802.17定义的一种在环型结构上优化数据业务传送的新型MAC层协议，能适应多种物理层(如SDH、WDM、以太网等)，可以有效地传送话音、数据、视频等多种类型的业务。RPR技术融合了以太网技术的经济性、灵活性、可扩展性等特点，同时又吸收了SDH环网的50ms快速保护的优点，并具有网络拓扑自动发现、环路带宽共享、公平分配、严格的业务分类(CoS)等技术优势，从而可以提供较为经济有效的城域网解决方案[2]。

    RPR技术的主要特点大致可归纳如下：

    1.1采用双环结构

    RPR采用互逆双环拓扑结构，靠近外部的环称为外环，靠近里边的称为内环。环上的每段光路工作在同一速率上，RPR的双环都能够传送数据。RPR外环的数据传送方向为顺时针方向，内环的数据传送方向为逆时针方向。每个RPR节点都采用了一个以太网中用到的48bitMAC地址作为地址标识，因此从RPR节点设备链路层来看，这两对收发的物理光接口只是一个链路层接口；从网络层来看，也只需要分配一个接口ip地址。

    1.2分组式ADM(分插复用器)体系

    RPR对业务交换采用分组式ADM体系。RPR大大简化了环路上的分组处理过程。对于每一个节点，假如数据流的目的地不是本节点的话，这个数据流会被简单地前传，而不会像以太网交换机那样还需将此数据流放入队列并等待处理。每个节点的RPRMAC层对业务的处理有三种情况：把用户数据流加入到环路中去(上环)；把目的地是本节点的数据流从环路中取出来(下环)；直接把数据流从环路的一段前传到另一段上(过环)。所以RPR设备可以像SDHADM那样不用处理那些前传的数据流，系统的处理性能可大大提高，数据分组的ADM式交换体系可以很轻易地升级到更高的速率。

    1.3空间复用和统计复用

    RPR技术支持空间复用(SRP：spatialreuseprotocol)技术，它是一个独立于介质的MAC层协议，SRP在数据包环上提供了寻址、读取数据包、带宽控制和控制信息传播的基本功能。在分组环路上，数据包被目的节点从环上读走，而不象FDDI(光纤分布数据接口)那样要经过整个环路最后由源节点读走。这样，分组环使得有多个节点成多段同时传输数据，而不会互相影响，充分利用了整个环路的带宽。

    统计复用的应用是指RPR将环路的所有带宽作为统一的管道供所有的业务共享，在共享带宽的过程中提供不同等级的服务质量。这样，带宽可节约至少40%(视业务种类而定)。

    1.450ms环保护机制

    IEEE802.17建议提供两种环保护机制：缺省选项为steering(源路由方式)，可选方式为wrap(折回方式)。两种保护方式都可保证环保护时间小于50ms。RPR节点间通过信令交换拓扑信息，每个节点都知道网络的状态。

    当采用源路由方式提供保护时，光纤中断点两端的节点会发送拓扑更新信息，每个业务的源节点会根据拓扑更新信息向反向倒换业务，业务仍然可根据RPR层终点MAC到达环路出口。源路由方式的优点在于大大提高了环路带宽利用率，并且某条光纤上的业务保护倒换对另一条光纤上的业务没有任何影响。

    当采用折回方式提供保护时，可对RPRMAC层设置旁路，直接采用物理层的环回。折回保护方式的优点在于保护倒换时间相对快，分组流失少。假如分组为组播业务，折回保护方式通过另一条光纤提供迂回路由，不需要重新计算组播的复制点。

    RPR环保护基于分组业务为单位进行，对于每个业务可选择采用一种保护方式，也可以对业务先采用折回方式保护，减少分组丢失，然后再进行源路由保护倒换，从而提高带宽利用率。

    1.5网络拓扑自动发现和更新

    RPR节点间可交换拓扑识别信令，采用类似0SPF(开放最短路径优先)的算法。RPR拓扑更新信令和0SPF的区别在于OSPF是L3路由协议，RPR信令则是L2的触发式协议。在拓扑初始化阶段，每个节点都会发出拓扑查询消息，沿环路传送，其他节点会加入自己的属性，当源节点收到自己发出的拓扑查询消息时，便可了解到环路拓扑信息。当环路增加节点、减少节点、光纤中断、节点失效等事件发生时，相应节点都会被触发发出拓扑更新信息。当环路处于正常状态时，节点之间会以固定时间间隔发送hello信息来判定链路状态是否正常。拓扑自动识别增加了环路的自愈能力，并且减少了人工配置所带来的人为错误。

    1.6带宽公平分配、灵活的环路带宽治理

    由于环上的带宽是共享资源，极其轻易被网络上的个别节点或个别用户过度使用造成网络瘫痪。RPR规范了一种分布式的公平控制算法来实现各节点带宽的动态公平分配，并可根据需求为环上的各节点分配不同的权重，在环路带宽发生拥塞时，保证各节点高优先级业务的传送，并实现低优先级业务的公平接入和带宽分配。实现完善的公平机制，有利于RPR环路快速响应突发性的数据流量变化。

    RPR技术的一个重要特点就是它支持灵活的带宽颗粒、带宽的动态共享和分配。RPR环通过执行公平算法来控制带宽的利用，把环上任意两个节点之间所有的带宽作为一个全局资源分配给用户。RPR每一个节点的MAC层一直观测紧靠它的链路的利用情况，然后把这个信息告知环上所有的节点。每一个节点可以据此向环上增加或减少发送的数据量。网管根据这些信息来统计RPR环路各个跨段上资源的使用情况，实现环路带宽的灵活、动态治理。

    1.7提供严格的CoS分类

    RPR规范了A、B、C三种业务等级，提供了可靠的保障高优先级业务的机制。A类业务优先级最高，可保证最短的端到端时延和时延抖动，A类业务可分配一个CIR速率，其中可细分为A0(保留带宽)和A1(可回收带宽)；B类业务分配一个CIR(承诺的信息速率)，对于超过CIR的流量标记为EIR(超越信息速率)流量，EIR流量应与C类业务一起参见公平算法；C类业务提供尽力而为的业务，优先级最低。

    2、RPR的实现方案

    RPR是一种多业务平台，兼具了数据链路层、网络层的特点，覆盖范围广，组网灵活，扩展能力强，既有LAN的经济性又有SDH的高可靠性和保护机制。采用RPR技术组网，可减少网络建设的投入成本，兼顾多种业务，最大限度的利用了带宽，提高设备的利用率，降低维护和治理等运营成本。

    RPR的具体实现方案可以分为三类：独立式的基于2层的RPR实现方案；基于路由器的单卡RPR实现方案；基于内嵌RPR的MSTP实现方案。对于这三种实现方案，都各有厂家推出相应的产品。

    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，是目前较成熟的一种解决方案。有的厂家将MPLS(多协议标签交换)技术、时钟同步技术、CWDM(粗波分复用)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(时分复用)业务的宽带多业务解决方案。

    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，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。

    内嵌RPR的MSTP实现方案，实际上是在MSTP环网带宽上通过虚容器(VC)划分出独立的通道来支持RPR技术。与传统SDH相比，虽然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(通用成帧协议)实现以太网帧到SDHVC容器的映射，以及采用了虚级联和LCAS(链路容量调整方案)技术增强虚容器带宽分配的灵活性和可靠性。但是由于以太网技术应用于环型网时固有的缺点，厂家大都将RPR技术引入新一代的MSTP中，从而为支持数据业务提供全面的解决方案。内嵌RPR的MSTP适用于建设以TDM业务为主数据业务为辅的传统运营商网络，以及在兼容现有SDH网络的前提下提供数据业务传送能力的网络升级改造。

    3、RPR在城域传送网中的应用

    城域传送网的建设必须适应城域业务的需求和发展。目前，城域业务的特点表现为：传输距离短，业务类型复杂，业务需求变化迅速，接入环境复杂多变，IP业务逐渐成为主流，以太网接口越来越被用户青睐，用户对带宽需求越来越大。这些业务特点对城域传送网提出了新要求，城域传送网的建设因此要考虑建立多业务宽带传送平台，以实现快速增长的IP数据业务和以传统话音为主的TDM业务的综合传送。

    随着市场的需求和技术的进步，不断发展出了多种城域传送技术方案，如：基于SDH的MSTP技术、RPR技术、城域WDM技术、PON技术等。这些技术各具特色，适合应用于城域传送网的不同层面。从技术特点来看，弹性分组环无论在城域传送网的接入层、汇聚层和核心层都可以发挥它的作用。

    弹性分组环具备在城域传送网接入层方面的相关特性，不少RPR设备都提供了从10M/100M、GE、FE到E1、SDH等许多标准的用户接口，有的组环带宽可以达到1Gbits，业务分级的颗粒度可以细到64kbyte，组网灵活，具备了良好的业务保护能力等，采用RPR设备，可以为用户提供从64kbit/s到10Mbit/s/100Mbit/s乃至千兆的接入带宽。另外，由于RPR的标准之一IEEE802.17是参照IEEE802系列标准而制定的，专门针对以太网业务提供优化传送和50ms保护，所有以太网帧都可以最低的开销进入RPR环网，因此可以方便的开展接入业务。

    在城域传送网汇聚层方面，RPR具备了较大的技术优势，最低的头开销，无可比拟的业务等级划分，跟SDH一样的50ms环保护能力，甚至部分厂家对TDM业务的良好支持，对三层路由协议的支持，还有其它一些针对以太网业务的VLAN、以太网透传、TDM汇聚到GE上进行传输等，SDH、MSTP和IEEE802.3技术都无法与之相比。

    在城域传送网核心层方面，RPR技术针对以太网业务做了优化处理，加上根据不同对业务等级和业务质量的50ms环保护能力，有些厂家设备支持TDM业务和以太网业务的分别上行，提供了高达10G的环网带宽等，也为城域网的核心层传输提供了良好的支持。

    对传统电信运营商来说，由于已具有一定规模的业务传送网，一种比较具有吸引力的方案就是对传统SDH进行改造和发展，在继续SDH的保护和网络治理等优良性能的同时，在SDH平台上添加一定的数据传送能力，从而使SDH设备能更好地支持数据业务，将SDH发展成为MSTP。MSTP内嵌了RPR功能后，增强了新一代MSTP设备的以太网业务带宽共享和公平竞争性，其重要亮点是可实现动态、公平共享的以太环网应用。传统MSTP的以太环网一般是利用二层交换来实现，如基于VLAN的多生成树，即在环网中每个VLAN具有一个生成树，可利用被单生成树禁用的跨段，具有环网带宽重用的功能；业务优先级一般采用VLAN优先级等方式实现；支持基于STP/RSTP的保护倒换，时间在几秒到几十秒左右。与此相比，RPR实现的以太环网在业务处理速度、扩展性、CoS、保护倒换时间、带宽利用率、抑制广播风暴、拓扑自动发现等多方面都具有较强优势，非凡是具有了环路带宽的公平分配机制，克服了生成树协议(STP)的固有缺陷。因此在MSTP的建设中，可优先考虑支持内嵌RPR技术的MSTP，以满足数据业务传送的要求。

    4、结束语

    RPR技术现在已逐步进入成熟发展期，相关RPR技术应用标准的制定也明确了RPR在实际网络中应用时对相关设备的要求，为RPR在电信网络中的规模应用做好了预备。

    对传统电信运营商而言，由于城域传送网已经具备了一定规模的SDH网络、IP网络、ATM网络等，假如放弃这些资源而专用新的技术，会造成很大的浪费，不利于保护已有投资，同时由于各种技术的发展也很快，具体采用哪一类技术，还需要根据业务类型、业务量的猜测慎重考虑。

    参考文献：

    [1]曹蓟光，吴英华．多业务传送平台(MSTP)技术与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2003．

    [2]张民，潘勇，徐荣．宽带城域网[M]．北京：北京邮电大学出版社，2003．