基于RPR的城域网结构及关键技术分析

　　1 引言

　　城域网概念是由计算机网络演化而来的，是指介于广域网和局域网之间，在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。从较严格的定义来看，城域网跨接于长途网与接入网之间，它们在城域范围内（即企业间、局间的城域连接）疏通业务以及传送出入汇接点（POP）的业务。其结果是，城域网受两个关键因素的推动，即用户要求和支持这些要求的技术。城域环境是通信网中最复杂的环境，城域网必须包容各种不同的网络协议和信道速率。目前，城域网的解决方案十分活跃，有基于SONET／SDH的、基于ATM的，也有基于以太网或WDM的以及MPLS和RPR（弹性分组环技术）等。其中，基于RPR的城域网解决方案在未来具有非常广阔的应用前景。

　　2 城域网的发展

　　城域网概念是由计算机网络演化而来的，是指介于广域网和局域网之间，在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。从较严格的定义来看，城域网跨接于长途网与接入网之间，它们在城域范围内（即企业间、局间的城域连接）疏通业务以及传送出入汇接点（POP）的业务。其结果是，城域网受两个关键因素的推动，即用户要求和支持这些要求的技术。城域环境是通信网中最复杂的环境，城域网的特点是，必须包容各种不同的网络协议和信道速率。

　　今天的城域网正在发生巨大的变化，技术和用户的机制发生了转变，城域市场正在迅速成为一个激烈竞争的场所。长途DWDM容量与IP带宽需求的剧增把城域网推到了十字路口。近年来，城域网中引入多种先进技术，速率不断提高，业务趋于多样化。城域网所提供的带宽已从155Mbps、622Mbps向2.5Gbps以及10Gbps发展。一些运营商不仅提供更大带宽，而且还向用户做出服务质量承诺。城域网正在朝着一个能够承载话音、数据和视频等所有比特流的多业务网演变。要变成一个必须包容所有协议、速率和业务的中间环节，其地位变得越来越重要。因此，必须用新的思路、新的方案、新的技术去支持它，不让城域网成为处在LAN与WAN之间妨碍发展的瓶颈。总的来说，下一代城域网应该满足以下几个技术特点：

　　(1) 网络体系结构的对IP优化，对IP分组转发的优化－L2 domain的扩展。

　　(2) 有效承载传统专线业务，提供不同等级的QoS服务。

　　(3) 具有可靠的稳定性、自愈能力和可扩展能力。

　　(4) 动态带宽分配，具有严格的拥塞控制和服务保障机制。

　　3 基于RPR的城域网结构及特性

　　众所周知，SONET和以太网都不是环形网络上处理数据业务的理想方式。SONET在环形拓扑上既无优势可言，也不能有效的处理数据业务，同时还浪费带宽。以太网尽管天生适合传送数据业务，事实上却难以在环上实现，也不能充分利用环形拓扑的网络容量。如图1所示弹性分组环正是为满足以包为基础的城域网的需求而设计的一种网络体系结构和技术。与建立在以太交换或SONET 分叉复用基础上的正规体系结构不同，弹性分组环以一种清洁的平台解决了城域网的瓶颈问题。

图1 基于RPR的城域网应用实例

　　RPR在城域核心被用来改进SONET／SDH或DWDM环的数据处理特性，并具备非常快（小于50ms）的保护切换能力，更重要的是它同时传送MPLS标签交换信息。除了传输的可靠性，它还能有效地保证中央环上的各个节点公平地共享带宽，减少了广播业务对带宽的要求，并且提供有效的本地CoS和QoS能力，是构成端到端QoS解决方案的一部分。RPR物理层的灵活性允许它与旧的技术（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能简单运行在一个或者几个波长上；在只有裸光纤的情况下，RPR也能直接运行在裸光纤上。在所有情况中，它都保持了一个独立的基础设施以支持语音业务，我们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。RPR的协议栈层次如图2所示：

图2 RPR协议栈结构图

　　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网络可大大提高带宽利用率。 　　

　　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。

　　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。

　　质量保证

　　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。

　　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。

　　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设备高度集成提供了低成本的运行管理、维护和操作费用。

　　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。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。

　　4 RPR的关键技术分析

　　(1) 网络拓扑结构－双向环路互联网技术

　　RPR的拓扑结构是一组沿着双向环路互联网的交换节点如图3所示，与SONET/SDH不同的是，它的反方向传输的双环都是工作环。RPR环最基本的优点就是每个节点都能假设认为环上所传送的包最终都能到达目的节点而无论到底是选取环上哪一条路径。节点“知道”在环上只需要三种包处理功能：插入（向环内增加包），前向（前向发送包）和分离（从环上取出包）。这减少了单个节点间的相互通信所必须进行的工作量，尤其是相对于网孔网中每个节点都必须决定对每个包的出口端口做出决定。

图3 双向分组环

　　为了在RPR环路上连接相邻的节点，可以采用各种底层媒介，比如一对裸光纤、一对自WDM链路分插出的波长、一个SONET/SDH可拆卸OC-n电路以及其它双向连接媒介。以该拓扑结构为基础，每个RPR节点支持两个环端口：一个支持与左边邻近节点的连接，另一个支持与右边节点的连接，节点仅需掌握两个端口的光路状态。　　在网络初始化或者拓扑更新的过程中，RPR进入自动拓扑识别模式，所有节点基于48bit物理编码模式向环中其余各节点发送信令分组，告知自己所掌握的拓扑信息。每个节点据此来确定此时的逻辑拓扑结构，并通过一定的确认机制保证所有节点信息的一致性。这和IP中OSPF有类似之处，不同点在于前者是Layer2消息，对Layer3路由表没有影响，并且更新速度更快。拓扑更新过程结束后，每个节点都掌握了到其它所有节点的链路数目与状态，因此当故障发生时，RPR环可以进行基于源路由的故障倒换。

　　RPR环还支持其它灵活的组网形式。在简单的网络环境下，如在一个很小的范围内或者对网络生存性要求较低的情况下，可以采用单光纤工作方式，当然这时没有自愈功能。RPR环除了可以透明地支持WDM传送方式，还可能通过适当的设计应用WDM波长选路方案，大大增加网络总带宽。

　　(2) RPR的恢复和保护机制

　　网络的生存性（或称弹性）是指网络能承受设备和线路故障的能力。业务恢复时间和范围是度量生存性的两个重要尺度，不同的业务等级对恢复时间和范围有不同的要求。大量的研究表明，如果业务中断时间不超过50ms，对于多数电路交换网的实时话音业务和中低速数据业务来说不会造成（QoS）的下降，因此把50ms作为衡量传送网生存性的重要指标。在各种能够提供不同程度生存能力的通信技术中，只有SONET/SDH/DWDM自愈技术能够提供50ms中断期内电路通信服务的恢复能力，其基本思想是按双光纤配置环网络，其中一个是工作环，另一个备用。当工作环断开时采用高效APS通信协议，通过SDH开销中的K1,K2字节通知上下游节点，业务在光纤中断处两端节点通过保护光纤环回。这样的不足之处在于备用光纤的带宽没有充分利用，同时环处于保护状态时连接没有选择最佳路径。

　　在RPR环网中，两根光纤都是工作纤，没有主备用之分。在一般情况下，给定两节点之间的数据分组和信令分组反向传送如图4所示，当发生光纤中断时，节点光纤入口物理层设备检测到错误并将该信息通知MAC层。如果该错误信息确认，那么每个受影响的RPR节点将会执行一个故障覆盖（fail-over）动作，把故障路径方向的数据流到切换到反方向光纤，同时发出一个Layer2控制信令分组通知其它节点。其余节点收到这个信令分组后（有可能不只一个节点发出此分组）也把所有业务转移至有效环上。RPR的这种基于源路由的保护倒换机制可以实现把数据转换到最佳路径上去，另外，由于RPR支持空间重利用协议，可以节省出SONET/SDH复用段保护倒换所经过的环回路由的带宽供其它业务使用。同时，在保护切换过程中，会按照业务流的不同服务等级决定倒换次序和带宽分配策略。警报通知和重定向数据流都将在故障发生后的50ms内完成，弹性分组数据环中的“弹性”就是指这一特点。

图4 光纤断裂时的恢复

　　(3) 空间重利用协议(SRP)

　　顾名思义，SRP的基本思想是在空间上没有重复的业务流可以互不影响地利用各自线路的带宽。

　　SRP与以往的令牌环和FDDI的一个重要区别就是单播分组在其到达目的节点之后即从环上剥离，只使用源与目节点间的线路，并不锁定整个环，其它节点间的通信可以同时进行。这样使得许多节点可以同时发送分组，提高了环带宽利用率，特别是环上节点较多的情况下，带宽利用率的改善尤为明显。图5所示为运行SRP协议的RPR环网从中容易看出，在不影响其它节点通信的情况下，3-5的通信可以使用这两个节点间光纤链路的全部带宽。凭借源路由保护倒换机制和空间重利用协议，使得许多节点可以同时发送分组，提高了环带宽利用率，特别是环上节点较多的情况下，带宽利用率的改善尤为明显，原因有两个，一是选择了分组传送路由的最佳路由，二是同一时隙在不同网段上可以传送不同的数据。

图5 SRP示例

　　(4) 公平带宽

　　为了适应城域网客户种类繁多、交换粒度差异大的特点，RPR必须有一套灵活的带宽动态管理、拥塞控制和多等级承载业务QoS保证机制，能够比SONET/SDH更加有效地分配带宽，处理数据，从而降低运营商和客户的成本。RPR环同时具有内在的优势来实现公平带宽算法来管理带宽使用。环内带宽作为一种共享资源易于被单个用户或网络节点所占用，造成“公共悲剧”。公平带宽算法就是一种能让每个用户公平享用环内带宽的机制。 SONET存在的问题是：虽然它也能实现以点到点电路为相互联结分配和预定固定的带宽，但却缺乏灵活性。如图6所示，在左边的交换链中，我们看到节点D易于受到节点A、B、C带宽使用方式的影响。以太网交换典型的在所有输入端口中公平分配输出端口带宽。例如，如果每个节点想在上午8点到12点之间向互联网发送2Gbps的业务，那么，节点C、D仅能传送1Gbps，节点B将能传送500Mbps，而节点C、D仅能传送250Mbps了。随着链中节点数的增加，以太网交换对节点的不公平性变得更加显著，尤其是对上游的节点。

图6 全局公平和公共“悲剧”

　　一个解决方案就是在数据链路层实现每个节点的数据限制。例如，每次交换进入通道的业务可能限制在500Mbps，但是数据链路层的数据限制政策并不能转化成全局公平政策。在右边的RPR环上，将十分容易的实现全局公平政策，因为RPR环在整个环一级实现公平政策，而不是在单独的链接处。服务商能够制定规则以管理从上游或下游节点而来并与源节点包相关的包业务的转发速率，如此，如果环内带宽空闲，则D节点能自由转发所需要的包。另一方面，如果节点A到C都各自使用100MBPS速率，那么RPR环能通过控制源——转发关系自动限制节点D发出的包的数量。

　　(5) 广播或多点广播业务

　　RPR环天生适合于广播和多点广播业务，如图7所示，对于单播业务，RPR环上的节点通常可以选择从环上分离出包或转发它们。然而，对于多播业务，节点仅能简单的收包并转发，直到源节点分离出包。这使得在环上仅传送一份复制包就能实现多点广播或广播功能。此例中，源节点S想以广播方式将一个包传到目的节点D1——D4。若使用POS网络，S必须将此包复制并分别送至各个供应电路。而在一个RPR环内，源节点S只需在环上传送一个包，各D节点接收并转发。在此例中，RPR环相对于SONET环对于相同的多点广播业务，仅使用了四分之一的带宽。

图7 SONET与RPR环多点广播业务

　　(6) 简化快速的服务配置

　　定制数据服务的客户通常会抱怨等待运营商开通服务的时间太长，通常对于DS1和DS3服务，等待时间一般为6个星期到6个月不等，而OC—3速率或更高速率的服务则要等更长。这种等待服务提供的延时主要可归因于基础SONET结构和SONET以电路为基础的供应模式。创建一个端到端电路需要采取许多步骤：首先，网络运营商要使电路物理端点与管理系统一致。然后，运营商要队环内每个节点对所有请求和进行插分互联进行配置。这种供应的操作是极为耗时且劳动密集的。新型的SONET系统能自动完成一些供应步骤，但是网络运营商仍然需要对环内带宽的优化利用进行手工业务工程操作。而且运营商必须清楚地认识到网络拓扑、环内业务分发和每次链接由电路遍里的可用带宽。以太网交换网络上服务供应会好一些，因为它们不需要在每个节点提供电路。但是，节点上有时仍要供应电路。另外，如果服务商希望在网络上提供SLAS，运营商仍然需要采取手工网络通信业务工程的工作。

　　与此相比，一个弹性分组环系统则能提供简化的服务模式。在一个RPR系统，环作为一种共享媒质，环上所有节点共享分组环上的所有带宽。各个节点对环上可用容量都可见。因此，提供一种新服务简单得多，而不需要进行逐点、逐段的容量计划。工程计算和供应演习。网络运营商只要当业务通过环的时候简单鉴定出数据流，并专注于应有的服务质量。

　　5 结束语

　　正由IEEE802.17工作组进行标准化的弹性分组环协议是一种新的MAC层协议，是为优化数据包的传输而提出的，它吸收了千兆以太网的经济性、SDH对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和50ms环保护和恢复等特性，并具有空间复用、带宽动态分配、支持业务级别等特点，使其成为当前光网络上传输数据包的一种优化技术，正得到业界的广泛关注和重视。RPR可以满足城域网越来越高的数据传输要求，随着标准的制定和公布，RPR技术将成为城域网组网的优选方案。