面向10G城域以太網帶寬管理RPR技術

2019-11-04 20:36:45

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　　摘　要：彈性分組環(huán)（RPR：resilient packetring）是當前比較熱門的組網技術，它為10 G城域以太網提供了一個很好的組網方案。從RPR在10 G城域以太網帶寬治理方面的優(yōu)勢出發(fā)，介紹了其技術特點、標準化及產業(yè)化現狀，討論了城域以太網的RPR提案中有利于帶寬治理的各種要害技術。
　　
　　要害詞：10 G城域以太網；RPR；帶寬治理
　　
　　0　引　言
　　
　　隨著通信網絡規(guī)模的不斷壯大，城域網不僅是傳統(tǒng)長途網與接入網的連接橋梁，更是傳統(tǒng)電信網絡與新興數據網絡的交匯點及今后三網融合的基礎。隨著光纖技術的突破，骨干網的帶寬已經達到了太比特級，而城域網的業(yè)務調度和轉接遠比骨干網多，與此同時，隨著Internet的普及和電子商務的迅速發(fā)展，各類商業(yè)用戶和住宅用戶對帶寬的需求越來越大。基于眾多的考慮，如可擴展性、可靠性以及技術的成熟性，運營商選擇ATM和SDH／SONET傳輸ip，這些方式固然有其眾多的優(yōu)點，但在將Layer2（L2）層數據映射到Layer1（L1）層時，帶寬的治理上有明顯的缺點。從傳輸的角度來看，它們是基于“專線”的方式，需要預先確定傳輸所需的帶寬。數據進入骨干網遵循傳統(tǒng)TDM網絡的規(guī)律，其顆粒度可能是E1，E3，STM1或STM4等。這些方式導致了光傳輸帶寬的浪費。許多研究表明：專線的帶寬平均使用率不足50％，多數情況下不超過20％。隨著用戶需求的不斷增加，傳輸帶寬的耗盡必然導致傳輸網絡的擴容。造成了一方面帶寬利用率非常低，另一方面必須擴容的矛盾。由此可見，城域網發(fā)展的要害在于提高帶寬治理能力。
　　
　　電信網絡99．999％的可靠性不僅體現在網絡設備的可靠性，同時對組網技術、路由選擇、擁塞控制、故障恢復、路徑保護和流量治理提出了要求。在達到可靠性要求的前提下，如何合理、科學地配置10G城域網的拓撲結構、有效提高帶寬利用率，從而經濟有效地提高城域網傳送性能已成為社會和業(yè)界關注的熱點和競爭點。筆者介紹了能夠較好解決10G城域網帶寬治理問題的一種組網技術——彈性分組數據環(huán)（RPR：resilient packet ring）技術，包括它的技術特點、產業(yè)化現狀，并分析了其市場前景。
　　
　　1　10 G城域網的結構、面臨的問題及解決的方案
　　
　　10 GEthernet寬帶城域網的一種解決方案，如圖1所示。10 GEthernet大容量以太網技術將使城域網應用邁上一個新的臺階，IEEE在802．3標準中明確對其進行了定義。這種技術適應了城域網中占據主導地位的IP業(yè)務的增長需要，且支持附加大帶寬、高成本的城域核心網絡，可與TDM或DWDM光纖網絡進行無縫連接，滿足更大容量組網的需求。
　　
　　　面向10G城域以太網帶寬治理RPR技術

　　
　　該技術的不足之處是占用光纖對數較多；帶寬是靜態(tài)分配的，傳送IP數據業(yè)務的效率相對較低；不能滿足以太網業(yè)務對可靠性（鏈路／路徑的保護和故障恢復、擁塞控制、路由選擇和流量控制）的要求，QoS沒有保障；不支持電路業(yè)務的開展等。而且在采用10G Ethernet技術的城域網的組網中，也會出現環(huán)路。以前曾設計生成樹（spanning tree）用來消除環(huán)路，但是這樣不僅帶寬不能有效利用，并且當鏈路發(fā)生故障時，生成樹的重構又需要多達十幾秒的時間。與傳統(tǒng)的SDH／SONET相比，是無法接受的。那么有什么辦法可以彌補這些缺憾呢？其實在一開始涉及到城域網構建的時候，這些問題也都存在，人們也已經有了比較好的解決方法，借鑒這些思想以之融合進10 GEthernet技術達到比較完美的統(tǒng)一無疑將是一條捷徑。
　　
　　舊有的城域網采用為傳送話音業(yè)務設計的基于TDM（時分復用）的SDH／SONET環(huán)網技術，它非常成熟，有著突出的優(yōu)點。它不僅能夠恢復光纖的傳輸損耗，還能夠有效地支持環(huán)形拓撲結構。有專門的維護和治理信道，能夠實時地監(jiān)控，并有自愈能力。因此在電路交換時代，SDH／SONET傳輸方式的特點使它成為一種最具吸引力的選擇。
　　
　　然而，到了分組交換時代，SDH／SONET碰到了很多的挑戰(zhàn)。為了承載分組業(yè)務，發(fā)展了PoS（packet over SDH／SONET）技術，將分組包封后映射進SDH／SONET幀后在環(huán)網上傳送，但是這種映射方式的效率較低，隨著分組業(yè)務在傳送業(yè)務中比重逐漸增大，SDH／SONET的成本也隨之增加。同時，SDH／SONET的靜態(tài)帶寬分配很難適合分組業(yè)務的突發(fā)性，從而使數據傳輸的效率降低。另外，預留的保護光纖的帶寬資源也有較大的浪費。傳統(tǒng)的SDH／SONET網絡中有50％的環(huán)帶寬是冗余的，如為了在一條SONET鏈路上提供一個快速以太網連接，需要占用整個155 M的STS－3c載荷來支持這種突發(fā)型100 M業(yè)務。很明顯，這是一種帶寬的浪費。為了能方便地與像路由器這樣的數據網絡設備相連，新一代的SONET設備配備了以太網業(yè)務端口。來自于這些端口的業(yè)務被簡單地映射到一個通過環(huán)的電路連接。底層的SONET傳輸仍然是面向電路的并基于TDM，當以太網端口上沒有業(yè)務量時，鏈路處于空閑狀態(tài)，這對SONET環(huán)的帶寬是一種浪費。從網絡的角度來看，這種集成的分組交換機的作用相當于一個網橋或路由器。假如交換機充當一個網橋，那么系統(tǒng)就像是一個由網狀的STS－N電路連接而成的網橋網絡。任何兩個網橋之間的STS－N連接的帶寬都要在SONET環(huán)中留出來，即使當網橋之間沒有業(yè)務量時，這些帶寬也無法給別人使用。此外，生成樹的計算將會導致特定的通路被阻塞，從而產生更多的無法使用的帶寬。
　　
　　IEEE在2000年底批準成立了802．17 RPR工作小組，任務是為局域網／城域網／廣域網預備一套全新的物理層和鏈路層的協議，具備帶寬的共享性和可伸縮性、空間的復用性以及容錯性，目的是為了滿足建設城域網和廣域網對成本、性能和維護治理的需要。參與競爭的技術是當前大行其道的SDH／SONET／ATM。傳統(tǒng)的SDH／SONET如上所述不適合迅猛發(fā)展的高速數據業(yè)務。ATM的傳輸單位是信元，采用虛電路方式，同樣不適合高速數據業(yè)務，運營成本也很高。從而出現了RPR，這種新型協議融合了以太網、ATM和SDH／SONET的優(yōu)點，成為最合適的組網技術，可以滿足基于分組的城域網的要求。
　　
　　2　基于RPR帶寬治理的要害技術
　　
　　2．1　RPR帶寬治理及其優(yōu)勢
　　
　　RPR網絡是一種環(huán)形結構，是由分組交換節(jié)點組成的，相鄰節(jié)點通過一對光纖連接。網絡拓樸是基于兩個反向傳輸的環(huán)。節(jié)點間的鏈路是基于光纖的并可采用WDM來擴容。
　　
　　RPR綜合了以太網和SDH／SONET的優(yōu)點，使設備能共享環(huán)上的所有或部分的帶寬；它定義了一個獨立的物理層——彈性分組環(huán)媒介訪問控制層（MAC），給各個廠商提供互通性，從而增加競爭，降低了用戶的投資；它在環(huán)上傳送反方向的信號，并提供小于50 ms的保護倒換。在業(yè)務方面，RPR可以結合MPLS協議，利用幀結構中的MPLS標簽的CoS字節(jié)標識，提供4種等級的業(yè)務：快速傳送業(yè)務（具有嚴格的時延、抖動和保護、時鐘同步。如實時性E1語音業(yè)務和圖像業(yè)務）、保障傳輸業(yè)務1（對時延和抖動無非凡要求，但有帶寬承諾，無突發(fā)的圖像、數據業(yè)務）、保障傳輸業(yè)務2（有帶寬承諾，屬突發(fā)型數據業(yè)務，采用盡力傳送機制）、盡力傳送業(yè)務。這種技術假如得到大范圍應用，將解決城域網中多業(yè)務傳輸問題。RPR網絡將在城域網中作為饋線環(huán)（也稱為集環(huán)）。這些饋線環(huán)的用法與當前的SONET環(huán)十分相似，但它是用于分組業(yè)務的。像電纜調制解調器系統(tǒng)和固定無線網絡這樣的分組接入網絡均將形成RPR網絡的饋線。RPR網絡將來自于環(huán)路四周的分組業(yè)務量聚合到與網絡邊緣相連的一條或多條高度集中的鏈路中。在網絡邊緣，這些鏈路與DWDM和路由器網絡直接相連并通過它們將業(yè)務量轉移到最終目的地。RPR接入環(huán)可以是一種重疊網絡，可以利用現有的光纖并與承載電路業(yè)務（SOENT／SDH鏈路）的光纖設備并行。現有的SONET基礎將繼續(xù)被用于專線，電路交換的語音、電路交換的數據、以及像幀中繼和ATM這樣的窄帶和寬帶數據虛擬專用網絡業(yè)務的網絡接入。彈性分組環(huán)技術的部署相對來說比較靈活，不僅可以方便地實現與傳統(tǒng)技術的有效整合，而且能夠采取多種不同的部署方式，如這一技術可部署于原有基于SONET／SDH技術的所有鏈路或部分鏈路中。
　　
　　RPR物理層的靈活性答應它與舊的技術（SDH／SONET、DWDM甚至裸光纖）很好地集成。在有SONET／SDH環(huán)存在的地方，RPR能在SONET環(huán)上全部或者部分地被部署。在運營商安裝了DWDM設備的情況下，RPR能簡單運行在1個或者幾個波長上。最后，在只有裸光纖的情況下，RPR也能直接運行。所有情況中，在建立一個為數據優(yōu)化網絡的同時，它都保持了一個獨立的基礎設施以支持語音業(yè)務，這樣就可以認為基礎設施在物理層“收斂”了。這是一種既切合實際又成本低廉的聲音和數據融合方法。
　　
　　2．2　RPR的MAC層及幀格式
　　
　　RPR通過在環(huán)網上增加一個新的MAC層來解決城域網的瓶頸問題，它位于OSI第2層，定義了如何向不同的業(yè)務提供不同服務策略和保護機制，以及其環(huán)形拓撲結構和在環(huán)形結構中如何對帶寬進行統(tǒng)計復用。在一個共享媒介上傳輸分組通常是由MAC層的一套協議來處理的。以一個10 G的光纖環(huán)為例，通過控制對媒介的訪問并裁定要求，即RPR每一個節(jié)點的MAC層一直觀測緊靠它的鏈路的利用情況，然后把這些信息告知環(huán)上所有的節(jié)點。每個節(jié)點可據此向環(huán)上增加或減少發(fā)送的數據量，這可使RPR環(huán)的帶寬利用率比TDM網絡提高3～4倍，這樣MAC層就能夠保證服務質量（時延和抖動）和帶寬治理。
　　
　　此外，RPR的MAC實現了一種服務保護機制來避免光纖環(huán)失效，它還實現了一種避免阻塞的機制使系統(tǒng)在充分利用資源的同時又能確保所有配置業(yè)務的QoS。
　　
　　RPR的MAC層采用存儲轉發(fā)（store andforward）或虛電路直通（cut through）模式，因此幀間不需要前導或間隔字節(jié)，這樣就提高了帶寬利用率，減少了轉發(fā)延遲。RPR屬于廣播型網絡，一個數據包可以到達環(huán)上所有節(jié)點。這意味著多種施用于廣播型網的技術能夠繼續(xù)施用于RPR上，如地址解析協議（ARP）、生成樹協議（802．1D）和三層協議等。RPR的

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