弹性分组环技术

 摘要 
            　　随着城域网的发展，光传输技术在城域网中得到广泛应用。本文主要介绍了新的光传输技术－弹性分组环技术，并与其它在城域网应用的传输技术做了比较。 


            关键词 
            　　RPR (Resilient Packet Ring)―弹性分组环 
            　　RPT－(Resilient Packet Transport) 
            　　DPT (Dynamic Packet Transport) SRP 

            1.前言 
            　　近年来，随着通信业务量的逐年递增，155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s等SDH系列设备已经大量采用；DWDM（密集波分复用）技术更进一步增加了光纤容量，从2×2.5Gb/s、4×2.5Gb/s、8×2.5Gb/s甚至n×10Gb/s、n×20Gb/s、n×40Gb/s的DWDM系列正在开发并逐步进入市场。 

            　　另一方面，由于Internet的迅速发展，IP业务正以指数速率迅速增长，并向传统电信业务的渗透，传统电信业务与IP融合的步伐大大地加快。由于传统的电路交换技术不是针对基于分组的业务、其复杂的时分复用方法、语音编码和64kb/s的交换速率等已不能适应未来以数据业务为主的网络发展的需求，IP 
            over ATM、IP over SDH和IP over 
            WDM等纷纷涌现，但是，以上技术都有着这样或者那样的不足，于是新的传输技术－基于IP的弹性分组网技术应运而生。 


            技术应用 
            　　从国内外网络技术发展趋势来看，采用分组环技术组网开始成为城域网建设的发展趋势。弹性分组环技术是一种全新的为IP数据业务设计的光纤传输技术，采用环行组网技术，将数据、话音、图象业务合一，并解决了QOS分类、环保护等问题。在具备了千兆以太网比较经济的特点的同时，帧封装比POS更为简化和更灵活，同时具有空间复用机制和50ms环自愈保护特性，分组环设备可以承载具有突发性的IP业务，有的设备还能支持传统语音传送，是适用于中小型城域网骨干到接入和大型城域网接入的技术。 


            2.弹性分组环技术概要 
            　　目前RPR的技术标准只出台了草案，尽管各个厂家的技术和设备接口都有所不同，但是技术原理都是相似的。例如：Cisco、Luminous公司分别发展出了DPT（动态分组传送）和RPT技术，它们都属于弹性分组环技术。 

            　　弹性分组环技术都采用环状拓扑，双环结构。外环顺时针和内环逆时针同时双向传输数据，有的RPR技术支持各环分别传输各自的数据和控制信息，有的厂家则支持各环传输另外一个反向环的控制信息。 

            原理图如下图所示： 





            RPR工作原理图



            2.1 点到点协议 
            　　一般认为，RPR 是点到点的协议, 它依靠控制层的一系列的功能来提高环型网的服务质量、高效性和可管理性。 
            　　在RPR环形结构中，每个节点均有上行和下行两个邻居，网络结构相当简单。分组环上的所有节点被配以唯一的逻辑MAC地址，可标识254个节点，所有节点都可以基于逻辑MAC地址进行快速的二层交换。如节点1要将一业务流传向节点4，则此业务流终点逻辑MAC地址指向节点4，由于环支持空间复用技术，此业务流可快速的传送到节点4。中途经过的节点2和3根据业务流的逻辑MAC地址可判断业务目的节点，不做任何处理仅对业务快速传送。 

            　　一般情况下，节点仅掌握入节点链路入口光纤状态，节点间没有任何关于拓扑信息的更新。当以下三种情况发生时：环初始化、新节点加入环中、环发生保护切换时，网络处于自动拓扑识别状态下时，触发器触发节点向环内所有节点（基于每个节点的逻辑MAC地址）发出二层消息。各个节点根据此消息可判断哪两个节点间链路状态发生了变化，最终所有环上的节点都得到网络的拓扑图和每条链路的状态。 

            　　当故障发生时，RPR节点可快速进行业务倒换，故障点两侧的节点向其他节点广播故障消息，然后每个节点在小于50ms的时间内对有保护要求的业务向反方向环作快速倒换，并根据新的网络拓扑依次恢复无保护要求的业务。RPR的净负荷可以是各种用户数据，如IP/IPX，MPEG、T1/E1或OCn/STMn等 
            TDM业务、 以及其他各种业务。 


            2.2 环同步 
            　　有的RPR技术例如Luminous的RPT 
            技术支持时钟同步，能从高等级时钟源提取或从线路上提供同步时钟信号，这样，它就能提供的包括T1/E1、DS3、 OC3/ 
            STM1、OC12/STM4在内的电信级TDM专线服务。 
            　　RPT同步机制类似于PDH的同步机制,环上有且仅有一个节点被设置为CO节点，CO节点上可设两个外时钟源，一个为主时钟，一个为次时钟，其他节点设置为CPE节点，CPE跟随CO提供的时钟。RPT以最高优先级分组的方式发布晶振时钟信号。RPT是异步传输标准，RPT帧长可变，并且只有有业务时RPT帧才传送，单纯依靠帧边界定位的方法不能提取时钟信号。RPT通过向线路上每125us插入一个8 
            bit的控制信息"tick"向环上所有节点发布时钟信息,这个字节可插入RPT帧中或位于帧间。 
            　　由于RPT环是双向反向环，时钟同步分组信令沿光纤方向传送，同时具备了冗余备份的功能，从而保障环在任何情况下都保持同步。另外，RPT设备内部有晶振3级时钟，即使外部时钟丢失，RPT设备仍可保持网络同步。 


            2.3 分组环的空间复用技术 
            　　RPR技术都支持空间复用技术(SRP)，即Spatial Reuse 
            Protocol，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。 

            　　例如环上依次有4个节点A、B、C、D，业务经过A节点到达B节点下环，新业务允许从B节点插入并经C传送到D节点，从而有效的利用了环上A到D的带宽。 

            　　空间重用可以保证对各种等级业务的QOS，RPR可根据用户需求分配带宽，而不是象SDH那样分配固定时隙，而且可以对不同等级业务的采取不同的保护方式。SRP光纤环使用因子为2，光纤使用率相对SDH提高一倍。从而最大限度地利用光纤的传输带宽。 


            2.4 多等级、可靠的Qos服务 
            　　各种RPR技术都定义了几种服务类别，比较普遍的定义包括快速前传－Expedited Forwarding (EF), 
            保障前传－Assured Forwarding，和Best Effort (BE)，其中控制信令是默认的最高优先级，并无需定义其级别， 
            以下是某厂家RPR设备中定义的4个业务等级： 
                  RPR服务类别COS(Class of Service)吞吐量延迟抖动帧丢失
                  快速传送(Expedited Forwarding)EF恒定速率，有保证极低，有保证机制极低，有保证机制极低
                  保障传送（Assured Forwarding1）AF1速率可变，有保证低可变低
                  保障传送（Assured Forwarding2）AF2可超量配置，优先于BE无要求无要求中
                  尽力传送Best Effort(BE)无保证，视网络情况而定无要求无要求高，视网络情况而定


            EF类 
            　　EF服务等级具有严格的延时、抖动保障机制和时钟同步机制。EF业务速率恒定， 
            无论在从用户接口上环或者在经过某个节点时，都会被优先处理，几乎没有抖动，延迟也相当的小。基于EF服务等级，RPR设备可传送语音业务，图像业务，提供虚拟专线业务等。 


            AF1类 
            　　AF1服务等级的业务带宽可在一定范围内浮动，主要用于对延时和抖动无特殊要求，承诺一定带宽、无突发的图像、数据业务。 

            AF2类 
            　　AF2服务等级用于要求有承诺带宽和突发带宽的数据业务。AF2突发部分采用尽力传送的机制，单优先于BE业务享用带宽。 

            BE类 
            　　BE业务用于尽力传送的数据业务，如上网业务。 

            　　以上的业务级别只是一般情况下的缺省定义，不少厂家在实际运行环境中都可以根据客户需求或者不同业务的需求定义新的业务级别。 


            2.5 环自愈保护 
            　　当RPR环中光纤传输中出现严重故障或者发生光纤中断后，光纤中断处两端节点会发出2层的控制信令,沿光纤方向通知各个节点。业务流源节点接收到这个信息后，立即向另一个方向的光纤上发送业务。在环保护切换时，会按业务流的不同服务等级，根据同终点业务一起倒换原则，依次向反向光纤倒换业务。　　　　RPR和SDH一样，能保证业务的倒换时间小于50ms. 

            　　RPR技术为数据业务和语音业务提供了一个二层的统计复用的平台。不论是语音业务还是数据业务接入之后都会被分配到不同的优先级上。语音可以在在E1入口处分组化，自动配以EF服务等级，具有恒定承诺速率，有严格的延时、抖动保障机制和时钟同步机制，而对数据业务则提供EF、AF1、AF2、BE服务等级。 



            3 RPR与其他宽带技术的比较 
            　　RPR与其他技术相比，最大的特点是既具有LAN的经济性，同时又具备可靠的语音传送的手段、网络带宽可充分利用。 
            　　RPR和其他宽带城域网技术的具体比较如下： 


            RPR 、SDH比较 
            　　RPR同SDH一样可提供专线服务的同时，对数据业务进行优化，有效支持IP的突发特性。RPR带宽可已统计复用，可提高大量的高速以太网口，并提供不同等级的服务和基于不同等级业务的环保护功能，这是SDH所不具备的。 



            RPR、POS比较 
            　　RPR和POS一样，避免了ATM技术的协议复杂性和过高的信头开销，不对IP包进行拆分和重组，直接将IP包映射到弹性分组数据帧格式上，从而大大提高了交换机的处理能力，并降低了设备的价格。RPR可提供动态使用带宽的功能，使带宽利用率大大提高，避免了POS点到点连接的局限性，减少了端口数。 



            RPR 、千兆以太网比较 
            千兆以太网技术的核心只是为了简单地提高传输带宽和交换容量，在可靠性、扩展性等方面不能满足大型电信营运网络的需求。 


            千兆以太网技术的主干可靠性一般由所谓的TRUNK技术来提供，不仅耗费更多的端口，而且在切换时间、网络自愈等方面远不能充分利用光纤网络的潜力。 


            千兆以太网的VLAN虽然实行了对用户的隔离，但每个VLAN具有不同的STP树，大量的VLAN维护耗费的网络处理资源。 

            路由保护倒换时间长。以太网基于Spanning 
            Tree算法建立节点间的生成树，对于双归路由只能选择一条作为主用路由，备用路由处于"Block"状态。STP不具有负载均衡功能，拓扑更新十分缓慢，一旦主用光纤发生中断， 
            Spanning Tree需要几秒甚至几十秒才能倒换到备份路由上，根本无法提供电信级的服务。 

            没有真正意义上的物理保护 
            　　边缘交换机有两条上行路由，在逻辑上具有路由保护作用。但在实际城域网建设当中，一般是在一个区域内敷设一条光缆，不可能对边缘交换机提供两条真正意义上的物理路由。因此，有可能当光缆中断时，两条上行路由都失效。 


            L3以太网交换机需要进行L3查询，大大增加了网络传送延迟。 

            以太网没有严格的QoS定义和服务等级分类，不能传送传统语音业务，不能对VoIP业务提供优先的服务，仅仅适用于数据传送。 
            4 .分组环技术能充分满足宽带IP城域网建设的需求 
            　　RPR技术具备了新一代城域接入网应有的特点，其中包括： 


            4.1 技术的先进性 
            　　弹性分组数据传送以IP业务为核心，适用网络发展的方向。RPR充分简化网络层次， 
            避免了ATM和SDH层的开销，提供了空间复用技术和统计复用功能，保证高带宽的高利用率，相对TDM网络可提高带宽利用率3～4倍。 


            4.2 网络的可靠性 
            　　RPR的网络具有完善的网络性能监测、错误定位等网管功能。现在的RPR的设备都采用数据通道和控制通道冗余备份设计，保证了网络设备运行具有电信级的可靠性。当光纤中断或网络设备发生故障时，通过50ms的环自愈和快速倒换保护关键业务，并按服务等级依次倒换非关键性的业务。 



            4.3 可管理性 
            　　RPR能根据配置信息自我设置，还支持综合电信管理标准的故障、设置、计费、动态的带宽管理功能、性能监测和安全(FCAPS)要求。 


            4.4 质量保证(QoS) 
            　　RPR提供多等级、可靠的分级服务，QOS机制可以在高速光网络层入口/出口的接口处提供延时控制、数据包丢失和各种混合业务类型的运营模式，并提供必要的带宽保证。 



            4.5 支持传统业务 
            　　RPR支持语音业务，可以对直接支持T1/E1，或者对语音信号分组后（例如IP化后）传输，满足传统业务需要的QoS和接口要求，使得传统业务能逐步地转移到为专门为传输数据而优化的光网络上，网络运营商在建设了面向IP为核心的城域网的同时，既可提供VoIP业务，又可承载传统的PSTN业务。 



            4.6 低成本 
            　　弹性分组环技术通过最优路径选择、空间再利用、统计复用和两个同时工作的环路，最大程度地提高光环路的工作能力，将初期和增长投资都降到最低。RPR设备高度集成，能提供了低成本的运行管理、维护和操作费用。 



            4.7 兼容性 
            　　各厂家弹性分组设备都支持标准的接口10/100BaseT和千兆以太网接口，有的还支持E1/T1和STM-N。 

            　　以弹性分组环技术为基础的城域网可以提供语音、专线业务、各种数据业务的支持，提供了三网合一的平台基础，对于电信网络运营者，尤其是不断涌现的新电信运营商来说，弹性分组数据环（RPR）技术以其各方面的优势提供了一个良好的IP城域网组网方案。虽然目前众多厂家产品都有着自己特点，相互之间存在兼容互通问题，但随着IEEE802.17协议标准的更新和出台，预计RPR技术将以其各方面的优势，在新一代城域网的建设中得到广泛应用。