城域網中的彈性分組環技術

2019-11-04 22:15:49

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　　目前，隨著城域網中數據流量的增加，傳統的傳輸方式（如SONET/ATM）已經在新業務面前力不從心。彈性分組環（RPR）被認為是重建城域網以滿足新業務需求的替代方式。根據RPR協議草案和國內外其它的相關資料，簡要介紹了RPR技術的特點，然后對RPR的要害技術進行了分析。

一、RPR技術

1.網絡規模

彈性分組環（RPR）可以兼容多種數據速率。它可以在一系列的物理層上工作，如：SONET/SDH、千兆以太網（IEEE 802.3ab）、10Gbit/s以太網（IEEE 802.3ae）及密集波分復用（DWDM）等。當速率越來越高的物理層再現時，RPR同樣會支持這些物理層。

2.拓撲和雙環

RPR應用一個雙向的光纖環。它們可以被看作是兩個對稱的反向環路。幾乎所有的協議有限狀態機在這兩個環路上都是一樣的。雙向環結構使得RPR可以采取兩種保護機制。

a）環回（ring wrap）。就像在光纖分布式數據接口（FDDI）或者SONET/SDH雙向線路保護倒換（BLSR）中的保護機制一樣，在媒質或者站點失效時，使數據從臨近失效鏈路的站點處經另一端環回。

b）源端定向（source steering）。同在SONET單向通道保護倒換（UPSR）中的保護機制一樣，源端站點選擇向其中的一個環發送數據，以避開失效的鏈路。

節點可以在兩個方向中上發送數據，也就是說既可以順時針也可以逆時針在環上傳輸數據。一般來說，根據拓撲發現機制，節點選擇一條離目的節點最近的路徑發送數據。但這并不是必須的，比如在阻塞或者鏈路上出現錯誤時可能會選擇另外一條路徑。這種選路機制和空間復用機制的結合將大大提高雙環的傳輸容量。

3.共享媒質

由于RPR可共享傳輸媒質，因此能支持廣播業務，這就意味著大量應用廣播的機制可以同樣應用在RPR上，比如以太網的地址解析協議（ARP）和擴展樹協議（STP）等。

4.彈性

一個分組可以通過兩條不同的路徑到達目的地，在一條路徑失效時，分組可以選擇另外一條傳送，并且切換時間小于50ms，因此RPR是具有彈性的。 RPR中，在正常情況下，兩條路徑都可以承載業務，而不需要把一條路徑專門用作備份路徑，從而高效地利用了光纖資源。

5.空間復用技術與目的地剝離

通過RPR在目的節點處把分組從環上剝離開來的機制可以獲得更高的鏈路利用率，這種技術也稱為空間復用技術。它為當前節點和下面的節點節省了更多的帶寬，這些帶寬可以被用來傳輸更多的數據。目的地剝離也有例外，即多播和廣播中分組是在源端被剝離的。

二、RPR要害技術分析

1.帶寬分配和公平算法（RPR－fa）

（1）MAC層的服務

媒體訪問控制（MAC）子層提供下列四種服務訪問點以滿足MAC客戶實體之間交換PDU。這四種服務訪問點可以提供高優先級、中優先級、低優先級和控制等四個邏輯通道的訪問。MAC層提供的四種服務是：

a）預留帶寬服務。RPR的MAC協議提供一種預留環上帶寬的機制。這些帶寬對RPR的公平算法是不可見的，必須由RPR的MAC客戶實體完全控制。其它三個等級的業務不能使用這些預留的帶寬，即使這些帶寬空閑。RPR的MAC層會通過某種規則，把預留帶寬服務的數據傳送要求映射到已經靜態預留的帶寬上去。服務訪問點也會為MAC客戶提供底層通道的狀態信息，如當前服務是否可用等。

b）高優先級服務。RPR的MAC提供一種高優先級的服務，這種服務可以支持對端到端時延和抖動要求比較高的業務。MAC層認為MAC客戶已經在入口處對高優先級的服務整形，從而可滿足承諾信息速率（CIR:Committed Information Rate）、突發信息速率（BIR:Burst Information Rate）和超額信息速率（EIR：Excess Information Rate）的要求。服務訪問點會為MAC客戶提供一些底層通道的狀態信息，如當前服務是否可用、當前業務是否可以被接受等。

c）中優先級服務。中優先級服務支持對時延不敏感但要求帶寬保證的業務，同高優先級服務一樣，MAC層期望MAC客戶已經對業務流進行整形以滿足 CIR和EIR的限制。RPR-fa根據業務流是否遵循CIR/EIR的限制，來對業務流進行不同的處理。假如業務流遵循CIR/EIR的限制，那么這些數據幀就像高優先級業務一樣，對RPR-fa不可見。反之，數據幀將在環的入口處被標識。從而這些不遵循CIR/EIR限制的數據幀無論是環的入口還是在環上的傳輸的站點上，都會被計算在公平算法的處理之內。這些數據幀的級別等同于低優先級。服務訪問點會為MAC客戶提供一些底層通道的狀態信息，如當前服務是否可用、當前業務是否可以被接受等。

d）低優先級服務。這種服務支持那些對端到端的延遲和抖動都不敏感的業務。同樣，服務訪問點會為MAC客戶提供一些底層通道的狀態信息，如當前服務是否可用、當前業務是否可以被接受等。

（2）MAC公平性

RPR-fa是局部的公平算法，它是一種保證環上所有站點之間公平性的機制，只應用于從MAC客戶來的低優先級服務和超額中優先級服務（即中優先級服務中不遵循CIR/EIR限制的數據幀）的業務。

在RPR－fa中，假如一個節點發生阻塞，它就會在相反的環上向上行節點分布一個公平速率（farerate）。當上行站點收到這個公平速率時，它們就調整自己的發送速率以不超過公平速率，它們就調整自己的發送速率以不超過公平速率。接收到這個公平速率的站點會根據不同情況作出兩種反應：若當前節點阻塞，它就在自己的公平速率和收到的公平速率之間選擇最小值公布給上行節點；若當前節點不阻塞，節點就可能不采取任何行動。

在RPR－fa中有一個多阻塞（multi-choke）的概念，多阻塞機制應用于一個節點業務流的目的節點與阻塞鏈路相鄰的情況下。進一步說，只要某個發送速率滿足（不大于）源節點和目的節點之間所有阻塞點的公平速率，RPR-fa就答應源節點以此速率給目的節點發送數據，這就是多阻塞機制的原理。

2.拓撲發現協議

RPR拓撲發現的實現是一種周期性的活動，但是也可以由某一個需要知道拓撲結構的節點來發起，也就是說，某個節點可以在必要的時候（如此節點剛剛進入RPR環中，接收到一個保護切換需求信息或者節點監測到了光纖鏈路差錯）產生一個拓撲發現分組。

在拓撲發現的過程中，每個節點都要把它的標識符傳送給相鄰節點，這樣就產生了拓撲識別的累積效應。拓撲發現分組的頭部有相應的信息表明這個分組是個拓撲發現分組，所經過的節點應該把此分組取下并且重新產生一個。重新產生分組的時候，節點需要把自己的標識符加入到分組中標識符隊列的開始，并且要去掉標識符隊列末尾的冗余條目。

假如在環上有一個環回，這個分組將從環回的分組的長度將會增加一倍，因為每個節點都有兩個標識符，每個標識符標識不同的環上連接點。

要注重的是拓撲圖只包含可以到達的節點，并且在有環回的時候，一些節點會被記錄兩次。當需要定向（steering）的時候，將利用得到的拓撲信息來支持保護切換。

（1）拓撲發現消息

發現消息是周期性發送的，這樣做有以下幾個目的：

a）確定節點的活動。節點活動性的檢測就是依靠像拓撲發現分組這樣的“心跳”來完成的。

b）擁塞控制。流量控制的協議將擁塞信息通知上行節點。

c）發現插入點。拓撲發現消息使得節點可以選擇最佳的插入點：在正常的操作中，選擇最佳插入點使得源節點到目的節點的跳數最小；在非正常的操作中，選擇最佳插入點可以避免不需要的保護環加。

（2）處理拓撲發現消息

拓撲發現消息用來累積拓撲信息，每個節點都把自己的標識符附加到經過的發現消息。

（3）修剪拓撲發現消息

每個節點都要負責把標識符隊列底部的冗余信息去掉。

3.智能保護切換

鏈路的失效會影響到那些要通過該鏈路的分組。臨近失效鏈路的節點可能會很快產生環回，即把分組傳送到另一個環上，而不是丟掉分組。

在保護機制中，環回可以使分組的丟失最小，但在應用定向機制以前消耗了大量的帶寬，并且環回導致的環回數據流所產生的延遲會影響高優先級的分組業務。因此環回是一種過渡的策略，而定向才是更有效的，同時也是鏈路失效恢復協議的一部分。當環回鏈路上所有的分組都被傳輸以后，環回機制和定向機制的切換才是安全的。

假如一個鏈路被恢復了，也就是兩個環都可以正常工作了，那么就可以根據新的拓撲信息把業務發送到最優的方向了。

4.空間復用機制

RPR采用空間復用技術，在一根光纖上可以分段傳輸技術。空間復用技術有兩個概念：

a）在同一個環上，不重疊的部分可以并行傳輸數據。

b）在不同環上，重疊部分的兩段線路可以并行傳輸數據。

三、基于RPR的城域網解決方案

RPR技術使得運營商在城域網內以低成本提供電信級的服務成為可能，在提供SONET/SDH級網絡生存性的同時降低了傳送費用。RPR最引人注目的特點就是支持電路仿真，以承載城域語音業務。雖然IEEE 802.17工作組還在進行RPR標準制定和測試工作，RPR商用也還要在一年以后，但是由于其良好的市場前景，許多公司都已推出了不同的非標準RPR城域交換產品，以期在激烈的市場競爭中占得先機。最具代表性的產品有思科的DPT/SRP，北電網絡的InterWan Packet Transport，以及Luminous Networks 的PacketWave。相應地，一些大的半導體生產廠商也公布即將推出RPRMAC層芯片，比如Vitesse與北電網絡合作，于2001年第三季度推出支持GFP的RPR芯片VSC9129，AMCC也承諾提供DPT/SRP的芯片級解決方案。而敏迅科技（Mindspeed）已經推出了號稱是首個支持RPR網絡的產品CX29950環路處理單元，思科已經開始使用該產品，而且Riverstone Networks近期也在其前期的RPR開關設計中使用了該芯片。但在正式標準未出臺前，以上方案都屬于前瞻性的技術。雖然每個供給商都承諾，一旦 IEEE 802.17標準出臺，就改造其產品以符合標準，但在規模形成前造成事實上的工業標準以影響正式標準的制定也是所有廠商的目的。

四、結語

正由IEEE 802.17工作組進行標準化的彈性分組環協議是一種新的MAC層協議，是為優化數據包的傳輸而提出的，它吸收了千兆以太網的經濟性、SDH對延時和抖動的嚴格保障、可靠的時鐘和50ms環保護和恢復等特性，并具有空間復用、帶寬動態分配、支持業務級別等特點，使其成為當前光網絡上傳輸數據包的一種優化技術，正得到業界的廣泛關注和重視。RPR可以滿足城域網越來越高的數據傳輸要求，隨著標準的制定和分布，RPR技術將成為城域網組網的優先方案。

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